陈婷-纤维增强水泥基复合材料ppt课件.ppt

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、一、FRC （fiber reinforced cement base material）材料的概述材料的概述 纤维增强水泥基复合材料（纤维增强水泥基复合材料（FRC)FRC)是以水泥与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。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折强度以及断裂能较未增强的水泥基体有明显的提高。提高。普通水泥钢纤维（钢纤维（RC）、玻璃纤维（）、玻璃纤维（RC） 碳纤维（碳纤维（RC） 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。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，纤维的在纤维增强水泥基复合材料中，纤维的主要作用在于主要作用在于阻止微裂缝的扩展阻止微裂缝的扩展，具体表，具体表现在提高复合材料的现在提高复合材料的抗拉、抗裂、抗渗及抗拉、抗裂、抗渗及抗冲击、抗冻性抗冲击、抗冻性等。等。 2.1 抗拉强度抗拉强度 在水泥基复合材料（在水泥基复合材料（FRC）受力过程中纤受力过程中纤维与基体共同受力变形，纤维的牵连作用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使基体裂而不断并能进一步承受载荷，可，可使水泥基材的抗拉强度得到充分保证；当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合适时，可使复合材料的抗拉强度有明显的提高。的提高。水泥基断裂水泥基断裂2.2 抗裂性抗裂性 在水泥基复合材料新拌的初期，增强在水泥基复合材料新拌的初期，增强纤维纤维就就能构成一种网状承托体系能构成一种网状承托体系，产生有效的二级加强，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，则纤维能承受更大于出现第一条裂缝时的荷载，则纤维能承受更大的荷载，的荷载，纤维的存在就阻止了隐微裂缝发展成宏纤维的存在就阻止了隐微裂缝发展成宏观裂缝的可能观裂缝的可能。2.3 抗渗性抗渗性 纤维作为增强材料，可以纤维作为增强材料，可以有效控制水泥基复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，有效地面的析水现象与集料的离析，有效地降低了材料降低了材料中的孔隙率，避免了连通毛细孔的形成中的孔隙率，避免了连通毛细孔的形成，提高了，提高了水泥基复合材料的抗渗性。水泥基复合材料的抗渗性。2.4 抗冲击及抗变形性能抗冲击及抗变形性能 在纤维增强水泥基复合材料受拉（弯）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，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。与抗冲击性得以明显提高。 纤维增强水泥基复合材料纤维增强水泥基复合材料受力弯曲时受力弯曲时 典型的典型的荷载荷载-挠度曲线挠度曲线2.5 抗冻性抗冻性 纤维可以缓解温度变化而引起的水泥基复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。力的提高也有利于其抗冻能力的提高。三三、纤维增强水泥基复合材料的纤维增强水泥基复合材料的制备工艺制备工艺 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包括各种纤维增强水泥净浆各种纤维增强水泥净浆、增强砂浆增强砂浆、增强混凝土增强混凝土三个方面，统称为纤维增强水三个方面，统称为纤维增强水泥基复合材料泥基复合材料(FRC)。钢纤钢纤SFRC（Steel ）原材料选择和配合比原材料选择和配合比 原材料选择原材料选择 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原材料的配合比设计1)水泥水泥 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1/22/3。经常选最大粒径D为1520mm，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)细集料细集料 粒径为0.15-5mm，一般用河砂，含泥量不大于3%。4)水水 采用洁净的淡水，避免钢纤维的腐蚀。5)钢纤维钢纤维 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2530mm，有时选35mm，长径比为6070。 对流浆浸溃纤维增强混凝土，纤维长径比可达100200mm。 6)减水剂减水剂 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原材料选择和配合比设计设计 以上配以上配合合比设计的原理比设计的原理 钢纤钢纤维混凝维混凝土配合比设计与普通土配合比设计与普通混凝土混凝土有诸有诸多共同之处，即需要满足强度、工作性与耐久性多共同之处，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的要求，但钢纤维混凝土配合比设计有其自身独特之处。特之处。 1）钢纤维混凝土配合比设计应同时满足抗压与）钢纤维混凝土配合比设计应同时满足抗压与抗拉抗拉(或抗弯或抗弯)两项力学性能指标的要求，通常采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用依据抗压强度计算水灰比和依据抗拉(或抗弯或抗弯)强度计算纤维体积率的双控方法。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）因钢纤维在混凝土混合料中交叉搭接，接，对混凝对混凝土混合料的流动性产生极大阻土混合料的流动性产生极大阻力，通常使其稠度显著力，通常使其稠度显著增大增大，故不能用坍，故不能用坍落度来评定工作性的优劣，落度来评定工作性的优劣，因为因为很干硬很干硬(坍坍落度接近于零落度接近于零)的钢纤维混凝土混合料，经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，工振动后破坏了钢纤维交叉搭接的结构，工作性会变为良好。作性会变为良好。3.2 纤维的均匀分散工艺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钢纤维在混凝土基体中的均匀分散技术 1)采用工艺措施采用工艺措施 先干后湿的搅拌工艺。先干后湿的搅拌工艺。 湿拌工艺。湿拌工艺。 分段分段加料与搅拌工艺。加料与搅拌工艺。 2)采用机械措施采用机械措施 纤维分散机与卧轴搅拌机组合。分散机与自纤维分散机与卧轴搅拌机组合。分散机与自由落体式搅拌机组合。纤维分散机与涡桨式搅由落体式搅拌机组合。