纤维水泥基复合材料（精选10篇）
纤维水泥基复合材料 篇1
纤维增强水泥基复合材料以水泥净浆、砂浆或混凝土为基体, 以非连续的短纤维或连续的长纤维作增强材料所组成水泥基复合材料的总称。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。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, 本文对纤维增强水泥基复合材料的类型、阻裂机理、评价方法和工程应用等方面加以介绍, 为不同类型的纤维增强水泥基复合材料产品在实际工程中的设计和应用提供参考。
1 纤维增强水泥基复合材料类型
因基体组成不同, 可将纤维增强水泥基复合材料分为“纤维增强水泥”和“纤维增强混凝土”, 两种类型的对比如表1[2]。
根据纤维弹性模量的高低可将纤维增强水泥基复合材料分为低弹模纤维增强水泥基复合材料和高弹模纤维增强水泥基复合材料。低弹模纤维有尼龙、聚丙烯、聚乙烯、有机纤维等, 高弹模纤维有钢纤维、玻璃纤维、碳纤维等。低弹模纤维只能改善水泥基复合材料的韧性, 而高弹模纤维不仅能提高水泥基复合材料的韧性, 还能大幅度增强其抗拉强度和刚性。
纤维的不同特性使纤维增强水泥基复合材料具备不同的性能。表2是几种主要纤维的物理力学性能[3,4], 可以看出钢纤维、碳纤维、芳族聚酰亚胺纤维 (PRD-49) 都是高弹模纤维, 抗拉强度也较高, 聚乙烯纤维、尼龙纤维、聚丙烯纤维等都是低弹模纤维, 但这几种纤维的极限伸长率较大, 使用时应根据不同需求选择纤维种类。
表3介绍了几种主要纤维混凝土的耐久性情况, 可看出相对于普通钢筋混凝土, 玻璃纤维混凝土、芳族聚酰亚胺纤维混凝土、碳纤维混凝土在酸性环境、碳化潮湿环境和海水中都显示出优越的耐久性。
表中:-表示低;o表示平均水平;+表示良好;++ 表示优秀, 密度以小为优
近年一种超高韧性纤维增强水泥材料 (Ultra High Toughness Cementitious Composites , 简称UHTCC) 逐渐兴起, 并迅速在土木工程中得到广泛重视。UHTCC材料采用PVA纤维增强水泥, 其极限拉伸强度为5～10MPa[6], 宏观极限拉应变可达到3%～7%[7,8,9], 这一抗裂指标可达普通混凝土极限拉应变的150～300倍, 其他普通纤维混凝土极限拉应变的30～300倍[10], 极限荷载时裂缝宽度可控制在100μm以内。表4为UHTCC材料与普通纤维混凝土和一般高性能纤维增强水泥基复合材料的对比。从表4中看出UHTCC在抗拉性能、拉应变、裂缝宽度、工艺等众多方面都显示出自身的优越性, 比普通纤维混凝土、一般高性能纤维增强水泥基复合材料仅通过调整纤维掺量来实现特性的方法具有更显著的区别和优势。
2 纤维增强水泥基复合材料的阻裂机理
2.1 纤维间距理论[1,11]
纤维间距理论是根据断裂力学解释纤维对混凝土中裂缝的阻裂作用, 这一机理认为:水泥和混凝土内部本身存在尺度不同的微裂缝、空隙和缺陷, 欲提高这种材料的强度, 必须尽可能减小缺陷的程度, 提高这种材料的韧性, 降低内部裂缝端部的应力集中系数, 降低裂缝的数量和尺度。而纤维的加入有效地提高了基体阻止裂缝发生和扩展的能力, 达到纤维对混凝土的增强目的。当纤维的间距小于某一值后复合材料的抗拉强度会提高。Rumualdi等人认为, 当纤维的平均中心间距小于7.6mm时, 纤维增强水泥基复合材料的抗拉或抗弯初裂强度得以显著提高。
Rumualdi等提出了纤维增强水泥基复合材料中纤维呈三维乱向排列时的纤维平均间距计算公式
式中,
2.2 复合材料理论[1]
复合材料理论是考虑纤维在基体中的连续性、分散均匀性和分布方向对水泥基复合材料增强效果的影响, 将纤维增强水泥基复合材料看作是一种纤维强化体系。复合材料理论将复合材料视为多相系统, 在弹性范围内, 复合材料的弹性模量和强度性能可视为复合体内各相性能的叠加, 通过应用混合原理推定纤维增强水泥基复合材料的抗拉强度, 建立纤维增强水泥基复合材料的抗拉强度与纤维的掺入量、方向、长径比及粘结力之间的关系。
当使用连续的长纤维时, 纤维增强水泥基复合材料的抗拉极限强度公式为
R
式中, R
当使用短纤维时, 纤维增强水泥基复合材料的抗拉极限强度公式为
式中, η1为纤维有效长度系数,
2.3 抗冻融机理[11]
水泥基复合材料中掺入纤维能增加复合材料中的含气量, 当孔隙内水冻结时, 这些微小封闭气泡被压缩, 可有效减轻冰冻给孔隙带来的胀压力, 提高水泥和混凝土的抗冻能力;一些纤维的弹性模量随温度的降低而提高, 低温条件下对纤维水泥基复合材料的抗冻能力起着正面增强效应;纤维的桥接作用能够改善水泥基复合材料的内部缺陷, 增强复合材料自身抵抗冻融的能力;纤维直径小、数量大、纤维间距小, 增加了冻融损伤过程中的能量耗损, 有效阻止了裂缝的扩展, 降低水泥和混凝土的冻胀开裂, 提高水泥基复合材料的抗冻能力。
3 纤维增强水泥基复合材料的评价方法
为全面反映纤维增强水泥基复合材料的内在品质, 需要评价纤维增强水泥基复合材料的性能, 评价方法主要有力学性能试验方法、耐久性试验方法和断裂试验方法。
力学性能试验方法包括立方体抗压强度试验、轴心抗压强度试验、静力受压弹性模量试验、劈裂抗拉强度试验、直接拉拔强度试验、抗剪强度试验、抗折强度试验、抗折弹性模量试验、弯曲韧性试验、抗冲击性试验等。耐久性试验方法包括抗冻性能试验、抗水渗透性能试验、收缩试验、碳化性能试验等。断裂试验方法包括楔入劈拉试验、三点弯曲梁试验等。
