浅析温度对水泥混凝土用工程纤维耐碱性能的影响

陈海燕，魏 青

（江苏省纺织产品质量监督检验研究院，江苏南京 210007）

浅析温度对水泥混凝土用工程纤维耐碱性能的影响

陈海燕，魏 青

（江苏省纺织产品质量监督检验研究院，江苏南京 210007）

为了考察用于水泥混凝土工程纤维的稳定性，模拟水泥水化的碱性环境，研究3种不同纤维在不同温度的碱性条件下的化学结构稳定性和力学性能的变化，分别采用纤维表面微观形貌和单纤维断裂强力来进行表征。

聚丙烯纤维；聚丙烯腈纤维；聚乙烯醇纤维；水泥混凝土；耐碱性；工程纤维

在水泥混凝土中掺加一定量的纤维，是建筑工程领域逐渐推广的一种材料增强手段。将聚合物工程纤维加入混凝土，可以有效地抑制混凝土混凝土中早期塑性裂缝的产生和扩展，改善干缩和冷缩现象。掺加聚合物纤维的混凝土是一种新型的建筑材料，其抗拉性、抗弯性、抗爆性、抗冲击性和韧性与传统混凝土相比都有极大改善，防水、抗渗和抗冻性也有显著提高。水泥在水化过程中会放出热量，特别是对于大体积工程如大坝、桥梁等，如水化热来不及释放会越积越多，造成混凝土筑体温度升高导致开裂；同时水泥水化浆体碱性较强，因此需要研究聚合物工程纤维在高碱性条件下的稳定性。本文通过实验考察用于水泥混凝的聚合物工程纤维在不同温度（常温、65℃、80℃、95℃）的碱性环境中化学结构稳定性和力学性能的变化。

1 实验

1.1 原料

主要原料包括：3种常规纺短纤维：聚丙烯纤维；聚丙烯腈纤维；聚乙烯醇纤维；分别编号为A、B、C；性能如表1所示；氢氧化纳，分析纯。

表1 3种纤维的特性

1.2 3种纤维的耐碱性试验

为了考察聚合物纤维在水泥基材料固化过程中强力的变化，采用模拟水泥水化过程中的碱性环境的方法，将3种不同的纤维置于碱性条件下进行试验，耐碱性试验参照GB/T21120-2007《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》，以规定的温度、浓度和时间浸泡处理。试验过程为：

1）采用苯二甲酸氢钾标准溶液滴定法配置1mol/L浓度的NaOH溶液，并在恒温水浴中加热至（50℃、80℃、95℃）。

2）将洗净并烘干的纤维置于不同温度的NaOH溶液中，加不锈钢丝网至液面下25mm左右，不使纤维上浮在液面上，烧杯加盖后在上述不同温度水浴中恒温6h±10min。

3）取出后用快速滤纸滤出纤维，用纯水洗净（洗液用酚酞检验）之后，在80℃烘箱内烘干（控制纤维的含水量在2%以下）后进行后续测试。

1.3 分析与测试

采用SU3500-钨丝灯扫描电镜观察纤维表面经碱液浸泡前、后的外观变化。利用上海东华大学研制的XG-1A短纤维拉伸强力机测试碱液浸泡前、后纤维单丝断裂强力，测试隔距为5mm，拉伸速度为5mm/min，测试环境为：温度（20±2）℃，相对湿度（65±4）%。每组样品测试50次，取平均值计算单纤维的强力、伸长率及碱处理后纤维的强力保持率。

2 结果与讨论

2.1 强力变化

3种不同聚合物工程纤维的变化情况如表1、2、3所示。

表1 聚丙烯纤维在不同碱液温度处理后的强力变化

由表1可知：聚丙烯纤维在室温、50℃的碱液中浸泡，其力学强度基本不变，说明聚丙烯纤维的耐碱性较强，随着温度的升高，温度为95℃时，聚丙烯纤维的强力略有减小，但纤维的强力损失率仅为1%左右。

