第4章 纤维增强水泥基复合材料
第4章 纤维增强水泥基复合材料
1966年英国公布了Majumday抗碱玻璃纤维专利，才使玻璃纤 维增强水泥制品进入了一个新的发展时期。 1983年，中国建筑材料研究院在国家科委、国家经委和国家 建材局支持下，研究了含锆抗碱玻璃纤维和低碱水泥，并取得了成 功，其强度半衰期为100年，其耐久性处于国际领先地位。
4.3.2 玻璃纤维增强水泥基复合材料的原材料
4.2 纤维增强水泥复合材料分类：
1. 钢纤维增强水泥基复合材料。包括钢纤维混凝土、钢丝网增强 水泥复合材料。 2. 无机纤维增强水泥基复合材料。玻璃纤维、碳纤维增强水泥基 复合材料。 3. 有机纤维增强水泥基复合材料。天然纤维（木纤维、竹丝）和 人工合成纤维（尼龙纤维、芳纶纤维）增强水泥基复合材料。
钢纤维增强水泥基复合材料
钢纤维增强水泥基复合材料分类： A. 钢纤维增强水泥混凝土复合材料（钢纤维混凝土） B. 钢丝网增强水泥砂浆复合材料（钢丝网水泥）
20世纪50年代研究开发的钢丝网水泥板和钢丝网水 泥船
（1）钢纤维混凝土的定义
坍落度的测试方法：用一个上口 100mm、 下口200mm、高300mm喇叭状的塌落度桶， 灌入混凝土后捣实，然后拔起桶，混凝土 因自重产生塌落现象，用桶高 (300mm) 减 去塌落后混凝土最高点的高度，称为塌落 度。如果差值为10mm，则塌落度为10。
极限抗弯强度 初裂抗弯强度 初裂强度 冲击疲劳强度 抗渗等级
5.5MPa 4.88MPa 8.85N.m 5.96/cm2 P4
9.18-13.75MPa 7-8Mpa 23-53N.m 53.3-91/m2 P6-P12
（%） 54-100 4.4-28.2 67-520 43-100 160-500 8-15 倍 0.5 ~ 2.5 倍
环保纤维增强水泥基复合材料
环保纤维增强水泥基复合材料的研究进展李淼林(淮南市安徽理工大学安徽淮南232001)摘要:普通水泥的韧性和抗冲击性都较差，易发生脆性破坏；而环保纤维在提高混凝土结构安全性的同时,具有环保、节能、利废、可降解再生等特性。
本文介绍了环保纤维的分类，分析了环保纤维增强水泥基复合材料的特点，总结了环保纤维在水泥基材料中应用、研究的进展。
关键词：水泥基复合材料；环保纤维；环保；性能1引言随着我国改革开放步伐的加快，人民生活水平日益提高，这就使得人们对自己的居住环境的要求越来越高，对建筑工程的要求日益增强。
水泥是重要的建筑材料，用水泥制成的砂浆或混凝土，坚固耐久，广泛应用于土木建筑、水利、国防等工程。
但水泥制品的破坏也很严重，这主要是由于水泥制品易受荷载和环境影响产生微裂纹及微裂纹的扩展而造成的。
水泥制品的不密实使水和其它可溶物质的渗透加速了破坏的进程。
改善水泥制品的质量，阻止裂纹的发展变化尤为值得关注。
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台材料[1]。
纤维在其中起着阻止水泥基体中微裂纹的扩展和跨越裂纹承受拉应力的作用，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。
20世纪60年代中期起，钢纤维增强混凝士在土木工程中获得日益广泛的应用，在研究其增强机理时，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。
经过四十多年的发展，钢纤维等增强混凝土的技术已应用得比较成熟，然而钢筋的锈蚀是影响混凝土结构耐久性的主要原因，钢纤维在裂缝处容易发生锈蚀问题，特别是在被污染的地方，已经成为一个很棘手的问题，并且钢纤维的造价也相对昂贵也不利于环保。
近年来，使用价格相对低廉的环保纤维来增强水泥基复合材料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]。
未来，纤维增强水泥基复合材料的发展方向之一是实现纤维材料的绿色化，这是保护生态环境、实现建材行业可持续发展的客观要求。
高性能纤维增强水泥基复合材料应用性能研究
高性能纤维增强水泥基复合材料应用性能研究随着我国基础工程的大规模兴建和城市化的高速推进，为解决大跨度、薄壁、高耐久、长寿命结构的实施，高性能水泥基复合材料的发展已是迫切急需一. 研究背景随着我国基础工程的大规模兴建和城市化的高速推进，为解决大跨度、薄壁、高耐久、长寿命结构的实施，高性能水泥基复合材料的发展已是迫切急需，为节省资源、节约能源、保护生态环境、优化材料性能，高性能水泥基复合材料走生态化与环保型已是社会可持续发展的重中之重。
研究生态型高性能水泥基复合材料是提高工程耐久性和服役寿命的重要举措，也是提高特种结构各种抗力的必由之路。
二. ECO-RPC（生态型活性粉末商品混凝土）力学行为研究RPC（Reactive Powder Concrete）活性粉末商品混凝土是90年代发展起来的新材料，其组成材料主要是水泥、超磨细石英粉和大掺量硅灰、高效减水剂，不用粗集料，细集料为磨细石英砂（粒径为0.6mm）。
