工程用合成纤维及其标准体系

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摘要:合成纤维是建筑工程领域应用最广泛的工程纤维。作者论述了工程用合成纤维的主要品种聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维的特点、应用和与使用相关的基本性能。针对我国现有工程用合成纤维标准的不足提出改进建议,提出建立并完善工程用合成纤维标准体系是当务之急。

关键词:工程用合成纤维;性能;标准体系

自20世纪70年代初以来,国际土木工程界与建筑业通过一系列工程实践已确认,在混凝土中掺入适量抗碱性好、均匀分布的工程纤维,有助于克服混凝土的某些缺点、提高混凝土工程的质量和耐久性。目前应用最为广泛的是合成纤维。

1工程用合成纤维概述

工程用合成纤维是一种细而长的聚合物材料,其长径比一般在100以上,并且具有一定的抗拉强度、弹性模量和极限伸长率。

工程用合成纤维按材质分类常见的有:聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维等。

1.1聚丙烯纤维

聚丙烯纤维是由丙烯聚合成等规度97%～98%聚丙烯树脂后经熔融挤压法制成的纤维。聚丙烯纤维是当今在全世界混凝土工程中用量最大、使用范围最广的合成纤维。这是由于聚丙烯纤维优良的物理机械性能和优异的耐酸、耐碱等化学稳定性,且原料来源广、制作技术不复杂、价格相对较低。

聚丙烯纤维常见品种按所用原料与纤维的尺度可分为两类,一类是用等规聚丙烯制成的尺度较小的纤维,可称之为“聚丙烯细纤维”;另一类是用改性聚丙烯或聚丙烯与聚乙烯的共聚物制成的尺度较大的纤维,可称之为“聚烯烃粗纤维”。这两类纤维在混凝土中所起的作用不同,各有侧重。为了使混凝土的性能达到全面增强的效果,近年来在国外某些混凝土工程中已同时掺入聚丙烯纤维与聚烯烃粗纤维。

1.1.1聚丙烯细纤维

按其形态可分为聚丙烯束状单丝纤维和聚丙烯膜裂网状纤维。

聚丙烯束状单丝纤维的直径较小,直径一般不大于50μm,长度一般不大于20mm,是由等规聚丙烯熔融后经若干个喷丝孔直接拉丝制成的。纤维截面呈圆形或异形,若干根单丝经拉伸、定型并短切至一定长度后成为纤维束。纤维束在与混凝土拌和过程中可分离成单丝。

聚丙烯膜裂网状纤维单丝当量直径一般为68μm～97μm,长度一般不大于15 mm～38mm,由等规聚丙烯熔体经挤出机拉制成为薄膜,再经高温下高倍拉伸以提高聚丙烯纤维的定向性并降低薄膜的厚度,然后使薄膜经针辊穿刺成为网状并切短成为一定长度的纤维束,纤维的截面呈矩形。在与混凝土拌和过程中,纤维束可分裂成为单丝。

聚丙烯细纤维主要在混凝土的塑性阶段起着阻裂作用,减少和抑制混凝土的塑性沉降裂缝;在硬化混凝土中起着被动防火作用,防止混凝土在火灾中发生爆裂。

1.1.2聚烯烃粗纤维

聚烯烃粗纤维的直径大于0.1mm,长度大于30mm。多数聚烯烃粗纤维的断面为矩形,少数为异形。为增强纤维与混凝土的黏结,纤维表面经特殊的压痕、糙化处理,或使纤维具有波状外形。目前聚烯烃粗纤维有像剪切钢纤维一样的单丝纤维,也有由膜裂网状纤维与非膜裂单丝纤维相互缠绕成的螺旋形纤维束。

聚烯烃粗纤维与聚丙烯细纤维相比较,因纤维粗长、弹性模量高,尤其是纤维与混凝土的界面黏结强度很高,可承接混凝土所传递的负载并显著减缓混凝土裂缝的扩展,能使混凝土在出现裂缝后仍然具有一定的承载与变形能力、吸收较多的能量,因而可显著提高混凝土的韧性,并相应提高混凝土的抗冲击性与抗疲劳性。

