纤维强化水泥基复合材料

6. 天然植物纤维增强水泥基复合材料
初步试验研究表明：剑麻纤维与聚丙烯纤 维（PP fiber）、玻璃纤维一样缓和了混凝土的 荷载应力集中，大幅提高了水泥混凝土的断裂 韧性，起到了良好的增强、增韧效果。而且剑 麻纤维混凝土的荷载- 位移曲线呈现明显的波浪 形，这是由于剑麻纤维独特的维管束中空结构 能更好的在微观层次上缓解应力集中。因此， 剑麻纤维完全可作为水泥基复合材料增强纤维 ，并表现出优异的性能。
3.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，限制了其应用。
二、纤维强化水泥基复合材料的制备
（以碳纤维强化水泥基复合材料为例）
•
水泥混凝土材料以其抗压强度高、施工方 便等优点在人类建筑史上发挥了重要作用, 但由 于其功能单一、脆性大、自重大、抗拉强度和抗 弯强度低等缺点, 在特殊领域中的用途受到了很 大限制。碳纤维具有高弹性、高模量、比重小、 耐腐蚀、对人畜无害等优异性能被视为许多材料 的优良增强体。将其加入到水泥基体中, 制成碳 纤维增强水泥基复合材料(CFRC) , 不仅可改善水 泥自身力学性能的缺陷, 使其具有高强度、高模 量、高韧性, 更重要的是把普通的水泥建筑材料 变成了具有自感知内部温度、应力和损伤及一系 列电磁屏蔽性能的功能材料。
•
2. 刚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。
不同碳纤维质量分数的水泥基复合材料扫描电镜图(×200)
• 与传统的粘钢板、喷射混凝土技术相比，碳纤 维复合材料加固技术具有明显的技术优势，表现： ⑴ 高强高效。由于碳纤维复合材料优异的物 理力学性能，在加固混凝土结构中可充分利用其 高强度、高弹模的特点，提高混凝土结构的承载 力及延性，改善动力学性能。因此对于抗震加固 更具优势。
• ⑸ 施工质量能保证。碳纤维片材是柔性的， • 即使结构表面不是非常平整，也能保证 99%的有 效粘贴率，若有气泡，可用注射器将树脂注射进 去，赶走气泡。而粘钢法的验收标准是有效粘贴 面积只要达到 70%即可。 • ⑹ 碳纤维片材质量轻且薄，粘贴后质量不到 1.0kg/m ，单层粘贴厚度仅为 1.0mm左右。 • 碳纤维片材的不足之处是较脆。而芳纶等纤 维的特点是韧性好，抗冲击、抗剪切性能良好。 将芳纶片材用于加固桥墩、柱子等易受冲击的结 构优越性十分明显。
6. 天然植物纤维增强水泥基复合材料
剑麻纤维是从剑麻植物叶片中取得的维管 束纤维，由纤维素（50%~60%）、半纤维素（ 12%~20%）、木质素、果胶等组成，且这些化 学成分的含量可能随种植地域及生长年份的不 同而有所差异，但均以纤维素为主。这类纤维 一般伸长率较小、强度较高，具有质地坚韧、 耐腐蚀、耐酸碱等多种优点。纤维素纤维具有 很高的强度、结晶度和取向度，这主要是由于 纤维素表面大量的羟基在分子内或分子间形成 氢键的缘故。正是由于纤维素纤维表面含有大 量的羟基，可以与水泥水化产物中的大量羟基 基团起作用而形成氢键，从而可增进界面的致 密性，加强界面粘着强度以及扩大纤维阻裂增 强的界面效应。
• ⑵ 施工便捷，工效高，不需大型机具，无湿 • 作业。成品的加固修补用碳纤维片材是单向或双 • 向不织物，宽度为 20 － 100cm ，长度 50 －100m/卷 ，根据需要裁剪。粘贴碳纤维片材是粘钢法工效的 4 － 8倍。 • ⑶ 有很好的耐腐蚀及耐久性能，可抵抗结构 • 物遇到的各种酸、碱、盐对结构物的腐蚀。用该 • 种加固技术对结构处理后，不仅不需要如粘钢法 • 所需的定期防锈维护，节省费用，且起到对内部 • 混凝土的保护作用。
•
CFRC 的制备一般由混料、成型、养护3 步组成。利用分散剂将碳纤维预先分散开 来, 再与水泥、砂子、石子、外加剂等均匀 混合, 然后采用浇注法、挤出法、压制法、 压制脱水法或振动法之一使混合料成型, 成 型后的试件放入到水或养护箱中养护,干后 即成CFRC 复合材料, 通常有水泥砂浆和水泥 混凝土两种类型, 后者更具有实用性。
