玻璃纤维增强水泥研究

玻璃纤维增强水泥研究（精选10篇）

玻璃纤维增强水泥研究 篇1

0前言

纤维混凝土由于具有较高的强度、力学性能稳定等优点[1,2,3],被广泛应用于市政、桥梁、海洋、地下、道路、水利及军事防护等工程,在我国城市化建设进程中发挥了不可替代的重要作用。然而,我国大规模的基础工程建设为其发展带来机遇的同时也带来了挑战:一方面,目前针对FRCC的研究方式较单一,对混杂FRCC断裂性能的研究较少[4,5,6,7];另一方面,随着我国大规模工程建设的不断推进,超高层、超大体积以及超大跨径等新型混凝土结构不断出现,对水泥基材料的性能和功能提出了新的、更高的要求[8,9]。此外,基于断裂力学,材料的断裂能和断裂韧度是衡量材料断裂性能的重要指标,是描述材料对裂纹扩展阻力大小的参数,它们的大小标志着材料裂纹扩展的难易程度[10]。因此,本文通过缺口梁的三点弯曲试验,研究了纤维对混杂FRCC断裂性能的影响,可为以后混杂FRCC断裂性能的研究提供一定的理论依据。

1 试验概况

1.1 原材料

水泥:P·O 42.5级普通硅酸盐水泥,其性能符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》[11]要求。

粉煤灰:南京某电厂生产的Ⅰ级粉煤灰,其性能符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[12]要求。

石英砂:中粗石英砂,细度模数为2.8,粒径为0.3~1.0mm。

减水剂:采用DC-WR2聚羧酸高性能减水剂。

纤维:SE纤维采用超细、高强SE纤维,见图1(a);合成纤维采用聚丙烯纤维(PP),见图1(b)和聚乙烯醇抗裂纤维(PVA),见图1(c)。三种纤维的物理力学参数见表1。

1.2 试验配合比

根据混杂FRCC断裂性能对比试验要求,依据高性能水泥基复合材料理论[13],本文的缺口梁三点弯曲试验设计了12组配合比,具体配合比如表2所示。其中,系列Ⅰ为参照配合比,PC为素水泥基材;系列Ⅱ用于研究纤维比例对SE-PP混杂FRCC断裂性能的影响;系列Ⅲ用于研究纤维比例对SE-PVA混杂FRCC断裂性能的影响。由于每组配合比的用水量是设计确定的,故根据拌合物的和易性调节减水剂用量。

2 断裂能及断裂韧度计算方法

2.1 断裂能计算方法

断裂能的计算方法采用DL/T 5332—2005《水工混凝土断裂试验规程》[14]规定所给公式:

式中:GF为断裂能;W0为荷载挠度全曲线的面积;m为两支座间试件的质量;δ0为挠度;Alig为梁的韧带净面积。

2.2 断裂韧度计算方法

断裂韧度采用由ASTM建议的公式[15]计算:

注:S代表SE纤维,A代表PVA纤维,P代表PP纤维,即:S1.0A0.5表示SE纤维体积率为1.0%,PVA纤维体积率为0.5%。

式中:S、h、t、a0分别为试件跨度、高度、厚度和初始缝长;Pmax为试验测得的最大荷载。

3 试验结果分析

由式(1)和式(2)可计算得出各配合比的断裂韧度与断裂能,计算结果见表3。

由表3可以看出,相对于素水泥基材,混杂FRCC的断裂能和断裂韧度均得到大幅度的提升。由此可知:纤维的掺入显著提高了水泥基材的断裂性能。这是由于裂缝前端纤维咬合区的存在增大了裂缝扩展的阻力,使混杂FRCC裂缝的扩展需要吸收更多的能量,故断裂性能得到了显著的提升。

3.1 纤维比例对混杂FRCC断裂性能的影响

(1)纤维比例对混杂FRCC断裂能的影响

图2为不同比例的SE与PP混杂FRCC的断裂能;图3为不同比例SE与PVA混杂FRCC的断裂能。

由图2和图3可以看出,在纤维总体积率为2%的条件下,混杂FRCC的断裂能随SE与PP、PVA纤维比例的提升呈抛物线趋势,且在SE纤维与两种合成纤维的混杂比例为2:1时达到峰值;此外,混杂FRCC的断裂能均小于相同纤维总体积率的SE-FRCC。由此可知,SE纤维对混杂FRCC断裂能的影响起主导作用。

(2)纤维比例对混杂FRCC断裂韧度的影响

图4为不同比例SE与PP混杂FRCC的断裂韧度;图5为不同比例SE与PVA混杂FRCC的断裂韧度。

由图4和图5可以看出,混杂FRCC的断裂韧度随SE纤维与PP纤维比例的提升呈抛物线趋势;随SE纤维与PVA纤维比例的提升在整体上呈上升趋势;在纤维总体积率相同的条件下,两种混杂FRCC的断裂韧度均小于SE-FRCC。由此可知,SE纤维对混杂FRCC断裂韧度的影响起主导作用。

3.2 纤维类型对混杂FRCC断裂性能的影响

图6为纤维总体积率为2.0%时,纤维类型对混杂FRCC断裂性能的影响。

从图6可以看出,SE-PP混杂材料的断裂韧度及断裂能在整体上均高于SE-PVA混杂材料,这表明对于混杂FRCC来说,PP纤维对材料断裂韧度及断裂能的增强效果要优于PVA纤维。这可能是因为在试件破坏过程中,PP纤维表现为界面拔出破坏,不同于被拉断的PVA纤维,因此,在基体发生破坏时,除了SE纤维的桥接作用,横跨裂缝的PP纤维在被拔出过程中,增大了裂缝开展的阻力,所以,PP纤维对混杂FRCC断裂性能的提升效果优于PVA纤维。

4 结论

(1)纤维的掺入可显著提高水泥基材的断裂能与断裂韧度;在纤维总体积率一定的条件下,SE-FRCC的断裂性能优于混杂FRCC。

(2)混杂FRCC的断裂能随SE与PP、PVA纤维比例的提升呈抛物线趋势;断裂韧度随SE与PP纤维比例的提升呈抛物线趋势,随SE与PVA纤维的提升而提升。

(3)PP纤维对混杂FRCC断裂性能的提升能力优于PVA纤维;SE纤维对混杂FRCC断裂性能的提升起主导作用。

玻璃纤维增强水泥研究 篇2

摘 要：碳纤维增强树脂基复合材料以其优异的综合性能成为当今世界材料学科研究的 重点。本文介绍了的碳纤维增强复合材料的性能，简述了增强机理、成型工艺及其应用领 域和发展趋势。

新材料的研究、发展与应用一直是当代高新技术 的重要内容之一。其中复合材料，特别是先进复合材料 在新材料技术领域占有重要的地位，对促进世界各国 军用和民用领域的高科技现代化，起到了至关重要的 作用，因此近年来倍受重视。

复合材料(Composite materials)，是以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。【1】

碳纤维增强复合材料(CFRP)是目前最先进的复合 材料之一。它以轻质高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能 优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料，而这些优 异的性能可使碳纤维成为一种十分良好的增强材 料。目前，碳纤维大部分应用于碳纤维增强树脂基 复 合 材 料（Carbon Fiber Reinforced Polymer Composite，简称CFRP）。是其它纤维增强复合材料所无法比拟的。因为环氧树脂的热机械 性能、抗蠕变性能、粘接性能优异而且吸湿性好； 固化收缩率和线膨胀系数小；固化温度较低；较高 温度下稳定性好；尺寸稳定性、综合性能好[2]；而 且又与有机材料的浸润性能好等优点，所以近年来 应用最多的就是碳纤维增强环氧树脂复合材料。目 前为止，CFRP 可以应用于航空、航天，体育用品，交通工具，建筑材料等多个领域。无论是军用还 是民用，随着研究的不断深入和工厂的大规模生产，其应用领域更为广阔。

碳纤维增强树脂基复合材料的性能【10】

碳纤维增强树脂基复合材料具有一系列的优异性能, 主要表现在以下几个方面。

（1）具有高的比强度和比模量。CFRP的密度仅为 钢材的 1/5，钛合金的 1/3，比铝合金和玻璃钢（GFRP）还轻，使其比强度（强度 / 密度）是高强度钢、超硬铝、钛合金的4倍左右，玻璃钢的2倍左右；比模量（模量/ 密度）是它们的3倍以上。CFRP轻而刚、刚而强的特性 是其广泛用于宇航结构材料最基本的性能。

（2）耐疲劳。在静态下，CFRP 循环 105 次、承受 90%的极限强度应力时才被破坏，而钢材只能承受极 限强度的 50%左右。对于碳纤维增强树脂基复合材 料，在应力作用下呈现粘弹性材料的疲劳特性，显示出 耐疲劳特性。CFRP呈现出良好的抗蠕变性能，这可能 与碳纤维的刚性有关。

（3）热膨胀系数小。碳纤维的热膨胀系数α具有 显著的各向异性，使其复合材料的α也具有各向异 性。

（4）耐磨擦，抗磨损。CFRP 有优良的耐疲劳特 性、热膨胀系数小和热导率高的特性，具耐磨擦、抗磨 损的基本性能。再加之碳纤维具有乱层石墨结构，自 润滑性好，适用于摩擦磨损材料。比磨耗量可用以下 三式表示。

Wr=KLª

a=(b+2)/ 3

N=（So /S）/ b

式中Wr 为比磨耗量； K为比例常数； S为循环作 用的应力； So 为材料的拉伸强度； N为断裂时的循环次 数。CFRP具有高的拉伸强度，是优良的摩擦材料。

（5）耐蚀性。碳纤维的耐蚀性非常优异，在酸、碱、盐和溶剂中长期浸泡不会溶胀变质。CFRP 的耐蚀性 主要取决于基体树脂。长期在酸、碱、盐和有机溶剂环 境中，刻蚀、溶胀等使其变性、腐蚀，导致复合材料性能 下降。

（6）耐水性好。碳纤维复合材料的耐水性好，可长 期在潮湿环境和水中使用。一般沿纤维方向(0°)的强度 保持率较高，垂直于纤维方向(90º)的保持率较低。这可 能与基体树脂的吸湿、溶胀有关。

（7）导电性好。碳纤维具有导电性能。对于 CFRP 导电性能来自碳纤维，基体树脂是绝缘体。因此，CFRP 的导电性能也具有各向异性。

（8）射线透过性。CFRP对 X射线透过率大，吸收 率小，可在医疗器材（如 X光机）方面应用。增强机理 碳纤维增强树脂基复合材料是以聚合物为基体(连续相)，纤维为增强材料(分散相)组成的复合材料。纤维材料的强度和模量一般比基体材料高得多，使它 成为主要的承载体。但是必须有一种粘接性能好的基 体材料把纤维牢固地粘接起来。同时，基体材料又能起到使外加载荷均匀分布，并传递给纤维的作用【11】。

这种复合材料的特点是，在应力作用下，使纤维的 应变与基体树脂的应变归于相等，但由于基体树脂的 弹性模量比纤维小得多，且易塑性屈服，因而当纤维和 基体处在相同应变时，纤维中的应力要比基体中的应 力大得多，致使一些有裂口的纤维先断头，然而由于断 头部分受到粘着它的基体的塑性流动的阻碍，断纤维 在稍离断头的未断部分仍然与其周围未断纤维一样承 担相同的负荷。复合增强的另一原因是基体抑制裂纹 的效应，柔软基体依靠切变作用使裂纹不沿垂直方向 发展而发生偏斜，导致断裂能有很大一部分用于抵抗 基体对纤维的粘着力，从而使银纹在 CFRP 整个体积 内得到一致，而使抵抗裂纹产生、生长、断裂以及裂纹 传播的能力都大为提高。因此，CFRP的力学性能得到 很大的改善和提高【12】。实验部分

1.1 实验原料

碳纤维（12K/T-300）：台湾台塑厂；环氧树脂 E51：星辰化工无锡树脂厂；固化剂：二乙烯三胺（DETA）分析纯，国药集团化学试剂有限公司；活 性稀释剂：市售。

