超高性能混凝土用POM纤维
文章来源:张红 徐洁 发布时间: 2020-12-17

编前语:

在2020中国混凝土展上,一批坚持自主创新的企业推出的新产品新技术受到了业内外的广泛关注。由于展会展期时间较短,许多专业观众无法详细了解这些信息。为此,协会在展会后将不定期继续发布有关参展产品和技术介绍,以供感兴趣的用户参考和对接。


POM纤维(共聚甲醛纤维)以其出众的综合性能正在受越来越多人的关注。尤其是在我国超高性能混凝土(UHPC)发展方兴未艾之时,国产POM纤维的出现真是生逢其时。


闪亮登场的POM纤维有六大优异性能


聚甲醛是一种综合性能优良的工程塑料,根据其聚合方式不同可分为共聚甲醛和均聚甲醛,同均聚甲醛相比,共聚甲醛具有良好的热稳定性能和加工性能。

混凝土用高性能POM纤维是在通用POM纤维生产技术的基础上,对切片制备、挤出牵伸、后处理等工艺再次优化提升并应用独有技术对纤维进行表面处理以后得到的面向特种混凝土行业的成品纤维。其具有强度高、模量高、尺寸稳定、握裹力好、分散性佳和耐碱性强的六大特点。

一、耐久无锈蚀

混凝土用POM纤维继承了常规共聚甲醛高强高模、耐有机溶剂和盐溶液、耐强碱腐蚀及耐候特性,具有优秀的物理机械性能。且天然耐碱,经测试应用POM纤维的混凝土中长期强度保持率超过99%,此性能优于绝大多数常见有机合成纤维;与金属纤维相比完全没有锈蚀风险。

超高性能混凝土(UHPC)用POM纤维

二、性能优异

POM纤维断裂强度高于大部分常见纤维,同样直径规格下能有超过30%以上的强度提升,与其他纤维相比,其使用可靠性更佳,可以轻松制得超过10GPa弹性模量的产品是POM纤维的另一个特性,产品的刚性和抗变形能力得到进一步的提升,这对纤维混凝土综合韧性的表现至关重要。

三、使用温度宽

POM纤维玻璃化转变温度低至-45℃,同时标准热变形温度达到90℃以上,兼顾冷热环境下的长期使用,为制品提供了极宽的使用温度范围。而其他常见纤维材料,不是低温下严重发脆就是高温时严重变形。

四、填充均匀密实

POM纤维相比其他常见有机合成纤维具有更好的分散性及更低的引气性,可直接加入混凝土混合物中制备拌合物。有机合成纤维加入混凝土具有一定的引气性和对砂浆流动的负面影响,反映了实际施工操作的难度。在低水胶比体系中,POM纤维具有比聚丙烯纤维(已标准化)更低的引气性,改善了由于纤维带入少量空气而对混凝土力学性能造成的负面影响;同时,因为具有更高的加工流动性,也能改善混凝土搅拌效果、减少搅拌时间。

五、分散均匀

POM纤维具有比常规材料更大的比重,在搅拌时不会漂浮在水层表面,带来更佳的分散性表现。除了密度大能在施工搅拌时提供更佳的水中沉降速度以外,POM纤维的高刚度和硬挺度保证了其使用中不易卷曲结团,这在混凝土应用中能显著提高拌合物及成品的综合力学性能。

POM纤维非常好的分散性

六、后期维护成本低

POM纤维的加入为混凝土提供了较高的基体韧性,阻止了混凝土凝结过程中由于收缩不均产生的局部微裂纹的扩展,有效防止混凝土的早期开裂发生,并且阻止水携带氯离子通过表面缝隙渗入,大大延长了混凝土的使用寿命。目前行业内混凝土路面通用的设计寿命为10-30年(JTG D40),则30年内应完成整个结构的替换。按照早期开裂试验结果开裂比2.5倍估算,添加POM纤维可以以大约7%的物料成本增加换取70%的维护成本降低。

POM纤维可广泛应用于多种混凝土的性能改善及增强,且便于针对特种混凝土的需要做横向及纵向梯度式的产品布局。与常见的有机合成纤维相比,POM纤维的强度好,为常用有机合成纤维的2~3倍。耐摩擦磨损性优异,静摩擦系数低于0.3,动摩擦系数低于0.25。拉伸回复性能优异,POM纤维的蠕变行为比碳纤维、 Kevlar不锈钢丝大,但经过较长时间后,蠕变停止,若除去负荷,蠕变又能恢复,故具有优异的拉伸回复性能。耐久性非常优异,POM纤维不但具有良好的短期热稳定性,在高温的空气中或在高温的热水中,其长期使用稳定性也非常优异。POM纤维有着优异的耐化学品性能,仅在酸中有轻微分解,对碱溶液、海水、溶剂的抵抗能力极强。同时耐光性优异,而且吸水率极低,不被微生物分解,在海水中不吸附浮游生物,不长霉菌。