聚烯烃纤维主要适用于:1)工业与民用建筑的抗裂,防渗砂浆;2)抗裂防渗要求较高的地下室和地下工程,海堤水坝等盐水工程 ;3)各种预制混凝土产品;4)高速公路、桥梁、隧道、机场跑道等混凝土;5)对耐碱和化学腐蚀要求较高的化工厂等 [1] 。

1.2聚丙烯腈纤维

聚丙烯腈纤维又称腈纶纤维,通常指含丙烯腈在85%以上的丙烯腈共聚物或均聚物纤维。

人们在长期的工作中发现长期暴露于石棉下易患肺癌,对人体造成伤害,因此,人们开始寻找石棉在工程领域的替代物,通过研究发现聚丙烯腈纤维作为一种添加剂少量掺入水泥混凝土中可提高其使用性能。聚丙烯腈纤维做水泥、混凝土制品和路面用沥青混凝土中的增强材料,比聚丙烯纤维有更高的抗拉强度,更好的抗紫外线能力和耐高温耐严寒能力。

聚丙烯腈纤维在水泥混凝土和沥青混凝土中起着不同的作用。聚丙烯腈纤维用于水泥混凝土时:有效提高水泥混凝土的抗裂能力;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;降低混凝土的脆性,使已开裂的混凝土强度得到保障;提高混凝土的耐磨能力,抗拉强度和韧性;提高混凝土的抗冲击性、抗震、抗龟裂能力;大大提高混凝土的抗冻能力,有效提高耐久性。聚丙烯腈纤维用于沥青混凝土时:提高沥青混凝土合料的分散作用;在沥青混合物中起到加强筋作用;增加沥青混合物的含油率,提高黏结强度和稳定性;提高沥青混合物的韧性和抗低温能力;减少永久变形,提高防滑耐磨能力;减少温度对沥青路面的影响,提高沥青路面的水稳定性。

1.3聚乙烯醇纤维

聚乙烯醇纤维,完整的学名是“聚乙烯醇缩醛纤维”,又称维纶纤维。

因聚乙烯醇纤维的生产成本相对低于聚丙烯腈纤维,替代石棉掺入水泥制品中使用性能基本类同,所以很快就得到国际上的认同和使用。高强高模聚乙烯醇纤维作为增强纤维用于建筑用水泥制品,如:制作楞形瓦、屋顶彩瓦、装饰墙板、室内外轻质墙板、地板、地砖、室内吊顶、大口径下水道管、水管及接头等。

1.4聚酰胺纤维

聚酰胺纤维是由聚酰胺树脂经熔融纺丝制成的纤维。聚酰胺纤维常见产品有聚己二酸己二胺纤维(尼龙66)和聚己内酰胺纤维(尼龙6)。这两种聚酰胺纤维是世界上最早实现工业化生产的合成纤维,在建筑业的应用主要是掺入砂浆混凝土中,用以阻止混凝土的早期开裂等。但由于这两种纤维的生产成本相对比较高,所以在国内外建筑业的应用量不是很大[2]。

1.5聚酯纤维

聚酯纤维是改性聚酯切片,经特殊工艺加工制成的短切纤维。一般建筑工程用聚酯纤维采用中速纺丝和高速拉伸变形的纺丝工艺,可以纺制55dtex～88dtex的变形丝。由此方法得到的聚酯纤维再经过特殊的亲油、抗电表面处理后,具有较高的抗拉强度和弹性模量以及良好的分散性能。而且聚酯纤维具有一定的亲油、亲水性能,所以聚酯纤维与沥青混凝土具有较好的握裹力。因此,聚酯纤维在沥青混凝土中得到了大量的应用。聚酯工程纤维还可提高沥青混凝土的高温稳定性、低温抗裂性、抗疲劳性能、抗拉、抗剪、抗冲击强度。同时改善沥青混凝土的水稳性,抗剥落性,耐磨性和耐久性,有效地抵抗反射裂缝的产生,从而大大地提高路面的质量,延长路面的使用寿命。聚酯纤维的熔点为255℃～260℃,在高温拌和和高温养护条件下性能仍然比较稳定。

