纤维增强水泥基材料
纤维增强水泥基复合材料应用技术规程
纤维增强水泥基复合材料应用技术规程一、前言纤维增强水泥基复合材料是近年来发展起来的一种新型材料，其具有较好的机械性能、耐久性能和抗裂性能等优点，广泛应用于建筑、桥梁、隧道、地下工程等领域。
为了规范纤维增强水泥基复合材料的应用，提高其应用效果和安全性，本文将从材料的选择、配合比的设计、施工工艺等方面进行详细阐述。
二、材料选择1.水泥水泥是纤维增强水泥基复合材料的基础材料，其品种应根据工程的具体要求选择。
一般来说，普通硅酸盐水泥或硬磨石水泥都可以作为纤维增强水泥基复合材料的水泥基料。
2.纤维纤维是纤维增强水泥基复合材料中的增强材料，其种类繁多，应根据工程要求和使用环境选择。
常用的纤维有玻璃纤维、碳纤维、聚丙烯纤维等。
3.骨料骨料是纤维增强水泥基复合材料中的骨架材料，其品种也应根据工程要求选择。
一般来说，常规的碎石、碎砖等都可以作为骨料，但要注意骨料的品质和粒径。
4.掺合料掺合料是纤维增强水泥基复合材料中的辅助材料，其种类也很多。
常用的掺合料有矿渣粉、石灰石粉、煤灰等。
三、配合比设计1.水泥用量水泥用量应根据工程要求和强度等级来确定。
一般来说，水泥用量在400kg/m³左右比较合适。
2.纤维用量纤维用量应根据工程要求和纤维种类来确定。
在大多数情况下，纤维用量在1.5%~2.5%之间比较合适。
3.骨料用量骨料用量应根据工程要求和骨料种类来确定。
在大多数情况下，骨料用量在1000kg/m³左右比较合适。
4.掺合料用量掺合料用量应根据工程要求和掺合料种类来确定。
在大多数情况下，掺合料用量在20%~30%之间比较合适。
四、施工工艺1.基层处理在进行纤维增强水泥基复合材料的施工前，必须对基层进行处理。
基层处理应包括清理、打磨、喷水等步骤，以保证基层的平整度和粗糙度。
2.混合料的配制混合料的配制应在专门的搅拌机中进行，严格按照配合比进行配制。
在配制过程中，应注意控制搅拌时间和搅拌速度，以确保混合料的均匀性和稳定性。
ECC混凝土（纤维水泥基复合材料）介绍
ECC混凝⼟（纤维⽔泥基复合材料）介绍什么是ECC？⼯程⽤⽔泥基增强复合材料（Engineered Cementitious Composite），简称为ECC，它是纤维增强⽔泥基复合材料，具有⾼延展性和严格的裂缝宽度控制。
为何选择ECC？传统的混凝⼟⼏乎是不可弯曲的，具有⾼度脆性和刚性，应变能⼒仅0.1％，ECC的应变⼒超过3％，因此更像是韧性⾦属，⽽不像脆性玻璃。
ECC的组成可弯曲混凝⼟由传统混凝⼟的所有成分减去粗⾻料组成，并掺⼊聚⼄烯醇纤维。
它含有⽔泥，沙⼦，⽔，纤维和外加剂。
聚⼄烯醇纤维覆盖着涂层，可防⽌纤维破裂，因此ECC⽐普通混凝⼟变形性能更强。
⼯作机制每当载荷增加超过其极限值时，PVA纤维与混凝⼟在⽔化过程中形成的强分⼦键可防⽌其开裂。
ECC的不同组分共同抵御载荷。
ECC混凝⼟的优点具有像⾦属⼀样弯曲的能⼒，⽐传统混凝⼟更坚固，更耐⽤，持续时间更长；它具有⾃我修复的特性，可以通过使⽤⼆氧化碳和⾬⽔来⾃我治愈；约⽐普通混凝⼟轻20-40％。
ECC混凝⼟的缺点与传统混凝⼟相⽐，施⼯成本较⾼。
它需要熟练的劳动⼒来建造它。
它需要⼀些特殊类型的材料，在某些地区很难找到。
其质量取决于所⽤材料及其制造条件。
其抗压强度⼩于传统混凝⼟。
ECC的应⽤范围：抗震建筑：采⽤柔性混凝⼟制成的结构可承受更⼤的拉应⼒，不会因地震引起的振动⽽破坏。
在⽇本⼤阪，60层楼⾼的北滨⼤楼，就在建筑核⼼⽤了⼯程胶结复合材料，⽤于抗震。
桥⾯伸缩缝：桥⾯的伸缩缝经常堵塞。
ECC随着温度波动移动⽽实际扩展和收缩。
它消除了热胀冷缩相关的许多常见问桥⾯伸缩缝：题，例如连接处堵塞和裂缝，这导致⽔和除冰盐渗⼊联结处并腐蚀钢筋。
混凝⼟帆布：混凝⼟帆布也可以⽤柔性混凝⼟制成。
混凝⼟帆布⽐普通帆布更坚固耐⽤。
它可以⽤在军事领域。
碳纤维增强水泥基复合材料的制备
碳纤维增强水泥基复合材料的制备碳纤维增强水泥基复合材料（CFRP）是一种高强度、高刚度、耐久性好的新型材料，被广泛地应用于建筑、道路、桥梁等工程领域。
本文将对CFRP的制备过程进行介绍。
I. 碳纤维的制备碳纤维是CFRP的主要材料之一。
根据需要，碳纤维可以采用不同的制备方法，如化学气相沉积法、炭化毛毡法等。
其中，化学气相沉积法是目前应用最广泛的制备碳纤维的方法之一。
该方法以石油焦为原料，在高温下进行气相反应，使得碳化物沉积在钨丝或其他适合的表面上，形成了碳纤维。
II. 水泥基材料的制备水泥基材料是CFRP的另一个主要组成部分。
在制备水泥基材料时，需要确定其成分及配比，以保证其性能符合要求。
常用的水泥基材料有Portland水泥、硬化剂、矿物掺合料、增韧剂等。
其中，Portland水泥是一种常用的水泥基材料，具有硬化迅速、强度高、抗渗透等优点。
III. CFRP的制备CFRP制备的基本流程如下：先将碳纤维与水泥基材料进行混合，并加入适量的钢材、木材或其他增强材料，将其混合均匀后，将其加压至所需形状和尺寸，然后进行加热和固化。
加热和固化是CFRP制备的关键步骤之一。
加热和固化的目的是使CFRP材料在一定的压力下得到充分的硬化，从而达到理想的强度和刚度。
IV. CFRP的性能CFRP具有很好的强度和刚度，是一种具有高性能的新型复合材料。
CFRP具有以下特点：1. 高强度和高刚度：CFRP的强度和刚度比钢材高出很多。
2. 耐久性好：由于碳纤维具有优异的耐腐蚀性和耐磨性，CFRP具有很好的耐久性。
3. 轻质：CFRP具有低密度，重量轻。
4. 断裂韧性好：CFRP具有良好的断裂韧性，具有抗震能力。
V. 应用前景CFRP具有广阔的应用前景，目前已应用于许多工程领域。
例如，CFRP可以制成桥梁、隧道、建筑物等大型工程建筑材料，也可以应用于汽车制造、铁路、电力、环保等领域。
随着技术的不断进步和发展，CFRP的应用前景将会更加广泛。
第4章 纤维增强水泥基复合材料
（2）高温低压蒸汽养护。可缩短水泥复合材料制品的生产周期。 温度为40~100℃，最佳温度65~80℃。有资料报道，蒸汽养护对水 泥制品的耐久性有不利的影响。 （3）高温高压蒸汽养护。温度一般超过100℃（160~210℃），蒸 汽压力在0.6~2MPa。
.
