时间：2023-11-28 18:09:10
关键词:聚丙烯纤维 混凝土 阻裂
中图分类号:TV4 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)05(a)-0068-01
聚丙烯纤维混凝土是一种以混凝土为基体,将适量聚丙烯纤维掺入混凝土中的新型复合材料。与普通混凝土相比,由于基体中乱向分布的纤维能够有效抑制混凝土早期收缩、阻止裂缝的产生与发展,因此它的抗冲击性、弯曲疲劳性能、抗渗性,耐久性能等都有不同幅度的提高[1]。由于诸多优点,聚丙烯纤维混凝土在隧道衬砌、大体积混凝土、受力复杂的结构、道路与桥梁路面等工程中得到了广泛的应用。
1 聚丙烯纤维混凝土增强机理
随机分布在混凝土中的聚丙烯纤维,能有效减少混凝土早期收缩;并能够抑制混凝土水化过程中由于内外温差等原因引起的微裂缝的产生与发展,提高混凝土抗裂能力,避免或减少混凝土表面产生裂纹;聚丙烯纤维的阻裂作用,使得基体混凝土的抗拉强度、韧性、后期变形性能都有不同程度的改善[2～3];另外混凝土拌合物的泌水、离析等现象也会随着聚丙烯纤维的掺入得到改善,使混凝土内部孔隙更加细化,阻碍了环境中各种有害介质的入侵,从而提高它的抗渗性、抗冻性、抗碳化性等耐久性能。聚丙烯纤维对基体混凝土的增强具体体现在以下几点。
(1)减少与抑制混凝土的早期塑性收缩。混凝土在水化的过程中,内部水分会蒸发,当内部水分蒸发不—致时就造成不均匀的体积收缩。在混凝土中掺入聚丙烯纤维,由于它的抗拉强度高,能够与基体共同抑制收缩,减少混凝土早期的塑性收缩。
(2)减少与阻止水化过程中混凝土微裂缝的产生与发展。混凝土是一种脆性材料,它的开裂问题始终困扰着工程界。水化过程中混凝土微裂缝产生的原因有很多,主要是由于早期收缩与内外温差引起的。早期收缩与内外温差都会在混凝土内部产生拉应力,由于混凝土水化还未完成,基体水泥石尚未硬化,因此抗拉强度较低,当拉应力超过抗拉强度时就会引起混凝土开裂。随着聚丙烯纤维的加入,与基体混凝同承担拉应力,减少与抑制混凝土早期内部微裂缝的产生与发展。
(3)聚丙烯纤维能够改善混凝土拌合物的泌水、离析等现象,使混凝土内部孔隙更加细化。聚丙烯纤维的阻裂作用,减少了混凝土内部微裂缝的尺度与数量。因此与之密切相关的混凝土的力学性能与耐久性能均得到不同程度的提高。
2 聚丙烯纤维混凝土力学性能
(1)提高机体的抗拉强度。混凝土的破坏实际上是原始裂缝的发生、扩展以致连通的过程,其内部缺陷是混凝土破坏的诱导因素。聚丙烯纤维细化了混凝土水化过程中产生的孔隙,并抑制与减少了混凝土内部的微裂缝,改善基体混凝土的内部缺陷,提高了混凝土材料的连续性。当混凝土承受拉应力时,内部裂缝端部的应力集中程度大大降低。在混凝土受力过程中,纤维可以与混凝同受力。这些都有助于提高聚丙烯纤维混凝土的抗拉强度。
(2)增韧效果。纤维丝被凝固的水泥石握裹主,在混凝土内部形成乱向分布的网状增强系统,提高了混凝土的韧性。纤维能大量吸收能量,当混凝土受到冲击时有效地减少了集中应力。另外由于纤维的桥连作用,当混凝土受力破坏时它能够牵连即将分离的混凝土块,纤维从水泥基体剥落时更要消耗能量,这些都有助于提高混凝土的韧性。
3 聚丙烯纤维混凝土耐久性性能
(1)抗渗性。混凝土中掺入一定比例的聚丙烯纤维,能够有效地改善混凝土的孔结构,避免连通毛细孔的形成,并减少混凝土内部微裂缝,因而提高了混疑土的抗渗性能。延缓了环境中的有害介质(Cl一、SO42-)对混凝土和钢筋的侵蚀,延长结构物的使用寿命。研究结果表明:适量聚丙烯纤维对混凝土的渗透性能有明显的改善作用,但当纤维掺量超过一定量时,反而会降低混凝土的密实性,加快水分以及各种有害介质在混凝土中的渗透速度。
(2)抗冻性。混凝土经受冻融循环过程中,内部孔隙与裂隙中的水分会因结冰而体积膨胀,在混凝土内部形成拉应力,当拉应力超过混凝土抗拉强度时混凝土就会开裂,导致强度下降和质量损失。因此减少微裂缝和毛细孔的数量是提高混凝土抗冻融性的关键。混凝土中掺加聚丙烯纤维,由于它的阻裂作用,减少了裂缝的数量与尺度;其次改善了混凝土的泌水与离析现象,降低了孔隙率,并使得孔隙更加细化,提高混凝土的密实性;另外聚丙烯纤维能够承担一部分冻融循环给混凝土造成的拉应力,提高基体混凝土的抗冻融性。已有研究表明,适量聚丙烯纤维的掺入可使混凝土的抗冻性提高50％左右,因此以聚丙烯纤维混凝土可作为桥面铺装材料、道路路面、机场跑道等,能明显延缓混凝土冻融破坏速度,特别是冬季的盐冻破坏,延长结构的使用寿命。
4 聚丙烯纤维混凝土工程应用
20世纪80年代以来,合成纤维混凝土在国外已得到广泛的研究和应用。合成纤维中应用较多的是聚丙烯纤维,开始多为单丝型,后来出现了由其改进后的网状纤维,实现了每立方米混凝土内数千万根纤维均匀分散的效果[4],当前聚丙烯纤维混凝土在发达国家已广泛应用于高速公路、机场跑道、地铁、隧道、桥梁、铁路水泥枕木、住宅墙体中等[5]。
在我国聚丙烯纤维混凝土也成功应用于公路、隧道、桥梁、建筑结构等领域[5]。陕西法门寺合十舍利塔工程中Φ18m球冠状穹顶结构采用聚丙烯纤维混凝土,取消上层模板,不仅显著降低了施工难度,而且整个壳体结构也未见异常裂缝,取得了良好的经济效果。
5 结语
聚丙烯纤维混凝土是一种新型复合建筑材料,由于纤维在混凝土中的乱向分布,使得它的抗压强度、劈拉强度、抗折强度、抗裂性、韧性、抗渗性以及抗冻性等都较普通混凝土有不同程度的改善。由于诸多优点它不仅应用于隧道初期支护混凝土、二次衬砌,还可应用于混凝土路面工程、桥梁工程、水工建筑及工业与民用建筑,具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 王明阳,李华明.浅谈聚丙烯纤维混凝土及其在隧道中的应用[J].山西建筑,2006(6):156～157.
