高性能纤维增强水泥基复合材料的研究
植物纤维增强水泥基复合材料研究综述
ｌ１８】
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椰
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舌
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纤
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米秸
秆
纤
维
等 ；④竹筋 ２４］。研究工作主要 围绕三个方面进行 。
１植物 纤维 增 强水泥 基复 合材料 力 学性 能
人 们 在 植 物 纤 维 增 强 水 泥 基 材 料 力 学 性 能 方 面 的 研 究
较为全面深入 ，其 中以下研究 具有一定代表 胜：
关键 词 植 物 纤 维 ；水 泥基 复 合 材 料 ；界 面特 性 ；耐久 性 ；纤 维 改性
０引言 纤 维 增 强 水 泥 基 复 合 材 料 （Ｆｉｂｅｒ－Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｅｍｅｎｔ
Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ＦＲＣＭＣ）是 以水泥净浆 、水 泥砂 浆或混凝土 做基材 ，以非连续的短纤维或连续 的长纤维作增强体组合成 的复合材料 。当所用水泥基材为水泥净浆或水泥砂浆 时 ，称 之 为纤 维增强水 泥 ；当采用混凝 土为基材时 ，称之 为纤维增 强 混 凝 土 【ｌ＿。
纤维对水泥基材料 的开裂有很好的控制作用 。大约 ３５００ 年 以前 ，国外就有 用纤维来加 强脆性基质 的案例 ，例如利用 稻 草和马鬃 与黏土混合起来制作砖 和地板１２］。我 国古代建筑 也 有把植 物纤维加入粘土的做 法＿ｌＪ。纤维加 固的概念在 现代 有 了进 一步发展 ，１９００年奥匈帝 国 的 Ｈａｔｓｃｈｅｋ发 明用 圆网 抄取机 制造石棉水泥板的工艺方法＿】１。
的断裂和冲击性能 ，通过双参数断裂模 型对试验结果进行表
述 ，其抗压 、抗 弯和劈裂拉伸强度均满足相关 的欧洲标准 。
纤维增强水泥基复合材料的研究进展
第36卷第10期 娃 酸盐 通 报Vol.36 No.10 2017 年 10 月________________BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY_________________October,2017纤维增强水泥基复合材料的研究进展关国英\赵文杰2(1.吉林建筑大学材料科学与工程学院，长春13〇118;2.长春工业大学化学工程学院，长春130012)摘要:综述了纤维增强水泥基复合材料（f i b e r r e i n f o r c e d cem e n t i t i o u s composites，FRCC)目前在国内外的研究进展。
简要介绍了F R C C的概念及其基本性能，详细介绍了超高性能F R C C的国内外研究进展，重点介绍了 F R C C的纤维 间距、复合材料以及多重裂缝等理论的研究情况以及F R C C工程应用情况，在此基础上，提出了当前F R C C研究中 存在的问题和今后需要进一步研究的方向。
关键词:纤维；增强；水泥基；复合材料；机理中图分类号:TU529.41 文献标识码:A 文章编号:1001-1625 (2017)10-3342-05 Research Development of Fiber Reinforced Cementitious MaterialsGUAN Guo-ying1,ZHA0 Wen-jie2(1. School of Materials Science and Engineering, Jilin Jianzhu University,Changchun 130118 ,China；2. Institute of Chemical Engineering,Changchun University of Technology,Changchun 130012,China)Abstract：The current research progress of the fiber reinforced cementitious composites(FRCC)at home and abroad is summarized.The concept and the related properties of FRCC are introduced briefly.The research progress of ultra-high performance of FRCC are especially introduced domestic and overseas.The engineering application of FRCC and the current theoretical research of the theory of composite,fiber spacing theory and multiple fracture theory are recommended emphatically.On the basis of,the existing problems of researching FRCC are putted forward in the current and to come up with the direction for further study of FRCC in the future.Key words ：fiber；reinforced；cementitious；composite material；mechanism1引言在现代的建筑行业中，水泥基材料是一种应用范围广、用量大的建筑材料，它具有来源广泛、价格便宜、强度可控、及外形可塑等优点，但也存在抗裂性差、脆性大、抗拉强度低、极限延伸率小等不足之处。
ECC研究进展与应用：综述
ECC研究进展与应用：综述摘要：ecc是engineered cementitious composites的简称，是一种具有超强韧性的乱向分布短纤维增强水泥基复合材料。
ecc不同于普通的纤维增强混凝（frc），它是一种经细观力学设计的先进材料，具有应变一硬化特性，在纤维体积掺量小于2%的情况下，其极限拉应变通常在3%—7%的范围内。
经过大量的试验与研究表明，ecc材料具有很多优良的性能，能够适用于土建工程中的很多领域。
关键字：ecc；韧性；应用一、引言近年来，我国国民经济得到了长足的发展，同时对公路事业的发展也提出了更高的要求，带动了高等级公路在我国的蓬勃发展。
水泥混凝土路面因具有强度高，稳定性好，持久耐用和养护费用低等优点而被广泛使用。
但是，水泥基材料在工程中还出现了诸多的问题，主要有两个方面：（1）极限荷载条件下的脆性破坏，如剥落、破碎等，均与混凝土低韧性密切相关；（2）正常工作状态下的破坏，如混凝土裂纹扩展导致有害离子引入，引发混凝土及钢筋的破坏。
因此，要发展绿色高性能甚至超高性能混凝土就要求混凝土既要有足够的强度，又要有良好的延性，以及必要的耐久性。
二、ecc发展概况新型的超强韧性纤维混凝土ecc（ engineered cementitious composites）是以水泥、砂、水、矿物掺合料和化学外加剂构成基体，用纤维体积掺量低于 3% 高强高弹模短纤维做增韧材料，硬化后具有应变–硬化和多重稳定开裂特征的新型高性能纤维增韧水泥基复合材料。
该水泥基复合材料是基于微观物理力学原理优化设计的具有应变硬化特性和多缝开裂特征的一种新型工程用水泥基复合材料.这种复合材料是在二十世纪九十年代由美国密歇根大学的li.v.c提出来的。
试验研究已经证实它的应变能力可达几个百分点，最高可达6%，耗能能力是常规纤维混凝土的几倍，抗压强度在高强混凝土范围之内，是一种具有很大应变-硬化性能的复合材料。
目前美国与日本等国家已经对强韧性纤维混凝土ecc进行了大量的理论与试验研究工作，并已经在实际工程中得到了广泛的推广和应用。
纤维增强复合材料的制备与性能研究
纤维增强复合材料的制备与性能研究一、引言纤维增强复合材料是一种在结构和性能方面都具有优异特点的材料，因此在航空、航天、汽车、船舶和医疗领域等得到广泛应用。
本文将详细介绍纤维增强复合材料的制备和性能研究。
二、纤维增强复合材料的制备1.纤维的选择纤维是制备纤维增强复合材料的重要组成部分，其性能直接影响材料的性能。
常用的纤维有玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维等。
玻璃纤维具有低成本、良好的耐磨性和耐腐蚀性等优点，适合制备一些低强度要求的复合材料。
碳纤维具有良好的强度、刚度、疲劳寿命和高温稳定性，适合制备高强度、高刚度要求的复合材料。
芳纶纤维具有较高的强度和模量、优异的耐热性和耐化学品性，适合制备高性能的复合材料。
2.基体的选择基体是纤维增强复合材料的另一重要组成部分，其作用是固定和支撑纤维。
通常选择热固性树脂（如环氧树脂、酚醛树脂）作为基体。
这类树脂具有优异的粘接性能和化学稳定性，对纤维的保护效果良好。
同时，可以通过调整树脂的成分和添加剂来改变复合材料的性能。
3.制备方法（1）手工层叠法手工层叠法是制备纤维增强复合材料最基本也最常用的方法之一。
它的主要步骤是将预制好的纤维放置在模具中，再涂上树脂，反复重复这个过程，直到达到所需厚度。
（2）预浸法预浸法是将纤维预先浸渍在树脂中，经过初步固化后再放入模具中进行二次加固。
这种方法可以提高纤维与基体之间的结合强度。
（3）重叠法重叠法是将多层预制好的带有树脂涂层的纤维片重叠在一起，压缩成所需形状，然后进行固化。
（4）自动化生产方法随着科技的发展，自动化生产方法也越来越流行。
其中最常见的方法是采用自动化织机进行生产，该方法具有速度快、质量稳定等优点。
三、纤维增强复合材料的性能研究1.力学性能纤维增强复合材料的强度、刚度和疲劳寿命等力学性能是其最重要的性能之一。
通过实验测试方法可以获得这些性能参数，一般采用拉伸试验、弯曲试验和剪切试验等方法测量不同方向的应力应变曲线，进而计算出复合材料的力学性能参数。
工程纤维增强水泥基复合材料(ECC)耐久性能研究进展及应用
高其 韧性 ， 从而 有 效 地抑 制 裂 缝 的形 成 和 发展 。工 程 纤 维增 强水 泥基 复合材 料 （ Ｅ Ｃ Ｃ） 具有 较 高 的延 性
２ Ｅ Ｃ Ｃ耐 久 性 能试 验研 究
２ ． １ 抗 收缩 性能试 验
和裂缝 控制 能力 ， 大 大 改 善 了水 泥基 材 料 的抗 裂性 能¨ ， 是有 望解 决工 程结 构 耐 久 性 问题 的一 种 新 型
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ＆ Ａｐ ｐｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｂｕｉ ｌ ｄ ｉ ｎｇ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ
性 和 良好 的裂 缝控 制 能 力 ¨ ３ Ｊ ， 它 的韧性 与铝 合 金 非
・
８・
裂 作用 ， 使 得 试 件 内部 应 力 能 稳 定 地 传 递 并 扩 散 。 另 一方 面 ， 纤维 可 以挤压 甚 至阻塞 砂浆 内的毛 细管 ， 使 砂浆 表 面失水 面 积减 少 ， 水 分迁 移 困难 ， 降低 毛 细
公司， 山西 太原
摘
４ ５ ４ ０ ０ ３ ； ２ ． 中化 二建 集 团有 限
