建筑工程中聚丙烯腈纖維的應(yīng)用

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【摘要】本文主要介紹建筑工程中混凝土出現(xiàn)的裂縫問題及其形成原因，分析了聚丙烯腈纖維在混凝土中的抗裂防滲中的用途及機(jī)理，對(duì)其在寧夏建筑工程中的應(yīng)用情況重點(diǎn)做了介紹。

【關(guān)鍵詞】建筑工程；裂縫；聚丙烯腈纖維；抗裂；防滲

0引言

在寧夏近幾年出現(xiàn)的建筑中，很多建筑工程都是超長(zhǎng)超寬的結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)的梁、板等水平混凝土構(gòu)件極易出現(xiàn)裂縫問題，而這種超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在國(guó)家相關(guān)規(guī)范中也沒有明確的做法；還有些建筑物為了增大它的使用空間，采用了主體結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計(jì)，這就產(chǎn)生了一個(gè)問題，大面積混凝土梁板的裂縫，這個(gè)問題始終困擾著廣大工程技術(shù)人員。最近兩年，寧夏廣大工程技術(shù)人員嘗試了許多方法來解決這個(gè)問題，如留伸縮縫、留后澆帶、在混凝土中摻加膨脹劑等等，一些設(shè)計(jì)人員嘗試在水泥混凝土中適量摻加聚丙烯腈纖維，使用纖維混凝土，使混凝土抗裂防滲問題得到了一定程度的解決；寧夏自治區(qū)建設(shè)廳對(duì)聚丙烯腈纖維在全區(qū)建筑工程領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛推廣。

1聚丙烯腈纖維的技術(shù)參數(shù)

聚丙烯腈纖維是一種新材料，它是以純丙烯腈（各種雜質(zhì)的總含量應(yīng)低于0.005%）為原料﹑以特殊工藝生產(chǎn)的，具有高彈模﹑高抗拉強(qiáng)度、耐腐蝕性好﹑具有良好親水性的一種高科技產(chǎn)品，就是我們俗稱的“腈綸”。聚丙烯腈的另一特點(diǎn)是：這種纖維單位體積內(nèi)根數(shù)多，可達(dá)1.6~10億根。根據(jù)纖維的間距理論，同等重量下纖維數(shù)量越多比表面積也就越大，從而使纖維與混凝土的粘結(jié)面也就越大，粘結(jié)的作用力就會(huì)提高，纖維將承擔(dān)更多的開裂形成的拉應(yīng)力，與其相應(yīng)的纖維混凝土發(fā)揮的抗裂效果也就越加明顯。因此，和其他纖維混凝土相比，聚丙烯腈纖維混凝土有著更良好的性能?，F(xiàn)以深圳某公司生產(chǎn)的路威2002II型聚丙烯腈纖維為例介紹：聚丙烯腈纖維和其他合成纖維相比，具有親水性強(qiáng)、單位重量根數(shù)多、抗?jié)B效果好等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于聚丙烯腈纖維在水泥混凝土中的摻加量，一般為每立方混凝土摻量為0.5~1.0公斤/立方，最高為1.0公斤/立方。目前，寧夏地區(qū)的建議摻加量為0.8公斤/立方砼；主要用于梁、板、剪力墻、地下車庫(kù)等結(jié)構(gòu)中，用來抗裂、防凍、結(jié)構(gòu)防水等。在水泥混凝土中摻加纖維是一種新技術(shù)，它是伴隨著高強(qiáng)混凝土技術(shù)的推廣運(yùn)用而生的，該種高性能混凝土只是在原材料的基礎(chǔ)上，又增加了一種新的復(fù)合材料，取其長(zhǎng)而避其短，使混凝土能發(fā)揮更好的作用。聚丙烯腈纖維能較好的改善水泥混凝土的脆性，使其在建筑工程中使用的混凝土發(fā)揮更高性能的良好途徑。