[2] 薛志超,李林.聚丙烯纤维对路用混凝土强度及收缩性能的影响[J].建筑材料学报,2011(1):133～135.
[3] 陈大亮.对聚丙烯纤维增强混凝土的耐久性研究综述[J].科技风,2010(1):148.
[4] 李友强,郑大榕,张辉,等.聚丙烯网状纤维混凝土在隧道衬砌中的应用试验研究[J].现代隧道技术,2004:472～476.
一、性能简介
聚丙烯纤维是一种典型的聚烯烃类高分子聚合物，分为单丝和网状，它的物理性质、化学性质基本相同，与传统的钢纤维相比较，它耐腐蚀无磁性，施工简便且价格便宜。与碳纤维、玻璃纤维、石棉纤维相比，后三者属于高碳纤维，其中碳纤维价格昂贵，玻璃纤维极脆，易断，且玻璃纤维和石棉纤维都对环境有一定的污染。建筑用聚丙烯能够有效的改善混凝土性能和其自身特有的物理、化学性质是紧密相关的，它具备了以下几方面的性能：
1．稳定的化学性能，能耐酸碱，抵御混凝土中碱性集料和水泥碱性水化物的腐蚀，保证纤维在混凝土构件中发挥稳定的物理性能。
2．良好的自分散性，不结团、彼此不相互粘结。
3．较高的抗拉强度。
4．较高的变形能力。
5．良好的粘结强度，保证纤维与水泥基体有效的连接，共同工作，使纤维体充分发挥作用。
在表1中的数字指标直观的体现了聚丙烯纤维的物化性能。
表1 聚丙烯纤维的物化性能
纤维类型：束状单丝 线密度：0.91
单丝直径：15－48 断裂强度>350Mpa
抗酸碱度：极高 熔点>165
导热性：极低 燃点>580
弹性模量>3.5Gpa 断裂伸长率
自分散性：好 湿含量
二、工作机理
普通混凝土在荷载作用下，如图1表示均匀受拉情况，则沿界面均匀分布的拉应力将发生重分布，由于圆孔或裂纹处的材料将荷载卸给了孔边材料,孔边便产生了应力集中。对于形如椭圆的狭长细纹，如图2拉伸荷载方向与椭圆长轴方向垂直，在拉应力作用下，长轴端点的应力常常远超过了混凝土材料的抗拉强度，使得材料在外应力还远小于材料抗拉强度时，就发生突然断裂，促使裂缝急剧扩展而突然破坏。这就是普通混凝土构件中常发生得脆性破坏。根据材料力学有关理论，对图2所示情形，有如下理论应力集中系数的经验公式：
式中：，椭圆长轴端点处的曲率半径；a为椭圆的短轴长度；b为椭圆长轴长度；B为半倍板宽。
对于土木建筑工程而言；混凝土结构的脆性破坏是必须要尽量杜绝的，因为事发之前，不能给人们提供多少预警，往往是突然发生，对人们的生命财产构成巨大的威胁，尤其是城市人口集中的地方，事故一旦发生，往往是灾难性的。因此，从根本上改变普通混凝土的固有缺陷，就显得非常必要。如前所述，聚丙烯纤维对混凝土的增强效果非常明显，尤其是使混凝土的抗拉强度与任性大为改善，其增强机理如图3所示。图中混凝土板，普通混凝土在拉伸荷载的作用下，椭圆形裂纹处将产生图3所示的应力集中，在混凝土中掺入乱向分布的聚丙烯纤维，受力时，跨越裂缝面的纤维就起联结作用，将荷载传递给裂缝的上下或左右表面，使裂纹区仍能继续承担荷载。这样，由于裂纹的出现而传递为纹边的荷载就减少了，纹边应力集中也就因此而减缓，如图3所示，纤维对裂纹面的联结作用，使裂纹的进一步扩展受到抑制。通常情况下，在受到外力作用初期，混凝土和纤维共同承受外力，前者是外力的主要承受者；混凝土开裂后，联结裂缝的纤维材料就转变为外力的主要承受者。当纤维的掺入量超过一定的百分比，整个混凝土结构可以承受较高的荷载，并能承受较大的变形，直至纤维拉断或从混凝土中被拔出。因此，聚丙烯纤维的掺入使得本质上呈脆性的混凝土很大程度上表现出塑性特征，这种特征随纤维的掺入量的增加而愈加明显。
需要特别说明的是，在聚丙烯纤维内部实际的应力场并不是如图3所示的简单分布，而是如图4所示，非常杂乱无章，如同网状分布，以至于理论上的精确的应力分布几乎是不可求出的。但是，裂缝的扩展最终总是趋向于主拉应力垂直的方向，因此，总可以将其简化为断裂力学中所谓的I型应力场，作用在等效混凝土构件的裂缝表面上，等效混凝土构件的尺寸与掺入聚丙烯纤维的混凝土构件几何尺寸完全相同，于是可将混凝土和纤维材料各自的应力全部转化为等效构件上的应力和，其中：
，
，
式中，A为原聚丙烯纤维混凝土构件的截面面积；为截面A上纤维的总横截面面积；为乱向分布的纤维在等效普通混凝土构件上沿主拉应力方向的平均阻裂应力；为聚丙烯纤维中混凝土所承担的实际拉应力在等效构件上的平均应力。
由于聚丙烯纤维组织结构为纤化网状，与混凝土基体的粘结强度较高，当应力自基体传递给聚丙烯纤维时，纤维因变形而消耗能量，混凝土构件达到初裂时的荷载及宏观变形增大。其次，因聚丙烯纤维具有良好的延伸性，极限变形值很大，混凝土一经开裂，聚丙烯纤维跨接在裂纹的表面，阻止裂纹的迅速扩展。因此，纤维混凝土的抗弯强度明显提高。
三、工程实例
关键词：聚丙烯；纤维混凝土；高温；力学性能
1 研究背景
合成纤维混凝土的研究及应用开始于20世纪60年代，在70年代得到了空前的发展。纤维对混凝土性能的提高，必须具备以下条件并且缺一不可：（1）分布均匀；（2）与混凝土的握裹性强；（3）材料本身抗腐蚀、抗碱集料反应强；（4）材质的抗拉强度好。通过以上条件来提高混凝土的抗碎、抗裂、抗折、抗冲击、抗渗水、抗疲劳等综合性能。在合成纤维中聚丙烯纤维的耐腐蚀性、强度、抗碱反应均优于其它纤维。
但是非常薄弱的一个特征是抗火性差，在火灾高温中爆裂的几率比普通混凝土大很多。因为混凝土的爆裂，使得钢筋外露在火灾中，而钢筋在火灾中很容易受热软化，导致承载能力急剧下降，导致构件、建筑物的危险程度大大提高。
因此在积极利用纤维混凝土甚至高强混凝土优点的同时，必须努力改善纤维混凝土的高温爆裂破坏性能。掌握高温后高性能混凝土力学性能和损伤规律，为全面地评价高温(火灾)后高性能混凝土结构性能变化和损伤程度提供理论依据，指导混凝土结构高温(火灾)后的合理而有效的加固修复，具有重要的理论意义和工程价值。
2 国外研究现状
国外对于聚丙烯纤维混凝土的研究，开始于20世纪60年代。纤维混凝土的研究应用与合成纤维技术的突破有非常重要的关联。九十年代以后，国外许多学者对聚丙烯纤维混凝土的抗弯性能、抗裂能力、弯剪性能、抗冲击性能分别作了研究。有关纤维混凝土的理论研究逐渐形成。
