Tại sao sợi PAN lại là thành phần không thể thiếu trong các tấm bê tông chống cháy: Khả năng chịu nhiệt ≥200°C

Sợi PAN (Polyacrylonitrile) là thành phần không thể thiếu trong các tấm bê tông chống cháy vì nó duy trì tính toàn vẹn kết cấu ở nhiệt độ ≥200°C — cao hơn rất nhiều so với điểm nóng chảy 160°C của sợi PP. Trong các tấm panel chống cháy, sợi PAN tiếp tục lấp đầy các vết nứt vi mô và kiềm chế hiện tượng bong tróc đột ngột ngay cả khi tiếp xúc với nhiệt độ cao trong thời gian dài, từ đó ngăn chặn sự hư hỏng nghiêm trọng của tấm panel.

Cơ chế này rất đơn giản: khi các tấm bê tông tiếp xúc với lửa, hơi ẩm bên trong sẽ bay hơi nhanh chóng, tạo ra áp suất lỗ rỗng có thể vượt quá độ bền kéo của bê tông. Điều này gây ra hiện tượng bong tróc nổ — các mảng bê tông bong ra dữ dội khỏi bề mặt, làm lộ ra cốt thép và đẩy nhanh quá trình sụp đổ kết cấu. Sợi polypropylene (PP) nóng chảy ở 160°C, tạo ra các kênh tạm thời để hơi nước thoát ra. Nhưng khi nhiệt độ vượt quá mức đó, sợi PP sẽ biến mất. Sợi PAN không nóng chảy. Với khả năng chịu nhiệt ≥200°C và mô đun đàn hồi ≥4000 MPa, sợi PAN vẫn giữ nguyên trạng thái vật lý và hoạt động cơ học trong suốt quá trình cháy. Sợi này tiếp tục nối các vết nứt vi mô, hạn chế sự lan rộng của vết nứt và duy trì khả năng chịu tải của tấm bê tông trong một thời gian dài sau khi sợi PP đã biến mất.

Đối với các kiến trúc sư, kỹ sư và nhà sản xuất tấm đúc sẵn, điều này có nghĩa là: khả năng chống cháy cao hơn, giảm nguy cơ bong tróc ở bê tông hiệu suất cao (HPC) và tuân thủ các quy chuẩn an toàn phòng cháy ngày càng khắt khe. Nói tóm lại, sợi PAN không chỉ là một chất phụ gia — nó chính là “xương sống” về mặt nhiệt của các tấm bê tông chống cháy.

Những điểm chính cần lưu ý

• Khả năng chịu nhiệt ≥200°C so với điểm nóng chảy 160°C của sợi PP — Sợi PAN không bị nóng chảy khi tiếp xúc với lửa, nhờ đó vẫn duy trì được chức năng kết cấu trong khi sợi PP đã hóa lỏng và chảy ra ngoài.

• Phòng ngừa hiện tượng bong tróc tích cực trong suốt quá trình cháy — Sợi PAN giúp lấp đầy các vết nứt vi mô trong quá trình gia nhiệt, trong khi sợi PP chỉ tạo ra các kênh thoát hơi thụ động trước khi nóng chảy.

• Khả năng duy trì mô-đun đàn hồi ở nhiệt độ cao — Sợi PAN vẫn duy trì mô-đun đàn hồi đáng kể ở nhiệt độ trên 200°C, nhờ đó tiếp tục hạn chế sự lan rộng của vết nứt và duy trì tính toàn vẹn của tấm panel.

• Tuân thủ các tiêu chuẩn để sẵn sàng được cấp chứng nhận — Sợi PAN của Michem đáp ứng các tiêu chuẩn ASTM C1116, EN 14889-2, ISO 9001:2015 và GB/T 21120, giúp đơn giản hóa quy trình chứng nhận tấm cách nhiệt chống cháy.

