纤维增强水泥基复合材料研究进展.pdf

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1、2 0 0 7年 第8期（总 第 2 1 4期）N u m b e r 8 i n 2 0 0 7（T o t a l N o.2 1 4）混凝土C o n c r e t e贾哲，姜波，程光旭，杨晓冰（西安交通大学 能源与动力工程学院，陕西 西安 7 1 0 0 4 9）A b s t r a c t：T h e r e s e a r c h p r o g r e s s a b o u t m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f f i b e r s，s u c h a s s t e e l f i b e r，c a r b o n

2、 f b e r g l a s s f i b e r，p o l y p r o p y l e n e f i b e r，a n d n a t u r a lp l a n t f i b e r s，r e i n f o r c e d c e m e n t b a s e d c o m p o s i t e s w a s r e v i e w e d，t h e m e c h a n i s mo f t h e m a t e r i a l w a s s t u d i e d，a n d t h e r e i n f o r c e d m e a s u

3、 r e s w e r e d i s c u s s e d.T h e e f f e c t o f f i b e r s o n c e m e n t b a s e d c o m p o s i t e s w a s s u m m a r i z e d.E s p e c i a l l y，t h e p r o p e r t i e s o f s i s a l a n d s i s a l f i b e r r e i n f o r c e d m a t e r i a l w e r e i n d i c a t e d.I t i sc o n

4、s i d e r e d t h a t t h e r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f s i s a l-r e i n f o r c e d c e m e n t b a s e d c o m p o s i t e s w i l l b e p a i d m o r e a t t e n t i o n a n d h a v e i t s s i g n a l i t i e s.K e ywo r d s：c e m e n t b a s e d c o m p o s i t e s；s t e e

5、l f i b e r；c a r b o n f i b e r；g l a s s f i b e r；p o l y p r o p y l e n e f i b e r；s i s a l f i b e r摘要：综述了国内外不同种纤维如钢纤维、碳纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维以及天然植物纤维对水泥基复合材料强度、韧性、抗裂等力学性能的增强效果；分析了纤维增强水泥基复合材料的增强机理及作用。对常用的增强纤维的性能作了对比，通过对剑麻纤维增强水泥基复合材料的研究，认为将剑麻纤维应用于水泥基复合材料前景广泛，意义重大。关键词：水泥基复合材料；钢纤维；碳纤维；玻璃纤维；聚丙烯纤维；剑麻纤维中图

6、分类号：T U 5 2 8.5 8文献标志码：A文章编号：1 0 0 2-3 5 5 0-（2 0 0 7）0 8-0 0 6 5-0 4R e s e a r c hp r o g r e s s o f f i b e r s r e i n f o r c e dc e me n t b a s e dc o mp o s i t e sJ I AZ h e，J I A N GB o，C H E N GG u a n g-x u，Y A N GX i a o-b i n g（S c h o o l o f P o w e r&E n e r g y e n g i n e e r i n

7、 g，X i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y，X i a n 7 1 0 0 4 9，C h i n a）纤维增强水泥基复合材料研究进展收稿日期：2 0 0 7-0 5-1 70 前言纤维增强水泥基复合材料是由水泥净浆、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 1。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。2 0 世纪 6 0 年代中期起，钢纤维增强混凝土在土木工程中获得日益广泛的应用，在研究其增强机理时

8、，人们发现了纤维与混凝土之间的密切关系，纤维增强混凝土的研究蓬勃开展起来。特别是近 2 0 多年来，材料科学迅速发展，各种人造纤维如玻璃纤维、碳纤维、有机合成纤维等相继问世，并已基本上完全取代石棉纤维（其粉尘对人体有害），纤维增强水泥基复合材料呈现出品种多样、各具特色、用途广泛的特点。虽然这些石棉替代纤维都各具一些优异的性能，但钢纤维未能在很大程度上消除混凝土韧性差的固有缺陷，各种人造纤维的生产要耗费大量的化石能源，并且这些纤维的价格也相对比较昂贵。近年来，使用价格相对低廉的天然植物纤维的研究和应用愈来愈受到世界各国特别是发展中国家的重视 2-3。研究开发植物纤维增强水泥基复合材料不仅能够降低

9、造价，而且有利于环保和可持续发展，具有深远的意义。1 纤维增强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。1.1 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。1.2 抗裂性在水泥基复合

10、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。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 4，体积掺量 0.0 5%的杜拉

11、纤维混凝土抗裂能力提高近 7 0%。1.3 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原材料及辅助物料MA T E R I A LA N DA D MI N I C L E6 5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 4，0.0 5%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 6 0%7 0%。1.4 抗冲击及抗变

