浅谈纤维增强水泥基复合材料

浅谈纤维增强水泥基复合材料

（卢静娴）一、什么是纤维增强水泥基复合材料？

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。纤维在其中起着阻止水泥基体中微裂缝的扩展和跨越裂缝承受拉应力的作用，因而使复合材料的抗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、纤维增强水泥基复合材料有哪些特质？（主要指力学性能）

纤维增强水泥基复合材料具有抗裂、大延性、高韧性、抗冲击、抗渗、抗剪、耐高温、耐腐蚀、良好的化学稳定性和优越的能量吸收能力，在减小混凝土裂缝、提高混凝土耐久性、改善混凝土脆性破坏、电学性能等方面都起了重要作用。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。

1.抗拉强度

内部缺陷是水泥基复合材料破坏的主要因素，任意分布的短切纤维在复合材料硬化过程中改变了其内部结构，减少了内部缺陷，提高了材料的连续性。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。

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。宏观上看，当基体材料受到应力作用产生微裂缝后，纤维能够承担因基体开裂转移给它的应力，基体收缩产生的能量被高强度、低弹性模量的纤维所吸收，有效增加了材料的韧性，提高了其初裂强度、延迟了裂缝的产生，同时，纤维的乱向分布还有助于减弱水泥基复合材料的塑性收缩及冷冻时的张力。

3．抗渗性

内部孔隙率、孔分布和孔特征是影响水泥基复合材料抗渗性的主要因素。以纤维作为增强材料，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。

4．抗冲击及抗变形能力

在纤维增强水泥基复合材料受拉（弯）时，即使基材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。

纤维可以缓解温度变化而引起的水泥基复合材料内部应力的作用，从而防止水泥固化过程中微裂纹的形成和扩散，提高材料的抗冻性；同时，水泥基复合材料抗渗能力的提高也有利于其抗冻能力的提高。在水泥基复合材料中加入聚丙烯、玻璃等纤维的研究表明，纤维的加入，可作为一种有效的水泥基复合材料温差补偿抗裂手段。

三、用于增强水泥基复合材料的纤维主要有哪些？

目前，常用于增强水泥基复合材料的纤维，主要包括钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等。

1．钢纤维增强水泥基复合材料

钢纤维是发展最早的一种增强用水泥基复合材料纤维。早在1910 年美国 Porter 就提出了把钢纤维均匀地撒入混凝土中以强化材料的设想，随后俄国学者伏·波·涅克拉索夫首先提出了钢纤维增强混凝土的概念。1963 年美国Romuldi等发表了一系列研究成果，从理论上阐述了钢纤维对水泥基复合材料的增强机理。我国对钢纤维的应用研究相对于其它几种纤维也比较早。赵国藩等人出版的《钢纤维混凝土结构》中，对组成材料与工艺特性、基本性能、结构强度计算、抗剪承载力计算、复杂应力下钢纤维混凝土的性能和计算、正常使用极限状态验算方法以及其应用施工等内容都作了较完整的说明。目前，钢纤维水泥基复合材料因其具有高抗拉强度和弹性模量而得到广泛应用，但其价格较贵、比重大且在基体中不易于分散。

2.碳纤维增强水泥基复合材料

碳纤维是 20 世纪 60 年代开发研制的一种高性能纤维，具有超高的抗拉强度和弹性模量、化学性质稳定、与水泥基复合材料粘结良好等优点。与钢纤维相比较，碳纤维具有胜过钢材的刚度和强度的优良性能，碳纤维体积掺量为 3%的水泥基复合材料与基准水泥基复合材料相比，弹性模量增加 2倍，拉伸强度增加5倍。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。碳纤维的主要缺点是价格昂贵，最近几年开发的沥青基短碳纤维已使它们的价格大为下降，但是与其它纤维比较，其价格仍然高得多，限制了其应用。

3.玻璃纤维增强水泥基复合材料

玻璃纤维因其具有抗拉强度高、弹性模量高的特点，被广泛用于铺设水泥基复合材料路面等方面，在 20 世纪 70 年代，玻璃纤维在混凝土中的应用就已实现了工业化，但关于玻璃纤维混凝土的物理性能方面开展的研究较少，这是因为玻璃纤维水泥基复合材料在新拌水泥基复合材料中不易乱向分散且易受损伤，从而降低了材料强度，同时也存在污染环境的问题。此外，由于玻璃纤维在水泥基复合材料高碱相中容易损坏，暴露于大气中一段时间以后，其强度和韧性会有大幅度下降。纤维水泥基复合材料会由早期的高强度、高韧性向普通水泥基复合材料退化，长期使用时会使得水泥基复合材料强度下降。目前，玻璃纤维水泥基复合材料多应用于结构加固等方面。

4．合成纤维增强水泥基复合材料

合成纤维成本不高，结构和性能可变度大，具有较高的性价比，20 世纪 80 年代以来，在国外已得到了广泛的研究和应用。在国内，合成纤维增强水泥基复合材料技术开发也有一定的发展，上海市建筑科学研究院与上海市合成纤维研究所及上海石油化工公司共同合作，研究并成功地开发了能有效控制非结构裂缝的合成纤维混凝土，经上海东方明珠电视塔、地铁 1号线、石化总厂及 8 万人体育场等重大工程的实际应用，都取得了满意的效果。目前用于增强水泥基复合材料的合成纤维有：聚酯类纤维、聚酰胺类纤维（尼龙）、聚乙烯类纤维、聚丙烯纤维等。其中聚丙烯纤维耐酸碱，干湿态纤维强度无变化、比重小，价格便宜，与水泥的结合性较好，能减少水泥基复合材料原生裂隙尺度，增强其抗裂能力，积极有效地改善其耐久性，且工作机理简单，适用性广泛，在工程界受到了越来越多的关注。

5．天然植物纤维增强水泥基复合材料

使用天然植物纤维作为水泥增强材料始于 20世纪初期，当时是用它制成木浆纤维来代替石棉以生产纤维水泥板。进入20世纪80年代以来，资源短缺，能源匮乏，生态环境恶化等诸多问题的出现使得人们对天然植物纤维这类可再生、无污染材料产生极大兴趣和关注，由此就提出了环境协调材料的概念。世界各国尤其一些发展中国家也由此开始热衷于研究和开发使用天然植物纤维作水泥砂浆的增强材料，以探索用植物纤维增强水泥来制作廉价的建房材料。

四、纤维增强水泥基复合材料的大致发展及简单展望是怎样的？