• Ba tùy chọn kiểu thiết kế — Các loại sợi có mô-đun cao (≥800 MPa), chịu kiềm (≥750 MPa, có lớp phủ) và sợi cắt ngắn (≥700 MPa) đáp ứng các yêu cầu cụ thể trong sản xuất tấm chống cháy.

Tại sao câu trả lời này lại quan trọng

An toàn phòng cháy chữa cháy là yêu cầu bắt buộc trong xây dựng hiện đại. Các tiêu chuẩn xây dựng trên toàn cầu — từ Tiêu chuẩn Xây dựng Quốc tế (IBC) đến Eurocode 2 (EN 1992-1-2) và Tiêu chuẩn GB 50016 của Trung Quốc — đều quy định các mức độ chịu lửa đối với các thành phần kết cấu, bao gồm cả các tấm bê tông đúc sẵn. Sự khác biệt giữa một tấm panel có khả năng chống cháy trong 60 phút so với 120 phút có thể quyết định đến kết quả an toàn tính mạng và việc tuân thủ các quy định pháp luật.

Các vụ hỏa hoạn trong đường hầm là minh chứng rõ nét cho điều này. Vụ hỏa hoạn tại Đường hầm Mont Blanc năm 1999 đã đạt nhiệt độ trên 1.000°C và kéo dài 53 giờ. Vụ cháy đường hầm Kênh Anh năm 2008 cũng cho thấy hiện tượng bong tróc do nổ có thể tàn phá lớp lót bê tông như thế nào. Trong cả hai trường hợp, các tấm panel không được gia cố bằng sợi thủy tinh đầy đủ đều bị bong tróc nghiêm trọng, khiến thép kết cấu bị ngọn lửa tác động trực tiếp. Các cuộc điều tra sau sự cố đã nhiều lần chỉ ra rằng việc bảo vệ chống bong tróc không đầy đủ là nguyên nhân chính dẫn đến sự cố.

Hậu quả về mặt thương mại cũng không kém phần quan trọng. Các tấm đúc sẵn có khả năng chống cháy được định giá cao trên các thị trường từ Trung Đông đến Đông Nam Á, nơi xây dựng các tòa nhà cao tầng đòi hỏi hiệu suất chống cháy đã được chứng minh. Việc chỉ định sử dụng sợi PAN ngay từ giai đoạn thiết kế hỗn hợp là một biện pháp bảo hiểm hiệu quả về chi phí: mức tăng chi phí vật liệu là rất nhỏ so với rủi ro pháp lý do hiện tượng bong tróc gây ra. Đối với các nhà sản xuất cạnh tranh về tiêu chuẩn chống cháy, sợi PAN là một yếu tố cần thiết để cạnh tranh, chứ không phải là một tùy chọn nâng cấp.

Phân tích chuyên sâu về kỹ thuật

Sợi PAN Cơ chế ổn định nhiệt

Tính năng chống cháy của sợi PAN bắt nguồn từ cấu trúc polymer của nó. Khi được gia nhiệt, chuỗi chính polyacrylonitrile trải qua quá trình vòng hóa — chứ không phải nóng chảy. Khi nhiệt độ vượt quá khoảng 200°C, các nhóm nitrile (-C≡N) trong PAN bắt đầu chuyển đổi thành cấu trúc polymer dạng thang thông qua quá trình vòng hóa nội phân tử. Sự biến đổi này giải phóng một lượng rất nhỏ các chất bay hơi và tạo thành cặn carbon ổn định về mặt nhiệt. Không giống như PP, vốn trải qua quá trình nóng chảy thu nhiệt ở 160°C và hóa lỏng hoàn toàn, sợi PAN vẫn giữ được trạng thái rắn, ổn định về kích thước và duy trì các tính năng cơ học.

Sự khác biệt quan trọng là: Sợi PAN tạo ra lớp gia cường ba chiều vĩnh viễn bên trong ma trận bê tông, duy trì hiệu quả trong toàn bộ dải nhiệt độ cháy có liên quan đến thiết kế kết cấu. Trong khi sợi PP để lại các khe rỗng (có ích cho việc thoát hơi nước ban đầu nhưng trở thành khoảng trống về mặt kết cấu sau khi tan chảy), sợi PAN duy trì liên tục khả năng nối các vết nứt.

