新型水泥基复合材料

玻璃纤维的分类
玻璃纤维的品种很多，一般可按玻璃原料中的含 碱量、单丝直径、纤维外观和纤维特性等方面进行分类。 （1）按玻璃原料中的含碱量可分为：有碱玻璃纤维 （碱性氧化物含量＞12%，也称A-玻璃纤维）、中碱玻 璃纤维（碱性氧化物含量6%～12%）、低碱玻璃纤维 （碱性氧化物含量2%～6%）、无碱玻璃纤维（碱性氧 化物含量＜2%，也称E-玻璃纤维）。 （2）按单丝直径可分为：粗纤维（单丝直径30 μm）、 初级纤维（单丝直径20 μm）、中级纤维（单丝直径 10～20 μm）、高级纤维（单丝直径3～9 μm，也叫纺织 纤维）。 （3）按纤维外观可分为：连续长纤维（其中有无捻粗 纱和有捻粗纱）、短切纤维、空心纤维和卷曲纤维等。 （4）按纤维特性可分为：高强玻璃纤维、高模量玻璃 纤维、耐高温玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维、 普通玻璃纤维（指无碱和中碱玻璃纤维）。
钢纤维增强作用机理示意图
钢纤维混凝土搅拌试验
喷射试验
钢纤维在桥墩工程应用中
钢纤维在隧道中的应用
水利枢纽工程三峡大坝
水利工程的面板
钢纤维砼桥面大修施工
2.玻璃纤维增强水泥基复合材料(GFRC)
GFRC广泛应用非承重或半承重制品， 特别适用于包裹钢结构来提高其防火性能。 GFRC可抑制开裂，配置在GFRC中的高 强钢筋，能够有效地避免锈蚀，可用于受动 力作用的领域，如设备基础、海上构筑物等。
1.钢纤维水泥基复合材料（SFRC） 20世纪60年代应用。 特点：抗裂、韧性和冲击较好。 钢纤维的类型，可按钢纤维的生产工 艺、外形、截面形状、材料品质、抗拉 强度及施工用途划分。
1）按钢纤维的生产工艺可分为： （a）钢丝切断型 （b）钢板剪切型 （c）钢锭铣削型 （d）熔抽型 这四种钢纤维的基本特征见表
玻璃纤维以石英砂、石灰石、白云石、石 蜡等组分并配以纯碱、硼酸等，有时为简化工 艺和获得预期的性能还适当掺入TiO2、ZrO2、 Al2O3等氧化物来制备各种玻璃后，经熔融窑 熔化拉丝而成。 玻璃纤维是复合材料中目前使用量最大的 一种纤维，是高新技术不可缺少的配套基础材 料。玻璃纤维具有原料易得、拉伸强度高、断 裂伸长低、弹性模量高、防火、防霉、耐热、 耐腐蚀和尺寸稳定性好的优点，是一种常用的 性能优良的增强材料。玻璃纤维最主要的缺点 是脆性大和不耐磨、因此，它的复合材料制品 也往往具有上述缺点。
钢纤维、玻璃纤 改善强度和韧性; 维和碳纤维
2.Leabharlann Baidu用方式
a短纤维 b网状纤维 c异形化纤维 d表面涂层改性纤维
影响纤维增韧增强的因素：
1.纤维种类; 2.纤维的表面性能; 3.纤维与基体界面的粘结强度; 4.纤维的掺量; 缺点：价格高、分散性差、与基体粘结强度低等。
二、常见的纤维增强水泥基材料
第4章
新型水泥基复合材料
水泥混凝土的缺点： 抗拉强度不足 收缩变形大 韧性差 抗裂性差
复合材料
定义： 两个或两个以上的独立物相，包含 基体和增强体以宏观或微观形式所组成 的固体材料，并与其组成物质有不同的 性能。 特点： （1）发挥各种组成材料的优点 （2）可根据性能需求进行材料的设计和制造 （3）可制成所需的任意形状
通常情况下，钢纤维增强混凝土的钢 纤维体积率不宜小于0.5%，也不宜大于 3%，以1%～2%为宜。
纤维间距理论
纤维间距理论是1963年美国学者J.P.Romualdi和 G.B.Baston在Griffith理论基础上提出来的。 Griffith理论认为，一些脆性材料（如混凝土）之 所以为低应变脆断，原因在于材料微结构的不均 匀性和存在一定量的缺陷，如微裂纹或亚微裂纹 及各种尺度的孔。当受到应力作用时，裂纹尖端 产生应力集中，裂纹迅速扩展，裂纹的数量、长 度、开度不断增加，最终导致裂纹贯通，形成大 的裂缝而使材料结构发生崩溃破坏。
碳纤维的分类
碳纤维的制造方法
