聚丙烯纤维范文

导语：如何才能写好一篇聚丙烯纤维，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公文云整理的十篇范文，供你借鉴。

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混凝土，简称为“砼”，是指由胶凝材料将集料胶结成整体的工程复合材料的统称。聚丙烯纤维是由丙烯聚合物或共聚物制成的烯烃类纤维。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，故比表面积大，0.9kg聚丙烯纤维分布在1m3的混凝土中，则可使每立方米混凝土中就有2000～3000万根纤维不定向分布在其中，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。聚丙烯纤维可以有效地防止或减少裂缝、改善长期工作性能、提高变形能力因而在军事、交通、房建、机场、水利等类工程上得到了广泛的应用。

二、聚丙烯纤维混凝土性能特点

1.提高混凝土抗裂性能。混凝土裂缝主要发生在混凝土硬化前，此阶段由于水分的蒸发转移，因而引起混凝土内部塑性裂缝的产生。掺入聚丙烯工程纤维后，在混凝土内部形成一种均匀三维不定向分布的支撑体系，延缓和阻止早期混凝土塑性裂缝的发生和发展，因此起到更为有效的。

2.提高混凝土的抗渗性能。混凝土掺入少量纤维后，抑制了早期干缩裂缝及离析裂缝的产生和发展。使混凝土孔隙率大大降低，从而使混凝土抗渗能力大幅度提高，因此可用于抗渗要求高的混凝土工程，如大坝、混凝土防渗面板、引水隧洞、工民建的地下室、贮水池、屋面防水等工程。

3.提高混凝土抗冲击性能。纤维与水泥基料有极强的结合力，纤维能迅速和混凝土均匀混合，形成三维不定向支撑体系，当混凝土承受拉力和冲击时，均匀分布且数量众多的纤维起到了吸收能量和分担应力的加强筋作用。这一特性对易受到疲劳冲击的混凝土结构，如道路、桥梁、机场跑道等工程非常有用。

4.提高混凝土耐磨性能。混凝土掺入少量纤维后，可以控制塑性沉降和塑性收缩龟裂，表面形成质地均匀的泌浆胶膜，同时三维不定向体系纤维能较多地吸收能量，增强混凝土耐磨性能。

5.提高了混凝土抗冻和耐温差能力。掺入纤维的混凝土因纤维具有大分子结构，当外界温度为40℃时，它具有收缩性，当外界温度为-40℃时，玻璃态和结晶态大分子具有抗收缩性，这种性能弥补了混凝土热胀冷缩的特性，缓解温度变化而引起的混凝土内部应力作用，阻止温度裂缝的扩展。可广泛应用于寒冷地区混凝土工程。

三、聚丙烯纤维混凝土工程应用

在威海市某标志性工程项目的混凝土施工过程中，聚丙烯纤维作为混凝土的一种填料，加入混凝土中进行生产。该工程被市委市政府定为市重点工程，由主楼和裙楼组成，建筑总高度45米。浇筑部位——基础筏板，混凝土厚度达1.2m，采用了强度等级C40P6的混凝土，工程量约15000 m3，属于大体积混凝土施工，分五次进行浇筑。在控制大体积混凝土温差裂缝的同时，还要考虑混凝土的抗裂、抗渗及抗冲刷等性能。

（1）原料进厂。按批次抽样检验后，各种原材料方可入厂。聚丙烯纤维作为聚丙烯纤维混凝土的一种重要原材料之一，应注意以下几点：a.通过厂家提供的产品合格证及检验报告，判断该种纤维是否满足该种混凝土的要求。b.要求生产厂家将聚丙烯纤维按一定重量分袋包装（0.6kg/袋～0.9kg/袋），方便计量、投放。c.不易暴晒，应堆放在干燥、阴凉处，以免材料老化变性。

（2）上料计量。

（3）泵送。泵送浇注混凝土应注意的几点要求：a.开始泵送时，混凝土处于慢速、匀速并随时可反泵的状态。泵送速度，先慢后快，逐步加速。同时，观察混凝土泵的压力和各系统的工作情况，待各系统运转顺利后，方可以正常速度进行泵送。b.泵送前，应先用适量的与混凝土内成分相同的水泥砂浆输送管内壁。预计泵送间歇时间超过45min或混凝土出现离析现象时，应立即用压力水或其他方法冲洗管内残留的混凝土。c.将高强混凝土倒入料斗时，应注意下料的高度和方向，以免高强混凝土离析或骨料过于集中在一个缸内。

（4）浇筑、养护。a.混凝土入模后，处于松散状态，不仅不能很好填满模具，而且其强度和对钢筋的握裹力都不能达到设计和使用要求。浇筑聚丙烯纤维混凝土采用高频振捣器。分层与布点合理，避免欠振与过振。b.使用插入式振动器进行捣实。振动频率和时间以能使拌合物中的所含空气成分逸出为准，达到表面平整，从而使强度等各种性能符合设计要求。振动器震动间距控制在30～40cm，插入深度约50mm，板面使用二次振捣工艺，20～30min后进行复振。c.浇筑完毕后应根据季节不同及时做好相应的养护工作。保证聚丙烯纤维混凝土表面处于温润状态，保证早期强度的增加。

（5）安全措施。a.聚丙烯纤维属于易燃物品，使用及堆放时需远离电气焊及其它火源。严格执行现场用火制度，接受相关部门的检查。b.对投放聚丙烯纤维的操作人员及时发放安全技术交底，并对其进行培训后方可上岗。不要让纤维进入眼睛，施工中不宜从高空抛洒，一旦进入眼睛，千万不能揉眼，要翻开眼睑用大量清水冲洗后就医。c.设专人对厂区定期进行安全检查，并建立检查记录，时期有可追溯性。d.仓库、料场应配备足够的消防器材，对易燃材料要集中管理，并设有明显标志。

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关键词：材料纤维混凝土 防裂防渗

中图分类号：F406文献标识码： A 文章编号：

一、聚丙烯纤维材料介绍

聚丙烯纤维于1960年由意大利蒙特卡蒂尼公司首先实现工业化生产，80年代中期，聚丙烯纤维年产量已超过1Mt，有40多个国家生产。聚丙烯纤维是一种乳白色、无味、无毒的热塑性塑料，化学性质稳定。主要通过改变混凝土的物理力学性能来达到改变混凝土内部结构的效果。聚丙烯纤维本身与混凝土骨料、水泥、外加剂不会发生任何冲突，与混凝土有良好的亲和性，可以迅速而轻易地与混凝土材料混合，而且它在混凝土中的分布极其均匀，在电子显微镜下观察，每立方厘米混凝土内的纤维丝可达到上亿根。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持体系，所以它掺入混凝土能产生有效的三维加强效果，就像在混凝土中加入了大量的微小细筋，同时它的效果又远远比加强钢筋的效果明显。聚丙烯纤维在混凝土中的乱向分布有助于减弱混凝土的塑性收缩，它使收缩能量被分散到混凝土中具有高强度低弹性模量的纤维上，使纤维吸收部分能量，从而极大地提高了混凝土的韧性，抑制了微细裂缝的产生和发展。同时，由无数根纤维在混凝土内部形成的支撑体系，可以有效地防止混凝土骨料的离析，保证混凝土早期泌水性的均匀，从而防止了沉降裂纹的形成。工程实践也表明，加入聚丙烯纤维，是控制混凝土塑性收缩、干裂等非结构性裂缝的有效手段。