重庆云天化天聚新材料有限公司


云天化坚持自主创新成为国内第一家POM纤维集成服务商


重庆云天化天聚新材料有限公司是我国自主创新率先生产出POM纤维的企业,是国内最早实现共聚甲醛万吨级量产,打破国外垄断的共聚甲醛生产的制造营销商,现拥有产能10 万吨,居全国第一。

云天化重庆聚甲醛装置

1999年,云天化通过引进欧洲先进技术成为国内生产高品质共聚甲醛树脂的生产商。在持续扩大生产规模的同时,公司还与高等院校建立了战略合作关系,共建聚甲醛技术中心及技术服务中心。2009年,公司斥巨资在重庆长寿区晏家工业园区兴建了云天化重庆研发中心。2017年5月22日重庆云天化天聚新材料有限公司在重庆长寿揭牌成立,实现了云天化共聚甲醛产销研一体化经营模式。公司致力于共聚甲醛产品质量的不断提高和新产品的研发,于2018年底成功研发出性能优良的POM纤维并实现量产,成为国内第一家POM纤维集成服务商。云天化聚甲醛始终以竭诚为广大客户提供优质的产品和满意的技术服务为核心竞争力,以其优异的性能得到了客户的广泛认可,并远销欧洲、美洲、非洲和亚洲的多个国家。

在2020中国混凝土展上,云天化POM纤维吸引了众多业内观众咨询

云天化集团有限责任公司是以肥料及现代农业、玻璃纤维复合材料、精细化工及新材料为主业的国有综合性产业集团,下辖百余家控股子公司。经过多年持续发展,集团总资产约1000亿元,年营业收入近700亿元,年上缴税费20亿元以上。集团连续多年入选中国企业500强,2019年名列中国企业500强第283位、中国制造业企业500强第126位、中国化肥企业500强排行第一、云南省外贸发展综合贡献百强企业第一名。近年,云天化集团以“打造具有全球影响力绿色产业集团”为愿景,依托党建引领政治优势、担当有为团队优势、精益生产管理优势、全产业链协同优势、行业一流品牌优势和国际化发展的区位优势,致力走一条新国企的创新发展、内涵发展、绿色发展之路。

目前,企业将POM纤维应用领域集中在外墙装饰、城市家具、仿真石材、道路快修、华夫桥面板、边坡加固等领域。同时在路桥、水利、市政、电力、地铁、高铁等方面亦有广泛应用,如应用在桥梁、隧道的新建或维修加固,国内现在约有100万座桥梁,每年需维修加固的桥梁约10万座。另外还有桥梁伸缩缝、湿接缝、高速路砸道、城市红绿灯前10m路面、加油站路面等易坏路面。

展台内时尚的桌椅,也是应用了云天化POM纤维的产品


牵手UHPC  共创美好明天

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,简称UHPC),因为一般需掺入短切钢纤维或聚合物纤维,也被称作超高性能纤维增强混凝土(Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete,简称UHPFRC)。UHPC不同于传统的高强混凝土(HSC)和钢纤维混凝土(SFRC),也不是传统意义“高性能混凝土(HPC)”的高强化,而是性能指标明确的新品种水泥基结构工程材料,较有代表性的定义和需要具备的特性如下:

● 是一种组成材料颗粒的级配达到最佳的水泥基复合材料;

● 水胶比小于0.25,含有较高比例的微细短钢纤维增强材料;

● 抗压强度不低于120MPa;具有受拉状态的韧性,开裂后仍保持抗拉强度不低于5MPa(法国要求7MPa);

