PAN（聚丙烯腈）纤维在混凝土中的应用

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

摘要：聚丙烯腈纤维是指由聚丙烯腈纺制的纤维或丙烯腈含量占85%以上的共聚物纺制而成的纤维。聚丙烯腈纤维又称腈纶纤维，和聚丙烯纤维比具有更高的弹性模量，抗拉强度和抗紫外线性能和耐高温和严寒性能。作为水泥混凝土和沥青混凝土的主要加强筋可明显提高混凝土的抗拉强度、抗疲劳强度和抗弯拉强度，显着改善混凝土早期的抗裂性能。用于沥青中的显着改善沥青的粘结性、高温稳定性、疲劳耐久性并且具有低温防裂和防止反射裂缝的产生，有效提高抗拉、抗剪、抗压和抗冲击强度。聚丙烯腈纤维在混凝土中的真正作用和使用前景已经被工程界认识和接受。研究表明，与普通混凝土相比，聚丙烯腈纤维混凝土在抗折强度、抗弯强度、耐久性、抗疲劳性等方面具有优异的特性，在工程应用中表现出的优异性能使其具有更广阔的应用前景。

关键词：聚丙烯腈纤维，混凝土

1 性质

聚丙烯腈外观为白色粉末状，密度为1.14~1.15g/cm ，加热至220~300℃时软化并发生分解。玻璃化转变温度：104℃。为白色或略带黄色的不透明粉末；相对密度1.12，玻璃化温度约90℃。它溶于二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、环丁砜、硝酸亚乙基酯等极性有机溶剂，还能溶于硫氰酸盐、过氯酸盐、氯化锌、溴化锂等无机盐的浓水溶液，以及浓硝酸等特殊溶剂。它的软化温度和分解温度很接近，加热至200℃以上也不熔化，而是逐渐着色，以至碳化。

聚丙烯腈纤维为束状单丝纤维，色泽淡黄，直径13μm，长度为6mm 和12mm 等，密度1.18g/cm3，熔点≥220 ℃，抗拉强度≥800MPa，弹性模量≥16GPa，断裂延伸率为15%~26%，含水率≤2%，具有较强的耐酸碱性、耐光性、耐热性和抗水解性。

主要物化性质：丙烯腈的均聚物或共聚物。通常其等规和间规比例大致相等，具有高的硬度和刚性，耐化学品、溶剂、光、热和微生物，不易燃烧和焦化，低的气体渗透性。同极性物质相容性好。熔点317℃。溶于二甲基甲酰胺(DMF)硫酸二甲酯。加热会变色。由悬浮聚合法制得的是白色固体粉末，溶于二甲基甲酰胺等有机溶剂或硫氰酸盐等溶液中；由溶液聚合法制得的是聚丙烯腈溶液。

2 基本力学性能

混凝土的基本力学性能主要包括轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度和受压弹性模量等几方面。通过试验对比，聚丙烯腈纤维混凝土在以上几项性能指标中较普通混凝土均有不同程度的提高。在轴心抗压强度方面，聚丙烯腈纤维对混凝土的轴压强度的增长贡献不明显，在纤维掺量为0.15%时，仅有不到9%的提升量；在劈裂抗拉强度方面，聚丙烯腈纤维对混凝土劈裂抗拉强度增长的贡献则较明显，在纤维掺量为0.15%时，则有近20%的提升量；在抗折强度方面，聚丙烯腈纤维对混凝土抗折强度增长的贡献也较明显，在纤维掺量为0.15%时，则有近15%的提升量；在受压弹性模量方面，聚丙烯腈纤维对混凝土受压弹性模量增长的贡献则不明显，在纤维掺量为0.15%时，仅有9%左右的提升量。聚丙烯腈纤维作为一种抗拉纤维材料，主要改善混凝土的劈裂抗拉强度及抗折强度，对轴心抗压强度和受压弹性模量的改善则有限。

