公路水泥混凝土纤维材料-聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维

公 路 水 泥 混 凝 土 纤 维 材 料 -聚 丙 烯纤 维 和 聚 丙 烯 腈 纤 维 一、背景 目 前 合 成 纤 维 水 泥 混 凝 土 已 在 我 国土 木 工 程 行 业 广 泛 使 用 。 在 水 泥 混 凝 土中 掺 入 聚 丙 烯 纤 维 、 聚 丙 烯 腈 纤 维 制 成纤 维 混 凝 土 ， 可 以 改 善 水 泥 混 凝 土 物 理力 学 性 能 。 合 成 纤 维 的 主 要 作 用 有 ：1. 减 少 混 凝 土 的 原 始 缺 陷 ,降 低 各 种 缺 陷 尺 寸 ；2. 使 混 凝 土 中 的 粗 集 料 分 布 更 加 均 匀 ；3. 提 高 混 凝 土 内 在 品 质 ,改 善 混 凝 土 抗 渗 性 、 降 低混 凝 土 表 面 水 分 蒸 发 速 率 ；4. 降 低 混 凝 土 内 外 部 湿 度 、 温 度 的 差 值 ；5. 提 高 混 凝 土 的 早 期 抗 裂 性 能 ；6. 提 高 混 凝 土 的 变 形 能 力 ， 增 加 混 凝 土 的 韧 性 和抗 冲 击 、 抗 疲 劳 性 能 等 。 聚 丙 烯 腈 纤 维 和 聚 丙 烯 纤 维 是 当 今 世 界 各 国普 遍 采 用 的 水 泥 混 凝 土 改 性 材 料 ， 它 具 有 抗 裂 、耐 磨 、 抗 冲 击 性 能 强 、 强 度 高 、 与 混 合 料 的 亲 合性 好 、 可 延 长 结 构 使 用 寿 命 等 优 点 ， 因 此 具 有 广阔 的 应 用 前 景 。 本 标 准 对 聚 丙 烯 腈 纤 维 、 聚 丙 烯 纤 维 的 质 量进 行 规 范 ， 以 推 广 其 在 公 路 工 程 中 广 泛 应 用 。 二、纤维混凝土的性能 聚 丙 烯 纤 维 在 混 凝 土 中 体 积 百 分 比 为 0.9%时 ， 纤 维 水 泥 混 凝 土 的 性 能 试 验 部 分 结 果 如 下 。 1)抗 折 强 度 试 验 表 1 水 泥 混 凝 土 的 抗 折 强 度 试 验 结 果 试 件 编 号 1 2 3 平 均 值 不 加 纤 维 7.018 5.781 6.867 6.555 骨 料 粒 径 0 20mm 加 纤 维 7.222 7.523 7.558 7.434 不 加 纤 维 7.489 6.574 6.219 6.761 骨 料 粒 径 0 16mm 加 纤 维 7.584 7.127 7.372 7.361 表 2 水 泥 混 凝 土 冲 击 试 验 结 果试 件 编 号 1 2 3 平 均 值骨 料 粒 径 0-20mm 不 加 纤 维 827 1465 1619 1303加 纤 维 1740 1867 1780 1795骨 料 粒 径 0-16mm 不 加 纤 维 1290 2454 3270 2338加 纤 维 1000 3250 4400 2883 表 3 砂 浆 的 阻 裂 试 验 结 果 权 值 第 一 次 对 比 试 验 第 二 次 对 比 试 验不 加 纤 维 加 纤 维 不 加 纤 维 加 纤 维3mmd 3 0 0 0 02mm d3mm 2 52 0 229 01mm d 2mm 1 165 110 175 00.5mm d 1mm 0.5 458 58 364 23d3500 长 