０ ３ ０ ０ ２ １ ）
要： 普通钢筋混凝 土结构存 在着严 重 的耐久性 问题 ， 工
常相似 ］ 。图 １ 为Ｐ Ｖ Ａ纤 维体 积掺 量 为 ２ ％的 Ｅ Ｃ Ｃ 在 单轴 拉伸 荷载 作用 下 的典型 应力 一应 变 曲线 。
ECC高性能纤维增强水泥基材料及其应用
ECC高性能纤维增强水泥基材料及其应用ECC 高性能纤维增强水泥基材料及其应用陈文永陈小兵丁一(中国京冶工程技术有限公司 ,北京 100088)摘要 : ECC 是 Engineered Cementitio us Co mpo site s 的简称 ,是一种具有超强韧性的乱向分布短纤维增强水泥基复合材料。
ECC 是一种经细观力学设计的先迕材料,具有应变 2 硬化特性 ,在纤维体积掺量为 2 %左右的情冴下,其极限拉应变通常能达到3 %以上。
ECC 具有的优良特性使其能广泛应用于土木工程的众多领域。
关键词 : ECC ; PV A ;应变 2 硬化 ;应用THE APPL ICATIO N OF ENGINEERED CEM ENTITIO US COMPOSITESChen Wenyo ng Chen Xiao bing Ding Yi( )Chi na J ingye Engi neering Co rpo ratio n L imit ed ,Beiji ng 100088 , China( ) Abstract :In t hi s p ap er , ECC engineered cementitio us co mpo site si s o ne of t he fi ber reinfo rced cementitio us co mpo site s , w hich sho w s p seudo st rai n ha r dening behavio r wit h several p ercent tensile st rain. When t he ECC co ntains a bo ut 2 % of PV A fi ber s , t he ultimate tensile st rain of ECC i s mo re t ha n 3 % , w hich i s 300 ti mes greater t ha n t hat of co ncrete . So , the ECC ha s been wildl y applied to a lot of fields in civil engineering.Key words :ECC ; PV A ; st rain2ha r dening ; applicatio n纨 90 年代早期率先开展了对 ECC 返种具有超高韧 0 前言性的水泥基复合材料的研究。
植物纤维增强水泥基复合材料面临的问题及相关改性研究现状
第43卷第2期2024年2月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.43㊀No.2February,2024植物纤维增强水泥基复合材料面临的问题及相关改性研究现状姜德民,徐浩东,康红龙,胡思宇(北方工业大学土木工程学院,北京㊀100144)摘要:作为一种新型绿色环保建筑材料,植物纤维增强水泥基复合材料受到了广大科研人员的青睐,但目前仍面临着众多问题㊂本文归纳总结了在植物纤维增强水泥基复合材料研究中的三大主要问题 植物纤维的高吸水率㊁植物纤维在水泥基复合材料中的劣化以及植物纤维对水泥基复合材料的阻凝作用,分析了造成这些问题的主要原因,列举了常见的改性方法并深入阐述了相应的改性机理及研究现状,最后展望了植物纤维增强水泥基复合材料的研究前景,以期为今后植物纤维资源化利用提供参考㊂关键词:水泥基复合材料;耐久性;植物纤维改性;力学性能;资源化中图分类号:TU528.572㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2024)02-0387-10Problems Faced by Plant Fiber Reinforced Cement-Based Composites and Research Status of Its Related ModificationJIANG Demin ,XU Haodong ,KANG Honglong ,HU Siyu(Faculty of Civil Engineering,North China University of Technology,Beijing 100144,China)Abstract :As a new type of green environmental protection building materials,plant fiber reinforced cement-based composites have been favored by many researchers,but there are still many problems.Three main problems in the study of plant fiber reinforced cement-based composites were summarized,namely,the high water absorption of plant fiber,the deterioration of plant fiber and the anticoagulation effect of plant fiber in cement-based composites.The main causes of these problems were analyzed.The common modification methods were listed and the corresponding modification mechanism and research status were described in detail.In the end,the research prospect of plant fiber reinforced cement-based composites was prospected,which provides reference for the resource utilization of plant fiber in the future.Key words :cement-based composite;durability;plant fiber modification;mechanical property;resource收稿日期:2023-09-21;修订日期:2023-11-20基金项目:北京市自然科学基金(2172021)作者简介:姜德民(1968 ),男,博士,教授㊂主要从事植物纤维保温混凝土的研究㊂E-mail:jdm2004@通信作者:徐浩东,硕士研究生㊂E-mail:1596186323@ 0㊀引㊀言水泥基材料是建筑行业的支柱型原材料,发展至今已经有200多年的历史,如今水泥行业的飞速发展造成的环境问题不容小觑㊂据统计[1],水泥生产㊁火力发电和冶金制造是我国三大大气污染主要来源,其中水泥生产所带来的污染占比最大,每生产1t 水泥将排放0.95t CO 2,整个水泥行业所排放的CO 2占全球总排放量的5%~8%[2]㊂因此,在建筑行业,环境友好的新型建材的研发越来越受到重视㊂纤维水泥制品是水泥制品行业的重要组成部分,纤维的加入能够提高水泥基材料的韧性㊁抗裂性以及耐久性等性能[3],纤维可分为天然纤维(棉纤维㊁麻纤维㊁毛纤维)和人造纤维(聚酯纤维㊁尼龙㊁钢纤维)[4]㊂植物纤维属于天然纤维,作为一种宝贵的可再生资源,植物纤维的应用前景广阔且潜力十足㊂有些植物纤维的抗拉强度要高于人造纤维(如聚丙烯纤维),毛竹纤维㊁洋麻纤维的单根抗拉强度甚至可达上千兆帕[5]㊂此388㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷外,在混凝土中添加植物纤维能在一定程度上抑制材料微裂缝的产生,使材料的抗渗㊁抗冻融性能增强,韧性得到提高[6]㊂近年来,不少科研人员都投入到植物纤维增强水泥基复合材料(plant fiber reinforced cement-based composite,PFRCC)的研究中㊂PFRCC 的研究意义在于:1)植物纤维复合材料有着一定的可降解性[7],将其应用在建筑材料上能够减轻建筑垃圾的回收处理负担;2)植物纤维有着优秀的抗拉性能,同时还是一种绿色可再生资源,其生产过程不会产生污染;3)在PFRCC 中加入植物纤维能够取代部分水泥,通过减少水泥的使用来减轻环境负担㊂但是从植物纤维的化学组成上来看,它并不适合直接添加到水泥基材料中㊂一方面,植物纤维中存在着大量羟基,与水泥进行拌和时,植物纤维会大量吸收自由水导致水灰比降低[8],影响材料的强度,甚至会导致混凝土内部缺陷增多[9]㊂另一方面,植物纤维会在碱性环境下发生降解行为,这大大损伤了植物纤维的物理机械性能[10]㊂另外,植物纤维中存在的半纤维素和木质素会在水溶液或碱性溶液中析出并发生水解,水解产物会阻碍水泥水化[11]㊂因此,如何更好地发挥植物纤维自身优势,提高植物纤维与水泥基材料的相容性,以及提高PFRCC 拌合物的和易性和硬化后的耐久性是推进植物纤维资源化利用的首要任务[12]㊂目前,大量研究[13-15]表明,对植物纤维进行改性处理可以有效提高PFRCC 的性能㊂常用的改性方法有碱处理㊁乙酰化处理㊁硅烷偶联剂处理㊁沸煮处理等方法,这些方法都是以提高植物纤维与水泥基材料之间的相容性㊁增强植物纤维抗碱性侵蚀能力等为目标㊂本文将从植物纤维基本的物理化学特性出发,详细阐述植物纤维在水泥基材料中的劣化机理以及针对植物纤维的不同改性方法,为今后植物纤维资源化利用提供参考㊂1㊀植物纤维的构造以及化学组成1.1㊀植物纤维的构造图1㊀植物纤维基本纤维束Fig.1㊀Plant fiber basic fiber bundle 一个单一的植物纤维是由多个(通常10~30个)基本纤维束通过胞间层的果胶物质连接构成,具体如图1所示[16],基本纤维束由外到内可分成三层:胞间层㊁初生壁㊁次生壁㊂最外层是胞间层,含有果胶㊁半纤维素和木质素;中间层是初生壁,含有纤维素和半纤维素;最内层是次生壁(包括S1㊁S2和S3),主要由纤维素构成[17],其中次生壁S2的厚度占整个细胞壁厚度的80%,对植物纤维的力学性能起主要作用[18]㊂图2和图3是植物纤维初生壁和次生壁的示意图[19]㊂初生壁很薄,厚度0.1~0.3μm,其纤维素的含量很低且较为分散,亲水性较强㊂次生壁是较厚并且完全分化的细胞壁,含有大量十分密集且相互平行的纤维素,纤维素不仅十分密集而且相互平行,为植物纤维突出的拉伸性能提供了有利条件[19]㊂图2㊀植物纤维初生壁示意图Fig.2㊀Schematic diagram of the primary wall of plantfiber 图3㊀植物纤维次生壁示意图Fig.3㊀Schematic diagram of the secondary wall of plant fiber㊀第2期姜德民等:植物纤维增强水泥基复合材料面临的问题及相关改性研究现状389 