高性能纤维增强水泥基复合材料的研究
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第!"卷 第#期 !$$!年#月
武汉理工大学学报
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关键词： 高性能蒸养水泥； 钢纤维； 复合材料
中图分类号： <=1
文献标识码： >
高性能混凝土是当今混凝土材料的发展趋势，降低混凝土结构物能源、资源的消耗，减少污染以获得可 持续发展的环境，也正成为混凝土界关注的热点。虽然高性能混凝土的抗压强度比普通混凝土成倍提高，但 抗折强度却提高很少，表现为脆性显著增大。为了改善混凝土的脆性，通常在混凝土中掺入钢纤维，制成钢 纤维混凝土，改善混凝土的脆性。钢纤维混凝土具有抗拉、抗折强度高，弯曲韧性、抗冲击耐疲劳、阻裂限缩 能力优异等特点，在工程中得到广泛的应用，取得了良好的技术经济效果。
标准砂，粒径$(!1$(#1@@。（0）减水剂 采用 =)A1高效减水剂，掺量为-($B。（"）钢纤维 选用东洲 钢纤维发展公司生产的冷板型钢纤维，见表!。试验用配比见表0、表"、表1、表#。 3(4 试件制备
钢纤维在水泥砂浆中的分散、搅拌工艺：采用先干后湿的搅拌工艺，水和高效减水剂混合均匀，按配比将 水泥、砂、钢纤维加入到水泥胶砂搅拌机内干搅!@C,；加入水和高效减水剂湿拌-$@C,，达到钢纤维在水泥 砂浆中均匀分散的目的。这种方法可避免钢纤维尚未分散即被水泥砂浆包裹成钢纤球现象。
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维含量不变时，随着砂灰比增加，钢纤维水泥砂浆的流
动度减小。但在砂灰比小于.*$时，砂灰比增加对流 动度影响不大；在砂灰比大于.*$时，砂灰比增加，流 动
表’ 蒸养钢纤维水泥砂浆各龄期强度
流动度 抗压强度／>’( 抗折强度／>’( 编号
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表% 钢纤维掺量试验配比
表& 水灰比试验配比
编号 水泥 /01$／! 砂灰比 水灰比 钢纤维／!
编号 水泥 /01／! 砂灰比 水灰比 钢纤维／!
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度迅速减小，砂灰比对流动度的影响较大。随砂灰比增加，钢纤维水泥砂浆的抗压强度、抗折强度减小。在
砂灰比小于.*5时，减小的幅度不大。但砂灰比大于.*5时，钢纤维砂浆的强度减小幅度较大，尤其是35? 抗折强度万。3方）数钢据纤维掺量的影响 由表,可见，随着钢纤维掺量的增加，水泥砂浆的流动度减小；水泥砂浆
压强度和抗折强度随钢纤维掺量的增加而提高。充分反映了钢纤维对水泥砂浆的增强作用。
在水泥基复合材料中界面粘结是关键问题。现在认为集料———水泥石界面粘结是其最薄弱的环节，这 是由于在万界方面数区据水灰比局部升高，因而使 ./（01）% 晶体和钙钒石晶体密集，两者形成的晶体都较大，./
/
武汉理工大学学报
（-）去除混凝土中原有的粗骨料，从而消除粗骨料和水泥浆体之间的薄弱界面，增加了整个基体的均质 性； （!）以多元粉体细颗粒优化级配，提高整个基体的堆积密度； （0）通过掺加微细的钢纤维，增强韧性； （"）优 化搅拌、成型和养护制度； （1）采用外掺硬石膏的蒸养水泥，进一步提高制品强度。
3 试验研究
3(3 试验原材料 （-）水泥 试验用水泥采用作者已研究开发的高性能蒸养水泥［-］。其最佳配比如表-所示。（!）细集料
2,通过以上试验，认为通过优化水泥组成、选择优质集料、采用适当的工艺，改善钢纤维与水泥砂浆界面 性质，能够制备出优质的水泥基复合材料。
参考文献