1.2 实验仪器及设备 电子天平：H10KS，上海仪器总厂；电热恒温 鼓风干燥箱：DHG-9030 型，上海精密实验设备有 限公司；搅拌器：DF-1 型，荣华仪器制造有限公 司；模具：自制。

1.3 复合材料的制备

（1）将碳纤维干燥，条件为：150 ℃/2 h；（2）按规定配比配制树脂胶液；

（3）采用手糊成型工艺制作层合板，并固化，固化条件为 100 ℃/3 h + 150 ℃/2 h；

（4）用万能制样机切割标准样条；

其中制作的层合板长宽为 200 mm×200 mm，厚度为 5 mm 的方形板材，基体树脂每层用量为 20 g，碳纤维每层平铺，一共为 8 层，层与层之间的碳 纤维丝束成十字交叉排列。

试验结果与讨论

2.1 碳纤维含量对硬度的影响 显微硬度试验结果示于图 1。可以看出, 随着 碳纤维含量的增加, 试样的硬度呈现 S 形增加趋 势, 增加幅度由小到大又由大到小。碳纤维是脆性 材料, 具有高的强度和比模量, 所以加入碳纤维能提 高试样的硬度[ 5]。基体是树脂材料, 其硬度较低, 当 碳纤维含量较低时, 由于在基体中较分散, 所以对显 微硬度的贡献较小;当碳纤维含量> 10%, 碳纤维的 作用变的非常明显, 所以硬度有较大幅度的增加;但 是, 当碳纤维含量> 25% , 碳纤维的增强作用逐渐达 到饱和, 硬度的增加速度开始下降。总之, 碳纤维的 加入对硬度的提高非常明显。

图y为不同碳纤维含量样品的电导率。从中可 以看出, 当碳纤维含量< 10%时, 电阻随纤维含量的 增加急剧下降;当碳纤维含量> 10%时, 体积电阻的 变化趋于平缓, 电阻值的下降与碳纤维含量的增加 并不成正比, 有一个渗滤阀值, 这个渗滤阀值约为 15%。这表明, 碳纤维/ 酚醛树脂复合体系在碳纤维 含量为 15%以上, 试样具有一定的导电性能[ 6]。

上述结果可用以下理论解释, 当复合体系中导 电填料的含量在达到一个临界值前, 其电阻率急剧 下降, 在电阻率导电填料含量曲线上出现一个狭窄 的突变区域。在此区域内, 导电填料含量的任何细 微变化均会导致电阻率的显著改变, 这种现象通常 称为渗滤现象, 导电填料的临界含量称为渗滤阀值。在突变区域之后, 即使导电填料含量继续提高, 复合 材料的电阻率变化甚小, 这反映在突变点附近导电 填料的分布开始形成导电通路网络。导电高分子材 料的导电现象是由导电填料的直接接触和填料间隙 之间的隧道效应的综合作用产生的;或者说是由导 电通道、隧道效应和场致发射三种导电机理竞相作 用的结果。在低导电填料含量及低外加电压下, 导 电粒子间距较大, 形成链状导电通道的几率极小, 这 时隧道效应起主要作用;在低导电填料含量和高外 加电压时, 场致发射理论变得显著;在高导电填料含 量下, 导电粒子的间距小, 形成链状导电通道几率较 大, 这时导电通道机理的作用明显增大[ 7]。

碳纤维含量对耐磨性的影响

试样磨损完毕后, 每个试样磨损前、后的质量磨 损量与碳纤维含量的关系如图 3 所示。从图 3 可以 看出, 随着碳纤维含量的增加, 复合材料的磨损率下 降、耐磨性能提高, 且提高程度随着碳纤维含量的增加而减小, 最后趋于不变。

综上所述，碳纤维增强树脂基复合材料品种结构 变化繁多，加工成型技术不断更新，基础理论研究方兴 未艾，应用领域相当广泛，这些事实充分证明了这一材料在工程塑料中的领先地位。随着基础研究和应用研 究的不断深入，该材料在取代金属、节约能源、特殊专 用等方面将发挥独特的作用，其巨大的潜力必将得到 进一步挖掘。

总结碳纤维复合材料的现实应用有以下几个方面: 4.1 航空航天领域的应用[13] 碳纤维复合材料与钢材相比其质量减轻 75%，而 强度却提高 4 倍，其最早最成熟的应用当属在航空航 天领域，如军用飞机、无人战斗机及导弹、火箭、人造卫 星等。早在 1970 年代初期，美国军用 F-14 战斗机就部 分采用碳纤维复合材料作为主承力结构。在民用航空 领域，如波音 767 和空中客车 A310 中，碳纤维复合材 料也占到了结构质量的 3%和 5%左右。近几年随着碳 纤维工业技术和航空航天事业的不断发展，碳纤维在 这一领域的应用更加广泛，如用于制造人造卫星支架、卫星天线、航天飞机的机翼、火箭的喷焰口、战略导弹 的末级助推器、机器人的外壳等。

4.2 体育休闲领域的应用 体育休闲用品是碳纤维复合材料应用的另一个重 要领域，如高尔夫球杆、滑雪板、滑雪车、网球拍、钓鱼 竿等。用碳纤维复合材料制成的球拍与传统的铝合金 球拍相比，其质量更轻、手感和硬度更好、对震荡和振 动的吸收也更好，且使用寿命大大延长。同时由于复合 材料本身的可设计性，使得制造商在球拍的硬度、弹 性、球感、击球性能的设计上，有了更大的想象空间。而 碳纤维钓鱼竿由于其良好的韧性与耐用性，更是被广 泛青睐。近年来，碳纤维复合材料在运动及休闲型自行 车零组件方面的应用也非常广泛。

4.3 交通运输领域 碳纤维增强复合材料在交通运输方面主要是汽车 骨架、螺旋桨芯轴、轮毂、缓冲器、弹簧片、引擎零件、船 舶的增强材料等，尤其在汽车方面的应用更是潜力巨 大。早在 1979 年，福特汽车公司就在实验车上作了试 验，将其车身、框架等 160 个部件用碳纤维复合材料制 造，结果整车减重 33%，汽油的利用率提高了 44%，同 时大大降低了振动和噪音。

4.5 其他工业领域 防弹产品方面，包括防弹头盔、防弹服、防弹运钞 车和防弹汽车等；电子工业方面，包括各种反射面天 线、印刷电路板、壳架等；生物工程和人体医学方面，包括人造关节、骨骼、CT扫瞄床板等；地铁车辆、发热 材料和电热用品以及机械制造工业等复合材料产品 多种多样，层出不穷，充分体现了其应用多元化的趋 势和特点。

【1】360百科

［2］ 张金祥．新型 BMI/环氧树脂共固化体系的研究[D].大连：大连理 工大学，2011．

玻璃纤维增强水泥研究 篇3

关键词：纤维增强复合材料；加固木梁；研究

一、背景和意义

中国传统木结构建筑是中国古代流传下来的建筑，它继承了中国文化几千年的主流，继承了中国民族的优良传统，具有历史、艺术和科学价值。但是由于环境侵蚀、时间久远等多方面影响，许多的木结构古建筑损坏得较严重，都亟待修复，而且还要保持原来的风貌。随着政府对文物历史维护的重视，古建筑的加固技术也得到了进一步的研究和加强。

近年来，专家学者研究和应用碳纤维复合材料的加固技术呈现快速增长的态势。由国内外的实验研究、工程实践的经验，纤维增强复合材料加固古木结构的关键在于碳纤维布的用量、种类以及与木材间的粘结性能。

随着科学技术的发展，以及新的材料广泛应用，FRP（纤维增强复合材料）的特性：强度高，便于施工，耐蚀性，防火性，几何可塑性，易于剪裁。用于粘贴在木结构的表面，加强木结构的强度，对于古建筑加固有着相当重要的意义。

二、国内外研究现状

上世纪90年代，科学家开始研究碳纤维布来加固木梁。Plevris和Triantafillou[1]把冷杉木梁用碳纤维加固的试验，并分析了buchanan的本构关系模型。Johns和Lacroix[2]用各种类型的碳纤维和玻璃纤维来进行加固木梁的试验，发现加固后的木梁的强度比未加固前提高40%-70%，说明用纤维材料加固可以有作用地改善木梁的受力性能。在国内，许清风等把碳纤维布贴在旧木梁的各个侧面，进行抗剪试验，因为古建筑建成已近80年，木梁损坏严重，由于边缘木木节发生弯曲破坏，使试验结果有较大离散，但木梁本身承载力和刚度有显著提高。

三、研究内容

研究内容是提供一种成本低，能延长梁体使用寿命，同时满足古建筑“修旧如旧，不改变古建筑原貌”的原则的纤维增强复合材料的加固木梁。

如图1所示，本纤维增强复合材料的加固木梁包括梁体1，为了能延长梁体的使用寿命，在梁体1上沿其轴向方向上设有碳纤维布2，本实施例的碳纤维布2层数为1～2层，其次，本实施例的碳纤维布2厚度为0.10cm。本实施例从根本上解决了梁体的承载力、刚度和耐久性较差等问题，满足对古建筑“修旧如旧，不改变古建筑原貌”的原则，易于推广应用。而且还延长了梁体的使用寿命。具体地说，本实施例的碳纤维布2通长包裹在所述的梁体1上。其次，碳纤维布2通过粘性材料固定在梁体1上。优化方案，这里的粘性材料为浸润树脂。

1：梁体 2：碳纤维布

如图2所示，本图同图1的结构及原理基本相同，不一样的地方在于：所述的碳纤维布2固定在所述梁体1的底面上。

1：梁体 2：碳纤维布

施工流程及应注意的事项：

a.表面处理：由于使用的碳纤维片材，以改善设计元素应该确定，以便在衬底的状态的目的，以确保其对从织物结构体的表面传递载荷的能力。b.在底层滚涂上TH-505碳纤维底胶，并注意要把胶均匀，厚度一致，再弹墨线。c.然后再将TH-505碳纤维浸润胶用滚涂法，均匀地涂在木材梁粘结面上，所使用的纤维浸润胶的用量须充足而且要饱满。d.把成卷的碳纤维布按照所设计的尺寸，进行仔细地裁剪，粘贴在木材梁涂胶面，所粘贴的碳纤维布要平整、光滑，并无褶皱处。e.使用硬橡胶棍、塑料刮板对木材梁与碳纤维布粘接处进行反复碾压，使粘接处的碳纤维布平整、光滑、无小气泡，并且粘合剂充分渗透到木材处。f.最后在木材面的碳纤维布上滚涂浸润树脂，使浸润树脂充分覆盖在碳纤维布的表面，确保树脂充分浸渍在碳纤维布的纤维之中。

玻璃纤维增强水泥研究 篇4

为了能够对玄武岩纤维的发展有较深入的研究, 本文从不同角度综述了玄武岩纤维复合材料的研究进展, 重点介绍了其在水泥基材料中的应用进展。

1 玄武岩纤维力学与物理性能

玄武岩纤维的抗拉强度为3800~4800 MPa, 是金属的2~2.5倍, 是E型玻璃纤维的1.4~1.5倍, 比大丝束碳纤维、芳纶、PBI纤维、硼纤维、氧化铝纤维都要高, 与S玻璃纤维相当[4]。

玄武岩纤维具有良好的介电性能。它的体积电阻率比E玻璃纤维高1个数量级。玄武岩纤维还具有比玻璃纤维高的电绝缘性和对电磁波的高透过性。镀镍或镀铜之后的玄武岩纤维具有防电磁辐射的特性[5,6]。此外, 如果在玄武岩纤维的表面通过磁性材料进行适当的修饰, 其吸收微波的能力将大大增强[7]。因此, 采用玄武岩纤维制造高压电绝缘材料、低压电器装置、天线整流罩以及雷达无线电装置具有十分广阔的前景。

此外, 由于玄武岩纤维具有多孔结构和无规则的排列方式, 吸声性能好, 因而可作为生产设备的声绝缘材料[8]。玄武岩纤维还具有环保特性, Kogan等[9]和McConnell等[10]在医学试验中发现玄武岩纤维对生物体无害, 建议使用玄武岩纤维代替可以致癌的石棉纤维和玻璃纤维。