聚酯工程纤维主要适用于: 沥青路面面层;旧沥青路面罩面;旧水泥路罩面;路面冷补、灌缝等;桥面铺装、收费站路面铺装等[3]。

2工程用合成纤维基本性能

随着工程用合成纤维在工程领域的大量应用,工程用合成纤维的性能对基体材料性能的影响越来越引起人们的关注。工程用合成纤维的性能直接影响着建筑材料的性能。工程用合成纤维最主要的使用性能是力学性能(强度、伸长率和模量),同时还要考虑在热/湿条件下的稳定性、在混凝土基体中好的分散性、与基体好的黏结性以及长时间的耐碱性。

2.1力学性能

工程用合成纤维在各种使用条件下所能表现出的强度和对抗破坏的能力是其力学性能的重要体现。建筑行业最为关注的、反映纤维力学性能的指标主要有抗拉强度、弹性模量、极限延伸率:

(1)抗拉强度:它是反映纤维材料在受拉伸直至断裂时其单位面积所能承受拉力的大小,常以Pa表示。

(2)弹性模量:系指纤维受拉伸时发生单位形变所需力的大小,建筑工程纤维中通常由负荷-伸长曲线中起始部分荷载随伸长变化最大时切线或割线的斜率得到的初始模量表示。纤维弹性模量所表征的是纤维所具有的刚性,纤维与混凝土基材的弹性模量比值越高,则受负荷的纤维所分担的应力也越大。

(3)极限延伸率:纤维的极限延伸率指纤维受力伸长至断裂时与纤维原长相减增加的长度,除以其原长得到的百分数。纤维的极限延伸率越大,则越有利于纤维增强混凝土复合材料韧性的提高。与混凝土基材相比,纤维极限延伸率至少要高一个数量级,但是纤维的极限延伸率不可过大,否则由于纤维与混凝土基材的过早脱离而影响纤维发挥增强作用。表1是常用工程用合成纤维的力学性能指标。

2.2化学稳定性

化学稳定性是指物质在化学因素作用下保持原有物理化学性质的能力。纤维的化学稳定性,是指纤维处于不同酸、碱条件下,以及接触有机溶剂等时所具的稳定性如何。作为工程用纤维,常用于掺入水泥基体中,由于硅酸盐水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙,水化温度可达55℃～75℃,这种高温碱性条件要求工程用纤维具有一定的耐碱性。

工程纤维的化学稳定性在很大程度上决定了其应用范围。聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维、聚酰胺纤维等合成纤维本身没有或存在少部分与碱性物质发生反应的基团,故具有良好的耐碱性,掺入水泥基体中能保持良好的化学稳定性;聚酯纤维本身含有能与碱性物质发生反应的基团,在高碱性水泥基体中容易同基体发生反应,故不适合用于碱度较高的混凝土中。

2.3热性能

纤维的热性能是指纤维在经受不同温度时所具的稳定性,纤维的热性能与它本身的材质密切相关。纤维对高温作用的稳定性可以用纤维的物理机械性能的变化以及高聚物的化学变化来评价。表2是部分合成纤维的热性能。

表2中,聚丙烯的熔点一般在170℃左右,不能满足沥青拌和工艺,因此,在目前的道路施工作业条件下尚不能用于沥青路面。其他各种合成纤维的熔点基本在200℃以上,理论上具备使用的可能性。尽管聚丙烯腈的熔点在超过200℃后不明显,但是在200℃温度下纤维开始变成棕色,说明聚合体已经发生了热分解。聚乙烯醇的热分解也是在温度达200℃时发生,这些纤维在应用中会受到一定影响。在150℃条件下对各种纤维加热,观察纤维强度变化,结果表明:聚酯纤维受热1000 h,强度损失仅50%;聚己内酰胺纤维加热5 h就变黄,强度显著下降,收缩率增加;聚丙烯腈纤维加热150 h,强度也损失了50%以上。说明聚酯纤维的耐热性最好。

2.4分散性

工程纤维被掺入工程材料中主要起阻裂、增韧、增强的作用。为了达到更好的阻裂、增韧、增强的作用,工程纤维必须具有良好的分散性。工程纤维的分散性主要由两方面因素决定,一方面是机械搅拌,要想工程纤维在工程材料中具备良好的分散性需要机械搅拌充分。另一方面是纤维本身需要具备良好的分散性,即经过特殊的表面处理。只有两者相互结合,才能使工程纤维均匀地分散在基体中。