碳纤维的制造方法分为有机纤维法和气相生长法两大 类。 有机纤维法 有机纤维法主要采用有机纤维为原料，迄今为止，制 备碳纤维用的原料纤维主要有三种，即粘胶纤维、聚丙烯 腈纤维与沥青纤维。 气相生长法 气相生长碳纤维（Vapor Grown Carbon Fibers， VGCF）是以低碳烃类为碳源，过渡金属等超细粒子为催 化剂，在氢气还原性气氛中使其烃类热解（1100℃左右） 成碳而制得纤维状产物。气相生长碳纤维时，碳源主要采 用苯、甲烷等有机化合物，催化剂主要采用过渡金属铁、 钴、镍等及其它们的合金、化合物等，反应在还原性气氛 中进行，反应温度为1000～1100 ℃。
当在脆性材料基体中掺入纤维后，材料受到应 力时，纤维的存在将会约束裂缝的引发和裂缝 长度及开度的扩展，从而起到增强作用。 Romualdi用图来说明纤维的这种作用。
图表示连续纤维沿拉应力作用方向分布在基体 中间，纤维间距为S，半长为a的裂缝存在于四 根纤维所围成的区域中心。材料在受到拉伸时， 拉伸应力在纤维上产生的粘结应力分布在裂缝 端部附近，从而对裂缝尖端产生反向应力场， 降低了裂缝尖端的应力集中程度，使裂缝的扩 展受到约束，裂缝端部的扩展力减少，材料的 强度特别是韧性得到增加。纤维的这种对裂纹 扩展的约束作用与纤维之间的间距和纤维的数 量有密切关系。纤维间距越小，单位体积中的 纤维数量越多，这种作用就越有效。
（2）按抗拉强度可分为以下三级（依据《纤维 混凝土结构技术规程》CECS38－2004的规 定）：
a．380级（抗拉强度≥380MPa，＜600MPa）； b．600级（抗拉强度≥600MPa，＜1000MPa）；
c．1000级（抗拉强度≥1000MPa）。
钢纤维在水泥基复合材料的应用
在各种纤维增强水泥基复合材料中， 钢纤维在提高水泥基复合材料的各项性 能方面，效果最好。钢纤维增强水泥基 复合材料已广泛用于公路路面、机场道 面、桥面、防水屋面、工业地坪，以及 水工、港口、海洋工程、隧道、涵洞、 建筑结构、抗震及节点工程、国防抗爆 与弹道工程等。
分类： （1）基体类型 金属基、水泥基 （2）增强体外形 不连续、连续纤维增强 复合材料、片状增强复合材料
4.1 纤维改性水泥基复合材料
优点： 1.改善抗拉性能，提高抗折强度，韧性呈 数量级增加 2.减少收缩和收缩裂纹
3.减小截面尺寸，使构件轻型化
一、纤维的分类
1.弹性模量
低弹性模量 高弹性模量 尼龙、聚乙烯、 提高韧性、抗冲 击性能; 聚丙烯
碳纤维是由碳元素（C）组成的无 机非金属纤维，含碳量按质量计不低于 90%。其中含量高于99%的称为石墨化 纤维。碳纤维与其他纤维相比，主要特 点在于密度小，沿纤维轴向有很高的抗 拉强度与杨氏模量，因而比强度与比模 量均较高，同时还具有碳素材料的特性， 诸如耐高温、耐腐蚀、耐磨与导电等特 性。
（1）按原料不同分为粘胶纤维基、聚丙烯腈基、沥青基、 酚醛基碳纤维； （2）按制造方法不同分为有机前驱体碳（石墨）纤维和气 相生长碳（石墨）纤维两大类； （3）按热处理温度和气氛介质不同分为碳纤维（800～1600 ℃；N2，H2），石墨纤维（2000～3000 ℃；N2或Ar）和活 性碳纤维（700～1000 ℃；水蒸气或CO+ N2，水蒸气+O2或 CO2） （4）按力学性能不同，分为通用级（GP，拉伸强度低于1.4 GPa，模量小于140 GPa）和高性能（HP）两大类；其中高 性能有分为中强型（MT）、高强型（HT）、高模型（HM）、 超高强型（UHT）和超高模型（UHM）等品种。 （5）按功能不同，分为结构用碳纤维和功能用碳纤维（耐磨、 导电、润滑等）； （6）按制品可分为超细短纤维（晶须），长丝（含不同K数 的束丝和单纱），束丝短切纤维，织物（布、带、绳）、编 织品（三向及多向织物，圆筒管等）以及无纺布（无纬布、 毡、纸）等多种形态的碳（石墨）纤维增强体。
