工程用合成纖維及其標準體系
來源：網(wǎng)絡(luò)發(fā)布時間：2010-03-01 10:12:10
自20世紀70年代初以來，國際土木工程界與建筑業(yè)通過一系列工程實踐已確認，在混凝土中摻加適量抗堿性好，均勻分布的工程纖維，有助于克服混凝土的某些缺點、提高混凝土工程的質(zhì)量和耐久性。目前應(yīng)用最為廣泛的是合成纖維。
1、工程用合成纖維概述
工程用合成纖維是一種細而長的聚合物材料，其長徑比一般在100以上，并且具有一定的抗拉強度、彈性模量和極限伸長率。
工程用合成纖維按材質(zhì)分類常見的有：聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、聚乙烯醇纖維、聚酰胺纖維、聚酯纖維等。
1.1聚丙烯纖維
聚丙烯纖維是由丙烯聚合成等規(guī)度97%～98%聚丙烯樹脂后經(jīng)熔融擠壓法制成的纖維。聚丙烯纖維是當今在全世界混凝土工程中用量最大、使用范圍最廣的合成纖維。這是由于聚丙烯纖維優(yōu)良的物理機械性能和優(yōu)異的耐酸、耐堿等化學(xué)穩(wěn)定性，且原料來源廣、制作技術(shù)不復(fù)雜、價格相對較低。
聚丙烯纖維常見品種按所用原料與纖維的尺度可分為兩類，一類是用等規(guī)聚丙烯制成的尺度較小的纖維，可稱之為“聚丙烯細纖維”；另一類是用改性聚丙烯或聚丙烯與聚乙烯的共聚物制成的尺度較大的纖維，可稱之為“聚烯烴粗纖維”。這兩類纖維在混凝土中所起的作用不同，各有側(cè)重。為了使混凝土的性能達到全面增強的效果，近年來在國外某些混凝土工程中已同時摻加聚丙烯纖維與聚烯烴粗纖維。
1.1.1聚丙烯細纖維
按其形態(tài)可分為聚丙烯束狀單絲纖維和聚丙烯膜裂網(wǎng)狀纖維。
聚丙烯束狀單絲纖維的直徑較小，直徑一般不大于50μm，長度一般不大于20mm，是由等規(guī)聚丙烯熔融后經(jīng)若干個噴絲孔直接拉絲制成的。纖維截面呈圓形或異形，若干根單絲經(jīng)拉伸、定型并短切至一定長度后成為纖維束。纖維束在與混凝土拌合過程中可分離成單絲。
聚丙烯膜裂網(wǎng)狀纖維單絲當量直徑一般68μm～97μm，長度一般不大于15mm～38mm，由等規(guī)聚丙烯熔體經(jīng)擠出機拉制成為薄膜，再經(jīng)高溫下高倍拉伸以提高聚丙烯纖維的定向性并降低薄膜的厚度，然后使薄膜經(jīng)針輥穿刺成為網(wǎng)狀并切短成為一定長度的纖維束，纖維的截面呈矩形。在與混凝土拌合過程中，纖維束可分裂成（中國再生瀝青網(wǎng)）為單絲。
聚丙烯細纖維主要在混凝土的塑性階段起著阻裂作用，減少和抑制混凝土的塑性沉降裂縫；在硬化混凝土中起著被動防火作用，防止混凝土在火災(zāi)中發(fā)生爆裂。
1.1.2聚烯烴粗纖維
聚丙烯粗纖維的直徑大于0.1mm，長度大于30mm.多數(shù)聚丙烯粗纖維的斷面為矩形，少數(shù)為異形。為增強纖維與混凝土的黏結(jié)，纖維表面經(jīng)特殊的壓痕、糙化處理，或使纖維具有波狀外形。目前聚丙烯粗纖維有像剪切鋼纖維一樣的單絲纖維，也有由膜裂網(wǎng)狀纖維與非膜裂單絲纖維相互纏繞成的螺旋形纖維束。
聚丙烯粗纖維與聚丙烯細纖維相比較，因纖維粗長、彈性模量高，尤其是纖維與混凝土的界面粘結(jié)強度很高，可承接混凝土所傳遞的負載并顯著減緩混凝土裂縫的擴展，能使混凝土在出現(xiàn)裂縫后仍然具有一定的承載與變形能力、吸收較多的能量，因而可顯著提高混凝土的韌性，并相應(yīng)提高混凝土的抗沖擊性與抗疲勞性。
聚丙烯纖維主要適用于：1）工業(yè)與民用建筑的抗裂，防滲砂漿；2）抗裂防滲要求較高的地下室和地下工程，海堤水壩等鹽水工程；3）各種預(yù)制混凝土產(chǎn)品；4）高速公路、橋梁、隧道、機場跑道等混凝土；5）對耐堿和化學(xué)腐蝕要求較高等化工廠等[1].