4.4 碳纤维增强水泥基复合材料
.Leabharlann 纤维增韧、抗裂机理：.
.
② 钢纤维
.
钢纤维在水泥基体中分布的均匀性随增大而下降。
①Dmax/lf=1/2时，纤维对混凝土的增强效果最好； ②Dmax/lf>1时，纤维过于集中并填充于粗集料间的砂浆中，难于增强混凝
土的强度，还影响纤维与基体的界面粘结；
③Dmax/lf<1/2时，可使混凝土的增韧效果明显，但因集料过小而难以发挥
油井水泥、大坝水泥
.
快硬硅酸盐水泥、膨胀水泥
硅酸盐水泥
根据GB 175-2007国家标准
1、硅酸盐水泥的定义为：由硅酸盐水泥熟料、
0~5%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨
细制成的水硬胶凝材料称为硅酸盐水泥。
2、由硅酸盐水泥熟料、6~15%混合材料、适量
石膏磨细制成的水硬胶凝材料称为
普通硅酸盐水泥。
1983年，中国建筑材料研究院在国家科委、国家经委和国 家建材局支持下，研究了含锆抗碱玻璃纤维和低碱水泥，并取得了 成功，其强度半衰期为100年，其耐久性处于国际领先地位。
.
4.3.2 玻璃纤维增强水泥基复合材料的原材料
（1）抗碱玻璃纤维
成分中的氧化锆（ZrO2）在碱液作用下，在纤维表面会转化 成含Zr(OH)4的胶状物，经脱水聚合在玻璃纤维表面形成保护膜， 减缓水泥中Ca(OH)2对玻璃纤维的侵蚀。
ECC高性能纤维增强水泥基材料及其应用
ECC高性能纤维增强水泥基材料及其应用ECC 高性能纤维增强水泥基材料及其应用陈文永陈小兵丁一(中国京冶工程技术有限公司 ,北京 100088)摘要 : ECC 是 Engineered Cementitio us Co mpo site s 的简称 ,是一种具有超强韧性的乱向分布短纤维增强水泥基复合材料。
ECC 是一种经细观力学设计的先迕材料,具有应变 2 硬化特性 ,在纤维体积掺量为 2 %左右的情冴下,其极限拉应变通常能达到3 %以上。
ECC 具有的优良特性使其能广泛应用于土木工程的众多领域。
关键词 : ECC ; PV A ;应变 2 硬化 ;应用THE APPL ICATIO N OF ENGINEERED CEM ENTITIO US COMPOSITESChen Wenyo ng Chen Xiao bing Ding Yi( )Chi na J ingye Engi neering Co rpo ratio n L imit ed ,Beiji ng 100088 , China( ) Abstract :In t hi s p ap er , ECC engineered cementitio us co mpo site si s o ne of t he fi ber reinfo rced cementitio us co mpo site s , w hich sho w s p seudo st rai n ha r dening behavio r wit h several p ercent tensile st rain. When t he ECC co ntains a bo ut 2 % of PV A fi ber s , t he ultimate tensile st rain of ECC i s mo re t ha n 3 % , w hich i s 300 ti mes greater t ha n t hat of co ncrete . So , the ECC ha s been wildl y applied to a lot of fields in civil engineering.Key words :ECC ; PV A ; st rain2ha r dening ; applicatio n纨 90 年代早期率先开展了对 ECC 返种具有超高韧 0 前言性的水泥基复合材料的研究。
植物纤维增强水泥基复合材料面临的问题及相关改性研究现状
第43卷第2期2024年2月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.43㊀No.2February,2024植物纤维增强水泥基复合材料面临的问题及相关改性研究现状姜德民,徐浩东,康红龙,胡思宇(北方工业大学土木工程学院,北京㊀100144)摘要:作为一种新型绿色环保建筑材料,植物纤维增强水泥基复合材料受到了广大科研人员的青睐,但目前仍面临着众多问题㊂本文归纳总结了在植物纤维增强水泥基复合材料研究中的三大主要问题 植物纤维的高吸水率㊁植物纤维在水泥基复合材料中的劣化以及植物纤维对水泥基复合材料的阻凝作用,分析了造成这些问题的主要原因,列举了常见的改性方法并深入阐述了相应的改性机理及研究现状,最后展望了植物纤维增强水泥基复合材料的研究前景,以期为今后植物纤维资源化利用提供参考㊂关键词:水泥基复合材料;耐久性;植物纤维改性;力学性能;资源化中图分类号:TU528.572㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2024)02-0387-10Problems Faced by Plant Fiber Reinforced Cement-Based Composites and Research Status of Its Related ModificationJIANG Demin ,XU Haodong ,KANG Honglong ,HU Siyu(Faculty of Civil Engineering,North China University of Technology,Beijing 100144,China)Abstract :As a new type of green environmental protection building materials,plant fiber reinforced cement-based composites have been favored by many researchers,but there are still many problems.Three main problems in the study of plant fiber reinforced cement-based composites were summarized,namely,the high water absorption of plant fiber,the deterioration of plant fiber and the anticoagulation effect of plant fiber in cement-based composites.The main causes of these problems were analyzed.The common modification methods were listed and the corresponding modification mechanism and research status were described in detail.In the end,the research prospect of plant fiber reinforced cement-based composites was prospected,which provides reference for the resource utilization of plant fiber in the future.Key words :cement-based composite;durability;plant fiber modification;mechanical property;resource收稿日期:2023-09-21;修订日期:2023-11-20基金项目:北京市自然科学基金(2172021)作者简介:姜德民(1968 ),男,博士,教授㊂主要从事植物纤维保温混凝土的研究㊂E-mail:jdm2004@通信作者:徐浩东,硕士研究生㊂E-mail:1596186323@ 