其等级有RPC800、RPC400和RPC200。
由于其具有自流平优势、力学性能高、动态行为优异和超高耐久性，已是当今最活跃的可与金属媲美与高分子材料抗衡的跨世纪超高性能水泥基复合材料，而且RPC基体必须与纤维复合才能发挥其优势。
1.RPC存在的主要问题超细粉体材料价格昂贵、要经过超磨细而导致能耗大，国外微细金属纤维价格高，从而性价比低，不仅RPC800、RPC400难以在工程中推广应用，即使RPC200在工程中大规模应用也十分艰难。
基于RPC目前的问题中冶建研院致力于解决RPC造价较高，性价比过低的问题，采取的方式是采用活性矿物的掺合料，充分利用超细工业废渣自身各种物理与化学优势，取代更多水泥熟料，改善组成材料与微结构，优化纤维尺度与外形，优化养护方法与制度，充分发挥其高耐久性、长期服役寿命和高动态效应特点，提高性价比，扩大应用领域，在重大工程和特种制品中高效能利用其优势。
经过试验研究得出下表的材料基体ECO-RPC200优化后材料基体ECO-RPC200的制备工艺优选高效减水剂保证具有自流平（SCC）特征，保证有很强的流动性，满足商品混凝土的要求，采用自然养护方式（实验室用标准养护）替代常用的热养、蒸养，节省高温高压而造成能源消耗剧增。
高延性纤维增强水泥基复合材料的微观力学设计、性能及发展趋势共3篇
高延性纤维增强水泥基复合材料的微观力学设计、性能及发展趋势共3篇高延性纤维增强水泥基复合材料的微观力学设计、性能及发展趋势1高延性纤维增强水泥基复合材料是一种新型的建筑材料，具有很好的耐久性和机械性能，可以应用于广泛的领域，如道路、桥梁、建筑和水利工程等。
本文将从微观力学设计、性能和发展趋势三个方面探讨该复合材料的最新研究进展。
一、微观力学设计高延性纤维增强水泥基复合材料的性能与微观结构密切相关。
为了设计出高性能的材料，需要对其微观结构进行优化。
最近几年，研究者在这方面取得了很多进展。
他们运用多种方法，如有限元分析、半解析法和多尺度方法等，对该复合材料的微观结构进行了建模和分析。
他们发现，纤维的排布和分布、纤维的形状和尺寸以及水泥基材料的组成和结构等因素都会对复合材料的性能产生重要影响。
一个恰当设计的微观结构可以提高该复合材料的强度、韧性和耐久性等性能。
二、性能高延性纤维增强水泥基复合材料具有众多优良性能，体现在以下几个方面。
1.高强度：该复合材料的强度远高于普通混凝土，具有较好的承载能力，适用于桥梁、隧道等大型工程。
2.高延性：该复合材料的延性比普通混凝土更好，能够抵御灾害因素的冲击，增加工程的安全性。
3.优异的耐久性：该复合材料中纤维的存在，能够有效提高其抗裂性和耐久性，使其在复杂环境中更为稳固。
4.良好的耐磨性：由于该复合材料内部含有高强度纤维，能够有效提高其强度，使其在耐久性上更胜一筹。
5.优秀的耐久性：该复合材料能够抵御较强的冲击力，避免出现应力等问题，长久维持良好的表现。
三、发展趋势随着科技的不断进步，高延性纤维增强水泥基复合材料还有很大的发展空间。
研究人员需要从以下几个方面进行深入研究。
1.探究微观结构优化：通过优化微观结构，进一步提高该复合材料的性能。
2.强度与韧性的平衡：进一步平衡复合材料的强度与韧性，使其适用于各种场所。
3.新型纤维材料的运用：运用新型纤维材料，如碳纤维等，进一步提高复合材料的机械性能。
纤维增强水泥基材料
能力以及抗冲击性能等与韧性有关的性能。
湖南工学院材化系
按其长度可分为非连续的短纤维和连续的长纤维。 目前用于配制纤维水泥基材料的纤维主要增强材料 是短纤维，使用较普遍的有钢纤维、玻璃纤维、聚
丙烯纤维和碳纤维。
湖南工学院材化系
4. 纤维选用原则
不论哪种纤维，作为水泥基复合材料的增强材料，其 必须遵循以下基本原则： （1）纤维的强度和弹性模量都要高于基体。 （2）纤维与基体之间要有一定的黏结强度，两者之间 的结合要保证基体所受的应力能通过界面传递给 纤维。 （3）纤维与基体的热膨胀系数比较接近，以保证两者 之间的黏结强度不会在热胀冷缩过程中被消弱。
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碳纤维在水泥基材料中的应用：
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59%~110%），并 且随着碳纤维掺量的增加，变形能力和承载
能力增强。
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近几年来，一些研究者利用碳纤维水泥基材料与 金属接触具有较低的电阻及良好的电磁屏效应的特 点，拟通过研究将碳纤维增强水泥基材料开发成某
水泥基复合材料的研究与发展
朱莉云
湖南工学院材化系
主要内容
复合材料 水泥基复合材料 水泥基复合材料的分类
定义
纤维的作用
纤维的分类
1.纤维增强水泥基复合材料
纤维的选用原则 纤维增强水泥基复合材料的主要研究方向 影响纤维增强效果的因素 纤维增强水泥基复合材料的成型工艺 纤维增强水泥基复合材料的应用