纤维分散机与涡桨式搅拌机组合。纤维分散机与涡桨式搅拌机组合。拌机组合。纤维分散机与涡桨式搅拌机组合。钢纤维用水溶胶黏结成排。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微细纤维增强水泥基复合材料的均匀分散工艺工艺 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 成型成型工艺工艺钢钢纤维水泥基复合材料的纤维水泥基复合材料的成型工艺成型工艺 1)振动成型工艺振动成型工艺 a.外外部部振动振动 b.内内部振动部振动 2)射成型工艺射成型工艺 a.钢钢纤维混凝土喷射成型方式纤维混凝土喷射成型方式 b.混混凝土成型质量凝土成型质量 3)挤压成型工艺挤压成型工艺 4)钢纤维棍凝土的灌浆浸渍成型工艺钢纤维棍凝土的灌浆浸渍成型工艺 合合成纤维可有效地控制由混凝土内应力产生的裂缝，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使混凝土早期收缩裂缝减少5090%，显著提高混凝土的，显著提高混凝土的抗渗性抗渗性和和耐久性耐久性，使混凝土内钢筋锈蚀时间推迟，使混凝土内钢筋锈蚀时间推迟2.5倍。倍。除抗裂外，合成纤除抗裂外，合成纤维还能维还能提高混凝土的提高混凝土的粘聚性粘聚性和和抗碎裂性抗碎裂性。 以聚丙烯合成纤维为例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、几种主要四、几种主要FRC材料的应用现状材料的应用现状 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增强水泥基复合材料 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增强水泥基复合材料 因其具有抗拉强度高、弹性模量高的特点，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被广泛用于铺设水泥基复合材料路面等方面，在，在 20 世纪世纪 70 年代，玻璃纤维在混凝土中的应用就已实现了工业化年代，玻璃纤维在混凝土中的应用就已实现了工业化，但关，但关于玻璃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环境的问题。气中一段时间后，其强度和韧性会有大幅度下。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。等方面。4.4 PVA纤维增强水泥基复合材料纤维增强水泥基复合材料 PVA纤维纤维 是指聚乙烯醇纤维是指聚乙烯醇纤维 ,也称之为维纶。也称之为维纶。以以PVA为主要原料为主要原料,运用新型纺丝工业开发制成的运用新型纺丝工业开发制成的高强高弹模高强高弹模PVA纤维和水溶性纤维和水溶性PVA纤维纤维,通常称为通常称为新型新型PVA纤维。纤维。 现阶段现阶段研究的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很大效果。4.5 合成纤维增强水泥基复合材料合成纤维增强水泥基复合材料 成本不高成本不高，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增强水泥基复合材料 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（Environment Conscious Materials）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及其以外的及其以外的 水水泥基泥基材料的应用材料的应用 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、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、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、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。智能型智能型 掺入配制好的新型智能化混凝土的特殊组分，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、损伤报它将赋予混凝土调温、调湿、自动变色、损伤报警等功能。警等功能。 1、交通导航混凝土、交通导航混凝土在混凝土中掺入直径为0.1m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。碳纤维的掺入量一般在0.5%左右。 2、损伤自诊断混凝土、损伤自诊断混凝土在一些重要的建筑物上，常常设置各种传感器对构件的变形、断裂进行监控。一种新的监控方法是利用混凝土本身成为传感器。因而，可以使监控更廉价，更易于实施，更耐久。具体做法：将一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入水泥基材料中，可以使材料具有自感知内部应力、应变和损伤程度的功能。通过对材料的宏观行为和微观结构变化的观测，发现水泥基复合材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的。 3、调湿混凝土、调湿混凝土在混凝土中掺入沸石粉可制备能自动调节环境湿度的水泥基复合材料调湿混凝土，该混凝土可对室内环境的湿度进行调控，为调湿混凝土带来调节环境湿度功能的关键组分是沸石粉。调湿混凝土的机理：沸石粉中的硅酸盐含有一定量的39的孔隙，这些孔隙可以对环境的水份和一些气体产生吸附作用，当环境条件发生变化时，孔隙中的含水率也将发生变化。 4、温度自监控混凝土、温度自监控混凝土将适量5mm长的短切碳纤维掺入水泥基材料中，会使混凝土产生热电效应。资料表明：在最高温度为70、最大温差为15的范围内，电动势E与温差t之间具有良好稳定的线性关系。如图，随养护龄期延长，温差电动势率趋于稳定。电动势 5、仿生自愈合混凝土、仿生自愈合混凝土 受受一些生物组织在受到外界伤害之后，能自动分泌出一些一些生物组织在受到外界伤害之后，能自动分泌出一些物质，形成一些愈合组织，使受到损伤的部位得以修复的物质，形成一些愈合组织，使受到损伤的部位得以修复的启发启发，研制成了自愈合混凝土。它是将，研制成了自愈合混凝土。它是将内内含黏合剂含黏合剂的空心的空心玻璃纤维或胶囊掺入水泥基材料中，一旦水泥基复合材料玻璃纤维或胶囊掺入水泥基材料中，一旦水泥基复合材料在外力作用下发生开裂，空心玻璃纤维或胶囊就会破裂而在外力作用下发生开裂，空心玻璃纤维或胶囊就会破裂而释放黏合剂，黏合剂流释放黏合剂，黏合剂流向开裂处，使之重向开裂处，使之重新黏结新黏结起来，起起来，起到愈合损伤的效果。到愈合损伤的效果。 仿生自愈合水泥基复合材仿生自愈合水泥基复合材料的料的自愈合机理示意图 人类智慧的力量是无限的，希望不久的将来，在座中有佼佼者，能够运用自己的智慧设计出更新颖的、实用的复合材料，引领时代潮流，引领时代潮流，打造精致生活。打造精致生活。谢谢观赏