12、形能力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 5 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 2 0%2 5%。1.5 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

13、裂手段 6-7。2 纤维增韧、抗裂机理研究纤维增强水泥基复合材料是一种多相、多组分、非匀质且不连续的材料，纤维的力学性能参数（抗拉强度、杨氏模量和极限延伸率）、几何特征（集束状况、长度、横截面形状、表面状况等）、体积率、分布状况及不同的施工方式，都影响着纤维的增韧、抗裂效果。尽管自纤维水泥基复合材料问世以来，很多研究者都对其增韧、抗裂机理进行了研究，但到目前为止，没有一个理论能全面反映纤维水泥基复合材料的本质。下面介绍目前常见的三种理论 1，8。2.1 多缝开裂理论该理论是由英国学者 A v e s t o n、C o o p e r 与 K e l l y 于 2 0 世纪7 0 年代初最先

14、提出，故又称为 A C K模型。他们认为，纤维能与水泥基体共同承受外力，在受荷初期，基体是主要承受外力者，当基体发生开裂后，横跨于裂缝两端的纤维就成为外力的主要承受者，若纤维体积掺量超过某一临界值，则复合材料可继续承受较高的荷载并产生较大的变形，直至最后纤维被拉断或从基体中拔出而破坏。在该过程中，会产生多缝开裂现象，改变了水泥基复合材料的单缝开裂，断裂性能低的状况，并出现假延性材料的特征。在多缝开裂时，裂缝间距变小，数量增多，裂纹更细，从而提高了复合材料的韧性。2.2 纤维阻裂理论该理论又称为“纤维间距理论”，是由美国人 R o m u a l d i 和B a s t o n 等于 1 9

15、6 3 年以弹性断裂力学为基础而建立。该理论认为：在水泥基复合材料内部存在着不同尺度及不同形状的孔隙、微裂纹等缺陷，当受到外力作用时，这些部位将产生应力集中，引起裂纹扩展，导致水泥基复合材料结构的过早破坏。为减小这种破坏程度，应尽量减少裂缝源的尺度和数量，缓和裂缝尖端应力集中程度，从而抑制裂缝的延伸。在水泥基复合材料中掺入一定数量的纤维后，在材料受拉时，跨过裂缝的纤维会将荷载传递给裂缝的上下表面，使裂缝处的材料仍能继续承载，缓和了应力集中程度；随着纤维数量的增加，纤维间距减小并密布于裂缝周围时，应力集中就会逐渐减少或消失，即单位体积中的纤维数量越多，纤维平均间距越小，这种作用就越有效。纤维平均

16、间距只是一个纯粹的几何概念，因而只需考虑任意截面上纤维通过的数量，即可按照数理统计的方法来确定纤维的平均间距。对三维乱向圆柱形纤维增强材料，R o m u a l d i 推导出的纤维平均间距公式为：S=1 2.5dVf!（1）式中：S 为某一截面的平均间距；d 为纤维直径；Vf为单位体积内的纤维体积。纤维增强水泥基复合材料的抗拉强度为：!c t=!m t+KS-1!（2）式中：!c t为纤维增强水泥基复合材料的抗拉强度；!m t为基体水泥基复合材料的抗拉强度；K为试验常数。2.3 复合力学理论该理论以 1 9 6 4 年 H.K v e n c h e l 提出的复合材料混合定律为基础。先是

17、应用于匀质顺向配置连续纤维水泥基复合材料，而后才扩展至不连续的短切、乱向纤维增强复合材料当中。对于匀质顺向配置连续纤维水泥复合材料，其抗拉强度公式如下：!c t=!f tVf+!m tVm（3）式中：!c t、!m t含义同上；Vf为整个水泥基复合材料中纤维所占体积；Vm为基体体积。由于：Vc=Vf+Vm=1，因此，!c t=!f tVf+!m t（1-Vf）；再结合水泥基复合材料基体与纤维充分粘结条件：c=f=m，即!c tEc=!f tEf=!m tEm，式中：与 E分别代表材料的应变和弹性模量。则有：!c t=!m t1+VfEfEm-#1$%（4）而对于后者，由于乱向的短切纤维实际上在

18、基体中是三维分布的，在材料承受拉伸应力裂断时，大多数的纤维不是被拉断，而是从基体中拔出。因此，它需采用几个相关系数如方向有效因子、界面粘结因子、长度有效因子等进行综合量化换算，以使结论更符合实际情况。具体公式如下：!c t=!m t1+Vf!f t!m t#i-
$%（5）Ec=Em1+VfEfEm#i-
$%（6）以上两式中，#i是表示与纤维长度、取向、分布以及纤维与基体界面粘结力有关的综合有效系数，其它符号含义同上。#i可用下式来表征：#i=$o$b$l，式中：$o表示纤维的方向有效因子；$b表示纤维与基体界面有关的界面粘结因子；$l表示纤维长度有效因子。3 增强纤维目前，常用于增

