聚丙烯腈纤维在建筑方面的应用

聚丙烯腈纤维在建筑方面的应用摘要：将聚丙烯腈纤维加在道路、桥梁等建筑所用混凝土中提高了其性能。关键词：聚丙烯腈纤维；混凝土；抗裂性；建筑一、前言水泥钢筋混凝土是我国公路建设中广泛采用的路面结构形式之一。它具有强度高、耐久性好等优良性能,但混凝土作为一种多孔性的脆性材料,其抗拉强度低、韧性差,极易形成裂缝。因此为了减少路面早期裂缝的产生,广大技术人员一直在尝试采用各种新材料如钢纤维、聚丙烯腈纤维等添加至混凝土中,增强混凝土抗裂性和韧性,以达到预防混凝土出现早期裂缝的效果。二、结构式2.1名称：聚丙烯腈2.2英文名：PANpolyacrylonitrile2.3俗名：腈纶（国内）奥纶、开司米纶（国外）2.4化学名称：聚丙烯腈2.5分子式：2.6单体:CH2=CH-CN2.7聚合物属于无规共聚物：……M1M1M2M1M3M2M1M2M3M1……[1]三、制备方法3.1法一：水相悬浮聚合法：该法常采用水溶性氧化还原体系过硫酸钾-硫代硫酸钠氧化还原体系为引发剂，该引发剂在水中生成自由基·OH和HSO3·首先激发溶在水中的丙烯腈，生成丙烯腈自由基，丙烯腈自由基在触发自由基链反应使之进入链增长阶段。上述反应活化能仅为4650KJ/mol，反应在50摄氏度下就能进行，有利于抑制副反应但溶液的pH会影响反应进行，所以必须严格控制反应过程的pH值。最后可以通过重合终止，两活性链彼此相碰使活性消失。该法属于非均相溶液聚合，所得聚合物不断地呈絮状沉淀析出，经气提出去为反应单体，然后过滤出去盐分，在干燥风送到料仓。之后溶剂一定配比制成胶，过滤后在溶剂溶液中经双扩散形成初生纤维，在洗去溶剂，烘干、卷曲、定型，成品打包出厂[2]。3.2法二：均相溶液聚合：聚丙烯腈纤维大多由三元共聚物制得,丙烯腈占90%～94%,第二单体加入量为5%～8%,第三单体为013%～210%。常用的第二单体有丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯和丙烯酰胺等。第三单体分两大类:一类是对阳离子染料有亲和力,含有羧基或磺酸基团的单体,如丙烯磺酸钠、甲基丙烯磺酸钠、甲基丁二酸(又名衣康酸)、对-乙烯基苯磺酸钠等;另一类对酸性染料有亲和力,含有胺基、酰胺基、啶等的单体,如乙烯吡啶,含有碱性染色基团的α2甲基乙烯吡啶等。腈纶的原料丙烯腈由石油裂解的副产品丙烯制得,由丙烯、液氨以及氧气在400℃～500℃下发生气、固相催化反应制取(丙烯-氨氧化法)。由于聚丙烯腈共聚物加热到230℃以上时只发生分解而不熔融,因此,它不能像涤纶、锦纶纤维那样进行熔融纺丝,而采用溶液纺丝的方法。根据所用溶剂的不同分为均相溶液聚合和非均相溶液聚合。均相溶液聚合所用的溶剂既能溶解单体,又能溶解反应所生成的聚合体,反应完毕后,聚合液可直接用于纺丝,故又称腈纶生产一步法。如浓硫氰酸钠水溶液、浓氯化锌水溶液、硝酸、二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基乙酰胺(DMAC)为溶剂聚合,则可采用均相溶液聚合[3]。四、性能腈纶是三大合成纤维之一，具有许多较好的性能4.1弹性。仅次于涤纶，比锦纶高约2倍，有较好的保形性[3]。4.2耐热性。具有较强的耐热性，软化温度为190℃～240℃4.3耐旋光性。腈纶的耐旋光性是所有合成纤维中最好的，露天暴晒1年,强度仅下降20%。4.4腈纶耐酸、氧化剂和一般有机溶剂,但不耐碱。4.5聚丙烯腈纤维加在混凝土中提高了混凝土的抗压强度，劈拉强度。聚丙烯腈纤维的主要物理性能参数见下表[4]表1聚丙烯腈纤维的物理性能项目长度/mm纤度/dtex比重/g.cm3抗拉强度/MPa弹性模量/GPa延伸率/%每克根数/根软化温度/℃指标6201.91.1850017.114-20876000190℃～240℃五、应用5.1随着我国经济建设的增长和基建事业的提高,混凝土材料以其优良的强度高、耐久性好、价格便宜、原料易得、制备简单以及自身受温度、水的影响较小的特性,越来越受到重用,但是其自身也存在其固有弱点,如:混凝土抗变形能力差、耐磨性差、抗渗性差、抗高温性能差等缺点,从而限制了它的应用范围和效果。聚丙烯腈纤维混凝土是近年来发展起来的一种性能优异且应用广泛的新型复合材料。与普通混凝土相比,聚丙烯腈纤维混凝土在延性、耐久性、抗冲击性、抗疲劳性、抗折强度、抗弯强度等方面具有优异的特性。聚丙烯腈纤维混凝土是聚丙烯腈纤维增强混凝土的简称,通常是采用水泥净浆、砂浆或者混凝土为基体,以非连续的短纤维或者连续的长纤维作为增强材料,所组成的水泥复合材料。聚丙烯腈纤维在混凝土中的作用有三方面:①作为非结构性补强材料,减少收缩,提高混凝土抗裂能力,减少直至避免表面发裂或龟裂。②减少泌水、离析,改善混凝土结构的均匀性,全面提高耐磨、抗冻、抗渗、抗冲击、抗疲劳等性能。