度 （ mm） 10， 15， 20 当 量 直 径 （ m） 100 产 品 形 状 束 状 网 断 裂 延 伸 率 （ %） ?6 抗 酸 碱 性 强 吸 水 性 不 吸 水 抗 拉 强 度 （ Mpa） ?346 熔 点 （ ） 160 170 5 海 川 工 程 科 技 的 聚 丙 烯 腈 纤 维 指 标表 12 聚 丙 烯 腈 纤 维 指 标纤 维 牌 号 路 威 2002-I 路 威 2002-II 路 威 2002-III 路 威 2002-IV 纤 度 (dtex) 1.9 1.5 1.5 2.5 标 称 直 径 ( m) 13 12.7 12.7 16 长 度 (mm) 6 6 12 12 24 纤 维 材 料 聚 丙 烯 腈 聚 丙 烯 腈 聚 丙 烯 腈 聚 丙 烯 腈 聚 丙 烯 腈 比 重 (103Kg/m3) 1.18 1.18 1.18 1.18 1.18 抗 拉 强 度 (Mpa) 550 900 500 650 500 650 700 900 500 600 弹 性 模 量 (GPa) 12 17 7 9 7 9 10 20 7 10 断 裂 伸 长 率 （ %） 20 19 26 19 26 10 13 14 15 纤 维 数 量 (根 /Kg) 8.7 亿 11 亿 5.7 亿 5.6 亿 1.65 亿 推 荐 掺 量 (Kg/m3) 0.8 1.1 0.8 1.1 0.8 1.1 0.5 0.8 0.5 0.8 纤 维 产 品 的 质 量 的 好 坏 直 接 关 系 到纤 维 混 凝 土 产 品 的 质 量 。 要 控 制 纤 维 混凝 土 的 质 量 ， 使 纤 维 混 凝 土 的 设 计 、 施工 、 质 量 控 制 标 准 化 ， 制 定 纤 维 产 品 标准 是 非 常 必 要 的 。 本 标 准 在 聚 丙 烯 纤 维 和 聚 丙 烯 腈 纤 维 混 凝土 的 推 广 应 用 实 践 中 ， 总 结 提 出 了 水 泥 混 凝 土用 纤 维 的 性 能 要 求 、 试 验 方 法 、 检 验 规 则 等 要求 ， 以 便 于 增 强 水 泥 混 凝 土 材 料 用 聚 丙 烯 和 聚丙 烯 腈 纤 维 产 品 按 统 一 标 准 来 检 验 产 品 性 能 、生 产 质 量 ， 使 得 纤 维 混 凝 土 的 应 用 有 了 全 面 而可 靠 的 技 术 保 障 。 四 、 编 制 过 程 交 通 行 业 标 准 JT/T 525-2004 公 路 水 泥 混 凝 土 用 纤维 材 料 聚 丙 烯 纤 维 、 聚 丙 烯 腈 纤 维 是 根 据 交 通 部 交 科教 发 2002531号 文 “ 关 于 下 达 2002年 交 通 标 准 化 补 充 计划 的 通 知 ” 中 的 JT2002-133项 的 要 求 制 定 的 。 本 标 准 由 交 通 部 公 路 科 学 研 究 所 、 重 庆 交 通 学 院 、泰 安 同 伴 工 程 塑 料 有 限 公 司 、 武 汉 汉 森 钢 纤 维 有 限 责 任公 司 、 北 京 中 纺 纤 建 科 技 有 限 公 司 、 北 京 特 希 达 科 技 有限 公 司 、 深 圳 市 海 川 实 业 股 份 有 限 公 司 、 西 安 博 赛 特 纤维 网 砼 有 限 公 司 等 负 责 起 草 。 