● 内部具有不连通孔结构,有很高抵抗气、 液体浸入的能力,与传统混凝土和高性能混凝土(HPC)相比,耐久性可大幅度提高。

应用云天化POM纤维的各类产品

UHPC的性能特点可以用“超高强、高韧性和高耐久性”来概括。“超高强”指UHPC可实现水泥基材料强度(抗压、抗拉、抗弯、抗剪、抗冲击等强度)跨越式的提高,更重要的是UHPC能够有效利用钢纤维的强度及其与胶凝材料浆体的紧密粘接来实现拉伸的“应变硬化”行为,有较大的变形能力;钢纤维体积掺量1%~2%的UHPC就能跨入韧性材料的行列。UHPC可大幅度提高钢在混凝土中的强度利用效率,形成混凝土、钢纤维、钢筋更加协调的钢-混凝土复合的新模式,实现混凝土结构的轻质高强和高韧性。此外,还可制备具有优良耐磨、抗冲击、抗爆和耐高温等性能的UHPC。

在无裂缝的状态下,UHPC的气体、液体渗透性非常低;而在高应变和微裂缝状态下,UHPC的渗透性也能够保持在很低的水平,而微裂缝还具备良好的自愈合能力,因此UHPC结构拥有高耐久性的潜力,已得到迄今15年恶劣环境暴露试验的证实。UHPC的耐久、耐候性能远远超越其他结构工程材料(钢材、铝材)。云天化一直关注着UHPC的发展,不断加强科研投入、努力攻关,全力开发纤维新品种,就是为了不断满足UHPC生产企业的发展和个性需求。云天化的UHPC专用纤维,以POM为原料,精选了适宜的生产工艺使得产品的性能更加符合UHPC产品的特殊要求,极好地满足在各种不同混料形式的搅拌设备情况下,保证纤维在各种不同条件下的均匀分布,达到UHPC产品对纤维的各项要求。

云天化POM纤维应用实例(板材及城市家具)
云天化POM纤维应用实例(外墙装饰板)

众所周知,目前纤维加固修复混凝土主要使用的纤维原料是聚酯纤维和聚丙烯纤维等有机合成纤维。这些常用的有机合成纤维,由于强度及弹性模量较低,在混凝土中的分散性较差,对混凝土抗压强度的提高不明显,与水泥石的粘结不紧密,泵送施工不易控制,使混凝土成本大幅上升等,这些问题都严重制约了纤维混凝土的大范围应用,因此迫切需要寻找新型的高性能纤维替代原有产品。

而实验发现,POM纤维具有优异的分散性,即使大量添加(体积比4%)仍能保持基体较好的流动性,混凝土均相性和力学性能改善良好,通过采用不同规格的POM纤维的组合增强混凝土,可以解决其他合成纤维所不能解决的混凝土的原生缺陷所诱发的混凝土开裂的难题。尤其是在遭遇火灾后,POM纤维增强的混凝土,不会因大火燃烧而产生崩裂坍塌,使用性能大大优于目前广泛使用的有机合成纤维。

超高性能混凝土用POM纤维,是以共聚甲醛树脂切片为原料,经纺丝、牵伸、表面处理等工艺制得的一种专用于UHPC领域的新型混凝土建筑工程用材料(见GB/T21120-2018),产品具有高强、高模、高耐久、使用温度范宽、工作度影响小等优秀特性。常用的钢筋混凝土容易因硫离子、氯离子引起锈蚀问题,严重影响混凝土的寿命,且容易产生刚性裂缝。20世纪80年代末,美、日等发达国家开始用高性能纤维增强复合材料加固修复混凝土结构,改善其抗拉性能和抗裂性能。

POM纤维用于土工合成材料的原理是:阻裂、抗渗、耐久、增韧、增强、减重。混凝土中的微小裂缝受荷载作用时会产生裂缝扩展,纤维能横跨起桥接作用,缓解裂缝尖端的应力集中,增加裂缝的扩张阻力,提高混凝土的断裂能,使混凝土的延性増大,提高混凝土的韧性和抗裂能力。纤维在混凝土中能很好的均匀分布且与混凝土浇捣成型过程中增加了混凝土内部的束缚力,从而减少了混凝土在成型过程中大孔隙和裂缝的产生,减少了宏渗水和微渗水。混凝土在冻融条件下产生较大的膨胀压力,易使混凝土裂缝和原有裂缝扩展,在混凝土中掺入少量的合成纤维,由于纤维较细,单位面积的纤维数量较多,这样纤维能起到一个很好的约束作用,抵抗冻融和化学侵蚀时的膨胀压力。同时纤维的掺入大大提高了混凝土的抗渗性,这样便阻碍了化学物质的渗入,提高了其抗化学侵蚀性能 。

POM纤维的优异性能正在被我国混凝土界的有识之士所关注, POM纤维在UHPC的推广应用值得市场的深度期待和鼓励。