0㊀引㊀言水泥基材料是建筑行业的支柱型原材料,发展至今已经有200多年的历史,如今水泥行业的飞速发展造成的环境问题不容小觑㊂据统计[1],水泥生产㊁火力发电和冶金制造是我国三大大气污染主要来源,其中水泥生产所带来的污染占比最大,每生产1t 水泥将排放0.95t CO 2,整个水泥行业所排放的CO 2占全球总排放量的5%~8%[2]㊂因此,在建筑行业,环境友好的新型建材的研发越来越受到重视㊂纤维水泥制品是水泥制品行业的重要组成部分,纤维的加入能够提高水泥基材料的韧性㊁抗裂性以及耐久性等性能[3],纤维可分为天然纤维(棉纤维㊁麻纤维㊁毛纤维)和人造纤维(聚酯纤维㊁尼龙㊁钢纤维)[4]㊂植物纤维属于天然纤维,作为一种宝贵的可再生资源,植物纤维的应用前景广阔且潜力十足㊂有些植物纤维的抗拉强度要高于人造纤维(如聚丙烯纤维),毛竹纤维㊁洋麻纤维的单根抗拉强度甚至可达上千兆帕[5]㊂此388㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷外,在混凝土中添加植物纤维能在一定程度上抑制材料微裂缝的产生,使材料的抗渗㊁抗冻融性能增强,韧性得到提高[6]㊂近年来,不少科研人员都投入到植物纤维增强水泥基复合材料(plant fiber reinforced cement-based composite,PFRCC)的研究中㊂PFRCC 的研究意义在于:1)植物纤维复合材料有着一定的可降解性[7],将其应用在建筑材料上能够减轻建筑垃圾的回收处理负担;2)植物纤维有着优秀的抗拉性能,同时还是一种绿色可再生资源,其生产过程不会产生污染;3)在PFRCC 中加入植物纤维能够取代部分水泥,通过减少水泥的使用来减轻环境负担㊂但是从植物纤维的化学组成上来看,它并不适合直接添加到水泥基材料中㊂一方面,植物纤维中存在着大量羟基,与水泥进行拌和时,植物纤维会大量吸收自由水导致水灰比降低[8],影响材料的强度,甚至会导致混凝土内部缺陷增多[9]㊂另一方面,植物纤维会在碱性环境下发生降解行为,这大大损伤了植物纤维的物理机械性能[10]㊂另外,植物纤维中存在的半纤维素和木质素会在水溶液或碱性溶液中析出并发生水解,水解产物会阻碍水泥水化[11]㊂因此,如何更好地发挥植物纤维自身优势,提高植物纤维与水泥基材料的相容性,以及提高PFRCC 拌合物的和易性和硬化后的耐久性是推进植物纤维资源化利用的首要任务[12]㊂目前,大量研究[13-15]表明,对植物纤维进行改性处理可以有效提高PFRCC 的性能㊂常用的改性方法有碱处理㊁乙酰化处理㊁硅烷偶联剂处理㊁沸煮处理等方法,这些方法都是以提高植物纤维与水泥基材料之间的相容性㊁增强植物纤维抗碱性侵蚀能力等为目标㊂本文将从植物纤维基本的物理化学特性出发,详细阐述植物纤维在水泥基材料中的劣化机理以及针对植物纤维的不同改性方法,为今后植物纤维资源化利用提供参考㊂1㊀植物纤维的构造以及化学组成1.1㊀植物纤维的构造图1㊀植物纤维基本纤维束Fig.1㊀Plant fiber basic fiber bundle 一个单一的植物纤维是由多个(通常10~30个)基本纤维束通过胞间层的果胶物质连接构成,具体如图1所示[16],基本纤维束由外到内可分成三层:胞间层㊁初生壁㊁次生壁㊂最外层是胞间层,含有果胶㊁半纤维素和木质素;中间层是初生壁,含有纤维素和半纤维素;最内层是次生壁(包括S1㊁S2和S3),主要由纤维素构成[17],其中次生壁S2的厚度占整个细胞壁厚度的80%,对植物纤维的力学性能起主要作用[18]㊂图2和图3是植物纤维初生壁和次生壁的示意图[19]㊂初生壁很薄,厚度0.1~0.3μm,其纤维素的含量很低且较为分散,亲水性较强㊂次生壁是较厚并且完全分化的细胞壁,含有大量十分密集且相互平行的纤维素,纤维素不仅十分密集而且相互平行,为植物纤维突出的拉伸性能提供了有利条件[19]㊂图2㊀植物纤维初生壁示意图Fig.2㊀Schematic diagram of the primary wall of plantfiber 图3㊀植物纤维次生壁示意图Fig.3㊀Schematic diagram of the secondary wall of plant fiber㊀第2期姜德民等:植物纤维增强水泥基复合材料面临的问题及相关改性研究现状389 1.2㊀植物纤维的化学组成植物纤维的主要化学组成是纤维素㊁半纤维素和木质素,它们在不同种类的植物纤维中占比不同,也与植物生长所处的土壤和气候环境有关[20]㊂例如,椰壳纤维中纤维素含量约32%(文中均为质量分数),半纤维素含量约0.15%,木质素含量约40.45%[21]㊂而棉纤维纤维素的含量约85%(是椰壳纤维纤维素含量的2~3倍),半纤维含量约5.7%,木质素含量则极低[22]㊂纤维素是植物纤维中占比最多的成分㊂纤维素的化学分子式如图4[17]所示,它是由数千个葡萄糖分子组成的长链,含有44.4%的碳㊁6.2%的氢和49.4%的氧,相对半纤维素和木质素来说受碱和稀酸的影响较小[23]㊂植物纤维机械强度的高低与纤维素含量有关,也取决于纤维素微纤丝与纤维轴向的夹角(微原纤维角)[24]㊂图4㊀纤维素分子式Fig.4㊀Cellulose molecule半纤维素是植物纤维中第二大组成成分,化学分子式如图5[17]所示,它是由几种类型不同的单糖构成的异质多聚体㊂半纤维素有亲水性,吸水会润涨细胞壁,也可溶于碱性溶液并发生水解㊂半纤维素是充当纤维素微纤丝之间基质的物质[23],起到黏结并加强整体性的作用㊂图5㊀半纤维素分子式Fig.5㊀Hemicellulose molecule木质素的化学分子式如图6[17]所示,它是一类复杂的芳香烃聚合物,起到强化植物组织的作用㊂跟半纤维素类似,木质素也充当纤维内部和纤维之间的化学黏结剂㊂木质素不溶于水,可溶于碱性溶液并发生水解㊂图6㊀木质素分子式Fig.6㊀Lignin molecule2㊀PFRCC面临的问题2.1㊀植物纤维的高吸水率植物纤维的高吸水率及较差的尺寸稳定性对PFRCC的性能有负面影响㊂首先,在与水泥基材料拌和390㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷时,植物纤维会吸收大量水分并发生体积膨胀,在水泥水化后期时,伴随着植物纤维中水分的流失(部分被水泥基汲取参与水泥水化,部分蒸发[25]),纤维体积收缩,纤维-水泥基界面区产生应力,导致微裂缝出现,图7是Azwa等[26]对于上述行为的具体描述㊂当PFRCC暴露于潮湿环境中时,水分子渗透并附着在纤维亲水羟基上建立分子间氢键,这会使得纤维与水泥基界面黏结强度降低,复合材料中应力的传递被削弱[27]㊂图7㊀水对植物纤维-水泥基界面区的影响[26]Fig.7㊀Effect of water on plant fiber-cement base interface[26]造成植物纤维吸水率较高的主要原因是其分子结构中含有大量的羟基[28]㊂羟基是一种亲水基团,在纤维素㊁半纤维素的表面均含有不同数量的羟基㊂半纤维素(大部分是非晶态)的羟基含量最高,一般来说植物纤维中半纤维素含量越多,吸附水分子的能力越强[29]㊂对于纤维素,位于结晶部分(主要在微纤维的核心)的羟基被认为不参与吸附水分子,而存在于纤维素非晶态区表面的羟基能够与水分子发生相互作用[30]㊂值得注意的是,科研人员也发现了植物纤维高吸水率对复合材料内养护方面的积极影响㊂Jongvisuttisun 等[31]在关于植物纤维自养护的研究中发现,夹带在植物纤维管腔中的自由水很容易被周围的水泥基体吸收,当水化反应超过25h后,植物纤维细胞壁小孔隙中的自由水和部分结合水能够迁移出来并减缓水泥基体的自收缩㊂2.2㊀植物纤维在水泥基碱性环境下的水解与矿化植物纤维在碱性环境中会发生碱性水解,相比于纤维素,半纤维素和木质素这类非晶态组分更容易在碱性溶液中发生水解[32]㊂Toledo等[33]总结了植物纤维在水泥基中的碱性水解过程,如图8所示㊂在初始状态下的植物纤维中,纤维素微纤维被半纤维素和木质素包裹在一起形成一个整体㊂在碱性孔隙溶液的侵蚀下,木质素最先发生分解,部分半纤维素也被分解㊂随着侵蚀程度的加深,半纤维素发生分解,植物纤维细胞壁的完整性被破坏,最后随着纤维素微纤维发生脱落和断裂,纤维素最终被分解,植物纤维完全劣化㊂除了碱性水解,植物纤维在水泥基中还会有纤维矿化的情况发生㊂纤维矿化被定义为:在水泥水化过程中,Ca2+㊁Mg2+㊁Al3+和Si4-等离子对植物纤维细胞壁和开放孔隙的浸渍行为[34],或者说植物纤维的矿化是水泥水化产物(尤其是氢氧化钙)迁移沉淀到纤维的胞间层以及管腔等组织中导致纤维韧性降低的一种劣㊀第2期姜德民等:植物纤维增强水泥基复合材料面临的问题及相关改性研究现状391化形式㊂植物纤维复合材料的脆化主要与纤维矿化有关[18]㊂图8㊀植物纤维的碱性水解过程[33]Fig.8㊀Alkaline