土木工程复合材料及检测技术-纤维增强水泥基复合材料

第三章 纤维增强水泥基复合材料 纤维增强水泥基复合材料，是在水泥基材料基体中均匀分散一定比例的特定纤维，使水泥基材料的韧性得到改善，抗弯性和抗压比得到提高的一种水泥基复合材料。 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地方法之一，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。 DateFree template from 纤维增强无机脆性材料的发展简史一千多年前：古人用掺有稻草的粘土制作日光下自然干燥的砖块，古罗马人将剪短的马鬃毛掺于石膏或石灰中。20世纪初，奥地利人 Hatschek用石棉水泥悬浮液在经改装的圆网造纸机上制成高强薄壁的石棉水泥板、瓦。20世纪5060年代，前苏联探索用无碱玻璃纤维增强石膏矾土水泥砂浆，失败1963年美国Romualdi首次发表“纤维阻裂机理”，促进了钢纤维增强混凝土的开发。20世纪60年代中期，美国进行了用尼龙、聚丙烯与聚乙烯等合成纤维增强水泥砂浆的探索。20世纪70年代，英、日等国研制了碳纤维、芳纶纤维增强水泥玻璃纤维受水泥水化物侵蚀DateFree template from 20世纪80年代，若干发达地区限制或停止使用石棉水泥制品，美国大力开发合成纤维。 20世纪80年代以来，不少国家研究用本国盛产的植物纤维作为水泥砂浆或混凝土的增强体，以制造低价的建材制品。20世纪90年代起，混合（混杂）纤维增强水泥基材料与高性能纤维增强水泥基复合材料的研制与开发成为纤维增强水泥基材料的发展重点。注意脱糖、防腐DateFree template from 二、纤维的选用原则纤维的强度和弹性模量都要高于基体。纤维与基体之间要有一定的黏结强度，两者之间的结合要保证基体所受的应力能够通过界面传递给纤维。纤维与基体的热膨胀系数比较接近，以保证两者之间的黏结强度不会在热胀冷缩过程中被削弱。纤维与基体之间不能发生有害的化学反应，尤其不能发生强烈的反应，否则会引起纤维性能的降低而失去强化作用。纤维的体积率、尺寸和分布必须适宜。DateFree template from 三、纤维种类：1.钢纤维：一般为低碳钢，特殊情况可以不锈钢DateFree template from DateFree template from 2.合成纤维：聚丙烯纤维、尼龙纤维、聚氨酯纤维、芳纶纤维DateFree template from 3.碳纤维：高强度、高弹性模量DateFree template from 碳纤维加固施工图DateFree template from 4.玻璃纤维：应使用专门的耐碱玻璃纤维 5.其他纤维：如各种植物纤维DateFree template from 四、水泥基材料中掺入纤维的作用：阻裂、增强、增韧 1、阻裂：混凝土材料开裂往往是在约束作用下混凝土自身体积变形产生的应力大于材料本身的抗拉强度而导致的。 水泥基体在浇筑后24小时内抗拉强度极低，若处于约束状态，当其所含的水分蒸发以及温度变化，产生了一系列的收缩：塑性收缩、化学收缩、干燥收缩、自收缩、温度收缩等。 由于收缩生成大量裂缝，均匀分布于水泥基体中的纤维可承受因收缩而引起的拉应力，从而阻止或减少裂缝生成。当水泥硬化后，若仍处于约束状态，因周围环境温度与湿度的变化而使干缩引起的拉应力超过其抗拉强度时，也极易生成大量裂缝，此情况下纤维也可阻止或减少裂缝的生成。 纤维不仅可以大大减少水泥基材料内部的原生裂缝并能有效阻止裂缝的引发和扩展，变脆性破坏为近似于延性断裂。DateFree template from 纤维增强水泥基复合材料中纤维的阻裂机制图中一条裂缝由左向右扩展，纤维与裂缝扩展方向正交。纤维可以按以下几种方式吸收裂缝扩展所释放的能量并阻止其向前延伸与扩展：纤维达到其抗拉强度而断裂,使复合材料抗拉强度得到提高；纤维从基体中拔出，使复合材料延性有所提高；纤维跨越裂缝承受拉应力，虽然基体开裂，复合材料仍有一定的承载能力和较高的延性；纤维与基体发生脱粘；纤维制止了裂缝的进一步延伸，多处产生若干微细裂缝，即所谓的“基体多点开裂”。