［(］ 解松善,水泥基复合材料中界面粘结的研究［3］,硅酸盐学报，(45-（/）：/54!/46, ［#］ 邓宗才,高掺量钢纤维高强混凝土的试验研究［3］,混凝土与水泥制品，(440（0）：/7!/6, ［-］ 曹峰，覃维祖,超高性能纤维增强混凝土初步研究［3］,工业建筑，(444（7）：/#!//, ［/］ 沈荣熹,新型纤维增强水泥复合材料研究的进展［3］,硅酸盐学报，(44-（/）：-07!-7-, ［0］ 黄政宇，沈蒲生，蔡松柏,#88+.’超高强钢纤维混凝土试验研究［3］,混凝土，(44-（-）：-!6,
钢纤维混凝土是以混凝土为基体，非连续的短纤维作为增强材料所构成的水泥基复合材料，钢纤维在混 凝土中各向随机分布，跨越混凝土中存在的微细裂隙，并对裂隙产生约束作用，阻止裂隙扩展，从而达到增强 的作用。其增强效果主要取决于钢纤维的尺寸，基体的粘结强度及掺量。前两者可由选用的钢纤维原材料 来确定，钢纤维的掺量太小增强效果不明显，太大则不易搅拌分散。钢纤维虽然能大大提高混凝土的抗拉强 度和韧性，但对混凝土的抗压强度影响较小。而由本试验制得的高性能水泥基材料，在水泥中掺入超细矿 渣，具有良好的火山灰效应和微粒充填效应，能改善混凝土的密实性，提高抗压强度和抗渗性。在实验中应 用以下基本原理配制超高性能混凝土：
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注：钢纤维掺量为钢纤维体积分数。
成型工艺：水泥砂浆搅拌完毕，立即在振动台上振
动成型，成型-78+-78+.%78 试件，以测定抗压强 度和抗折强度。
养护工艺：试件成型后先在空气中预养,9，然后 通蒸汽以.$ :·9;.的升温速度至%$ :，保温-9，后 自然冷却至室温3):，脱模，再放入3):水中养护至 规定龄期。
收稿日期：!$$-/--/!$(
作者简万介方：王数悦据辉（-?."/），女，硕士；武汉，武汉理工大学材料学院（"0$$.$）(
3
表! 高性能蒸养水泥配比 !
水泥
矿渣
硬石膏
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武汉理工大学学报
3))3年%月
表" 钢纤维的性能
名称
规格
冷板切削异型 )*$+)*,+")
杨氏模量／&’( -"*.
抗压强度／&’( !$$)
第%&卷 第6期
王悦辉等：高性能纤维增强水泥基复合材料的研究
!
的抗折强度和抗压强度均增加，但抗压强度增长幅度不大。
!）水灰比的影响 由表"可见，随着水灰比增加，水泥砂浆的流动度增加。当水灰比大于#$%&时，流动 度急剧增加，而水泥砂浆的抗压强度和抗折强度均随水灰比的增加而减小。
图’ 掺入钢纤维的蒸养水泥砂浆 ()*图
高性能纤维增强水泥基复合材料的研究
王悦辉 谢永贤 林宗寿 涂成厚
（武汉理工大学）
摘 要： 介绍了在高性能蒸养水泥中掺入钢纤维制备出高性能水泥基复合材料的研究结果。研究了水灰比（2／3）、砂 灰比（4／3）、钢纤维掺量对水泥基复合材料性能的影响；并用 567、489 分析其微观结构和形貌。试验结果表明：将钢纤 维掺入到高性能蒸养水泥中并采用适当的工艺，可制备出抗压强度达-00 9:;，抗折强度达!"(1 9:;的高性能水泥基 复合材料。
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图% 掺入钢纤维的蒸养水泥砂浆的245 图象
!$" 钢纤维增强水泥砂浆机理分析 从表"中见到与未掺入钢纤维的蒸养水泥砂浆相比，掺入钢纤维的水泥砂浆的力学性能有明显提高，尤
其抗折强度增长幅度较大。由于钢纤维的阻裂效应和抵抗变形的能力，在一定范围内使钢纤维水泥砂浆抗
状、短柱状的钙钒石晶体。这些结晶度较高的晶体穿插在水泥硅酸钙凝胶中，形成网络状的致密结构。
!结 论
通过试验，可得如下结论：
’,采用在高性能蒸养水泥中掺入钢纤维，用振动成型方法，可制备出抗压强度达(-- +.’，抗折强度达 #/,0 +.’的高强抗冲击水泥基材料。
1,砂灰比、水灰比、钢纤维掺量均对钢纤维蒸养水泥砂浆的力学性能有显著的影响。随砂灰比、水灰比 掺量增加，其抗压强度和抗折强度均降低；随钢纤维掺量的增加，其抗压强度和抗折强度增加。