（1）对普通水泥改性:例如法国圣哥班公司在普通波特兰 水泥中同时掺加偏高岭土与丙烯酸酯乳液；德国海德堡水泥 公司使用高炉水泥(高炉矿渣粉含量在70％以上)并同时掺加偏 高岭土或其它材料。
纤维增强水泥基复合材料性能研究综述
纤维增强水泥基复合材料性能研究综述作者：王菲来源：《科学与技术》 2018年第5期摘要：水泥混凝土在工程建设中应用广泛；纤维材料的掺入提高了水泥基材料的抗拉、抗裂、韧性和变形性能。
本文主要介绍了纤维增强水泥基复合材料；尤其是PVA 纤维、混杂纤维物理力学性能研究。
关键字：纤维增强水泥基；PVA 纤维；混杂纤维引言水泥是当代建设中应用较为广泛、用量较多的建筑材料。
但在实际的工程应用中，传统的水泥基材料表现出来的抗拉强度低、脆性大、易开裂、变形能力差等特点，限制水泥应用与发展。
伴随着新材料技术发展，纤维增强水泥基复合材料的概念被提出，在近50 年来得到较快的发展。
通过加入纤维材料提高水泥的抗拉、抗裂、韧性以及变形性能。
目前，较为常用的纤维材料是：碳纤维、玻璃纤维、PVA 纤维等。
1 纤维增强水泥基复合材料性能研究水泥为脆性材料，将纤维材料加入水泥中，不仅改善了水泥的抗拉等力学性能，并且改变其发生的破坏形态，提高延性，纤维的不同特性使纤维增强水泥基复合材料的性能表现出差异。
董岩[2]对于碳纤维增强水泥基材料的研究中，在水灰比一定的条件下，纤维掺量为0.6%时，水泥抗压强度提高了27%，在劈拉试验中，纤维掺量为0.8%时，抗拉强度增强30%，碳纤维的较强的韧性一方面抑制了水泥基裂缝的发展。
在王炜文[3]对于不用纤维增强水泥基复合材料力学性能的试验研究中，对于PVA 纤维、碳纤维、玄武岩纤维、PP纤维增强水泥基复合材料进行四点弯曲试验，得到的各项力学指标中，掺入碳纤维、玄武岩纤维的水泥材料极限荷载为PVA 纤维材料的1.5 倍，但其挠度、裂缝特点等延性特点较差，PVA、PP 纤维增强水泥基复合材料的极限荷载较低，但在破坏中呈现出了多点开裂的现象，裂缝数量较少，其中，PVA 纤维的最大裂缝宽度相对较小。
高延性纤维增强水泥基复合材料(EngineeredCementitious Composite,ECC)最早是在20世纪90 年代，由密歇根大学的Li[4]教授提出的。
纤维增强水泥基复合材料
纤维增强型水泥基复合材料一、纤维增强型水泥基复合材料的概述纤维增强型水泥基复合材料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。
普通混凝土是脆性材料，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。
二、纤维增强型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，可使水泥基材料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。
• 2.3 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，即使基体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单轴拉伸状态下性能综述
纤维增强水泥基复合材料单轴拉伸状态下性能综述首先，单轴拉伸性能是评价FRCC材料力学性能的重要指标之一、由于纤维的加入，FRCC材料在单轴拉伸状态下表现出较高的抗拉强度和延伸性能。
纤维可以阻碍开裂的扩散，增强材料的抗拉能力。
研究发现，FRCC的单轴抗拉强度明显高于传统水泥基材料。
此外，纤维的加入还会延缓材料的断裂过程，显著提高材料的延展性。
其次，纤维增强材料对FRCC的拉伸裂缝控制和延展性能改善起到了重要作用。
短纤维的加入可以有效地增加FRCC材料的延展性。
当加载应力达到材料的极限强度时，指数衰减的裂缝扩展发生，而不是剧烈的断裂。
这是因为纤维的引向性使得裂缝在纤维之间传播，从而提高了材料的塑性变形能力。
研究发现，纤维含量的增加可以显著改善FRCC的延展性。
此外，采用纤维方向性控制的方法，如预应力纤维和网状纤维，能够进一步提高材料的延展性。
此外，在单轴拉伸状态下，纤维增强水泥基复合材料还具有良好的防裂性能。
纤维的加入可以有效地抑制裂缝的发展和扩展。
细观机理研究表明，纤维的引导作用可以使材料中的裂缝转化为纤维间的变形裂纹，从而减缓和防止裂缝的扩展。
研究发现，纤维含量和长度的增加可以提高FRCC材料的防裂性能。
此外，纤维类型的选择也会对材料的防裂性能产生影响，如钢纤维具有较高的抗拉性能，在延展性和防裂性方面表现出优势。
最后，纤维增强水泥基复合材料在单轴拉伸状态下还具有良好的耐久性能。
纤维的加入可以改善材料的耐久性，如抗离析性能、抗氯离子侵蚀性能和抗碱颜料侵蚀性能。
研究发现，纤维的引导作用可以减缓氯离子的渗透和材料中的碱颜料的溶出，从而提高材料的耐久性。
综上所述，纤维增强水泥基复合材料在单轴拉伸状态下具有优异的性能。
纤维的加入可以显著提高材料的抗拉强度、延展性和防裂性能。