1.2㊀植物纤维的化学组成植物纤维的主要化学组成是纤维素㊁半纤维素和木质素,它们在不同种类的植物纤维中占比不同,也与植物生长所处的土壤和气候环境有关[20]㊂例如,椰壳纤维中纤维素含量约32%(文中均为质量分数),半纤维素含量约0.15%,木质素含量约40.45%[21]㊂而棉纤维纤维素的含量约85%(是椰壳纤维纤维素含量的2~3倍),半纤维含量约5.7%,木质素含量则极低[22]㊂纤维素是植物纤维中占比最多的成分㊂纤维素的化学分子式如图4[17]所示,它是由数千个葡萄糖分子组成的长链,含有44.4%的碳㊁6.2%的氢和49.4%的氧,相对半纤维素和木质素来说受碱和稀酸的影响较小[23]㊂植物纤维机械强度的高低与纤维素含量有关,也取决于纤维素微纤丝与纤维轴向的夹角(微原纤维角)[24]㊂图4㊀纤维素分子式Fig.4㊀Cellulose molecule半纤维素是植物纤维中第二大组成成分,化学分子式如图5[17]所示,它是由几种类型不同的单糖构成的异质多聚体㊂半纤维素有亲水性,吸水会润涨细胞壁,也可溶于碱性溶液并发生水解㊂半纤维素是充当纤维素微纤丝之间基质的物质[23],起到黏结并加强整体性的作用㊂图5㊀半纤维素分子式Fig.5㊀Hemicellulose molecule木质素的化学分子式如图6[17]所示,它是一类复杂的芳香烃聚合物,起到强化植物组织的作用㊂跟半纤维素类似,木质素也充当纤维内部和纤维之间的化学黏结剂㊂木质素不溶于水,可溶于碱性溶液并发生水解㊂图6㊀木质素分子式Fig.6㊀Lignin molecule2㊀PFRCC面临的问题2.1㊀植物纤维的高吸水率植物纤维的高吸水率及较差的尺寸稳定性对PFRCC的性能有负面影响㊂首先,在与水泥基材料拌和390㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷时,植物纤维会吸收大量水分并发生体积膨胀,在水泥水化后期时,伴随着植物纤维中水分的流失(部分被水泥基汲取参与水泥水化,部分蒸发[25]),纤维体积收缩,纤维-水泥基界面区产生应力,导致微裂缝出现,图7是Azwa等[26]对于上述行为的具体描述㊂当PFRCC暴露于潮湿环境中时,水分子渗透并附着在纤维亲水羟基上建立分子间氢键,这会使得纤维与水泥基界面黏结强度降低,复合材料中应力的传递被削弱[27]㊂图7㊀水对植物纤维-水泥基界面区的影响[26]Fig.7㊀Effect of water on plant fiber-cement base interface[26]造成植物纤维吸水率较高的主要原因是其分子结构中含有大量的羟基[28]㊂羟基是一种亲水基团,在纤维素㊁半纤维素的表面均含有不同数量的羟基㊂半纤维素(大部分是非晶态)的羟基含量最高,一般来说植物纤维中半纤维素含量越多,吸附水分子的能力越强[29]㊂对于纤维素,位于结晶部分(主要在微纤维的核心)的羟基被认为不参与吸附水分子,而存在于纤维素非晶态区表面的羟基能够与水分子发生相互作用[30]㊂值得注意的是,科研人员也发现了植物纤维高吸水率对复合材料内养护方面的积极影响㊂Jongvisuttisun 等[31]在关于植物纤维自养护的研究中发现,夹带在植物纤维管腔中的自由水很容易被周围的水泥基体吸收,当水化反应超过25h后,植物纤维细胞壁小孔隙中的自由水和部分结合水能够迁移出来并减缓水泥基体的自收缩㊂2.2㊀植物纤维在水泥基碱性环境下的水解与矿化植物纤维在碱性环境中会发生碱性水解,相比于纤维素,半纤维素和木质素这类非晶态组分更容易在碱性溶液中发生水解[32]㊂Toledo等[33]总结了植物纤维在水泥基中的碱性水解过程,如图8所示㊂在初始状态下的植物纤维中,纤维素微纤维被半纤维素和木质素包裹在一起形成一个整体㊂在碱性孔隙溶液的侵蚀下,木质素最先发生分解,部分半纤维素也被分解㊂随着侵蚀程度的加深,半纤维素发生分解,植物纤维细胞壁的完整性被破坏,最后随着纤维素微纤维发生脱落和断裂,纤维素最终被分解,植物纤维完全劣化㊂除了碱性水解,植物纤维在水泥基中还会有纤维矿化的情况发生㊂纤维矿化被定义为:在水泥水化过程中,Ca2+㊁Mg2+㊁Al3+和Si4-等离子对植物纤维细胞壁和开放孔隙的浸渍行为[34],或者说植物纤维的矿化是水泥水化产物(尤其是氢氧化钙)迁移沉淀到纤维的胞间层以及管腔等组织中导致纤维韧性降低的一种劣㊀第2期姜德民等:植物纤维增强水泥基复合材料面临的问题及相关改性研究现状391化形式㊂植物纤维复合材料的脆化主要与纤维矿化有关[18]㊂图8㊀植物纤维的碱性水解过程[33]Fig.8㊀Alkaline hydrolysis process of plant fibers[33]2.3㊀植物纤维延缓水泥凝结植物纤维的添加也会影响PFRCC中水泥的水化与凝结㊂植物纤维中的纤维素是一种多糖,在水泥基碱性环境下分解成葡萄糖㊂葡萄糖在碱性环境下生成酸,与水泥水化产生的OH-发生中和反应,由此产生的盐会附着在熟料和水化产物表面,延缓水泥水化反应的进行[35]㊂同样,半纤维素和木质素在水泥基碱性环境中的水解产物也对水泥水化有阻碍作用[6]㊂Sedan等[36]研究了麻纤维的掺入对水泥凝结时间的影响,通过扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱分析发现纤维表面果胶的存在会导致纤维周围存在较多的Ca2+,这也是导致水泥凝结缓慢的原因之一㊂另外,对于PFRCC凝结时间的测定,纤维的存在会阻碍维卡仪探针的插入,因此需要一种无损的精确方法来测定其凝结时间㊂Choi等[37]通过超声脉冲波来分析PFRCC的凝结时间,其试验结果表明植物纤维延缓了水泥水化,并且纤维含量越高,水化延迟越长,这样的测试结果是符合预期的㊂3㊀植物纤维的改性方法3.1㊀角质化处理植物纤维角质化是指不可逆地从纤维细胞壁中去除水分的机制[25],可以通过对其进行多次干湿循环完成[7]㊂当浸泡在水中的植物纤维达到吸水饱和后,将其放置在中等温度(60~80ħ)[38]的烘干箱内进行干燥,这时纤维的多糖纤维素链发生重排,其中纤维素微纤维由于水分的流失而彼此靠近,相互之间形成不可逆或部分不可逆的氢键,其中大多数氢键不会再重新打开㊂持续的干湿循环也会使得植物纤维管腔会发生坍塌,细胞壁层状结构中的大部分毛细孔会关闭,植物纤维结构将变得更加密实[39]㊂Claramunt等[40]对针叶木纤维和棉绒纤维进行了角质化处理,并证明了角质化过程会使这些纤维(尤其是针叶木纤维)的保水性大幅下降,尺寸稳定性提高,纤维-基体界面强度也得到了提高㊂Ferreira等[41]通过拉拔试验评价了植物纤维角质化处理对基体附着力的影响,从得到的力与滑移曲线中发现,复合材料经过加速老化后,处理过的纤维与基体的最大黏结应力和摩擦应力分别提高了40%和50%㊂3.2㊀热液处理热液处理最早应用于木材的改性,一般可分为超临界水处理㊁亚临界水处理和环境液态水处理三类,这些方法的主要区别在于处理过程中施加的温度不同[42]㊂热液处理通过对植物纤维高温沸煮来提取纤维中的可溶性糖分,这类组分是延缓水泥凝结的主要原因㊂热液处理还能够将纤维的亲水 OH基转化为疏水基团来提高纤维的尺寸稳定性,但是随着处理时间和处理温度的提高,纤维的吸水率会变高[43]㊂Sellami等[44]为了克服植物纤维与水泥基材之间相容性较差的问题,采用热液处理对纤维进行改性,通过SEM观察发现,沸煮4h后的纤维部分表面组分消失,这说明热液处理能够溶解纤维表面的可溶性物质㊂经过热液处理后,虽然纤维表面的一些物质(木质素㊁蜡㊁油脂)被去除,但是纤维表面结构没有明显变化且纤维的抗拉强度和弹性模量均有增加[45]㊂392㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷3.3㊀碱处理碱处理(采用NaOH溶液浸泡处理)是最常用于处理植物纤维的方法之一㊂植物纤维表面的蜡㊁果胶以及半纤维素和木质素对碱性溶液敏感,通过碱处理可以去除这些物质[46]㊂碱处理后的植物纤维表面变得粗糙,纤维直径变小带来的纵横比(长/直径)增加使得纤维的有效表面积增大,利于与基体的黏结[47]㊂碱处理去除了植物纤维中部分无定形区(半纤维素和木质素),提高了纤维的结晶度和抗拉强度[48]㊂但是碱处理浓度过大或者处理时间过长会破坏植物纤维的纤维素结构,导致纤维强度下降[49]㊂图9㊀不同浓度NaOH溶液处理后的植物纤维的SEM照片[50]Fig.9㊀SEM images of plant fibers treated with different concentrations of NaOH solution[50]De-Souza等[50]在碱处理对剑麻纤维性能影响的研究中重点关注了碱浓度变化对纤维的影响㊂不同浓度NaOH溶液处理后的植物纤维的SEM照片如图9所示,随着碱浓度的提高,纤维表面变得越来越粗糙㊂第2期姜德民等:植物纤维增强水泥基复合材料面临的问题及相关改性研究现状393㊀与未改性纤维相比,碱处理后的纤维抗拉强度和弹性模量分别提高了42%和237%,且抗拉强度随着碱浓度提高而提高,碱浓度为10%时抗拉强度下降,但仍高于未改性纤维㊂3.4㊀乙酰化处理植物纤维的亲水性主要由纤维内富含的羟基所决定㊂利用乙酰基与植物纤维的亲水性羟基发生酯化反应,可以降低植物纤维的亲水性[51]㊂植物纤维经过乙酰化后,疏水性增强的同时尺寸稳定性也得到了改善㊂由于植物纤维细胞壁的结构致密,酯化剂很难与内部羟基充分接触发生取代反应,可以先采用碱处理法对纤维进行预处理[7]㊂Zaman 等[52]在香蕉束纤维/聚合物的研究中发现碱处理和乙酰化相结合的处理方式能够有效降低纤维的吸水率,对比未改性纤维,改性后的纤维吸水率降低了42%㊂Bledzki 等[53]发现亚麻纤维经过乙酰化后纤维表面变得更加光滑并能观察到细小微纤维的出现,随着乙酰化程度越高,纤维的损伤和开裂也越明显㊂Oladele 等[54]的研究表明植物纤维经过乙酰化处理后抗拉强度提高,但是当乙酰化处理浓度超过4%时,纤维的抗拉强度发生了下降㊂所以对于PFRCC 来说,对纤维进行一定程度的乙酰化处理能够提高复合材料的抗压㊁抗折强度[55-56]㊂3.5㊀硅烷偶联剂处理硅烷作为公认的高效偶联剂已经被广泛应用于复合材料和黏合剂的配方中[57]㊂硅烷分子具有双官能团,可以分别与两相发生反应,因此它们能很好地耦合植物纤维与水泥基材,并在它们之间架起桥梁[58]㊂但是植物纤维中的羟基具有非常低的可及性,与许多化学物质不发生反应㊂在对纤维进行改性处理时,需要先将硅烷放入调节至弱酸性(pH =4~5)的水与乙醇的混合溶液[59]中进行水解以产生更活泼的硅醇基[60],然后再将纤维放入混合溶液中使纤维的羟基与硅醇基发生反应来达到改性目的㊂Koohestani 等[61]指出适合对图10㊀98%硅烷偶联剂喷涂植物纤维的SEM 照片[62]Fig.10㊀SEM images of plant fiber sprayed with 98%silane coupling agent [62]植物纤维改性的硅烷偶联剂用量在1%~5%(占纤维质量),硅烷偶联剂的水解时间㊁硅烷水解溶液的温度和pH 值以及硅烷偶联剂自身的化学性质是影响硅烷处理效果的主要因素㊂硅烷偶联剂也可以直接进行喷涂处理㊂Ban等[62]在对竹纤维改性时,在没有进行硅烷水解的情况下直接将98%(质量分数)的硅烷偶联剂喷涂到纤维上,纤维的SEM 照片如图10所示,所制备的复合材料的拉伸㊁抗压性能相比于未改性对照组均得到提升,但是纤维的吸水率升高,分析原因可能是过量的硅烷与水发生了水解反应㊂4㊀结语与展望1)植物纤维中存在着大量羟基,具有较强的亲水性,这种强吸水性能够导致复合材料发生劣化,影响纤维与水泥基界面的黏结强度㊂2)在水泥基碱性环境下,植物纤维的主要成分纤维素㊁半纤维素和木质素容易发生水解导致纤维发生劣化㊂植物纤维在水泥基碱性环境下还会发生矿化的现象,导致复合材料的脆化㊂3)植物纤维在水泥基碱性环境下的水解产物会阻碍水泥凝结,植物纤维含量越高水泥水化延长越久㊂4)对纤维进行改性处理能够提高复合材料的性能,常用的改性方法有角质化处理㊁热液处理㊁碱处理㊁乙酰化处理和硅烷偶联剂处理㊂5)不同的改性处理对纤维起到的作用不同,总体来说改性处理能够提高纤维密实程度㊁增加纤维表面粗糙度㊁提取纤维中的阻凝成分㊁降低纤维吸水率以及增强纤维与基体界面的黏结等㊂6)目前对于植物纤维的改性主要是使用单一的方法进行改性,采用多种方法复合改性处理的研究较少㊂从改性机理上看,各改性方法侧重的改性作用不同,研究不同改性方法间的协同作用是进一步提高植物纤维性能的关键㊂7)鉴于实际建设工程中环境的复杂性,针对特殊环境下的PFRCC 的研究也应该得到重视以适应更广泛394㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷的施工要求㊂参考文献[1]㊀饶德梅.