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。

2.5 抗冻性

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。 • 纤维的纤维掺量对混凝土强度的影响很大

• 合成纤维可有效地控制由混凝土内应力产生的裂缝，使混凝土早期收缩裂缝减少50～90%，显著提高混凝土的抗渗性和耐久性，使混凝土内钢筋锈蚀时间推迟2.5倍。除抗裂外，合成纤维还能提高混凝土的粘聚性和抗碎裂性。

• 以聚丙烯合成纤维为例

• 掺入聚丙烯合成纤维后，混凝土的性能将发生变化，当纤维含量适当时，

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混凝土抗压强度、抗弯强度等均有不同程度的提高。纤维掺量对混凝土强度的影响见下表。

掺入聚丙烯纤维后混凝土的性能影响： 项目 抗压强度（Mpa） 28.5 39.6 +28.0% 抗折强度（Mpa） 4.41 5.09 +13.3% 劈裂抗拉强度（Mpa） 2.0 2.17 +8.5% 砂浆轴心抗拉强度（Mpa） 3.741 3.986 +7.1% 普通混凝土 纤维混凝土 强度增减% 三、几种主要增强型水泥基复合材料的应用现状 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，聚乙烯醇纤维等。

3.1 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 年美国学者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 。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、且在基体中不易于分散。 3.2 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。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，了其应用。 3.3 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。气中一段时间后，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。

3.4 PVA纤维增强水泥基复合材料

PVA纤维 是指聚乙烯醇纤维 ,也称之为维纶。以PVA为主要原料,运用新型纺丝工业开发制成的高强高弹模PVA纤维和水溶性PVA纤维,通常称为新型PVA纤维。

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现阶段研究的PVA纤维不只增加强度,而且对混凝土还具有粘接性,使得耐震性和耐冲击性提高,混凝土的断裂和片状剥落现象这些弱点也难以发生。而且,具有防止水向混凝土内的浸入性质,防止混凝土中性化,对防止钢筋的腐蚀也有很大效果。

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