其中弯曲韧性是反映纤维增强水泥基复合材料内在品质的重要指标, 是评价纤维增强水泥基复合材料韧性和开发设计控制其种类、配比的重要指标。弯曲韧性主要有四种代表性方法[2,11]:
3.1 美国ASTM-C1018韧度指数法
美国ASTM-C1018韧度指数法[12]的试件尺寸采用100mm×100mm×350mm, 通过三分点加载试验计算韧性指数I5、I10、I30:
式中, A1是初裂挠度为δ时荷载—挠度曲线下的面积, A2是挠度为δ和3δ之间的荷载—挠度曲线下的面积, A3是挠度为3δ和5.5δ之间的荷载—挠度曲线下的面积, A4是挠度为5.5δ和15.5δ之间的荷载—挠度曲线下的面积。
我国《钢纤维混凝土试验方法》CECS13:89中的弯曲韧性基本上采用这种试验方法, 并且明确了钢纤维初裂强度测定方法, 初裂强度按下式计算:
式中, ffc, cra为钢纤维混凝土的初裂强度, Fcra为钢纤维混凝土的初裂荷载, l为支座间距, b为试件截面宽度, h为试件截面高度。
3.2 ASTM-C1399-98方法
ASTM-C1399-98方法[13]是通过将钢板垫放于试件底部的方法确定剩余强度指数RSI:
式中, MOR为梁的抗折强度, ABS为梁的平均剩余强度。
这里, P0.5、P0.75、P1.0、P1.25分别是挠度为0.5mm、0.75mm、1.0mm、1.25mm时对应的荷载值, l为梁的跨度, b、h分别为梁的宽度和高度。
3.3 日本JCI-SF4当量抗折强度法
日本JCI-SF4当量抗折强度法[14]的试件尺寸为100mm×100mm×350mm, 该方法通过三分点加载试验确定韧度因子:
式中, σb为弯曲韧性系数或称为当量抗折强度, l为跨度, δtb为
3.4 挪威NPB NO7法
挪威NPB NO7法[13]与ASTM方法相同, 但试件为板式试件, 通过试验建立了韧性等级与对应挠度的剩余强度关系, 如表5所示。该方法要求不同强度等级纤维混凝土的弯拉强度必须满足表6的要求。
4 工程应用
多类型纤维优异的物理化学性能, 使纤维增强水泥基复合材料具备许多优越性能:较高的抗裂、抗渗性能, 较强的抗冻、耐碱性能, 良好韧性和优越的抗冲击性能等, 能够满足工程的多种需要。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, 高层建筑的地下室、污水处理厂的污水池、游泳池、渡槽等防水、防渗工程, 抗震、防火、防爆、抗侵蚀的特种工程与军事工程, 大坝面层、护坡、梁、板、柱、墩的混凝土修补和加固工程, 边坡的固定, 以及各种预制水泥基产品等。
摘要：纤维增强水泥基复合材料作为新型工程材料已在土木工程多领域中得到广泛地应用。对纤维增强水泥基复合材料的类型、阻裂机理、评价方法和工程应用等各方面加以介绍, 探讨纤维增强水泥基制品工业今后的发展方向, 为不同类型的纤维增强水泥基复合材料产品在实际工程中的设计和应用提供参考。
关键词：纤维增强水泥基复合材料,阻裂机理,评价方法,工程应用
纤维水泥基复合材料 篇2
石英纤维增强氰酸酯树脂基复合材料性能研究
研究了QF210石英纤维增强新型的`改性氰酸酯树脂基复合材料的耐热性、力学性能和介电性能,结果表明5528A/QF210复合材料具有优良的力学性能和优异的介电性能,可在150℃下使用.尤其是5528A/QF210复合材料的介电性能具有极好的频率稳定性,适合作为宽频高透波材料.
作 者：陈梦怡 蔡良元 钟翔屿 包建文 CHEN Meng-yi CAI Liang-yuan ZHONG Xiang-yu BAO Jian-wen 作者单位：北京航空材料研究院,北京,100095刊 名：高科技纤维与应用英文刊名：HI-TECH FIBER & APPLICATION年，卷(期)：200934(3)分类号：V258关键词：石英纤维 氰酸酯 复合材料 力学性能 介电性能
纤维水泥基复合材料 篇3
摘要：采用超声波分散方式将纳米CaCO3掺入水泥基材料，研究了不同掺量纳米CaCO3对水泥基材料性能与结构的影响，并利用X射线衍射和扫描电镜分析其影响机理.结果表明：掺入纳米CaCO3后，水泥基材料流动度降低，浆体表观密度增大，抗折和抗压强度提高.纳米CaCO3掺量为1.5%（质量分数）时，对水泥基材料的力学性能提高最为显著，纳米CaCO3掺量过多则不利于强度发展.纳米CaCO3的掺入会加速水泥的水化，早期使水化产物Ca（OH）2等增加；纳米CaCO3改善了界面结构和水泥石结构，使水泥基材料的结构变得更加均匀密实.结果显示纳米CaCO3掺入后对水泥基材料的力学性能与结构有利.
关键词：纳米CaCO3；水泥基材料；强度；微观结构
中图分类号：TU528文献标识码：A
纳米技术是在20世纪末逐渐发展起来的前沿交叉性的新兴学科.如今，该技术已经渗透到诸多领域，建筑材料领域就是其中之一.通过对传统建筑材料的改性表明该技术具有很大的应用潜力和前景[1-3].纳米颗粒因其尺度在纳米范围，从而具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应[4]，具有传统材料所不具备的一些新特性.