2002年 8月 成 立 标 准 编 写 组 ， 制 定 了 工 作 计划 ， 开 展 了 收 集 资 料 及 调 研 ， 先 后 收 集 分 析 整 理了 全 国 多 家 聚 丙 烯 纤 维 生 产 厂 家 的 企 业 标 准 和 众多 的 聚 丙 烯 混 凝 土 （ 砂 浆 ） 的 工 程 设 计 、 施 工 和运 营 情 况 资 料 。 2003年 2月 编 写 组 召 集 各 有 关 材 料 的 生 产 厂家 ， 对 编 写 组 提 出 的 标 准 编 制 大 纲 进 行 讨 论 和 学术 交 流 ， 交 通 部 科 教 司 主 管 领 导 到 会 指 导 。 2003年 4月 完 成 标 准 讨 论 稿 ， 2003年 6月 完 成 标 准 征 求意 见 稿 及 编 制 说 明 。 2003年 9月 15日 16日 在 北京 召 开 了 专 家 论 证 会 。 2003年 11月 又 在 北 京 召 开了 专 家 论 证 会 。 根 据 专 家 意 见 、 标 准 编 写 最 后 完成 了 审 批 稿 。 五、有关标准条文的编制说明5.1产 品 分 类 根 据 聚 丙 烯 纤 维 的 结 构 形 式 ， 可 分 为 聚丙 烯 单 丝 纤 维 和 聚 丙 烯 网 状 纤 维 两 种 类 型 。这 两 种 类 型 在 国 内 的 生 产 和 使 用 都 非 常 的普 遍 。 聚 丙 烯 腈 纤 维 目 前 只 有 单 丝 纤 维 这 一 种类 型 。 一 般 认 为 网 状 聚 丙 烯 在 混 凝 土 中 不 易结 团 ， 便 于 在 混 凝 土 中 分 散 ， 但 是 网 状 聚丙 烯 纤 维 在 混 凝 土 中 的 最 终 状 态 应 是 单 丝 ，即 网 状 纤 维 经 过 搅 拌 撕 裂 为 单 丝 。 另 外 单丝 纤 维 和 网 状 纤 维 的 生 产 工 艺 也 不 同 。 另 外 ， 按 聚 合 物 纤 维 产 品 的 功 能 分 ， 聚 合 物 纤 维可 分 为 多 功 能 性 纤 维 （ Mu） 、 加 强 型 纤 维 （ Re） 、防 裂 型 纤 维 (PC)和 辅 助 型 纤 维 (Au)四 种 类 型 。 多 功 能 型 纤 维 ， 其 不 仅 具 有 较 高 的 加 强 作 用 ， 还具 有 良 好 的 防 裂 、 抗 折 、 抗 劈 裂 、 抗 冻 融 、 抗 疲 劳 等多 种 功 能 。 加 强 型 纤 维 对 基 体 起 加 强 作 用 ； 防 裂 型 纤维 用 于 抵 御 基 体 混 凝 土 自 身 的 裂 变 应 力 ； 辅 助 型 纤 维只 作 为 基 体 混 凝 土 的 一 种 辅 料 ， 没 有 防 裂 和 增 强 能 力 。 然 而 合 成 纤 维 在 混 凝 土 中 的 作 用 往 往是 多 样 的 很 难 单 一 的 界 定 ， 并 且 从 工 程 实践 和 研 究 结 果 来 看 合 成 纤 维 对 混 凝 土 的 加强 作 用 还 不 明 显 ， 目 前 国 内 对 这 种 分 类 方法 尚 未 普 遍 认 可 ， 故 在 本 标 准 中 未 列 出 此分 类 方 法 。 聚 合 物 纤 维 按 产 品 的 原 材 料 和 结 构 形 式 分为 三 种 ： 聚 丙 烯 腈 单 丝 纤 维 ， 代 号 为 ： PAN-S 聚 丙 烯 网 状 纤 维 ， 代 号 为 ： PP-M 聚 丙 烯 单 丝 纤 维 ， 代 号 为 ： PP-S。 