纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料

1、纖維增強(qiáng)型水泥基復(fù)合材料一、 纖維增強(qiáng)型水泥基復(fù)合材料的概述 纖維增強(qiáng)型水泥基復(fù)合材料是以水泥與水發(fā)生水化、硬化后形成的硬化水泥漿體作為基體，以不連續(xù)的短纖維或連續(xù)的長纖維作增強(qiáng)材料組合而成的一種復(fù)合材料。 普通混凝土是脆性材料，在受荷載之前內(nèi)部已有大量微觀裂縫，在不斷增加的外力作用下，這些微裂縫會逐漸擴(kuò)展，并最終形成宏觀裂縫，導(dǎo)致材料破壞。 加入適量的纖維之后，纖維對微裂縫的擴(kuò)展起阻止和抑制作用，因而使復(fù)合材料的抗拉與抗折強(qiáng)度以及斷裂能較未增強(qiáng)的水泥基體有明顯的提高。 二、纖維增強(qiáng)型水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能 在纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料中，纖維的主要作用在于阻止微裂縫的擴(kuò)展，具體表現(xiàn)在提高復(fù)合材

2、料的抗拉、抗裂、抗?jié)B及抗沖擊、抗凍性等。 2.1 抗拉強(qiáng)度 在水泥基復(fù)合材料受力過程中纖維與基體共同受力變形，纖維的牽連作用使基體裂而不斷并能進(jìn)一步承受載荷，可使水泥基材料的抗拉強(qiáng)度得到充分保證；當(dāng)所用纖維的力學(xué)性能、幾何尺寸與摻量等合適時，可使復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度有明顯的提高。 2.2 抗裂性 在水泥基復(fù)合材料新拌的初期，增強(qiáng)纖維就能構(gòu)成一種網(wǎng)狀承托體系，產(chǎn)生有效的二級加強(qiáng)效果，從而有效的減少材料的內(nèi)分層和毛細(xì)腔的產(chǎn)生；在硬化過程中，當(dāng)基體內(nèi)出現(xiàn)第一條隱微裂縫并進(jìn)一步發(fā)展時，如果纖維的拉出抵抗力大于出現(xiàn)第一條裂縫時的荷載，則纖維能承受更大的荷載，纖維的存在就阻止了隱微裂縫發(fā)展成宏觀裂縫的可能。

3、 2.3 抗?jié)B性 纖維作為增強(qiáng)材料，可以有效控制水泥基復(fù)合材料的早期干縮微裂以及離析裂紋的產(chǎn)生及發(fā)展，減少材料的收縮裂縫尤其是連通裂縫的產(chǎn)生。另外，纖維起了承托骨料的作用，降低了材料表面的析水現(xiàn)象與集料的離析，有效地降低了材料中的孔隙率，避免了連通毛細(xì)孔的形成，提高了水泥基復(fù)合材料的抗?jié)B性。 2.4 抗沖擊及抗變形性能 在纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料受拉（彎）時，即使基體中已出現(xiàn)大量的分散裂縫，由于增強(qiáng)纖維的存在，基體仍可承受一定的外荷并具有假延性，從而使材料的韌性與抗沖擊性得以明顯提高。 2.5 抗凍性纖維可以緩解溫度變化而引起的水泥基復(fù)合材料內(nèi)部應(yīng)力的作用，從而防止水泥固化過程中微裂紋的形成和擴(kuò)