不同烧成温度和时间对水泥熟料矿物相组成的影响[D].绵阳:西南科技大学,2023.RAO D M.Effect of different sintering temperature and time on mineral phase composition of cement clinker[D].Mianyang:Southwest University of Science and Technology,2023(in Chinese).[2]㊀宋丁豹,蒲诃夫,胡海蓝,等.水平排水板真空预压-碱激发矿渣固化联合法处理高含水率淤泥的试验研究[J/OL].岩石力学与工程学报:1-11[2023-08-31].https:///10.13722/ki.jrme.2023.0040.SONG D B,PU K F,HU H L,et al.Experimental investigation on 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聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料力学性能试验研究
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｕ ５ ２ ８ ． ５ ７ ２
文 献标 识 码 ： Ａ
文 章编 号 ： １ ０ ０ ０ — ４ ６ ３ ７ （ ２ ０ １ ３ ） １ １ — ４ ８ — ０ ４
０
前 言
价值 。
１ 试 验 设 计
聚乙烯醇纤 维增 强水 泥基复合 材料 （ Ｐ Ｖ Ａ— Ｅ Ｃ Ｃ） 是一 种新 型复合 材料 ， 该 材料 以水 泥或 水泥 加 填料 ， 再 掺 加 小粒 径细 骨 料 作为 基 体 ， 用Ｐ Ｖ Ａ纤 维 作增 强材 料 ， 具 有高 韧性 、 高 抗 拉强 度 、 高 抗 断裂 能 力， 不 易 开 裂 等 特点 ． 且 具 有 应 变硬 化 特 性 和 很 大 的延 展性 ｆ ｌ － ２ ］ ， 将 其用 于机场 道 面 的修补 与 补强 可 以 有效 弥补 普 通混 凝 土 的不足 ， 延 长 机场 道 面使 用 寿
水 泥 基 体 中起 到 了很 好 的 增 韧 效 果 。
关键 词 ： 聚 乙烯 醇 纤 维增 强水 泥 基 复 合 材料 ； 抗压强度 ： 抗 折 强 度
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｅ ｂ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ Ｗｅ ｒ ｅ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄ ｏ ｕ ｔ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｉ ｓ ｍ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｏ ｆ Ｐ ＶＡ ｉ ｆ ｂ ｅ ｒ ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｄ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｍａ ｔ ｅ ｉａ ｒ ｌ ｓ ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ｃ ａ ｒｉ ｅ ｄ ｏ ｕ ｔ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｈ ａ ｌ ｆ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ Ｐ ＶＡ ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｔ ｅ ｎ ｔ ，ｔ ｈ ｅ ｂ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ｍｅ ｎ ｈ ａ ｓ ａ ｎ ｏ ｂ ｖ ｉ ｏ ｕ ｓ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｉ ｎ ｇ ，ｂ ｕ ｔ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ— ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ｍｅ ｎ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｌ ｙ ｉ ｆ ｒ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｎ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ． Ｔ ｈ ｅ ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍａ ｔ ｉ ｒ ｘ ｐ ｌ ａ ｙ ａ ｔ ｏ ｕ ｇ ｈ ｅ ｎ —
高性能纤维增强水泥基复合材料及其墙材制品性能试验研究
1.1主要原材料
纤维 ： 基甲基纤维素（HPMC ）。
水泥：峨胜水泥集团股份有限公司提供的P・O 42.5R级水泥，比表面积350 m2/kg%
纤维:四川维尼纶厂生产的PVA短纤维,直径
" 39 m,长度6 mm,抗拉强度1 430 MPa，伸长率
硅灰:半加密硅灰。
I 粉煤灰：四川宜宾发电厂提供的 级粉煤灰。
100 mmX100 mmX160 mm, 热
300 mmX300 mmX30 mm%
依据GB/T 13475—2008《建筑构件稳态热传递
性质的 热
和防护热 性
》，
WTRZ-1212
墙的传热性能,
1 400 mmX1 400 mmX100 mm%
2试验结果与分析
2.1 高性 纤维增强水泥基复合材料基材的性
复合 ，
通过
工
！65%的
，
-47 -
2021年第7期
混凝土与水泥制品
总第303期
再在空心墙板内浇筑泡沫混凝土制得复合墙板，研
I 生产的 级微珠。
究高性能纤维增强水泥基复合材料及其墙材制品
减水剂：自制聚竣酸类高性能减水剂,减水率
的力学性能和热工性能。
为35%，固含量为50%o
1 试验概况
泡剂：
泡剂。
SO3 3.10 8.470 — 0.165
%
P2O5 0.100 1.160
— 1.210
1.2 复合墙 的 墙板的
2%
及制
表2
，构造形式如图1、
表2墙板的组成部分
类型
壳材料
空心墙板 高性 纤维增强水泥基复合材料
复合墙板 高性 纤维增强水泥基复合材料
水泥基复合材料的应用与研究
水泥基复合材料的应用与研究一、前言水泥基复合材料是指以水泥、矿物掺合料和一定比例的纤维等材料为基础，加入适量的添加剂，通过混合、浇注、压制等工艺形成的一种综合性材料。
它具有高强度、耐磨、耐腐蚀、防火等优良性能，同时还具有良好的耐久性和可持续性，因此在工程建设领域得到了广泛的应用。
二、水泥基复合材料的种类1.纤维增强水泥基复合材料纤维增强水泥基复合材料是指在水泥基材料中加入纤维，使其具有更好的抗拉强度和韧性，常见的纤维有玻璃纤维、碳纤维、钢纤维等。
这种材料广泛应用于建筑、桥梁、路面等工程领域。
2.高性能混凝土高性能混凝土是指在水泥基材料中加入微粉、氧化硅等掺合料，以及控制水灰比等技术手段，使其具有更高的强度、耐久性和抗渗性。
这种材料广泛应用于高层建筑、大型桥梁、隧道等工程领域。
3.自密实混凝土自密实混凝土是指在水泥基材料中加入一定比例的特殊掺合料和添加剂，通过控制水泥胶凝体的形成，使其具有自密实的性能，从而提高了材料的耐久性和抗渗性。
这种材料广泛应用于水利水电、海洋工程等领域。
4.轻质水泥基复合材料轻质水泥基复合材料是指在水泥基材料中加入一定比例的轻质骨料，使其具有更轻的重量和更好的保温性能，常见的轻质骨料有珍珠岩、膨胀珍珠岩、膨胀粘土等。
这种材料广泛应用于建筑、隧道、地道等领域。
三、水泥基复合材料的应用1.建筑领域水泥基复合材料在建筑领域的应用非常广泛，主要包括建筑结构、外墙保温、地面修补等方面。
例如，在建筑结构中，水泥基复合材料可以用于加固和修补混凝土结构，提高其承载能力和抗震性能；在外墙保温中，水泥基复合材料可以用于制作外墙保温板，达到节能减排的效果；在地面修补中，水泥基复合材料可以用于修复地面裂缝和磨损部位，提高地面的使用寿命。
2.交通运输领域水泥基复合材料在交通运输领域的应用也非常广泛，主要包括桥梁、隧道、地铁等方面。
例如，在桥梁中，水泥基复合材料可以用于加固和修补桥梁结构，提高其承载能力和抗震性能；在隧道中，水泥基复合材料可以用于修补和加固隧道结构，提高其使用寿命和安全性；在地铁中，水泥基复合材料可以用于修补和加固地铁隧道结构，提高其使用寿命和安全性。
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。
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。
高延性纤维增强水泥基复合材料研究应用新进展
行调整 ， 将乱向短纤维增强水泥基复合材料的纤 维桥 联法作 为研 究 的理论基 础 ， 虑 纤 维特 性 、 考 基体特性和纤维／ 基体 的界面特性及其之间的相 互 影响 ， 建立 了获 得材 料应 变． 硬化特 性 的两个 设 计准则 ， 即第一起裂应力准则和裂缝稳态扩展准
Ｆ Ｃ 开 始 出 现 ， 砂 浆 渗 浇 钢 纤 维 混 凝 土 Ｒ Ｃ） 如 （ ｌｒ ｆｔ ｔｄＦｂｒＣ ｎ ｒｔ，ＩＣ Ｎ） 和 砂 Ｓｕｒ Ｉｉ ｒ ｅ ｉｅ ｏｃｅ ＳＦ Ｏ ｙ ｎ ｌａ ｅ
［ ７ ｉ ．Ｈｇ —ｕｔｉ ｏｃｅ ｒ ｅｉｅｔｎｒｓ ｃ １ ］Ｌ Ｃ ｉ ｄｃｉｔ ｃｎｒｔ ｆ ｓ ｉ ｆ ｔ — Ｖ ｈ ｌｙ ｅ ｏｒ ｌｎ ｉ ａ ｒ ｕ
收 稿 日期 ： ０ １０ －９ ２ １ －７ ０
作者简介 ： 韩建平 （９ ０ ） 男 ， １７ 一 ， 甘肃宕 昌人 ， 教授 ， 研究方向为工程结构抗震减震 、 结构健康监测及损伤诊 断（ ｍ ｉ：ｐ ａ ＠ｌｔｃ ） Ｅ ａｌ ｊｈｎ ｕ．ａ 基金项 目： 甘肃省高校基本科研业务费资助 （９ ４ Ｔ １２ ００Ｚ Ｂ５ ）
ｆｒ ｔｏ ｂ ｈ ｖｏｒ ｆ ｔｅ ｒｉ ｆｒ ｅ ＥＣＣ ｆｅ ｕ ａ ｏ ｍａ ｉｎ ｅ ａ ｉ பைடு நூலகம்ｏ ｓｅ ｌ ｅ ｎｏ ｃ ｄ ｌ ｘ ｒｌ
ｍ ｍ ｅｓ ｎ ｅ ｒ ｅｓｄｃｃ ｃｌ ｄｎ ｏｄｔ ｎ ［ ］ ｅ ｂ ｒ ｕ ｄｒ ｅ ｒ ｙｌ ａｉｇｃｎ ｉｏｓ Ｊ ． ｖ ｅ ｉｏ ｉ
（ ） ４ －５ ６ ： ３４ ．
［ ９ ｉ ｈ ｒ Ｌ ．Ｉｆ ｅ ｃ ｆ ａ ｉ ｄ ｃ ｌｙ ｎ ｈ １ ］Ｆｓ ｅ ｃ Ｇ， ｉ Ｃ ｎ ｕｎｅｏ ｔｘ ｕ ｔｉ ｅ Ｖ ｌ ｍ ｒ ｉｔｏ ｔ