纳米CaCO3是目前最大宗也是最廉价的纳米材料之一，其价格约只有纳米SiO2的十分之一[5].目前国内外学者对纳米SiO2在水泥基材料中的应用有较多研究，而对纳米CaCO3的研究相对较少.王冲等[6]研究了纳米颗粒在水泥基材料中应用的可行性.黄政宇等[7]研究了纳米CaCO3对超高性能混凝土的性能影响，研究表明掺入纳米CaCO3能促进水化反应，使超高性能混凝土的流动性下降，能提高超高性能混凝土的抗压强度及抗折强度.Sato等[8]采用传导量热法发现，纳米CaCO3的掺入可以显著加快早期的水化反应，且掺量越多加快效果越明显.Detwiler和Tennis[9]发现，在水泥水化过程中，石灰石粉颗粒会成为成核的场所，增加了水化产物C-S-H凝胶沉淀在石灰石粉颗粒上的概率，加快了水泥石中C3S的水化.本文通过超声波分散方式将纳米CaCO3掺入水泥基材料中，研究其对水泥基材料性能和结构的影响，并进一步通过XRD和SEM分析纳米CaCO3对水泥基材料的影响作用机理，以期为纳米CaCO3在水泥基材料的工程应用提供理论基础.
1原材料与方法
1.1原材料
水泥为P·O42.5R普通硅酸盐水泥，由重庆天助水泥有限公司生产，化学成分见表1；细集料为岳阳产中砂，细度模数为2.48；高效减水剂为重庆三圣特种建材股份有限公司生产的聚羧酸系高效减水剂，固含量为33%；纳米CaCO3由北京博宇高科新材料技术有限公司生产，表现为亲水性，部分技术指标列于表2，扫描电镜图见图1，X射线衍射结果见图2.
1.2试验方法
1.2.1纳米CaCO3分散方式
根据前期试验验证，超声波分散方式对纳米CaCO3有更好的分散效果.制备水泥砂浆试件时，将减水剂和纳米CaCO3加入水中，超声波分散10 min，再手工搅拌2 min，以待测试.
1.2.2表观密度
水泥浆体表观密度试验采用水泥净浆，水胶比为0.29，减水剂掺量为胶凝材料质量的0.15%，纳米CaCO3掺量分别为胶凝材料质量的0.5%，1.5%，2.5%.试验所采用容器为1 L的广口瓶，采用水泥净浆搅拌机制样，放在振动台上振捣密实.
1.2.3流动性测试及成型
流动度试验按照GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行；力学性能试验按照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》进行.将水泥和砂在搅拌机中搅拌90 s，再将分散有纳米CaCO3和减水剂的溶液倒入干料中搅拌90 s.采用40 mm×40 mm×160 mm三联钢模成型，1 d后脱模，在温度为（20±2） ℃的饱和石灰水中养护至相应龄期.水泥砂浆试件的配合比见表3，其中纳米CaCO3和聚羧酸减水剂以胶凝材料的质量百分比掺入.
1.2.4微观测试试验
XRD分析测试采用日本Rigaku公司D/MAX2500PC型X射线衍射仪.测试条件：Cu靶，管压40 kV，电流100 mA，扫描步长0.02°，扫描速度4 °/min，扫描范围5°～70°.样品采用与表3相同胶凝材料组成与水胶比的水泥净浆，养护至规定龄期破碎取样，放入无水乙醇中浸泡3 d以终止水化，置于50 ℃干燥箱中干燥24 h，取出样品用研钵研磨过0.08 mm方孔筛，将过筛的粉末样品置于干燥器中以待测试.
扫描电镜测试采用捷克TESCAN公司生产的Tescan VEGA Ⅱ LMU型扫描电子显微镜（Scanning electron microscope，SEM），测试样品取自强度测试破坏后的砂浆试块，放入无水乙醇中浸泡3 d终止水化，装入50 ℃干燥箱中干燥24 h，将样品真空镀金，在20 kV高压钨灯下分析其微观形貌.
2结果与分析
2.1纳米CaCO3对水泥基材料表观密度的影响
对新拌的水泥净浆浆体进行表观密度测试，试验结果如图3所示.
结果表明，随着纳米CaCO3掺量的提高，水泥浆体的表观密度随之增大.掺量从0%增加到2.5%时，表观密度由1.98 g/cm3提高到2.10 g/cm3.表明纳米CaCO3可填充水泥浆体中熟料颗粒之间空隙，使浆体的结构更加密实.
2.2纳米CaCO3对水泥基材料流动性的影响
按表3拌制水泥砂浆测试流动度，结果如图4所示.随着纳米CaCO3掺量的增大，砂浆的流动度逐渐减小.这是因为纳米CaCO3比表面积大，其颗粒表面吸附更多的水导致需水量增大[10]，纳米CaCO3同其它超细粉料一样可以填充熟料颗粒之间的空隙，将熟料颗粒之间的填充水置换出来，起到减水作用，但纳米CaCO3颗粒比表面积过大，其增加需水量的作用远远大于减水作用，宏观表现为水泥砂浆的流动度减小.
2.3纳米CaCO3对水泥基材料力学性能的影响
按表3拌制水泥砂浆，分别测试3 d和28 d的抗压和抗折强度，结果如图5和图6所示.
由图可知，纳米CaCO3提高了水泥砂浆的3 d及28 d强度.1.5%的纳米CaCO3掺量效果最好，其3 d的抗压和抗折强度较基准组分别提高20.6%和17.7%，28 d的抗压和抗折强度较基准组分别提高22.9%和11.1%.然而掺量增加到2.5%时，砂浆强度相较于1.5%掺量明显下降.由试验结果可知纳米CaCO3的掺量不宜过多，存在一个最佳掺量[11-12]，在本研究中这个最佳掺量为1.5%.
纳米CaCO3可以提高水泥基材料早期强度有以下几方面原因：纳米CaCO3可以起到超细微集料的作用，填充熟料颗粒周围的空隙，使结构变得更加密实从而提高强度，这与图3结果一致；纳米CaCO3可以明显降低Ca（OH）2在界面处的密集分布和定向排列，有助于改善界面的综合性能[13]；纳米CaCO3可促进C3A与石膏反应生成钙矾石，钙矾石与纳米CaCO3反应生成碳铝酸钙也是早期强度提高的原因之一[13].而文献[14]也指出，纳米颗粒掺量过多容易产生团聚，并包裹水泥颗粒，因而阻碍水化反应，使得强度下降.纳米CaCO3掺量过多所造成的团聚也会影响纳米CaCO3在水泥基材料中的分散，使新拌水泥砂浆产生过多的微小气泡，增加硬化后的水泥浆体有害孔的数量，导致强度下降.