2.5纤维与基体界面的黏结性

纤维与基体的黏结性能是影响纤维效能的一个重要因素,影响到纤维对混凝土的增韧、增强和阻裂作用。为增进纤维与混凝土界面黏结,常见的方式有纤维沿长度方向异形或截面异形或表面经过特殊处理,以增加其与基体的亲和性、增大接触面积和握裹力。

2.6纤维的长径比

纤维混凝土的强度与纤维长径比有关。大的长径比有利于提高纤维与基体的界面平均黏结强度,故在固定纤维长度的前提下纤维越细越好。但是纤维太细会影响纤维在混凝土基体中的均匀分散,并且纤维在受力时也极易被拔断,对混凝土的延性增强不利。所以纤维的长度和直径的设计要综合考虑,选择最佳的长径比[2]。

3我国工程用合成纤维标准体系现状

3.1现有国家和行业标准介绍

我国在工程中使用合成纤维与发达国家相比虽然起步较晚,但发展很快。工程用合成纤维标准在总结国内外产品性能和使用经验、应用要求的基础上陆续制定。目前主要标准有: JT/T 525―2004《公路水泥混凝土纤维材料 聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维》;JT/T 534―2004《沥青路面用聚合物纤维》;GB/T 21120―2007《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》。

交通行业标准JT/T 525―2004《公路水泥混凝土纤维材料 聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维》规定了用于公路水泥混凝土防裂的聚丙烯单丝纤维、聚丙烯网状纤维和聚丙烯腈单丝纤维的技术要求和试验方法等。产品主要考核长度偏差、当量直径偏差、抗拉强度、弹性模量、断裂延伸率、抗碱能力、熔点、密度、外观质量等指标。

交通行业标准JT/T 534―2004《沥青路面用聚合物纤维》规定了用于沥青路面热拌沥青混合料中添加的聚合物纤维(聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、聚丙烯纤维、芳族聚酰胺纤维等)的技术要求和试验方法等。产品主要考核长度、直径、抗拉强度、断裂伸长率、耐热性、外观质量等指标。

2008年6月开始实施的国家标准GB/T 21120―2007《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》适用于在水泥混凝土和砂浆搅拌之前或拌制过程中加入的、能在混凝土中均匀分散、用以改善新拌混凝土和砂浆、硬化混凝土和砂浆性能的长度小于60mm的合成纤维。这是我国第一部工程用合成纤维国家标准,标准比较完整、科学地规定了包括水泥混凝土和砂浆用聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯醇纤维(不包括聚酯纤维)的技术要求和试验方法等,包含了用于混凝土和砂浆的防裂抗裂的细合成纤维,还包含了用于混凝土增韧的粗合成纤维。标准不仅规定了合成纤维的性能指标(断裂强度、初始模量、断裂伸长率、耐碱性能),还规定了掺和成纤维水泥混凝土和砂浆性能指标(分散性、裂缝降低系数、抗压强度、渗透高度比、透水压力比、韧性指数、抗冲击次数比)。标准规定的一些试验方法与行业标准相比详尽、可行,尤其是对关键力学指标(断裂强度、初始模量、断裂伸长率)、耐碱性能(1mol/L氢氧化钠溶液浸泡后纤维极限拉力保持率)的试验条件、溶液配制与标定方法、试验步骤及计算方法进行详细的规定,大大提高了测试结果的可比性和合理性。

3.2现行标准体系的不足和改进建议

(1)完整的工程用合成纤维标准体系有待建立

由于工程用合成纤维是近十年刚在我国建筑业应用的非纺织纤维,原有纺织用合成纤维产品标准和方法标准不能适应工程用合成纤维质量监管、验收和检测的需要。现行国家标准和行业标准不能覆盖所有种类和用途的产品,缺乏专用的检测方法标准,给工程用合成纤维的使用、质量监管、产品验收和质量检测带来困难。充分考虑工程用合成纤维特性和建筑工程业的设计要求,建立工程用合成纤维标准体系迫在眉睫。由于工程用合成纤维涉及到建筑、纤维等多领域,标准制修订应组织建筑工程设计、合成纤维生产、纤维检测、建材检测等领域专家合作进行。

(2)现行标准技术要求设置有待完善

现行标准技术要求设置存在不合理情况,表现在:

(a)一些指标的设置不合理。

如:行业标准对聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维设置了密度指标,但相同材质的纤维密度差别很小,即使存在小的差别对纤维的使用性能影响不大;热性能不用熔点而用耐热稳定性、抗热老化能力来考核更加科学合理;行业标准对聚丙烯腈纤维耐热稳定性规定的技术指标为“良好”,无法考核。行业标准规定的聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维抗碱能力要求“抗拉强力的保持率不小于99%”,过于严格,超出样品均匀性和试验误差造成的偏差,应与国标要求一致“抗拉强力保持率不小于95%”。

(b)指标设置不全面。

如:纤维分散性是工程用纤维重要性能之一,而现行行业标准没有设置这个指标项。

(c)指标设置规定单一,不能满足产品多样性需要。

为了满足产品多样性、工程设计、新产品开发需要,标准应允许规格、力学性能等指标在满足最低要求条件下,生产企业和使用单位根据生产技术和设计需要自行制定标称值,标准规定允许偏差用于质量验收。

(3)现行标准采用的检测方法有待改进

现行标准采用的检测方法大多引用纺织用纤维、塑料薄膜的检测方法,缺乏操作性;部分项目检测方法规定不详尽,测试结果的准确性、可比性差。

如:异形截面的单丝纤维,因截面不是圆形,不能采用GB/T 10685―2007《羊毛纤维直径试验方法 投影显微镜法》方法标准用投影显微镜直接测量出纤维的直径。膜裂网状纤维是不平整、不均匀的形态,GB/T 6672、 GB/T6673 方法标准是测量规则、平面形态的塑料薄膜和薄片厚度、长度、宽度的方法,用来测量计算当量直径,缺乏准确性。当量直径检测结果的准确性不仅影响规格测量的准确,更严重的是影响纤维截面面积,间接影响断裂强度结果的准确。

下面是我们在检验工作中对工程用合成纤维长度、当量直径等检测项目总结的一些检测方法,与大家探讨:

(a)长度

对于长度小于25mm的短纤维和膜裂网状纤维,可采用分度值1mm的钢板尺直接测量纤维长度,为避免因样品不匀造成的误差,测量数量至少25根;对于长度大于25mm的短纤维,可依据GB/T 14336―2008《化学纤维 短纤维长度试验方法》方法标准中束纤维中段称量法检测。

(b)当量直径

当单丝纤维截面为圆形时,纤维直径的测量可依据GB/T 10685―2007《羊毛纤维直径试验方法 投影显微镜法》方法标准,通过投影显微镜可以直接测量出纤维的直径。

对异形截面的单丝纤维,可以通过依据GB/T 14335―2008《化学纤维 短纤维线密度试验方法》方法标准中束纤维中段称量法测量纤维的线密度值来推导出纤维的当量直径 [4]。由公式(1)和公式(2)推导出当量直径计算公式,如公式(3)。

对膜裂网状纤维,应对由生产厂家提供的未经切断的同批长纤维进行测试。通过测量20根1m长度的长纤维的质量平均值g,根据纤维质量g与纤维的当量直径D、长度L、密度γ的关系,来推导出网状纤维的总的当量直径D,如公式(4)。然后测量相应网状纤维内单丝纤维的根数n,根据网状纤维总的截面积与n根单丝纤维截面积之和相等,如公式(5),推导出网状纤维的单丝当量直径d,如公式(6)。

4结束语

鉴于工程用合成纤维越来越广泛应用于建筑工程领域,其质量直接影响着建筑材料的性能,影响工程质量。建立并完善用于满足工程用合成纤维生产、产品质量监督、产品质量验收的包含各种材质、各用途的工程用合成纤维产品标准和检测方法标准的标准体系是当务之急。

参考文献:

[1]沈荣熹,史小兴.聚烯烃纤维在混凝土中应用的进展[J].新型建筑材料,2008(10).

[2]史小兴,金剑.建筑工程纤维应用技术[M].北京:化学工业出版社,2008.

[3]林菘,倪江宁,王鸣义.聚酯纤维在沥青混凝土中的应用[J].合成纤维工业,2005(3):43-45.

[4]曹小红,李新.合成纤维几项物理指标试验方法的介绍[J].中国纤检,2008(4):51-53.

(作者单位:辽宁省纤维检验局)