3 抗裂性能

聚丙烯腈的掺入对混凝土的抗裂性能有较大的改善。试验证明，达到1d 龄期时，在聚丙烯腈纤维混凝土试件上未发现收缩裂缝，而在对比的素混凝土试件上可以观测到少量的细微裂缝，聚丙烯腈纤维的掺入，可以延长混凝土早期收缩裂缝出现的时间。聚丙烯腈纤维对混凝土的早期收缩裂缝能起到很好的抑制作用，1d 至14d 的限裂等级均达到了一级。通过对纤维混凝土内部纤维分布图及实验结果分析，认为聚丙烯腈纤维混凝土主要阻裂机理为:表层材料中的纤维使失水面积减少，水分迁移困难，使毛细管失水收缩形成的毛细管张力减小；塑性收缩阶段，纤维材料与水泥基材之间的界面吸附粘结力、机械啮合力等，增加了材料抵抗开裂的抗拉强度；纤维可分散收缩的能量，增加混凝土的韧性，同时缓解温度变化引起的混凝土内部应力的作用；当裂缝出现后，纤维限制了裂缝尖端发展，只能绕过裂缝或把纤维拉断来克服纤维对裂缝发展的限制作用。聚丙烯腈纤维的阻裂效应，主要体现在消除或减轻了早期混凝土中原生裂隙的发生和发展，通过纤维提高了早期混凝土的抗拉强度。

4 抗冻融耐

我国东北及西北严寒地区，较大的昼夜温差使混凝土遭受频繁的冻融破坏，使得混凝土大面积冻坏、脱落，严重影响了混凝土工程的安全使用。试验证明，C50 混凝土在掺加体积掺量大于0.1%的聚丙烯腈纤维后，不仅抗冻能力有较大的提高，而且冻融后抗压强度也高于普通混凝土。均匀分布在混凝土中彼此相粘连的大量聚丙烯腈微细纤维起了“承托”骨料的作用，降低了混凝土表面的析水与集料的离析。同时由于乱向分布的微细纤维相互搭接阻碍了混凝土搅拌和成型过程中内部空气的溢出，使混凝土的含气量增大，缓解了低温循环过程中的静水压力和渗透压力；由于微细纤维改善了混凝土的早期内部缺陷，降低了原生裂隙尺度，及其本身承受荷载的拉结作用，所以提高了混凝土的抗拉极限应变并改善了混凝土的抗拉行为特征。聚丙烯腈纤维的特点是它的弹性模量随温度的降低而提高，温度由7.5 ℃变化至-17.5 ℃时，其弹性模量约提高3GPa，使其在混凝土中具有较强的传递荷载的能力和约束裂缝扩展的能力。在冻结的时候弹性模量的显着提高，更大程度地抵消了由于水结冰引起的膨胀力；在冰融化为水的时候，体积减小，由于纤维弹性模量降低，对释放膨胀能有正面作用，减小了膨胀引起的体积增量，降低后序循环的吸入水分，从整体上增强了混凝土对环境的应变能力，从而提高了抗冻性。

5 应用前景

作为混凝土的次要加筋材料，聚丙烯腈纤维可明显地提高混凝土的韧性及抗冲击性能，并有效地阻止裂缝的产生和发展，提高混凝土的抗渗性、抗冻性等耐久性能。聚丙烯腈纤维作为沥青混凝土的增强纤维，不仅可以大大改善沥青路面的粘结性、高温稳定性、疲劳耐久性，并且具有低温防裂和防止反射裂缝的性能。有效提高抗拉、抗剪、抗压及抗冲击强度。目前在高性能混凝土道路路面、桥梁面板、机场道面、堆石坝面板、抗震防爆等水泥混凝土工程以及高速公路、市政道路、机场路面、桥面铺装、收费站等高等级沥青路面工程等领域均已有了广泛的应用，并取得了较为可观的经济效益以及社会效益。

