第八章 水泥基复合材料

水泥混凝土
―――
2.3－2.45
1－4
30－40
0.01－0.02
8.3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态
纤维增强水泥的国内外动态 用于增强水泥基复合材料的纤维品种很多，主要 有钢纤维、石棉纤维、天然纤维和合成纤维、玻璃纤 维。科学家和工程师对这些纤维增强水泥基材料进行 了广泛的研究，取得了许多有意义的研究结果并且其 中某些品种已经应用于工程建设中。
8.1
8.2 纤 维 增 强 水 泥 的 历 史
纤维增强脆性材料的历史，可以追溯到远古时代。 当时人们把稻草等植物纤维掺到泥土中，制备较为坚 固耐用的建筑材料，这一原始的制造工艺，至今在我 国的部分农村仍被采用。现代最早广为使用的纤维增 强复合材料是大约1900年出现的石棉水泥板。其后， 其他各种纤维增强材料相继被研究开发出来，如纤维 增强树脂，纤维增强陶瓷和纤维增强水泥基材料等这 些纤维增强复合材料广泛应用于观代生活的许多领域， 已为人类社会的发展做出了巨大的贡献。
概 述
国务院99年72号文件已明确指出：“2001年在沿海 城市和土地稀缺的城市禁止使用实心粘土砖；在其他地 区框架结构建筑中也禁止使用实心粘土砖。到2003年在 全国禁止生产、使用实心粘土砖。”以实现最终淘汰实 心粘土砖的目的。针对上一指示精神，墙材革新与建筑 节能是节约能源、改善建筑功能、促进住宅产业化的客 观要求，是当今全球建筑业的共同选择，是关系实施可 持续发展战略的重大问题。随着限期禁止使用粘土砖的 “禁砖令”的下达，鼓励生产使用轻质、高强、保温、 隔热、隔音的新型墙体材料，以代替“秦砖汉瓦”，推 进建筑节能工作的开展，国家、省、市都制定了一系列 政策和法规。现在，针对实心粘土砖为主要对象的墙体 材料革新已成为历史的必然。
8.3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态
由于提高抗碱玻璃纤维的抗碱能力有一定限度， 为确保GRC的长期耐久性，应尽量降低水泥基体的碱度。 迄今为止，国际上采取的技术路线基本上有下列两条： (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。
玻璃纤维增强水泥基材料
8.3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态
玻璃纤维具有很高的强度和模量，并且来源丰富 制造成本较低，是复合材料增强纤维的主要品种之一。 最早进行玻璃纤维增强水泥基材料研究的，当属前苏 联科学家Biryukovich等人，我国科学家在1958年后也 曾参与了早期研究工作。 普通玻璃纤维的耐碱性较差，在水泥基体这样的 碱性环境中极易失去其强度和刚性，因此在六十年代， 虽然玻璃纤维增强水泥基材料的研究已经比较深入系 统，但其制品一直未被推广应用；直到七十年代初期， 英国建筑研究院向普通玻璃纤维中加入二氧化锆，研 制成功了耐碱玻璃纤维后，玻璃纤维增强水泥制品才 由英国的Pilkington Brothers公司大量生产推广应用。
8.3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态
图1.含有不同体积纤维高铝水泥应力－应变曲线
我国玻璃纤维增强水泥的发展前景
8.3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态
(1)、玻璃纤维增强水泥材料的特性决定了其具有广阔 的发展前景 玻璃纤维增强水泥作为一种新型的无机复合材料具 有许多独特的优点，首先它是轻质的，一般以水泥砂浆 为基体的GRC材料有低的干容重，比普通混凝土约低20 ％；在抗弯破坏强度相当的条件下，GRC的容重可减低 50％；GRC高的抗弯强度、抗拉强度和高的抗冲击强度 使得其能够以较薄的厚度获得所需力学性能；作为以水 泥为胶凝材料的复合材料，它不仅不怕潮湿而且防火； 它的工艺性能好，可任意模造出各种复杂的造型，用 GRC材料不仅可制造出应用于各个领域的建筑制品、景 观制品，还可用于制造仿古艺术品；它的可加工性能好， 可任意锯、钉、磨、钻，便于安装施工；其价格较低， 符合我国国情，可大量推广应用。