Vật lý hiện tượng bong tróc bê tông

Hiện tượng bong tróc do nổ là kết quả của sự kết hợp giữa ba cơ chế khi tiếp xúc với lửa:

1. Sự gia tăng áp suất lỗ rỗng: Nước tự do và nước liên kết hóa học trong bê tông bay hơi ở nhiệt độ 100–300°C. Trong bê tông có độ đặc cao và độ thấm thấp (đặc trưng của bê tông cường độ cao [HPC] được sử dụng trong các tấm panel), hơi nước không thể thoát ra đủ nhanh. Áp suất lỗ rỗng có thể đạt 3–5 MPa — đủ để vượt quá độ bền kéo của bê tông khi được gia nhiệt.

1. Độ dốc ứng suất nhiệt: Lớp bê tông bên ngoài giãn nở nhanh hơn so với phần bên trong có nhiệt độ thấp hơn, tạo ra ứng suất nén gần bề mặt và ứng suất kéo ở phần sâu hơn trong mặt cắt ngang. Những gradient nhiệt này gây ra hiện tượng nứt nẻ, và khi kết hợp với áp suất lỗ rỗng, sẽ dẫn đến hiện tượng bong tróc.

1. Căng thẳng do bị kiềm chế: Trong các tấm chống cháy, lực kìm hãm từ bên ngoài do các mối nối và các tấm liền kề gây ra làm gia tăng ứng suất nhiệt, từ đó làm tăng thêm nguy cơ bong tróc.

Sợi PAN giải quyết cả ba cơ chế này. Mô đun đàn hồi cao của nó giúp chống lại sự mở rộng vết nứt dưới tác động của ứng suất kéo. Tính ổn định nhiệt của nó đảm bảo khả năng chống nứt này vẫn duy trì ở nhiệt độ trên 200°C. Và sự phân bố đồng đều của sợi PAN trong ma trận tạo ra một mạng lưới gia cố ba chiều, giúp hạn chế hiện tượng bong tróc bất kể nguồn gốc của ứng suất là gì.

Dữ liệu về hiệu suất thử nghiệm cháy

Trong khi các đường cong cháy tiêu chuẩn (ISO 834, ASTM E119) đạt 1.000°C trong vòng 90 phút, thì khoảng nhiệt độ quan trọng đối với hiệu suất của sợi là 100–300°C — khoảng nhiệt độ mà tại đó hiện tượng bong tróc bắt đầu xảy ra. Các nghiên cứu đã công bố về bê tông cao cường (HPC) gia cường bằng sợi PAN cho thấy:

• Giảm độ sâu bong tróc: Độ sâu bong tróc ít hơn tới 70% so với bê tông thông thường trong cùng thời gian tiếp xúc với lửa.

• Cường độ nén dư: Các mẫu thử gia cường bằng sợi PAN vẫn giữ được khoảng 40–50% cường độ nén ban đầu sau 2 giờ tiếp xúc theo tiêu chuẩn ISO 834, so với 15–25% đối với bê tông thông thường.

• Giảm mật độ vết nứt: Mật độ vết nứt vi mô sau khi tiếp xúc với lửa giảm khoảng 60%, cho thấy quá trình nối vết nứt diễn ra tích cực trong suốt quá trình gia nhiệt.

So sánh: Sợi PAN và sợi PP trong các tình huống cháy

So sánh: Sợi PAN và sợi thép trong điều kiện cháy

Độ dẫn nhiệt thấp của sợi PAN là một ưu điểm đáng kể so với sợi thép trong các tình huống hỏa hoạn. Sợi thép có thể đóng vai trò như những “cầu nhiệt”, dẫn nhiệt từ bề mặt vào sâu hơn trong mặt cắt ngang của tấm panel và làm tăng tốc độ tăng nhiệt độ bên trong. Bản chất polymer của sợi PAN giúp cách nhiệt thay vì dẫn nhiệt, từ đó hạn chế thiệt hại do nhiệt gây ra ở các lớp bề mặt.

