新型纤维增强水泥基复合材料

秦玲

摘要：随着人们对工程质量的要求日益提高，对纤维增强水泥基复合材料的需求也不断发展变化。本文将对新型纤维增强水泥基复合材料进行分析。

关键词：新型纤维增强水泥基；复合材料；性能；发展方向

1.前言

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。

2.纤维混凝土的增强机理

美国学者Romualdi提出了“纤维阻裂机理”（或称纤维间距理论），根据线弹性断裂力学来解释纤维对于裂缝的阻裂效应。后来英国Swamy、Mangat提出了“复合材料机理”，从复合材料的混合原理出发，将纤维增强混凝土看作纤维的强化体系，并用混合原理来推定纤维混凝土的抗拉和抗弯强度。这两种理论得到了大家的广泛重视，也极大地促进了纤维混凝土的发展。1970年代初，美国研制出了熔钢抽丝法，能廉价生产钢纤维，1980年代末美国混凝土协会（ACI）544委员会首先制定了《钢纤维混凝土实验方法》，1983年日本土木工程学会制定了《钢纤维混凝土设计施工指南》，日本混凝土工程协会于1984年制定了《钢纤维混凝土实验方法标准》，这些标准为大规模使用纤维创造了条件。我国在1970年代末开始研制钢纤维，1980年代以来已在许多土木工程中使用，产生了良好的社会、经济效果。中国工程建设标准化协会于1993年5月批准实施《纤维混凝土结构设计与施工规范》（CFCS38：93），规范的颁布极大地推动了钢纤维在公路路面、机场跑道、桥面、水工、建筑、铁路、市政、军事工程以及各种建筑制品等领域的推广应用。目前已召开过8届全国性的学术会议，关于纤维混凝土理论与技术的研究较为系统和深入，并逐渐被广大工程技术人员所接受，近几年每年的使用量在12000t以上，已在三峡等一批重大工程中应用。目前使用纤维的目的在于提高结构的抗疲劳、抗冲击、抗震性、耐久性以及延性等。

3.纤维增强水泥基复合材料的力学性能

3.1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。

3.2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。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。研究表明，体积掺量0.05%的杜拉纤维混凝土抗裂能力提高近70%。

3.3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。试验表明，0.05%体积掺量的杜拉纤维混凝土比普通混凝土的抗渗能力提高了60%~70%。

3.4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。孙家瑛等试验发现，聚丙烯纤维体积掺量为0.1%~0.2%时，水泥基复合材料的抗冲击性能较对照试样分别提高了20%~25%。

3.5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。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。

4.增强纤维

4.1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。

4.2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。

5.纤维增强水泥基复合材料的发展方向

5.1研制高强度、高弹性模量的合成纤维，发展混杂纤维混凝土。

5.2研究开发纤维网复合式混凝土结构，由于短纤维在混凝土中的利用率低，可用纤化纤维网与三维合成纤维复合，组成复合式结构，提高纤维的增强效果。

5.3研究合成纤维与钢纤维混杂或复合使用的效果，研究不同品种、不同长度纤维混杂使用的机理及效果。

5.4开拓聚丙烯腈纤维等高性能纤维在土木工程领域的应用，以提高混凝土工程的耐久性。

5.5研发高性能的纤维增强复合材料棒材或片材或板材，如聚丙烯腈纤维、玻璃纤维复合材料、碳纤维片材或板材，开发与纤维相适宜的基体和粘接材料。

6.结束语

纤维增强水泥基复合材料可用于桥面和路面（公路和机场跑道）的罩面层，建筑、桥梁、水工、隧道和采矿工程中的各种增强结构，为工程的施工建设提供了重要的支撑。

参考文献

[1]徐世烺，李贺东．超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用［J］．土木工程学报，2017，41（6）：45－60．

[2]邓宗才．高性能合成纤维混凝土［M］．北京：科学出版社，2016