2 玄武岩纤维及其复合材料的耐久性研究

玄武岩纤维不仅具有很好的力学与物理性能, 其与环氧树脂的粘合效果也很好。Liu等[11]分别研究了纤维体积分数为3%的BFRP (玄武岩纤维增强复合材料) 和GFRP (玻璃纤维增强复合材料) , 结果表明两者杨氏模量、弯曲强度、剪切强度和抗压强度无显著差异。Mertiny等[12]和Sim J等[3]的研究表明, 无论是对于非表面处理纤维, 还是有机硅处理剂处理过的纤维, 玄武岩纤维与环氧树脂的粘合强度都要高于E玻璃纤维与相同环氧基的粘合强度。

为了研究玄武岩纤维及其复合材料的耐久性, 国内外众多学者在高温、强腐蚀条件、冻融及盐溶液环境下对玄武岩纤维及BFRP的性能进行了一系列研究。

2.1 高温下玄武岩纤维的稳定性

玄武岩纤维为非晶态物质, 耐热性能非常突出, 可以在-269~900℃ (软化点为960℃) 之间使用[13,14], 而玻璃纤维使用温度仅为-60~450℃。Militky等[15]、Sim等[16]和Kang等[6]的试验研究表明:玄武岩纤维在600℃工作仍能保持良好的外观形态, 而且具有一定的力学强度。如果CBF (连续玄武岩纤维) 预先在780~820℃进行处理, 还能在860℃工作而不会出现收缩, 即使耐温性优良的矿棉此时也只能保持50%~60%的强度, 玻璃棉则完全破坏。而碳纤维在高温下会放出CO和CO2等有害气体。这说明, 与其他纤维相比, CBF有优良的耐温特性。

薛巍等[17]和Hao等[18]通过光谱测试、CH-2投影显微镜、SEM (Scanning electron microscope) 和TG (Thermo-gravimetry) 等分析方法研究了玄武岩纤维的耐热性能, 结果表明玄武岩纤维具有很好的高温稳定性 (见图1) 和保温性能。

此外, 玄武岩纤维的导热系数低, 在25℃玄武岩纤维板的导热系数仅为0.04W/ (m·K) 。利用CBF使用温度范围广、耐高温及低导热特性, 可以将CBF用于高温和超低温设备以及高温作业的防护服和低温保温服[19], 也可以用CBF制作在热应力环境下长期使用的形状复杂的容器。此外, CBF还可用在硬质装甲和各种增强塑料领域, 包括增强高压橡胶胶管、汽车和拖拉机的耐磨损部件等[16]。

2.2 酸碱溶液作用下玄武岩纤维的耐久性

富含铁元素是玄武岩纤维与玻璃纤维的最显著差别, 这不仅使玄武岩纤维呈黑棕色, 并具有比玻璃纤维更大的密度, 还赋予了玄武岩纤维更多特性, 如更低的热传导系数及较好的介电性能, 对提高纤维防水和耐腐蚀性能也起了重要的作用。关于玄武岩纤维的耐酸碱腐蚀问题已有大量报道。

Wei等[20]通过对比试验发现:在酸性环境下, 玄武岩纤维的强度损失不如玻璃纤维明显;在碱性环境下, 两种纤维的强度损失接近。另外, 王岚等[21]发现玄武岩纤维在蒸馏水、氢氧化钠溶液及盐酸中的耐腐蚀性能均优于E玻璃纤维, 其结论与文献[20]一致。

Wang等[22]研究表明:玄武岩纤维水煮3h后的质量损失率仅有0.4%, 强度保持率达到99.8%, 几乎未发生变化, 在2mol/L氢氧化钠溶液中煮3h后的质量损失率与文献[16, 21]中的5%相近, 但在等浓度盐酸中煮3h后的质量损失率几乎是氢氧化钠溶液中的2倍, 远大于文献[16, 21]中的2.2%, 并且酸煮的玄武岩纤维强度保持率也显著低于碱煮后的, 表明所研究的玄武岩纤维与文献[16, 21]中的玄武岩纤维性能上存在较大差异, 耐碱性能明显优于耐酸性能, 特别是当碱液浓度较低时 (如0.5mol/L氢氧化钠) , 其强度保持率与在水中的数值接近。

综上所述, 不同产地的玄武岩纤维矿物组分差异较大, 使得耐化学介质性能存在着很大的差异, 有的耐酸性较好, 有的则是耐碱性较好[16]。从耐碱性方面看, 玄武岩纤维略逊于碳纤维, 但好于其他纤维[16]。总体而言, 玄武岩纤维具有较高的耐腐蚀性能。但也有学者研究发现, 在高温腐蚀或长期腐蚀条件下, 玄武岩纤维腐蚀较为严重。

早在1998年, 美国Ramachandran等[23]就发现玄武岩纤维在室温下耐碱性非常好, 升高温度耐碱性依然很好, 而耐酸性不如耐碱性好, 在室温下耐酸性处于边缘状态, 高温下酸腐蚀非常严重。而Robinovic等[24]和Sim等[16]通过耐碱性能试验发现玄武岩纤维在碱性溶液中表面剥落情况严重, 强度损失较大。

2.3 冻融循环及盐溶液作用下玄武岩纤维布的耐久性

纤维与母体之间的界面剪切强度是决定复合材料力学性能非常重要的因素。已有试验表明, 环氧树脂对环境温度和湿度都较敏感, 当树脂吸湿后会导致材料剪切强度下降。因此随冻融次数增多, 树脂不断吸湿, 剪切强度有所下降, 使片材由于基体过早破坏, 剪应力不能很好传递, 最终导致试件发生劈裂破坏, 抗拉强度下降[25,26,27]。高丹盈课题组[28]发现在冻融循环下, 树脂基体在低温和水分中会继续固化, 弹性模量会增大, 导致FRP (Fiber reinforced polymer) 材料弹性模量增大, 这表明冻融过程导致材料逐渐脆化, 与文献[25-27]报道的剪切强度、抗拉强度下降相符合。

郭旗等[29]研究表明, 冻融循环、NaCl盐溶液两种损伤因子的单、双重作用对BFRP布纵向受拉性能影响不大。两种环境作用下抗拉强度、延伸率都呈下降趋势, 弹性模量呈上升趋势;冻融循环对片材抗拉强度的影响要比复合环境更大;复合环境下弹性模量增长幅度和延伸率下降幅度都高于单一冻融循环环境, 说明复合环境更容易使材料脆化。他们在上述试验基础上, 基于灰色系统理论的GM (1, 1) 模型建立了冻融循环-盐溶液复合环境作用下及冻融循环环境下BFRP相对抗拉强度灰色预测模型:

另外, 胡海涛等[30]对玄武岩纤维进行了盐雾侵蚀条件下的老化试验, 结果表明玄武岩纤维具有很强的耐盐雾侵蚀能力。

杨勇新等[31]的研究表明, 海水干湿循环环境对玄武岩纤维布拉伸强度和弹性模量的影响不大。与碳纤维增强复合材料 (CFRP) 、芳纶增强复合材料 (AFRP) 、玻璃纤维增强复合材料 (GFRP) 等其他纤维片材进行了老化性能的对比, 发现BFRP具有较好的抗老化性能。

杨勇新等[32]对BFRP进行了湿热老化试验, 研究发现湿热环境对玄武岩纤维片材的弹性模量影响较小;延伸率受湿热老化环境的影响幅度要比抗拉强度大得多;玄武岩纤维片材和碳纤维片材抗拉强度的稳定性要明显优于玻璃纤维片材和芳纶纤维片材。总体而言, BFRP的抗湿热老化稳定性较好。

此外, 韩国的Sim课题组[16]发现在加速人造风化状态下玄武岩纤维和玻璃纤维的强度都会降低, 但是在相同处理时间下, 前者强度降低幅度小于后者。国内杨勇新等[33]还对玄武岩纤维布在有、无防护的紫外线照射条件下进行了老化试验, 6464h的初步检测结果表明:紫外线照射下玄武岩纤维布有较好的耐久性, 拉伸强度和伸长率下降的幅度不大, 弹性模量没有受到太大的影响。

3 玄武岩纤维的表面修饰

玄武岩短切纤维通常被用于增强复合材料。CBF的表面光滑, 不利于纤维与树脂基体粘接, 因此需要对其进行必要的表面改性处理, 以增加CBF表面粗糙度, 提高CBF与树脂之间的粘结力, 增强复合材料的力学性能。

纤维表面改性技术主要有等离子体改性技术、氧化改性技术、涂层改性技术等, 其中涂层改性技术对纤维本体结构无损害, 同时涂层形式多种多样, 结构性能可设计性强, 因而深受重视[34]。针对玄武岩纤维, 目前研究较多的是偶联改性[35,36,37]。

纤维表面浸润剂可促进树脂对纤维的润湿和粘附, 保护纤维的反应活性, 并且可在生产和复合过程中作为润滑剂减少纤维间摩擦, 避免纤维强度损失[38]。

Czigany等[39,40]研究了乙烯基酯 (VE) 和环氧树脂 (EP) 对玄武岩纤维的表面改性作用, 发现两种改性剂均使纤维与基体的粘结性能得到提高。匈牙利Matko等[41]在实验室条件下制备了一种表面活化剂, 其在纤维表面能起到核化效应, 并显著提高玄武岩纤维与基体的粘结作用, 改善BFRP的力学性能。

Kang等[42]在低温下对玄武岩纤维进行了表面镀镍处理, 发现表面镀镍能显著影响玄武岩纤维的介电性能。图2为在X波段 (8.2~12.4GHz) 上, 表面改性后的核壳结构 (Core-shell structures) 及玄武岩纤维的介电常数ε′和介电损耗tanδ。从图2中可以看出, 镀镍后玄武岩纤维介电性能显著改善, ε′增加了1个数量级, tanδ增加了2个数量级。

此外, Wang等[43]在大气压下分别采用氧气、氩气、氢气及氮氢混合气体的非热等离子对玄武岩纤维进行了表面改性, 改变了玄武岩纤维的化学稳定性、表面活性基团和粗糙度等。结果表明, 由于植入了NH2-和OH-等官能团, 改性后纤维化学稳定性和粘结性能显著增强。

4 玄武岩纤维水泥基材料的研究

水泥基材料是一种同时具有弹-粘-塑性的复合材料, 它具有脆性大、韧性差等先天性缺陷, 而在水泥基材料中加入纤维材料可以大幅度提高水泥基材料的抗压、抗折、抗弯、抗剪、抗冲击强度和韧性, 并相应地使水泥基材料的抗裂、抗渗等性能得到很大程度的提高[44,45]。

Sim[16]研究表明玄武岩纤维混凝土 (BFRC) 与普通纤维混凝土相比, 其拉伸强度高0.5~1倍, 延伸率高3~5倍, 其破坏形态及特征、承载力都有所改善。美国Ramakrishnan等[46]的研究表明, 玄武岩纤维体积分数为0.5%时, 混凝土仍然有理想的工作性能, 体积掺量小于0.5%时, 玄武岩纤维的掺量越多, 其对混凝土的增韧效果越显著。

4.1 玄武岩纤维对水泥基材料强度的影响

江朝华等[47]对玄武岩纤维高强修复砂浆进行了试验研究, 结果表明:加入玄武岩纤维能有效改善砂浆的早期抗干缩能力, 对砂浆的早期抗压、抗折强度有一定的改善作用, 能有效地改善砂浆的韧性, 提高砂浆抵抗变形开裂及抗冲击的能力。Kata[48]、褚明生等[49]和黄凯健等[50]的研究表明:将纤维掺入到密实基体中, 砂浆的强度会随着时间延长而降低, 对水泥浆体早期具有显著的增强作用, 但降低了水泥砂浆的28d强度。

Zielinski等[51]测试了玄武岩纤维增强水泥砂浆28d的物理、力学性能, 并给出了纤维的最佳体积掺量。李为民等[52]的研究表明, 玄武岩纤维体积掺量为0.1%、0.2%的BFRC的准静态力学性能与素混凝土相比无明显变化, 掺量为0.3%的BFRC抗压强度、劈裂抗拉强度分别较素混凝土降低了16.2%、40.4%。