Thông số kỹ thuật sản phẩm

Michem Sợi PAN — Thông số kỹ thuật

Ba loại được thiết kế

Sợi PP (TenaBrix®) — Dữ liệu tham khảo

Chứng chỉ

• ASTM C1116 — Tiêu chuẩn kỹ thuật về bê tông cốt sợi

• EN 14889-2 — Sợi gia cường cho bê tông, Phần 2: Sợi polymer

• ISO 9001:2015 — Hệ thống quản lý chất lượng

• GB/T 21120 — Sợi tổng hợp dùng trong xi măng, vữa xi măng và bê tông (Tiêu chuẩn Quốc gia Trung Quốc)

Hướng dẫn ứng dụng thực tiễn

Liều lượng khuyến nghị cho tấm chống cháy

Liều lượng sợi PAN tối ưu phụ thuộc vào mức độ chống cháy mục tiêu và công thức phối trộn bê tông:

Các khuyến nghị về thiết kế hỗn hợp

Hàm lượng xi măng: Duy trì mật độ 380–450 kg/m³ đối với các tấm chống cháy tiêu chuẩn. Hàm lượng xi măng cao hơn 500 kg/m³ sẽ làm tăng nguy cơ bong tróc và đòi hỏi phải tăng liều lượng sợi PAN lên mức 1,5–2,5 kg/m³.

Tỷ lệ nước-xi măng: Mục tiêu là 0,35–0,40 đối với các tấm cách nhiệt chống cháy HPC. Tỷ lệ nước/xi măng thấp hơn tạo ra ma trận có mật độ cao hơn nhưng dễ bị bong tróc hơn — chính là trường hợp mà sợi PAN phát huy tối đa lợi ích.

Lựa chọn tổng hợp: Cốt liệu cacbonat (đá vôi, đá dolomit) có khả năng chống cháy tốt hơn so với cốt liệu silic do có nhiệt độ phân hủy nhiệt cao hơn và các phản ứng nung hấp thụ nhiệt. Khi kết hợp với sợi PAN, hỗn hợp cốt liệu cacbonat đạt được khả năng chống bong tróc tốt nhất.

Bụi silic / vật liệu bổ sung: Việc bổ sung bột silica với tỷ lệ 5-10% sẽ làm tăng mật độ ma trận và nguy cơ bong tróc. Khi sử dụng bột silica để đáp ứng các yêu cầu về cường độ, cần tăng liều lượng sợi PAN thêm 0,3-0,5 kg/m³ để bù đắp.

Quy trình trộn

1. Thêm Sợi PAN vào mẻ cốt liệu trong quá trình trộn khô — phân bố đều trong vòng 30–60 giây.

1. Thêm xi măng và các vật liệu kết dính bổ sung, tiếp tục trộn khô trong 30 giây.

1. Trong khi trộn, hãy cho nước và các phụ gia vào từ từ.

1. Tổng thời gian trộn: 4–6 phút sau khi thêm nước để đảm bảo sợi được phân tán đều.

1. Tránh trộn quá lâu (quá 8 phút), vì điều này có thể làm hỏng cấu trúc của chất xơ.

Các bước kiểm tra chất lượng

• Thử nghiệm rửa trôi: Định kỳ rửa mẫu bê tông mới qua rây để kiểm tra hàm lượng và sự phân bố của sợi.

• Giám sát hiện tượng sụt lún: Sợi PAN ở liều lượng khuyến nghị giúp giảm độ sụt từ 10–20 mm — hãy điều chỉnh liều lượng chất siêu dẻo cho phù hợp. Không nên thêm nước để bù đắp.

• Kiểm tra bề mặt: Các tấm sau khi tháo khuôn không được có hiện tượng sợi vón cục hoặc “tụ lại thành cục” trên bề mặt.