(为几种不同配比的钢纤维蒸养水泥砂浆的 ) 射线衍射图。从图中可看到，$’（!"）# 衍射峰较弱，而钙钒 石等晶相的量较多。说明掺入超细矿渣消耗了大量$’（!"）#，加速水泥石水化，减少$’（!"）#晶体在界面的 富集。正是由于火山灰效应能够吸收大量$’（!"）#，降低液相中$’（!"）#浓度，使 $’（!"）# 晶体减少变小， 对改善界面区性能有一定的作用。图#为与图(相应配比的钢纤维蒸养水泥砂浆的&*+ 图像。从图像中 见到水化产物中有大量的水化硅酸钙及其凝胶和钙钒石晶体，还有明显发育较好的类托贝莫来石晶体和针
!*# 试验方法 .）流动度试验：按 &<"-.#=5.《水泥胶砂流动度测
定方法》进行；3）抗压强度试验：按 &<.,,=5$《水泥胶 砂强度检验方法》进行；"）抗折强度试验：按 &<.,,=5$ 《水泥胶砂强度检验方法》进行。
" 试验结果及分析
"*! 强度 试验试件的强度见表,。
"*" 结果分析 .）砂灰比的影响 由表,可见，当水灰比和钢纤
表# 空白试验配比
编号 水泥 /01$／! 砂灰比 水灰比 钢纤维／!
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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表$ 砂灰比试验配比
编号 水泥 /01$／! 砂灰比 水灰比 钢纤维／!
4. . 43 . 4" .
#88#年7月
（!"）# 晶体有取向性，致使孔隙率较大和结构疏松，使裂缝容易形成并扩展。而在试验中，开发研究的高性 能蒸养水泥利用超细矿渣替代部分水泥，并用硬石膏做硫酸盐激发剂，在水化过程中，矿渣与水泥空隙中的
离子起化学反应，使 $%&%" 凝胶增加，导致水泥石中大孔减少，凝胶孔和过渡孔增加，结构变得致密。同时 超细矿渣的掺入，改善了钢纤维水泥浆体与集料、钢纤维界面区的结构，使界面区的 $’（!"）# 取向性明显降 低，数量减少，晶粒细化，从而使界面过渡区弱点变浅，加强了界面粘结，提高了钢纤维水泥砂浆的强度。图
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关键词： 高性能蒸养水泥； 钢纤维； 复合材料
中图分类号： <=1
文献标识码： >
高性能混凝土是当今混凝土材料的发展趋势，降低混凝土结构物能源、资源的消耗，减少污染以获得可 持续发展的环境，也正成为混凝土界关注的热点。虽然高性能混凝土的抗压强度比普通混凝土成倍提高，但 抗折强度却提高很少，表现为脆性显著增大。为了改善混凝土的脆性，通常在混凝土中掺入钢纤维，制成钢 纤维混凝土，改善混凝土的脆性。钢纤维混凝土具有抗拉、抗折强度高，弯曲韧性、抗冲击耐疲劳、阻裂限缩 能力优异等特点，在工程中得到广泛的应用，取得了良好的技术经济效果。
标准砂，粒径$(!1$(#1@@。（0）减水剂 采用 =)A1高效减水剂，掺量为-($B。（"）钢纤维 选用东洲 钢纤维发展公司生产的冷板型钢纤维，见表!。试验用配比见表0、表"、表1、表#。 3(4 试件制备
钢纤维在水泥砂浆中的分散、搅拌工艺：采用先干后湿的搅拌工艺，水和高效减水剂混合均匀，按配比将 水泥、砂、钢纤维加入到水泥胶砂搅拌机内干搅!@C,；加入水和高效减水剂湿拌-$@C,，达到钢纤维在水泥 砂浆中均匀分散的目的。这种方法可避免钢纤维尚未分散即被水泥砂浆包裹成钢纤球现象。
"#$%&’()*+,-./(’/0123.4*5./6.*2(’/3.%7.0.2#8519.%7’0:’9*#.9
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维含量不变时，随着砂灰比增加，钢纤维水泥砂浆的流
动度减小。但在砂灰比小于.*$时，砂灰比增加对流 动度影响不大；在砂灰比大于.*$时，砂灰比增加，流 动
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流动度 抗压强度／>’( 抗折强度／>’( 编号
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编号 水泥 /01$／! 砂灰比 水灰比 钢纤维／!