二、 聚丙烯纤维的物理性能

聚丙烯纤维的物理性能如下：

三、聚丙烯纤维掺入混凝土中的作用效果

随着我国城市建设的高速发展，建筑技术的不断革新，现代高新混凝土工程中，向着高强度、大流动度方向发展。随着混凝土强度的提高，水泥的用量不断增加，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。污水处理工程属于形状复杂、大体积、大面积、靠自身防水的混凝土工程，混凝土内的应力大而复杂，因裂缝裂缝的出现造成水池渗漏亦较以往更高。因此，从混凝土防水要求的角度看，除了注重混凝土抗渗性外，更应重视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。掺入聚丙烯纤维的混凝土有以下几种改观：

1、提高混凝土抗裂性能当混凝土到初凝时间时，混凝土会产生体积收缩，这时混凝土本身没有足够的强度以抵抗收缩应力，因而引起混凝土内部塑性裂缝的产生。在混凝土内掺入聚丙烯纤维，促使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，故比表面积大，0.9kg聚丙烯纤维分布在1m3的混凝土中，则可使每立方米混凝土中就有上亿根纤维不定向分布在其中，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，受到了极大的限制，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的产生和发展，极大地减少了混凝土收缩裂缝。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；另一种认识是聚丙烯纤维的变形模量虽然较低，但却与混凝土在早期硬化阶段时的变形模量相当，因而可以有效地抑制开裂。对板式结构防止裂缝过去一般是采用钢筋网，聚丙烯纤维的广泛应用已在一定程度上替代了这种传统作法。圣荷西大学的一项对比试验表明，采用聚丙烯纤维含量为0.68 kg/m3 的混凝土比素混凝土减少裂缝71.5 %， 而设置钢筋网的混凝土仅减少6.5 % ；美国Pardon 与Zollo 等人分析了混凝土塑性收缩的性质，用模拟体积变化的平面试样代替ASTM 沿用的只能反映线收缩的试样来做试验。加入体积含量0.1 % 聚丙烯纤维的混凝土，比对照试样裂缝减少82 %。大量的工程实践也都证明，聚丙烯纤维的使用对减少混凝土塑性收缩和防止开裂作用十分明显。因此聚丙烯纤维可以大大增强混凝土的抗裂能力，作为混凝土刚体自防水的效果显著，可以有效地解决混凝土渗裂问题的困扰。

2、提高混凝土的抗渗性。掺入聚丙烯纤维的混凝土可大幅度提高混凝土的抗渗性，这主要是由于聚丙烯纤维在混凝土中呈现三维乱向分布, 抑制了早期干缩裂缝及离析裂缝的产生和发展，且彼此相粘连的大量纤维起了“ 承托”骨料的作用, 阻断了混凝土中的毛细管, 使水分迁移困难, 减少了混凝土表面析水与集料离析, 从而使混凝土中的孔隙率降低, 大大提高了抗渗能力。从而显著减少了初始裂缝的数量，有效地抑制了裂缝的宽度和长度，从而大大降低了生成连通裂缝的可能性。圣荷西大学的试验表明含量0.5 kg/m3 的聚丙烯纤维混凝土渗水性减少33 %～44 %， 而含量1 kg/ m3 的聚丙烯纤维混凝土则可减少79 %。

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与普通混凝土相比，超韧性纤维混凝土由于其内部纤维充当次要钢筋的作用，避免了塑性开裂，减少了干缩，使用过程中裂纹极少且裂纹宽度小。同时，该材料变形能力强，不易断板，无露骨，行车舒适度较好，克服了传统混凝土路面的常见病害，进一步提高了其路用性能，提高了路面使用寿命，降低了维护成本。耐磨性能是纤维增强复合材料研究的一个重要方面，主要集中于抗磨性能与复合材料参数之间的关系以及磨损机理的研究，但对于纤维增强水泥基复合材料，这方面的研究还涉及不多。在高速公路、机场和桥梁路面等工程的材料应用中，耐磨损往往是一个很重要的性能指标。，本文对聚丙烯纤维混凝土路面的耐磨性能进行了研究。

1试验概况

基本配合比及力学强度见表1

混凝土磨耗试验采用150mm×150mm×150mm立方体标准试件，每组三个试件。试件的成型和养护按规范T-0551的规定进行。

试件养护至27d龄期从养护地点取出，擦干表面水分放在室内空气中自然干燥12h，再放入60℃±5℃烘箱中，烘12h至恒重。

试件烘干处理后放至室温，刷净表面浮尘。将试件放至磨耗试验机的水平转盘上，磨削面应与成型时的顶面垂直，用夹具将其轻轻紧固。在200N负荷下磨30转，后取下试件刷净表面浮尘称重记下相应质量 ，该质量作为试件的初始质量。然后在200N负荷下磨60转然后取下试件刷净表面粉尘称重，并记录剩余质量 。 整个磨损过程应将吸尘器对准试件磨损面，使磨下的粉尘被及时吸走。

单位面积的磨耗量 按照

以3块试件磨耗量的算术平均值作为试验结果结果计算精确至0.001kg/m2。当其中一块磨损量超过平均值15%时，应予以剔除，取余下两块试件的平均值作为试验结果，如两块磨损量超过平均值15%时，应重新试验。

2 试验结果与分析

从表2可以看出，没有加入聚丙烯纤维的JZ砂浆的耐磨性能，总体低于传统的GD混凝土，掺入聚丙烯纤维后的砂浆的耐磨性能明显提高，且28d及60d的耐磨性能均高于传统的GD混凝土，而含胶凝材料少，砂胶比大的S1的砂浆的耐磨性能最好，60d质量损失率已经下降到2%。可见，聚丙烯纤维的掺入对混凝土的耐磨性有了相当大的改善，分析其原因主要由于有以下几个方面：

首先，聚丙烯纤维与混凝土基体之间有较强的粘结作用，纤维在混凝土基材中形成的网状结构构成了混凝土的“筋骨”。纤维的搭接作用一方面阻碍了裂缝的继续发展，另一方面纤维也能承受部分荷载，材料韧性增大，从而延缓了复合材料的破坏过程，减轻了被破坏的程度。

其次，在磨损过程中纤维对混凝土中水泥、砂、石等材料有牵制作用。磨损过程中基准试件部分水泥块砂粒、小石等从整块试样中分离，然而聚丙烯纤维混凝土由于纤维的牵制作用能使其继续停留在试样表面，承担磨损荷载。即使它们从纤维束缚中剥落，纤维仍能停留在孔洞中承受荷载。磨损过程中纤维与混凝土基体共同承担磨损试验荷载。

再次，聚丙烯纤维从混凝土中剥落时消耗了大量摩擦功。聚丙烯纤维在混凝土中所处的空间结构，使磨损纤维过程中必须克服纤维与混凝土基材之间的摩擦阻力。

3 结论

在磨损过程中纤维对混凝土中水泥、砂、石等材料有牵制作用，聚丙烯纤维从混凝土中剥落时消耗了大量摩擦功。从而提升了混凝土的耐磨性能。

参考文献

[1] 刘家彬.聚丙烯纤维对混凝土动力学特性影响研究.混凝土，硕士论文，2010.

[2] 马华堂.纤维混凝土的力学性能及其在路面工程中的应用.大连理工大学硕士论文，2012.