4、散，提高材料的抗凍性；同時，水泥基復(fù)合材料抗?jié)B能力的提高也有利于其抗凍能力的提高。 纖維的纖維摻量對混凝土強(qiáng)度的影響很大 合成纖維可有效地控制由混凝土內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫，使混凝土早期收縮裂縫減少5090%，顯著提高混凝土的抗?jié)B性和耐久性，使混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕時間推遲2.5倍。除抗裂外，合成纖維還能提高混凝土的粘聚性和抗碎裂性。 以聚丙烯合成纖維為例 摻入聚丙烯合成纖維后，混凝土的性能將發(fā)生變化，當(dāng)纖維含量適當(dāng)時，混凝土抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等均有不同程度的提高。纖維摻量對混凝土強(qiáng)度的影響見下表。摻入聚丙烯纖維后混凝土的性能影響：項(xiàng)目抗壓強(qiáng)度（Mpa）抗折強(qiáng)度（Mpa）劈裂抗拉強(qiáng)度（Mpa）砂漿軸心抗拉

5、強(qiáng)度（Mpa）普通混凝土28.54.412.03.741纖維混凝土39.65.092.173.986強(qiáng)度增減%+28.0%+13.3%+8.5%+7.1%三、幾種主要增強(qiáng)型水泥基復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀目前，常用于增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的纖維，主要包括鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維，聚乙烯醇纖維等。 3.1 鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料 鋼纖維 是發(fā)展最早的一種增強(qiáng)用水泥基復(fù)合材料纖維。早在 1910 年美國 Porter 就提出了把鋼纖維均勻地撒入混凝土中以強(qiáng)化材料的設(shè)想，隨后俄國學(xué)者伏·波·涅克拉索夫首先提出了鋼纖維增強(qiáng)混凝土的概念。1963 年美國學(xué)者發(fā)表了一系列研究成果， 從理論上闡述

6、了鋼纖維對水泥基復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)理。我國對鋼纖維的應(yīng)用研究相對于其它幾種纖維也比較早 。目前，鋼纖維水泥基復(fù)合材料因其具有高抗拉強(qiáng)度和彈性模量而得到廣泛應(yīng)用，但其價(jià)格較貴、且在基體中不易于分散。 3.2 碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料 碳纖維 是 20 世紀(jì) 60 年代開發(fā)研制的一種高性能纖維，具有超高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、與水泥基復(fù)合材料粘結(jié)良好等優(yōu)點(diǎn)。與鋼纖維相比較，碳纖維具有勝過鋼材的剛度和強(qiáng)度的優(yōu)良性能，碳纖維體積摻量為 3%的水泥基復(fù)合材料與基準(zhǔn)水泥基復(fù)合材料相比，彈性模量增加 2 倍，拉伸強(qiáng)度增加5 倍。碳纖維的主要缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，最近幾年開發(fā)的瀝青基短碳纖維已使它們的價(jià)格

7、大為下降，但是與其它纖維比較，其價(jià)格仍然高得多，限制了其應(yīng)用。3.3 玻璃纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料玻璃纖維 因其具有抗拉強(qiáng)度高、彈性模量高的特點(diǎn)，被廣泛用于鋪設(shè)水泥基復(fù)合材料路面等方面，在 20 世紀(jì) 70 年代，玻璃纖維在混凝土中的應(yīng)用就已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，但關(guān)于玻璃纖維混凝土的物理性能方面開展的研究較少，這是因?yàn)椴ＡЮw維水泥基復(fù)合材料在新拌水泥基復(fù)合材料中不易亂向分散且易受損傷，從而降低了材料強(qiáng)度，同時也存在污染環(huán)境的問題。氣中一段時間后，其強(qiáng)度和韌性會有大幅度下降。纖維水泥基復(fù)合材料會由早期的高強(qiáng)度、高韌性向普通水泥基復(fù)合材料退化，長期使用時會使得水泥基復(fù)合材料強(qiáng)度下降。目前，玻璃纖維水泥基復(fù)合材料多應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固等方面。3.4 PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料 PVA纖維 是指聚乙烯醇纖維 ,也稱之為維綸。以PVA為主要原料,運(yùn)用新型紡絲工業(yè)開發(fā)制成的高強(qiáng)高彈模PVA纖維和水溶性PVA纖維,通常稱為新型PVA纖維。 現(xiàn)階段研究的PV