陈婷-纤维增强水泥基复合材料

纤维增强水泥基复合材料演讲人：陈婷纤维增强水泥基复合材料一、概述二、力学性能三、制备工艺四、发展现状一、FRC（fiberreinforcedcementbasematerial）材料的概述纤维增强水泥基复合材料（FRC)是以水泥与水发生水化、硬化后形成的硬化水泥浆体作为基体，以不连续的短纤维或连续的长纤维作增强材料组合而成的一种复合材料。普通混凝土在受荷载之前内部已有大量微观裂缝，在不断增加的外力作用下，这些微裂缝会逐渐扩展，并最终形成宏观裂缝，导致材料破坏。加入适量的纤维之后，纤维对微裂缝的扩展起阻止和抑制作用，因而使复合材料的抗拉与抗折强度以及断裂能较未增强的水泥基体有明显的提高。普通水泥•石子分散于硬化砂浆、砂分散于水泥石、未水化水泥颗粒分散于水泥水化产物中、晶体分散于凝胶体中。钢纤维（ＳＦRC）、玻璃纤维（ＧＦRC）碳纤维（ＣＦRC）•短切碳纤维•耐热钢纤维•随着人们生活水平的提高和住宅环境的日益改善，人们对住宅的美观及诸多功能提出了更加苛刻的要求。因此，对非承重功能性材料进行改革将是现代建筑中墙体材料改革的大势所趋。早期纤维水泥外墙挂板纤维强化水泥基复合材料的介绍纤维增强水泥基复合材料包括结构材料和非结构材料。结构材料大都用于建筑物墙体和构件的承重结构中，非结构材料则主要用做装饰性材料和非承重功能性材料。结构材料：悉尼歌剧院天津彩虹桥合成纤维FRC非结构材料水泥雕塑GFRC窗户框架角花罗马柱盆花装饰性非结构材料线条二、纤维强化水泥基复合材料的力学性能在纤维增强水泥基复合材料中，纤维的主要作用在于阻止微裂缝的扩展，具体表现在提高复合材料的抗拉、抗裂、抗渗及抗冲击、抗冻性等。2.1抗拉强度•在水泥基复合材料（FRC）受力过程中纤维与基体共同受力变形，纤维的牵连作用使基体裂而不断并能进一步承受载荷，可使水泥基材的抗拉强度得到充分保证；当所用纤维的力学性能、几何尺寸与掺量等合适时，可使复合材料的抗拉强度有明显的提高。水泥基断裂2.2抗裂性在水泥基复合材料新拌的初期，增强纤维就能构成一种网状承托体系，产生有效的二级加强效果，从而有效的减少材料的内分层和毛细腔的产生；在硬化过程中，当基体内出现第一条隐微裂缝并进一步发展时，如果纤维的拉出抵抗力大于出现第一条裂缝时的荷载，则纤维能承受更大的荷载，纤维的存在就阻止了隐微裂缝发展成宏观裂缝的可能。2.3抗渗性纤维作为增强材料，可以有效控制水泥基复合材料的早期干缩微裂以及离析裂纹的产生及发展，减少材料的收缩裂缝尤其是连通裂缝的产生。另外，纤维起了承托骨料的作用，降低了材料表面的析水现象与集料的离析，有效地降低了材料中的孔隙率，避免了连通毛细孔的形成，提高了水泥基复合材料的抗渗性。2.4抗冲击及抗变形性能在纤维增强水泥基复合材料受拉（弯）时，即使基材中已出现大量的分散裂缝，由于增强纤维的存在，基体仍可承受一定的外荷并具有假延性，从而使材料的韧性与抗冲击性得以明显提高。纤维增强水泥基复合材料受力弯曲时典型的荷载-挠度曲线2.5抗冻性•纤维可以缓解温度变化而引起的水泥基复合材料内部应力的作用，从而防止水泥固化过程中微裂纹的形成和扩散，提高材料的抗冻性；同时，水泥基复合材料抗渗能力的提高也有利于其抗冻能力的提高。三、纤维增强水泥基复合材料的制备工艺纤维增强水泥基复合材料的制备工艺包括各种纤维增强水泥净浆、增强砂浆、增强混凝土三个方面，统称为纤维增强水泥基复合材料(FRC)。钢纤SFRC（Steel）原材料选择和配合比原材料选择组成钢纤维混凝土的材料主要有水泥、细集料、粗集料、水、钢纤维、高效减水剂，有时为改善钢纤维混凝土的性能，需掺加矿物掺和料(如硅灰、粉煤灰等)。原材料的配合比设计1)水泥基体强度、纤维与基体间界面黏结强度均与水泥标号密切相关。一般采用425号硅酸盐水泥、普通水泥或矿渣水泥，对钢纤维高强混凝土应选525号硅酸盐水泥。2)粗集料为提高纤维的作用，粗集料最大粒径D应为纤维长度的1/2~2/3。