新型水泥基复合材料讲解
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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
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。
Leabharlann Baidu
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。
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。
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
（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）。
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
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。
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。
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
尼龙、聚乙烯、 提高韧性、抗冲
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。
聚丙烯
击性能;
高弹性模量
钢纤维、玻璃纤 维和碳纤维
2.作用方式
a短纤维 b网状纤维 c异形化纤维 d表面涂层改性纤维
改善强度和韧性;
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
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
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。
Leabharlann Baidu
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。
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。
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
（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）。
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
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。
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。
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
尼龙、聚乙烯、 提高韧性、抗冲
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。
聚丙烯
击性能;
高弹性模量
钢纤维、玻璃纤 维和碳纤维
2.作用方式
a短纤维 b网状纤维 c异形化纤维 d表面涂层改性纤维
改善强度和韧性;
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