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关键词：聚丙烯纤维；混凝土；码头面层；塑性裂缝

中图分类号：U654

文献标识码：A

文章编号：1009-2374(2009)14-0194-02

一、概述

码头面层混凝土龟裂成因较为复杂，它不仅与混凝土的收缩有关，而且与底层混凝土的约束有关。因此，要防止面层混凝土龟裂。首先必须改善混凝土本身的性能；其次，必须同时采用正确、合理的混凝土施工工艺，如在不同气候环境下的混凝土的配合比、混凝土的下灰、振捣及抹面压光、养护等工艺。以往施工中采用机械抹面、真空吸水、掺加混凝土微膨胀剂、喷洒养护液和覆盖土工布养护等措施来控制码头面层的龟裂，确实收到了一定的效果；但由于码头面层混凝土方量大、体表面积大、露天作业等特点和轨道、泄水孔等构件的影响，以上措施不能完全到位，所以码头面层混凝土龟裂现象一直存在；随着泵送混凝土在码头上的使用增多。码头面层混凝土龟裂控制难度更大。近几年，天津港滚装码头工程、天津港北港池集装箱三期等工程相继在码头面层混凝土施工时在混凝土中掺入聚丙烯纤维，较好地解决了码头面层混凝土的龟裂。

二、聚丙烯纤维的材料特性

(一)纤维的结构形式

聚丙烯纤维在各类工程中已有较多应用。目前市场上的几种聚丙烯纤维产品按规格可分为两类：一类是以呈束状网形式供应的聚丙烯纤维；另一类是以单丝形式供应的聚丙烯纤维。网状纤维经与混凝土搅拌后大部分以叉枝纤维、小部分以网片状与混凝土相结合，这些叉枝网片状纤维以三维方式与混凝土固结；单丝形式的纤维在搅拌时能均匀地与混凝土相结合。

(二)纤维的物理参数

1.塑性裂缝总是从混凝土表面的原生微裂缝处开始扩展。当微裂缝的长度大于纤维的间距时，纤维将跨越裂缝起到传递荷载的桥梁作用，使混凝土的应力场更加连续和均匀，使微裂缝尖端的应力集中得以钝化，裂缝的进一步扩展受到约束。

2.长度小于纤维间距的原生裂缝扩展遇到纤维时，纤维将迫使其改变延伸方向或跨越纤维生成更细微的裂缝场，显著增大了微裂缝扩展的能量消耗。

上述分析可见，单就纤维的阻裂效应而言，在单位混凝土体积内纤维的根数越多，纤维的间距越小，纤维的阻裂效果越好，或者说单位体积混凝土内纤维分散后的表面积越大，阻隔裂效果越好。由于纤维的表面积随纤维细度的增大而增大(目前生产的纤维直径已达到18-20μm，1～1.5亿根丝／kg)；在相同的体积掺量下，随纤维细度的增大，纤维的间距明显减小，对裂缝的约束能力也显著增强。

三、聚丙烯纤维混凝土在码头面层施工中的应用

近几年先后在天津港集装箱码头三期工程、天津港北港池滚装码头工程等重要工程项目的面层施工中使用了聚丙烯纤维混凝土。通过完工1～3个月后的观察检查，未发现码头面层混凝土有明显的龟裂出现。收到较好的效果，经初步总结，概括起来纤维混凝土的施工应注意做好以下几方面的工作：

1.根据不同的环境条件和混凝土特点，通过试验确定纤维的结构形式、长度和用量。由于目前市场上聚丙烯纤维有网状和单丝状两种，应根据混凝土的不同用途进行选定；在面层混凝土施工中，网状纤维在操作过程中要求相对较高，搅拌时间延长，振捣及抹面时间要掌握适当，否则容易引起纤维缠绕和表面起翘；而单丝状纤维操作相对要简单得多，且一般不会引起表面起翘。根据试验室对C30普通混凝土和C30聚丙烯纤维混凝土的对比试验，混凝土中掺入直径18-20um，长度19mm单丝状聚丙烯纤维后，抗裂能力明显提高，不同的掺量0.8kg／m3、0.9kg/m3，1.0kg／m3的聚丙烯纤维混凝土比普通混凝土的裂缝分别降低为50.1％、77.5％、100％。掺量在0.9kg／m3以上的聚丙烯纤维混凝土，其限裂等级可达二级以上标准。

2.选择合理的配合比，减小混凝土自身收缩。水泥用量增加，直接导致水泥水化热的提高。增加了早期混凝土的热胀，从而增加混凝土温度下降后的冷缩；骨料对混凝土的质量影响也较大，细骨料过多，减弱了混凝土之间的连接能力，增大裂缝产生的机会；水灰比过大会造成混凝土在硬化过程中由于水分蒸发和胶凝体失水后引起干缩量加大。采用外掺高效减水剂、粉煤灰，以降低水泥用量，改善混凝土的和易性、可泵性，减少混凝土下灰、振捣后的泌水。根据现场所用原材料和搅拌、输送等施工工艺及现场条件，合理选用面层混凝土的配合比是十分关键的。

3.聚丙烯纤维。混凝土开罐前预先将聚丙烯纤维按照掺量分别装入塑料袋中，混凝土搅拌时有专人在砂石料进入料斗时放入砂石料料斗内，适当延长搅拌时间，使聚丙烯纤维能够比较均匀地分布于混凝土中。

4.加强面层混凝土的下灰整平、抹面压光等工艺的控制。混凝土下灰后及时整平、振捣，用3m长铝合金刮尺检查，局部凹陷处及时用聚丙烯纤维混凝土补灰(严禁用浮浆补灰)，如果混凝土振捣后局部布面出现游离水，应用海绵及时吸除，采用抹面机抹面后人工收面2～3次，然后用抹面机压光。施工完的面层混凝土应及时进行养护(用塑料薄膜、土工布覆盖或喷洒养护膜等)。

四、结论

1.使用方便、操作简单、易控制。纤维的作用完全是物理作用，并不影响水泥的化学作用，纤维与混凝土的各种元素及添加剂能混拌，因此，使用中不需改变混凝土配合比设计方法。

2.聚丙烯纤维作为一种次要加强筋，无需像金属网一样担心其保护层厚度而可以防锈蚀、防碱，聚丙烯纤维会对混凝土在塑性及硬化阶段提供最有效的自动保护。

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【关键词】改性聚丙烯纤维；发泡水泥；性能；影响

近年来，全球环境危机日益加剧，“低碳・环保”理念成为各国经济发展过程中竞相追随的主题，这对现代化建筑的保温材料形成了更严峻挑战。发泡水泥是将充分发泡的发泡剂泡沫均匀掺入水泥浆后再经过现浇施工、自然养护而形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料[1]。它具有防火阻燃、保温隔热、质轻抗震、吸音隔音等优良特性，并且生产中可用煤灰、矿渣、锯末等工业废料作填充材料，因而具有较好的节能性和施工性，是目前极为理想的绿色建材。但在实际应用和制备过程中，发泡水泥存在韧性差、易开裂、泌水、易离析等缺点，需要加入适当的工业纤维方可解决。文章采用以丙烯酸为功能单体的化学接枝法对普通聚丙烯纤维表面进行改性，以改善聚丙烯纤维表面的粘结性、亲水性等，从而促进其与发泡水泥更充分混合。

1.材料和方法

1.1实验材料

本次所选实验材料主要有聚丙烯纤维（横截面的长度在16-20mm之间，型号为Y型）、过氧化苯甲酰（BPO）、二甲苯、丙酮、丙烯酸（使用前，需进行蒸馏，将阻聚剂除去）、分析纯、中国联合水泥公司生产的42.5快硬硫酸铝酸盐水泥以及自制的稳泡剂以及化学发泡剂。