表2 聚丙烯腈纤维在不同碱液温度处理后的强力变化

由表2可知：聚丙烯腈纤维经氢氧化纳水溶液的作用下，随着处理温度的增加，聚丙烯腈纤维的强力呈明显下降的趋势，温度升高到50℃时，强力损失率为8%左右，温度升高至80℃时，强力损失率接近15%，当温度升高至95℃时，强力损失率达30%。

表3 聚乙烯醇纤维在不同碱液温度处理后的强力变化

由表3可知：聚乙烯醇纤维在室温、50℃的碱液中浸泡，其力学强度基本不变，强力损失率仅为0.4%，说明聚乙烯醇纤维的耐碱性较强。随着温度的升高，纤维的强力有不同程度的减小，但纤维的损失率仅为2.7%。

实验结果说明，聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维具有较好的耐碱性，在50℃碱液中处理6h，其力学性能均有减小，随着温度的升高，两种纤维的力学强度继续减小，但减小的程度仍不大。强力损失的原因主要是纤维表面或内部杂质被浸蚀而造成的空洞，从而使纤维的断裂强力减小。聚丙烯腈纤维经氢氧化纳水溶液处理后颜色由浅黄色逐步加深，但没有明显的溶解现象，依旧保持了纤维的基本形态。从纤维的强力保持率来看，其强力下降速度随温度的升高下降较大，在碱液温度达到95℃时，其强力保持率为70%。聚丙烯腈在碱性水溶液的作用下，纤维表面首先受到化学侵蚀，随着温度的增加，纤维的内部逐步也被侵蚀破坏，分子结构中碳原子受到OH-进攻发生亲核反应，-CN发生断裂，微观和宏观结构的变化导致纤维强力的下降。

2.2 纤维表面变化

从扫描电镜中观察，可以看出，聚丙烯纤维经三种不同温度的碱溶液处理后，纤维表面形态无明显变化，聚丙烯腈纤维经50℃碱溶液6小时处理后，纤维颜色由浅黄色加深，表面的条纹沟槽消失，纤维表面光滑，当温度升高至80℃、90℃时，纤维颜色进一步加深，电镜显示部分纤维被破坏，聚乙烯醇纤维的经碱溶液处理后表面变得粗糙，并且出现点状或片状物，分析主要因为纤维表面或内部杂质被侵蚀造成的空洞。

3 结语

通过对3种不同聚合物工程纤维在3种不同温度的碱溶液处理前、后的化学结构、力学性能、纤维表面变化的研究分析可知：聚丙烯纤维具有良好的耐碱性能，经95℃高温碱溶液处理后能保持较好的力学性能，聚乙烯醇纤维次之，聚丙烯腈纤维耐低温碱溶液处理，不耐高温，当温度超过80℃时，纤维的内部分子链结构破坏严重，强力保持率仅在70%左右。

[1] 中华人民共和国国家标准GB/T21120-2007.水泥混凝土和砂浆用合成纤维.

[2] JTT525-2004.公路水泥混凝土纤维材料聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维.

[3] 马佳晨,张炉青,张学旭,刘中伟,张书香.改性水泥基材料用聚乙烯醇纤维耐碱性能研究.中国粉体技术,2015(4):2.

Analysis the temperature effect on the properties of concrete with alkali resistant engineering fiber

CHEN Hai-yan,WEI Qing

(Jiangsu Textile Products Quality Supervision and Inspection Institute,Jiangsu Nanjing210007,China)

In order to examine the stability of the fiber cement concrete engineering,simulatine of the cement hydration alkaline environment,research on three different temperatures alkaline chemical changes in the structural stability and mechanical properties.respectively using the fiber surface microstructure and characterization of single fiber breaking strength.

polypropylene fiber；polyacrylonitrile fiber；polyvinyl alcohol fiber；Cement concrete；alkali resistance；fiber works

TB301

B

投稿日期：2016-07-28

陈海燕，2001年毕业于北京服装学院高分子材料与工程专业，工程师职称，从事化纤产品质量检验十余年。