F．Hernandez-01ivares，G．Barluenga研究了表面粗糙的橡胶纤维在不同掺量下对高强混凝土高温爆裂性能的改善，发现橡胶的掺入有助于降低高强混凝土的高温爆裂的可能性，尽管抗压强度和韧性有所降低，但是降低量不大［1］。
Yer．Ottens(1975)、Waubke和Schneider(1973)、Zhukov(1976) 等对普通混凝土的研究表明：混凝土结构在火灾受热过程中可能发生毁坏性爆裂。对于脆性和密度更大、渗透性更低的一般高强高性能混凝土，爆裂更易产生，导致材料强度损失甚至构件坍塌，而且压应力越大，这种破坏越严重。
3 国内研究现状及成果
我国纤维混凝土的大规模应用是从钢纤维混凝土和玻璃纤维混凝土起步的。20世纪70年代纤维混凝土技术传入中国。20世纪90年代初，能够应用于纤维混凝土的有机纤维通过商业渠道流入我国，成为纤维混凝土在我国大量应用的契机。1998年6月26日，建设部科技发展促进中心(站)印发了《美国杜拉纤维技术研讨会纪要》，并由此推开了纤维混凝土在我国应用的崭新局面。
为了更加深入了解聚丙烯纤维对纤维混凝土高温性能的改变，国内相关专家针对聚丙烯纤维混凝土的高温性能做了大量的实验，得到了聚丙烯纤维混凝土高温下力学性能的许多重要结论。例如：
林志威的研究认为高性能混凝土具有低渗透性，在火灾高温下不可避免地发生爆炸。试验设计了144个掺有不同聚丙烯纤维(PPF)掺量的高性能混凝土立方体试块，在经历了20～800℃的温度后，研究高性能混凝土在高温后的物理、力学性能变化规律。最后分析了聚丙烯纤维影响混凝土高温后性能的机理［2］。
肖健庄设计了79块掺有聚丙烯纤维的C50，C80和C100高性能混凝土立方体试块。在经历了20～900℃的温度后，得出了外掺聚丙烯纤维高性能混凝土高温后的质量损失率和残余抗压强度，以及未发现高温爆裂的结论。分别针对试块尺寸、强度等级和经历温度等因素，研究了聚丙烯纤维高性能混凝土的高温抗压性能，通过统计回归分析，得出了可供工程设计和事故鉴定用的抗高温设计曲线［3］。
徐晓勇通过对聚丙烯纤维高强混凝土高温后力学性能的试验研究，探讨了聚丙烯纤维高强混凝土的抗压强度、抗拉强度和抗折强度在不同温度下的变化规律，并与高强混凝土火灾后性能变化规律进行比较，分析了聚丙烯纤维改善高强混凝土高温爆裂现象的机理，还阐述了聚丙烯纤维对高强混凝土受高温作用后力学性能的影响机理［4］。
朱江等人经过高温试验，发现聚丙烯纤维的加入能有效地改善高强混凝土和橡胶粉高强混凝土的高温抗爆裂性能，聚丙烯纤维与适量的橡胶粉混杂有利于提高橡胶粉高强混凝土的剩余抗压强度。
同时，他们通过实验比较，发现聚丙烯纤维与橡胶粉混杂的高强混凝土，其工作性能优于单一的聚丙烯纤维高强混凝土。通过对高温后试件爆裂表观形态的比较，发现聚丙烯纤维与橡胶粉混杂的高强混凝土与单一的聚丙烯纤维高强混凝土抗爆裂效果相近，但前者有更好的经济效益和环保作用。通过试件高温前后的立方体抗压强度试验，得到高温前后试件的抗压强度值，并通过剩余强度率比较了单掺聚丙烯纤维、单掺橡胶粉和二者混杂的试件高温后抗压强变化值，总结出800℃高温后聚丙烯纤维与再生橡胶混杂后的抗压强度剩余率高于橡胶粉高强混凝土。
4 结语
本文通过对国内当前不同掺量下的聚丙烯纤维混凝土在高温条件下的力学性质的研究成果进行简要探讨，主要有以下结论：
1 聚丙烯纤维混凝土增强高温抗压性能的原理为：在较高温度下，聚丙烯纤维熔融后，形成新的通道释放蒸汽压，避免了抗压强度过分损失甚至爆裂［1］。纤维混凝土的抗压强度随着聚丙烯纤维掺量的改变有稍微的变动，但影响不大。
2 聚丙烯纤维对混凝土劈拉性能的影响实质上是高温熔化后所留空洞的问题。一方面，与外界连通的孔洞为蒸汽压的释放提供通道，降低了热损伤，防止了高温爆裂，并有效改善了聚丙烯纤维混凝土的高温中劈拉性能；另一方面，孔洞的存在使混凝土基体内部缺陷增多，降低了聚丙烯纤维混凝土的高温中劈拉性能。 基于以上两种相反的作用效果，聚丙烯纤维掺量在适当范围内，融化产生的孔洞较少，引起的内部缺陷也较少，产生的不利作用小于释放蒸汽压产生的有利作用，从而对聚丙烯纤维混凝土高温中劈拉性能有所改善。纤维混凝土的劈拉性能随着聚丙烯纤维掺量的增加会先提高然后再降低，但仍然比普通混凝土的劈拉强度有所提高。
3 聚丙烯纤维对混凝土的高温后抗折性能的影响与聚丙烯纤维的掺量有关，随着聚丙烯纤维掺量的逐渐提高，聚丙烯纤维混凝土的抗折强度也不断提高。（作者单位：郑州大学 水利与环境学院）
参考文献：
［1］ F．Herna’ndez—Olivares,G．Barluenga．Fire performance ofrecycled rubber—filled high—strength concrete.Cement andConcrete Research 34(2004)109—117;
［2］ 林志威.不同PPF掺量的高性能混凝土高温后性能研究［J］.华中科技大学学报.2007,24(2)：1-2;
［3］ 肖健庄.掺聚丙烯纤维高性能混凝土高温后的抗压性能［J］.建筑材料学报.2004,7(3);
［4］ 徐晓勇，聚丙烯纤维对改善高强混凝土高温作用后劣化性能的研究［J］.吉林建筑工程学院学报.2009;
关键词：建筑材料 纤维混凝土 结构防水
1 引言
现代高新混凝土工程中，混凝土的应用向着高强度、大流动度方向发展。随着混凝土强度和坍落度的提高，水泥的和用量不断增加，由此带来的副作用是水化热加剧，混凝土的凝固收缩量加大，收缩应力增大，裂缝数量增多。此外，随着建筑构件向大体积、大面积、形状复杂多样的方向发展，向地下空间的发展，混凝土内的应力大而复杂，裂缝的出现亦较以往多得多。因此，从混凝土防水的角度看，除了注重混凝土抗渗性（密实度）外，更注意由于混凝土抗裂性不足而引起的渗漏，特别是高标号的混凝土。
近年来，国外发展了应用微纤维混凝土进行抗裂防水的新技术。美国于90年代初研制出微纤维混凝土，在随后的几年中得到迅速的发展，其中应用最多的是聚丙烯纤维混凝土。如今，在美国新建筑物中的地下室和屋面混凝土中大多采用了聚丙烯纤维混凝土，国内亦开始在防水工程中得到成功应用。本文主要以美国希尔兄弟化工公司生产的聚丙烯纤维为例，介绍聚丙烯纤维混凝土的防水性能及其工程应用。
2 聚丙烯纤维混凝土的防水性及机理