5.1 应用范围

5.1.1应用于水泥混凝土中

1) 混凝土预制板、构件等水泥制品

2) 水泥混凝土道路、路面、桥面、机场跑道

3) 港口、深水码头、大桥及严寒地区的工程

4) 公路防撞档墙、抗冲击挡板

5) 蓄水池、游泳池、腐化池、污水处理池

6) 水利、水电工程中的面板坝

7) 地下室侧墙、底板、顶板、屋面楼板等结构的防水工程

8) 喷射、泵送混凝土

5.1.2应用于沥青混凝土

1) 新建沥青路面面层

2) 旧沥青路面罩面

3) 路面修补

4) 路面冷补、灌缝

5) 钢结构桥面铺装

5.2 主要功能

5.2.1用于水泥混凝土时

1) 有效提高水泥混凝土的抗裂能力

①　与水泥粘结性好，对骨料起到承托作用，减少泌水并阻止沉降裂缝产生。

②　调节含水量，避免水份蒸发过快而引起的干缩裂缝。

③　调节混凝土内部因水化放热及外部温度变化的温度应力，降低裂缝水平。

2) 提高水泥混凝土的抗渗性和抗冻性，增加耐久性纤维，大大减少了混凝土中毛细孔的尺度和连通毛细孔的数量，有效提高水泥混凝土的抗冻性和抗渗性。

3) 降低混凝土的脆性，使已开裂的混凝土强度得到保障

4) 提高混凝土的耐磨能力，抗拉强度和韧性

5) 提高混凝土的抗冲击性、抗震、抗龟裂能力

6) 大大提高混凝土的抗冻能力，有效提高耐久性

5.2.2用于沥青混凝土时

1) 提高沥青混凝土合料的分散作用

2) 在沥青混合物中起到加强筋作用

3) 增加沥青混合物的含油率，搞度粘接强度和稳定性

4) 提高沥青混合物的韧性和抗低温能力

5) 减少永久变形，提高防滑耐磨能力

6) 减少温度对沥青路面的影响，提高沥青路面的水稳定性

6 添加聚丙烯腈纤维的沥青路面性能特点

聚丙烯腈纤维能提高沥青混凝土的高温稳定性、低温抗裂性、抗疲劳性、抗剥落性和水稳性。

6.1 吸附作用

聚丙烯腈纤维分散在沥青中，其巨大的表面积成为浸润界面，可以充分吸收沥青，使集料表面的沥青膜厚度增大，有利于减缓沥青老化。

6.2 稳定作用

在沥青混合料中，纵横交错的纤维所吸附的沥青，增大了结构沥青的比，使沥青混合料的粘滞性增强，沥青软化点提高，有效提高了高温稳定性。

6.3 加筋作用

沥青混合料中，纤维可以使沥青矿粉适当的分散，均匀的分散在集料之间，不会成为胶团。

6.4 增粘作用

由于纤维吸附沥青，增强了沥青对集料颗粒的握裹力，通过油膜的粘结，提高集料之间的粘结力保证沥青路面的整体性不易松散。

7 聚丙烯腈纤维对沥青混合料路用性能的影响

7.1 沥青混合料的高温稳定性

高温稳定性采用60℃车辙试验。

动稳定度试验表明：减少沥青用量，聚丙烯腈纤维沥青混合料的抗车辙性能得到很大改善。这一试验结果与聚丙烯腈纤维沥青混合料采用最佳沥青用量的试验结果不同，本试验研究的目的就是采取适当降低沥青用量的方法来改善纤维混合料的高温稳定性，从试验结果可看出，这种方法是可行的。究其原因，纤维的吸附使得沥青的粘稠度和粘聚力增大，同时由于纵横交错的纤维具有“加筋”作用，另外沥青用量的减少导致自由沥青减少，使其润滑作用减弱，并使混合料具有较高的强度，因而混合料的抗车辙性能提高。

7.2 沥青混合料的低温抗裂性

为了分析沥青混合料的低温抗裂性，采用0℃弯曲试验。

加聚丙烯腈纤维沥青混合料的抗裂性明显优于普通沥青混合料，这说明掺加纤维可以较大幅度增加沥青混合料的抗裂性。这主要是由于纤维本身具有的抗拉能力，使其在混合料中起着多向加筋作用，因而纤维混合料具有较好的低温抗裂性。

7.3 沥青混合料的水稳定性

两种沥青混合料残留稳定度试验结果。

由于聚丙烯腈纤维对沥青具有较强的吸附能力，导致吸附在矿料上的沥青膜变厚，并减少了自由沥青含量，提高了沥青与集料的粘结力，加强了沥青混合料中的沥青与集料形成的界面膜抵抗水分剥离的能力，因而添加聚丙烯腈纤维的沥青混合料表现出较高的残留稳定度，其抗水损害能力增强。