4. 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。
6. 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（Environment Conscious Materials）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。
纤维强化水泥基复合材料的发 展现状及应用
本组成员：
二班：刘明伟 刘明 李义强 一班：张为政 武杰 郑顺章
基本内容
一、纤维强化水泥基复合材料的概述 二、纤维强化水泥基复合材料的制备 三、纤维强化水泥基复合材料的应用 四、纤维强化水泥基复合材料发展方向
五、参考文献
一、纤维强化水泥基复合材料的概述
•
纤维增强型水泥基复合材料包括纤维混凝土 、纤维增强砂浆、纤维增强活性粉末混凝土等 。它们是在混凝土基体中加入抗拉强度高、极 限延伸率大、抗碱性好的不同长短粗细和材质 的纤维以改善混凝土基体抗拉强度低、极限延 伸率小、性脆等缺点的一种复合材料。
•
搅拌工艺也十分讲究, 一般采用间歇式自 动控制搅拌仪。碳纤维水泥浆体的理想搅拌 工艺为先拌制水泥和碳纤维, 再加入拌合水或 先将碳纤维在溶有分散剂的水中分散后加入 水泥搅拌30 秒钟, 最后加入标准砂再继续搅 拌。碳纤维在制备好的CFRC 试件中呈三维乱 向分布, 由于受纤维排列方式和长度的影响, 短切碳纤维的增强效果不如单轴连续纤维和 两维乱向分散的短纤维增强效果。
•
⑶ 将碳纤维加工成束状或绳状，用于 大跨度桥梁的拉索或大跨度空间结构的悬 索、拉索等。
•
⑷ 将碳纤维棒材与混凝土一起制成预 制混凝土梁、板、屋架、或用纤维棒制作 网架等，这些新结构具有质量轻、强度高 和耐腐蚀等优点。
•
水泥是脆性材料，其中存在大量微裂 纹，气孔等。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。 • 所用纤维按其材料性质可分为金属纤维 、无机纤维、有机纤维。目前，大量使用 的主要有钢纤维、镀铜钢纤维、碳纤维、 玻璃纤维、聚丙烯纤维（PP）、聚乙烯醇 纤维（PVA）、聚乙烯纤维（PE）等。
•
下面是几种常见不同的纤维强
化水泥基复合材料的介绍：
1. 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。日本用高新纺丝技术成功 开发了高强PVA,强度21.1Cn/dtex,2 000年总产 达2.5万吨;日本公司开发的K—II高强高弹模PVA 纤维强度达到 22cN/dtex,这 次 所 开 发 的PVA 纤维与从前的水泥增强材料 ,在性质方面不同, 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,, 如何使碳纤维均匀分散 到水泥基体中, 是决CFRC 复合材料性能好坏 的关键。常用的拌合方法有两种: 干拌法和 湿拌法。 • 前一种方法是先将碳纤维和水泥混合搅 拌均匀后, 再加入砂子、水和其他外加剂; 后一种方法是将碳纤维预先分散在部分水 中, 再与水泥、砂子、硅灰和外加剂混合搅 拌。
•
⑷ 适用面广。可用于各种结构类型（如 建筑物、构筑物、桥梁、隧道、烟筒等）、 各种结构形状（圆形、矩形、曲面形等）、 各种结构部位，加固后结构尺寸增加很小， 这一点是传统加固技术无法比拟的。尤在一 些大跨桥梁的桥墩、桥梁（板）、隧道、大 型筒体及壳体结构工程等，用旧方法无法加 固，而用碳纤维片材却能顺利进行。
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。有关纤维的物理性能数据见表 1。