1.2聚丙烯纤维表面的改性

按一定配比将聚丙烯纤维、BPO以及二甲苯混合搅拌后装入有冷凝管以及N2导入管的四口烧瓶，并在氮气的环境下进行机械搅拌，直至温度上升到50℃为止；恒温下溶胀45min后温度升高到90℃，再在恒温下反应约30min，去除二甲苯以及残余的溶剂，并将丙烯酸溶液加入到四口烧瓶中，在75℃的恒温下反应约1h，将最终得到的产物进行冷却、水洗以及丙酮抽提，最后在60℃的恒温下进行烘干，并恒重提取聚丙烯纤维。

1.3改性聚丙烯纤维增强发泡水泥的试样制备

配比发泡水泥的材料主要有空白的发泡水泥S0、改性聚丙烯纤维增强发泡水泥S1-S6以及未改性聚丙烯纤维增强发泡水泥S7，试样的制备方法：将改性聚丙烯纤维、未改性聚丙烯纤维以及稳泡剂加入到水中混匀后，加入水泥进行搅拌，约1.5min后加入化学发泡剂，约1min后将料浆导入到模具中。

1.4实验的方法

1.4.1塑性收缩开裂

将S0-S6的配比料注入到914×610×19mm的木模中，注入的料浆需符合发泡后料浆表面高出木模1-2mm。结束发泡1h后，开启木模上方约1.5m位置500W的碘钨灯；同时，开启电风扇，并保持风速在1m/s左右；开启碘钨灯以及风扇4h后关闭，并将试样的表面塑性收缩裂缝的宽度进行分级，衡量试样塑性收缩开裂的程度[2]。

1.4.2测试力学性能

将S0-S6的配比料分别注入到一个40×40×160mm的三联模具中，注入的料浆需符合发泡后料浆表面高出木模边沿的6-8mm。注入4h后，切除超出模具边沿的表面后脱模，并将脱模后的试样放入养护箱中养护三日，并在恒温40℃下烘到绝干，在抗压、抗折一体化仪器上测试其抗折、抗压的强度。

1.4.3分析红外光谱及微观形貌

采用扫描电镜（SEM）观察未改性和掺加改性后聚丙烯纤维发泡水泥试样断面的形貌，采用光学显微镜观察空白和以及掺加改性后聚丙烯纤维发泡水泥试样断面泡孔结构，采用傅里叶变换红外光谱仪（IR）观察和分析改性前后聚丙烯纤维。

2.结果

2.1改性聚丙烯纤维能够影响发泡水泥的塑性收缩开裂

纤维的掺量在0.7%以下时，伴随纤维掺量增加，塑性收缩开裂的分数急剧下降；但当纤维的掺量超过0.7%时，伴随纤维掺量增加，塑性收缩开裂的分数下降较为缓慢，见图1。

图一 改性聚丙烯纤维能够影响发泡水泥的塑性收缩开裂

2.2改性聚丙烯纤维影响发泡水泥的力学性能

纤维的掺量在0.7%以下时，伴随纤维掺量增加，试样抗折、抗压的强度明显增加；但当纤维的掺量超过0.7%时，伴随纤维掺量增加，试样抗折、抗压的强度增加较为缓慢，见图二。

图二 改性聚丙烯纤维影响发泡水泥的力学性能

3.结论

聚丙烯纤维和丙烯酸化学接枝改性以后，能够增强水泥基体机械啮合力、化学键合力，进而提升两者界面间的结合；改性聚丙烯纤维能够对发泡水泥新生裂纹进行抑制，而且还能制约原生裂纹扩展和延生，进而降低发泡水泥塑性收缩开裂；改性聚丙烯纤维能够提升发泡水泥炮孔结构及其力学的性能，进而增加其弯曲的韧性。

【参考文献】

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关键词：聚丙烯纤维；混凝土；强度

中图分类号：TU528.572

文献标识码：

文章编号：1008 0422(2007)07―0073―02

1前言

聚丙烯纤维对混凝土具有阻裂效果，对混凝土的强度也产生一定的影响，本文将研究聚丙烯纤维对不同强度等级混凝土强度的影响效果，主要研究聚丙烯纤维对不同强度等级混凝土抗压强度和抗折强度的影响规律。

2试验介绍

2．1原材料

水泥：湖南湘乡水泥厂生产的“韶峰”牌P42.5级水泥；

砂：湖南湘江河砂，中砂，细度模数为2.7，区级配合格；

石：湖南湘江河卵石，粒径5～25mm；

水：使用自来水。

高效减水剂：采用上海花王化学有限公司生产的迈地100。萘系高效减水剂。

聚丙烯纤维：主要使用了江苏丹阳合成纤维厂生产的“丹强丝”(PPF3)。

2．2配合比

3聚丙烯纤维对不同强度等级混凝土强度的影响

3．1聚丙烯纤维对不同强度等级混凝土立方体抗压强度的影响

可以看出，当混凝土处于较低强度等级(＜35MPa)，或者混凝土处于早期阶段(强度较低)时，在基准混凝土中掺入聚丙烯纤维可以提高混凝土立方体抗压强度：当混凝土处于较高强度等级(＞35MPa)，或者混凝土处于后期阶段(强度较高)时，掺入聚丙烯纤维会使混凝土立方体抗压强度略微降低。

3．2聚丙烯纤维对不同强度等级混凝土抗折强度的影响。

试验结果如图2所示。从图中可以看出，当混凝抗折强度较低(＜45MPa)，或者混凝土处于早期阶段(强度较低)时，掺入聚丙烯纤维可以提高混凝土抗折强度；当混凝土处于较高强度等级(＞5.5MPa)，或者混凝土处于后期阶段(强度较高)时，掺入聚丙烯纤维会使混凝土抗折强度降低约10％。

4聚丙烯纤维对不同强度等级混凝土强度影响的机理分析

4．1聚丙烯纤维对混凝土立方体抗压强度的影响分析

聚丙烯纤维是一种低弹性模量的纤维，其弹性模量通常在3000～4000MPa左右，约为混凝土的弹性模量的1/10。根据复合材料力学理论，由于聚丙烯纤维的弹性模量低于混凝土的弹性模量，所以，掺聚丙烯纤维的混凝土立方体抗压强度较基准混凝土的会有所下降，但是，由于试验中聚丙烯纤维的掺量属于低掺量(0.1％左右)，这个影响并不大。

另一方面，聚丙烯纤维在混凝土的体积掺量虽然不大，但是由于其直径细(10～100m)，在体积率0.1％的情况下，每立方米混凝土中有几百万、上千万甚至上亿根纤维，在混凝土基体的水泥砂浆中布满了横竖交叉的立体纤维网，这种立体纤维网与水泥浆之间存在较大的粘结应力。这个粘结应力会阻止混凝土被“拉裂”。

混凝土中掺人聚丙烯纤维后，一方面，由于聚丙烯纤维弹性模量较低，掺入到混凝土中后，会降低混凝土的立方体抗压强度；另一方面，由于聚丙烯纤维在混凝土中会分散成为立体纤维网，限制混凝土的横向变形，使混凝土立方体抗压强度提高。当混凝土强度较低时，由于混凝土的弹性模量小一些，聚丙烯纤维网的增强作用明显一些，所以掺入聚丙烯纤维后，混凝土的强度会提高：当混凝土强度较高时，由于混凝土的弹性模量大一些，聚丙烯纤维降低混凝土强度的作用明显一些，所以掺人聚丙烯纤维后，混凝土的强度会降低。但总的来说，由于纤维掺量不是很大，掺入聚丙烯纤维后，混凝土的抗压强度变化不大。

4．2聚丙烯纤维对混凝土抗折强度的影响分析

混凝土是低抗拉强度和低抗拉应变的复合材料。在混凝土硬化过程中，伴随着各种干缩的增大，导致混凝土产生许多微裂纹。混凝土受拉时，微裂纹附近产生较大的应力集中，使得混凝土的抗拉强度较低，并且“一裂就坏”。