2.4纳米CaCO3对水泥基材料性能与结构的影响
机理
2.4.1XRD分析
按表3配合比制备水泥净浆，其3 d和28 d的XRD图谱见图7和图8.由图7可知，在3 d龄期内，纳米CaCO3并没有改变水泥的水化产物组成.2组试样的水化产物基本相同，均含有Ca（OH）2，钙矾石（AFt）相，未水化的硅酸三钙（C3S）和硅酸二钙（C2S），以及掺入的和因碳化而生成的CaCO3.分析2组试样的C3S和C2S的特征衍射峰（2θ=32.3°）可以发现，对照组中C3S和C2S的特征衍射峰比基准组中低；而对照组中钙矾石的特征衍射峰（2θ=23.1°）比基准组中高；对照组中Ca（OH）2的特征峰（2θ=34.2°）略比基准组强，说明前者Ca（OH）2含量略高于后者，这是由纳米CaCO3加速硅酸三钙的水化所致，使其水化产生更多的Ca（OH）2.上述分析说明纳米CaCO3可以促进水泥的早期水化.
由图8可见，在28 d龄期内水泥的水化产物中出现了水化碳铝酸钙（C3A·CaCO3·11H2O），这与李固华等[12]的试验结果类似，即表明纳米CaCO3参与了水泥的水化反应，与水及铝酸三钙反应生成了水化碳铝酸钙.对比2个样品的C3S，C2S的特征衍射峰发现，对照组中C3S，C2S的特征衍射峰要比基准组中低；而对照组中Ca（OH）2的特征峰略比基准组低，根据前人的研究[15]，这是由于Ca（OH）2和CaCO3作用生成了碱式碳酸钙，这种碱式碳酸钙可以增强界面区的粘结.纳米CaCO3的这种效应使得水化产物Ca（OH）2在更大程度上被消耗，因此其衍射峰强度低于基准组.上述分析表明在3 d到28 d的龄期内，纳米CaCO3仍促进水泥的水化，产生新的水化产物相并从宏观上导致水泥基材料强度提高，内部界面区增强粘结能力更好，XRD图谱从微观方面解释了28 d掺入纳米CaCO3其力学性能优于基准组的原因.
2.4.2SEM分析
按表3成型的水泥砂浆试样的3 d和28 d SEM图片见图9和图10.图9显示了4组试样水化3 d的微观形貌结构.分析发现：试样（a）已有一定程度的水化，发现有针状的AFt晶体和水化硅酸钙凝胶，但整体结构不太密实，存在较多的空隙，在过渡区处水泥石与集料的结合不太紧密.掺入纳米CaCO3后对于界面过渡区来说有明显的改善，水泥石更加密实.试样（b）和（c）已有明显的水化，水化产物水化硅酸钙凝胶增多，形成网络状和絮凝状的凝胶填充未水化颗粒之间的空隙，使整体结构更加致密[16].由图可知，随着掺量的提高，当纳米CaCO3掺量为胶凝材料质量的1.5%（试样c）时，其对界面的改善效果最好，水泥石结构也更加致密，在界面过渡区几乎看不到水泥石与集料之间的间隙，说明连接很紧密，与上述力学性能试验结果相符.但未明显发现有Ca（OH）2晶体，这可能是因为Ca（OH）2晶体被大量的水化硅酸钙凝胶所覆盖.随着掺量的继续提高，从试样（d）中可看出，水泥石的孔隙变多，结构变得不密实.在界面过渡区处水泥石与集料之间存在间隙并发现了针状钙矾石晶体和六方片状的Ca（OH）2晶体，水化产物水化硅酸钙凝胶也随之减少.这是由于纳米CaCO3掺量过多，分散不均匀形成团聚引起的.水泥石结构的致密程度以及水泥石和集料的界面过渡区的结合紧密程度都会影响水泥基材料的强度，上述分析从微观角度解释了水泥基材料力学性能变化的原因.
图10显示了4种试样水化28 d后的微观形貌结构.分析发现：随着水化的进行，在28 d龄期内各组试样中的水化产物都较3 d增多，水泥石结构也更加致密，水泥石与集料的在界面过渡区处的结合也更加紧密.但在试样（a）和试样（d）中集料与水泥石的界面过渡区处的结合仍不是很紧密，且存在一定的缝隙，水泥石自身结构也存在一定的空隙，不是十分致密，而在试样（b）和试样（c）中则发现集料与水泥石的界面过渡区处的结合更为紧密，水泥石中存在大量的凝胶状的水化产物，结构密实.尤其在试样（c）中，界面过渡区处找不到连接的间隙，水泥石中都是凝胶状水化产物几乎没有孔隙，这些水化产物并不独立分散，而是呈现整体化结构.上述现象说明适宜掺量的纳米CaCO3可以促进水泥基材料早期的水化，使水泥熟料颗粒水化产生更多的水化硅酸钙凝胶[17].同时，纳米CaCO3可以增加水化硅酸钙凝胶在界面处的含量，可以改善Ca（OH）2晶体的定向排列性能，使得界面位置的水化结构由平面排列向空间结构过渡，所以适宜的掺量可以改善界面的综合性能[13].
3结论
1）纳米CaCO3的掺入增加了水泥浆体的表观密度，降低了水泥基材料的流动度，掺入适量的纳米CaCO3有助于水泥砂浆3 d和28 d龄期强度的提高，但掺量不宜过大.
2）掺入适量的纳米CaCO3可以促进水泥水化反应的进行，增加水化产物的生成量.在3 d的龄期内，纳米CaCO3并没有改变水泥的水化产物组成；在28 d的龄期内，在水泥的水化产物中发现了新的水化产物——水化碳铝酸钙.掺入适量的纳米CaCO3还可以改善水泥基材料的界面结构和水泥石的结构，使集料与基体结合的更加紧密，水泥石更加密实.