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。
超高韧性水泥基复合材料加固混凝土结构的界面力学性能与耐久性能研究
超高韧性水泥基复合材料加固混凝土结构的界面力学性能与耐久性能研究一、本文概述本文旨在深入研究超高韧性水泥基复合材料（Ultra-High Toughness Cementitious Composites，简称UHTCC）在加固混凝土结构中的应用，特别是其在界面力学性能与耐久性能方面的表现。
混凝土结构的加固与修复一直是土木工程领域的重要研究课题，而UHTCC作为一种新型的高性能材料，具有优异的拉伸性能、裂缝控制能力以及耐久性能，因此在加固混凝土结构方面具有广阔的应用前景。
本文将首先介绍UHTCC的基本性能和特点，包括其组成、制备工艺以及力学性能等方面的内容。
随后，将通过实验研究和理论分析，探讨UHTCC与混凝土之间的界面力学性能，包括界面粘结强度、界面破坏模式等方面。
在此基础上，本文将进一步研究UHTCC加固混凝土结构的耐久性能，包括其在长期荷载作用、化学腐蚀、冻融循环等复杂环境下的性能退化规律及机理。
本文的研究结果将为UHTCC在加固混凝土结构中的应用提供理论基础和技术支持，有助于推动土木工程领域的技术创新和可持续发展。
本文的研究也有助于加深对高性能水泥基复合材料性能与行为的理解，为相关领域的学术研究提供有益的参考。
二、超高韧性水泥基复合材料概述超高韧性水泥基复合材料（Ultra-High Toughness Cementitious Composites，简称UHTCC）是一种新型的水泥基复合材料，其以水泥、细骨料、高分子聚合物纤维和特定添加剂为主要组成成分。
相较于传统的混凝土材料，UHTCC具有更高的拉伸强度、断裂能和韧性，这使得它在结构加固和修复领域具有广阔的应用前景。
UHTCC的显著特性在于其纤维增强机制。
通过在高分子聚合物纤维的加入，UHTCC在受到外力作用时，纤维能够有效地桥接裂缝，阻止裂缝的扩展，从而提高材料的延性和韧性。
特定添加剂的使用也能够优化UHTCC的微观结构，提高其力学性能和耐久性。
PVA纤维与钢纤维对高性能纤维增强水泥基复合材料力学性能影响的试验研究的开题报告
PVA纤维与钢纤维对高性能纤维增强水泥基复合材料力学性能影响的试验研究的开题报告一、研究背景和意义高性能纤维增强水泥基复合材料是指将钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、PVA纤维等等纤维材料与水泥基材料充分混合制成的复合材料，具有优异的力学性能，如高强度、高韧性、高耐久性、抗裂性能等等，在工程结构领域得到广泛应用。
而纤维是高性能复合材料中的重要组成部分，不同类型、不同性能的纤维在水泥基复合材料中的作用是不同的，因此学术界和工程界对不同纤维的影响机理进行了大量的研究。
PVA纤维作为一种新型纤维，在纤维增强水泥基复合材料中的应用越来越广泛。
相比于其他纤维，PVA纤维具有优异的耐久性、良好的粘结能力、化学惰性、可锻性等诸多优点。
许多学者已经在试验中研究了钢纤维和玻璃纤维对水泥基复合材料力学性能的影响，但是对于PVA纤维的影响还缺乏系统性、深入的研究。
本研究旨在通过试验方法，对PVA纤维与钢纤维对高性能纤维增强水泥基复合材料力学性能的影响进行较为深入的探究，为高性能水泥基复合材料领域的研究提供一定的参考和借鉴。
二、研究内容和方法本研究主要包括两个方面，分别是对PVA纤维与钢纤维对高性能纤维增强水泥基复合材料的力学性能进行试验研究，以及对试验结果的分析和解释。
1. 试验内容在本研究中，将采用压缩强度试验和拉伸强度试验分别测试不同类型的纤维对高性能纤维增强水泥基复合材料的力学性能的影响情况。
具体试验内容如下：1）压缩强度试验在试验中，将设置三种不同的纤维：PVA纤维、钢纤维和不加纤维的样品作为对照组，考虑不同纤维掺量情况下的压缩强度变化。
按照标准试验方法，采用试验机对每组样品进行压缩强度测试，并记录每组试验结果。
2）拉伸强度试验在试验中，同样设置三种不同的纤维，并考虑不同纤维掺量情况下的拉伸强度变化。
按照标准试验方法，采用试验机对每组样品进行拉伸强度测试，并记录每组试验结果。
2. 方法分析通过上述试验得到的试验结果，将进行数据分析和解释。
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。
高延性水泥基复合材料的制备、性能及基本理论研究
高延性水泥基复合材料（HDCC）是一种具有应变硬化、多缝开裂和高延性等特性的新型纤维增强水泥基复合材料。
概念提出之始，是以微观力学参数为基础进行设计，通过取得基体韧度、界面粘结和纤维特性三者的最优组合，实现高延性。
然而细观力学设计是一个非常大的系统工程，同时水泥基复合材料本身也是一种十分复杂的材料，因此从原材料性能的影响规律和优化配合比，以材料的宏观力学性能作为设计目标，从经验的和定性的初步设计开始，实现HDCC最优的材料制备技术显得很有必要。
断裂韧度反应了基体抵抗开裂的能力，也是高延性水泥基复合材料（HDCC）的设计基础。
Li等指出当聚乙烯醇纤维体积掺量为2％，HDCC 基体的断裂韧度Jm应低于0.01 kJ/㎡。
纤维和基体界面粘结应力一定时，基体的开裂韧度越低，越容易产生多缝开裂现象。
影响HDCC性能的因素非常多，除了原材料品种及性能与配合比参数如水胶比、胶砂比、粉煤灰含量和其他掺合料的影响外，还受养护条件、流动性、龄期等因素的影响。
从而使得HDCC的配合比设计非常复杂困难。
本文全面系统研究了配合比设计参数、原材料优选、拌合物流动性及养护制度等对HDCC的力学性能尤其是拉伸延性的影响，同时测试了部分配合比的干燥收缩、氯离子扩散性和水渗透性。
从粉煤灰掺量、胶砂比、集料含量、纤维掺量、适当的颗粒状材料、水泥品种、粉煤灰品种、防水剂、外加剂掺量及品种、拌合物流动性、不同养护制度等方面，优化了特定材料下的材料制各技术。
所制备的HDCC最大延性达5％左右，达到国际先进水平。
在配合比设计基础上，综合众多因素，本文全面系统研究了配合比设计参数等对HDCC基体的断裂韧度的影响规律。
测试了不同龄期的基体抗压强度、断裂韧度等，深入揭示了水胶比、粉煤灰含量、灰砂比等配合比关键参数和粉煤灰品种，橡胶微粉等对HDCC基体断裂性能的影响规律和机理。
充分表明了微观结构决定着材料的宏观行为。
因此在断裂韧度的基础上，选择了部分基体的配合比，制备了微观测试样品，系统进行了MIP、XRD和纳米硬度等微观性能的分析，并借助裂端位错行为的分子动力学理论，分析了<20nm微孔对断裂性能的影响，并采用拟合与微观力学分析方法，得出了孔隙率和微孔含量与断裂性能之间的定量关系。
碳酸钙晶须混杂聚乙烯纤维增强水泥基复合材料力学性能研究
第43卷第1期2024年1月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.43㊀No.1January,2024碳酸钙晶须混杂聚乙烯纤维增强水泥基复合材料力学性能研究陈月顺,汤成宇(湖北工业大学土木建筑与环境学院,武汉㊀434000)摘要:为研究碳酸钙晶须掺量对聚乙烯纤维增强水泥基复合材料(PE-ECC)力学性能及微观结构的影响,设计了4组不同碳酸钙晶须掺量的PE-ECC 试件,对其进行抗压性能试验㊁抗拉性能试验㊁三点弯曲断裂性能试验,并使用XRD㊁SEM㊁NMR 技术对其微观结构进行研究㊂结果表明,碳酸钙晶须对PE-ECC 有增强增韧作用,随着碳酸钙晶须掺量增加,这种增强增韧作用呈先增大后减小的趋势,当碳酸钙晶须掺量为1%(体积分数)时,PE-ECC 的抗压性能㊁拉伸性能㊁断裂性能提升最佳㊂适量的碳酸钙晶须能填充基体,减少少害孔及多害孔数量,改善孔隙结构㊂关键词:水泥基复合材料;碳酸钙晶须;PE 纤维;拉伸性能;断裂性能;微观结构中图分类号:TU528㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2024)01-0016-11Mechanical Properties of Calcium Carbonate Whisker Hybrid Polyethylene Fiber Reinforced Cement-Based CompositeCHEN Yueshun ,TANG Chengyu(School of Civil Engineering,Architecture and Environment,Hubei University of Technology,Wuhan 434000,China)Abstract :In order to study the influence of calcium carbonate whisker with different content on the mechanical properties and microstructure of polyethylene fiber reinforced cement-based composite(PE-ECC),four groups of PE-ECC specimens with different content of calcium carbonate whisker were designed,and the compressive properties,tensile properties and three-point bending fracture properties were tested on them.The microstructure was studied by XRD,SEM and NMR.The results show that calcium carbonate whisker can strengthen and toughen PE-ECC.With the increase of calcium carbonate whisker content,the strengthening and toughening effects first increase and then decrease.When the content of calcium carbonate whisker is 1%(volume fraction),the compressive properties,tensile properties and fracture properties of PE-ECC are improved best.Appropriate amount of calcium carbonate whisker can fill the matrix,reduce the number of less and more damaged pores,and improve pore structure.Key words :cement-based composite;calcium carbonate whisker;PE fiber;tensile property;fracture property;microstructure 收稿日期:2023-07-21;修订日期:2023-09-21作者简介:陈月顺(1975 ),男,博士,教授㊂主要从事高性能混凝土方面的研究㊂E-mail:yueshunchen@通信作者:汤成宇,硕士研究生㊂E-mail:tcy177********@0㊀引㊀言为了提升普通混凝土的抗拉强度和韧性,国内外研究者以微观力学模型和断裂力学机制为理论基础设计出一种新型纤维增强水泥基复合材料(polyethylene fiber reinforced cement-based