青石棉纤维
抗碱玻璃纤维 中碱玻璃纤维 无碱玻璃纤维 高弹碳纤维 聚丙烯单丝 Kevlar-29 尼龙单丝 水泥净浆 水泥砂浆
0.1－20
8－20 8－20 8－20 9 ――― 12 100－200 ――― ―――
3.4
2.7 2.6 2.54 1.9 0.9 1.44 1.1 2.0－2.2 2.2－2.3
8.3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态
8.3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态
石棉纤维增强水泥基材料 石棉纤维增强水泥基材料是现代最早应用的纤维 增强水泥基材料，也是用量最大的纤维增强水泥基材 料，目前，每年用于增强水泥材料的石棉纤维大约为 200万吨。石棉纤维来源丰富价格低廉，具有很高的 强度和模量，且纤维与水泥基体相互作用良好，因此 是一种理想的水泥制品增强纤维。但是，近年来的研 究发现石棉纤维对人身危害很大，许多国家准备逐步 禁止使用石棉纤维作为水泥制品的增强纤维，并正在 努力寻找石棉纤维的替代纤维。
8.2
表1 几种纤维和水泥基体性能比较
纤维名称 纤维直径/μm 容积密度 （g/cm3） 抗拉强度/MPa 弹性模量(MPa) 极限延伸率(%)
不锈钢纤维 温石棉纤维
10－330 ―――
7.8 2.6
2100 500－1800
160 150－170
3.0 2.0－3.0
8.2 纤 维 增 强 水 泥 的 历 史
纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态
天然纤维增强水泥基材料 天然纤维是自然界中最大品种的纤维，取之不尽， 用之不竭。天然纤维增强水泥基材料的研究与开发， 具有重要的意义和广阔的前景。用于增强水泥基材料 的天然纤维很多，目前主要有棉杆秸、玉米秸、黄麻、 亚麻、剑麻、椰子壳、甘蔗渣、木纤维等。 近几年来出于环境污染和制造成本的考虑，许多 科学家开始系统研究天然纤维增强水泥基材料，并已 发表了大量的研究论文和综述评论。 天然纤维加入到水泥基材料中后，复合材料的强 度和韧性都有明显的提高，提高的程度取决于纤维的 用量和纤维的长度，纤维用量和纤维长度均有一最佳 值。过多的纤维用量和过长的纤维长度，都会降低天 然纤维增强水泥基材料的增强效果。
8.3
8.3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态
与玻璃纤维相似，在碱性环境中，天然纤维会发 生分子降解而失去力学性能。因此，其增强水泥基材 料同样存在一个长久使用性问题。某些科学家采用天 然纤维涂覆疏水保护剂和／或采用低碱性基体的方法， 来解决天然纤维增强水泥基材料的耐久性问题效果显 著，但最终结果仍不甚令人满意。因此，如何提高天 然纤维的耐碱性，提高天然纤维增强水泥基材料的耐 久性将是未来研究的重要领域。
合成纤维增强水泥基材料 迄今为止，在国际上已被用以替代石棉制造纤维 水泥板的合成纤维主要有维纶(聚乙烯醇纤维)、脂纶 (聚丙烯脂纤维)、丙纶(聚丙烯纤维)与乙纶(聚乙烯纤 维)。芳纶(芳族聚酰胺纤维)虽具有较高的弹性模量 (可与石棉纤维的弹性模量相近)，但由于此种纤维的 价格太高，尚难为纤维水泥工业所采用。 根据我国与国外对用维纶制造的无石棉纤维水泥 板的耐久性的研究结果，认为此种制品即使暴露于大 气中仍具有较高的强度，但其韧性随时间而有所下降。 这主要是由于纤维与水泥基体界面的粘结不断提高所 致。
8.3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态
为充分发挥聚丙烯纤维对水泥基体的增强作用， 英国萨里大学研究成功用经高倍拉伸制得的纤化聚丙 烯薄膜以较高的体积率掺加于水泥基体中，在实验室 内制成抗拉强度与变形能力均较高的薄壁纤维水泥板。 意大利Fibronit公司根据英国此项技术的专利进行了 商业性开发，设计并制作了专门生产纤化聚丙烯薄膜 增强水泥板的装备，产品的商品名称为“Netcem”。根 据10年大气暴露的试验结果，Netcem波板的耐久性是 令人满意的，但尚需积累更长期的试验资料。英、美 等国还研究了将编织聚丙烯纤维网格布以较高的体积 率掺加于水泥基体中，也得到了较好的试验结果。