在混凝土中掺人微纤维后，根据“纤维间距理论”，裂纹附近由于应力集中而产生的应力会大大变小，因此混凝土的抗折强度会增加，并且会比较明显：并且聚丙烯纤维对混凝土存在“增韧”效应和所谓“剩余弯曲强度”，即混凝土在初裂后，混凝土还不会马上破坏，还能继续承受荷载，从而提高混凝土的抗折强度。

当纤维混凝土受拉和受弯时，受拉区基体开裂后，纤维将起到承担拉力并保持基体裂缝缓慢扩展的作用，从而基体缝间也保持着一定的残余应力。随着裂缝开展，基体缝间残余应力将逐步减小，而纤维具有较大变形能力可继续承担截面上的拉力，直到纤维被拉断或从基体中拨出，而且这个过程是逐步发生的，这样纤维就起到了明显的增韧效果。

但对于高强混凝土而言，掺入纤维后，混凝土的抗折强度为什么会下降呢?作者认为，主要以下两方面的原因①混凝土本身的抗拉强度比较高，微纤维在混凝土中起得作用已经不明显了，加之微纤维的弹性模量又较低，会降低混凝土的抗拉强度；②高强度的混凝土拌合物比较粘稠，容易造成微纤维分布不均匀，并且难以密实，从而降低混凝土的抗折强度。在本次试验过程中，为了便于比较，混凝土的搅拌时间和振动成型时间都是按GB/T50081―2002规定的时间进行的，实际上，有试验表明，适当延长纤维混凝土振动时间，可以提高混凝土的抗折强度。

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【关键词】价值工程 聚丙烯纤维 现浇混凝土楼板 效益

【中图分类号】TB3 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)09(a)-0158-02

1 价值工程

价值工程,简称VE。它是一门新的管理技术,是一种以提高产品价值为目标的定量分析方法[1]。

从建筑工程管理的角度考虑,价值工程是在满足工程所需性能、可靠性和维修性的前提下,使总费用达到最小的一种系统方法。在这里,价值是作为一种“尺度”提出来的,即“评价事物(产品或作业)有益程度”的尺度。

价值可以表示为:

一项工程技术的应用应考虑它的经济效益和社会效益,根据许多室内的试验和实际工程的应用实例[2],在混凝土中掺入聚丙烯纤维可以提高楼板的抗裂性、抗渗性,改善楼板的防水能力,延长使用寿命,降低维修费用,其功能可以显著提高。由公式(1)可知,通过研究纤维混凝土成本的大小,就可以确定其价值的高低。以下就分别讨论它们的材料成本和全寿命期综合成本。

2材料成本分析

2.1 现浇混凝土楼板不同抗裂防渗措施的成本分析

现以100mm厚的现浇混凝土楼板内分别掺入聚丙烯纤维、钢纤维、设楼面上层钢筋网等措施来提高楼板的抗裂防渗性能为例进行成本分析比较,见下表1。

掺钢纤维、设钢筋网、掺聚丙烯纤维的100mm厚现浇混凝土楼板,每平方米需增加外加材料费分别为53.04元、44.00元、3.6元,如果再计安装和运输过程中的费用差额及施工中的工艺费用差额,则掺钢纤维和设钢筋网的费用较掺聚丙烯纤维的还要高。

2.2素混凝土楼板与相同厚度的纤维混凝土楼板建造成本分析

根据材料成本分析,素混凝土楼板与相同厚度的聚丙烯纤维混凝土楼板建造成本,由于多掺入了聚丙烯纤维,建造费用随纤维掺量的增加而略有增加,每平方米的成本比较见下表2。

材料单价按2008年2月南宁市市场参考价

从上述计算来看,聚丙烯纤维现浇混凝土楼板和普通现浇混凝土楼板的每平方米造价相差不大(价差约3.6元),但以上计算过程未考虑因为掺加纤维而可减少楼板中的构造钢筋(如板角的放射钢筋),而且目前我们的楼板设计也是比较保守,为了防裂而加大了楼板的配筋量约15％左右,这就使得楼板工程的材料成本大约增加了4-6元/平方米。综合以上因素,使用聚丙烯纤维现浇楼板是可以降低初始投资成本的,甚至可比普通现浇楼板更低。

3 全寿命期综合成本分析

楼板的全寿命期综合成本包括材料费用、施工管理费用及养护维修费用等,是使用年限内所有费用的总和。纤维混凝土楼板与素混凝士楼板相比较,其材料费用和施工管理费用相应增加,但由于纤维混凝土具有更为优良的性能,它们的设计使用年限比素混凝土的要长,并且在设计寿命期内,维修管理费用会明显下降。

济南东兴商住楼是一座大底盘双塔楼建筑,总建筑面积88755m2,高99.9m(最高处111.7m),地下3层,地上30层。地上1至4层为商业用房,地上5至30层为住宅,双塔楼剪力墙结构,第4层为转换层,转换层大梁截面尺寸有950mm×2500mm、1000mm×2500mm、1150mm×2800mm三种,转换层现浇楼板厚150mm,转换层为C50高强混凝土,高强混凝土存在受压时高度脆性及大体积高强混凝土的大面积开裂等缺陷,使得高强混凝土的优越性得不到充分发挥,有关部门通过对转换层现浇楼板的全寿命期综合成本模拟分析和对各种抗裂方案进行比较选择,最终决定在转换层混凝土中掺入济南产改性聚丙烯纤维(0.9kg/m3)及NF-2高效减水剂。该工程转换层混凝土经检测质量优良,未发现可见裂缝,28d抗压强度即达到56.7MPa。由此表明混凝土裂缝控制和降低其全寿命期综合成本方面,在混凝土材料中适量掺入聚丙烯纤维是一种行之有效的途径。因此,虽然纤维混凝土比普通混凝土的建设成本高,但是全寿命期综合成本一般比素混凝土要低。

4 经济效益与社会效益分析

4.1 经济效益分析

聚丙烯纤维由于能积极有效地改善混凝土的耐久性,使混凝土高性能化,适用性广泛,使用效果显著,在工程界已受到越来越多的关注。纤维混凝土应用于现浇混凝土楼板具有良好的经济效益,主要表现在:

(1)减薄楼板厚度,减少楼板中因为防裂而设置的构造钢筋,缩短施工工期,从而能节省应此而可节约的一切费用。(2)楼板质量好、使用寿命长、减少维修费用等因此而节省的费用。(3)纤维混凝土具有良好的保水性,可节省养护的时间和费用及相关成本。

由以上分析可以看出,聚丙烯纤维混凝土的经济性是显而易见的。

4.2 社会效益分析

近年来,我国建筑业得到了空前的发展,但在快速发展的同时,有关建筑地下室墙板、现浇混凝土楼屋面的开裂、渗漏等问题成为建筑质量投诉的热点之一。如有一开发商就南宁市的某二十多万平方米的住宅小区,赔偿和检测及维修费用,就付出400多万元。

纤维混凝土用于现浇混凝土楼板而带来的社会效益主要表现在:(1)由于纤维混凝土对成本的节省,节省了国家资源。(2)由于现浇混凝土楼板使用寿命增加,大大降低了维护成本。(3)纤维混凝土优越的抗裂防渗能力使得现浇混凝土楼板经久耐用,给业主创造了一个安全、舒适的环境条件,并增加了居住的安全性。(4)优质的基础建设,有利于展现中国日益增长的经济实力,有利于增强党和政府部门在人民群众中的威信。综上所述,纤维混凝土使用的社会效益是难以直接核算的,但它的效益是非常显著的。

5 小结

通过运用价值工程原理来分析和评价纤维混凝土的经济效益和社会效益,可以看出采用聚丙烯纤维纤维应用到现浇混凝土楼板中节省了成本,可以获得较大的经济效益。同时,由于纤维混凝土优越的性能和品质,也会带来一定的社会效益。这进一步证明了纤维混凝土应用到实际工程中的实用性和优越性。

参考文献

[1] 黄定显,杜晓玲,曾铭.建筑经济与企业管理[M].南昌:江西高校出版社,1996.