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度迅速减小，砂灰比对流动度的影响较大。随砂灰比增加，钢纤维水泥砂浆的抗压强度、抗折强度减小。在
砂灰比小于.*5时，减小的幅度不大。但砂灰比大于.*5时，钢纤维砂浆的强度减小幅度较大，尤其是35? 抗折强度万。3方）数钢据纤维掺量的影响 由表,可见，随着钢纤维掺量的增加，水泥砂浆的流动度减小；水泥砂浆
压强度和抗折强度随钢纤维掺量的增加而提高。充分反映了钢纤维对水泥砂浆的增强作用。
在水泥基复合材料中界面粘结是关键问题。现在认为集料———水泥石界面粘结是其最薄弱的环节，这 是由于在万界方面数区据水灰比局部升高，因而使 ./（01）% 晶体和钙钒石晶体密集，两者形成的晶体都较大，./
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武汉理工大学学报
（-）去除混凝土中原有的粗骨料，从而消除粗骨料和水泥浆体之间的薄弱界面，增加了整个基体的均质 性； （!）以多元粉体细颗粒优化级配，提高整个基体的堆积密度； （0）通过掺加微细的钢纤维，增强韧性； （"）优 化搅拌、成型和养护制度； （1）采用外掺硬石膏的蒸养水泥，进一步提高制品强度。
3 试验研究
3(3 试验原材料 （-）水泥 试验用水泥采用作者已研究开发的高性能蒸养水泥［-］。其最佳配比如表-所示。（!）细集料
2,通过以上试验，认为通过优化水泥组成、选择优质集料、采用适当的工艺，改善钢纤维与水泥砂浆界面 性质，能够制备出优质的水泥基复合材料。
参考文献
［(］ 解松善,水泥基复合材料中界面粘结的研究［3］,硅酸盐学报，(45-（/）：/54!/46, ［#］ 邓宗才,高掺量钢纤维高强混凝土的试验研究［3］,混凝土与水泥制品，(440（0）：/7!/6, ［-］ 曹峰，覃维祖,超高性能纤维增强混凝土初步研究［3］,工业建筑，(444（7）：/#!//, ［/］ 沈荣熹,新型纤维增强水泥复合材料研究的进展［3］,硅酸盐学报，(44-（/）：-07!-7-, ［0］ 黄政宇，沈蒲生，蔡松柏,#88+.’超高强钢纤维混凝土试验研究［3］,混凝土，(44-（-）：-!6,
钢纤维混凝土是以混凝土为基体，非连续的短纤维作为增强材料所构成的水泥基复合材料，钢纤维在混 凝土中各向随机分布，跨越混凝土中存在的微细裂隙，并对裂隙产生约束作用，阻止裂隙扩展，从而达到增强 的作用。其增强效果主要取决于钢纤维的尺寸，基体的粘结强度及掺量。前两者可由选用的钢纤维原材料 来确定，钢纤维的掺量太小增强效果不明显，太大则不易搅拌分散。钢纤维虽然能大大提高混凝土的抗拉强 度和韧性，但对混凝土的抗压强度影响较小。而由本试验制得的高性能水泥基材料，在水泥中掺入超细矿 渣，具有良好的火山灰效应和微粒充填效应，能改善混凝土的密实性，提高抗压强度和抗渗性。在实验中应 用以下基本原理配制超高性能混凝土：
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注：钢纤维掺量为钢纤维体积分数。
成型工艺：水泥砂浆搅拌完毕，立即在振动台上振
动成型，成型-78+-78+.%78 试件，以测定抗压强 度和抗折强度。
养护工艺：试件成型后先在空气中预养,9，然后 通蒸汽以.$ :·9;.的升温速度至%$ :，保温-9，后 自然冷却至室温3):，脱模，再放入3):水中养护至 规定龄期。
收稿日期：!$$-/--/!$(
作者简万介方：王数悦据辉（-?."/），女，硕士；武汉，武汉理工大学材料学院（"0$$.$）(
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表! 高性能蒸养水泥配比 !