1.2聚丙烯腈纖維
聚丙烯腈纖維又稱腈綸纖維，通常指含丙烯腈在85％以上的丙烯腈共聚物或均聚物纖維。
人們在長期的工作中發(fā)現(xiàn)長期暴露于石棉下易患肺癌，對人體造成傷害，因此，人們開始尋找石棉在工程領(lǐng)域的替代物，通過研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯腈纖維作為一種添加劑少量摻加于水泥混凝土中可提高其使用性能。聚丙烯腈纖維做水泥、混凝土制品和路面用瀝青混凝土中的增強材料，比聚丙烯纖維有更高的抗拉強度，更好的抗紫外線能力和耐高溫耐嚴寒能力。
聚丙烯腈纖維在水泥混凝土和瀝青混凝土中起著不同的作用。聚丙烯腈纖維用于水泥混凝土?xí)r：有效提高水泥混凝土的抗裂能力；提高水泥混凝土的抗?jié)B性和抗凍性，增加耐久性纖維，大大減少混凝土中毛細孔的尺度和連通毛細孔的數(shù)量，有效提高水泥混凝土的抗凍性和抗?jié)B性；降低混凝土的脆性，使已開裂的混凝土強度得到保障；提高混凝土的耐磨能力，抗拉強度和韌性；提高混凝土的抗沖擊性、抗震、抗龜裂能力；大大提高混凝土的抗凍能力，有效提高耐久性。聚丙烯腈纖維用于瀝青混凝土?xí)r：提高瀝青混凝土合料的分散作用；在瀝青混合物中起到加強筋作用；增加瀝青混合物的含油率，搞度粘接強度和穩(wěn)定性；提高瀝青混合物的韌性和抗低溫能力；減少永久變形，提高防滑耐磨能力；減少溫度對瀝青路面的影響，提高瀝青路面的水穩(wěn)定性。
1.3聚乙烯醇纖維
聚乙烯醇纖維，完整的學(xué)名是“聚乙烯醇縮醛纖維”，又稱維綸纖維。
因聚乙烯醇纖維的生產(chǎn)成本相對低于聚丙烯腈希望，替代石棉摻入水泥制品中使用性能基本類同，所以很快就得到國際上的認同和使用。高強高模聚乙烯醇纖維作為增強纖維用于建筑用水泥制品，如：制作愣形瓦、屋頂彩瓦、裝飾墻板、室內(nèi)外輕質(zhì)墻板、地板、地磚、室內(nèi)吊頂、大口徑下水道管、水管及接頭等。
1.4聚酰胺纖維
聚酰胺纖維是由由聚酰胺樹脂經(jīng)熔融紡絲制成的纖維。聚酰胺纖維常見產(chǎn)品有聚己二酸己二胺纖維（尼龍66）和聚己內(nèi)酰胺纖維（尼龍6）。這兩種聚酰胺纖維是世界上最早實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的合成纖維，在建筑業(yè)的應(yīng)用主要為被摻入砂漿混凝土中，用以阻止混凝土的早期開裂等。但由于這兩種纖維的生產(chǎn)成本相對比較高，所以在國內(nèi)外建筑業(yè)的應(yīng)用量不是很大[2].
1.5聚酯纖維
聚酯纖維是改性聚酯切片，經(jīng)特殊工藝加工制成的短切纖維。一般建筑工程用聚酯纖維采用中速紡絲和高速拉伸變形的紡絲工藝，可以紡制55dtex～88dtex的變形絲。由此方法得到的聚酯纖維再經(jīng)過特殊的親油、抗電表面處理后，具有較高的抗拉強度和彈性模量以及良好的分散性能。而且聚酯纖維具有一定的親油、親水性能，所以聚酯纖維與瀝青混凝土具有較好的握裹力。因此，聚酯纖維在瀝青混凝土中得到了大量的應(yīng)用。聚酯工程纖維還可提高瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗疲勞性能、抗拉、抗剪、抗沖擊強度。同時改善瀝青混凝土的水穩(wěn)性，抗剝落性，耐磨性和耐久性，有效的抵抗反射裂縫的產(chǎn)生，從而大大的提高路面的質(zhì)量，延長路面的使用壽命。聚酯纖維的熔點為255℃～260℃，在高溫拌和和高溫養(yǎng)護條件下性能仍然比較穩(wěn)定。
聚酯工程纖維主要適用于：瀝青路面面層；舊瀝青路面罩面；舊水泥路罩面；路面冷補、灌縫等；橋面鋪裝、收費站路面鋪裝等[3].