此外，纤维还可以改善材料的耐久性。
然而，纤维的类型、含量和方向等参数仍然需要进一步研究，以进一步优化材料的性能。
应变硬化纤维增强水泥基复合材料的有限元模拟研究
摘要应变硬化纤维增强水泥基复合材料是一种具有超高韧性的纤维增强水泥基复合材料，而ECC（Engineered cementitious composites）作为其中典型的高韧性代表，通过一定的材料配比和设计方法，该材料的极限抗拉应变3%以上。
国内对ECC的研究起步较晚但发展很快，目前大多数的研究主要集中于试验研究力和物力。
因此本文旨在从数值模拟的角度提出一种新的ECC材料的建模方法，利用有限元模型研究其各项力学性能并进行参数分析。
鉴于此，本文主要利用ABAQUS有限元软件，建立三维两相的细观有限元模型，考虑纤维和基体的界面相互作用，实现了对ECC材料有效的模拟，并研究主要参数对其力学性能的影响。
具体工作如下：(1)利用蒙特卡洛方法建立了纤维的随机投放过程，并用MATLAB编程语言研究了相应算法，实现了纤维横截面在二维空间中的随机投放、纤维纵截面在二维空间中的随机投放、三维实体纤维在三维空间中的随机分布、三维线性纤维在三维空间中随机投放，为建立有限元模型奠定基础。
(2)运用ABAQUS有限元模拟软件，纤维选用桁架单元，基体选用C3D8R 单元。
对于本构关系模型，基体采用塑性损伤模型，纤维本构采用基于纤维单丝拉拔荷载位移曲线提出的纤维-基体联合本构关系模型，并将纤维嵌入基体中，建立纤维和基体三维两相的有限元模型。
(3)利用建立的纤维基体两相三维有限元模型，模拟ECC材料的单轴压缩试验以及四点弯曲试验，通过与文献中试验进行对比，确认模型的有效性。
并改变纤维体积分数、基体开裂强度、初始滑动摩擦应力等参数进行参数分析。
对于抗压试验，ECC的抗压强度和纤维体积分数的关系不大，峰值应变变化并不明显，但ECC的受压破坏之后的韧性改善十分明显；对于四点弯曲试验，2%纤维体积掺量是理想的应变硬化现象产生的临界值，且随着纤维体积分数的不断增加，ECC的韧性会显著增加；降低基体开裂强度有助于ECC应变硬化能力τ与弯曲极限荷载呈正的提高，但会降低试件的峰值荷载；初始滑动摩擦应力比例关系，且对ECC弯曲韧性的影响并不是简单的线性关系，对于一定的纤维τ使得ECC的弯曲韧性最大。
高韧性纤维增强水泥基复合材料的抗拉性能
强度在
之间
参考文献
冷冰 高韧性纤维增强水泥基复合材料设计与性能研究 北京 清华大学 高淑玲 徐世 纤维增强水泥基复合材料拉伸特性试验研究 大连理工大学学报
高淑玲 纤维增强水泥基复合材料假应变硬化及断裂特性研究 大连 大连理工大学
责任编辑 王冰伟
终导致试件断裂
由上述应力 应变曲线可获得开裂强度 第 阶段结束 抗拉强度及极限抗拉应变 与抗拉强度相
对应的应变值
不同配比抗拉应力 应变曲线及特征参数 图 图 为不同配比的单轴拉伸应力 应变曲线 图
图 单轴拉伸荷载下不同配比 应力 应变曲线
中编号的数值依次为砂胶比 水灰比 粉煤灰掺量比 龄期
图 单轴拉伸荷载下不同配比 应力 应变曲线
应变特性及水胶比 粉煤灰掺量的影响 为该材料工程应用提供必要的试验数据
收稿日期 作者简介 公成旭
辽宁人 硕士生 主要从事纤维增强水泥基复合材料性能研究
试验方法
水泥采用京都
水泥 密度为
砂采用
目的普通石英砂 表观密度为
聚乙烯醇纤维为日本
公司生产 其性能见表 粉煤灰采用低钙灰 减水剂为
缓凝高效减水剂 水为普通自来水 试验中采用 个不同的粉煤灰掺量 具体材料配比如表 所示 编
增强水泥基复合材料拉伸荷载下应力 应变曲线可分为 弹性上升阶段 应变硬化阶段和应变软化阶
段 在所选取的材料及配比区间内
龄期时极限拉应变的最大值可达
临界裂纹宽度 与
极限应力相对应 与极限应变有关 一般规律为极限应变增加 临界裂纹宽度增大 在本文进行的配比
内 最小和最大临界裂纹宽度分别为
和
在水灰比分别为 和 时 复合材料 抗拉
性能的影响
表 聚乙烯醇
高延性纤维增强水泥基复合材料条带砌体组合圈梁、构造柱、斜撑
（资料性）
高延性纤维增强水泥基复合材料条带-砌体组合圈梁、构造柱、斜撑
1采用条带-砌体组合加固时，应满足下列规定（图C.1）：
1）圈梁条带宜靠近楼屋盖设置并在同一水平标高应闭合。在阳台、楼梯间等圈梁条带标高变换处，圈梁条带应 有局部加强措施；
图C.1高延性纤维增强水泥基复合材料与砌体组合条带加固体系
b）水平灰缝抠嵌缝立而示意
图C.3组合圈梁条带大样 图C∙4组合构造柱、圈梁、斜撑连接内倒角
f_标准值、立方体抗压强度平均值；
Jdc.cu
九仙、高延性纤维增强水泥基复合材料的极限抗拉强度标
f_准值、极限抗拉强度平均值；
Jdc.tu
⅞、 高延性纤维增强水泥基复合材料的抗压强度变异系
心：一数和抗拉强度变异系数，宜根据试验统计确定。
九3、Zkltu应通过JC/T2461规定的试验方法确定。
A.2高延性纤维增强水泥基复合材料的单轴受拉应力-应变曲线(图A.1)可按下列公式确定：
0-85几,戋(2-久/£如中)