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纤维水泥基复合材料 篇4
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。
纤维水泥基复合材料 篇5
与金属材料相比，高性能纤维复合材料成本高，所以必须在纤维复合材料结构件制造过程中广泛实现自动化和数字化相结合的现代复合材料制造技术，以达到降低飞机全寿命周期内成本的目的。
国外飞机碳纤维复合材料制造技术现状 复合材料用量大幅提高
目前，国外新一代军机和民用运输机已普遍采用高性能树脂基碳纤维复合材料，第四代战机复合材料用量占飞机结构重量的20％～50％，干线客机约为10%～50％。
以波音777为例，在其机体结构中，铝合金占70%、钢11%、钛7%，复合材料仅占到11%，而且复合材料主要用于飞机辅件。但到波音787时，复合材料的使用出现了质的飞跃，其用量已占到结构重量的50%，不仅数量激增，而且已用于飞机的主承力构件。构件集成化、整体化、大型化
复合材料是大型整体化结构的理想材料，与常规材料相比可使飞机减重15%～30%，结构设计成本降低15％～30％，制造成本大幅降低。复合材料还克服了金属材料容易出现疲劳和被腐蚀的缺点，增加了飞机的耐用性，改善了飞机的维修性，同时也带来了飞机客舱的舒适性。
美国CAI计划将复合材料结构整体成型技术列为其最主要的关键技术之一，并于2001年开始用于F-35(JSF)的验证上。
在波音787之前，飞机的机身段由约2500个配件、3万个螺钉组装起来，现在通过采用集成化的整体机身结构，使生产方式更简单、更可靠，且显著减少了零件数目，减重约达20%。制造设备大型化
在复合材料制造设备上，国外民机广泛采用了高效的双头铺带机、自动铺放设备、大型热压罐及超声检测设备等，为高速生产机体结构提供了保障。
ASC工艺系统公司已制造出用于波音787复合材料机身段固化的、世界上最大的热压罐。该热压罐最大压力1.02MPa，最高温度232℃，作业区面积9m×23m，容积2214m3,重量500t以上。
Flow International公司制造了超大型喷水切割机，用于长达30m的波音787全复合材料结构机翼蒙皮层合板的切割，床身为36m×6.5m。该磨粒喷水切割机可快速、高效切割厚的层合扳，且不产生过热问题。复合材料下料、铺放、切割实现自动化和数字化
由Dassault Aviation公司同BAE体系公司联合设计的商用喷气式飞机机身采用浸渍树脂的碳纤维窄带和蜂窝芯材制造。该机身每节段尺寸为4.5m×2m，机身全部采用圆桶式复合材料（FUBACOMP）方案。
B787飞机加工中生产出的第一个全尺寸复合材料整体结构机身段的尺寸为7m×6m。这一包括桁条在内的整体结构是在一副用殷伐钢制成的大型芯轴中制作的，芯轴上安装有加强筋的W形模腔，加强筋在纤维铺放前被安放在模腔中，应用计算机控制的复合材料铺带机完成纤维铺放。模具被安装在一个旋转机构上，随着铺带过程的进行，该机构带动筒型件旋转，然后该构件被包裹并放入热压罐中进行共固化，形成带加强筋的壳体结构。低成本制造技术广泛应用
由于复合材料的成本较高，特别是制造成本，这是制约它进一步扩大应用的主要障碍之一。以美国为首的西方发达国家纷纷制订低成本复合材料发展研究计划，不断完善复合材料层压板真空袋-热压罐制造工艺，开发高性能、低成本的复合材料制造技术，并已取得较大进展。如自动化的铺带机（ATL）、纤维铺放机、树脂转移模塑成型（RTM）、真空辅助模塑成型（VARTM）、树脂膜熔渗（RFI）、电子束固化及膜片成型等先进技术。
RTM技术不使用预浸料和热压罐，可以有效地降低成本，配套使用三维编织机和三维缝纫机，可以制造较为复杂的零件。RTM技术在美国的F-22和F-35上得到了广泛应用。波音787机身的大部分地板采用RFI制造。波音787机翼后缘由德哈维兰公司采用VARTM工艺制造，与传统的热压罐技术相比，结构更坚固，易于修理，不易损伤。
国内飞机碳纤维复合材料制造技术现状
我国复合材料制造技术经过30多年的研究和发展，已形成了一定的规模，达到了一定的水平。各主机生产厂均已建设了生产手段，完成了相应的设备改造和技术改造。各研究院所及重点高校培养了大量人才。国内从设计、材料到工艺有了一支配套的研发队伍。但与国外相比，还存在应用规模和水平、材料基础、制造工艺、设计方法与手段严重落后等问题，且差距有进一步拉开的趋势。
复合材料用量不高
当波音、空客等新机型大规模采用复合材料后，我国目前仅掌握金属飞机的研制能力，复合材料只能少量地用在飞机辅件上，在主结构上的应用还需进一步研究。
国内1985年制成的歼
8、强5机垂直尾翼壁板及垂直尾翼使用过树脂基碳纤维复合材料。国产客机、运输机主、次承力构件没有使用复合材料的相关报道。国内直升机领域复合材料使用比例较大，直九复合材料使用率达到了23%左右。国内无人机因尺寸较小，复合材料用量较大，一般在50%～80%之间，如爱生系列无人机。
碳纤维依赖进口，国产化程度低
我国自20世纪60年代开始碳纤维研究开发，至今已有近40年的历史，但进展缓慢，无论军用、民用碳纤维均不能自给，同时由于发达国家对我国几十年的技术封锁，至今没能实现大规模工业化生产，仅有的生产厂家还面临国际的竞争和挤压，举步维艰。尤其是像T800这样被广泛应用于飞机制造的复合材料，我国还不能生产。国产化的T300复合材料还在研制之中。工业及民用领域的需求长期依赖进口，严重影响了我国高端技术的发展，尤其制约了航空航天及国防军工事业的发展，与我国的经济社会发展进程极不相称。