5.2 产 品 的 命 名 由 采 用 产 品 标 识 符 、 长 度 规 格 、 结 构 形 式和 功 能 参 数 组 成 。 长 度 为 聚 丙 烯 纤 维 的 基 本 规 格 参 数 。 目前 国 内 的 许 多 厂 家 聚 丙 烯 纤 维 产 品 规 格 都 是 以长 度 为 划 分 指 标 的 。 截 面 形 状 纤 维 的 截 面 形 状 一 般 有 两 种 （ 圆 形 和 矩 形 ） ，其 实 质 反 映 纤 维 的 加 工 工 艺 ， 并 且 两 种 纤 维 形 状对 混 凝 土 改 性 有 一 定 差 异 。 一 般 认 为 ， 圆 形 纤 维 是 采 用 喷 丝 工 艺 加 工 而成 ， 即 溶 液 喷 丝 冷 成 形 过 程 ， 纤 维 成 单 丝 状 。由 于 圆 形 截 面 丝 表 面 光 滑 ， 因 此 ， 与 基 体 的 亲 和性 、 握 裹 力 都 较 欠 缺 。 矩 形 纤 维 是 采 用 “ 拉 拔 纤 伸 ” 工 艺 制 成 ， 即拉 拔 纤 伸 纤 化 切 断 过 程 ， 纤 维 成 网 丝 片 状体 ， 即 沿 其 纵 向 切 有 若 干 平 行 切 缝 ， 使 其 片 状 体成 为 是 由 若 干 平 行 排 列 的 单 丝 纤 维 集 合 体 ， 横 向拉 开 ， 呈 网 状 结 构 ， 用 力 撕 拉 ， 即 成 为 一 根 根 单丝 。 其 单 丝 截 面 为 不 规 则 矩 形 ， 表 面 粗 糙 ， 与 混凝 土 的 亲 和 性 、 握 裹 力 非 常 好 ， 换 言 之 ， 具 有 非常 好 的 阻 裂 效 果 ， 同 时 增 强 了 混 凝 土 的 抗 拉 、 抗折 强 度 。 另 外 ， 深 圳 市 海 川 实 业 股 份 有 限 公 司 的 聚合 物 纤 维 截 面 形 式 为 花 生 型 ， 如 图 1。图 1 聚 丙 烯 腈 纤 维 由 于 纤 维 截 面 形 状 对 混 凝 土 力 学 性 能 影 响 比 较明 显 ， 因 此 本 标 准 把 聚 合 物 纤 维 的 截 面 形 式 纳 入产 品 的 命 名 中 。 同 时 ， 在 聚 合 物 纤 维 的 命 名 中 参 考 了 FO RTA的 命 名 方 式 。 美 国 FO RTA工 程 纤 维 产 品 的 命 名 表 达 式 如 下 ： 品 牌 用 途 材 料 功 能 形 状 长 度 功 能 参 数 例 如 ， 对 于 长 度 为 20mm、 抗 拉 强 度 大 于 560、 断 裂 延 伸 率 大于 35%的 聚 丙 烯 纤 维 网 的 标 记 为 ： PPF-20-M-560/35。本 标 准 的 命 名 格 式 ： 由 采 用 产 品 标 识 符 规 格 长 度 产 品 结 构 型 式 功能 参 数 组 成 ， 如 图 2所 示 。 / 断 裂 延 伸 率 抗 拉 强 度 纤 维 结 构 形 式 规 格 长 度 产 品 代 号 ： PX-Y 5.3产 品 规 格 从 调 查 到 的 各 聚 丙 烯 纤 维 产 品 的 企 业 标 准来 看 ， 各 企 业 标 准 对 规 格 的 划 分 都 是 以 长 度 为指 标 进 行 划 分 的 。 厂 家 不 同 其 规 格 有 很 大 的 区别 。 考 虑 到 各 厂 家 由 于 生 产 设 备 和 工 艺 上 的 区别 ， 在 产 品 规 格 上 也 有 很 大 的 区 别 ， 而 在 目 前对 聚 丙 烯 纤 维 的 长 度 对 混 凝 土 性 能 的 影 响 还 未研 究 清 楚 。 