7.4 沥青混合料的疲劳特性

沥青混合料15℃疲劳试验。

在应力水平不高时加聚丙烯腈纤维沥青混合料较不加纤维沥青混合料耐疲劳性好。当应力水平较高时，加纤维沥青混合料的耐疲劳性有所下降。加入聚丙烯腈纤维后，在抗折试验中，纤维高强混凝土的总体破坏荷载略有提高，但提高比例有限。这主要是由于聚丙烯腈纤维属于低弹性模量、高延伸率的聚合物纤维，将其掺入高强混凝土后，其抗折强度提高幅度并不多。在疲劳加载过程中，各个试件破坏前跨中挠度都比较小，裂缝一旦出现，便迅速扩展到全截面，破坏具有一定的脆性，且破坏面几乎发生在均匀受拉区域。随着纤维掺量的提高，脆性破坏得到一定的缓解，具备一定的延性特征。

由于混凝土的不均质性以及试验状况和强度变异的影响，无论是高强混凝土还是聚丙烯腈纤维高强混凝土的疲劳试验结果，均有一定的离散性。由图4可以看出，随着纤维掺量的提高，混凝土的疲劳寿命呈现不同程度的增长，说明纤维的掺入对提高高强混凝土的疲劳寿命是有效的。纤维的掺入，降低了高强混凝土的脆性，提高了韧性，高效减水剂和粉煤灰的掺入，又使得水泥石的孔结构得到改善，匀质性增加，密实度和强度大大提高，且界面区结构密实，不均匀性减小水泥石与集料之间的粘结性得到加强。因此，纤维高强粉煤灰路面混凝土较高强混凝土有较高的疲劳命。

参考文献:

[1] 深圳市海川实业股份有限公司.聚丙烯腈纤维混凝土[P].中国:200510036569，2007(2).

[2] 姚武，冯伟.聚丙烯腈纤维混凝土抗冻融耐久性的研究[J].工业建筑，2003，(11).

[3] 邓宗才，何维平.高性能腈纶纤维混凝土韧性评价方法[J].混凝土，2003，(11).

[4] 迟银波，庞静，刘海苹. 聚丙烯纤维网混凝土桥面抗冻性探讨[J]. 低温建筑技术， 2007，(01) .

[5] 宋强，林国仁，方德铭，卓卫东. 聚丙烯腈纤维混凝土基本力学性能的试验研究[J]. 福建建筑， 2007，(05) .

[6] 许立强，陈素红. 聚丙烯腈纤维对混凝土力学性能影响的试验研究[J]. 建材世界， 2009，(01) .

[7] 罗素蓉，李豪.纤维自密实混凝土力学性能及早期抗裂性能研究[J].广西大学学报(自然科学版)， 2010，(06) .

[8] 安静洁.德兰尼特AS增强纤维在沥青混凝土路面中的应用[J].山西交通科技，2006，(8).

[9] 罗福兰，施兵，杨红辉.德兰尼特AS纤维沥青混合料路用性能研究[J].中外公路，2004，(8).

[10] 邓宗才.高性能合成纤维混凝土[M].北京: 科学出版社，2003

[11] 张争奇.纤维加强沥青混凝土的研究[ J ].西安公路交通大学学报， 1998，( 3) : 18－21.

[12] 孙立兵.纤维沥青混凝土路用性能研究[D]. 西安: 长安大学，2002.

[13] 谢晶.不同纤维对SMA 疲劳性能的影响[J].公路，2008( 10) : 214－217

[14] 曲旭光，史宝华，彭洪波，等.聚丙烯腈纤维混凝土性能试验研究[J].混凝土，2009( 4) : 81－82

[15] CHEN Shuan-fa，ZHENG Mu-lian，Wang Bing-gang.Formulation and application of fatigue equation for

porous concrete[J].Journal of the Chinese ceramic society，2005，33(7):827-831

[16]GriesT，RixeC.PolyacrylicFibers[J].ChemicalFibertional，2002，11:232-253

[17] Keshav V D.Formulation of PAN for solution spinning [J].Synthetic Fibers，1994，10:37-40