制造设备尺寸小且多数依赖进口
国内用于复合材料生产的主要关键设备与我国要开展的大飞机结构尺寸相比，设备尺寸小，且大多数依赖进口。
如西飞用于飞机复合材料制造的主要设备热压罐是从德国Scotch公司引进的φ3.5m×10m热压罐，有效长度为10m，直径为3.5m，与欧美等国家相比，差距仍然较大。
哈飞用于先进复合材料生产的主要设备，如固化炉、大型热压罐、复合材料数控下料铣、激光铺层定位系统、自动铺带机、RTM成型设备、缝合设备以及先进的无损检测设备等基本上是从国外进口的。
工艺落后，自动化和数字化水平低
以树脂基碳纤维复合材料飞机结构件为例。传统的生产工艺采用预浸料铺层干法成型工艺，在热压罐或烘箱中加热、加压固化成型机体复合材料构件。固化、脱模、修整后的构件经无损检测验证合格后进入下道装配工序。
传统复合材料成型工艺的缺点是手工下料、手工铺放，能耗高，生产成本高，质量不易控制，不环保。在整个工艺过程中产生的废料包括：预浸料、胶膜、蜂窝下料过程中形成的边角料；固化过程产生的废气；复合材料零件修整过程中打磨和切割裁边时产生的固体粉尘，固体边角料；胶接过程产生的废气等，这些因素都增加了产品的制造成本，并对环境造成了破坏。
自动铺带机、自动丝束铺放机、柔性数控气动卡具的出现部分解决了手工铺放质量不易控制的缺点。不过，到目前为止，仍不能完全采用自动化设备来替代手工铺放。同时，热压罐法成型生产周期长，设备费用高，能源消耗大，成本高，由于复合材料零件的整体尺寸越来越大，所需的热压罐尺寸跟着加大，成本问题也随之突出。
综上所述，我国树脂基碳纤维复合材料制造存在着原材料和制品的成本昂贵、制品成型工艺陈旧、复合材料回收再利用困难等问题亟待研究解决。
结论与建议
建立适合国情的复合材料研发模式
与欧美国家相比，我国复合材料制造技术各方面都存在较大差距，主要原因是我国科技转化为生产力的水平较低。与欧美航空工业相比，我国航空企业还没有成为真正的科技转化生产力的主体，科技转化为生产力体制、机制的最佳模式还没有形成。为此，需建立复合材料发展战略，有组织、有规划地进行研究和创新，同时应加大对相关企业的投入，完善科研机制，实行设计制造一体化，提高飞机研制的频度，建立科技转化生产力体制、机制的航空工业最佳模式。
实现高性能、高质量碳纤维国产化
随着我国经济的快速发展，碳纤维的需求与日俱增，虽然国际上一些公司的T300级原丝和碳纤维产品开始对我国解冻，但碳纤维及其复合材料的生产是关系到国防建设的高科技，必须立足国内。所以，需要加大国家投入和攻关，或通过技术引进，尽快掌握核心技术，降低生产成本，研制生产高性能、高质量的碳纤维，以满足军工和民用产品的需求，扭转大量进口的局面，这是我国碳纤维工业发展亟待解决的问题。
大力发展低成本制造技术
低成本复合材料制造技术是当今世界上复合材料技术领域的核心问题之一，包括低成本的材料技术、低成本的设计技术和低成本的制造技术，如大型整体成型结构、共固化/共胶接结构、设计制造一体化技术等，其中，重点应是以共固化/共胶接为核心的大面积整体成型技术。我们应当向国际上倡导的的“无紧固件”技术靠拢，减少后加工量和装配工作量。
国内亟需在这几方面制订好规划,有组织地统一制订相应规范，使试验和分析更好地结合起来，形成设计和鉴定的统一指南，编制全行业的技术标准，改进最终产品的一致性，降低成本，减小风险，以满足飞机研制的需要。
发展研究创新的制造工艺技术
国外复合材料在飞机上的广泛应用得益于制造设备和工艺技术的发展和成熟。因此，国内要注意规划发展机械化、自动化制造技术（如自动铺带技术、自动纤维铺放技术等），并提高生产设备的柔性，以提高复合材料构件的生产率。注意借鉴其他领域的经验，在飞机零件制造中适当采用缠绕、拉挤等低成本的自动化制造技术，填补这一空白。
采用高效、环保的切割、成型技术
由于复合材料的大规模应用，提高其切割和成型技术就显得越来越迫切。用传统工艺方法切割复合材料时粉尘大、污染高，而且易烧伤端面，成型的余量需要重新去除，因此，应推广采用自动数控高压水切割技术，切割、成型一次完成，生产效率和质量显著提高。
开展无损检测技术的研究与应用
为保证产品的安全性、可靠性及交付后的可维修性，需使用无损检测技术（超声、射线、激光超声等技术）对构件进行检测，以发现复合材料结构中的分层、脱粘、气孔、裂缝、冲击损伤等缺陷，并给出缺陷的定性、定量判定，为工艺分析提供依据。
纤维水泥基复合材料 篇6
高延性纤维增韧水泥基复合材料(ECC)是当前土木工程界的研究热点课题之一[1],由于其超强的裂缝控制能力、抗弯韧性、抗疲劳性能及耐久性,已经成功地应用到世界各国的多个工程中。ECC是一种以超强拉伸应变能力著称的材料[2,3,4,5],单轴拉伸试验能较准确地反映ECC的抗拉性能。目前,关于纤维素纤维增强水泥基复合材料直接拉伸试验研究报导较少[6,7],而关于水胶比、砂胶比、纤维类型、粉煤灰及矿渣含量等因素对其拉伸应变能力的影响也缺乏系统的研究[8,9]。本文对ECC进行了单轴拉伸试验,确定了ECC的应力-应变关系,并分析了砂胶比、纤维类型、粉煤灰及矿渣含量等因素对ECC拉伸应变能力的影响规律。
1 试验概况
1.1 试验方案