2聚丙烯腈纖維在混凝土中的作用

2.1裂縫產(chǎn)生的原因

塑性裂縫產(chǎn)生原因：混凝土在完全凝固之前，強(qiáng)度極其微小，這個(gè)時(shí)候，如果周圍環(huán)境溫度很高或者風(fēng)力很大，就會(huì)導(dǎo)致混凝土的表面失去水分速度過快，在混凝土中的微小縫隙中造成負(fù)壓而是體積急劇收縮，這個(gè)時(shí)候，混凝土本身的強(qiáng)度很小，無法抵抗這種收縮，混凝土就會(huì)產(chǎn)生裂縫。所以，在混凝土澆筑時(shí)，周圍溫度越高、濕度低、風(fēng)大，就會(huì)使混凝土中的水分蒸發(fā)的劇烈，早期裂縫也就越嚴(yán)重。水泥混凝土的干縮裂縫大多出現(xiàn)在混凝土養(yǎng)護(hù)結(jié)束以后，由于混凝土內(nèi)外水分蒸發(fā)程度不同、變形大小不一，而導(dǎo)致的裂縫?；炷恋谋砻媸芡獠凯h(huán)境影響較大，水分蒸發(fā)的較快，變形就比較大，而混凝土內(nèi)部，受環(huán)境影響較小，變形就比較小；外部較大的變形受到內(nèi)部較小的變形的制約，就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土本身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂縫就產(chǎn)生了。所以，濕度越低，空氣流動(dòng)越大，混凝土越容易產(chǎn)生干縮裂縫。

2.2聚丙烯腈纖維的作用

水泥混凝土中摻加聚丙烯腈纖維后，纖維能夠有效阻止混凝土因干縮、塑性變形引起的裂縫的繼續(xù)發(fā)展。

1）摻入聚丙烯腈纖維能夠明顯減少水泥混凝土的收縮變形，特別是在早期的時(shí)候。因?yàn)樵缙诨炷恋乃苄允湛s力比較低，非常有利于發(fā)揮聚丙烯腈纖維的限縮性能。因此，在水泥混凝土中摻入聚丙烯腈纖維后，橫七豎八分布的纖維能夠有效控制水泥混凝土材料的塑性收縮，纖維承擔(dān)了部分混凝土的收縮應(yīng)力，提高了混凝土的韌性，有效控制了混凝土細(xì)微裂縫的繼續(xù)擴(kuò)散。

2）聚丙烯腈纖維在加入攪拌機(jī)經(jīng)攪拌后，橫七豎八亂向分布，就構(gòu)成了一種三維立體亂向支撐體系，它一方面能降低混凝土的收縮應(yīng)力，同時(shí)，因?yàn)槔w維的加入，混凝土的粘聚力變大，使混凝土中的水分很難自由移動(dòng)，減少了因水泥漿體的塑性收縮而導(dǎo)致混凝土開裂的概率。

3）聚丙烯腈纖維的直徑比較小，僅有12.7um，在同等質(zhì)量下，其根數(shù)就更多，每千克聚丙烯腈纖維的根數(shù)甚至能達(dá)到11億根，相當(dāng)于每立方厘米的纖維就有1100根之多。當(dāng)纖維混凝土開裂的時(shí)候，纖維能跨在裂縫的兩側(cè)，靠著纖維與混凝土的拉結(jié)強(qiáng)度以及纖維本身的強(qiáng)度，使裂縫的寬度減小﹑變細(xì)。

4）聚丙烯腈纖維有較高的彈模，其彈性模量甚至與水泥差不多，當(dāng)承受荷載時(shí)，纖維本身具有傳遞荷載的作用。在混凝土塑性發(fā)展階段，纖維數(shù)量越多，纖維與水泥基材之間的界面吸附粘結(jié)力﹑機(jī)械嚙合力等也會(huì)越大，纖維也將承擔(dān)更大的塑性抗裂應(yīng)力，這樣，也就增加了混凝土抗裂的塑性強(qiáng)度。所以，聚丙烯腈纖維在混凝土的抵抗塑性裂縫方面更加優(yōu)越。

3聚丙烯腈纖維在寧夏建筑工程中的應(yīng)用分析

近年來，在寧夏地區(qū)出現(xiàn)了許多新建的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)樓房的梁、板開裂或滲漏的嚴(yán)重問題。原因主要有以下幾個(gè)方面：

1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工要求的變化。超長(zhǎng)的大跨結(jié)構(gòu)及高層建筑的不斷增多；所使用的混凝土等級(jí)的不斷提高，混凝土中水泥用量及標(biāo)號(hào)的提高，施工工期的任意壓縮。

2）片面提高混凝土的早期強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土中水泥水化熱的急劇升高。對(duì)混凝土的抗裂作用產(chǎn)生了不良的影響。