经常选最大粒径D为15~20mm，但不大于20mm。并选用石灰岩和其他火成岩，含泥量不大于1%。3)细集料粒径为0.15-5mm，一般用河砂，含泥量不大于3%。4)水采用洁净的淡水，避免钢纤维的腐蚀。5)钢纤维可采用钢丝切断纤维、低碳钢板切削纤维、钢锭切削纤维；在外形上可选扭曲形、端钩形、墩头形、刻痕形等各种异型纤维。纤维长度一般为25~30mm，有时选35mm，长径比为60~70。对流浆浸溃纤维增强混凝土，纤维长径比可达100~200mm。6)减水剂为降低水灰比(W/C)，改善工作性，简化工艺过程，提高钢纤维混凝土强度和性能，可优选质量好的高效减水剂或塑化剂。7)活性矿物掺和料宜选合适的粉煤灰。3.1原材料选择和配合比设计以上配合比设计的原理钢纤维混凝土配合比设计与普通混凝土有诸多共同之处，即需要满足强度、工作性与耐久性的要求，但钢纤维混凝土配合比设计有其自身独特之处。1）钢纤维混凝土配合比设计应同时满足抗压与抗拉(或抗弯)两项力学性能指标的要求，通常采用依据抗压强度计算水灰比和依据抗拉(或抗弯)强度计算纤维体积率的双控方法。•2）因钢纤维在混凝土混合料中交叉搭接，对混凝土混合料的流动性产生极大阻力，通常使其稠度显著增大，故不能用坍落度来评定工作性的优劣，因为很干硬(坍落度接近于零)的钢纤维混凝土混合料，经振动后破坏了钢纤维交叉搭接的结构，工作性会变为良好。3.2纤维的均匀分散工艺1.钢纤维在混凝土基体中的均匀分散技术1)采用工艺措施①先干后湿的搅拌工艺。②湿拌工艺。③分段加料与搅拌工艺。2)采用机械措施①纤维分散机与卧轴搅拌机组合。②分散机与自由落体式搅拌机组合。③纤维分散机与涡桨式搅拌机组合。④纤维分散机与涡桨式搅拌机组合。⑤钢纤维用水溶胶黏结成排。2.微细纤维增强水泥基复合材料的均匀分散工艺1)采用专制的纤维分散机2)采用奥姆尼(0mni)搅拌机分散3)采用0mni搅拌机与有机纤维素纤维、消泡剂复合分散纤维4)采用硅灰、表面活性剂及其复合物分散纤维3.3成型工艺钢纤维水泥基复合材料的成型工艺1)振动成型工艺a.外部振动b.内部振动2)射成型工艺a.钢纤维混凝土喷射成型方式b.混凝土成型质量3)挤压成型工艺4)钢纤维棍凝土的灌浆浸渍成型工艺•纤维的纤维掺量对混凝土强度的影响很大•合成纤维可有效地控制由混凝土内应力产生的裂缝，使混凝土早期收缩裂缝减少50～90%，显著提高混凝土的抗渗性和耐久性，使混凝土内钢筋锈蚀时间推迟2.5倍。除抗裂外，合成纤维还能提高混凝土的粘聚性和抗碎裂性。•以聚丙烯合成纤维为例•掺入聚丙烯合成纤维后，混凝土的性能将发生变化，当纤维含量适当时，混凝土抗压强度、抗弯强度等均有不同程度的提高。纤维掺量对混凝土强度的影响见下表。掺入聚丙烯纤维后混凝土的性能影响项目抗压强度（Mpa）抗折强度（Mpa）劈裂抗拉强度（Mpa）砂浆轴心抗拉强度（Mpa）普通混凝土28.54.412.03.741纤维混凝土39.65.092.173.986强度增减%+28.0%+13.3%+8.5%+7.1%四、几种主要FRC材料的应用现状•目前，常用于增强水泥基复合材料的纤维，主要包括钢纤维、碳纤维、玻璃纤维，聚乙烯醇纤维等。•有关纤维的物理性能数据见下表1。4.1钢纤维增强水泥基复合材料钢纤维是发展最早的一种增强用水泥基复合材料纤维。早在1910年美国Porter就提出了把钢纤维均匀地撒入混凝土中以强化材料的设想，随后俄国学者伏·波·涅克拉索夫首先提出了钢纤维增强混凝土的概念。1963年美国学者发表了一系列研究成果，从理论上阐述了钢纤维对水泥基复合材料的增强机理。我国对钢纤维的应用研究相对于其它几种纤维也比较早。目前，钢纤维水泥基复合材料因其具有高抗拉强度和弹性模量而得到广泛应用，但其价格较贵、且在基体中不易于分散。4.2碳纤维增强水泥基复合材料碳纤维是20世纪60年代开发研制的一种高性能纤维，具有超高的抗拉强度和弹性模量、化学性质稳定、与水泥基复合材料粘结良好等优点。