composite,PE-ECC)㊂PE-ECC 具有应变硬化及多缝开裂的特性[1-3],抗拉强度介于3~7MPa,极限拉伸应变值约为3%[4],为普通混凝土的200~300倍㊂混凝土材料的多尺度结构特征限制了单一纤维对混凝土材料的增强效果[5],国内外学者对采用不同尺寸纤维抑制裂纹扩展㊁提高混凝土材料韧性㊁增强混凝土材料性能等进行了一系列的研究,研究结果表明混掺不同尺寸纤维能够增强混凝土材料的抗压性能[6]㊁拉伸性能[7-8]㊁抗弯性能[9]㊁抗裂性㊀第1期陈月顺等:碳酸钙晶须混杂聚乙烯纤维增强水泥基复合材料力学性能研究17能[10-12]等㊂碳酸钙晶须是一种生产简单㊁成本低廉㊁绿色环保的微米级纤维材料,且无需复杂的分散方法就能对水泥基材料产生积极作用[13],具有良好的工程意义㊂目前,国内外已有研究[14-16]表明碳酸钙晶须的掺入对纤维增强水泥基复合材料的性能有一定的提升作用,为进一步探究碳酸钙晶须掺量对聚乙烯纤维增强水泥基复合材料力学性能的影响规律,本文选用碳酸钙晶须和PE纤维作为水泥基材料的掺合物,对不同碳酸钙晶须(calcium carbonate whisker,CW)掺量下PE-ECC的拉伸性能进行研究;基于断裂力学理论及双K断裂准则,通过三点弯曲切口梁断裂试验对不同碳酸钙晶须掺量下PE-ECC试件的断裂性能进行研究;并且使用XRD㊁SEM㊁NMR技术分析不同碳酸钙晶须掺量试件的微观形貌及孔隙结构,为碳酸钙晶须增强PE-ECC在实际工程中的应用提供参考㊂1㊀实㊀验1.1㊀原材料及配合比本试验胶凝材料采用海螺牌P㊃O42.5普通硅酸盐水泥,武汉阳逻电厂生产的Ⅰ级粉煤灰;细骨料采用规格为70~110目(140~210μm)的超细砂,最大粒径约为0.21mm;减水剂采用上海三瑞公司生产的聚羧酸高效粉体减水剂;拌合水为武汉自来水;试验采用的纤维为上海同延建筑科技有限公司生产的PE纤维和灵寿县矿产品加工厂生产的碳酸钙晶须,PE纤维及碳酸钙晶须的物理性能指标见表1㊂PE纤维掺量固定为总体积的1.5%,碳酸钙晶须掺量为总体积的0%㊁1%㊁2%㊁3%㊂本试验固定水胶比为0.3,砂胶比为0.36,配合比见表2㊂表1㊀聚乙烯纤维及碳酸钙晶须性能指标Table1㊀Performance indexes of polyethylene fiber and calcium carbonate whiskerFiber type Density/(g㊃cm-3)Length/mm Diameter/μm Tensile strength/GPa Elastic modulus/GPa PE0.9718.0025.0 2.8110~120CW 2.690.01~0.030.5~1.0 3.0~6.0410~710表2㊀试验配合比Table2㊀Experimental mix proportionSpecimen Mix proportion/(kg㊃m-3)Sand Cement Fly ash Water HRWR PE CW CW0474.4593.0711.6391.4 4.019.00 CW1474.4593.0711.6391.4 4.019.026.9 CW2474.4593.0711.6391.4 4.019.053.8 CW3474.4593.0711.6391.4 4.019.080.71.2㊀试件制备与试验方法本试验中试件制备采取后掺法,即先加入胶凝材料㊁碳酸钙晶须和骨料并搅拌均匀,随后倒入水和外加剂再次搅拌,搅拌过程中加入纤维㊂抗压试验采用70.7mmˑ70.7mmˑ70.7mm立方体试块㊂单轴拉伸试验采用哑铃型试件,尺寸如图1所示㊂断裂试验采用三点弯曲切口梁试件,试件尺寸为400mmˑ100mmˑ100mm,跨度S为300mm,预制裂缝高度α0为40mm,荷载为P,几何尺寸如图2所示㊂核磁共振试验中试件采用特制模具进行浇筑,SEM及XRD试样采用切割或研磨试件角部获取㊂试件浇筑完成后放入温度为(20ʃ1)ħ㊁相对湿度大于96%的标准养护室养护28d,养护完成后进行抗压㊁拉伸㊁三点弯曲切口梁断裂试验及微观结构试验㊂参照‘建筑砂浆基本性能试验方法标准“(JGJ/T70 2009),采用DYE-2000S型微机伺服压力试验机进行抗压强度试验,加载速率为1.5kN/s㊂参照‘高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法“(JC/T2461 2018),采用WDW-100C型微机控制电子万能试验机进行单轴拉伸强度试验,通过位移控制方式进行加载,加载速率为0.4mm/min㊂单轴拉伸强度试验中采用引伸计测试试件单轴拉伸过程中的变形㊂参照‘水工混凝土断裂试验规程(附条文说明)“(DL/T5332 2005),采用CBT1105-D型微机控制电子试验18㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷压力机进行三点弯曲切口梁断裂试验,通过位移控制方式进行加载,加载速率为0.1mm/min㊂三点弯曲切口梁断裂试验前在跨中预制裂缝尖端两侧对称布置4枚应变片,并通过应变采集仪采集实时应变以测定起裂荷载㊂试验过程中利用试验机内置传感器采集荷载及跨中挠度,采用夹式引伸计采集跨中预制裂缝张开口位移㊂使用Hitachi S-4800型扫描电子显微镜对试件进行SEM分析㊂采用Bruker D8ADVANCE型X射线衍射仪进行XRD测试㊂采用MicroM12-025VR型核磁共振分析仪进行孔隙测试㊂图1㊀哑铃型试件(单位:mm) Fig.1㊀Dumbbell specimen(unit:mm)图2㊀试件构造及尺寸(单位:mm)Fig.2㊀Structure and dimension of specimen(unit:mm) 2㊀结果与讨论2.1㊀抗压性能各试验组抗压强度如图3所示㊂混掺PE纤维和碳酸钙晶须的试件抗压强度均高于单掺PE纤维的试件㊂随着碳酸钙晶须掺量的增加,试件的抗压强度呈先增大后减小的趋势,CW1㊁CW2㊁CW3组试件的抗压强度较未掺碳酸钙晶须的CW0组试件分别提升了11.3%㊁7.8%㊁1.7%㊂综上所述,碳酸钙晶须能提升PE-ECC试件的抗压强度,在碳酸钙晶须掺量为1%时这种提升效果最明显㊂在试件受压应力时,碳酸钙晶须吸附粘结周围基体,使其能承受更多的压应力㊂由于碳酸钙晶须自身高强高弹模的特点,在试件受压过程中碳酸钙晶须能吸收部分外部荷载传递的能力,从而降低基体的受损程度[17]㊂2.2㊀拉伸性能图4为各组试件的代表性拉伸应力-应变曲线,各组试件拉伸性能特征参数如表3所示㊂图3㊀不同碳酸钙晶须掺量试件的抗压强度Fig.3㊀Compressive strength of specimens with different calcium carbonate whiskercontent 图4㊀不同碳酸钙晶须掺量试件的拉伸应力-应变曲线Fig.4㊀Tensile stress-strain curves of specimens withdifferent calcium carbonate whisker content从图4及表3可以看出,掺入碳酸钙晶须后试件的初裂应力㊁峰值应力㊁极限应变及拉伸韧性都出现了不同程度的提升㊂掺入1%碳酸钙晶须后,CW1的初裂应力较CW0提升了55.5%,峰值应力提升了11.7%;掺入2%和3%碳酸钙晶须的试件CW2和CW3的初裂应力分别提升了50.5%㊁39.3%,峰值应力分第1期陈月顺等:碳酸钙晶须混杂聚乙烯纤维增强水泥基复合材料力学性能研究19㊀别提升了7.8%㊁4.5%㊂CW1的极限拉伸应变相比于CW0提升了55.8%,拉伸韧性提升了99.6%;CW2㊁CW3的极限拉伸应变相比于CW0分别提升了22.2%㊁5.1%,拉伸韧性分别提升了39.3%㊁19.5%㊂不难发现,碳酸钙晶须对试件拉伸初裂应力的提升效果相对于峰值应力更加明显,这是因为适量碳酸钙晶须对基体缺陷的填充作用㊁对微观裂缝的桥联作用和对微裂纹的偏转作用共同提升了试件在荷载作用下的初裂强度㊂但由于碳酸钙晶须自身微米级尺寸的限制,当裂缝扩展延伸至一定程度时,碳酸钙晶须延缓㊁限制裂缝的作用减弱㊂试件多缝开裂模式如图5所示,CW1裂缝数量明显增多,裂缝宽度和裂缝间距减小,表现出更稳定的应变硬化行为㊂表3㊀试件的拉伸性能特征参数Table 3㊀Characteristic parameters of tensile properties of specimensSpecimen σcrack /MPa σpeak /MPa εtu /%K t /(N㊃mm㊃mm -3)n w /mm d /mm CW00.99 3.32 5.5413.90100.27 5.27CW1 1.54 3.718.6327.75260.16 2.09CW2 1.49 3.58 6.7719.37160.21 3.34CW3 1.38 3.47 5.8216.62120.24 4.41㊀㊀注:σcrack 为初裂应力;σpeak 为峰值应力;εtu 为极限拉伸应变,对应拉伸应力-应变曲线中最后一次下降段起点的应变;n 为试样引伸计标距内出现的裂纹数量;w 为平均裂缝宽度,w =50mm ˑεtu /n ;d 为平均裂缝间距,d =50mm ˑ(1+εtu )/n ;K t 为拉伸韧性,采用极限应变前应力-应变曲线下包裹的面积作为试件拉伸韧性评价指标㊂2.3㊀断裂性能2.3.1㊀破坏形态未掺碳酸钙晶须的试件CW0与掺入碳酸钙晶须的试件CW1㊁CW2及CW3的断裂形态相似,都表现出明显的多缝开裂行为㊂加载初期,随着跨中挠度增长,荷载不断增加,预制裂缝的开口位移逐渐增大,预制裂缝尖端的纤维与基体开始发生脱粘,第一条微裂缝出现;随着荷载继续增加,纤维与基体之间发生滑移,微裂缝缓慢扩展延伸,并且预制裂缝尖端处不断出现新的微裂缝;继续加载,裂缝向上曲折延伸,主裂缝开始形成并扩展,试件变形较大,在此过程中可听到纤维被拉断的声音;最后随着荷载增加,越来越多的纤维被拉断或拔出,主裂缝逐渐延伸至试件截面上边缘,此时试件仍然能承担一部分的荷载且未出现普通混凝土的脆断现象,表现出 裂而不断 的形态㊂2.3.2㊀荷载-应变曲线在加载过程中,试件开裂前预制裂缝尖端两侧的混凝土拉应力不断增大,拉应变呈增长趋势㊂当拉应变达到极限拉应变时,预制裂缝尖端的混凝土由于应力集中而开裂,此时,拉应变不再增加而荷载继续增大㊂开裂后,预制裂缝尖端的混凝土不再承担拉应力,尖端两侧的混凝土拉应力和拉应变减小,应变片回缩[18-19],如图6所示㊂基于此原则,将荷载应变曲线上出现明显回缩的点对应的荷载作为起裂荷载P ini ㊂各试件的起裂荷载见表4㊂图5㊀哑铃型拉伸试件的多缝开裂模式Fig.5㊀Multi-crack cracking mode of dumbbell tensilespecimens 图6㊀不同碳酸钙晶须掺量试件的荷载-应变曲线Fig.6㊀Load-strain curves of specimens with different calcium carbonate whisker content20㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷由图6及表4不难发现,随着碳酸钙晶须的增加,起裂荷载呈先增大后减小的趋势,但较不掺碳酸钙晶须的试件均有所提升㊂CW1㊁CW2和CW3的开裂荷载较CW0分别提高了170.5%㊁111.7%㊁55.5%㊂碳酸钙晶须掺量为1%时,试件的开裂荷载提升显著㊂这是由于适量的碳酸钙晶须在水泥基体内部起到了填充作用,改善了孔隙结构,增加了基体密实度,使基体对PE 纤维的握裹力提高㊂在开裂前,碳酸钙晶须与PE 纤维协同作用抑制了裂纹产生,并且由于碳酸钙晶须长径比较大,桥联作用下还改善了C-S-H 