纤 维 长 度 的 规 格 长 度 目 前 尚 未 确 定最 佳 长 度 。 在 本 标 准 中 并 未 把 聚 丙 烯 产 品 的 规 格 规 定 在 某 些值 上 ， 而 是 根 据 目 前 的 现 状 给 定 一 定 的 范 围 ， 比 较 符合 实 际 ， 见 表 13。 表 13 纤 维 的 长 度 规 格 及 其 偏 差 项 目 聚 丙 烯 腈 纤 维 聚 丙 烯 纤 维 长 度 规 格 ， mm 6 18 6 30 偏 差 ， % 10 5.4技 术 要 求 根 据 统 计 和 分 析 我 国 各 聚 丙 烯 纤 维生 产 企 业 的 产 品 指 标 ， 并 参 考 相 关 工 程应 用 资 料 ， 本 标 准 制 定 的 聚 丙 烯 纤 维 和聚 丙 烯 腈 纤 维 的 性 能 指 标 如 表 14、 表 15和 表 16所 示 。 表 14 聚 丙 烯 纤 维 的 物 理 性 能 指 标 项 目 聚 丙 烯 网 状 纤 维 聚 丙 烯 单 丝 纤 维 抗 拉 强 度 ， Mpa 350 460 弹 性 模 量 ， Mpa 3500 密 度 ， g/cm3 0.91 熔 点 ， 160 170 断 裂 伸 长 率 ， 10 15 吸 水 性 ， g/cm 3 0.0001 抗 酸 碱 能 力 抗 拉 强 度 的 保 持 率 不 小 于 99 表 15 聚 丙 烯 腈 纤 维 的 不 同 功 能 要 求 的 基 本 技 术 参 数 指 标 要 求 功 能 要 求 抗 拉 强 度 ， MPa 断 裂 延 伸 率 ， % 弹 性 模 量 ， MPa 加 强 型 纤 维 910 20 防 裂 型 纤 维 910 15 辅 助 型 纤 维 910 10 15 17100 表 16 聚 丙 烯 腈 纤 维 的 物 理 性 能 指 标 名 称 指 标 要 求 密 度 ,g/cm3 1.18 熔 点 , 220 抗 碱 能 力 抗 拉 强 度 的 保 持 率 不 小 于 99 耐 热 稳 定 性 良 好 抗 拉 强 度 纤 维 混 凝 土 是 纤 维 和 混 凝 土 两 者 的 复 合 体 。纤 维 在 混 凝 土 中 要 发 挥 作 用 ， 必 须 具 有 比 较 高的 抗 拉 强 度 。 与 水 泥 基 体 相 比 至 少 高 出 两 个 量级 。 好 在 水 泥 基 体 的 抗 拉 强 度 很 低 ， 容 易 满 足 。考 虑 到 聚 丙 烯 和 聚 丙 烯 腈 的 材 料 特 性 、 生 产 工艺 ， 并 结 合 纤 维 混 凝 土 工 程 实 践 ， 本 标 准 对 两种 纤 维 的 抗 拉 强 度 进 行 了 规 定 。 弹 性 模 量 纤 维 混 凝 土 中 纤 维 和 水 泥 基 体 一 起 受 力 ，纤 维 与 水 泥 基 体 的 弹 性 模 量 相 比 ， 其 比 值 越 大 ，则 受 荷 时 纤 维 所 分 担 的 应 力 也 越 大 ， 纤 维 的 作用 也 越 明 显 。密 度 和 熔 点 密 度 和 熔 点 为 材 料 的 基 本 性 能 ， 对 此 进 行规 定 ， 可 以 控 制 纤 维 的 原 材 料 的 质 量 和 生 产 工艺 水 平 。 聚 丙 烯 腈 纤 维 的 不 同 功 能 要 求 的 基 本 技术 参 数 纤 维 在 混 凝 土 中 的 不 同 作 用 与 纤 维 的 掺 量 和纤 维 的 抗 拉 强 度 、 断 裂 延 伸 率 、 弹 性 模 量 有关 。 