目前, 关于玄武岩纤维对混凝土的增强效应的认识还存在分歧。虽然很多学者认为玄武岩纤维的掺入对混凝土抗压、抗折强度无显著改善作用, 甚至会降低混凝土强度, 但是也有部分学者认为玄武岩纤维的掺入会显著提高混凝土强度。

潘慧敏[53]、Shen等[54]和杨帆等[67]研究发现, 混凝土中掺入玄武岩纤维后, 其强度及抗弯冲击性能均会得到一定程度的改善。掺加玄武岩纤维能有效提高混凝土的抗压和抗折强度, 且玄武岩纤维的最佳掺量范围为2~2.5kg/m3。

最近, 唐明等[55]的研究表明, 玄武岩纤维作为水泥基复合材料的增强组分, 具有非常好的抗折强度增强效应, 其7d最高增强幅度可达到2.91倍。玄武岩纤维在砂浆中的分散性良好, 没有发现结团现象, 尤其是在有些断裂的断面上仍有纤维连接, 表现出较好的抗裂效果。

廉杰等[56]较为系统地研究了玄武岩纤维对混凝土强度的影响, 结果表明:强度最大提高幅度达47.5%;且增强效果与短切纤维体积掺量、长径比的范围有很大关系;短切纤维体积掺量对混凝土强度的影响要较长径比变化的影响显著;改变长径比时, 直径的影响较为显著;短切纤维增强后, 混凝土14d强度可达28d强度的80%甚至90%以上, 因此短切纤维增强对提高混凝土早期强度具有积极意义。

此外, 田平[57]通过车辙试验、低温弯曲试验、水稳定试验以及渗水试验等比较了掺加和未掺加玄武岩纤维的两种沥青混合料的力学性能。结果表明, 掺加玄武岩纤维后沥青混凝土的各项路用性能都显著提高。

4.2 玄武岩纤维对混凝土韧性的作用

2005年, Dias等[58]和Zielinski等[51]都研究了玄武岩纤维掺量对玄武岩纤维增强无机聚合物水泥混凝土断裂韧度的影响, 并将其与玄武岩纤维增强硅酸盐水泥混凝土的试验结果进行对比, 研究表明玄武岩纤维增强无机聚合物水泥混凝土具有更加优越的抗断裂性能。当玄武岩纤维的体积掺量为1%时, 混凝土梁表现出比普通混凝土梁更高的承载力和断裂韧性, 在破坏前表现出更高的极限承载力和挠度 (图3、图4) [51]。

贺东青等[59]研究发现短切BFRC的破坏呈明显的延性特征。玄武岩纤维显著提高了混凝土的抗弯拉强度和弯曲韧性;另一方面, 玄武岩纤维延缓了混凝土抗压、抗拉强度的发展。

此外, 莫海涛等[60]研究了钢纤维和玄武岩纤维双掺混凝土, 结果表明钢纤维和玄武岩纤维双掺混凝土的各项力学性能均优于普通混凝土。其中, 在掺入玄武岩纤维后, 混凝土的抗压强度较钢纤维混凝土没有明显改变, 但和易性有所改善;钢纤维和玄武岩纤维双掺进一步提高了混凝土的抗裂性能, 并能显著提高其抗渗性能。

5 玄武岩纤维布加固混凝土试验研究

近年来, 通过纤维布加固混凝土结构从而提高结构性能、降低成本的方式受到广泛关注。纤维增强复合材料 (FRP) 作为一种先进的材料正越来越多地应用于加固和改造混凝土结构。已经证实的是, FRP包裹混凝土能够同时提高混凝土构件的强度和韧性。

目前, 在混凝土结构的加固中应用比较多的新型FRP是CFRP和GFRP。其中CFRP的强度和耐腐蚀性最为理想, 加固效果最好, 但碳纤维的价格太高;而GFRP虽有价格上的优势, 但其力学性能比碳纤维差, 且有些物理性能也不够理想, 从而影响了在实际工程中的应用。玄武岩纤维具有较好的物理力学性能, 性价比高, 同时受力后与混凝土的变形协调性良好, 可为混凝土结构的加固提供另一种FRP。

2005年Sim等[16]研究了玄武岩纤维片材层数对加固混凝土梁弯曲性能的影响。结果显示:采用1层玄武岩纤维布的加固效果不是很明显;当层数增加到2层时增强效果显著提高;但当层数增加到3层时, 由于纤维布在混凝土表面发生脱粘, 导致巨大的强度损失。说明2层玄武岩纤维布的加固效果最佳。

吴栋等[61]和吴刚等[62,63]对BFRP与CFRP加固混凝土结构的抗弯性能和抗震性能进行了比较研究, 结果表明BFRP和CFRP都能提高墩柱的抗震性能, 但是碳纤维比玄武岩纤维提高幅度更大。用4.5层CFRP布加固的柱的峰值荷载与未加固的柱相比提高22.4%, 而BFRP丝束缠绕1561圈加固时峰值荷载较未加固时提高23.2%, 说明BFRP丝束缠绕1561圈加固效果优于4.5层CFRP布加固效果。此外, 从经济性角度比较, 前者造价仅为后者的19%。

欧阳煜等[64]的研究表明, 玄武岩纤维布可以有效地延缓剪裂缝的发展, 提高梁的刚度, 从而增大梁的跨中位移以及梁的抗剪承载力。陈绪军等[65]和孙衍英等[66]的研究也证实了这一点。

杨勇新等[67]的试验结果表明, 采用玄武岩纤维布进行加固后, 梁的抗疲劳性能得到极大改善;粘贴1层和2层玄武岩纤维布后, 钢筋混凝土梁的疲劳寿命分别延长了66%和235%, 疲劳荷载50万次时, 其疲劳变形分别减小了26.04%和35.40%。

周运瑜等[68]基于三维钢筋混凝土框架节点试验, 研究了玄武岩纤维对震损钢筋混凝土框架节点的加固效果, 结果表明:运用玄武岩纤维加固的三维钢筋混凝土框架节点破坏形态均为梁弯曲破坏形式, 加固后节点的滞回曲线饱满, 极限承载力和位移延性系数均有所提高, 节点的抗震性能得到很大提高。

最近, Marco Di Ludovico等[69]采用了在玄武岩纤维布表面浸渍一层水泥浆后再对混凝土进行加固的方法 (BRM technique) 。对比试验表明, 该方法能克服FRP加固的某些局限性, 采用BRM加固混凝土柱能显著影响破坏时的横向应变, 其值仅为浸渍环氧树脂玄武岩纤维加固混凝土柱的50%左右。与其他方法相比, BRM加固方法对混凝土柱峰值载荷的提升更大。

陈建伟等[70]采用快速冻融试验的方法, 分析了冻融循环对混凝土梁及玄武岩纤维加固梁性能的影响, 结果显示玄武岩纤维基本能够满足寒冷地区的加固要求。

冯武强等[71]研究表明:钢筋混凝土梁经钢丝-CBF复合板加固后承载力明显提高;加固后梁的刚度有所提高, 二次刚度显著提高, 对裂缝的发展有较明显的约束作用。

综上所述, 用BFRP加固混凝土结构也可以达到安全、可靠的效果。与碳纤维布加固相比, 采用玄武岩纤维布加固不仅施工要求较低, 施工简便, 更为重要的是能够大幅度降低加固成本。因此玄武岩纤维可替代碳纤维应用于混凝土梁、板、柱、墙等结构的加固补强和结构物的抗震加固中, 发展前景十分广阔。

6 展望

最近几年, 国内外学者对BFRP进行了大量研究, 并将其运用在土建交通工程中。与传统的混凝土增强材料相比, 玄武岩纤维及其复合材料具有高模量、耐冲击、耐高温、耐碱和成本低等优势。虽然玄武岩纤维对混凝土的增强作用并不明显, 但是它对水泥基材料的增韧阻裂作用受到普遍认可。综合看来, 国内外对玄武岩纤维增强水泥基材料的研究还不够系统, 要实现产业化应用, 还有许多问题需要进一步解决。

(1) 由于各地区玄武岩纤维在成分上的差异很大, 造成试验的可重复性较差, 降低了研究成果的可比性, 进而导致不同的研究者在玄武岩纤维本身性能及其对混凝土的增强效应等方面得出的结论相去甚远, 有的甚至完全相反。

(2) 玄武岩纤维在混凝土中的应用研究尚处于起步阶段。目前的研究主要集中在玄武岩纤维增强水泥基材料的基本力学性能及增韧作用上, 对其耐久性能研究相对较少, 特别是多因素耦合作用下的耐久性能研究更是鲜有报道。因此, 需要系统研究玄武岩纤维增强水泥基复合材料的基本力学性能, 并深入开展其在工程环境条件下的耐久性能 (如抗渗、抗冻、抗冲磨、疲劳及耐环境腐蚀等性能) 的研究。

玻璃纤维增强水泥研究 篇5

本文着重研究了水镁石短纤维增强HDPE/EPDM复合材料的力学性能、介电性能以及水镁石短纤维的阻燃效果,对水镁石短纤维和粒状无卤阻燃剂填充HDPE/EPDM复合体系的`拉伸性能、介电性能和阻燃效果进行了对比研究.并采用动态力学谱、SEM等方法对该体系的微观结构进行了分析,结果表明,水镁石短纤维对复合体系除具阻燃作用外,还具有显箸的增强作用.

作 者：张显友 吕明福 盛守国 赵志海 张志谦 Zhang Xianyou L?Mingfu Sheng Shouguo Zhao Zhihai Zhang Zhiqian 作者单位：张显友,盛守国,赵志海,Zhang Xianyou,Sheng Shouguo,Zhao Zhihai(哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,哈尔滨,150040)

吕明福,L?Mingfu(北京化工研究院)

张志谦,Zhang Zhiqian(哈尔滨工业大学,哈尔滨,150001)

玻璃纤维增强水泥研究 篇6

关键词：磷酸镁水泥砂浆(MPCM),碳纤维,韧性,力学性能,预处理

0 引言

磷酸镁水泥(MPC)具有凝结硬化快、早期强度高、体积稳定性好、粘结性能好等优点,在混凝土结构加固、混凝土路面修补以及有毒与核废料固化等领域具有广阔的研究与应用前景[1,2,3,4]。MPC的主要水化产物六水磷酸铵镁晶体以共价键和离子键结合,因此在外力作用下MPC表现出明显的脆性[5,6]。在没有伺服装置的压力机上测得MPC的应力应变曲线基本是直线,也说明MPC具有显著的脆性。脆性问题制约了MPC在混凝土结构修补和加固中的应用。

掺加聚合物乳液或纤维可以改善MPC的脆性。聚合物乳液可以改善MPC的脆性,但是聚合物会包裹未水化的氧化镁颗粒,阻碍MPC的水化反应,导致MPC各龄期力学性能显著降低[7,8]。掺加纤维对MPC抗压强度和早期力学性能的不利影响较小[9,10]。磷酸镁水泥中掺加钢纤维时增韧效果较好,但会严重影响MPC的操作性和工作性,同时也导致MPC表观密度显著增大[11]。MPC制备过程需要强力搅拌,而玻璃纤维易折断,搅拌过程中玻璃纤维大量折断会影响其增韧效果[12]。聚酯或聚丙烯纤维的弹性模量低,改善MPC韧性的效果有限,反而不利于提高MPC的工作性。与上述增韧材料相比,碳纤维提高MPC韧性效果最为显著。碳纤维不仅质轻,且抗拉强度和弹性模量高,掺加适量碳纤维不会对MPC的抗压强度和工作性产生不利影响,也不会增加MPC的表观密度。虽然碳纤维比其他类型纤维价格高,但是MPC作为混凝土修补和加固材料时表现出的优异性能可以抵消对其制备成本的顾虑。因此,本实验采用碳纤维来改善磷酸镁水泥砂浆(MPCM)的脆性,并探讨碳纤维预处理方式对MPCM韧性的影响,希望在不显著降低MPCM抗压强度的基础上,通过掺加碳纤维显著增强MPCM的抗折强度和韧性。