第八章 纤维增强水泥基复合材料
短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。
700－2500
1400－2500 1000－2000 3000－3500 2600 400 2900 900 3－6 2－4
170－200
70－80 60－70 72－77 230 5－8 69 4 10－25 25－35
2.0－3.0
2.0－3.5 3.0－4.0 3.6－4.8 1.0 18 4.0 13.0－15.0 0.01－0.05 0.005-0.015
8.3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态
8.3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态
Leabharlann Baidu
目前除我国外，英国、德国、瑞士、比利时、意 大利等国均在抄取工艺线上用维纶生产无石棉纤维水 泥板。国外有的用改性维纶或改性脂纶替代适量的高 模量维纶。丹麦Eternit公司用改性丙纶替代全部石棉， 并用纤维素纤维作辅助纤维在抄取工艺线上制造无石 棉纤维水泥板。
纤 维 增 强 水 泥 的 历 史
纤维增强水泥基复合材料的基体，通常是普通波 特兰水泥，有时也采用高铝水泥和特种水泥。而用于 增强的纤维，除最早广为使用的石棉纤维外还有钢纤 维，玻璃纤维，天然纤维(如玉米秸、麦杆秸、黄麻 等)，合成纤维(如高模量的碳纤维，芳纶纤维和较低 模量的聚丙烯纤维等)。这些增强纤维的性能，增强 效果和制造成本差别较大（见表1）。在纤维增强水 泥基材料中，纤维的使用状态和分布是多种多样的： 既可以是长纤维的一维铺设，也可以是长纤维或者织 物的二维分布，还可以是短纤维的二维或者三维不连 续的乱向分布。因此，近些年来，纤维增强水泥基复 合材料的研究比较活跃，并取得了许多有意义的研究 结果。
8.3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态
(2)使用专门制造的低碱度水泥:例如中国建筑材料科 学研究院开发的硫铝酸盐型低碱度水泥(由无水硫铝酸 钙、石灰石、无水石膏组成)，日本秩父水泥公司开发 的CGC水泥(由无水硫铝酸钙、C2S含量高的波特兰水泥、 矿渣与石膏组成)。根据国内外的经验，为降低GRC制 品的干缩率，应使灰砂比控制在1：1—1：1.5之间。 Biryukovich测定了单向抗拉的基本性能，他得到的E 型玻璃纤维高铝水泥的应力－应变曲线如图1.
8.1 概 述
目前，西方发达国家的墙体材料正向纵深方向发 展，提倡建筑节能，不断提高新型墙材的生产比例， 综合利用工业废渣，节能降耗，使产品系列化与配套 化。同时不断开发多功能的“绿色”材料。
8.1 概 述
我国墙体材料的革新工作虽已进行多年，但传统 的实心粘土砖在整个墙体材料中所占的的比例仍然很 大。由于实心粘土砖保温隔热性能差，生产能耗高， 不符合现行建筑设计规范的建筑节能的要求，更为严 重的是毁坏耕地的现象十分严重。所以，寻找具有生 产能耗低、保温节能的高性能新型墙体材料来取代传 统的实心粘土砖，已成为我国墙体材料改革的大势所 趋。
1、钢纤维增强水泥基材料 2、石棉纤维增强水泥基材料 3、天然纤维增强水泥基材料 4、合成纤维增强水泥基材料 5、玻璃纤维增强水泥基材料 6、混杂纤维增强水泥板
钢纤维增强水泥基材料 钢纤维增强水泥基材料是纤维增强水泥基材料理 论研究最早的一种。与其它增强纤维相比钢纤维增强 水泥基材料研究得最广泛最深入。目前，钢纤维增强 水泥基材料在工程建设中应用最广，钢纤维的消耗量 仅次于石棉纤维。 钢纤维加入到水泥基材料中后，改变了材料的破 坏方式，提高了材料的强度(包括热压强度、抗拉强度 和抗弯强度，特别是大幅度提高了材料的韧性。另外， 复合材料的耐磨性、耐疲劳性、抗冲击性和冻融性等 也有不同程度的改善。钢纤维增强水泥基材料的用途 广泛，主要应用于公路、飞机跑道、工厂地板、堤坝 桥墩、以及河流水库、隧道的内衬等。