2．1 聚丙烯纤维的物理性能
聚丙烯纤维的物理性能如下：
材 料 聚丙烯 耐酸碱性 极高
相对密度 0.91 安 全 性 无毒材料
熔 点 165℃ 拉伸极限 15％
燃 点 593℃ 抗拉强度 275MPa
含 湿 量 ＜0.1% 弹性模量 3793Mpa
吸 水 性 无 导 热 低
细度 0.048mm
2．2 聚丙烯纤维混凝土的防水机理
聚丙烯纤维混凝土的防水属于混凝土的刚性本体防水，在防水混凝土的抗渗和抗裂2个途径中，聚丙烯纤维主要是通过抗裂达到防水目的。聚丙烯纤维抗裂防水的机理是建立在对混凝土的固结、收缩的微观研究的基础上。
从微观的角度来看，任何密实的混凝土都存在微裂缝。这些微裂缝存在于相与相之间（石、砂、水泥胶体三相）和水泥微颗粒之间，只不过正常的微裂缝肉眼看不到而已。混凝土在硬化形成强度的过程中，初期由于水和水泥的应形成结晶体，这种晶体化合物的体积比原材料的体积要小，因而引起混凝土体积的收缩；在后期又由于混凝土内自由水分的蒸发而引起干缩。这些应力某个时期超出了水泥机体的抗拉强度，于是在混凝土内部引起微裂缝。这些微裂缝不可避免地存在于混凝土内的骨料和水泥凝胶体的局部接触面处以及凝胶体自身内部。混凝土在凝结和硬化过程中，微裂缝经历了出现和发展的过程。这一过程，宏观上认为是混凝土在固结收缩，一般混凝土的收缩率在8×10－4左右。混凝土的微裂缝在发展过程中，是从无到有，从小到大向最薄弱方向定向发展。微裂缝向细裂缝的发展大多数（约占70％）在3－7d凝胶期内完成，此时混凝土的抗拉强度小于1Mpa，如果没有采取有效的抗裂措施，混凝土固有的微裂缝在内外应力的作用下将会发展为更大的裂缝以至最终形成贯通的毛细孔道及裂缝，从而导致防水失败，也造成结构设计强度远未能充分发挥，严重的甚至威胁到工程的安全及使用。
在混凝土内掺入聚丙烯纤维，聚丙烯纤维与水泥集料有极强的结合力，可以迅速而轻易地与混凝土材料混合，分布均匀；同时由于细微，故比面积大，每公斤聚丙烯纤维连起来的总长度可绕地球10多圈，若分布在1m3的混凝土中，则可使每1m3的混凝土中有近20条纤维丝，故能在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系。当微裂缝在细裂缝发展的过程中，必然碰到多条不同向的微纤维，由于遭到纤维的阻挡，消耗了能量，难以进一步发展。因此，聚丙烯纤维可以有效地抑制混凝土早期干缩微裂及离析裂的产生和发展，极大地减少了混凝土收缩裂缝，尤其是有效地抑制了连通裂缝的产生。从宏观上解释，就是微纤维分散了混凝土的定向拉应力，从而达到抗裂的效果。试验表明，与普通混凝土相比，聚丙烯纤维体积掺量为0.05％（约0.5 kg/m3）的混凝土抗裂能力提高了近70％。
另外，均匀分布在混凝土中彼此相粘连的大量纤维起了“承托”骨料的作用，降低了混凝土表面的析水与集料的离析，从而使混凝土中直径为50－100nm和大于100nm的孔隙含量大大降低，由此可以极大提高混凝土的抗渗能力。试验表明，0.05％体积掺量的聚丙烯纤维比普通混凝土的抗渗能力提高了60％－70％。
3 聚丙烯纤维混凝土在防水工程中的应用
由以上分析可知，聚丙烯纤维可以大大增强混凝土的抗裂、抗渗能力，作为混凝土刚体自防水材料的效果显著，可以有效地解决混凝土渗裂问题的困扰。聚丙烯纤维加高效减水剂的防水方案，目前已为国内外众多防水专家所肯定，是防水效果较为可靠、施工最为便易、机理较完整的防水方案，可广泛应用于地下室工程、层面、贮水池、腐化池等工程中。以下介绍聚丙烯纤维混凝土应用于防水工程的实例。
3．1 实例1：广州新中国大厦地下室工程
广州新中国大厦是一座集商业、娱乐、办公、旅游业于一体的面积约为17万m2的综合大厦，结构总层数为56层，其中地下室为5层。地下室底板面相对标高为－17.65m，是国内高层建筑中较深的地下室之一，地下室每层面积均为104m×76m。另外，由于大厦主楼之下离地表约40m处有人防坑道和拟建的地下缆车通道通过，为确保坑道的和大厦的安全，设计上采用了600mm厚的大面积底板，面积近8000m2，并在核心筒下设置了面积为33m×27m、厚度为2.8m的厚筏板与短桩共同工作，厚筏板体积达2500m3。设计中考虑到底板作为地下室防水的重要构件，有必要形成刚性自防水体系。为了克服地下室底板因混凝土浇筑长度较长、体积较大所引起的收缩变形和温度变形而形成的裂缝问题，设计中比较了目前应用得最多的地下室底板防裂防渗的处理方法：微膨胀防水混凝土、聚丙烯纤维混凝土及在混凝土中加设钢网的方案。最后选用了在C60混凝土掺加0.08％的聚丙烯微细纤维的方案，并针对聚丙烯纤维混凝土的特点，施工中全底板均采用了这种混凝土。实际情况表明，整个大面积的底板未发现明显的裂缝、效果良好。
3．2 实例2：广州南方房产实业大厦地下工程
该大厦地下室底板及壁板混凝土均为C40S8，添加聚丙烯纤维，底板混凝土约为3000m3，分南、北两段施工。混凝土在搅拌出槽后纤维分散均匀，没有絮凝成团现象，拌和物表现出良好的保水性和粘聚性，混凝土泵送性能优良，在整个浇筑过程中几乎未发生过一次堵塞。该工程地下底板属大面积、大体积混凝土构件，聚丙烯纤维混凝土的使用取得了令人满意的效果。
3．3 其它实例
关键词：聚丙烯纤维 混凝土桥面铺装混凝土
Abstract: using the technical characteristics of polypropylene fiber concrete, restrain the bridge deck pavement concrete half range due to construction impact load and of generation gap, and how to control in the construction of polypropylene fiber concrete this technology, makes the bridge deck pavement concrete half range construction possible and bring considerable economic benefit.