2工程用合成纖維基本性能
隨著工程用合成纖維在工程領(lǐng)域的大量應(yīng)用，工程用合成纖維的性能對基體材料性能的影響越來越引起人們的關(guān)注。工程用合成纖維的性能直接影響著建筑材料的性能。工程用合成纖維最主要的使用性能是力學(xué)性能（強度、伸長率和模量），同時還要考慮在熱/濕條件下的穩(wěn)定性、在混凝土基體中好的分散性、與基體好的黏合性以及長時間的耐堿性。
2.1力學(xué)性能
工程用合成纖維在各種使用條件下所能表現(xiàn)出的強度和對抗破壞的能力是其力學(xué)性能的重要體現(xiàn)。建筑行業(yè)最為關(guān)注的、反映纖維力學(xué)性能的指標主要有抗拉強度、彈性模量、極限延伸率：
（1）抗拉強度：它是反應(yīng)纖維材料在受拉伸直至斷裂時其單位面積所能承受拉力的大小，常以Pa表示。
（2）彈性模量：系指纖維受拉伸時發(fā)生單位形變所需力的大小，建筑工程纖維中通常由負荷－伸長曲線中起始部分荷載隨伸長變化最大時切線或割線的斜率得到的初始模量表示。纖維彈性模量所表征的是纖維所具有的剛性，纖維與混凝土基材的彈性模量比值越高，則受負荷的纖維所分擔的應(yīng)力也越大。
（3）極限延伸率：纖維的極限延伸率指纖維受力伸長至斷裂時與纖維原長相減增加的長度，除以其原長得到的百分數(shù)。纖維的極限延伸率越大，則越有利于纖維增強混凝土復(fù)合材料韌性的提高。與混凝土基材相比，纖維極限延伸率至少要高一個數(shù)量級，但是纖維的極限延伸率不可過大，否則由于纖維與混凝土基材的過早脫離而影響纖維發(fā)揮增強作用。表1是常用工程用合成纖維的力學(xué)性能指標。
表1 常用工程用合成纖維的力學(xué)性能纖維種類抗拉強度/MPa彈性模量/GPa極限伸長率/%聚丙烯纖維膜裂網(wǎng)狀纖維280～5503.4～4.815～18束狀單絲纖維560～7703.5～3.815～16聚烯烴粗纖維500～7507.3～10.613～15聚丙烯腈纖維360～5104.0～10.012～20聚酯纖維650～85010.0～15.07～17聚乙烯醇纖維550～7504.0～6.09～17聚酰胺纖維590～9502.5～6.616～28
2.2化學(xué)穩(wěn)定性
化學(xué)穩(wěn)定性是指物質(zhì)在化學(xué)因素作用下保持原有物理化學(xué)性質(zhì)的能力。纖維的化學(xué)穩(wěn)定性，是指纖維處于不同酸、堿條件下，以及接觸有機溶劑等時所具的穩(wěn)定性如何。作為工程用纖維，常用于摻加在水泥基體中，由于硅酸鹽水泥在水化過程中生成大量的氫氧化鈣，水化溫度可達55℃～75℃，這種高溫堿性條件要求工程用纖維具有一定的耐堿性。
工程纖維的化學(xué)穩(wěn)定性在很大程度上決定了其應(yīng)用范圍。聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、聚乙烯醇纖維、聚酰胺纖維等合成纖維本身沒有或存在少部分與堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的基團，故具有良好的耐堿性，摻加在水泥基體中能保持良好的化學(xué)穩(wěn)定性；聚酯纖維本身含有能與堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的基團，在高堿性水泥基體中容易同基體發(fā)生反應(yīng)，故不適合于堿度較高的混凝土中。
2.3熱性能
纖維的熱性能是指纖維在經(jīng)受不同溫度時所具的穩(wěn)定性，纖維的熱性能與它本身的材質(zhì)密切相關(guān)。纖維對高溫作用的穩(wěn)定性可以用纖維的物理機械性能的變化以及高聚物的化學(xué)變化來評價。表2是部分合成纖維的熱性能。