凝胶与细骨料的界面过渡区强度[20-21]㊂但掺入过多的碳酸钙晶须后,浇筑时浆体流动性变差,碳酸钙晶须在浆体中难以分散,互相连接形成网状,孔隙增多,基体中的不良界面增多,碳酸钙晶须难以完全发挥其对起裂荷载的提升作用㊂2.3.3㊀荷载-挠度曲线图7㊀不同碳酸钙晶须掺量试件的荷载-挠度曲线Fig.7㊀Load-deflection curves of specimens with different calcium carbonate whisker content 图7为各试件的荷载-挠度曲线㊂由图7可见,各试件的破坏过程分为4个阶段:正常工作阶段(Ⅰ)㊁多缝开裂阶段(Ⅱ)㊁主裂缝形成并扩展阶段(Ⅲ)㊁失稳破坏阶段(Ⅳ)㊂在正常工作阶段中,试件处于弹性阶段;随着荷载增加,预制裂缝尖端处混凝土开裂,荷载突然下降,进入多缝开裂阶段,纤维发挥桥联作用,抑制裂缝扩展使裂缝快速稳定在较细水平,荷载不断增加,裂缝不断出现,裂缝处的纤维继续发挥桥联作用,在曲线上表现为多处曲折,呈现锯齿状;裂缝处与基体紧密粘结的纤维所提供的桥联应力不足以使基体继续开裂,则进入主裂缝形成并扩展阶段,原有裂缝宽度开始增长,直至某一条裂缝扩展迅速,形成主裂缝;主裂缝不断扩展直至试件进入失稳破坏阶段,此时在荷载挠度曲线上表现为挠度不断增加而荷载下降㊂在正常工作阶段,掺入碳酸钙晶须的试件CW1㊁CW2㊁CW3挠度随荷载增长的速度均低于未掺碳酸钙晶须的试件CW0,在荷载-挠度曲线中表现为曲线初始部分斜率均大于CW0,这说明掺入碳酸钙晶须对开裂前试件的刚度有一定的提升效果㊂从图9中不难看出,CW1的多缝开裂阶段持续时间明显长于CW0,掺入适量的碳酸钙晶须能使多缝开裂阶段更加稳定㊁饱满,一方面是由于碳酸钙晶须在微裂纹尺度上发挥桥联基体㊁偏转裂纹的作用,另一方面由于碳酸钙对于基体的改善作用使基体与PE 纤维的粘结更加紧密,PE 纤维在细裂纹尺度上发挥桥联作用,两者协同工作提供了更多桥接应力㊂碳酸钙晶须掺入后,纤维桥接应力提升,试件能承受更多的荷载㊂各组试件的断裂力学参数如表4所示㊂由表4可知,CW1的失稳荷载较CW0提升了153.9%,CW2㊁CW3的失稳荷载较CW0也分别提升了102.8%㊁62.1%㊂表4㊀试件的断裂力学参数Table 4㊀Fracture parameters of specimensSpecimen P ini /kN P max /kN K ini IC /(MPa㊃m 1/2)K un IC /(MPa㊃m 1/2)a c /mm G f /(kN㊃m -1)D u /m -1CW0 2.21 3.910.46 2.2769.97.40 1.89CW1 5.989.93 1.169.8579.125.66 2.58CW2 4.687.930.927.3778.318.34 2.31CW3 3.43 6.340.68 5.5975.713.28 2.09㊀㊀注:P ini 为起裂荷载,P max 为失稳荷载,K ini IC 为起裂韧度,K un IC 为失稳韧度,a c 为有效裂缝长度,G f 为断裂能,D u 为延性指数㊂2.3.4㊀断裂韧度基于徐世烺等提出的双K 断裂模型[22]采用断裂韧度作为评价试件断裂性能的指标,双K 断裂模型中的断裂韧度包含起裂韧度K ini IC 和失稳韧度K un IC ,这两个断裂韧度能较好地表征试件断裂破坏过程中裂缝的发展状态,具体为:当断裂韧度K IC <K ini IC 时,裂缝处于稳定状态;当K IC =K ini IC 时,裂缝处于开始扩展状态;当K ini IC <K IC <K un IC 时,裂缝处于稳定扩展状态;当K IC =K un IC 时,裂缝处于临界失稳状态;当K IC >K un IC 时,裂缝处于失稳扩展状态㊂参考‘水工混凝土断裂试验规程(附条文说明)“(DL /T 5332 2005)中关于双K 断裂韧度的计算方法,第1期陈月顺等:碳酸钙晶须混杂聚乙烯纤维增强水泥基复合材料力学性能研究21㊀其计算公式如下Kini IC =1.5ˑP ini +mg 2ˑ10-2()ˑ10-3ˑS ˑa 1/20th 2f (α)(1)其中,f (α)=1.99-α(1-α)(2.15-3.93α+2.7α2)(1+2α)(1-α)3/2(2)α=a 0h (3)K un IC =1.5ˑP max +mg 2ˑ10-2()ˑ10-3ˑS ˑa 1/2c th 2f (αc )(4)其中,f (αc )=1.99-αc (1-αc )(2.15-3.93αc +2.7α2c )(1+2αc )(1-αc )3/2(5)αc =a c h (6)a c =πh 2arctan tEV max 32.6P max -0.1135()1/2(7)E =1tc i 3.70+32.60tan 2πa 02h ()[](8)c i =V P (9)式中:K ini IC 为起裂韧度,MPa㊃m 1/2;P ini 为起裂荷载,kN;S 为加载装置中两支座间的跨度,m;a 0为预制裂缝长度,m;t 为试件厚度,m;h 为试件高度,m;K un IC 为失稳韧度,MPa㊃m1/2;P max 为失稳荷载,kN;P 为荷载,MPa;m 为试件在两支座间的质量,kg;g 为重力加速度,取9.81m/s 2;a c 为有效裂缝长度,m;E 为计算弹性模量,GPa;V max 为预制裂缝开口位移临界值,μm;c i 为试件初始柔度,取开裂前弹性阶段任一时刻的荷载与开口位移的比值,μm/kN㊂根据上述公式计算出的试件断裂参数如表4及图8所示,试件的起裂韧度及失稳韧度随碳酸钙晶须掺量的增大而表现出明显的先增大后减小趋势,当碳酸钙晶须掺量为1%时,起裂韧度及失稳韧度的提升效果显著,较对照组CW0分别提升了1.52倍㊁3.34倍㊂这反映了碳酸钙晶须具有抑制裂纹扩展的能力,试件的断裂性能增强显著㊂碳酸钙晶须对断裂性能的增强作用主要体现在以下两个方面:一方面碳酸钙晶须的掺入填充了水泥基体内的缺陷,改善了水泥基体的孔隙分布,增强了水泥基体密实性,提升了纤维-基体界面的粘结性能,使试件起裂荷载提升㊂此外,碳酸钙晶须与水泥基体的结合非常牢固,碳酸钙晶须很难被拔出,通常是与水泥基体一起被拔出或拉断,而这种拔出或拔断机制吸收了部分能量,使得试件开裂需要更多的能量,最终表现为起裂韧度提升㊂另一方面,在开裂后,当裂纹处于微观尺度时,碳酸钙晶须可以通过偏转微裂纹㊁桥联微裂纹等方式延缓微观裂纹向宏观裂纹的发展,另外碳酸钙晶须还能增强基体内部微裂纹源,使多缝开裂行为更加稳定,从而延长多缝开裂阶段的持续时间,提升失稳荷载,最终表现为失稳韧度的提升㊂2.3.5㊀其他断裂参数断裂能G f 是混凝土非线性断裂理论中描述混凝土材料断裂性能的主要参数,可以用材料断裂全过程中消耗于试件断裂区的能量与其韧带面积的比值表示[23-24]㊂加载过程后期荷载-挠度曲线下降段尾部非常平缓,如图9所示,测得荷载降至零需要大量时间,为了节省时间以及消除试件尺寸效应对断裂能计算产生的影响,采用文献[23]提出的修正方法计算断裂能[25]㊂计算公式如式(10)所示㊂G f =ʏδ㊀00P (δ)d δ+12mgδ0+ʏɕδ0aδb d δt ˑ(h -a 0)(10)22㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷式中:P 为荷载,kN;δ0为荷载-挠度曲线中的最大挠度,mm;a 和b 为根据荷载-挠度曲线尾部拟合得到的幂函数拟合参数㊂图8㊀不同碳酸钙晶须掺量试件的断裂韧度Fig.8㊀Fracture toughness of specimens with different calcium carbonate whiskercontent 图9㊀CW1的荷载-挠度曲线Fig.9㊀Load-deflection curve of CW1㊀另外,采用延性指数D u 作为材料抵抗变形能力的评价指标[26],材料抵抗变形能力越强,其延性指数越高㊂其计算公式如下D u =G f P max (11)各试件计算出的断裂能及延性指数结果如图10及表4所示㊂由图10不难看出,掺入不同掺量碳酸钙晶须对试件的断裂能都有不同程度的增强效果,其中掺量为1%的试件CW1断裂能较对照组CW0提升了2.47倍,CW2㊁CW3较CW0分别提升了1.48倍和0.79倍㊂这主要归因于碳酸钙晶须提升了试件承受荷载的能力以及延长了试件断裂过程中的多缝开裂阶段㊂此外,从图10中还能看出,掺入碳酸钙晶须后试件的延性指数也有小幅度的提升,CW1㊁CW2㊁CW3的延性指数较对照组CW0分别提升了36.5%㊁22.2%㊁10.6%,说明碳酸钙晶须增强了试件抵抗变形的能力,这主要是由于碳酸钙晶须能够通过桥联㊁偏转裂纹以及晶须拔出消耗能量等微观作用机制使基体中产生更多的微裂源[27],增加微裂纹数量,增强裂缝稳定扩展的能力,从而改善其延性㊂有效裂缝长度a c 为混凝土材料在断裂过程中发生失稳破坏时,混凝土材料不可恢复变形的临界裂缝长度㊂基于线性渐进叠加假定,有效裂缝由等效弹性自由裂缝和等效弹性虚拟裂缝扩展组成,徐世烺等[28-29]提出了有效裂缝长度的经验公式,如式(7)所示,计算结果如图11及表4所示㊂由图11可见,掺入碳酸钙晶须后,各试件的有效裂缝长度整体有所提升,但随着碳酸钙晶须掺量增加,提升效果逐渐减弱㊂其中碳酸钙晶须掺量为1%时试件的有效裂缝长度提升效果最明显,较CW0提升了13.1%㊂图10㊀不同碳酸钙晶须掺量试件的断裂能及延性指数Fig.10㊀Fracture energy and ductility of specimens with different calcium carbonate whiskercontent 图11㊀不同碳酸钙晶须掺量试件的有效裂缝长度Fig.11㊀Effective crack length of specimens with different calcium carbonate whisker content第1期陈月顺等:碳酸钙晶须混杂聚乙烯纤维增强水泥基复合材料力学性能研究23㊀2.4㊀XRD分析图12㊀不同碳酸钙晶须掺量试件的XRD 谱Fig.12㊀XRD patterns of specimens with different calcium carbonate whisker content 图12为各试件的XRD 谱㊂从图中可以看出不同碳酸钙晶须掺量试件的晶相物质衍射峰值有部分差异㊂其中,掺入碳酸钙晶须试件CW1的水化反应物C 3S 和C 2S 的峰值较CW0偏低,而水化生成物CH 的峰值偏高,表明掺入碳酸钙晶须后水化产物增多,水化反应程度增强,碳酸钙晶须能在一定程度上促进水化反应㊂3㊀微观结构分析3.1㊀微观形貌分析试件在不同放大倍数下的微观形貌如图13所示㊂图13(a)为未掺碳酸钙晶须的试件CW0的微观形貌,可以看到其存在部分缺陷,结构较为松散㊂图13(b)为掺入1%碳酸钙晶须的试件CW1的微观形貌,可以看到其结构紧密,碳酸钙晶须填充了基体,桥接了缺陷㊂图13(d)为掺入3%碳酸钙晶须的试件CW3的微观形貌,能观察到部分碳酸钙晶须出现了堆积现象㊂对比相近放大倍数下的图13(e)㊁(f)㊁(g)㊁(h)发现,试件CW0㊁CW1中PE 纤维分散较为均匀,掺入2%碳酸钙晶须的试件CW2中PE 纤维略有团聚,掺入3%碳酸钙晶须的试件CW3中PE 纤维团聚明显,这可能是㊀㊀㊀图13㊀试件在不同放大倍数下的微观形貌Fig.13㊀Microstructures of specimens at different magnifications24㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷因为掺入过多的碳酸钙晶须容易发生团聚,形成网状结构,导致基体屈服应力和塑性粘度增加[30],基体流动性变差㊂3.2㊀孔隙分析通过试件中氢离子的弛豫时间分布来推测孔隙的分布,假设孔隙为理想球体,弛豫时间T 