Keywords: polypropylene fiber concrete bridge deck pavement concrete
中图分类号：TQ342+.62 文献标识码：A文章编号：
由于近几年超载运输车辆的破坏，桥面铺装混凝土出现大面积破损即混凝土脱落、漏筋等病害，对桥梁的安全通行造成了极大隐患。再进行桥面铺装混凝土维修时按施工技术规范要求必须全幅浇筑混凝土，也就是说在维修桥面铺装病害时需封闭交通开通便道,而开通开通便道的费用远远大于维修桥面铺装混凝土施工成本。在桥梁上进行半幅施工时无需开通便道,但由于受另半幅通行车辆冲击荷载的传递影响必然会在混凝土早期形成强度时产生冲击裂缝，影响混凝土的使用。如果引用聚丙烯纤维混凝土新技术能够抵制这种冲击裂缝的产生将带来非常可观的经济效益。
聚丙烯纤维是一种新型的混凝土纤维，被建筑工程界称为混凝土的“次要增强筋”，它是一种特殊工艺进行纺丝、切断、亲水处理后生产的高强度束状单丝纤维，实验表明每立方米混凝土中掺入1.0kg的聚丙烯纤维就能达到每立方厘米混凝土内纤维丝20多条，由于聚丙烯纤维同水泥基体有紧密的结合力，能在混凝土中形成一种均匀的乱向支撑体系，当混凝土受冲击荷载作用时，纤维起到了阻止混凝土裂缝的扩散与发展的作用，从而大大改善了混凝土的整体性能，使混凝土的抗冲击防裂性能有了很大的提高。
另外从混凝土的抗裂性能机理上分析，混凝土的塑性开裂主要发生在混凝土硬化前，特别是在混凝土浇筑后4-5H内，此阶段由于水分的蒸发和转移，混凝土内部的抗拉应变能力低于塑性收缩产生的应变，因而引起混凝土内部塑性裂缝，掺入聚丙烯纤维后，由于其分布均匀，起到类似筛网的作用，减缓了由于粗粒料的快速失水所产生的裂缝同时在混凝土开裂后纤维的抗拉作用阻止了裂缝的进一步发展。
京沈线K388+145处宋杖子大桥，全长123.23米、宽度组合为2×0.5+1×11、跨径为9×13米、斜40°，桥面铺装混凝土及伸缩缝出现了大面积破损即混凝土脱落、漏筋等病害。经设计需对全桥进行桥面铺装混凝土凿除，浇筑新的桥面铺装混凝土。维修时按正常的施工方案需开通将近3KM的便道供车辆临时通行，所需资金大约50万元且给当地的环境及农作物造成一定的影响，同时极大的增加了便道的后期维护及外部施工环境所带来的压力。针对这种状况我们采用了在桥面铺装混凝土中掺加聚丙烯纤维这一技术来抑制抗冲击裂缝的形成和发展，使半幅施工时也能满足施工技术规范要求，从而达到桥面铺装混凝土的使用效果。在施工时控制好如下几点：
一、 材料的质量控制
质量差的纤维，不但不会对混凝土增强、增韧，反而会有负面影响。有人认为质量差的产品可以通过增加掺量来弥补效用，质量差的产品加大掺量反而会因结团、空洞造成严重质量问题，根本不能用，所以在购置聚丙烯纤维时经实验合格后方可购买。混凝土中的碎石、中（粗）砂、水泥等材料均按相关实验规程检测合格后方可使用，以确保聚丙烯纤维混凝土的内在质量，使其在混凝土中形成均匀的乱向支撑体系，达到抑制由于半幅施工时冲击荷载的作用而产生的裂缝。
二、聚丙烯纤纤掺量的控制
聚丙烯纤维在混凝土中掺量控制是影响混凝土质量的关键。为了取得良好的效果聚丙烯纤维掺量易控制在0.5-1.0kg/M3范围内。首先进行半幅浇筑桥面铺装混凝土时，由于冲击荷载相对于另半幅要小（桥面铺装钢筋还没有发辉作用），主要是抑制混凝土自身缺陷而引起的裂缝，所以聚丙烯纤维掺量控制在0.5-0.8kg/M3。待养生达到设计强度后进行另半幅桥面铺装混凝土浇筑时，由于桥面铺装钢筋已形成整体受力效果，受已通车半幅桥面铺装混凝土的传递荷载影响（冲击荷载相对于已浇筑完的半幅大），聚丙烯纤维掺量控制在0.9-1.0kg/M3。另外聚丙烯纤维混凝土要正常养生，不能认为添加了纤维就不会有裂缝而忽视正常养生，这一点非常重要。
三、聚丙烯纤维混凝土搅拌时的控制
聚丙烯纤维混凝土搅拌时必须用强制式搅拌机，在搅拌时按干拌和湿拌操作程序进行。干拌时投料顺序为：碎石―水泥―纤维―中（粗）砂，搅拌时间控制在3min；然后加水进行湿拌不得少于5min，以增加聚丙烯纤维在混凝土中的均匀性和亲水性。
经济效益分析：以宋杖子桥为例桥面铺装混凝土为135m3，需掺加聚丙烯纤维135kg,而掺加聚丙烯纤维每kg的施工成本费为50元（不含混凝土的施工成本）来计算总费用为6750元与其开通便道费用相比，可带来直接经济效益约49万元，大大降低了维修费用。
通过实例在混凝土中添加适量聚丙烯纤维是克服抗冲击开裂的有效的途径，纤维在混凝土中形成的乱向支撑体系会产生一种有效的二级加强效果，能较大幅度提高混凝土初期形成强度中由外部冲击荷载所带来的裂缝。其实质是最大可能地降低了混凝土的脆性，从而解决了由于混凝土自身脆性引起容易开裂的问题，对改善混凝土内部起到了重要作用，这种作用不同于一般的加筋配筋，而是一种从根本上对混凝土自身缺陷的改善。
针对以上聚丙烯纤维混凝土的技术特性和施工操作，使半幅施工成为可能且省去开通便道的费用及各种不利因素的影响。这一技术革新为我地区维修桥面铺装混凝土病害开辟了新的途径，具有十分现实的推广意义。
主题词：建筑工程 ； 聚丙烯纤维 ； 混凝土
Abstract: the application of polypropylene fiber concrete in the construction engineering is briefly introduced, providing a reference for similar engineering construction.