εc<sdc.cpσdc,c=" ，c，P
0∙85Λc,c j>εcN%冲
式中：
「高延性纤维增强水泥基复合材料的抗压强度设计
高延性纤维增强水泥基复合材料的抗压峰值强度对应的应变。如无可靠数据时，可取为0.002；高延性纤维增强 水泥基复合材料的抗压极限应变。如无可靠数据时，可取为0.004。
采用配筋圈梁条带、构造柱条带加固时，应采用直径为6mm的S形钢筋或锚栓拉
结，拉结钢筋（锚栓）宜成梅花状布置，其竖向间距和水平间距均不应大于500mm,且应符合GB50702的相关 规定。
纤维增强水泥基复合材料的性能试验研究
纤维增强水泥基复合材料的性能试验研究摘要：最冷月平均温度≤-10℃或日平均温度≤5℃的天数≥145d的严寒地区在我国分布较广，这些寒冷地区的建筑施工问题一直是亟待解决的技术难题,这主要是因为目前国内建筑体系多采用混凝土结构，而寒冷环境下的混凝土施工需要克服混凝土缓凝以及冻胀破坏等问题,这些问题的存在给严寒地区的混凝土的材质和施工工艺提出了更高的要求。
目前，碳纤维增强水泥基复合材料在混凝土建筑结构中应用较为广泛，而这种复合材料在严寒地区的冻融循环作用下的性能变化规律仍不完全清楚。
本文采用干压成型法制备了碳纤维增强水泥基复合材料，研究了不同冻融循环次数下水泥基复合材料的显微形貌、孔隙率、抗压强度和热电性能，该试验成果已初步探明水泥基复合材料冻融循环作用对其性能影响的变化规律，并将利用这些变化规律解决严寒地区施工技术难题。
关键词：纤维增强水泥基；复合材料；性能试验；措施1纤维水泥基复合材料的相关概念1.1纤维水泥基复合材料纤维水泥基复合材料就是指以水泥砂浆、水泥浆或混凝土为粘结剂，以间歇短纤维或连续长纤维为增强材料的水泥基复合材料。
在水泥砂浆中加进去一定量的纤维不仅能够提升混凝土的刚度和韧性，同时对于水泥基复合材料的抗拉强度、抗弯强度和韧性也有一定的帮助，此外还能够有效抑制裂纹扩展，提高非成形材料的流动性，是改善其性能的最有效途径。
1.2纤维掺入水泥基复合材料的作用将纤维掺入水泥基复合材料具备以下三种作用：1.能够有效地增加水泥的基体的应力，促使水泥基体可以承受更大的外部压力。
2.在一定程度上能够对水泥基体韧性和冲击强度有所帮助，纤维基质的改善比水泥基体韧性的改善效果更加明显。
3.它可以有效地阻止裂纹的扩展或改变裂纹的方向，减小裂纹的宽度和平均裂缝面积。
1.3碳纤维水泥基复合材料碳纤维水泥基复合材料是将碳纤维材料合金化成水泥基复合材料而制成的复合材料，具有抗裂、耐腐蚀、抗静电、耐磨、重量轻等优点。
碳纤维材料对水泥基复合材料的改善主要是由于其优异的力学性能和两种材料的协同作用，以提高其整体力学性能。
高延性纤维增强水泥基复合材料本构模型研究
摘要摘要高延性纤维增强水泥基复合材料（ECC）是高性能纤维增强水泥基复合材料的一种，在受拉时能够展现良好的准应变硬化和多缝开裂特性，在受压时的延性也优于混凝土，被广泛应用于桥面板、桥面连接板、建筑防震抗震构件、混凝土保护层等实际工程中。
然而，目前尚无一种能够准确反映ECC 力学行为的本构模型用于ECC结构构件的数值模拟，大型通用有限元程序（如Abaqus，Ansys等）中缺乏ECC本构模型，现有的ECC本构模型存在没有考虑ECC在双轴受压时抗压强度变化以及在描述ECC准应变硬化行为时缺乏考虑其纤维桥联机理的问题。
因此，建立能够较准确描述ECC力学行为的本构模型对促进ECC在结构中的应用具有重要意义。
本文的研究工作分为两个部分：第一，基于Darwin和Pecknold考虑混凝土双轴力学行为的方法，建立了一个同时考虑双轴受压状态下非线性力学行为和抗压强度变化的ECC二维正交各向异性本构模型。
在因双轴加载而产生的正交各向异性的2个方向上引入等效单轴应变，建立非线性应力-等效单轴应变关系以考虑ECC的双轴非线性行为，并采用一条双轴强度包络线确定2个方向上的抗压强度。
推导了模型的显式数值算法，编写了包含该算法的用户自定义材料子程序UMAT，并嵌于有限元计算程序Abaqus v6.14中。
通过对两组不同配合比的ECC立方体试件在不同应力比下的双轴受压加载试验进行数值分析验证本模型的有效性，数值计算得到的主压应力方向上的应力-应变曲线及预测的抗压强度与试验结果吻合较好，表明本文提出的双轴受压状态下的ECC本构模型能够有效地预测ECC在双轴受压状态下的非线性力学行为和破坏强度。
通过对单轴受压和等压双轴受压时的ECC柱进行有限元分析，计算得到的ECC柱在等压双轴受压时的极限荷载高于在单轴受压时的极限荷载，表明若不考虑ECC在双轴受压状态下强度的提高，将有可能低估ECC 受压构件的承载能力。
第二，基于Nguyen等提出的嵌入局部带考虑材料局部断裂行为的本构框架，建立了一个能够考虑在单轴受拉状态下ECC开裂后纤维桥联机理的本构模型。
纤维增强水泥基复合材料