DateFree template from 2、增强：在在受荷初期水泥基体和纤维共同承受外力，且前者是主要受力者；当基体发生开裂后横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者，即主要以纤维的桥联力抵抗外力作用。 DateFree template from 3、增韧：当纤维的体积掺量大于某一临界值，整个复合材料可以继续承受较高的荷载，并产生较大变形，直至纤维被拉断或从基体中拔出，以致复合材料破坏。因此纤维的加入能有效的提高水泥基复合材料的抗拉、抗弯、抗剪等力学性能，明显改善水泥基复合材料的抗冻性、抗渗性、抗裂性、耐磨性和抗冲击性。 混凝土的断裂能和韧性可用荷载-挠度曲线下的面积表示。DateFree template from 五、纤维的粘结性能与表面处理 1、黏结性能：对于纤维增强材料，其力学性能不仅取决于纤维和水泥基材料的性质，而且还取决于它们间的黏结，水泥基体和纤维之间的界面层对两者的黏结强度有很大影响。纤维与普通硅酸盐水泥基体间界面层微结构示意图双层膜：厚度13m，主要是CSH和CHCH高集区：CH大量集中，且有明显取向性多孔区：主要是CSH，含有大量凝胶孔 为提高纤维与水泥基体的黏结强度，必须尽可能减少界面层的厚度，尤其是CH高集区和多孔区。DateFree template from 2、影响纤维与水泥基体界面黏结性能的因素纤维类型： 一般而言，纤维抗拉强度均高于水泥基体抗拉强度的两个数量级。高弹性模量的合成纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维等，与基体有着较高的弹性模量比值，当纤维与水泥基体联合受力时，有利于应力从基体向纤维的传递，从而有效地抑制裂缝的扩展，增大黏结强度；同时弹性模量高的纤维一般又都具有较小的泊松比，在拔出过程中纤维不易发生伸长变形。DateFree template from 纤维长度与长径比：当使用连续的长纤维时，因纤维与水泥基的粘结较好，故可充分发挥纤维的增强作用。当使用短纤维时，其长度和长径比必须大于它们的临界值，纤维增强、增韧以及阻裂效果较为明显。因为在相同的黏结强度下，长径比大的纤维与基体接触面积也大，从而提高黏结性能： a：若纤维的实际长径比小于临界长径比，则复合材料破坏时，纤维由水泥基体中拔出而破坏。b:若纤维的实际长径比等于临界长径比，只有基体的裂缝发生在纤维中央时纤维才能拉断，否则纤维短的一端将从基体中拔出。c:若纤维的实际长径比大于临界长径比，则复合材料破坏时纤维可拉断。则复合材料破坏时在工程中应选择合适的长径比，长径比太小，由于接触面积小，纤维易于从基体拔出；长径比太长，易导致纤维拌合不均匀，工作性下降。纤维的临界长度与其直径的比值 DateFree template from 纤维的体积率：单位体积的纤维增强水泥基复合材料中纤维所占的体积分数。用各种纤维制成的纤维增强水泥基材料具有一临界纤维体积率，当纤维的实际体积率大于临界体积率时，复合材料的抗拉强度才得以提高。 如采用定向连续纤维，纤维与水泥基体的黏结较好，则用钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维制的纤维增强水泥基复合材料的临界纤维体积率分别为：0.31%、0.40%与0.75%。若使用非定向的短纤维，纤维与水泥基体的黏结又不够良好时，临界体积率要相应增大。DateFree template from 纤维取向a.当所有连续纤维沿着应力方向排列时，纤维利用率最大，效率系数为1。b.短纤维在平面上呈二维乱向分布时，纤维总的利用效率取决于所有纤维是否存在一定的取向性。当它们随意分布时，利用效率低，效率系数仅为0.38；当它们有一定的取向倾向时，利用率可提高到0.76。C.当连续纤维在二维平面上分别沿着两个正交方向作定向排列时，沿这两个方向纤维的效率系数均可达到1.0。这种情况通常使用纤维网格布。d.当短纤维呈三维乱向分布时，纤维利用率最低，效率系数仅为0.170.20。