[2] 盛黎明.邓运清混凝土聚丙烯纤维的发展与应用[J]桥梁.2002.6.

[3] 中国民用航空总局,中华人民共和国行业标准.民用航空运输机场水泥混凝土道面设计规范,1995.

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主要完成人：陈彦模、朱美芳、张瑜、陈龙、张志明、吴文华

项目背景

自20世纪90年代以来，纳米材料与纳米技术的发展形成了基础研究与应用研究并行发展的格局。纳米材料的研发涉及到有机、无机、高分子等各个方面，纳米材料结构功能的复合化已成为其应用研究极具生命力的方向之一；同时，与人们生活息息相关的化学纤维，从原料、技术、产品到应用都在迅速发展，传统功能材料已难以满足细旦化功能性化学纤维开发的技术要求，聚丙烯纤维的可染化、功能化、细旦化技术成为聚丙烯纤维新产品开发的主导方向。

然而，功能材料的纳米化，又为其在高粘度、复杂流场(温度场、剪切力场和速度场)作用下的高聚物熔体中的应用带来了新的难题，纳米功能材料在热塑性高聚物基体中的纳米尺度分散成为功能细旦化学纤维开发的核心问题。其具体难点表现在：(1)无机纳米粉体制备使用过程中的易团聚与难分散：(2)纤维成形过程中纳米结构有机分散相的形成机理与结构控制；(3)纳米复合材料功能纤维工业化推广的技术可行性与成本控制。针对目前可染聚丙烯及功能聚丙烯纤维材料研究开发和生产应用过程中存在的问题，该项目将前沿纳米技术与新型杂化技术、功能组装技术以及纤维加工技术有机结合，深入系统研究有机分散相原位纳米尺度生成、有机一无机杂化材料制备及成纤用纳米功能材料制备、修饰及纤维生产加工等一系列关键技术，开发出了新型可染细旦聚丙烯和纳米复合功能聚丙烯纤维及制品。

主要创新点

1、通过调控改性聚烯烃(MPO)与基体(PP)两组分配比和特性(粘度比、相容性等)配伍，控制纤维成形过程中的动力学参数(时间、压力等)和热力学参数(温度)，自主开发了聚丙烯成纤过程中有机纳米分散相原位生成技术，首次研制出具有纳米级染座的常压可染细旦(纤维直径小于10 μm)聚丙烯纤维。

2、采用有机一无机及有机一有机杂化技术在聚丙烯基体中引入有机和无机纳米相，通过对聚丙烯基杂化材料的结构设计，首次研制出鲜艳度明显提高的可染细旦聚丙烯纤维。

3、首次建立了聚丙烯基纳米复合材料纺丝动力学模型，揭示了无机纳米功能材料与聚丙烯基体在外场作用下的相互作用机理，开发了高压和高剪切纺丝成形工艺，解决了功能纤维细旦化难、可加工性差和纳米材料的“二次团聚”等系列关键问题，为生产推广中成纤过程工艺参数的制定提供基础理论依据。

4、研制出色牢度4～5级的可染至中偏深色的细旦聚丙烯纤维以及负氧离子发生率＞5000个/cm3的系列负离子细旦聚丙烯纤维和远红外发射率＞87％的系列远红外细旦聚丙烯纤维和抑菌率＞99％的系列抗菌细旦聚丙烯纤维。

推广应用

该成果首次实现了通用纤维功能性、舒适性与可加工性的有效统一。产业化效果显著，聚丙烯纤维在可染基础上鲜艳度明显提高，功能组分加入量减少50％以上，可纺性好，生产过程无任何气固液废物排放，不会增加能源消耗，产品的加工成本低。

该成果拥有完全自主知识产权，在10多家企业得到应用，已开发2大类6个系列产品。2005年至2007年新增产值4.56亿元，新增利税1.18亿元，创收外汇2388.13万元。申请国家发明专利7项，其中已授权6项，在新材料制备成形加工理论方面有新的发现。近五年发表期刊论文17篇，并多次应邀作大会邀请报告或主旨报告。鉴定结论及检索结果表明，该成果处于“国际领先水平”。

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Abstract： From the perspective of micro mechanics， the contact interface between lightweight aggregate and cement in lightweight aggregate concrete and the strength of lightweight aggregate itself are the main factors to weaken the performance of concrete. And through the hybrid fiber， it can transfer load between cracks， bridging micro cracks at different levels， in different stages， to reduce crack to improve the weak link matrix concrete internal stress concentration， so as to improve the matrix strength， toughness and durability in the macro. In this paper， orthogonal test was used to study the linear regression equation of each influence factor and splitting tensile strength， and the formula of splitting tensile strength of hybrid fiber reinforced lightweight aggregate concrete.

关键词：轻骨料混凝土；混杂纤维；劈裂抗拉强度

Key words： lightweight aggregate concrete；hybrid fiber；splitting tensile strength

中图分类号：TU528.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）32-0116-03

0 引言

工程领域困扰轻骨料混凝土运用的技术难题是轻骨料密度小于水泥砂浆的密度，未掺入纤维轻骨料混凝土在振捣过程中易出现骨料上浮现象，导致较多的骨料集中于上层拌合物，而下层拌合物的骨料含量较少，从而产生离析现象。掺入的钢纤维与聚丙烯纤维可以形成能够抑制轻骨料上浮的网架，从而提高轻骨料混凝土的连续性及均质性，使轻骨料混凝土的力学性能得以改善。本文通过试验研究混杂纤维对轻骨料力学性能改善的程度。

1 原材料与试验方法

原材料：

水泥：本试验采用华新水泥（宜昌）有限公司生产的PO42.5普通硅酸盐水泥；

细骨料：普通中砂

粗骨料：采用宜昌宝珠陶粒开发有限责任公司生产的高强页岩陶粒，粒径5-25mm级配合格，高强页岩陶粒的性能指标如表1所示。

聚丙烯纤维由上海臣启化工科技有限公司生产，其性能指标如表2所示。

钢纤维由河北纤维橡胶制品有限公司生产，其物理力学性能指标如表3所示。

拌合水：普通自来水。

2 试验配合比及方法

2.1 实验配合比

参照目前实际工程中对高强混凝土的需求越来越多，所以本试验所设计的轻骨料混凝土强度等级为LC30。轻骨料混凝土配合比按照《轻骨料混凝土技术规程》（JGJ51-2002）中的松散体积法进行初步设计，并以计算所得配合比为基准配合比进行多次试配调整，最终确定实际采用的配合比如表4所示。

2.2 实验方法

劈拉试验在液压压力试验机上进行。试验时，从养护地点取出试件，将其安放在试验机下压板的中心，试件的承压面与成型时的顶面垂直。开动试验机，当上压板与试件接近时调整球座，使接触均衡。然后以每秒0.5MPa的速度连续而均匀地加荷，直至试件在中部出现裂隙而断裂破坏，记录破坏荷载如表5。