1 实验

1.1 原材料

重烧氧化镁比表面积为230 m2/kg,化学组分见表1。磷酸二氢铵纯度大于等于99%,pH值为4.0~4.5。硼砂纯度大于等于95%,性能指标符合GB/T537-2007《工业十水合四硼酸二钠》一等品要求。东丽PAN基碳纤维长丝,直径7μm,抗拉强度4200MPa,弹性模量250GPa,含碳量95%,密度1.75g/cm3,加工成长度分别为3mm、6mm、10mm、15mm的短切碳纤维。中砂,水洗后烘干,细度模数2.6。硝酸试剂浓度为68%。拌合用水为自来水。

1.2 实验方法

MPCM配合比:重烧氧化镁(M)与磷酸二氢铵(P)质量比为4∶1,硼砂(B)掺量为重烧氧化镁质量的10%;水胶比为m(W)/m(M+P+B)=0.16;碳纤维(CF)掺量为质量掺量,按照原材料质量比m(CF)/m(M+P+B)计算。中砂(S)与MPC的质量比为1∶1。

MPCM试件成型:首先将重烧氧化镁、磷酸二氢铵、硼砂和中砂加入搅拌锅中干拌3min,然后加入碳纤维搅拌均匀;加水慢速搅拌10s后快速搅拌3 min,然后浇筑成型40mm×40mm×160 mm的试件。试件放置室内养护,室内温度为(20±2)℃,相对湿度为60%~80%。

力学性能测试:MPCM抗压和抗折强度参照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》,待试件养护到相应龄期后测定。

微观形貌分析:采用TESCAN VEGN3扫描电子显微镜。

碳纤维预处理:采用丙酮除去碳纤维表面上浆剂,然后在硝酸溶液中放置一定时间后取出,用水冲洗5-6遍,放置于60℃烘箱中烘干待用。

2 结果与讨论

2.1 碳纤维对MPCM抗压强度的影响

首先研究了碳纤维掺量对MPCM抗压强度的影响。由于MPCM的抗压强度增长主要在7d龄期以前,此后MPCM抗压强度增长较为缓慢,因此主要测试了碳纤维掺量对MPCM的6h、1d和7d抗压强度的影响,结果见图1。

由图1可见,随着碳纤维掺量的增加,MPCM各龄期的抗压强度均比未掺加碳纤维时有所增加,尤其是碳纤维掺量超过0.4%以后,MPCM的6h和1d抗压强度显著增长。以6mm碳纤维为例,当碳纤维掺量为0.4%时,MPCM的6h、1d和7d抗压强度分别比未掺加碳纤维时同龄期的MPCM试件增长54.1%、42.9%、10.9%;当碳纤维掺量为0.8%时,MPCM抗压强度的增长幅度分别为70.3%、69.6%、19.7%。碳纤维掺量为0.4%~0.8%时更有利于提高MPCM的抗压强度。然而,当碳纤维掺量增加到1.0%时,掺加10mm和15mm碳纤维的MPCM的抗压强度呈现逐渐下降的趋势。

除了掺量,碳纤维长度也会对MPCM的抗压强度产生影响。由图1还可见,长度6 mm的碳纤维更有利于提高MPCM的抗压强度,其次是长度3mm的碳纤维。掺加长度10mm和15mm的碳纤维时,随着碳纤维掺量的增加,抗压强度的增长幅度明显小于掺加6mm碳纤维的MPCM,掺量较高时甚至还导致MPCM抗压强度下降。这主要是由于随着长度增加,碳纤维在MPCM基体中分散性降低,碳纤维分布不均匀导致MPCM基体产生更多缺陷,使MPCM的抗压强度逐渐降低。

2.2 碳纤维对MPCM抗折强度的影响

MPC属于具有明显脆性的无机胶凝材料,MPCM的抗压强度很高,掺加碳纤维的主要目的是提高MPCM的抗折强度和韧性。碳纤维对MPCM抗折强度的影响见图2。

由图2可见,当碳纤维掺量为0.2%时,长度15mm碳纤维对MPCM抗折强度的增强作用更为显著;当碳纤维掺量为0.4%时,碳纤维长度对MPCM抗折强度的影响无显著差异;当碳纤维掺量达到为0.6%时,长度6mm和10mm的碳纤维对MPCM抗折强度增强效果最好。6mm碳纤维掺量为0.6%时,MPCM的6h、1d和7d抗折强度相比于未掺加碳纤维时分别增大了43.9%、14.6%和44.5%。碳纤维掺量较少时,碳纤维的分散性相对较好,长度较大的碳纤维更容易相互搭接形成网络,在弯曲力作用下,长纤维从MPCM基体中拔出时消耗的能量更大,因此碳纤维掺量较小时长纤维增强MPCM抗折强度的效果较好。随着碳纤维掺量增加,15mm碳纤维由于分散更为困难,对MPCM抗折强度的增强效果减弱,且会导致MPCM流动性显著降低;采用3mm碳纤维时,虽然短纤维分散较为容易,但是难以形成良好的搭接网络,MPCM抗折强度的增长幅度相对较小。

综合考虑碳纤维掺量对MPCM制备成本以及力学性能和工作性的影响,宜选用长度3~10mm的短切碳纤维混杂,适宜掺量为0.4%~0.6%。

2.3 预处理碳纤维对MPCM力学性能的影响

碳纤维可以显著提高MPCM的抗折强度,但是MPCM试件弯曲断裂时断面上的碳纤维基本为脱粘拔出,碳纤维表面看不到粘附MPC水化产物,说明碳纤维和MPC基体主要依靠物理作用粘结,而这种物理作用也造成碳纤维不能充分发挥增韧效果。

碳纤维表面极为光滑和致密,活性官能团数量少,基本表现为化学惰性[13]。因此,市售碳纤维需要表面处理,使其表面由憎液性转变为亲液性,改善碳纤维与基体树脂两相的界面粘结[14]。硝酸溶液具有强氧化性,碳纤维经硝酸溶液氧化后其表面活性含氧基团数量增加,因此常用来对碳纤维进行表面处理[[15],16]。为了改善碳纤维与MPCM基体的界面粘结,利用容易操作的液相氧化法,采用硝酸溶液对碳纤维进行表面处理,希望能有效发挥碳纤维的增韧效果。制备MPCM试件时,长度3mm、6mm、10mm的碳纤维按照质量比1∶1∶1混杂,采用混杂碳纤维后,当质量掺量为0.4%时,MPCM不同龄期抗压和抗折强度提高幅度为5%~15%。

2.3.1 硝酸溶液浸泡时间的影响

采用浓度68%的硝酸浸泡碳纤维[16],温度为(20±1)℃,研究碳纤维浸泡时间对MPCM抗压和抗折强度的影响,试验结果见表2。

由表2可知,采用硝酸预处理碳纤维,当预处理时间为60min时,MPCM试件的折压比达到最小值;相比于掺加未处理碳纤维的试件,掺加硝酸预处理碳纤维的MPCM试件的6h、1d和7d抗折强度的增长幅度分别为36.1%、36.9%和28.5%。随着碳纤维在硝酸溶液中浸泡时间的延长,MPCM的抗压和抗折强度表现出先升高后降低的趋势,表明在硝酸溶液中浸泡时间过长会使碳纤维表面过度刻蚀和裂解,反而不利于发挥碳纤维的增韧效果。因此碳纤维在浓硝酸中浸泡时间宜为30~60min。

2.3.2 硝酸溶液温度的影响

选用浓度68%的硝酸溶液,浸泡时间60min,研究碳纤维在不同温度的硝酸溶液中浸泡对MPCM力学性能的影响,试验结果见表3。

由表3可知,随着硝酸溶液温度的升高,MPCM试件各龄期压折比逐渐降低;而当温度超过60℃后,MPCM的压折比反而有所增大;碳纤维预处理的适宜温度为40~60℃,升高碳纤维预处理温度,可以改善MPCM的韧性。掺加0.4%的经过60℃、浓度68%的硝酸浸泡60min的碳纤维,与未掺加碳纤维时相比,MPCM试件的6h、1d和7d抗折强度分别提高129.3%、67.4%和78.7%,说明碳纤维经过较高温度的浓硝酸预处理后既可以提高MPCM的抗压强度,也可以显著增强MPCM的韧性。

2.4 微观分析

碳纤维与MPC的界面属于物理作用,化学粘结力和嵌合力相对较差。掺加未处理的碳纤维虽然可以显著提高MPCM的韧性,但MPCM受力时,碳纤维容易拔出,并没有充分发挥其增韧作用。由图3(a)可见,MPCM断面上拔出的碳纤维表面光滑,没有MPC水化产物包裹,碳纤维尚未充分发挥其增韧作用。经过60℃、浓度68%的硝酸浸泡60min后,碳纤维表面刻蚀和沟槽加深(见图3(b)),碳纤维和MPC的界面粘结显著改善。MPC水化产物六水合磷酸铵镁晶体通常为片状和短柱状(见图3(c)),晶体尺寸可达数十微米,且晶体体积稳定性较好。虽然有些晶体嵌入碳纤维刻蚀处,但是并不能完全包裹碳纤维,微观上表现为MPC水化产物晶体在碳纤维损伤处嵌合,产生嵌合力(见图3(d));宏观上表现为经硝酸预处理的碳纤维对MPCM力学性能,尤其是抗折强度,有较为显著的改善作用,表明硝酸预处理碳纤维对MPCM的增韧效果较好。

3 结论

(1)掺加未处理碳纤维虽然可以显著增强MPCM的抗折强度,但是试件断裂时,碳纤维大多被整体拔出,MPC水化产物与碳纤维之间主要是物理作用,碳纤维未能充分发挥增韧作用。

(2)碳纤维长度对MPCM抗压和抗折强度的影响有所差异,掺加3~6mm的碳纤维有利于改善MPCM的抗压强度,而掺加6~10mm的碳纤维有利于改善MPCM的抗折强度,掺加3~10mm的混杂碳纤维更有利于提高MPCM的力学性能。

(3)在40~60℃、浓度68%的硝酸溶液浸泡30~60min的碳纤维可以显著增强MPCM的抗折强度,MPCM压折比也显著降低。

玻璃纤维增强水泥研究 篇7

1 原材料和试验方法

1.1 试验原材料

纤维:聚乙烯醇纤维 (PVA) , 商业名称为REC, 具有高强、高弹模、高耐久性, 可以在水泥中均匀分散, 并且和水泥有很好的粘结, 从而保证纤维与基体之间有较高的应力传递效率。具体参数如表1所示。

水泥:大连小野田水泥厂生产的PII52.5R水泥。

砂子:粒径100~200目的超细硅砂。

粉煤灰:优质I级粉煤灰。

减水剂:高效减水剂。

1.2 试验方法

本试验以砂灰比为参变量, 研究PVA纤维增强水泥基复合材料的弯曲性能, 具体试验配合比见表2。整个试验水胶比为0.32, 粉煤灰取代量为75%, 并添加少量高效减水剂。搅拌流程见图1所示, 搅拌过程中没有发现结团现象。采用标准养护方式养护。通过四点弯曲试验测试材料的弯曲韧性指标。试件采用400mm×100mm×15mm的薄板试件。使用30t的闭环液压伺服材料试验机进行加载, 位移控制, 加载速率0.5mm/min, 加载到极限荷载后缓慢卸载。采用荷载传感器和位移传感器 (LVDT) 测定试件承受的荷载和跨中挠度, 全自动数据采集处理系统进行荷载和挠度的数据采集处理。

2 试验结果与分析

2.1 变形指标分析

本文通过四点弯曲试验研究了不同砂灰比时材料28d龄期的韧性性能, 得到了材料的极限荷载、挠度和残余挠度变形, 并由此计算了材料的弹性变形、变形恢复能力, 具体数值见表3所示。图2~图6给出了这些指标随砂灰比的变化情况。