hydrolysis process of plant fibers[33]2.3㊀植物纤维延缓水泥凝结植物纤维的添加也会影响PFRCC中水泥的水化与凝结㊂植物纤维中的纤维素是一种多糖,在水泥基碱性环境下分解成葡萄糖㊂葡萄糖在碱性环境下生成酸,与水泥水化产生的OH-发生中和反应,由此产生的盐会附着在熟料和水化产物表面,延缓水泥水化反应的进行[35]㊂同样,半纤维素和木质素在水泥基碱性环境中的水解产物也对水泥水化有阻碍作用[6]㊂Sedan等[36]研究了麻纤维的掺入对水泥凝结时间的影响,通过扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱分析发现纤维表面果胶的存在会导致纤维周围存在较多的Ca2+,这也是导致水泥凝结缓慢的原因之一㊂另外,对于PFRCC凝结时间的测定,纤维的存在会阻碍维卡仪探针的插入,因此需要一种无损的精确方法来测定其凝结时间㊂Choi等[37]通过超声脉冲波来分析PFRCC的凝结时间,其试验结果表明植物纤维延缓了水泥水化,并且纤维含量越高,水化延迟越长,这样的测试结果是符合预期的㊂3㊀植物纤维的改性方法3.1㊀角质化处理植物纤维角质化是指不可逆地从纤维细胞壁中去除水分的机制[25],可以通过对其进行多次干湿循环完成[7]㊂当浸泡在水中的植物纤维达到吸水饱和后,将其放置在中等温度(60~80ħ)[38]的烘干箱内进行干燥,这时纤维的多糖纤维素链发生重排,其中纤维素微纤维由于水分的流失而彼此靠近,相互之间形成不可逆或部分不可逆的氢键,其中大多数氢键不会再重新打开㊂持续的干湿循环也会使得植物纤维管腔会发生坍塌,细胞壁层状结构中的大部分毛细孔会关闭,植物纤维结构将变得更加密实[39]㊂Claramunt等[40]对针叶木纤维和棉绒纤维进行了角质化处理,并证明了角质化过程会使这些纤维(尤其是针叶木纤维)的保水性大幅下降,尺寸稳定性提高,纤维-基体界面强度也得到了提高㊂Ferreira等[41]通过拉拔试验评价了植物纤维角质化处理对基体附着力的影响,从得到的力与滑移曲线中发现,复合材料经过加速老化后,处理过的纤维与基体的最大黏结应力和摩擦应力分别提高了40%和50%㊂3.2㊀热液处理热液处理最早应用于木材的改性,一般可分为超临界水处理㊁亚临界水处理和环境液态水处理三类,这些方法的主要区别在于处理过程中施加的温度不同[42]㊂热液处理通过对植物纤维高温沸煮来提取纤维中的可溶性糖分,这类组分是延缓水泥凝结的主要原因㊂热液处理还能够将纤维的亲水 OH基转化为疏水基团来提高纤维的尺寸稳定性,但是随着处理时间和处理温度的提高,纤维的吸水率会变高[43]㊂Sellami等[44]为了克服植物纤维与水泥基材之间相容性较差的问题,采用热液处理对纤维进行改性,通过SEM观察发现,沸煮4h后的纤维部分表面组分消失,这说明热液处理能够溶解纤维表面的可溶性物质㊂经过热液处理后,虽然纤维表面的一些物质(木质素㊁蜡㊁油脂)被去除,但是纤维表面结构没有明显变化且纤维的抗拉强度和弹性模量均有增加[45]㊂392㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷3.3㊀碱处理碱处理(采用NaOH溶液浸泡处理)是最常用于处理植物纤维的方法之一㊂植物纤维表面的蜡㊁果胶以及半纤维素和木质素对碱性溶液敏感,通过碱处理可以去除这些物质[46]㊂碱处理后的植物纤维表面变得粗糙,纤维直径变小带来的纵横比(长/直径)增加使得纤维的有效表面积增大,利于与基体的黏结[47]㊂碱处理去除了植物纤维中部分无定形区(半纤维素和木质素),提高了纤维的结晶度和抗拉强度[48]㊂但是碱处理浓度过大或者处理时间过长会破坏植物纤维的纤维素结构,导致纤维强度下降[49]㊂图9㊀不同浓度NaOH溶液处理后的植物纤维的SEM照片[50]Fig.9㊀SEM images of plant fibers treated with different concentrations of NaOH solution[50]De-Souza等[50]在碱处理对剑麻纤维性能影响的研究中重点关注了碱浓度变化对纤维的影响㊂不同浓度NaOH溶液处理后的植物纤维的SEM照片如图9所示,随着碱浓度的提高,纤维表面变得越来越粗糙㊂第2期姜德民等:植物纤维增强水泥基复合材料面临的问题及相关改性研究现状393㊀与未改性纤维相比,碱处理后的纤维抗拉强度和弹性模量分别提高了42%和237%,且抗拉强度随着碱浓度提高而提高,碱浓度为10%时抗拉强度下降,但仍高于未改性纤维㊂3.4㊀乙酰化处理植物纤维的亲水性主要由纤维内富含的羟基所决定㊂利用乙酰基与植物纤维的亲水性羟基发生酯化反应,可以降低植物纤维的亲水性[51]㊂植物纤维经过乙酰化后,疏水性增强的同时尺寸稳定性也得到了改善㊂由于植物纤维细胞壁的结构致密,酯化剂很难与内部羟基充分接触发生取代反应,可以先采用碱处理法对纤维进行预处理[7]㊂Zaman 等[52]在香蕉束纤维/聚合物的研究中发现碱处理和乙酰化相结合的处理方式能够有效降低纤维的吸水率,对比未改性纤维,改性后的纤维吸水率降低了42%㊂Bledzki 等[53]发现亚麻纤维经过乙酰化后纤维表面变得更加光滑并能观察到细小微纤维的出现,随着乙酰化程度越高,纤维的损伤和开裂也越明显㊂Oladele 等[54]的研究表明植物纤维经过乙酰化处理后抗拉强度提高,但是当乙酰化处理浓度超过4%时,纤维的抗拉强度发生了下降㊂所以对于PFRCC 来说,对纤维进行一定程度的乙酰化处理能够提高复合材料的抗压㊁抗折强度[55-56]㊂3.5㊀硅烷偶联剂处理硅烷作为公认的高效偶联剂已经被广泛应用于复合材料和黏合剂的配方中[57]㊂硅烷分子具有双官能团,可以分别与两相发生反应,因此它们能很好地耦合植物纤维与水泥基材,并在它们之间架起桥梁[58]㊂但是植物纤维中的羟基具有非常低的可及性,与许多化学物质不发生反应㊂在对纤维进行改性处理时,需要先将硅烷放入调节至弱酸性(pH =4~5)的水与乙醇的混合溶液[59]中进行水解以产生更活泼的硅醇基[60],然后再将纤维放入混合溶液中使纤维的羟基与硅醇基发生反应来达到改性目的㊂Koohestani 等[61]指出适合对图10㊀98%硅烷偶联剂喷涂植物纤维的SEM 照片[62]Fig.10㊀SEM images of plant fiber sprayed with 98%silane coupling agent [62]植物纤维改性的硅烷偶联剂用量在1%~5%(占纤维质量),硅烷偶联剂的水解时间㊁硅烷水解溶液的温度和pH 值以及硅烷偶联剂自身的化学性质是影响硅烷处理效果的主要因素㊂硅烷偶联剂也可以直接进行喷涂处理㊂Ban等[62]在对竹纤维改性时,在没有进行硅烷水解的情况下直接将98%(质量分数)的硅烷偶联剂喷涂到纤维上,纤维的SEM 照片如图10所示,所制备的复合材料的拉伸㊁抗压性能相比于未改性对照组均得到提升,但是纤维的吸水率升高,分析原因可能是过量的硅烷与水发生了水解反应㊂4㊀结语与展望1)植物纤维中存在着大量羟基,具有较强的亲水性,这种强吸水性能够导致复合材料发生劣化,影响纤维与水泥基界面的黏结强度㊂2)在水泥基碱性环境下,植物纤维的主要成分纤维素㊁半纤维素和木质素容易发生水解导致纤维发生劣化㊂植物纤维在水泥基碱性环境下还会发生矿化的现象,导致复合材料的脆化㊂3)植物纤维在水泥基碱性环境下的水解产物会阻碍水泥凝结,植物纤维含量越高水泥水化延长越久㊂4)对纤维进行改性处理能够提高复合材料的性能,常用的改性方法有角质化处理㊁热液处理㊁碱处理㊁乙酰化处理和硅烷偶联剂处理㊂5)不同的改性处理对纤维起到的作用不同,总体来说改性处理能够提高纤维密实程度㊁增加纤维表面粗糙度㊁提取纤维中的阻凝成分㊁降低纤维吸水率以及增强纤维与基体界面的黏结等㊂6)目前对于植物纤维的改性主要是使用单一的方法进行改性,采用多种方法复合改性处理的研究较少㊂从改性机理上看,各改性方法侧重的改性作用不同,研究不同改性方法间的协同作用是进一步提高植物纤维性能的关键㊂7)鉴于实际建设工程中环境的复杂性,针对特殊环境下的PFRCC 的研究也应该得到重视以适应更广泛394㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷的施工要求㊂参考文献[1]㊀饶德梅.