Key words: Construction Engineering; polypropylene fiber; concrete
中图分类号：TU755 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
1引言
现今的建筑物向高、大、宽发展，平面形状复杂，产生的约束力大而复杂，这样混凝土裂缝就比普通混凝土结构的裂缝多得多，而高强、大流动度的混凝土密实性能满足混凝土的抗渗等级要求。所以从防水角度来看，应从过去注重混凝土的密实性转向注重混凝土的抗裂性问题。
2混凝土的本体结构防水措施
2.1膨胀补偿型
在混凝土中掺入适量膨胀剂，经水化反应生成32水硫铝酸钙结晶体产生膨胀，使混凝土凝结后体积微膨胀来补偿混凝土的凝结收缩应力，从而达到抗裂目的，如UEA膨胀剂等。但存在以下特点：①可靠度低，受施工条件、环境等因素影响大，如在42h内不及时连续浇水养护，不但不膨胀反而会收缩开裂；②掺量的范围较小，搅拌均匀度要求高，稍过量就会膨胀，产生裂缝或安全性不稳而龟裂，量稍小则达不到效果。
2.2填充密实型
在混凝土中掺入适量浮化的液态高聚物化学材料，使混凝土在拌合和凝结时高分子聚合物破乳，形成网状结构，填充和堵塞混凝土中的毛细孔隙而达到防水作用。但由于此种材料价格昂贵，如氯丁胶乳、环氧乳液等，所以也不是很适合在实际工程中应用。
2.3减水密实型
通过掺加各类型的减水剂，减小单位体积中水泥和水的用量，使混凝土中的水化热减小，减小混凝土的收缩裂缝，提高混凝土的密实性，达到密实防水的目的。但减水剂的用量必须严格控制。
2.4憎水型
一般是通过高分子材料与水泥中化学组分结合，生成具有憎水性的网状化合物，分布在混凝土的颗粒之中，使水分子在混凝土之间的界面表面张力提高而产生憎水效果。但在实践中很少单独使用。
2.5抗裂防水型
在混凝土中掺入适量的微纤维，搅拌过程中微纤维均匀地扩散到混凝土中，由于微纤维与混凝土有极强的结合力和抗拉强度，每立方米混凝土中含有数千万条的高抗拉强度的微纤维，从而产生了全方位的增强效果，削弱了混凝土的收缩应力，减少了混凝土收缩裂缝。堵塞混凝土中的道路，从而达到防水效果。
综上所述，抗裂防水措施在混凝土本体刚性防水措施中，具有设计、施工方便及经济性等明显的优势。聚丙烯纤维混凝土作为防水措施即属于抗裂防水型。
3聚丙烯纤维的特性
聚丙烯抗裂合成纤维是采用改性母料添加到聚丙烯切片中进行共混、纺丝、拉伸后，经过特殊的防静电及抗紫外线处理，并经过化学接枝和物理改性处理后，表面粗糙多孔，大大提高了纤维与水泥基料的结合力。加入混凝土/砂浆基料中，能迅速轻易地与混凝土/砂浆材料均匀混合。能有效防止和减少混凝土/砂浆的初期塑性裂缝，是混凝土/砂浆的“次要加强筋”。
聚丙烯纤维的优越性能在于： （1）提高混凝土的抗渗性；（2）减少混凝土裂缝的产生和发展；（3）增进混凝土的韧性、抗疲劳性，提高混凝土的抗冲磨性能；（4）提高混凝土的耐久性能；（5）提高混凝土抗御冻融破坏能力。
与其它纤维相比，聚丙烯纤维具有以下优点：（1）分散性好，握裹力强；（2）高耐碱性，高抗辐射；（3）抗冻防腐，增强韧性；（4）物理加筋，抗裂补强；（5）性能稳定，安全无毒；（6）施工简易，经济可靠。
聚丙烯纤维的使用一般不需改变原设计的配合比，也不取代原设计的受力钢筋。每立方米混凝土掺量为0.6kg ～1.2kg，一般掺量为每立方米混凝土0.9kg。广泛应用于：水利水电、道路、桥梁、隧道、海港、码头、机场、泳池、人防工程和民用建筑工程等。
4聚丙烯纤维混凝土的防水性能及机理
混凝土专用聚丙烯纤维的物理性能如下：密实0.91g/cm3；抗拉强度276Mpa；极限拉伸15％；无毒；耐酸碱性极高；熔点165℃；燃点593℃；导电、导热性极低。
聚丙烯纤维混凝土的防水属于刚性本体防水，通过改善混凝土的抗裂和抗渗两个途径来提高防水性能。其防水机理建立在对混凝土的固结、收缩的微观研究基础上。
4.1提高混凝土抗裂性能的机理
聚丙烯纤维阻滞混凝土的塑性收缩裂缝的产生和限制裂缝的发展。混凝土的塑性开裂主要发生在混凝土硬化前，特别是在混凝土浇筑后4-5h内，此阶段由于水分的蒸发和转移，混凝土内部的抗拉应变能力低于塑性收缩产生的应变，因而引起混凝土内部塑性裂缝。掺入聚丙烯纤维后，由于其分布均匀，起到类似筛网的作用，减缓了由于粗粒料的快速失水所产生的裂缝，延缓了第1条塑性收缩裂缝出现的时间。同时，在混凝土开裂后，纤维的抗拉作用阻止了裂缝的进一步发展。试验表明，混凝土塑性裂缝面积、裂缝最大宽度及失水速率均随着纤维体积含量的增大而降低，说明聚丙烯纤维有效地提高了混凝土的抗裂性能。
4.2提高混凝土抗渗性能的机理
在混凝土中掺入适量聚丙烯纤维后，均匀分布在混凝土中彼此相粘连的大量纤维起了“承托”骨料的作用，降低了混凝土表面的析水与集料的沉降，从而使混凝土中直径为50～100nm和大于100nm的孔隙含量大大降低，有效提高了混凝土抗渗能力。此外，由于纤维的存在，减少了混凝土的收缩裂缝尤其是连通裂缝的产生，因而减少了渗水通道，提高了混凝土的抗渗性能。聚丙烯纤维混凝土和素混凝土抗渗性能试验结果表明；纤维含量为0.5、0.7、1.0㎏/m3的聚丙烯纤维混凝土抗渗能力分别比普通混凝土提高64％、73％和75％。
由于以上分析可知，聚丙烯纤维可以大提高混凝土抗裂、抗渗能力，作为混凝土本体刚性自防水的效果显著。聚丙烯纤维加高效减水剂的防水方案，目前已为国内外众多防水专家所肯定，可广泛应用于地下室、屋面、蓄水池、污水池等工程。
5聚丙烯纤维混凝土的施工要点及注意事项
聚丙烯纤维掺入混凝土中，除不适宜采用人工搅拌外，对搅拌及施工工艺无特殊要求，只要适当保证搅拌时间即可，一般为3～5min.搅拌可先将砂、石、水泥与水在搅拌机内均匀拌合后再加入纤维，亦可先将纤维与砂、石、水泥干拌后再加水湿拌，整个搅拌时间较拌制普通混凝土适当延长1～2min.为改善拌合物的和易性，可掺加适量的引气剂、减水剂或高效减水剂，也可掺入不超过10％的粉煤灰。拌合好的纤维混凝土由搅拌站运至工地，时间不应超过30min；否则应在混凝土运到工地后再加入聚丙烯纤维。
6聚丙烯纤维混凝土在防水工程中的应用实例
6.1地下室外墙工程
某地下室面积为1100㎡，基础埋深-0.8m。因受地铁影响，地下室分两期施工，第1期外墙总长约250延m，采用普通防水混凝土C50，数月后发现有数10条垂直细裂缝，渗入严重。第2期外墙总长约70延m，混凝土设计强度等级C50。采用42.5R普通硅酸盐水泥、中砂、5～25㎜连续级配碎石，掺加一定量的Ⅱ级粉煤灰和聚丙烯纤维及混凝土外加剂。实践证明，纤维混凝土对防止墙体细裂缝的出现是有效的。后来又在污水池、水箱等结构中应用，至今，这批纤维混凝土构筑物均未发现因干缩而引起的微细裂缝，无渗漏现象。
6.2地下室基坑工程
某地下室基坑支护采用喷锚网工艺，考虑基坑临江面抗裂抗渗要求高，仅在该面的喷射混凝土中加入0.07％体积掺量的聚丙烯纤维（不临江的另外三面未掺入纤维）。工程完工后，尽管该面水压较高，但未发现裂纹，仅在两边锚头有轻微渗水；而其他三面均发现了不同程度的裂缝，多处锚点渗漏严重，说明聚丙烯纤维对控制和防止混凝土的塑性收缩裂缝、提高抗渗性有显著功效。
7结语