3 实验结果分析

为了直观反映纤维掺入对轻骨料混凝土立方体劈裂抗拉强度的改善程度，表1-5中以未掺纤维的轻骨料混凝土立方体劈裂抗拉强度为基准，计算得出不同纤维掺量轻骨料混凝土的相对强度比值。得到试验数据后通过方差分析对钢-聚丙烯混杂纤维轻骨料混凝土立方体试块劈裂抗拉强度试验中的钢纤维的外形、钢纤维的体积率、聚丙烯纤维的体积掺量、聚丙烯纤维的长径比对试块劈裂抗拉强度比的影响，试验结论如下。

3.1 钢纤维外形的影响

可以看出钢纤维与劈裂抗拉强度比的关系。从表1-5中可知，对于钢-聚丙烯混杂纤维轻骨料混凝土，掺入波纹型钢纤维后劈拉强度比平均提高约23%，掺入端钩型的钢纤维后平均劈拉强度比提高了约30%。钢纤维不同体积掺量的强度提高如图1所示。

3.2 聚丙烯纤维长径比的影响

图2给出了聚丙烯纤维长径比对混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉强度的影响直方图。在本文试验的聚丙烯纤维的长径比范围内，混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉强度的劈裂抗拉强度比的波动范围为2%，在试验误差范围内。因此，在进行混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉强度设计时，在常见聚丙烯长径比范围内可基本不考虑长径比的影响。

3.3 钢纤维体积率的影响

钢纤维体积率对混杂纤维轻骨料混凝土劈拉强度的影响。从表5可以看出，随着钢纤维体积率的增大，混杂纤维轻骨料混凝土的劈拉强度近似呈线性关系增长，当钢纤维体积率从0.5%增大到1.5%时，劈拉强度提高了7%（如图3所示）。

3.4 聚丙烯纤维体积掺量的影响

聚丙烯纤维体积掺量对混杂纤维轻骨料混凝土劈拉强度的影响试验结果表明，轻骨料混凝土中掺入0.9kg/m3的聚丙烯纤维时对劈拉强度的增强效果最好。但随着聚丙烯纤维体积率的增加，增强效果下降，当聚丙烯纤维体积率从0.9kg/m3增大到1.2kg/m3，混杂纤维高性能混凝土劈拉强度平均下降了5%（如图4所示）。

3.5 钢纤维体积率与聚丙烯纤维体积掺量交互作用影响

钢纤维体积率与聚丙烯纤维体积掺量交互作用对立方体劈裂抗拉强度通过表1-5说明不存在显著影响，影响范围在6%附近。

4 混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉强度公式

本节已分析混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉强度与钢纤维的外形、钢纤维的体积率、聚丙纤维的体积掺量、聚丙烯纤维的长径比之间如何影响。通过实验数据的分析给出混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉强度的建议公式，如下公式所示：

ft，s-混杂纤维轻骨料混凝土立方体劈裂抗拉强度；ft，k-轻骨料混凝土劈裂抗拉强度；ρs-钢纤维的体积率；ρf-钢纤维外形特征值；ρl-聚丙烯纤维的体积掺量

5 结论

实验结果表明影响钢-聚丙烯混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉性能的各个因素中，钢纤维的外形最为显著可以达到30%，钢纤维的体积率及聚丙烯纤维的体积掺量的影响比较有限在7%左右，聚丙烯纤维的长径比及交互作用的影响在试验误差之内可认为没有影响。

参考文献：

[1]朱莎莉.陶粒混凝土T形截面短肢剪力墙正截面承载力研究[D].广西大学，2007.

[2]刘蕊，刘京会，李新华，张海.劲性轻骨料钢筋混凝土梁柱节点抗剪承载力试验研究[J].河北建筑工程学院院报，2008，26（1）：7-9.

[3]刘殿中，闻玉辉，付德成，杨长有，赵庆明.集中荷载作用下钢一轻骨料混凝土简支组合梁变形试验研究[J].吉林建筑工程学院学报，2008.

[4]何明胜，刘新义.方形薄壁钢管轻骨料混凝土短柱轴压性能的试验研究[J].四川建筑，2008（2）：18-21.

[5]程领.LC50轻骨料混凝土配合比设计及性能研究[D].长沙.长沙理工大学，2013：5.

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关键词：阳离子聚丙烯酰胺 聚丙烯酰胺 反相微乳液聚合 污泥脱水

1　聚丙烯酰胺概述

聚丙烯酰胺主要用于造纸工业、三次采油、水处理、固液分离、 污泥脱水和体系增稠，随着聚合技术的发展，聚丙烯酰胺已由最初干粉（胶体）发展成为现在的干粉、胶乳和微胶乳三种形式。八十年代获得工业化生产的聚丙烯酰胺胶乳产品，其发展速度相当快，在欧美发达国家，其生产规模占已聚丙烯酰胺总量的70～80%。九十年展的聚丙烯酰胺微胶乳仍处于试验阶段，许多技术问题仍有待解决，近几年的研究极为活跃，可以预计在不久的将来聚丙烯酰胺微胶乳产品将实现工业化生产。

我国为数众多的企业生产聚丙烯酰胺干粉，有些科研单位曾经试制过胶乳产品，但产品主要性能指标如固含量和稳定性方面与国外先进水平差距较大，难以与干粉产品竞争，而微胶乳产品则处于实验研究阶段。

随着三次采油、废水处理和功能性造纸添加剂等行业的技术进步，对聚丙烯酰胺的需求量大幅度增加。聚丙烯酰胺干粉产品具有生产技术简单且产品分子量高的特点，在使用过程中存在着溶解时间长和易受搅拌剪切降解，需配备专门的干粉溶解装置等弊端，且在生产和使用过程中易产生粉尘飞扬，危害操作者身体健康和对环境造成污染。胶乳产品具有溶解速度快和使用方便的特点，受到了用户的欢迎，但由于胶乳产品系聚丙烯酰胺微小胶粒悬浮在油相中的热力学不稳定物系，长期放置易发生分层现象。而近十年来发展起来的聚丙烯酰胺微胶乳是透明或半透明的油水双连续相体系，具有高度稳定性，但丙烯酰胺反相微乳液的形成条件严格，微胶乳产品存在分子量较低和乳化剂含量过高的缺点。

2　阳离子聚丙烯酰胺

阳离子聚丙烯酰胺是近几年发展最快的品种，在西方发达国家其年增长率为5～10%，已占聚丙烯酰胺总产量的60%以上。我国的情况比较特殊，阴离子聚丙烯酰胺占总产量的90%以上，主要用于石油开采，阳离子聚丙烯酰胺产量很小而且生产企业规模也很小，几乎没有形成一定规模的生产装置。随着水处理行业的飞速发展，对阳离子聚丙烯酰胺需求高速增长，相信国内阳离子聚丙烯酰胺将会在近几年有一个较大的发展。