不同烧成温度和时间对水泥熟料矿物相组成的影响[D].绵阳:西南科技大学,2023.RAO D M.Effect of different sintering temperature and time on mineral phase composition of cement clinker[D].Mianyang:Southwest University of Science and Technology,2023(in Chinese).[2]㊀宋丁豹,蒲诃夫,胡海蓝,等.水平排水板真空预压-碱激发矿渣固化联合法处理高含水率淤泥的试验研究[J/OL].岩石力学与工程学报:1-11[2023-08-31].https:///10.13722/ki.jrme.2023.0040.SONG D B,PU K F,HU H L,et al.Experimental investigation on prefabricated horizontal drain-based vacuum preloading-alkali-activated GGBS solidification combined method for treatment of high-water-content mud slurry[J/OL].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering:1-11 [2023-08-31]./10.13722/ki.jrme.2023.0044(in Chinese).[3]㊀李东升,吴国立,冯思超.纤维增强水泥基复合材料力学性能的研究进展[J].河南科技,2023,42(2):89-92.LI D S,WU G L,FENG S C.Research progress on mechanical properties of fiber reinforced cement-based composites[J].Henan Science and Technology,2023,42(2):89-92(in Chinese).[4]㊀TIAN H,ZHANG Y X.The influence of bagasse fibre and fly ash on the long-term properties of green cementitious composites[J].Constructionand Building Materials,2016,111:237-250.[5]㊀曹双平,王㊀戈,余㊀雁,等.几种植物单根纤维力学性能对比[J].南京林业大学学报(自然科学版),2010,34(5):87-90.CAO S P,WANG G,YU Y,et parison of mechanical properties of different single vegetable fibers[J].Journal of Nanjing Forestry University(Natural Sciences Edition),2010,34(5):87-90(in Chinese).[6]㊀杨㊀玲.改性稻草秸秆水泥基复合材料的性能研究[D].武汉:武汉轻工大学,2020.YANG L.Study on properties of modified rice straw cement-based composites[D].Wuhan:Wuhan Polytechnic University,2020(in Chinese).[7]㊀PRAVEENA B A,BURADI A,SANTHOSH N,et al.Study on characterization of mechanical,thermal properties,machinability andbiodegradability of natural fiber reinforced polymer composites and its applications,recent developments and future potentials:a comprehensive review[J].Materials Today:Proceedings,2022,52:1255-1259.[8]㊀房㊀新.乙酰化稻草的制备及其力学性能研究[D].沈阳:东北大学,2010.FANG X.Preparation and mechanical properties of acetylated rice straw[D].Shenyang:Northeastern University,2010(in Chinese). [9]㊀JIANG D M,AN P H,CUI S P,et al.Effect of modification methods of wheat straw fibers on water absorbency and mechanical properties ofwheat straw fiber cement-based composites[J].Advances in Materials Science and Engineering,2020,2020:1-14.[10]㊀CAMARGO M,ADEFRS T E,ROETHER J,et al.A review on natural fiber-reinforced geopolymer and cement-based composites[J].Materials,2020,13(20):4603.[11]㊀姜㊀欢.稻草纤维生产水泥基泡沫保温墙体材料的研究[D].大连:大连理工大学,2008.JIANG H.Study on the production of cement-based foam thermal insulation wall material with straw fiber[D].Dalian:Dalian University of Technology,2008(in Chinese).[12]㊀杨政险,李㊀慷,张㊀勇,等.天然植物纤维预处理方法对水泥基复合材料性能的影响研究进展[J].硅酸盐学报,2022,50(2):522-532.YANG Z X,LI K,ZHANG Y,et al.Effect of pretreatment method of natural plant fibers on properties of cement-based materials-a short review[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2022,50(2):522-532(in Chinese).[13]㊀ALI-BOUCETTA T,AYAT A,LAIFA W,et al.Treatment of date palm fibres mesh:influence on the rheological and mechanical properties offibre-cement composites[J].Construction and Building Materials,2021,273:121056.[14]㊀ROCHA D L,AZEVEDO A R G,MARVILA M T,et al.Influence of different methods of treating natural açai fibre for mortar in ruralconstruction[J].2021.