DateFree template from 三维乱向分布DateFree template from 纤维形状：纤维截面形状、外形、表面粗糙度及表面质量对黏结性能影响很大。纤维取向纤维形式效率系数一维定向连续纤维1.0二维乱向短纤维0.380.76二维定向连续纤维（网格布）各向1.0三维乱向短纤维0.170.20DateFree template from 3.改善纤维基体黏结性能的措施（有机合成纤维） 对纤维表面进行处理： 宏观处理：改善纤维表面形状，增大与基体接触面积，增大两者摩擦力。 微观处理：对纤维表面进行深度处理，增大纤维比表面积和粗糙度，改善纤维可湿性和化学性能。 机械密实：对纤维进行机械密实加工，使其表面粗糙、增大弹性模量。 界面改性偶联剂 偶联剂是一类具有两种不同性质官能团的物质，它们分子中的一部分 官能团可与有机分子反应，另一部分官能团可与无机物表面的吸附水应， 从而使无机与有机界面实现化学键接，形成牢固的黏合。 最常用的偶联剂：硅烷偶联剂，能对有机材料和无机材料界面进行有效改性，实现复合材料物理和化学性能及耐久性的显著提高。DateFree template from 碳纤维增强MDF水泥SEM照片DateFree template from DateFree template from 纤维增强水泥与纤维增强混凝土的对比对比项纤维增强水泥纤维增强混凝土水泥基体水泥净浆或砂浆混凝土纤维长度短纤维、长纤维、纤维织物或短纤维与长纤维（或纤维织物）并用短纤维纤维体积率320%0.052%复合材料的制备采用专门的工艺与装备一般采用混凝土的工艺与装备复合材料的物理、力学性能有显著的改进或提高，尤其是力学性能某些性能无影响，某些性能有适度改进或提高适用范围主要用于制作薄壁（厚度320mm）的预制品主要用于现浇构件或构筑物DateFree template from 六、碳纤维增强水泥（carbon fibre reinforced cement, CFRC） 碳纤维是一种含碳量90%以上的纤维状无机碳化合物，具有抗拉强度高、弹性模量高、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、导电性好、热膨胀系数小等特性。（一）原材料1.水泥：等级不低于42.5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。2.矿物细掺料：有助于碳纤维的均匀分散。包括：石英粉（560m）、硅灰（比表面不小于20m2/g）、细磨高炉矿渣粉（比表面积不小于7000cm2/g）3.细集料：石英砂或轻砂（dmax=2mm）4.表面活性剂：使纤维能均匀分布于水泥基体中，如甲基纤维素、羧甲基纤维素等5.沥青基碳纤维 6.早强剂、减水剂等DateFree template from （二）配合比 例：碳纤维体积率：0.52.0%， 纤维长度：312mm， 纤维直径14.5m， 石英粉/水泥（质量比）0.40.5， 硅灰/水泥（质量比）0.4， 水胶比0.4， 甲基纤维素掺量（水泥质量）0.4%， 高效减水剂掺量（水泥质量）3.5%。DateFree template from （三）制作工艺1.搅拌：应选用专门的搅拌机，如无叶片的柔性搅拌机。一般是先将水泥、矿物细掺料、细集料、纤维等在搅拌机内干拌1530秒，再加水搅拌12min。 在搅拌过程中不可避免地会发生断裂，CFRC的抗折强度主要取决于碳纤维水泥拌合物中纤维的实际长度，而并不是纤维的原始长度。总的趋势是纤维拌合料中碳纤维的平均长度愈大，则CFRC的抗折强度也越高。2.CFRC的成型可以采用直接浇注、压制、挤出等工艺。3.CFRC的养护可以采用空气养护、蒸汽养护、热水养护，由于碳纤维的耐热性及耐碱性均较好，还可采用蒸压养护，如在蒸压釜中经177180，8h的水热处理后，可获得较高的强度，同时还有利于降低制品的干缩率并防止表面泛霜等。DateFree template from （四）性能1、物理性能碳纤维水泥拌合物的流动性：随着纤维体积率的增大和长度的增加而明显下降。DateF