在混凝土（砂浆）中添加适量聚丙烯纤维是克服其开裂的有效途径，纤维在混凝土（砂浆）中形成的乱向支撑体系，会产生一种有效的二级加强效果，能较大幅度提高混凝土的抗渗性和抗裂性。其经济性也相当可观：
（1）用于民用建筑内外墙抹灰等工程。每平方砂浆掺加0.9kg纤维，砂浆厚度1cm，每平方增加的成本为0.45元，取代外墙贴瓷砖减少的每平方米成本至少在10元以上，10000平方的内外墙减少的成本至少为10万元。同时，减少了内外墙裂缝的产生和发展，防止下雨渗水，减少了防水涂层成本，提高了使用寿命，降低了高额维修、维护成本。
（2）用于道等路等工程，在满足工程要求的情况下，掺加纤维可以适当减少混凝土设计厚度，综合提高了道路质量和使用寿命，节约了工程成本。
（3）用于水利水电等工程，掺加聚丙烯纤维能大大提高抗渗性能，提高工程质量和使用寿命，造就百年大计工程，从长期来看为国家节约了大量投资。
参考文献：
[1]期刊论文 聚丙烯纤维对水泥基材料性能的影响 - 混凝土与水泥制品2000(z1)
[2]徐至钧 纤维混凝土技术与应用 2003
[3]谷章昭;倪梦象;樊钧 合成纤维混凝土的性能及其工程应用 [期刊论文] -建筑材料学报1999(02)
关键词：聚丙烯纤维混凝土住宅
Abstract: wrote polypropylene fiber concrete in ordinary residential project, indicating that the price of polypropylene fibers to reach the ordinary price, polypropylene fiber concrete in strength, durability, crack resistance, impermeability, and so on all, will be widely used in the impermeability requirements of residential basement works better than ordinary concrete.Keywords: polypropylene fiber reinforced concrete residential
中图分类号：TU377文献标识码：A文章编码：
1工程概况
金城花园二期住宅工程位于宜兴市前曲访路，总面积10800 m2，由3栋17层，2栋30层住宅楼组成，其中地下室16000 m2，东西长178米，地下室使用C40S8、C35S8、C30S8三个等级的混凝土，进场后建设方要求控制地下室混凝土裂缝，确保达到无渗漏要求，我司技术科提出在地下室结构使用纤维混凝土，建设方指定添加“丹强丝”聚丙烯纤维。
2聚丙烯纤维混凝土的特点
混凝土在硬化过程中，水泥和水的水化物反应，引起混凝土体积大收缩，在后期又由于混凝土内自由水份蒸发引起干缩，这些收缩应力超出水泥基体的抗拉强度就会在混凝土内部产生微裂缝，进而造成渗漏，再造成混凝土耐久性下降，影响建筑使用功能。
聚丙烯纤维可提高混凝土的韧性，能轻易迅速均匀分散混凝土中形成一种乱向支撑体系，分散了混凝土的定向应力，阻止混凝土中原裂缝的发生和发展，消除或减少原生微裂缝的数量和尺度，增加抗拉强度，抗弯强度，抗冲击强度，特别是可以阻断混凝土内部毛细管通道，因而减少混凝土暴露面的水分蒸发，大大减少混凝土塑性裂缝和干缩裂缝。提高了混凝土防裂抗渗能力，改善混凝土韧性，从而延长混凝土的使用寿命。施工中主要需关注原材料的选择、配合比、搅拌配制、施工浇筑。
3纤维使用量的确定
纤维混凝土施工前，我们与商品混凝土供应单位、监理单位一同进行了混凝土纤维量的试验，分别对0.5kg/m3、0.7kg/m3、0.9kg/m3、1.1kg/m3四种，进行配合比试验，分3个等级进行了试配（每组36块），采用早期推定混凝土强度试验方法（JGJ/T15-2008）中的沸水法，试压后，计算推定混凝土强度，与未加纤维混凝土强度、抗渗性进行了对比，根据混凝土评定要求，结合经济考虑，三方技术人员共同确定底板混凝土用量为0.6kg/m3，墙板混凝土用量为0.9kg/m3。（见下表）
4.1原材选择
本工程水泥选用盘固42.5级（C30、C35），52.5级（C40），并对水泥的颗粒分布级配进行试验，4-30μm的颗粒达到63%，表明该水泥具有连续的颗粒级配，与其他骨料、外加剂等匹配性强。
地下室混凝土外加剂选用HEA防水剂，经过设计确认C30使用30kg/m3、C35使用33kg/m3、C40使用35kg/m3。
4.2配制搅拌
要使用纤维在混凝土拌合物中均匀分散，如不能将其充分地分散，就容易同水泥浆或砂一起结成球状团块，会极大地降低增强效果。
要求搅拌站先投入砂石水泥干搅，再将纤维、水和外加剂同时加入，均匀地分散到混凝土中，并延长1-2分钟搅拌时间。
考虑纤维混凝土的坍落度不高，在配制搅拌时应及时根据室外施工温度进行混凝土用水量调整，以确保坍落度满足要求（底板坍落度140，墙板坍落度150）。
4.3运输
要求在30分钟内送达现场进行浇筑施工，根据混凝土站到现场的运输距离不到场Km，能满足时间要求，
4.3浇筑施工时
底板混凝土浇筑层的厚度控制在20-30cm为宜，在浇筑时，应重点监控严禁加水。其他浇筑要求同普通混凝土。
4.4养护时
底板、顶板采用薄膜加麻片覆盖养护，随压随盖，2天后浇水保湿养护，墙板采用养护液进行养护，养护期不得少于14天。
5效果检查
混凝土完成后3-30天（一般在3-7天内产生70%的裂缝）内，项目施工技术人员对混凝土表面进行了3次详细检查，底板未发现有裂缝，北侧墙板发现4道细小裂缝，缝宽小于0.5mm，缝长15cm-18cm地下车库顶板在消防车道位置（现作施工通道）部位发现3条0.2 mm左右的裂缝，缝长35cm。土方回填后未见有渗水现象，使用聚丙烯纤维混凝土，增强了地下室的防水效果，初步达到了预期效果，我们将继续对地下室外墙、底板、顶板混凝土进行观察，以进一步确定使用效果。
6结语
聚丙烯纤维价格已到达普通价格，添加聚丙烯纤维的混凝土，在强度、耐久性、抗裂性、抗渗性等方面全部优于普通混凝土，在有抗渗要求的住宅地下室工程中必将得到广泛应用。
参考文献
[1]刘勇许建松钟炎林胡立虹地市建设理论研究，2012，2
[2]刘卫东改性聚丙烯纤维混凝土的工程性能研究，东化大学，2009.12
[3]王宏伟纤维增强混凝土耐久性试验研究，东北大学，2009.6
[4]李刘峰 聚丙烯纤维在混凝土中的作用分析，华章，2011.3
关键词：PAN碳纤维 复合材料 应用
The Current Status and Development Trend of PAN Carbon Fiber
Zhao Xiao-li ,Wang Li-juan
Xi’an Carbon Materials Company Limited, Xi’an, Shaanxi 710025, P. R. China
Abstract: The research current status and development trend of PAN carbon fiber in home and abroad were introduced mainly.