[15]㊀PAGE J,KHADRAOUI F,GOMINA M,et al.Influence of different surface treatments on the water absorption capacity of flax fibres:rheologyof fresh reinforced-mortars and mechanical properties in the hardened state[J].Construction and Building Materials,2019,199:424-434.[16]㊀CHOKSHI S,PARMAR V,GOHIL P,et al.Chemical composition and mechanical properties of natural fibers[J].Journal of Natural Fibers,2022,19(10):3942-3953.[17]㊀WEI J Q,MEYER C.Degradation mechanisms of natural fiber in the matrix of cement composites[J].Cement and Concrete Research,2015,73:1-16.[18]㊀TOLÊDO F R D,SCRIVENER K,ENGLAND G L,et al.Durability of alkali-sensitive sisal and coconut fibres in cement mortar composites[J].Cement and Concrete Composites,2000,22(2):127-143.[19]㊀BURGERT I,KEPLINGER T.Plant micro-and nanomechanics:experimental techniques for plant cell-wall analysis[J].Journal of ExperimentalBotany,2013,64(15):4635-4649.[20]㊀BAKAR N,CHIN S C,SIREGAR J P,et al.A review on physical,mechanical,thermal properties and chemical composition of plant fibers[J].㊀第2期姜德民等:植物纤维增强水泥基复合材料面临的问题及相关改性研究现状395 IOP Conference Series:Materials Science and Engineering,2020,736(5):052017.[21]㊀ABU G M,ABDELRASOUL pressive and fracture toughness of natural and synthetic fiber-reinforced polymer[M]//Mechanical andPhysical Testing of Biocomposites,Fibre-Reinforced Composites and Hybrid Composites.Amsterdam:Elsevier,2019:123-140. [22]㊀YE Z L,BERSON R E.Factors affecting cellulose hydrolysis based on inactivation of adsorbed enzymes[J].Bioresource Technology,2014,167:582-586.[23]㊀DJAFARI P S R.Physical and mechanical properties of natural fibers[M]//Advanced High Strength Natural Fibre Composites in Construction.Amsterdam:Elsevier,2017:59-83.[24]㊀MWAIKAMBO L Y,ANSELL M P.Mechanical properties of alkali treated plant fibres and their potential as reinforcement materials II.Sisalfibres[J].Journal of Materials Science,2006,41(8):2497-2508.[25]㊀DRIDI M,HACHEMI S,BELKADI A A.Influence of styrene-butadiene rubber and pretreated hemp fibers on the properties of cement-basedrepair mortars[J].European Journal of Environmental and Civil Engineering,2023,27(1):538-557.[26]㊀AZWA Z N,YOUSIF B F,MANALO A C,et al.A review on the degradability of polymeric composites based on natural fibres[J].Materials&Design,2013,47:424-442.[27]㊀ZHOU J W,LIN S T,ZENG H X,et al.Dynamic intermolecular interactions through hydrogen bonding of water promote heat conduction inhydrogels[J].Materials Horizons,2020,7(11):2936-2943.[28]㊀MOHAMMED M,JAWAD A J M,MOHAMMED A M,et al.Challenges and advancement in water absorption of natural fiber-reinforced polymercomposites[J].Polymer Testing,2023,124:108083.[29]㊀METHACANON P,WEERAWATSOPHON U,SUMRANSIN N,et al.Properties and potential application of the selected natural fibers as limitedlife geotextiles[J].Carbohydrate Polymers,2010,82(4):1090-1096.[30]㊀ETALE A,ONYIANTA A J,TURNER S R,et al.Cellulose:a review of water interactions,applications in composites,and water treatment[J].Chemical Reviews,2023,123(5):2016-2048.[31]㊀JONGVISUTTISUN P,LEISEN J,KURTIS K E.Key mechanisms controlling internal curing performance of natural fibers[J].Cement andConcrete Research,2018,107:206-220.[32]㊀BUI H,LEVACHER D,BOUTOUIL M,et al.Effects of wetting and drying cycles on microstructure change and mechanical properties of coconutfibre-reinforced mortar[J].Journal of Composites Science,2022,6(4):102.[33]㊀TOLEDO F R D,DE-ANDRADE S F,FAIRBAIRN E M R,et al.Durability of compression molded sisal fiber reinforced mortar laminates[J].Construction and Building Materials,2009,23(6):2409-2420.