砂浆和玻璃纤维同时往模具上喷射的机理与直接喷射法相同。但它是 把坡璃纤维增强水泥喷射到一个带有减压装置的开孔台上，开孔台铺 有滤布。喷射完后，进行减压，通过滤纸或滤布，把玻璃纤维增强水 泥中的剩余水分脱掉。这种方法是成型水灰比低的高强度板状玻璃纤 维增强水泥的方法。 用喷射脱水法成型的刚脱水的未养护的板具有保持某种程度形状的能 力，因此，加上成型模具，可以进行弯曲加工等两次成型。 用喷射脱水法制作的制品，比直接喷射制品强度高，但制品形状仅限 于以板状或异形断面等的弯曲加工制造。喷射—脱水过程可通过机械 化很容易进行连续操作。
预混料注入到模具里后， 加压除去剩余水分，及 时脱模．可以提高生产 率，并能获得良好的表 面尺寸精度。这种方法 的要点是在加压时，根 据玻璃纤维增强水泥预 混料的配比来选定流动 性和剩余水的脱水方法。
使用这种方法制造的制 品，因形状和强度的原 因，使用范围有限。
与混凝土管的离心成型相同，在旋转的管状模具中喷入玻璃纤 维和水泥浆。该法能够控制纤维的方向性，使它有效地作用到 管子的结构强度上、而且在厚度方向上可以改变纤维量。
纤维增强水泥，无论在用途上，还是制法上， 都是处于开发的新材料。这里以玻璃纤维为 例来介绍纤维增强水泥的成型工艺。
直接喷射 法
抄造法
预混料浇 铸法
纤维增强 水泥
喷射脱水 法
压力法
Байду номын сангаас
离心成型法
把直径2mm以下的细骨料和水泥以及若干量的外加剂以一定的比例 进行拌合，制成水泥砂浆，经泵压送，用喷枪喷到模具面上。 同时，操作者手持喷射设备一边用粗纱切割器把耐碱玻璃纤维 精纱切成规定的长度(纤维的长度一般为12—50mm，含量为3 ％—5％)，一边重复水泥砂浆的喷吹途径直接将玻璃纤维喷射 到模具上而成型的。这种成型方法的关键是玻璃纤维的均匀分 散，以及喷射砂浆的脱泡和厚度的均匀性。这是最常用的成型 方法。
PVA纤维增强水泥基复合材料假应变硬化及断裂特性研究共3篇
PVA纤维增强水泥基复合材料假应变硬化及断裂特性研究共3篇PVA纤维增强水泥基复合材料假应变硬化及断裂特性研究1 PVA纤维增强水泥基复合材料假应变硬化及断裂特性研究复合材料是一种由两种或两种以上材料组合而成的新型材料。
在工程领域，常常使用纤维增强复合材料（FRC）来替换传统材料，以提高材料的力学性能。
而PVA纤维增强水泥基复合材料（PFRC）则是一种新型的FRC材料。
本研究采用PFRC材料为研究对象，考察了其假应变硬化及断裂特性。
首先，我们介绍PFRC材料的组成。
PFRC材料由水泥、砂、水、聚乙烯醇（PVA）纤维等多种材料组成，其中PVA纤维作为增强体起到支撑水泥基材料的作用。
研究表明，PVA纤维具有良好的柔韧性，可以增加PFRC材料的韧性和耐久性。
接着，我们介绍假应变硬化的概念。
在PFRC材料中，由于PVA纤维的作用，材料在受力时会发生一定量的应变，但是当应力达到一定的数值后，材料的应变就呈现出硬化的现象，即应变不再增加。
然而，经过实验测算，我们发现在PFRC材料中，这种应变硬化是一种“假”应变硬化，因为当应力分布不均匀时，该材料的应变并不是真的硬化。
在接下来的实验中，我们测量了PFRC材料在不同应力水平下的应变和应力数据，并按照负荷史和最大负荷史分别统计了材料的最大应力和断裂延伸能。
结果显示，在低应力范围内，PFRC材料的应变硬化越明显，而在高应力范围内应变硬化就逐渐减弱。
此外，当PVA纤维含量增加时，PFRC材料的断裂延伸能也有所提高。
最后，我们讨论了PFRC材料的断裂特性。
PFRC材料断裂时呈现出典型的拉伸断裂模式，同时材料表面会出现很多细小的裂纹。
我们还测量了材料的断裂延伸能，发现PFRC材料的断裂延伸能与应变硬化程度呈正相关关系。
这表明，PFRC材料在接受外部力的时候，在一定应力水平下具有很好的韧性和延展性。
综上所述，本研究通过对PFRC材料的假应变硬化及断裂特性研究，深入分析了PFRC材料的性能和特点，为PFRC材料在工程领域中的应用提供了一定的参考价值综合本研究结果表明，PFRC材料具有明显的应变硬化特征，但是这种硬化并非真实存在，而是受到应力分布不均匀的影响。
纤维增强水泥基复合材料的分类研究
纤维增强水泥基复合材料的分类研究摘要:纤维增强水泥基复合材料因应用广泛而备受关注,本文对纤维水泥基复合材料进行了分类介绍,并进行了简要的评述。
关键词:纤维水泥基复合材料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。
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。
研究开发植物纤维增强水泥基复合材料不仅能够降低造价,而且有利于环保和可持续发展,具有深远的意义。
1 PV A纤维水泥基复合材料PV A纤维是指聚乙烯醇纤维,也称之为维纶。
以PV A为主要原料,运用新型纺丝工业开发制成的高强高弹模PV A纤维和水溶性PV A纤维,通常称为新型PV A纤维。
日本用高新纺丝技术成功开发了高强PV A,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PV A纤维强度达到22cN/dtex,这次所开发的PV A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。