聚 丙 烯 腈 材 料 的 抗 拉 强 度 和 弹 性 模 量 较 高 ，从 而 使 聚 丙 烯 腈 在 混 凝 土 中 可 以 起 到 加 强 的 作用 。 因 此 本 标 准 根 据 纤 维 混 凝 土 的 功 能 要 求 和聚 丙 烯 腈 的 性 能 特 点 对 此 方 面 的 技 术 参 数 进 行了 规 定 。 而 对 于 聚 丙 烯 纤 维 由 于 其 弹 性 模 量 和抗 拉 强 度 较 低 ， 不 具 “ 高 强 高 模 ” 的 特 点 ，其 在 混 凝 土 中 加 强 作 用 不 明 显 ， 其 主 要 作用 是 提 高 混 凝 土 的 内 在 品 质 ， 减 少 混 凝 土的 缺 陷 ， 进 而 提 高 混 凝 土 的 抗 渗 透 、 抗 冻 、抗 开 裂 、 韧 性 等 能 力 。 抗 碱 性 能 混 凝 土 环 境 是 碱 性 环 境 ， 聚 丙 烯 在 混 凝 土中 能 够 发 挥 作 用 ， 必 须 具 有 一 定 的 抗 碱 性 能 才能 保 证 聚 丙 烯 纤 维 的 耐 久 性 能 。 因 此 标 准 要 求抗 拉 强 度 的 保 持 率 不 小 于 99 。 原 材 料 要 求 混 凝 土 中 必 须 用 纯 的 聚 丙 烯 和 聚 丙 烯 腈 生产 的 纤 维 ， 这 样 才 可 以 确 保 纤 维 在 混 凝 土 中 具有 良 好 的 抗 腐 蚀 性 能 。 不 能 用 再 生 的 材 料 生 产土 木 工 程 用 纤 维 ， 否 则 纤 维 在 混 凝 土 中 的 抗 腐蚀 性 、 耐 久 性 难 以 保 障 。 因 此 本 标 准 对 此 进 行了 规 定 。 试验方法外 观 质 量 ： 在 自 然 光 线 下 进 行 目 测 及 手 感 检 验 。长 度 ： 网 状 纤 维 按 GB/T6673的 规 定 进 行 ； 单 丝 纤维 按 GB/T14336的 规 定 进 行 试 验 。网 状 纤 维 的 厚 度 测 定 ： 按 GB/T6672的 规 定 进 行 试验 。单 丝 纤 维 的 直 径 和 当 量 直 径 ： 按 GB/T10685的 规定 进 行 试 验 。密 度 ： 按 FZ/T01057.9的 规 定 进 行 试 验 。 熔 点 ： 按 FZ/T01057.7的 规 定 进 行 试 验 。弹 性 模 量 ： 按 GB/T3916的 规 定 进 行 测 定 。断 裂 延 伸 率 的 测 定 ： 按 GB/T3916的 规 定 进 行 试 验 。抗 拉 强 度 ： 单 丝 纤 维 的 抗 拉 强 度 按 GB/T3916的 规 定 进 行 试验 ， 拉 伸 速 率 为 100mm/min。 网 状 纤 维 的 抗 拉 强 度 按 GB/T13022的 规 定 进 行 ，采 用 IV型 样 品 ， 拉 伸 速 率 为 500mm/min。 耐 碱 性 能 ： 配 制 pH=14的 NaOH溶 液 。 将 一 定 量 的 样品 放 置 配 制 的 溶 液 中 ， 要 求 容 器 密 封 ， 并 在（ 60 2） 的 水 浴 中 保 持 48h， 取 出 后 进 行 抗拉 强 度 的 测 定 。 抗 拉 强 度 保 持 率 按 式 （ 1） 计算 。抗 拉 强 度 保 持 率 （ 1）%100）初 始 抗 拉 强 度 （ 标 称 值抗 拉 强 度 的 保 持 绝 对 值