水泥
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名称
规格
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第%&卷 第6期
王悦辉等：高性能纤维增强水泥基复合材料的研究
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的抗折强度和抗压强度均增加，但抗压强度增长幅度不大。
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图’ 掺入钢纤维的蒸养水泥砂浆 ()*图
高性能纤维增强水泥基复合材料的研究
王悦辉 谢永贤 林宗寿 涂成厚
（武汉理工大学）
摘 要： 介绍了在高性能蒸养水泥中掺入钢纤维制备出高性能水泥基复合材料的研究结果。研究了水灰比（2／3）、砂 灰比（4／3）、钢纤维掺量对水泥基复合材料性能的影响；并用 567、489 分析其微观结构和形貌。试验结果表明：将钢纤 维掺入到高性能蒸养水泥中并采用适当的工艺，可制备出抗压强度达-00 9:;，抗折强度达!"(1 9:;的高性能水泥基 复合材料。
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图% 掺入钢纤维的蒸养水泥砂浆的245 图象
!$" 钢纤维增强水泥砂浆机理分析 从表"中见到与未掺入钢纤维的蒸养水泥砂浆相比，掺入钢纤维的水泥砂浆的力学性能有明显提高，尤
其抗折强度增长幅度较大。由于钢纤维的阻裂效应和抵抗变形的能力，在一定范围内使钢纤维水泥砂浆抗
状、短柱状的钙钒石晶体。这些结晶度较高的晶体穿插在水泥硅酸钙凝胶中，形成网络状的致密结构。
!结 论
通过试验，可得如下结论：
’,采用在高性能蒸养水泥中掺入钢纤维，用振动成型方法，可制备出抗压强度达(-- +.’，抗折强度达 #/,0 +.’的高强抗冲击水泥基材料。
1,砂灰比、水灰比、钢纤维掺量均对钢纤维蒸养水泥砂浆的力学性能有显著的影响。随砂灰比、水灰比 掺量增加，其抗压强度和抗折强度均降低；随钢纤维掺量的增加，其抗压强度和抗折强度增加。
(为几种不同配比的钢纤维蒸养水泥砂浆的 ) 射线衍射图。从图中可看到，$’（!"）# 衍射峰较弱，而钙钒 石等晶相的量较多。说明掺入超细矿渣消耗了大量$’（!"）#，加速水泥石水化，减少$’（!"）#晶体在界面的 富集。正是由于火山灰效应能够吸收大量$’（!"）#，降低液相中$’（!"）#浓度，使 $’（!"）# 晶体减少变小， 对改善界面区性能有一定的作用。图#为与图(相应配比的钢纤维蒸养水泥砂浆的&*+ 图像。从图像中 见到水化产物中有大量的水化硅酸钙及其凝胶和钙钒石晶体，还有明显发育较好的类托贝莫来石晶体和针
!*# 试验方法 .）流动度试验：按 &<"-.#=5.《水泥胶砂流动度测
定方法》进行；3）抗压强度试验：按 &<.,,=5$《水泥胶 砂强度检验方法》进行；"）抗折强度试验：按 &<.,,=5$ 《水泥胶砂强度检验方法》进行。
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表# 空白试验配比
编号 水泥 /01$／! 砂灰比 水灰比 钢纤维／!
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表$ 砂灰比试验配比
编号 水泥 /01$／! 砂灰比 水灰比 钢纤维／!
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#88#年7月
（!"）# 晶体有取向性，致使孔隙率较大和结构疏松，使裂缝容易形成并扩展。而在试验中，开发研究的高性 能蒸养水泥利用超细矿渣替代部分水泥，并用硬石膏做硫酸盐激发剂，在水化过程中，矿渣与水泥空隙中的
离子起化学反应，使 $%&%" 凝胶增加，导致水泥石中大孔减少，凝胶孔和过渡孔增加，结构变得致密。同时 超细矿渣的掺入，改善了钢纤维水泥浆体与集料、钢纤维界面区的结构，使界面区的 $’（!"）# 取向性明显降 低，数量减少，晶粒细化，从而使界面过渡区弱点变浅，加强了界面粘结，提高了钢纤维水泥砂浆的强度。图