纤维强化水泥基复合材料的发展现状及应用

纤维强化水泥基复合材料的发展现状及应用作者：李可韩志强孔彬彬纤维强化水泥基复合材料一、概述二、力学性能三、制备工艺四、发展现状一、纤维强化水泥基复合材料的概述纤维增强水泥基复合材料（FRC)是由水泥净浆、砂浆或水泥混凝土作基材，以非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。纤维在其中起着阻止水泥基体中微裂缝的扩展和跨越裂缝承受拉应力的作用，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。一、纤维强化水泥基复合材料的概念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。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。世界上许多国家在二十世纪二、三十年代已着手墙体材料改革，逐步推进墙体材料的环保化，严格限制粘土砖（制品）的生产与使用，大力推广各种非粘土类制品及大尺寸的块材与板材。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抗拉强度内部缺陷是水泥基复合材料破坏的主要因素，任意分布的短切纤维在复合材料硬化过程中改变了其内部结构，减少了内部缺陷，提高了材料的连续性。在水泥基复合材料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。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。2.2抗裂性宏观上看，当基体材料受到应力作用产生微裂缝后，纤维能够承担因基体开裂转移给它的应力，基体收缩产生的能量被高强度、低弹性模量的纤维所吸收，有效增加了材料的韧性，提高了其初裂强度、延迟了裂缝的产生，同时，纤维的乱向分布还有助于减弱水泥基复合材料的塑性收缩及冷冻时的张力。研究表明，体积掺量0.05%的杜拉纤维混凝土抗裂能力提高近70%。2.3抗渗性内部孔隙率、孔分布和孔特征是影响水泥基复合材料抗渗性的主要因素。以纤维作为增强材料，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。试验表明，0.05%体积掺量的杜拉纤维混凝土比普通混凝土的抗渗能力提高了60%~70%。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。孙家瑛等试验发现，聚丙烯纤维体积掺量为0.1%~0.2%时，水泥基复合材料的抗冲击性能较对照试样分别提高了20%~25%。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。在水泥基复合材料中加入聚丙烯、玻璃等纤维的研究表明，纤维的加入，可作为一种有效的水泥基复合材料温差补偿抗裂手段。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)。它们在制备工艺上有诸多共同之处，又各有其特点，其中钢纤维混凝土是国内外研究最多、应用最广、技术上最成熟的一种水泥基复合材料，其制备工艺包括有原材料优选，配合比设计及搅拌、成型、养护等三个基本过程。3.1原材料选择和配合比设计1.钢纤维混凝土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)。为保证钢纤维对混凝土基体有良好的增强、增韧和阻裂效果，使钢纤维馄凝土混合料具有合适的工作性，优选原材料十分重要。3.1原材料选择和配合比设计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(11)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。3.1原材料选择和配合比设计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(SIFCON)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2.钢纤维混凝土配合比设计原理与方法钢纤维馄凝土配合比设计与普通混授土有诸多共同之处，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。3.1原材料选择和配合比设计2）因钢纤维在混凝土混合料中交叉搭接，对棍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。因此，现场钢纤维混凝土混合料的工作性常用Pn(e)表示。3.1原材料选择和配合比设计3.钢纤维混凝土配合比设计要点与过程主要通过设计计算，参考已有经验资料，经试配最后确定。1)确定W/C钢纤维混凝土的抗折强度明显地随Vflf/df的增大而提高，但抗压强度提高的幅度则较小，即钢纤维的特征参数对抗压强度的影响远不如对抗拉、抗折强度那么明显，而W/C对抗压强度的影响则十分显著，故可用W/C定则确定抗压强度。即3.1原材料选择和配合比设计碳纤维混凝土抗压强度，；水泥的活性，；常数。cCARBWcR,ABaMPaMP3.1原材料选择和配合比设计对粗集料为碎石时，则对粗集料为卵石时，则计算的W/C应满足耐久性要求。0.46,0.52AB0.48,0.61AB/0.46/0.239ccWCRR/0.48/0.293ccWCRR3.1原材料选择和配合比设计2)确定单位用水量影响钢纤维混凝土单位用水量的主要因素有混合料的工作性、粗集料品种、最大粒径、砂子细度模数及钢纤维体积率(Vf)等。钢纤维混凝土混合料的工作性用Vb来表示，它与坍落度的关系为表示坍落度。250.651bTVT3.1原材料选择和配合比设计①对碎石kg式中:单位加水量，；维勃稠度，；细集料细度模数；钢纤维体积率，。s%0WbVxMfV0max169.50.7687.5815.91/15.4bfxWVMDV3.1原材料选择和配合比设计②对卵石当掺有减水剂时，用代表减水率，则单位用水量为0max171.070.6537.5400/15.4bfxWVMDV01WW3.1原材料选择和配合比设计3)确定水泥用量当W/C及单位水泥用量确定之后，即可用下式计算钢纤维棍凝土单位水泥用量4)含砂率的选择钢纤维混凝土的含砂率要比普通混凝土高。它不仅对钢纤维棍凝土混合料的工作性有影响，而且对提高其密实性、增进钢纤维与混凝土基体的界面黏结性等诸多性能均有影响。3/kgm/WCWC3.1原材料选择和配合比设计5)钢纤维体积率的选择钢纤维的掺人主要提高混凝土的杭折、抗拉强度及韧性，经常以抗折强度为指标进行计算：式中：钢纤维混凝土的抗弯强度，。6）粗、细集料的计算由含砂率公式，按绝对体积法或假定容重法计算粗，细集料用量。100/3.020/2.470/9.030/cbfffcVRCWldcbpSSSGaMP3.2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。3.2纤维的均匀分散工艺2.微细纤维增骚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)0mni搅拌机与有机纤维素纤维、消泡剂复合分散纤维4)硅灰、表面活性剂及其复合物分散纤维3.3成型工艺原理与方法1.钢纤维水泥基复合材料的成型工艺1)振动成型工艺(1)外部振动(2)内部振动2)射成型工艺(1)钢纤维混凝土喷射成型方式(2)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4、发展现状目前，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、玻璃纤维等。有关纤维的物理性能数据见表1。4.1PVA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。日本用高新纺丝技术成功开发了高强PVA,强度达到21.1Cn/dtex,2000年总产达2.5万吨;日本公司开发的K—II高强高弹模PVA纤维强度达到22cN/dtex,这次所开发的PVA纤维与从前的水泥增强材料,在性质方面不同,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。4.2刚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Romuldi等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。赵国藩等人出版的《钢纤维混凝土结构》中，对组成材料与工艺特性、基本性能、结构强度计算、抗剪承载力计算、复杂应力下钢纤维混凝土的性能和计算、正常使用极限状态验算方法以及其应用施工等内容都作了较完整的说明。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、比重大且在基体中不易于分散。4.3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