③改变混凝土中原生裂缝的形态,改善混凝土内部的应力分布,提高其抗拉强度,降低弹性模量,增强韧性,改善混凝土后期变形性能。5.2聚丙烯腈纤维混凝土各种性能5.2.1抗裂性在道面混凝土中掺入聚丙烯腈纤维可以很好地解决道面混凝土早期开裂的问题,说明聚丙烯腈纤维可以有效阻止早期裂缝的产生。为了研究聚丙烯腈纤维对道面混凝土的阻裂性能,分别对聚丙烯腈纤维的掺量和规格的不同对混凝土抗裂性进行了试验方法。道面聚丙烯腈纤维混凝土阻裂的试验效果如图1-2所示[5]。从图1中可以看出,纤维掺量的增加对裂缝减少近似呈线性关系。随着纤维掺量的增加裂缝面积减少。可以认为随着纤维数量的增加、纤维的间距愈小,早期抗裂效果愈明显。从图2中可以看出,随着纤维长度的增加裂缝面积减小。5.2.2力学性5.2.2.1抗压强度聚丙烯腈纤维属于低弹模纤维,因此,它对混凝土轴心抗压强度的改善,无论是早期强度还是标准强度并不十分显著,提高幅度均不大。从表2[6]中可以看到,与素混凝土相比,聚丙烯腈纤维混凝土的抗压强度是一般是随着纤维掺入量的增大而提高。但对于早期抗压强度在纤维参量为1.1kgPm3时,提高幅度最大,达5.26%,可是28d的抗压强度表2抗压强度试验结果编号3d抗压强度提高值提高幅度28d抗压强度提高值提高幅度普通混凝土20.230037.9500纤维掺量(0.7kg/m3)17.45-2.78-13.74%38.190.240.64%纤维掺量(0.9kg/m3)20.880.663.25%41.143.198.41%纤维掺量(1.1kg/m3)21.291.065.26%37.87-0.08-0.20%5.2.2.2劈裂抗拉强度聚丙烯腈纤维具有较高的延伸率和抗拉强度,因此,它对混凝土劈拉强度的改善较为明显。从表3中可以看到,与素混凝土相比,聚丙烯腈纤维混凝土的劈拉强度,只有纤维的掺入量达到1.1kgPm3时,早期劈拉强度才有提高。但是28d的劈拉强度均可提高,幅度在14.98%～22.00%之间,并且在纤维的掺入量达到1.1kgPm3时达到最大。这说明对劈拉强度,同样存在一个最佳的纤维掺入量,超过该掺入量,聚丙烯晴纤维对早期劈拉强度才有提高,而对于28d劈拉强度,一般均有提高,因此在使用时应注意纤维掺入量对于早期强度提高的影响。编号3d抗压强度提高值提高幅度28d抗压强度提高值提高幅度普通混凝土3.10004.2300纤维掺量(0.7kg/m32.81-0.29-9.34%4.920.7016.48%纤维掺量(0.9kg/m3)2.95-0.16-5.05%4.860.6314.98%纤维掺量(1.1kg/m3)3.250.144.62%5.160.9322.00%5.2.3抗冻性：聚丙烯腈纤维混凝土的抗冻性有一定的改善作用，尤其是对低强度等级和中等强度等级的混凝土抗冻融能力的改善十分显著。混凝土抗冻性的提高与聚丙烯腈纤维的一些特性有直接的关系。聚丙烯腈纤维在提高混凝土的抗冻融耐久性上有以下几点贡献：首先，聚丙烯腈纤维的弹性模量随温度的降低而提高的特性对纤维混凝土在低温环境下抵抗冻胀破坏具有正面增强效应；其次，聚丙烯腈纤维直径小，单位重量的纤维数量庞大，纤维间距小，因此具有明显的阻裂效应，增加了混凝土冻融损伤过程中能量的损耗，有效的抑制了混凝土的冻胀开裂；最后，聚丙烯腈纤维的引气作用，使得混凝土含气量增大，缓解了冻融循环过程中的静水压力和渗透压力，从而提高了混凝土的抗冻融能力。5.2.4高温稳定性：用60摄氏度轮碾车辙试验[7]，可知加入纤维可大幅度的提高沥青混合料的高温抗车辙能力，在相同条件下，纤维沥青混合料的动稳定度约相当于普通沥青混合料的两倍。可见，纤维沥青混凝土特别适合于炎热地区的重载交通。另外，聚丙烯腈混凝土还有不溶于一般溶剂，不溶于煤油、汽油，耐候性好，高耐磨性，高抗渗性，低破损率等优良性质。六、结语聚丙烯腈混凝土与普通混凝土相比具有较好的抗裂性，抗压强度，劈裂抗拉强度，抗冻性和高温稳定性等性能。特别是随着高速路的发展，对高性能的混凝土的需求增多，聚丙烯腈纤维混凝土的应用前景十分广阔。参考文献[1]张旭之，陶志华等.丙烯衍生物工学.化学工业出版社.1995[2]李春又.建筑行业用聚丙烯腈纤维的作用及生产工艺.硅谷.2008,08[3]张连敏,李祥高.非织造布.2007,15(2)[4]龙娈珍,方坤河.聚丙烯腈纤维砂浆性能研究[J].湖北水力发电,2006(2):33-36.[5]翁兴中,蔡良才.道面聚丙烯腈纤维混凝土早期抗裂性试验研究.混凝土.2008(9)[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.建材世界.2009,30(1)[7]耿彦东.聚丙烯腈纶纤维沥青混凝土路用性能研究.黑龙江交通科技.2007（7）