由图2可知, 随着砂灰比的增加, 极限抗弯荷载先增加, 当砂灰比超过1.22后荷载略有降低。说明在胶凝材料基本不变的情况下, 存在一个砂灰比的临界值, 当砂灰比小于临界值时, 随着砂灰比的增加, 材料的抗弯强度增大, 当大于这个临界值后, 材料的抗弯强度开始下降, 且由砂灰比增加引起的下降速率很小。这主要是因为在胶凝材料基本不变的情况下, 当砂灰比较小时, 增大砂灰比对纤维与基体之间的界面粘结强度影响较小或基本没有影响, 使纤维的桥联效果基本没有降低, 与此同时硅砂用量增加可以提高复合材料的弹性模量[2], 从而提高材料的抗弯承载能力;当砂灰比增大到一定程度后, 硅砂用量的继续增大导致纤维与基体之间的界面粘结强度降低, 使纤维的连接作用下降, 导致材料的抗弯强度下降。但是, 由于硅砂用量增加对界面粘结强度的影响程度不大, 所以抗弯强度随砂灰比增大而降低的速率较小。

由图3可知, 随着砂灰比的增大, 挠度变形比较复杂, 开始时随砂灰比的增大挠度基本不变, 然后出现明显的增加, 当超过临界砂灰比后开始下降。其原因要从砂灰比对纤维桥联作用和基体断裂韧度的影响来分析。尽管大量研究证明[3]砂子等骨料通过使裂缝产生曲折的开裂形式来增加材料的能量耗散从而增加基体的韧度, 但是由于本试验中采用的优质硅砂, 粒径 (大约是74~150μm) 接近于水泥颗粒的粒径 (约30μm) , 使骨料的韧化效果有所降低, 基体断裂韧度的增加程度较小;同时由于砂粒与水泥颗粒之间的粘结强度低于水泥颗粒之间的粘结强度, 较高的优质砂含量很可能降低产生新的断裂面所需要的能量, 使基体的断裂韧度降低。本试验中胶凝材料的含量基本不变, 对于砂灰比小于临界值的情况, 当砂灰比较小时, 硅砂的添加对基体的断裂韧度的影响并不明显, 而对纤维的桥联作用基本上没有影响, 所以在硅砂含量较低的情况下, 变化含砂量对弯曲挠度基本没有影响。当硅砂含量在临界值范围内继续增加时, 基体的断裂韧度出现较明显的降低, 而纤维的桥联作用并没有受到明显的影响, 纤维与基体之间良好的应力传递诱发基体产生大量开裂, 所以材料的挠度变形会随着砂灰比的增加而增大。当砂灰比大于临界值后, 过高的含砂量在降低基体的断裂韧度的同时, 降低了纤维与基体之间的界面粘结强度, 削弱了纤维的桥联作用, 两种效应的综合结果使材料的挠度开始下降, 但下降的速率相对之前的增加速率要小。

由图4和图5可知, 随着砂灰比的增大, 残余变形和弹性变形与挠度有相似的变化趋势, 但是相比较而言, 弹性变形的变化幅度很小。这主要是由于弹性变形主要包括基体材料的弹性变形和连接裂缝的纤维的弹性变形, 其中纤维的弹性变形又占主要地位。对于砂浆基体来说, 弹性变形很小, 砂灰比对它的影响基本可以忽略。而纤维的弹性变形与裂缝开展之间存在相互制约的关系。受砂灰比的影响较小, 所以材料的弹性变形随砂灰比的变化很小。在挠度随砂灰比增加, 而弹性变形基本不随砂灰比变化的情况下, 得到图6所示的变形恢复能力随着砂灰比的增加而降低的结论也是必然的。

2.2 能量吸收指标分析

定义韧性指标为残余变形能与总变形能的比值。根据荷载-挠度曲线通过曲线下面积积分计算了总变形能、弹性变形能、残余变形能的值, 并由此计算了变形能恢复率和韧性指标, 计算结果见表4所示。图7~图11给出了各指标随砂灰比的变化情况。

从图中可以看出, 随着砂灰比的增加, 总变形能、弹性变形能和残余变形能具有相似的变化, 变形能恢复率减小, 韧性指标增大。但弹性变形能的增加幅度较小, 主要原因是弹性变形随砂灰比的变化较小。这些指标的变化趋势说明在加载过程中由于基体开裂和纤维的滑移摩擦或拉断耗散的能量随着砂灰比的增大而增大。在加载初期, 吸收的外部能量主要以弹性能的形式储存在材料中。随着荷载的增加, 变形的增大, 材料吸收的能量逐渐增多, 仅靠弹性能不足以消耗掉外来能量时, 材料开始进入塑性阶段, 依靠塑性变形吸收一部分能量。当弹性能、塑性能仍不足以吸收掉外来能量时, 材料就用表面能来吸收, 所付出的代价就是材料的开裂, 新表面的产生。由于纤维的存在, 使基体开裂后仍能承担荷载, 并通过多缝开裂来吸收更多的外来能量。裂缝越多, 产生新表面所需的表面能越多, 吸收的外部能量也越多。同时在开裂过程中, 纤维本身也吸收大量能量。纤维受力后与基体间产生部分滑移或拔出, 纤维与基体间的摩擦要消耗能量, 尤其是短纤维拔出时吸收的能量是材料能量吸收中的主要部分。纤维拉断也要吸收能量, 由于PVA纤维的延伸率高达6%, 所以它吸收的比能是基体的几十倍到上百倍。通过纤维和基体的联合能量吸收机制使PVA增强水泥基复合材料具有较强的能量耗散能力。

3 结论

(1) 在所研究的砂灰比范围内存在一个临界砂灰比, 在此临界砂灰比之前, 极限抗弯承载力、挠度、弹性变形和残余变形以及总变形能、弹性变形能和残余变形能均增大, 且开始时增加缓慢, 随后出现明显的增长;当超过此临界值后, 各变形指标和能量指标开始下降。

(2) 随着砂灰比的增加, 卸载后的变形的恢复能力降低, 韧性指标增加。

(3) 相对于材料加载后的不可恢复性能相比, 砂灰比对材料的弹性性能影响较小。

(4) 从材料的变形指标和能量指标可以看出, 这种材料具有较高的韧性和能量耗散能力, 在抗震结构、大变形结构以及抗冲击结构中有着广阔的应用前景。

参考文献

[1]Li V C.Advances in ECC Research[J].ACI Special Publication on Concrete:Material Science to Applications.2002, 206 (23) :373-400.

[2]Li, V.C., D.K.Mishra and H.C.Wu, "Matrix Design for Pseudo Strain-Hardening Fiber Reinforced Cementitious Composites, "RILEM J.Materials and Structures, 28 (183) , 586-595, 1995.

玻璃纤维增强水泥研究 篇8

超高韧性纤维增强水泥基复合材料(简称ECC) 是基于微观物理力学原理优化设计的一种新型工程用水泥基复合材料[1,2,3]。 这种复合材料是在20世纪90 年代由美国密歇根大学的Li Victor. C首先提出来的。 不同于传统水泥基材料等单一裂缝破坏的脆性材料,ECC材料在荷载的作用下具有明显的应变-硬化特性, 将产生多重饱和裂缝破坏且饱和状态的多缝开裂现象,裂缝宽度多小于0.1mm[4],这使得ECC材料成为一种耐久度极高的水泥基复合材料。 正是这一特性,该材料得到了世界建材行业的高度关注。 在美国、日本和欧洲等发达国家及地区,ECC已经开始被大量应用于边坡加固、 大坝表面的加固、桥梁连接板及抗震梁等领域[5]。 近年来,国内一些高校和科研机构也开始了对ECC进行相关研究的工作。 2000 年,大连理工大学徐世烺研究团队开始了超高韧性水泥基复合材料的研究工作,利用不超过2.5%体积率的短纤维增强,使用常规的搅拌工艺成功研制出具有显著应变硬化特性,极限拉应变能力在3%以上, 并可以有效将极限裂缝宽度限制在100μm以内的ECC[6];2006 年, 张君教授报道了极限拉应变能力1.65% 且平均裂缝宽度63μm的试验结果[7];同年,王晓刚与Wittmann和赵铁军合作发表的文章中报道了极限拉应变约为0.4%左右的试验结果[8]; 东南大学孙伟院士课题组对ECC的研究长达十年以上,其研究工作的特点是针对ECC材料存在的各种问题进行改进,在达到超高韧性与合适强度等级的前提下, 采用工业废渣、尾矿等原材料开发绿色环保型ECC[9]。 然而,国内研究所用的PVA纤维基本上均采用日本Kuraray公司生产的REC15 型PVA纤维[6,7,8],较高的价格增加了ECC的生产成本,也限制了其在工程中的推广应用。 此外,ECC的单轴抗拉应变较大(3%~5%),而GB 50010—2010《混凝土结构设计规范 》规定,纵向受拉钢筋的极限拉应变取为1%, 通常达不到此应变,造成严重的浪费。 所以,如何配制出抗拉性能类似于ECC的高韧性纤维增强水泥基复合材料,并进一步降低其成本,就显得相当有意义。 本文选用国产PVA纤维作为增强纤维, 从配合比设计出发,研究了水胶比、粉煤灰掺量和胶砂比对高韧性纤维增强水泥基复合材料单轴拉伸性能的影响,并对其弯曲性能进行了测试,可为该材料在实际工程中的应用提供必要的试验数据。

1 原材料

水泥: P·O 42.5R水泥, 其基本物理力学指标和化学组成分别见表1 和表2。

%

粉煤灰:Ⅰ级粉煤灰,45μm方孔筛筛余4%,需水量比90%,其化学组成见表3。

%

纤维:聚乙烯醇纤维(简称PVA),安徽某高新材料公司生产,其性能见表4。

骨料:粒径96~180μm的普通石英砂。

外加剂:聚羧酸高性能减水剂(粉剂)和羟乙基甲基纤维素醚保水剂。

水:自来水。

2 试验方法

2.1 成型工艺

首先将粉料(包括胶凝材料、石英砂、减水剂)倒入砂浆搅拌机中拌和均匀; 再加水搅拌2~3min,保持砂浆搅拌机处于快速搅拌状态,缓慢加入经预分散处理的PVA纤维,待纤维完全加入后继续快速搅拌1min,用手触摸浆体确认纤维分散均匀,拌合物扩展度控制在180~200mm。

将搅拌好的浆体倒入模具中,将成型后的试件振实1min,放入温度为(20±1)℃,湿度≥95%的标准养护箱中养护24h后拆模,然后将试件标准养护至测试龄期。

2.2 试验方法

(1)单轴拉伸试验

采用CMT5305 型电子万能试验机进行单轴拉伸试验,试件尺寸为50mm×50mm×15mm,加载速率为0.2mm/min。 采集数据包括时间、位移、承载力和应变。 其中,应变采用标距为50mm的引伸计测定。每个配合比制备三个试件进行测试分析。 试件于测试前24h取出,并将试件表面打磨平整,试件端部用铝片加固,铝片尺寸为50mm×50mm×1mm。 单轴拉伸试验测试装置见图1。

(2)弯曲性能试验

采用CMT5305 型电子万能试验机进行弯曲性能试验,试件尺寸为100mm×100mm×400mm,采用三分点加载方式,加载速度为0.5mm/min。 采集数据包括位移、荷载和变形。 试验装置如图2 所示。

3 配合比设计方案和试验结果分析

3.1 配合比设计

参考国内外研究成果,本试验把水胶比、粉煤灰掺量和胶砂比作为影响因素,每个因素取3 个水平,见表5,以28d单轴拉伸试验中极限应变作为分析试验结果的依据。

3.2 试验结果与分析

3.2.1 极差分析

采用正交表L9(34)进行9 组高韧性纤维增强水泥基复合材料的单轴拉伸试验,试验结果见表6。

大量研究结果表明[10,11,12,13], 大掺量粉煤灰替代PVA-ECC中的水泥可以有效改善PVA纤维与基体的界面黏结力, 保证ECC受拉应变-硬化特性的发挥。 对拉伸试件断面进行仔细观察可以看出:粉煤灰掺量大的试件折断后单丝纤维基本被拔出,而不是被拉断,从而实现PVA-ECC材料的拉伸应变-硬化特性。 由表6 中的极差还可以看出:

(1)水胶比是影响高韧性纤维增强水泥基复合材料应力-应变的主要因素。 适中的水胶比为0.36,此时极限应变性能最好,达到1.39%。

(2)粉煤灰掺量对高韧性纤维增强水泥基复合材料应力-应变的影响比较显著。 随着粉煤灰掺量的增大,极限拉伸应变先是略有降低,但当掺量增加到70%时,极限拉伸应变却呈现增长趋势。

(3)砂胶比对高韧性纤维增强水泥基复合材料应力-应变的影响也比较显著。 随着砂胶比的增大,高韧性纤维增强水泥基复合材料的拉伸应变呈减小趋势。 由文献[14]可知,加入细砂可以提高水泥基复合材料的弹性模量,但过多的细砂会抑制高韧性纤维增强水泥基复合材料的受拉应变-硬化性能,降低材料延性。 为了制备强度高、韧性大的高韧性纤维增强水泥基复合材料,配合比设计中可选适中的砂胶比。

图3(a)、(b)、(c)分别为水胶比、粉煤灰掺量和胶砂比对高韧性纤维增强水泥基复合材料平均极限拉伸应变影响的趋势图。 由图可见,水胶比对高韧性纤维增强水泥基复合材料28d平均极限拉伸应变的影响较大;粉煤灰掺量和胶砂比对高韧性纤维增强水泥基复合材料平均极限拉伸应变影响也比较显著。 从图中还可以看出,高韧性纤维增强水泥基复合材料的极限拉伸应变随粉煤灰和砂胶比变化的大体关系。

图4 是试验编号为4、6、7、9 试件的28d单轴拉伸应力-应变曲线对比图。 从图4 可以看出,所有试件极限拉伸应变均达到1%以上; 编号为6 的试件极限拉伸应力最小, 但单轴拉伸应力应变最大,且呈现较好的应变硬化特性以及多缝开裂现象。 编号为4 的试件极限拉伸应力优于其他三组试件。 编号为7 和9 的试件单轴拉伸应力应变特性较一致,具有明显的应变硬化特性。

3.2.2 方差分析

9 组试件28d单轴拉伸试验的方差分析见表7。 F检验结果表明,三个因素对单轴拉伸应力-应变的影响均不显著。 究其原因可能是本试验误差大且误差自由度小(仅为2),使检验的灵敏度低,从而掩盖了考察因素的显著性。

因此,从表7 中选择极限拉伸应变平均数大的水平组合成最优水平组合进行重复试验。

3.2.3 最优配合比试验

由28d极限拉伸应变的极差分析和方差分析,采用综合平衡法最后确定最优配比为A2B3C1 和A2B3C2, 即A2 水胶比0.36,B3 粉煤灰掺量0.7%,砂胶比0.36 和0.50。 为了满足极限拉伸应变大于1%及高韧性的要求,综合考虑后确定表8 中的几组配合比进行验证性试验。 按照表8 中的配合比成型几组试件以观测其28d极限拉伸应变结果。 极限拉伸应变试验结果见表9。

从表9 可以看出, 当粉煤灰掺量为70%时,极限拉伸应变随着水胶比的增大而减小;砂胶比较小时对极限拉伸应变的影响不显著,这同前面正交试验的极差分析结果相一致。 粉煤灰掺量达到70%时, 适中水胶比和砂胶比试件的极限拉伸应变最大,均能稳定达到1.3%以上。 不同试件28d单轴拉伸应力-应变曲线见图5。 对比图4 和图5 可以看出,粉煤灰掺量为70%,水胶比为0.36,砂胶比为0.36 试件的单轴拉伸极限应变最大,且具有较好的重复性。 试件编号为F2、F3 和F4 试件的单轴拉伸极限应变也达到1%以上, 且呈现显著的应变硬化特性。

采用四点弯曲试验验证表9 中几组配合比试件的弯曲性能,其荷载-跨中挠度曲线见图6。

从图6 可以看出:

(1)各配合比试件的曲线均有应变硬化(Strain Harding)过程, 具有比较高的延性。

(2)砂胶比对试件的弯曲性能影响较小。

(3)水胶比较小试件的弯曲性能优于水胶比较大的试件。

(4)所有的试件均展现出了较好的多缝开裂现象,其中,F1 试件的最大裂缝宽度小于0.1mm,如图7 所示。

对试件四点弯曲曲线图整理分析,得到各配比的初裂荷载、初裂挠度、峰值荷载、峰值挠度和极限挠度,见表10。

由表10 可知:

(1)随着水胶比的增大,试件28d龄期的初裂、峰值和极限荷载、挠度均呈现降低趋势。

(2) 砂胶比的变化对各试件的初裂、 峰值和极限荷载、挠度的影响较小。

4 结论

(1)水胶比是影响高韧性纤维增强水泥基复合材料(ECC)拉伸应力-应变性能和弯曲性能的主要因素。

(2)粉煤灰掺量和砂胶比对高韧性纤维增强水泥基复合材料拉伸应力-应变性能的影响也比较显著,但砂胶比对弯曲性能影响较小。

(3) 当粉煤灰掺量达到胶凝材料质量的70% ,且水灰比和砂胶比适中时,采用国产PVA纤维仍可以配制出拉伸极限应变稳定大于1.0%,呈现应变硬化特性和多缝开裂现象, 且最大裂缝宽度小于0.1mm的高韧性纤维增强水泥基复合材料。 这对于降低高韧性纤维增强水泥基复合材料的价格并进行实际推广应用具有重要意义。

摘要：采用正交试验设计方法,以国产聚乙烯醇(PVA)纤维作为增强纤维,研究了水胶比、粉煤灰掺量和胶砂比对高韧性纤维增强水泥基复合材料单轴拉伸性能的影响。研究结果表明:在较大水灰比和粉煤灰掺量达到70%的情况下,选用国产PVA纤维,仍然可以配制出成本低/单轴拉伸应力应变达到1%,且具有多微裂缝开裂特征的高韧性纤维增强水泥基复合材料。

玻璃纤维增强水泥研究 篇9

聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料 (PVA-ECC) 是一种新型复合材料, 该材料以水泥或水泥加填料, 再掺加小粒径细骨料作为基体, 用PVA纤维作增强材料, 具有高韧性、高抗拉强度、高抗断裂能力, 不易开裂等特点, 且具有应变硬化特性和很大的延展性[1,2], 将其用于机场道面的修补与补强可以有效弥补普通混凝土的不足, 延长机场道面使用寿命, 国外一些发达国家已经开展了一定规模的研究, 并进行了少量工程应用。相对而言, 我国的研究起步较晚, 对其进行力学性能研究具有一定的实用价值。

1 试验设计

1.1 试验材料与配合比

PVA-ECC的组成成分为水泥基体与PVA纤维。水泥基体的主要成分是水泥、骨料、水、化学外加剂等。PVA-ECC的性能与材料各组分的具体性能指标有密切关系。

(1) 水泥:采用P·O 42.5级水泥, 其物理性能见表1。

(2) 粉煤灰:选用徐州某厂生产的Ⅰ级粉煤灰, 其化学成分见表2。

%

( (33) ) 细细骨骨料料::普普通通河河砂砂, , 表表观观密密度度22555500kkgg//mm33, , 堆堆积密密度度11557700kkgg//mm33, , 含含泥泥量量小小于于11%%, , 最最大大粒粒径径不不大大于11..22mmmm, , 细细度度模模数数22..1188。。砂砂的的筛筛分分结结果果见见表表33。。

(4) 纤维:泰安某公司生产的标准PVA纤维, 其具体性能见表4。

(5) 减水剂:聚羧酸高效减水剂, 粉剂, 褐色固体, 掺入水中使用, 减水率30%左右。

目前, 我军机场道面混凝土性能及配合比设计要求[3]:抗折强度大于5.0MPa;和易性要求:维勃稠度15~20s;耐久性要求:水灰比 (水胶比) 一般不大于0.46, 水泥用量不小于300kg/m3。为了达到既满足要求又经济合理的目的, 本试验经过配合比设计优化与试配调整, 采取固定水灰比0.42, 研究纤维掺量对材料性能的影响, 具体配合比见表5。

kg/m3

注:编号中JZ表示不掺加纤维的基准试件, P0.5表示纤维体积掺量为0.5%, 以此类推。

为节省材料和时间, 抗压试件采用抗折试验后一分为二的小试件, 并与不掺纤维的试件作对比, 研究PVA纤维增强水泥基复合材料的抗压性能, 分析其抗压强度随纤维掺量的变化规律。试件的受荷表面尺寸为40mm×40mm, 简称40mm×40mm×40mm小立方体试件, 每组配比有三个试件。试件编号中:Z表示抗折试件, Y表示抗压试件, W表示不加纤维的试件, P表示掺加PVA纤维的试件, 编号中的第一个数字表示配合比顺序, 第二个数字表示这种配合比中试件的顺序号, 如YP1-1表示掺加纤维的抗压试件、第一种配合比中的第一个试件。

1.2 试验装置与加载过程

抗折试验采用DKZ-6000型电动抗折试验机, 双杠杆最大试验力6000N, 加载速率50N/s, 主要用作水泥软练胶砂抗折强度检验。

抗压试验采用抗折试验之后的小立方体试件。首先将折断后试件取其平整侧面放于40mm×40mm标准水泥抗压夹具中 (图1) , 然后将夹具置于微机控制电液伺服万能试验机 (图2) 上, 试验机型号为WAW30600, 最大试验力600kN, 加载采用位移控制模式, 速率为0.1mm/s。

2 试验结果与分析

2.1 抗折试验结果与分析

抗折试验中, 未掺加纤维的试件在整个试验过程中只在跨中出现一条裂缝, 达到极限荷载后一裂即断, 呈现出典型的脆性破坏。掺有PVA纤维的试件在加载过程中, 开始时跨中底部会出现几条细小裂缝, 随着荷载的增加会继续出现更多的裂缝, 接近极限荷载时会出现较大裂缝及主裂缝, 试件破坏表现为承载力的逐渐降低或弯曲变形过大, 断裂后由于纤维的连接作用两块试件仍连在一起。

抗折试验结果见表6, 图3为抗折强度随纤维掺量变化规律图。由表6及图3可见, 随着PVA纤维掺量的增加, 试件的7d、28d抗折强度都逐步提高, 且高于基准试件。当纤维掺量达到2%时抗折强度达到最大值, 7d抗折强度较基准试件提高了73.7%, 28d抗折强度较基准试件提高了62.5%, 且从试件破坏形态来看, PVA纤维的加入可使试件由脆性破坏转为韧性破坏, 说明纤维不仅提高了试件的抗折强度也增强了试件的韧性。

一般认为, 砂浆/混凝土的抗压强度是集料骨架的嵌挤和水泥浆的粘结作用形成的, 而抗折强度则靠水泥浆与集料界面的结合强度。PVA纤维的掺入大大增强了水泥浆和集料界面的粘结强度, 从而使砂浆的抗折强度大幅度提高。

2.2 抗压试验结果与分析

对折断后的试件进行抗压试验。抗压试验中, 没有掺加纤维的小立方体试件在达到最大受荷时, 很快就不能继续承载, 试件严重剥落;加有纤维的试件基本上能保持较完整, 这说明纤维在水泥基体中起到了很好的增韧作用, 有效防止了混凝土“一裂即坏”的现象, 抗压试验结果见表7。

抗压试验过程中, 可用计算机自动采集试验数据, 并将采集的数据通过Origin软件生成荷载-位移曲线, 如图4所示。图4a~图4e依次为纤维掺量0、0.5%、1%、1.5%、2%试件的荷载-位移曲线。从图中可以看出, 尽管PVA-ECC的曲线形状和不掺加纤维的基准试件的抗压曲线类似, 属于偏态的单峰曲线, 但是它的塑性变形能力和峰值后延性明显优于基准试件, 峰值平均应变明显大于基准试件的抗压应变值。由图4各图还可以看出, 随着应变的增加, 掺纤维试件峰值后的应力降低缓慢, 且当应变较大时仍有一定的残余强度。这充分体现了纤维在改善压缩韧性方面的作用。试件在达到受压峰值时, 不是瞬间破坏, 而是突降之后还可以继续承载。从试件达到抗压强度到最终破坏 (试件不适合继续承载) 仍可以持续很长一段时间, 而普通混凝土在荷载达到其承载力后很快就不能持续承载, 这说明纤维在水泥基体中起到了很好的增韧的作用, 有效防止了混凝土“一裂即坏”现象。