考虑砂胶比、纤维类型、粉煤灰及矿渣含量四种因素对ECC拉伸性能的影响,设计了10种不同配合比的ECC,见表1。本试验水泥采用P·O 42.5R级普通硅酸盐水泥;细骨料选用细度模数为200目的石英砂;粉煤灰和矿渣采用徐州某公司的Ⅰ级粉煤灰和S95级矿渣,矿渣的比表面积≥400m2/kg;纤维选用日本产K-ⅡPVA纤维和上海某公司产的佳密克丝(Dramix)微细钢纤维,纤维的性能指标见表2。另外,拌制ECC过程中还添加了江苏某公司的聚羧酸高性能减水剂。
注:以上配比均为质量比,除纤维用体积比表示;纤维类型中P代表PVA纤维,S代表钢纤维。
试件尺寸为160mm×50mm×12mm,试件两端采用粘贴长50mm、宽45mm、厚1mm的铝板进行加固,铝板与试件之间采用碳纤维布作为垫层并用环氧树脂胶结。固定完毕后需要在试件的标距段夹持引伸计,本试验中引伸计标距为50mm,引伸计通过皮筋绑定在试块的一侧,如图1所示。试验选用CCS-44100型液压伺服机,设定的静力加载速率为0.1mm/min,荷载和应变的监测均由伺服机配套软件Testexpert完成。
1.2 试件破坏特征
试件在加载过程中,薄弱截面首先发生破坏并迅速形成第一道裂缝,继而将会在首次出现裂缝的附近同时产生大量成片的微细裂缝。继续加载,试块的其他截面位置就会开裂,该位置可能与初次开裂的位置较远,然后成片的裂缝接着就出现在新的位置,如图2所示。所有的裂缝几乎都垂直于加载方向,经测量裂缝在30-50μm之间的宽度比较均匀。
直拉试验破坏后的断面内的纤维长短不一,纤维的破坏分为两种:断裂和拔出。一般断面内外露长度较长的纤维为拔出破坏,其端部完好或轻度受损,而外露长度较短的或者没有露出来的多为拔断破坏,纤维沿斜向发生了断裂。纤维的拔断或拔出与纤维与基体之间的化学粘结力有着直接关系,粘结力越大,越容易发生拔断破坏。
2 试验结果及分析
ECC薄板直拉试验中,试件的初裂强度在1.56-3.07MPa之间,初裂应变在0.795×10-4-1.6×10-4之间,极限抗拉强度在2.07-4.61MPa之间,弹性模量在15.1-20.8GPa之间,极限拉应变能力悬殊,离散性大,而初裂强度和初裂应变相对较稳定。与普通混凝土相比,初裂强度、初裂应变、极限抗拉强度、弹性模量都略低,但极限拉伸应变能力增长显著。试验中,ECC最高拉伸应变为3.025%,而普通混凝土拉伸应变能力约为0.01%,因此,ECC拉伸应变能力明显优越于普通混凝土。
2.1 粉煤灰掺入量与拉伸应变能力的关系
图3为粉煤灰掺入量与ECC拉伸应变性能的关系,通过比较图中的第1、2、3组应力-应变曲线可知,粉煤灰掺入量(FA/B)的提高对于拉伸应变能力及应力-应变曲线的稳定性是极其重要的。随着粉煤灰掺量的增加,极限拉伸应变显著增加,并且曲线的抖动频率也急剧增加,抖动幅度减小。当FA/B=0.45时,第1组试件都表现出了明显应变软化,应变达到0.45%和0.67%,荷载达到极限拉伸荷载后,主裂缝已形成,继而承载力持续下降,裂缝变宽。随着粉煤灰掺量增至0.55,第2组中个别试件体现出了应变硬化特征,材料达到第一个应力峰值点后应力有突降,但应力并没有就此下降,反而继续上升。当FA/B=0.65时,第3组试件的应力-应变曲线体现了极好的应变硬化现象,应力-应变曲线反映出的特征为初裂点明显、波动数量多、波动幅度小、极限应变值大、应力下降段陡。可见,粉煤灰的掺入对增大材料拉伸应变能力,增强材料性能的稳定性是有利的,但粉煤灰的增加会导致初裂强度和极限强度下降。
2.2 砂胶比与拉伸应变能力的关系
图4反应了砂胶比与ECC拉伸应变性能的关系,比较图3中的第3组与图4中的10、11组数据,这三组的砂胶比(S/B)是逐渐增加的,分别为0.36、0.46、0.56。第3和11组试件的应变能力较好,硬化效果明显,而10组却表现出应变软化,虽然其最大拉伸应变达到1.698%,但该应力-应变曲线达到峰值荷载后应力持续下降,并由于波动的存在减缓了应力的下降速度。而11组中最高拉伸应变能力达到1.878%,其应力-应变曲线波动频繁,达到1.5%应变后应力呈下降趋势,不属于严格意义上的应变硬化。而这三组曲线的初裂强度和极限强度均随砂胶比的提高而提高。可见,随着砂胶比的增加,初裂强度、极限强度也随之增加,但与拉伸应力能力的关系不明显。
2.3 矿渣含量与拉伸应变能力的关系
图5为矿渣含量与ECC拉伸应变的关系,三组试件的矿渣替代率依次为20%、40%、60%。这三组试件在测试中反映出来的性能迥异,离散性极大,如第15组替代率为20%的试件最低拉伸应变和应力分别为0.552%和2.27MPa,最高拉伸应变和应力为1.96%和4.61MPa,应变和应力的增幅分别达到2.55倍和1.03倍,如此大的离散性充分说明了这些试块均匀性很差,内部纤维的分散性也很差。与未添加矿渣的试件相比,添加矿渣试件的初裂强度要略高,极限抗拉强度也有一定程度的提高,而矿渣的增量与极限抗拉强度的增量之间的关系不明显。
2.4 纤维类型与拉伸应变能力的关系
图6反应了不同纤维类型、纤维含量与ECC拉伸应变性能的关系。图中第19、20组用钢纤维代替了部分的PVA纤维,替代率分别为25%和50%。由图6可见,替代率的提高明显降低了材料应力-应变曲线的抖动行为,替代率为50%时,第20组试件的曲线几乎是平坦的,与替代率为25%时有明显的抖动增加,与未掺加钢纤维的试件相比,替代率为25%时,极限拉伸应变能力由3.025%降低到1.987%,其应变能力主要是通过钢纤维的拔出和主裂缝的扩大而实现的。同样,替代率为50%的拉伸试件得到的平坦的曲线也能达到1%以上的应变值。然而,这种应变能力实际上有别于ECC多裂缝开裂所形成的应变值,裂缝的开展宽度已经超过了允许值,属于有害裂缝。通过分析可知,纤维的替代率对于初裂强度的影响不大,而适量的钢纤维替代率有利于极限抗拉强度的提高,替代率过高反而不利。