2 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是新型建筑材料的主要研究方向之一。
掺加玻璃纤维可以改善和提高水泥基体抗折强度及抗冲击性能差,但在实际应用中,复合材料的表面往往会出现开裂、渗水、胀溶、脱落等现象。
原因是水泥体系含有较多的自由水,当掺加一定量的玻璃纤维后,玻璃纤维与水泥基体之间形成界面结合,导致制品的密实度较差,水分容易渗透到复合材料的内部,并且反复改变方向进行迁移,导致复合材料的耐水性能较差。
同时,渗进复合材料内部微裂纹中的水分子薄膜所形成的契压力产生的破坏作用,也是导致其耐水性能差的原因。
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（2）高温低压蒸汽养护。可缩短水泥复合材料制品的生产周期。 温度为40~100℃，最佳温度65~80℃。有资料报道，蒸汽养护对水 泥制品的耐久性有不利的影响。 （3）高温高压蒸汽养护。温度一般超过100℃（160~210℃），蒸 汽压力在0.6~2MPa。
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4.4 碳纤维增强水泥基复合材料
.Leabharlann 纤维增韧、抗裂机理：.
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② 钢纤维
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钢纤维在水泥基体中分布的均匀性随增大而下降。
①Dmax/lf=1/2时，纤维对混凝土的增强效果最好； ②Dmax/lf>1时，纤维过于集中并填充于粗集料间的砂浆中，难于增强混凝
土的强度，还影响纤维与基体的界面粘结；
③Dmax/lf<1/2时，可使混凝土的增韧效果明显，但因集料过小而难以发挥
油井水泥、大坝水泥
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快硬硅酸盐水泥、膨胀水泥
硅酸盐水泥
根据GB 175-2007国家标准
1、硅酸盐水泥的定义为：由硅酸盐水泥熟料、
0~5%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨
细制成的水硬胶凝材料称为硅酸盐水泥。
2、由硅酸盐水泥熟料、6~15%混合材料、适量
石膏磨细制成的水硬胶凝材料称为
普通硅酸盐水泥。
1983年，中国建筑材料研究院在国家科委、国家经委和国 家建材局支持下，研究了含锆抗碱玻璃纤维和低碱水泥，并取得了 成功，其强度半衰期为100年，其耐久性处于国际领先地位。
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4.3.2 玻璃纤维增强水泥基复合材料的原材料
（1）抗碱玻璃纤维
成分中的氧化锆（ZrO2）在碱液作用下，在纤维表面会转化 成含Zr(OH)4的胶状物，经脱水聚合在玻璃纤维表面形成保护膜， 减缓水泥中Ca(OH)2对玻璃纤维的侵蚀。
1.多缝开裂理论 2.纤维阻裂理论 3.符合力学理论
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作业：课下阅读文献
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能减少拌合用水
量的混凝土外加
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剂。
速凝剂：掺入混 凝土中能使混凝 土迅速凝结硬化 的外加剂。
① 水泥
水泥是一种人造矿物质粉状胶凝材料，加水形成 塑性浆体，在空气和水中都可固化，固化的水泥能将砂、 石、钢纤维牢固胶结在一起，是一种水硬性胶凝材料。 水泥可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类。
硅酸盐水泥
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硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的技术性能
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水泥的矿物组成：
由熟料磨细的水泥矿物组成主要是硅酸三钙、硅酸二钙、 铝酸三钙和亚铁铝酸四钙。
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主要矿物成分的水化反应
硅酸三钙的水化反应：
3 C S 2 a n i2 O O H x S C 2 ｙ i H 2 O a O ( 3 x ) C ( O ) 2 a
湿搅拌
钢纤维混凝土混合料
水泥
出料运输
钢纤维
分散机 .
