第四章 新型水泥基复合材料

玻璃纤维修补路面网裂
碳纤维增强水泥基复合材料（CFRC）
70年代英国首先用聚丙烯腈基（PAN）、碳纤维 研制碳纤维增强水泥基材料CFRC（Carbon Fiber Reinforced Cement Based Composites）板材，使 用于伊拉克A1-Shakeed纪念馆，开创了CFRC研究与 应用的先例。迄今为止，国际上已有多幢高层建筑 应用了CFRC板材，取得了好的效果。由于它是高弹 模高强度纤维增强的水泥基，具有高抗拉、高抗弯、 高断裂能、低干缩率、低热膨胀系数、高耐高温与 阻燃能力、高耐久、耐大气老化、抗腐蚀、高抗渗、 与老混凝土、金属的接触电阻低和有良好的电磁屏 蔽效应而且能减轻自重，故CFRC有可能制成智能材 料。近几年来沥青基碳纤维增强水泥基材料发展迅 速。
纤维对于混凝土性能改善的机理
1.在混凝土凝结硬化初期，纤维可以限制混凝土的各种早 期收缩，有效地抑制混凝土早期干缩微裂纹及离析裂纹的 产生和发展，可以大大增强混凝土的抗裂抗渗能力。 2.当混凝土结构承受外力作用时，纤维能与基体共同承受 外力。在受外力初期，基体是主要承受外力者，当基体产 生开裂趋势后，横跨裂缝的纤维就会阻碍其开裂的扩展， 并承担部分荷载，从而提高了混凝土基体材料的抗荷载能 力。此外，随着外力的不断增大，适当体积掺量的纤维可 继续承受较高的荷载并产生较大的变形，直至纤维被拉断 或从基体中拔出而破坏，从而使其受力破坏过程中表现出 更高的韧性。
玻璃纤维增强水泥基复合材料（GFRC） 玻璃纤维增强水泥GFRC（Glass Fiber Reinforced Cement）具有强度高、韧性好、壁薄 质轻以及设计自由度大等特点，目前世界上不少国 家均已相继建立规模不等的GFRC工业，并已遍及了 五大洲。在制备技术、性能和应用等方面均不断有 新进展。
示 意
钢 纤 维 在 开 裂 位 置 的 作 用 机 理
根据所采用纤维的弹性模量不同可分为高弹性 模量纤维和低弹性模量纤维。 常用的高弹性模量纤维有钢纤维、玻璃纤维、 石棉纤维、碳纤维等，它们可以更显著地提高混凝 土复合材料的强度和阻裂能力，但价格较高。 常用的低弹性模量纤维有聚丙烯纤维、尼龙纤 维、聚乙烯纤维等，它们可赋予混凝土较大的变形 能力，从而使混凝土复合材料具有较好的韧性及抗 冲击性能，而且它们的价格较低，但难以提高混凝 土的强度和刚度，尤其是不能提高混凝土受力时的 初裂强度。
影响纤维增强增韧效果的因素主要有以下几个 方面： ①纤维种类； ②纤维的表面性能。一般认为：纤维过长，长 径比过高会影响水泥浆体的流变性，并且不易分散 均匀；纤维过短，长径比过低，则水泥基复合材料 的塑性和其它力学性能增效甚微；
③纤维与基体界面的粘结强度。纤维增强 水泥基复合材料的力学性能主要取决于基体的 物理性能、纤维的物理性质以及两者之间的粘 结强度。当基体与纤维确定后，纤维与基体之 间的粘结强度就成了决定硬化物质性能的主要 因素。将纤维异形化、对纤维进行表面改性处 理均可以增强纤维与基体之间的粘结强度； ④纤维的掺量，对于乱向短纤维增强水泥 复合材料而言，为使基体开裂后的承载能力不 致下降所需要的最小纤维体积率称为临界纤维 体积率。
第4章
新型水泥基 复合材料Fra bibliotek复合材料是由两个或两个以上独立的物相，包 含粘结材料（基体）和颗粒、纤维或片状材料（增 强体）以微观或宏观形式所组成的固体材料，并且 具有与其组成物质不同的性能。
复合材料的特点 （1）可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材 料具有多种性能，例如玻璃钢即具有类似钢材的强 度，又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能； （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的产品，避免多次加 工工序，例如可避免金属的切削、磨光等工序。
纤维在基体材料中分布的均匀性随Dmax/lf增 大而下降，当Dmax/lf=1/2时，纤维对混凝土的增 强效果最好；当Dmax/lf>1时，则纤维过于集中并 填充于粗集料间的砂浆中，因纤维过度集中又不均 匀分散，不仅难以增强混凝土的强度，而且还会影 响纤维—基体间的界面粘结；当Dmax/lf显著小于 1/2时，可使混凝土的增韧效果明显，但因集料过 小而难以发挥骨架作用。
聚丙烯纤维增强水泥基复合材料
聚丙烯（Polypropylene）纤维，又被简称为PP纤 维，丙纶纤维。工程上又被称为混凝土及砂浆抗裂合成纤 维（微纤维）。改善混凝土性能的聚丙烯纤维目前主要有 束状单丝聚丙烯纤维和网状聚丙烯纤维两种。国外常用的 品种是Durafiber（杜拉纤维）和Fibermesh（纤维网）。 这两种聚丙烯纤维，长度为6-50mm,由于其形状、纤度不 同，所能承受的抗拉强度有较大差别外，其它物理学性能 基本相同。
生产纤维的聚丙烯原料是一种规整的结晶聚 合物。为乳白色、无臭、无味、无毒的热塑性塑 料。密度为0.91g/cm3,熔点1650C,燃点5900C,弹 性模量3500MPa,不吸水,导热性低,耐酸碱盐腐蚀, 有良好的绝缘性能,化学稳定性和良好的物理机械 性能及加工性能。 束状单丝聚丙烯纤维是采用改性聚丙烯切片 经共混、纺丝、拉伸、定型、短切等工序制成 的；网状聚丙烯纤维是聚丙烯粒料经挤出、拉伸、 成网、定型、表面处理、短切等工序制成的，都 属成熟的加工方法。
纤维改性水泥基复合材料
普通水泥混凝土具有显著的脆性，尤其是高强 混凝土的脆性更加突出，这会为其应用带来许多问 题。如混凝土抵抗各种变形（干燥变形、化学变形、 温度变形）的能力很差，抵抗动荷载的能力很差， 很容易由于这些弱点而产生明显的开裂甚至破坏。 当在混凝土中掺加了纤维后，可以通过纤维的阻裂、 增韧和增强作用而显著提高上述抵抗能力，使其成 为具有一定韧性的复合材料。
60年代，首先是英美国家把聚丙烯纤维短切后拌入 混凝土中以改变混凝土的若干物理力学性能，其后意大利、 丹麦、联邦德国也开展了这方面的研究，1965年，美国学 者Colelfein建议用聚丙烯纤维混凝土建造美军工兵部队 的防爆建筑，英国韦期特混凝土桩公司用它生产混凝土预 制桩，之后，随着应用的增多，逐渐形成工程用聚丙纤维 的工业化生产并且大量应用于不同场合的混凝土中。