抗压试验试件为抗折试验后折断的试件, 故尺寸较小, 混凝土材料的强度随着试件尺寸的增大, 强度值会有规律地下降。规范对不同尺寸普通混凝土试件之间的强度换算作了明确规定, 但对纤维混凝土试件缺乏明确规定。根据以往的研究, 脆性越小的材料, 试件的尺寸效应变化越小, 反之亦然。本试验中PVA纤维的加入大大增加了试件的韧性, 因此, 试件的尺寸效应带来的影响可以忽略。

图5为不同龄期试件抗压强度随纤维掺量的变化规律。从图5可以看出, 随纤维掺量的增加抗压强度变化不大, 7d抗压强度几乎无明显变化。28d龄期下, 随着PVA纤维掺量的增加, 抗压强度略有增加, 纤维掺量在1%时, 抗压强度达到最大值55.6MPa, 但随纤维掺量的进一步增加 (1.5%时) , 抗压强度又开始有降低的趋势, 纤维掺量增加到2%以后, 抗压强度进一步降低 (54.5MPa) 。这说明纤维掺量达到1%时抗压强度已基本稳定, 原因主要是由于PVA纤维具有亲水性, 随着纤维掺量的增加, 纤维会与混凝土形成共同的受力整体, 增加了混凝土的强度;但当纤维增加到一定掺量时, 因为纤维增多就需要更多的胶凝材料裹覆纤维, 当实际供给的胶凝材料量小于需要的胶凝材料用量, 将会造成强度的下降。本试验配合比中随着纤维掺量的增加, 胶凝材料保持不变, 因此, 必然存在一个纤维掺量使得强度达到峰值, 当超过这个掺量后, 胶凝材料不足以裹覆纤维, 纤维在混凝土材料中不仅起不到增强作用, 反而不利于纤维混凝土的整体性, 从而削弱了混凝土的强度[4], 原理见图6。图6所示模型认为, PVA纤维能起到的增强作用与胶凝材料用量有关。对抗压强度的影响可以分为两个区域, 一个是增强区, 另一个是削弱区。在增强区, PVA纤维由于其亲水性, 所以和混凝土具有良好的粘结, 增加了混凝土的强度。根据复合材料理论, m值 (纤维的弹性模量与混凝土的弹性模量之比) 越大, 混凝土的强度越高, 因此, 高弹性模量的PVA纤维强度更高, 但前提是混凝土中存在足够多的胶凝材料, 否则纤维无法发挥上述作用。图6 (a) 中DB段大于AB段, 此时存在足够多的胶凝材料, 混凝土强度呈增加趋势, 对应于图6 (b) 中的FG段。随着纤维掺量的不断增加, 实际供给的胶凝材料量小于需要的胶凝材料用量, 即BE段小于BC段, 进入强度削弱区, 造成强度的下降, 对应于图6 (b) 中的GH段。

3 结论

(1) PVA纤维的加入可大大提高试件的抗折强度, 纤维掺量为2%时, 28d抗折强度相比不加纤维试件提高62.5%;从破坏形态来看, 掺纤维试件破坏后仍较为完整, 断裂面有纤维相连, 主断裂面周围有细小裂缝, 呈现多缝开裂, 说明纤维的加入改变了试件破坏形式, 由脆性破坏转为韧性破坏。

(2) 从抗压试验过程可以看出, 不掺纤维的基准试件达到峰值荷载后很快破坏, 不能继续承受荷载;而掺加PVA纤维的试件达到峰值时不是瞬间破坏, 突降后还可以继续承受荷载, 说明PVA纤维的加入在水泥基体中起到很好的增韧作用, 可以防止“一裂即坏”的现象。

(3) PVA纤维的掺入对试件抗压强度的提高不显著。随着纤维掺量的提高, 小立方体抗压强度略有提高, 纤维掺量1%时达到最大值 (55.6MPa) , 之后再提高纤维掺量试件的抗压强度反而逐渐下降, 原因可能是本试验中胶凝材料用量固定, 纤维掺量增加后无法提供更多的胶凝材料来裹覆纤维, 造成强度下降。从荷载-位移曲线来看, 加纤维的立方体试件塑性变形能力和峰值后延性优于基准试件, 说明纤维在改善压缩韧性方面起到了很好的作用。

参考文献

[1]郭平功, 田砺, 李晓东, 等.PVA-ECC在工程维修中的应用[J].国外建材科技, 2006, 27 (4) :82-87.

[2]沈荣熹, 王璋水, 崔玉忠.纤维增强水泥与纤维增强混凝土[M].北京:化学工业出版社, 2006.

[3]罗昭俊, 王峰, 梁济丰.军用机场设计[M].徐州空军学院, 2006.

玻璃纤维增强水泥研究 篇10

纤维增强水泥基复合材料(Fiber Reinforced Cementitious Composite, 简称FRCC) 是一种具有较高抗压、抗折强度和优异的耐久性能等特点的新型水泥基复合材料[1]。 高强度FRCC ( 抗压强度≥ 100MPa)可以有效提高水泥基材的利用率、减小构件尺寸、降低结构自重。 目前,国内很多科研单位探索了养护制度对活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,简称RPC)的影响[2,3,4,5,6,7],而针对FRCC的研究较少。 作为RPC的衍生,FRCC不含粗骨料,除了纤维作用外,材料性能可能更多取决于混合有粉煤灰、硅灰等水泥基体的活化反应,因此,确定适宜的养护制度, 研究养护龄期对FRCC强度的影响对其工程应用有重要意义。

1试验用原材料

水泥:52.5R优质硅酸盐水泥。

砂:最大粒径为2.5mm的普通黄砂,细度模数2.26,连续级配,堆积密度1.4g/cm3,表观密度2.4g/ cm3。

粉煤灰:Ⅰ级粉煤灰,比表面积400m2/kg。

硅粉:微硅粉,灰白色粉末,比表面积18000~ 20000m2/kg;

增稠剂:羟乙基纤维素(HEC),40目过筛率≥ 99%,表观密度0.35~0.61g/mL。

减水剂:聚羧酸类高性能减水剂(液态),固体含量40%,减水效率30%以上。

钢纤维:超细钢纤维,平直型,表面镀铜,直径0.2mm,长度13mm,抗拉强度≥1800MPa,弹性模量210GPa。

聚乙烯醇纤维:束状单丝,密度1.3g/cm3,长度10mm, 断裂伸长率7% ~15% , 抗拉强度1200 ~ 1500MPa,弹性模量31~40GPa。

根据工程实际,可以采用不同的纤维种类和纤维掺量, 进行材料性能对比。 本试验主要制备了PFRCC(掺PVA纤维)和SFRCC(掺钢纤维)两种水泥基复合材料,其配合比见表1。

2试验方案及方法

为研究试验室配置FRCC在标准养护条件下试块强度随龄期的变化,结合不同纤维品种和纤维含量, 制作了三组试块, 其中2组试件的尺寸为100mm ×100mm ×100mm,1组试件的为40mm × 40mm×460mm。 成型试件的配合比见表2和表3。

kg

kg

2.1试件的制备

(1)搅拌与成型工艺

先将硅灰、粉煤灰、水泥和黄砂等原材料混合均匀,在搅拌过程中将水和液体外加剂缓慢地倒入搅拌机内,湿拌2~3min。 混合料进入粘流状态后,均匀地撒入PVA纤维或钢纤维,继续搅拌2~3min。 需要注意的是, 搅拌器叶片范围内的FRCC一般都能满足混合要求, 而叶片与容器器壁之间的FRCC混合性较差,需要人工插入钢筋棒强化搅拌。 搅拌好之后可在模具中浇铸成型,并适当加以振动(约振动2min)以增加其密实度。

(2)养护方法

试件在模具中标养24h, 拆模后置于恒温恒湿养护箱并标记日期,按7d、28d、90d养护期分组。

2.2试验设备

考虑到抗压强度设计值为100MPa的FRCC试件抗压强度试验值可能大于1000kN,因此,抗压试验在2000kN微机控制电业伺服压力试验机上进行, 抗折试验在WE-100B型微机控制电液伺服万能材料试验机上进行。

3试验结果及分析

图1和图2分别为标准养护条件下, 龄期对P (S)FRCC抗压强度的影响。 由图可以看出,P (S) FRCC 28d强度与90d强度比在0.8左右,比值接近1。 从这一点可以看出,P(S)FRCC和普通混凝土强度值随龄期的变化并不相同, 由于活化材料的增多,FRCC的强度可能会更高,同时水化反应时间也增长。

对于同配合比、 等纤维体积掺量的PFRCC和SFRCC,SFRCC的早期抗压强度要大于PFRCC。 以纤维掺量0.5%为例, 当龄期为7d时,SFRCC的抗压强度值为70MPa,是同龄期PFRCC的1.27倍,但当龄期达到90d时, 这个比值则接近于1。 可以看出,随着龄期的增长,由于纤维含量及种类不同造成的强度差异会减小。 通过纤维自身特性和纤维在水泥基复合材料中的作用不难解释该现象。 PVA纤维具有显著的亲水性,在水泥基材拌制过程中会吸附大量游离水, 造成水泥基材水化反应不充分,早期强度降低的现象;随着水化的进行,水泥基材水化物的吸水性增强,附着在PVA纤维上的水分加入到水化反应中,水泥基材的强度逐渐提高。

图3为标准养护条件下,28d龄期时P(S)FRCC的抗折强度值, 就0.5%、1.0%、1.5%这三个体积掺量而言,随纤维掺量的增加,P(S)FRCC的抗折强度值呈现出增长趋势, 但PFRCC和SFRCC又各有不同, 纤维掺量从0.5%到1.0%再到1.5%,PFRCC的抗折强度基本成比例增长。 对于SFRCC,纤维掺量为1.0%时的抗折强度和纤维掺量为1.5%时的抗折强度接近,同时也等于纤维掺量1.5%的PFRCC。 因此,就本次试验材料及配合比而言,对于SFRCC,纤维体积掺量1.0%时材料抗折强度的技术经济性能为好;对于PFRCC,纤维体积掺量1.5%时为好。

图4为标准养护条件下,纤维掺量为2%时,不同龄期、 不同钢纤维类型对SFRCC抗压强度的影响。 其中, 剪切型钢纤维的宽度为2mm, 长度为50mm,距短头5mm处有弯折。 铣削型钢纤维的外形不均匀, 宽度约为2~3mm,长度约为50~60mm。

从图4可以看出,就本次试验材料及配合比而言, 掺超细镀铜钢纤维试件的28d抗压强度值最高,其次是掺剪切型和铣削型的试件,但90d龄期后三者趋于一致。 因此,钢纤维尺寸较大时,其低龄期立方体抗压强度较低,出现这种现象的原因可能是:钢纤维尺寸越大,单个钢纤维于水泥基材的接触面就愈大,低龄期时,水泥基材对较大尺寸钢纤维的包裹性较弱,界面出现损伤的可能性加大.异型钢纤维较丝状钢纤维在低龄期条件下的立方体抗压强度低,出现这种现象的原因可能是:丝状纤维和水泥基材的粘结力较为均匀,异型纤维则有一定变化,龄期短,整体粘结性低。 但随着龄期增长,这种纤维尺寸外形及尺寸对SFRCC强度的影响逐渐减弱。

4结论

(1)在标准养护条件下,FRCC强度与普通混凝土发展规律不同, FRCC 28d强度为设计强度的0.8左右,龄期达到90d时,这个比值则接近于1。

(2)随着纤维掺量的增加,PFRCC的抗折强度值呈现出增长的趋势,但对于SFRCC,当纤维掺量超过1.0%时,其增强效果有限。