19、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。3.1 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 1 9 1 0 年美国 P o r t e r 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。1 9 6 3 年美国 R o m u l d i 等发表了一6 6图 1 剑麻结构简图表 1 几种纤维的物性数据密度/（g/c m3）7.8 01.7 42.6 00.9 11.4 8纤维种类钢纤维碳纤维玻璃纤维聚丙烯纤维剑麻纤维极限延伸率/%3.5 4.

20、01.03.5 4.08.23.0 5.0抗拉强度/MP a4 0 0 1 5 0 02 4 5 0 3 1 5 04 0 0 1 5 0 05 0 0 6 0 05 0 0 7 0 0杨氏模量/G P a2 0 0 2 1 02 4 5 3 1 52 0 0 2 1 01 5 1 71 3 2 6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

21、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。3.2 碳纤维增强水泥基复合材料碳纤维是 2 0 世纪 6 0 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 9。邓家才等用压缩韧性指数衡量了碳纤维对水泥基复合材料韧性的增强作用，发现碳纤维水泥基复合材料的压缩韧性指数明显大于基准水泥基复合材料（增加

22、 5 9%1 1 0%），并且随着碳纤维掺量的增加，变形能力和承载能力增强 1 0。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。3.3 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 2 0 世纪 7 0 年代，玻璃纤维在混凝土中的应用就已实现了工业化 1 1，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。此外，由于

23、玻璃纤维在水泥基复合材料高碱相中容易损坏，暴露于大气中一段时间以后，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。3.4 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，2 0 世纪 8 0 年代以来，在国外已得到了广泛的研究和应用。在国内，合成纤维增强水泥基复合材料技术开发也有一定的发展，上海市建筑科学研究院与上海市合成纤维研究所及上海石油化工公司共同合作，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

24、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 1 2。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 1 3。3.5 天然植物纤维增强水泥基复合材料使用天然植物纤维作为水泥增强材料始于 2 0 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 2 0世纪 8 0

25、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（E n v i r o n m e n tC o n s c i o u s Ma t e r i a l s）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 1。4 剑麻纤维剑麻纤维是从剑麻植物叶片中取得的维管束纤维，由纤维素（5 0%6 0%）、半纤维素（1 2%2 0%）、木质素、果胶等组成（其结构示意图 1 4 如图 1 所示），且这些化学成分的

26、含量可能随种植地域及生长年份的不同而有所差异，但均以纤维素为主。这类纤维一般伸长率较小、强度较高，具有质地坚韧、耐腐蚀、耐酸碱等多种优点。纤维素纤维具有很高的强度、结晶度和取向度，这主要是由于纤维素表面大量的羟基在分子内或分子间形成氢键的缘故 1 4。正是由于纤维素纤维表面含有大量的羟基，可以与水泥水化产物中的大量羟基基团起作用而形成氢键，从而可增进界面的致密性，加强界面粘着强度以及扩大纤维阻裂增强的界面效应。另外，纤维素纤维能够有效的提供诸如粘着强度和抗拉强度等关键性质所需的平衡 1 5，也是将它作为水泥基材增强材料的重要原因。但是，在水泥高碱液相中半纤维素和木质素会被溶解出来，使得单个细胞

27、间的连接被削弱，从而大大降低剑麻纤维对基材的增强作用。可通过化学打浆或碱液浸渍的方法除去剑麻纤维中的绝大部分半纤维素、木质素与果胶等低分子杂质，消除植物纤维受碱侵蚀分解以及萃取物沉淀等问题 1。笔者首次使用碱液和偶联剂对剑麻纤维进行了表面处理，去除了天然纤维中的大部分半纤维素、木质素、果胶等低分子杂质，提高了其分子取向，改善了其表面性能，并将其应用于水泥基混凝土。初步试验研究表明：剑麻纤维与聚丙烯纤维（P Pf i b e r）、玻璃纤维一样缓和了混凝土的荷载应力集中，大幅提高了水泥混凝土的断裂韧性，起到了良好的增强、增韧效果，如图 2 5 所示。而且剑麻纤维混凝土的荷载-位移曲线呈现明显的波