[34]㊀JOHN V M,CINCOTTO M A,SJÖSTRÖM C,et al.Durability of slag mortar reinforced with coconut fibre[J].Cement and ConcreteComposites,2005,27(5):565-574.[35]㊀CHOI Y C.Hydration and internal curing properties of plant-based natural fiber-reinforced cement composites[J].Case Studies in ConstructionMaterials,2022,17:e01690.[36]㊀SEDAN D,PAGNOUX C,SMITH A,et al.Mechanical properties of hemp fibre reinforced cement:influence of the fibre/matrix interaction[J].Journal of the European Ceramic Society,2008,28(1):183-192.[37]㊀CHOI H,CHOI Y C.Setting characteristics of natural cellulose fiber reinforced cement composite[J].Construction and Building Materials,2021,271:121910.[38]㊀CLARAMUNT J,ARDANUY M,GARCÍA H J A.Effect of drying and rewetting cycles on the structure and physicochemical characteristics ofsoftwood fibres for reinforcement of cementitious composites[J].Carbohydrate Polymers,2010,79(1):200-205.[39]㊀ARIVENDAN A,JAPPES W,IRULAPASAMY S,et al.Extraction and characterization of natural aquatic plant fiber,powder and ash from waterhyacinth(eichhornia crassipes)as reinforcement of fiber,powder,and ash reinforced polymer composite[J].Journal of Natural Fibers,2022, 19(14):9589-9599.[40]㊀CLARAMUNT J,ARDANUY M,GARCÍA H J A,et al.The hornification of vegetable fibers to improve the durability of cement mortarcomposites[J].Cement and Concrete Composites,2011,33(5):586-595.[41]㊀FERREIRA S R,LIMA P R L,SILVA F A,et al.Effect of sisal fiber hornification on the fiber-matrix bonding characteristics and bendingbehavior of cement based composites[J].Key Engineering Materials,2014,600:421-432.[42]㊀ALI M R,ABDULLAH U H,ASHAARI Z,et al.Hydrothermal modification of wood:a review[J].Polymers,2021,13(16):2612.[43]㊀REZAYATI C P,MOHAMMADI R J,Mohebi B,et al.Influence of hydrothermal treatment on the dimensional stability of beech wood[J].2007,2:125-131.[44]㊀SELLAMI A,MERZOUD M,AMZIANE S.Improvement of mechanical properties of green concrete by treatment of the vegetals fibers[J].Construction and Building Materials,2013,47:1117-1124.[45]㊀NORUL I M A,PARIDAH M T,ANWAR U M K,et al.Effects of fiber treatment on morphology,tensile and thermogravimetric analysis of oilpalm empty fruit bunches fibers[J].Composites Part B:Engineering,2013,45(1):1251-1257.[46]㊀KABIR M M,WANG H,LAU K T,et al.Chemical treatments on plant-based natural fibre reinforced polymer composites:an overview[J].。
水泥基复合材料的应用与研究
水泥基复合材料的应用与研究一、前言水泥基复合材料是指以水泥、矿物掺合料和一定比例的纤维等材料为基础，加入适量的添加剂，通过混合、浇注、压制等工艺形成的一种综合性材料。
它具有高强度、耐磨、耐腐蚀、防火等优良性能，同时还具有良好的耐久性和可持续性，因此在工程建设领域得到了广泛的应用。
二、水泥基复合材料的种类1.纤维增强水泥基复合材料纤维增强水泥基复合材料是指在水泥基材料中加入纤维，使其具有更好的抗拉强度和韧性，常见的纤维有玻璃纤维、碳纤维、钢纤维等。
这种材料广泛应用于建筑、桥梁、路面等工程领域。
2.高性能混凝土高性能混凝土是指在水泥基材料中加入微粉、氧化硅等掺合料，以及控制水灰比等技术手段，使其具有更高的强度、耐久性和抗渗性。
这种材料广泛应用于高层建筑、大型桥梁、隧道等工程领域。
3.自密实混凝土自密实混凝土是指在水泥基材料中加入一定比例的特殊掺合料和添加剂，通过控制水泥胶凝体的形成，使其具有自密实的性能，从而提高了材料的耐久性和抗渗性。
这种材料广泛应用于水利水电、海洋工程等领域。
4.轻质水泥基复合材料轻质水泥基复合材料是指在水泥基材料中加入一定比例的轻质骨料，使其具有更轻的重量和更好的保温性能，常见的轻质骨料有珍珠岩、膨胀珍珠岩、膨胀粘土等。
这种材料广泛应用于建筑、隧道、地道等领域。
三、水泥基复合材料的应用1.建筑领域水泥基复合材料在建筑领域的应用非常广泛，主要包括建筑结构、外墙保温、地面修补等方面。
例如，在建筑结构中，水泥基复合材料可以用于加固和修补混凝土结构，提高其承载能力和抗震性能；在外墙保温中，水泥基复合材料可以用于制作外墙保温板，达到节能减排的效果；在地面修补中，水泥基复合材料可以用于修复地面裂缝和磨损部位，提高地面的使用寿命。
2.交通运输领域水泥基复合材料在交通运输领域的应用也非常广泛，主要包括桥梁、隧道、地铁等方面。
例如，在桥梁中，水泥基复合材料可以用于加固和修补桥梁结构，提高其承载能力和抗震性能；在隧道中，水泥基复合材料可以用于修补和加固隧道结构，提高其使用寿命和安全性；在地铁中，水泥基复合材料可以用于修补和加固地铁隧道结构，提高其使用寿命和安全性。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
湖南工学院材化系
纤维增强水泥基复合材料
1. 定义
纤维增强水泥基复合材料是由水泥净浆、砂浆或
扬长避短
克服单一材料的缺点
产生原来单一材料没有本身所没有的新性能
复合材料
什么是复合材料 (Composition Materials , Composite) ?