2与孔径的关系式为1T 2=ρS p V(12)r =βT 2(13)式中:ρ为多孔介质的弛豫强度,μm /s;S p 为孔隙表面积,μm 2;V 为孔隙体积,μm 3;r 为孔隙半径,μm;β为换算系数,取3ρ㊂图14为通过NMR 测得的T 2谱,图中的振幅越高,代表样品孔隙中水的信号强度越强和对应半径的孔隙越多㊂从图14中可以看到,CW1和CW2的两个波峰明显低于CW0,CW3的两个波峰明显高于CW0,表明CW1㊁CW2试件中的孔隙数量少于CW0,而CW3的孔隙数量多于CW0㊂掺入适量的碳酸钙晶须能有效减少孔隙数量,但掺入过多碳酸钙晶须时,孔隙数量会增加㊂从图中还可以看到CW1㊁CW2的T 2谱曲线较CW0略微偏左,说明试件中的氢离子弛豫时间较短,弛豫速度较快,表明试件内部的小孔隙较多[31]㊂依据吴中伟院士等[32-33]提出的模型,孔结构根据孔直径分类为:孔直径小于20nm 的孔为无害孔,20~<100nm 的孔为少害孔,100~200nm 的孔为有害孔,大于200nm 的孔为多害孔㊂各试件的孔隙分布如图15所示,可见掺入碳酸钙晶须的试件CW1和CW2的各类孔均少于未掺入碳酸钙晶须的试件CW0,其中少害孔和多害孔的减少较显著;掺入过多碳酸钙晶须的试件CW3相较于CW0有害孔和多害孔无明显变化,无害孔增多,少害孔略微减少㊂这表明掺入适量的碳酸钙晶须能改善试件的孔隙结构,但掺入过多碳酸钙晶须时,这种改善作用会减弱㊂图14㊀不同碳酸钙晶须掺量试件的T 2谱Fig.14㊀T 2spectra of specimens with different calcium carbonate whiskercontent 图15㊀不同碳酸钙晶须掺量试件的孔隙分布Fig.15㊀Pore distribution of specimens with different calcium carbonate whisker content 4㊀结㊀论1)掺入适量的碳酸钙晶须能提升PE-ECC 试件的抗压强度,随着掺量增加,抗压强度呈先增大后减小的趋势㊂2)掺入碳酸钙晶须对PE-ECC 试件的拉伸性能具有增强作用,表现为试件的初裂应力㊁峰值应力㊁极限应变及拉伸韧性提升,多缝开裂的应变硬化行为更加稳定,吸收能量的能力更强㊂3)适量的碳酸钙晶须提升了PE-ECC 试件的开裂前刚度,延长了试件开裂过程中多缝开裂阶段的持续时间,试件的起裂荷载和失稳荷载随碳酸钙晶须掺量呈先增大后减小的趋势㊂碳酸钙晶须对试件的起裂韧度㊁失稳韧度㊁断裂能影响显著,能略微提升试件的延性指数及有效裂缝长度㊂当碳酸钙晶须掺量为1%时,试件的断裂性能得到了最大程度提升㊂。
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第24卷 第6期2002年6月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYV ol.24 No.6 Jun.2002文章编号:1671-4431(2002)06-0015-04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(W/C)、砂灰比(S/C)、钢纤维掺量对水泥基复合材料性能的影响;并用XRD 、SEM 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133M Pa ,抗折强度达24.5M Pa 的高性能水泥基复合材料。
关键词: 高性能蒸养水泥; 钢纤维; 复合材料中图分类号: T U 5文献标识码: A收稿日期:2001-11-20.作者简介:王悦辉(1974-),女,硕士;武汉,武汉理工大学材料学院(430070).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。
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:(1)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;(2)以多元粉体细颗粒优化级配,提高整个基体的堆积密度;(3)通过掺加微细的钢纤维,增强韧性;(4)优化搅拌、成型和养护制度;(5)采用外掺硬石膏的蒸养水泥,进一步提高制品强度。
1 试验研究1.1 试验原材料(1)水泥 试验用水泥采用作者已研究开发的高性能蒸养水泥[1]。
其最佳配比如表1所示。
(2)细集料 标准砂,粒径0.25～0.65mm 。
(3)减水剂 采用UNF5高效减水剂,掺量为1.0%。
(4)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2。
试验用配比见表3、表4、表5、表6。
1.2 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2min;加入水和高效减水剂湿拌10min,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。
表1 高性能蒸养水泥配比 %水泥矿渣硬石膏39556表2 钢纤维的性能名称规格杨氏模量/G Pa抗压强度/GPa 冷板切削异型0.5×0.7×3043.1≥550表3 空白试验配比编号水泥U NF5/%砂灰比水灰比钢纤维/% K11 1.0 1.20.20——K21 1.0 1.50.20——K31 1.0 1.20.22——K41 1.0 1.50.22——表4 砂灰比试验配比编号水泥U N F5/%砂灰比水灰比钢纤维/% S11 1.0 1.00.22 1.8S21 1.0 1.20.22 1.8S31 1.0 1.50.22 1.8S41 1.0 1.80.22 1.8S51 1.0 2.00.22 1.8表5 钢纤维掺量试验配比编号水泥U NF5/%砂灰比水灰比钢纤维/% G11 1.0 1.50.22 1.2G21 1.0 1.50.22 1.5G31 1.0 1.50.22 1.8G41 1.0 1.50.22 2.0表6 水灰比试验配比编号水泥U N F/%砂灰比水灰比钢纤维/% W11 1.0 1.50.20 1.8W21 1.0 1.50.22 1.8W31 1.0 1.50.24 1.8W41 1.0 1.50.25 1.8 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4cm×4cm×16cm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7h,然后通蒸汽以15℃・h-1的升温速度至65℃,保温4h,后自然冷却至室温20℃,脱模,再放入20℃水中养护至规定龄期。
1.3 试验方法1)流动度试验:按GB3419-81《水泥胶砂流动度测定方法》进行;2)抗压强度试验:按GB177-85《水泥胶砂强度检验方法》进行;3)抗折强度试验:按GB177-85《水泥胶砂强度检验方法》进行。
2 试验结果及分析2.1 强度试验试件的强度见表7。
2.2 结果分析1)砂灰比的影响 由表7可见,当水灰比和钢纤维含量不变时,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1.5时,砂灰比增加对流动度影响不大;在砂灰比大于1.5时,砂灰比增加,流动表7 蒸养钢纤维水泥砂浆各龄期强度编号流动度/mm抗压强度/M Pa抗折强度/M Pa3d28d3d28d K11759810517.819.8 K216210511418.720.1 K3187859715.117.4 K41719010216.918.8 S116011513322.924.5 S215711413022.723.6 S315011012822.023.0 S412910812020.521.4 S511210611420.519.9 G116711012320.821.4 G216011112621.722.0 G315011312822.023.0 G413911412822.523.3 W114110711921.322.4 W215011012622.023.0 W316910912021.022.4 W418210511420.422.1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1.8时,减小的幅度不大。
但砂灰比大于1.8时,钢纤维砂浆的强度减小幅度较大,尤其是28d抗折强度。
2)钢纤维掺量的影响 由表7可见,随着钢纤维掺量的增加,水泥砂浆的流动度减小;水泥砂浆的抗折强度和抗压强度均增加,但抗压强度增长幅度不大。
16 武 汉 理 工 大 学 学 报 2002年6月3)水灰比的影响 由表7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0.24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1 掺入钢纤维的蒸养水泥砂浆XRD 图▲—Aft ■—Ca(OH)2 △—C 3S ○—SiO 2 □—C 4A 13H图2 掺入钢纤维的蒸养水泥砂浆的SEM 图象2.3 钢纤维增强水泥砂浆机理分析从表7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,这是由于在界面区水灰比局部升高,因而使Ca (OH )2晶体和钙钒石晶体密集,两者形成的晶体都较大,Ca (OH )2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17第24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 18 武 汉 理 工 大 学 学 报 2002年6月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C-S-H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Ca(OH)2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1为几种不同配比的钢纤维蒸养水泥砂浆的X射线衍射图。
从图中可看到,Ca(OH)2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Ca(OH)2,加速水泥石水化,减少Ca(OH)2晶体在界面的富集。
正是由于火山灰效应能够吸收大量Ca(OH)2,降低液相中Ca(OH)2浓度,使Ca(OH)2晶体减少变小,对改善界面区性能有一定的作用。
图2为与图1相应配比的钢纤维蒸养水泥砂浆的SEM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。
3 结 论通过试验,可得如下结论:a.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133MPa,抗折强度达24.5M Pa的高强抗冲击水泥基材料。
b.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。
c.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。
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