钢纤维混凝土的应用
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4.3 玻璃纤维增强水泥基复合材料
纤维无捻布
短. 切纤维
玻璃纤维生产工艺：
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4.3.1 概述:
玻璃纤维增强水泥（G.R.C）是一种轻质高强、不燃的一 类新型材料，它克服了水泥制品拉抻强度低、冲击韧性差的特点， 具有容重及热导率小的优点，很受人们欢迎。
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4.2 纤维增强水泥复合材料分类：
1. 钢纤维增强水泥基复合材料。包括钢纤维混凝土、钢丝网增强 水泥复合材料。
2. 无机纤维增强水泥基复合材料。玻璃纤维、碳纤维增强水泥基 复合材料。
3. 有机纤维增强水泥基复合材料。天然纤维（木纤维、竹丝）和 人工合成纤维（尼龙纤维、芳纶纤维）增强水泥基复合材料。
硅酸三钙的水化产物为C-S-H凝胶和氢氧化钙。其水化速 率很快，可分为五个阶段：诱导前期（15min)、诱导期、 加速期、衰退期、稳定期。
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诱导前期：加水后立即发生急剧化学反应，但持续时间较短，在 15min内结束。 诱导期：反应速率极其缓慢，持续2~4h（水泥浆体保持塑性）。初 凝时间基本相当于诱导期的结束。
南京某建筑公司早在1957年就应用了玻璃纤维增强的混凝 土楼板，短期效果较好。但一年后即被破坏。
1958年后，全国各研究单位和高等院校都开始了玻璃纤维 增强水泥混凝土的研究，直到1961年被全国叫停。
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1966年英国公布了Majumday抗碱玻璃纤维专利，才使玻璃 纤维增强水泥制品进入了一个新的发展时期。
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（3）填料
GRC的主要填料是砂子，最大直径为2mm，含泥量不大于0.3%。
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（4）外加剂
外加剂主要有减水剂和早强剂。
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4.3.3 纤维增强水泥基复合材料的成型工艺
4.3.3.1 喷射法
双枪式喷射成型
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双枪式和单枪式喷枪
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4.3.3.2 GRC复合材料的养护
（1）室温自然养护。水泥基复合材料的固化要求有足够的水分， 在养护过程中要不断补充水分。供水方法多采用蓄水、喷水和洒水 等方法，大多数企业在制品上铺层麻袋或草袋，不断向麻袋和草袋 上浇水。自然或室温的养护温度要保持在15℃以下。
水泥浆固化后的水泥石、砂、石集料和钢纤维组成的三相复合材料。
砂和石集料提高拉压强度和防止水泥固化中的收缩开裂，钢纤维提
高抗拉强度抗弯强度和冲击韧性。
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（2）钢纤维混凝土的性能
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钢纤维混凝土井盖
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钢纤维混凝土是一种高强混凝土，其抗拉强度和 抗弯强度比普通混凝土高10倍，弯曲韧性高20倍，因而大 大改善水泥混凝土的脆性。
第4章 纤维增强水泥基复合材料
程伟东 材料科学与工程学院
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4.1 概论
水泥是目前世界上产量最大、应用最广的人造无机材料。中国的产量已经跃 居世界第一。 水泥的缺点是结构缺陷多，拉伸强度弯曲强度低，韧性低等，极大限制了水 泥的应用。
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20世纪40年代开始，研究玻璃纤维和钢纤维增强的水泥基复合材料，此后各国对 纤维增强的水泥基复合材料都极为重视。
/ %
强
220
度
提
180
高
140
抗拉强度 抗弯强度
100
钢纤维掺量与钢纤维混凝土强度关系图 .
0.1 1
2 2.5
钢纤维含量 / %
.
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（3）钢纤维混凝土的原材料
钢纤维混凝土的生产原料主要有水泥、细集料（砂 子）、粗集料（碎石子）、水、减水剂、速凝剂和 钢纤维等。
减水剂是一种在
维持混凝土坍落
度不变的条件下，
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玻璃纤维的分类：
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玻璃纤维的成分：
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高强度玻璃纤维：
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玻璃纤维织物
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（2）水泥基体材料
玻璃纤维增强的水泥复合材料的基体材料是硫铝酸盐水泥。 其 主 要 成 分 是 无 水 硫 铝 酸 钙 （ 3CaO3Al2O3CaSO4 ） 和 硅 酸 二 钙 （β-2CaOSiO2）为主要矿物成分的熟料，加入适量石膏和石灰石， 经过细磨制成的早期强度高的水硬性胶凝材料。
骨架作用。
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钢纤维混凝土配比：水灰比（W/C）
钢纤维含量和纤维的长径比对于钢纤维混凝土的抗折强度 影响很大，但对于抗压强度的提高则影响较小。
AR C B
W
σ为钢纤维混凝土抗压强度，MPa；R为水泥标号，MPa； A、B为设计常数。
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（4）钢纤维混凝土的配置工艺
水、外加剂 砂子
石子
强制式搅拌机干拌
加速期：反应重新加快，反应速率随时间而增大，出现第二个放热 峰。在达到峰顶时本阶段即告结束（4~8h），此时终凝时间已过， 水泥石开始硬化。
减速期：水化衰减期，反应速率随时间下降的阶段（12~24h），水 化作用逐渐受扩散速率控制。
稳定期：反应速率很低，反应过程基本趋于稳定，水化完全受扩散 速率控制。
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钢纤维增强水泥基复合材料
钢纤维增强水泥基复合材料分类： A. 钢纤维增强水泥混凝土复合材料（钢纤维混凝土） B. 钢丝网增强水泥砂浆复合材料（钢丝网水泥）
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20世纪50年代研究开发的钢丝网水泥板和钢丝网水 泥船
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（1）钢纤维混凝土的定义
坍落度的测试方法：用一个上口100mm、 下口200mm、高300mm喇叭状的塌落度桶， 灌入混凝土后捣实，然后拔起桶，混凝土 因自重产生塌落现象，用桶高(300mm)减去 塌落后混凝土最高点的高度，称为塌落度。 如果差值为10mm，则塌落度为10。