3）混凝土中使用的外加劑與水泥的不相容性增多。這幾年，為了提高混凝土的抗凍、抗裂、防滲等各種特性，不斷摻入各種外加劑，這些外加劑，有的是物理作用，有的是化學(xué)發(fā)應(yīng)作用，如果不認(rèn)真研究，隨意摻加，導(dǎo)致外加劑和水泥之間、外加劑和外加劑之間起反應(yīng)。

4）混凝土澆筑的環(huán)境惡化，高強(qiáng)度混凝土的發(fā)展應(yīng)用，鋼筋的間距越來越密，對(duì)混凝土所起的約束作用也就更大?；炷恋恼駬v也就變得更加困難，混凝土的均勻性和整體性也就變得更差。從混凝土裂縫的產(chǎn)生原因分析，主要分為兩類：一類是動(dòng)﹑靜荷載產(chǎn)生的裂縫，另一類是由變形引起的混凝土裂縫。當(dāng)混凝土中的拉應(yīng)力超過混凝土自身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就可能發(fā)生開裂。變形荷載引起的裂縫包括：由于溫度應(yīng)力﹑干縮﹑不均勻沉降等因素引起的混凝土變形。變形裂縫與時(shí)間密切相關(guān)，當(dāng)混凝土的變形累積到一定程度時(shí)，就會(huì)開裂。就是說，當(dāng)混凝土的應(yīng)變超過其容許應(yīng)變時(shí)，混凝土就產(chǎn)生裂縫。針對(duì)這些裂縫問題，寧夏工程技術(shù)人員“對(duì)癥下藥”，采用了纖維混凝土技術(shù)，即在混凝土中摻入聚丙烯腈纖維。根據(jù)深圳海川工程科技有限公司參與編寫的《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS38：2004)，聚丙烯腈纖維的建議摻量為0.8公斤/立方砼。在寧夏自治區(qū)新博物館工程、寧夏自治區(qū)新圖書館工程、寧夏自治區(qū)黨委新區(qū)綜合樓工程、寧夏電力局地下車庫(kù)工程、中衛(wèi)市行政中心綜合辦公樓工程、寧夏醫(yī)學(xué)院新校區(qū)學(xué)生食堂工程、寧夏醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院高層住宅1#2#樓、寧夏育才學(xué)校實(shí)驗(yàn)樓，科技樓，階梯教室、銀川市行政中心地下車庫(kù)工程、寧夏日?qǐng)?bào)社高層商住樓1#樓等10多個(gè)工程項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。這些工程大多數(shù)是自治區(qū)重點(diǎn)建設(shè)工程，對(duì)工程質(zhì)量要求比較高，使用了聚丙烯腈纖維混凝土后，從根本上解決了混凝土的大面積裂縫問題。使用纖維混凝土這一理念也逐漸得到了廣大設(shè)計(jì)人員和施工人員的認(rèn)可。

4小結(jié)

在寧夏，以前有些超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用了杜拉纖維（聚丙烯纖維），是從美國(guó)進(jìn)口的，造價(jià)比較高，摻量又比較多，所以沒有得到大范圍的應(yīng)用。實(shí)踐證明，聚丙烯腈纖維在摻入量只有杜拉纖維一半的情況下，就可以達(dá)到和聚丙烯纖維差不多的效果。加上現(xiàn)在聚丙烯腈纖維國(guó)內(nèi)已經(jīng)可以自己生產(chǎn)，所以價(jià)格也降下來了（每平方米樓板大概增加造價(jià)2元）；價(jià)格低廉又有更好的使用性能，因此在寧夏很快就得到了廣泛的推廣應(yīng)用。纖維在使用中也遇到了一些問題：不按照?qǐng)D紙摻加纖維，在混凝土中不摻或者少摻，偷工減料十分嚴(yán)重，業(yè)主和監(jiān)理無法進(jìn)行控制?！独w維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》只給出了水洗法測(cè)定纖維的含量，但這只能在實(shí)驗(yàn)室中使用，在施工現(xiàn)場(chǎng)無法實(shí)際應(yīng)用。能否有一種儀器或一種簡(jiǎn)單的試驗(yàn)方法能迅速測(cè)出混凝土中纖維的含量，值得我們探索。

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作者：孫偉社 單位：寧夏勇峰建筑工程有限公司