KeyWords: PAN carbon fiber, the research current status and development trend
PAN碳纤维是一种新型非金属材料。它一般不单独使用。多作为增强材料加入树脂、金属、陶瓷，混凝土等材料中构成复合材料。碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、传热和热膨胀系数小等优异性能。既可以作为结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用。因此，近年来碳纤维的应用发展十分迅速，在航空、航天、汽车、风力发电、建筑、电子、体育运动器材等领域得到了广泛的应用[1-2]。
一、发展现状
1.国外发展现状
1959年聚丙烯腈碳纤维首先由日本的进腾昭南研制成功，1963年英国皇家航空研究中心在纤维处理过程中施加张力进行牵伸，制得高性能碳纤维。1967年日本东丽公司结合英美的技术，于1971年建成12t/a的生产线，20世纪80年代，碳纤维生产工艺不断改进，性能得到了迅速提高，30多年来，东丽公司开发出了系列碳纤维，如高强型碳纤维T300、T400、T700、T800、T1000；高模量石墨纤维M40；高强高模型碳纤维M40J、M50J等，代表了国际领先水平。目前实验室已经能够制得9.03GPa的碳纤维，但是距碳纤维的理论强度180GPa还有很大的差距。
世界上聚丙烯腈碳纤维的生产，目前已经分化为以美国为代表的大丝束碳纤维和以日本为代表的小丝束两大类[3]。日本东丽Toray、东邦Toho、三菱人丝Mitsubishi、德国SGL、美国Hexcel、Cytec和Zoltek是世界七大碳纤维制造商。表1为碳纤维生产商按丝束分类及产能列表[4]，从表1中可见，小丝束与大丝束产能比大约为 3:1。
如表1所示，国际上六大碳纤维生产厂家虽然采用不同的工艺路线，但都可生产出相当于日本东丽T700/T800的碳纤维。尤其是Hercules公司采用硫氰酸钠(NaSCN)为溶剂,可生产出中模高强型碳纤维IM7、IM8等，大量应用于美国的军事工业。这说明工艺路线并不是碳纤维质量的决定性因素，也不是碳纤维落后的主要原因。
碳纤维的生产销售占全球碳纤维市场总和的78%，垄断并左右着全球市场，占据小丝束碳纤维产业界霸主的地位。表3东丽公司碳纤维产品及性能列表。
日本是小丝束碳纤维生产大家，并于1980年末期扩展至法国、美国、德国、英国等，合作建立子公司。美国的两大碳纤维公司Cytec和Hexcel，于1980年中后期通过和日本进行技术交流和合资，建立了千吨级碳纤维生产线。目前，军工用小丝束碳纤维90%都由日美两国掌握，全面限制对中国的出口。
2008年全球碳纤维的需求量为3.5万吨，预计到2012年全球碳纤维的需求量将为5.65万吨，专家预测世界碳纤维产量以每年7.7%左右的速度增长，但碳纤维消费的增长更快，达10.2%。因此，在2012年前，国际碳纤维仍是供不应求的局面。表4 2007-2010年全球PAN基碳纤维的生产商及产能预测。
2.国内发展现状
我国于1962年开始研究PAN基碳纤维，几乎与日本同步。1962年4月中国科学院长春应化所李仍元研究员和沈阳金属所张名大研究员开始协作碳纤维研制，金属所以粘胶丝为原丝，长春应化所以PAN为原丝，1966年起吉林化学工业公司合成树脂厂也加入了PAN基原丝的研制。1975年11月，由原国家计委和国防科委在北京联合召开了我国
第一次碳纤维会议，简称“7511”会议，会议目的是研究解决导弹、火箭、飞机、卫星等急需的防热材料和结构材料，首先要解决XXXX型号头部急需的防热材料。“7511”会议制定了我国碳纤维及其复合材料10年发展规划，在国产碳纤维的发展上具有历程碑的意义。
1976年，中科院煤化所建成我国第一条PAN基碳纤维扩大试验生产线，国内称为高强I型碳纤维（相当于T200）。我国1980年开始研制高强II型碳纤维（相当于T300），先后有上海合成纤维研究所、吉化研究院合成树脂厂、吉林炭素厂等建成中试生产线。表5总结了国内碳纤维厂家原丝及碳纤维研制和技术水平情况，可看出国外所采用的溶剂体系国内都有研发，但由于条块分割的体制、投资严重不足和分散、重视实验研究而忽略工程化等种种原因，碳纤维的研制未取得实质性突破。这说明溶剂体系也不是目前我国碳纤维水平整体落后的主要原因，装备对技术的实现能力、工艺控制与实现能力、质量检测与保证能力是制约我国碳纤维工程化技术水平的主要因素。多年来，国产碳纤维仍徘徊在T300以下的水平，存在纤维性能低、毛丝、性能分散大、质量不稳定等问题；且无表面处理技术，仅能用作烧蚀材料。而且关键的原丝技术仍依赖于进口（先是英国考陶尔兹，后是日本旭化成，美国Cytec），只能满足国内少量的军工行业烧蚀材料的需求，其余工业应用和高性能的结构复合材料应用碳纤维则需要大量进口。