阳离子聚丙烯酰胺主要包括以下三种：低分子量聚胺类、丙烯酰胺与阳离子单体共聚类和非离子聚丙烯酰胺改性类。聚胺类包括聚乙烯亚胺、聚乙烯咪唑啉、胺—表氯醇缩合物及其改进产品，这类产品电荷密度高但分子量低，主要用于功能性造纸添加剂、石油开采和化妆品等行业，很少用于污泥脱水。丙烯酰胺与阳离子单体共聚类阳离子聚合物产量最大，阳离子单体主要指（甲基）丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMC）和二甲基二烯丙基氯化胺（DMDAC），其中P（AM—DMC）产品分子量较高，阳离子度0～100%之间可调，粉状阳离子聚丙烯酰胺几乎全部属于此类结构，我国用于污泥脱水的粉状阳离子聚丙烯酰胺亦属于此类，产品分子量400～600万，阳离子度30～50%，其主要问题在于DMC需要进口，价格昂贵，导致生产成本较高。对于P（AM—DMDAC）而言，由于DMDAC单体空间位阻较大，聚合活性差，很难制备分子量和阳离子度都令人满意的产品，所以用于污泥脱水的不多，而且DMDAC吸水性极强，该类产品通常为液状。非离子聚丙烯酰胺的酰胺基可与多种试剂反应，其中与甲醛二甲胺反应可生成叔胺结构聚合物，进一步季胺化生成季胺盐。由于聚丙烯酰胺水溶液的粘度非常大，通常600～800万分子量时2%浓度已很粘稠，这就给水溶液反应带来困难，由于PAM浓度很低，导致阳离子度通常不会超过10%且残余甲醛浓度较高。对于污泥中有机质含量不高的县级污水处理厂而言，低成本的非离子聚丙烯酰胺Mannich变性产品是适用的。

3　丙烯酰胺微乳液聚合技术进展

水溶性单体的聚合分为水溶液聚合、反相乳液聚合和反相微乳液聚合，水溶性单体包括（甲基）丙烯酰胺、（甲基）丙烯酸、（甲基）丙烯酸二甲胺基乙酯、（甲基）丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、AMPS、二甲基二烯丙基氯化铵等。我国主要采用水溶液聚合技术，产品以干粉形式供应。反相乳液聚合是六十年展起来的一种新型乳液聚合技术，八十年代取得了较大进展，其中聚丙烯酰胺胶乳系列产品已获得大规模工业化生产。反相微乳液聚合的研究始于八十年代，法国科学家Francoise Candau在该领域进行了卓有成效的研究。我国天津大学哈润华等也对微乳液聚合的动力学进行了研究，目前微乳液聚合的研究主要集中在微乳液的结构和丙烯酰胺的反相微乳液聚合机理上，业已取得的成果为：

（1）微乳液的结构和特性

目前对微乳液结构的认识仍然存在着许多不同的观点，如Candau F的双连续相模型、Friberg的增溶胶束模型、Scriven的三维周期性网络模型、Lindman 的界面松散态聚集体模型等，许多模型都能解释微乳液的某些性质，但都存在一定的缺陷。但对以下结论是认同的，即微乳液是一种各向同性的热力学稳定体系但它是分子异相体系，水相和油相在亚微观水平上是分离的，并显示出各自的特性。微乳液的液滴直径为8～80nm， 因而是透明或半透明的，有利于进行光化学聚合。

正相微乳液只有在较高的表面活性剂／单体比例下在很窄的表面活性剂浓度范围内才能形成并且通常需要使用助乳化剂；而反相微乳液则较易形成，因为极性单体在体系中往往充当助乳化剂，因此丙烯酰胺的反相微乳液聚合更易获得工业化生产。

（2）丙烯酰胺的反相微乳液聚合

Candau F首先以甲苯为油相，琥珀酸双（2-乙基己酯）磺酸钠为乳化剂制备了丙烯酰胺反相微乳液，并用AIBN和过硫酸钾两种不同的引发剂引发AAm聚合， 建立了反应动力学模型，其后又将Beerbower-Hill提出的内聚能比观点推广应用于微乳液体系的乳化剂选择上，取得了较好效果。

微乳液聚合具有极快的聚合速率，通常在100min内转化率可达90％以上，在反应最初的几分钟内聚合速率就达到一个最大值，随后，通常在聚合转化率为20～30％时，聚合速率开始下降。在第二阶段中，聚合速率下降的趋势在某一转化率处变缓，而这个转化率的值随反应温度的升高而增大。

微乳液聚合的分子量与引发剂浓度的关系不大，聚合后体系含有两类粒子，一类是直径小于50nm的聚合物乳胶粒，另一种是直径在3nm左右的AOT胶束，乳胶粒中的聚合物分子数很少（1～17条），分子量很高（106～107）。

聚丙烯酰胺微胶乳的实用合成技术要想获得工业化生产，必须解决以下几个问题：一是通常认为反相微胶乳聚合物的分子量不会太高，应研究如何提高微胶乳分子量的问 题，第二是微乳液聚合的乳化剂浓度通常为很高，进一步降低乳化剂浓度有利于降低生产成本，第三是乳化剂的选择多是经验或半经验的，应研究如何有目的的选择或合成确切结构的乳化剂的问题。

4　絮凝与污泥调质处理

絮凝是通过有机高分子絮凝剂对悬浮液（或胶体）中细小颗粒的电中和和吸附架桥使其脱稳的过程，有机高分子絮凝剂必须具有较高的相对分子量和线性结构以及适度的电荷密度，其分子结构、离子形态、强度和分布、分子量和分布及支化程度等都会对絮凝效果产生影响，针对给定悬浮液特点合成确切结构的絮凝剂，使絮凝剂产品形成系列化是科研工作者共同的任务。

城市污水处理厂污泥脱水调质处理是有机高分子絮凝剂应用的重要方面，污泥分为生污泥（初沉污泥和剩余污泥）和消化污泥，应根据污泥的种类和性质选择有机高分子絮凝剂。污泥中VSS/SS（SS中有机物比例）较高时，应尽量选用阳离子度高的絮凝剂，并增加絮凝剂投加量；污泥中SS浓度高时，应选用高分子量的絮凝剂，SS浓度低时，可选用分子量较低的絮凝剂；污泥PH高时（消化污泥），应选用官能团为季铵盐结构的絮凝剂，pH低时，叔胺和季铵盐结构的絮凝剂均可使用。

5　我们的工作

作者进十年来一直从事水溶性聚合物的研究工作，先后承担了多项国家“863” 、国家重点科技攻关和山东省重点科技攻关项目，其中超高分子量聚丙烯酰胺干粉产品分子量达到2500万，水溶时间为30分钟。近年来我们对丙烯酰胺类水溶性单体反相乳液聚合和微乳液聚合进行了深入研究，提出了水溶性单体反相准微乳液聚合新工艺，该工艺具有乳液聚合的特点，即产品分子量高和乳化剂含量低，同时兼有微乳液聚合的特点，即聚合速度快和产品高度稳定。并且在国际上首次实现聚丙烯酰胺微胶乳工业化生产，由于采用了先进独体的聚合技术，微胶乳产品具有很高的分子量和极窄的分子量分布、极快的溶解速度和无不溶物的特点。聚丙烯酰胺微胶乳产品主要技术指标如下：

产品外观：透明或半透明微胶乳 固含量≥30％ 分子量：800～1500万

水溶时间：3分钟 乳化剂含量≤12％（以丙烯酰胺计）。

该产品用于钢厂转炉废水、造纸白水、泥沙水等废水处理时，其效果优于进口高分子量聚丙烯酰胺干粉，在应用于铝、锰、钛、铜等金属的湿法冶炼过程中的浆液分离时，其效果明显优于干粉产品，可提高清液的澄清度，最终提高产品的质量。

聚丙烯酰胺微胶乳可进行类似溶液中的化学反应，可以方便的进行Mannich 反应、磺甲基化反应和疏水化改性等，我们合成了一种阳离子官能团化试剂，对聚丙烯酰胺微胶乳进行后功化反应制备了一种高性能阳离子聚丙烯酰胺微胶乳，其生产成本不到现行阳离子聚丙烯酰胺干粉产品的一半，产品主要性能指标如下：

产品外观：透明微胶乳 固含量：35～45％ 分子量：800～1500万