28、浪形，这是由6 7于剑麻纤维独特的维管束中空结构能更好的在微观层次上缓解应力集中，如图 5 所示。因此，剑麻纤维完全可作为水泥基复合材料增强纤维，并表现出优异的性能。5 结论纤维增强水泥基复合材料的机理相当复杂，目前的各种机理模型都存在着一些质的假定和理想状态下的理论分析，不具有普遍适用性。需要加强微观结构方面的研究，并深入开展各种试件的试验测试，进一步了解纤维增强水泥基复合材料的物理力学性能以及试件在各类荷载作用下的宏观表现。传统的增强纤维，不论是钢纤维、碳纤维，还是玻璃纤维、聚丙烯纤维等都是石棉纤维的良好替代品，但纤维性能与价格之间的矛盾始终是制约它们广泛应用的“瓶颈”，而且这些纤维的应用

29、不利于环境的可持续发展，因此均已失去了再次大力发展的潜力。剑麻纤维属于天然可再生资源，生长周期短，产量大，价格低廉，具有优良的力学性能，加工及应用过程无污染，符合环保要求。另外，其独特的维管束中空结构，可更好的缓解应力集中，加以合理的改性处理，其综合性能会更加突出。参考文献：1 沈荣熹，崔琪，李清海.新型纤维增强水泥基复合材料 M .北京：中国建材工业出版社，2 0 0 4：5 9-8 3，2 9 0.2 H o l m e r S a v a s t a n oJ r.，V a h a nA g o p y a n.T r a n s i t i o nz o n es t u d i e

30、so f v e g-e t a b l e f i b r e-c e m e n t p a s t e c o m p o s i t e s J .C e m e n t a n dC o n c r e t e C o m p o s-i t e s，1 9 9 9（2 1）：4 9-5 7.3 R o m i l d oD.T o l e d oF i l h o，K a r e nS c r i v e n e r，G e o r g eL.E n g l a n d.D u r a b i l i t yo f a l k a l i-s e n s i t i v es i

31、s a l a n dc o c o n u t f i b r e si nc e m e n t m o r t a r c o m p o s-i t e s J .C e m e n t a n dC o n c r e t e C o m p o s i t e s，2 0 0 0（2 2）：1 2 7-1 4 3.4 眭聿胜，贺志龙.杜拉纤维混凝土在渡槽工程上的应用探讨 J .广西水利水电，2 0 0 5（2）：3 5-3 7.5 孙家瑛，魏涛，王学文.聚丙烯纤维对混凝土路用性能的影响 J .混凝土，2 0 0 1（6）：5 7-5 9.6 王禄超，盛松涛.聚丙烯纤维混凝土及其有关

32、问题探讨 J .四川建筑科学研究，2 0 0 6，3 2（1）：1 3 1-1 3 3.7 莫永京，彭红涛，雷廷武，等.玻璃纤维水泥土集雨面物理性能的试验研究 J .农业工程学报，2 0 0 3，1 9（6）：1 8-2 0.8 徐至钧.纤维混凝土技术及应用 M .北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 3.9 Z h e n gZH，F e l d m a nD.S y n t h e t i cf i b e r r e i n f o r c e dc o n c r e t e J .P r o g r e s si nP o l y m e r S c i e n c e，1 9 9

33、5，2 0（2）：1 8 5 2 1 0.1 0 邓家才，孙成栋，黄博升.碳纤维混凝土的压缩韧度指数 J .混凝土与水泥制品，2 0 0 0（4）：3 7-3 8.1 1 袁勇，邵晓芸.合成纤维增强混凝土的发展前景 J .混凝土，2 0 0 0（9）：3-7，1 1.1 2 冯乃谦.高性能混凝土的发展与应用 J .施工技术，2 0 0 3，3 2（4）：1-6.1 3 刘君杰，王建坤.纤维增强混凝土的应用现状 J .天津纺织科技，2 0 0 3，4 1（4）：9-1 4.1 4 徐欣，程光旭，刘飞清，等.树脂基纤维增强摩阻材料研究进展 J .材料科学与工程学报，2 0 0 5，2 3（3）：4 5 7-4 6 1.1 5 贺子岳，余红，蔡剑英.国外新型纤维增强混凝土及其应用 J .国外建材科技，1 9 9 8，1 9（3）：7-1 1.作者简介：贾哲（1 9 7 9-），男，硕士研究生，助理工程师，主要从事建筑节能研究。单位地址：西安市咸宁西路 2 8 号西安交通大学 1 5 4 9 信箱（7 1 0 0 4 9）联系电话：0 2 9-8 2 6 6 5 5 7 8图 3 玻璃纤维混凝土荷载-位移曲线图 4 聚丙烯纤维混凝土荷载-位移曲线图 5 剑麻纤维混凝土荷载-位移曲线图 2 素混凝土荷载-位移曲线6 8