湖南工学院材化系
复合材料的定义
复合材料应具有以下三个特点： (1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通 过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明
合成纤维：如尼龙纤维、聚酯纤维、聚丙烯等纤维；
植物纤维：如竹纤维、麻纤维等。
湖南工学院材化系
按其弹性模量的大小可分为
高弹模纤维，如钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等；
低碳模纤维，如聚丙烯纤维、某些植物纤维等。
高弹性模量的纤维主要是提高复合材料的抗冲击性、抗热爆 性能、抗拉强度、刚性和阻裂能力， 而低弹性模量的纤维主要是提高水泥复合材料的韧性、应变
显的界面。
(2)复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最
大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不
具备的优良持殊性能。
湖南工学院材化系
(3) 复合材料具有可设计性，可以按使用要求的性能来 设计和制造新材料。
复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体；而
另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连 续相相比，这种分散相的性能优越，故常称为增强体 (也称为 增强材料、增强相等)。增强材料不仅能提高复合材料的强度 和弹性模量等力学性能，而且能减低收缩率，提高热变形温 度，并在热、电、磁等方面赋予复合材料新的性能。
例如应用在矿山、隧道、铁道、公路路面、工业与民用建
筑、水利水电、防爆抗震和维修加固等工程。
湖南工学院材化系
2.纤维的作用
纤维具有优良的阻裂、强化等作用，不仅可以大大减少 水泥基材料内部原生裂缝，并能有效地阻止裂缝的引发 和 扩展，将脆性破坏转变为近似于延性断裂。
在受荷（拉、弯）初期，水泥基体与纤维共同承受外力
研究的重点和技术应用的难点。
湖南工学院材化系
水泥基复合材料分类
水泥基复合材料在工程材料方面有
纤维增强水泥基复合材料
聚合物增强水泥基复合材料
颗粒增强型水泥基复合材料
湖南工学院材化系
从广义上讲，有机-无机类建筑用复合材料的历史还可 以追溯到更远的年代。
大约在公元前5000年时，人类就开始在黏土中掺加一定
能力以及抗冲击性能等与韧性有关的性能。
湖南工学院材化系
湖南工学院材化系
材料的优缺点组合示意图
湖南工学院材化系
湖南工学院材化系
水泥基复合材料
（1）传统的水泥基材料是以水泥为胶结剂，结合各种集料、 外加组分而形成的水硬性胶凝材料，它包括各类制品和混 凝土。
（2）先进水泥基复合材料是通过组成、结构优化设计，采
用先进技术制备而形成具有优异性能的新型水泥基复合 材料。
湖南工学院材化系
定义 聚合物的选用要求 聚合物应用于水泥混凝土的三种方式
2.聚合物增强水泥基复合材料
聚合物在水泥基复合材料中的作用
聚合物对水泥石的增韧机理 聚合物改性水泥基复合材料的成型工艺
聚合物增强水泥基复合材料的应用
3.颗粒增强型水泥基复合材料
湖南工学院材化系
材料分类：金属、无机非金属、有机高分子材料 各有千秋
抗弯等力学性能，以及抗裂、耐磨等长期力学性
能 ，尤其是高弹性模量的纤维还可以大大增强水
泥基材料的断裂韧性和抗冲击性能，显著提高水
泥基材料抗疲劳性能和耐久性。
湖南工学院材化系
目前的研究已表明，纤维在水泥基体中至少有 以下三个主要的作用。 （1）提高基体开裂的应力水平，即使水泥基体能够 承受更高的应力。 （2）改善基体的应变能或延展性，从而增加它吸收 能量的能力或提高它的韧性。纤维对基体韧性 的 改善往往比较显著，甚至在它对基体的增强 作用小的情况下也是如此。
湖南工学院材化系
（3）普通水泥基材料由于强度低，脆性大、耐久性差的突
出问题，其使用效能受到限制，也难以适应和满足当今社会
发展、科技进步对材料的新要求。 （4）与普通水泥基材料相比，先进水泥基复合材料具有强 度高、韧性好、耐久性好以及性能可设计的优点。
研究和开发新型高性能水泥基材料一直都是本领域科学研 究和创新的主要内容，先进水泥基复合材料正是当前本领域
湖南工学院材化系
（3）能够阻止裂纹的扩展或改变裂纹前进的方 向， 减少裂纹的宽度和平均断裂空间。
对于早期的水泥基材料来说，由于纤维的 存在，阻碍了集料的离析和分层，保证了 混凝土早期均匀的泌水性，从而阻止沉降
裂纹的产生。
湖南工学院材化系
3.纤维的分类
用于水泥基复合材料的纤维种类繁多，按其材料 可分为： 金属材料：如不锈钢纤维和低碳钢纤维； 无机纤维：如石棉纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳纤维
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。
湖南工学院材化系
在水泥基材料中掺入纤维是目前改善水泥基材料向轻质、 高强、高韧性等方向较为有效的方法之一，其逐渐成为一种 新型建筑材料——纤维增强水泥基材料（fiber reinforced cement，FRC）在国内外得到了迅速发展与应用。
水泥基复合材料的研究与发展
朱莉云
湖南工学院材化系
主要内容
复合材料 水泥基复合材料 水泥基复合材料的分类
定义
纤维的作用
纤维的分类
1.纤维增强水泥基复合材料
纤维的选用原则 纤维增强水泥基复合材料的主要研究方向 影响纤维增强效果的因素 纤维增强水泥基复合材料的成型工艺 纤维增强水泥基复合材料的应用
且前者是主要受力者；当基体发生开裂后，横跨裂缝的
纤维称为外力的主要承受着，即主要以纤维的桥联立抵抗 外力作用。
湖南工学院材化系
若纤维的体积掺量大于某一临界值,整个复合材 料可继续承受较高的荷载，并产生较大的变形， 直至纤维被拉断或从基体中拔出，以致复合材 料破坏。
湖南工学院材化系
因此，纤维的加入明显改善水泥基材料的抗拉、