与钢纤维相比较，碳纤维具有胜过钢材的刚度和强度的优良性能，碳纤维体积掺量为3%的水泥基复合材料与基准水泥基复合材料相比，弹性模量增加2倍，拉伸强度增加5倍。碳纤维的主要缺点是价格昂贵，最近几年开发的沥青基短碳纤维已使它们的价格大为下降，但是与其它纤维比较，其价格仍然高得多，限制了其应用。4.3玻璃纤维增强水泥基复合材料•玻璃纤维因其具有抗拉强度高、弹性模量高的特点，被广泛用于铺设水泥基复合材料路面等方面，在20世纪70年代，玻璃纤维在混凝土中的应用就已实现了工业化，但关于玻璃纤维混凝土的物理性能方面开展的研究较少，这是因为玻璃纤维水泥基复合材料在新拌水泥基复合材料中不易乱向分散且易受损伤，从而降低了材料强度，同时也存在污染环境的问题。气中一段时间后，其强度和韧性会有大幅度下降。纤维水泥基复合材料会由早期的高强度、高韧性向普通水泥基复合材料退化，长期使用时会使得水泥基复合材料强度下降。目前，玻璃纤维水泥基复合材料多应用于结构加固等方面。4.4PVA纤维增强水泥基复合材料PVA纤维是指聚乙烯醇纤维,也称之为维纶。以PVA为主要原料,运用新型纺丝工业开发制成的高强高弹模PVA纤维和水溶性PVA纤维,通常称为新型PVA纤维。现阶段研究的PVA纤维不只增加强度,而且对混凝土还具有粘接性,使得耐震性和耐冲击性提高,混凝土的断裂和片状剥落现象这些弱点也难以发生。而且,具有防止水向混凝土内的浸入性质,防止混凝土中性化,对防止钢筋的腐蚀也有很大效果。4.5合成纤维增强水泥基复合材料合成纤维成本不高，结构和性能可变度大，具有较高的性价比，20世纪80年代以来，在国外已得到了广泛的研究和应用。中国研究并成功地开发了能有效控制非结构裂缝的合成纤维混凝土，经上海东方明珠电视塔、地铁1号线、石化总厂及8万人体育场等重大工程的实际应用，都取得了满意的效果。目前用于增强水泥基复合材料的合成纤维有：聚酯类纤维、聚酰胺类纤维（尼龙）、聚乙烯类纤维、聚丙烯纤维等。其中聚丙烯纤维耐酸碱，干湿态纤维强度无变化、比重小，价格便宜，与水泥的结合性较好，能减少水泥基复合材料原生裂隙尺度，增强其抗裂能力，积极有效地改善其耐久性，且工作机理简单，适用性广泛，在工程界受到了越来越多的关注。4.6天然植物纤维增强水泥基复合材料•天然植物纤维作为水泥增强材料始于20世纪初期，当时是用它制成木浆纤维来代替石棉以生产纤维水泥板。进入20世纪80年代以来，资源短缺，能源匮乏，生态环境恶化等诸多问题的出现使得人们对天然植物纤维这类可再生、无污染材料产生极大兴趣和关注，由此就提出了环境协调材料（EnvironmentConsciousMaterials）的概念。世界各国尤其一些发展中国家也由此开始热衷于研究和开发使用天然植物纤维作水泥砂浆的增强材料，以探索用植物纤维增强水泥来制作廉价的建房材料。FRC及其以外的水泥基材料的应用•功能型•可赋予混凝土特殊功能，如防辐射、防静电、补偿收缩、防水、耐磨、保温隔热等功能。•目前已加入应用的有•1、导电混凝土•将传统混凝土与石墨、碳纤维、钢纤维等复合，可使混凝土具有导电功能。导电混凝土主要是应用在北方寒冷地区的公路路面、铁路站台和机场跑道的除冰。•2、屏蔽电磁辐射混凝土•水泥材料本身既不能反射也不能吸收电磁波，但掺入功能性组分后，可使水泥基材料具有屏蔽电磁波的功能。•电磁波屏蔽水泥基复合材料大都是通过吸收电磁波来实现屏蔽功能的。一般是通过掺加导电粉末、导电纤维或导电絮片，使水泥基复合材料具有吸收电磁波的功能。•3、屏蔽磁场混凝土•在混凝土中加入钢丝网的方法，可以使混凝土具有屏蔽磁场的功能。钢丝网可以有效屏蔽磁场，但却严重影响了混凝土的施工。在混凝土中掺加足够的钢质曲别针也可使混凝土有良好的屏蔽磁场作用。智能型掺入配制好的新型智能化混凝土的特殊组分，它将赋予混凝土调温、调湿、自动变色、损伤报警等功能。•1、交通导航混凝土•在混凝土中掺入直径为0.1μm的碳纤维微丝可使混凝土具有反射电磁波的性能。这种技术被广泛用于桥梁的导航。碳纤维的掺入量