短切纤维毡主要用于手糊、连续制板和对模模压和SMC工艺 中。表面纤维毡表面纤维毡因其由富树脂制成，通常用于玻璃钢 制品中。这类毡由于采用中碱玻璃（C）制成，故赋予玻璃钢耐 化学性特别是耐酸性，同时因为毡薄、玻纤直径较细之故，还可 吸收较多树脂形成富树脂层，遮住了玻璃纤维增强材料（如方格 布）的纹路，起到表面修饰作用。 短切原丝主要用于玻璃钢中，可分为增强热固性树脂用短切 原丝和增强热塑性树脂用短切原丝两大类。对增强热塑性塑料用 短切原丝的要求是用无碱玻璃纤维，强度高及电绝缘性好，短切 原丝集束性好、流动性好、白度较高。增强热固性塑料短切原丝 要求集束性好，易为树脂很快浸透，具有很好的机械强度及电气 性能。 磨碎纤维是由锤磨机或球磨机将短切纤维磨碎而成，长度从 0.08～0.20 mm不等。磨碎纤维主要在增强反应注射工艺 （RRIM）中用作增强材料，在制造浇铸制品、模具等制品时用 作树脂的填料用以改善表面裂纹现象，降低模塑收缩率，也可用 作增强材料。 玻璃布可分为无碱和中碱两类。主要用于生产各种电绝缘层 压板、印刷线路板、各种车辆车体、储罐、船艇、模具等，有时 还用于生产涂塑包布以及耐腐蚀的场合。玻璃带则常用在制造高 强度、电性能好的电器设备零部件中。
耐碱网格布外墙保温作用
玻璃纤维网格布在保温系统中起着重要的结构作用， 主要防止裂缝的产生 ，在保温系统中起到“软钢筋”的 作用 。
3.碳纤维增强水泥基复合材料(CFRC)
特点：
抗碱性能好、质量轻、耐高温、耐磨损、 导电和导热性好、优良的生物稳定性。 应用： 高层建筑、大桥、码头、河坝、耐火、防 震、静电屏蔽、导电以及波吸收等。
碳纤维的性能
碳纤维具有低密度、高强度、高模 量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高 热导、低热膨胀、耐化学辐射等优良特 性。此外，其还具有纤维的柔曲性和可 编织性，比强度和比模量优于其他纤维 增强材料。
碳纤维的应用
碳纤维的主要用途是作为新型复合材料的增强材料。 由于其优良的综合性能，如低密度、耐热、耐化学腐蚀、 耐摩擦、耐热冲击性能和导电、导热、抗辐射、良好的阻 尼、减震、减噪、可编织等，碳纤维及其复合材料已经广 泛应用于航空航天、国防等军事尖端领域以及交通运输、 土木建筑、运动医疗器材、汽车工业等民用领域，正起着 越来越大的作用。碳纤维及其复合材料在工业中的应用和 特性如表9-7所示。 （1）用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥、大 面积防热层；卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星火箭结合部件；航天飞机机头、机翼前缘和舱门等制件； 哈勃太空望远镜的测量构架，太阳能电池板和无限点点像。 用作主承力结构材料，如主翼、尾翼盒机体；次承力构件， 如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及 座板等。此外还有C-C刹车片。
玻璃纤维的用途
玻璃纤维可以制成各种制品，如无捻粗纱、玻璃纤维毡、 短切原丝和磨碎纤维以及玻璃布等。连续玻璃纤维加纺织型 浸润剂经过退绕、加捻、并股、络纱可制成有捻纱；有捻纱 再经过并捻、织造加工进一步得到纤维绳、布和带。若加入 增强型浸润剂，并经过并股、络纱可制成无捻纱，由此可进 一步加工成粗纱布、短切纤维毡和表面毡。 无捻粗纱是由平行原丝或平行单丝集束而成的。无捻粗 纱按玻璃成分可划分为：无碱玻璃无捻粗纱和中碱玻璃无捻 粗纱。无捻粗纱可以直接用于某些复合材料工艺成型方法中， 如喷射用无捻粗纱、SMC（片状模塑料）用无捻粗纱、缠绕 用无捻粗纱、拉挤用无捻粗纱、织造用无捻粗纱、预型体用 无捻粗纱等。也可制成无捻粗纱织物（方格布），在某些用 途中还将无捻粗纱短切。 玻璃纤维毡有连续纤维毡、短切纤维毡及表面毡。连续纤 维毡加工简单，毡的力学强度大，生产效率高，质量均匀， 适用于各种手糊制品及大型储罐，故其对复合材料的增强效 果较短切毡好，主要用在拉挤法、RTM法、压力袋法及玻璃 毡增强热塑料（GMT）等工艺中。
实验研究和工程实践表明，钢纤维的长度 为20～60 mm，直径或等效直径宜为0.3～0.9 mm，长径比在30～100范围内选用，其增强 效果和施工性能可满足要求。如超出上述范围， 经试验在增强效果和施工性能方面能满足要求 时，也可根据需要采用。根据国内外工程应用 经验，对一般浇筑、抗震框架节点及铁路轨枕 等类结构的钢纤维增强混凝土，常用钢纤维几 何参数选用范围如表