3 结论
(1)提高粉煤灰含量可以有效提高ECC的拉伸应变能力,但会显著降低材料的初裂强度和极限抗拉强度。
(2)砂胶比提高可提高材料初裂强度及极限抗拉强度,但对于极限拉伸应变能力的影响不显著。
(3)提高矿渣的掺量虽可提高初裂强度和极限抗拉强度但会严重影响材料的均匀性,并降低材料的极限拉伸应变能力,增大试验数据离散性。
(4)钢纤维的掺入对于提高材料的应变硬化能力是不利的,会导致材料呈单裂缝开展破坏形式,裂缝的宽度得不到控制。
参考文献
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纤维水泥基复合材料 篇7
改革开放以来, 我国的经济建设取得了巨大成就的同时, 资源的消耗也在进一步上升, 随着资源消耗进一步加大, 我国的污染问题也变得更加的严峻, 不仅使我国的环境变得更加恶劣, 而且又制约着我国的经济发展。建材工业为我国经济的发展起到了举足轻重的作用, 大力发展建材工业还可以缓解我国的就业压力, 提供更多的工作岗位。但是建材工业也消耗了大量的化石能源以及宝贵的土地资源, 同时还产生了大量的污染, 所以发展新型材料成了建筑工业的当务之急。新型材料的生产以及使用应该包括以下几点要求:首先, 原材料应该多使用建筑废渣, 以及生活垃圾, 从而可以减少使用天然资源;其次, 在新型材料的生产加工过程中, 应该使用最新的生产技术, 降低生产成本, 以及不使用有毒害的物质, 以减少对环境的污染;最后, 新型材料不能对人体构成伤害, 在满足经济性要求的同时, 还要保证材料的其他使用功能[1,2,3]。
我国作为农业大国, 每年秋收以后, 都会产生数以万计的农作物废料。据官方的调查统计, 一部分农作物废料当成牲口的饲料, 另一部分的农作物废料则当成了燃料, 而绝大部分的农作物废料几乎是直接焚烧, 造成了巨大的环境污染。新型材料可以由现有的材料中加入一定量的植物纤维, 不仅节约了资源, 而且还可以减少能源的消耗, 对保护环境也起到了积极的作用。对植物纤维水泥复合材料[4,5]及其性能进行研究, 意义重大。相比较现有的纤维材料, 如钢纤维, 聚丙烯纤维, 碳纤维等其他纤维, 植物纤维最大的特点就是取材方便, 生产成本低, 产量大。随着我国经济的发展, 有大量的建筑物需要拆迁, 会产生大量的建筑垃圾无法处理, 不仅造成了巨大的浪费, 还占用了宝贵的土地资源, 使用植物纤维水泥复合材料, 可以对建筑垃圾进行回收处理, 不仅节约资源, 还可以对建筑垃圾做到无害化处理, 减少对环境的污染。发展植物纤维材料, 对我国经济的可持续发展有着重大的意义, 植物纤维水泥复合材料必定会成为我国新型材料发展的趋势[6,7,8,9]。
1 试验概况
1.1 试件制作
kg
依照表1中的配合比称量材料, , 然然后将称量后的水与稻草纤维在JS195A搅拌机中进行充分搅拌, 再与水泥浆料混合, 直到浆料均匀无结块为止。将混合浆料倒入试模中铺平, 待板坯初步成型后, 将其放入50-C-1成型压机中压至10 mm厚。板坯定型后再放入夹紧框内, 用保鲜膜封装, 在DECD-80e干燥箱中放置8 h, 拆除夹紧框后置于蒸养釜内蒸养8 h, 再在室温条件下自然干燥一周 (见图1) [10,11]。
1.2 试验过程
将养护好的试件送入土工实验室1 000 k N液压伺服万能试验机中测其试静曲强度, 探究水灰比与纤灰比对稻草纤维水泥复合板抗折性能的影响。再用电子显微镜扫描试件断面, 探究外加剂和稻草纤维对纤维水泥基复合板材的微观影响[12]。
2 试验结果及分析
水灰比和纤灰比是影响水泥水化和水泥与纤维混合的重要参数。
由图2可见:当纤灰比一定, 水灰比小于0.42时, 试件的静曲强度随着水灰比的上升而呈明显上升趋势。这由于水灰比过小而导致纤维结团而不易打散, 从而降低了混凝土的和易性, 导致板坯铺装不匀, 影响了水泥与纤维之间的充分结合, 而当水灰比达到0.42以上, 试样测得的静曲强度波动不大, 且略有降低。这是因为水灰比过大时, 板的内部存在大量的自由水, 这些水分挥发以后会在板的内部形成蜂窝状小孔, 使板内局部应力集中, 导致稻草纤维水泥基复合板的强度略有降低。由图2可知本试验条件下适宜的水灰比为0.42。
分析图2可知, 纤灰比为0.35时静曲强度高于0.045和0.45的纤灰比, 这是由于纤灰比过小时, 纤维所占的比例不足以影响混凝土的静曲强度, 而纤灰比过大则会影响硅酸盐水泥分子间的有效结合。因此可以得出水灰比在0.42纤灰比在0.35时稻草纤维水泥基复合板的静曲强度最高。
在搅拌稻草纤维水泥基复合材料的过程中加入Ca Cl2, 因为稻草纤维对混凝土有阻凝的不利影响, 而Ca Cl2的水化反应放热, 在一定程度上又促进了混凝土的固化, 进而削弱了稻草纤维对混凝土固化的不利影响。利用电子显微镜扫描的断面图像 (如图3所示) , 分析Ca Cl2和稻草纤维共同作用下对混凝土的微观影响。
图3a) 为稻草水泥基复合材料试件断面放大300倍后的扫描电镜照片, 从图中可以看出稻草与常规混凝土配料结合比较紧密, 可以看到有细微的稻草断裂迹象, 能够说明稻草与混凝土具有较好的粘结力, 使混凝土的强度得到了提高。图3b) 为复合材料断面被扫描电镜放大1 000倍后的照片, 从照片中观察到混凝土表面水泥与稻草相互交错, 形成机械咬合的状态, 对混凝土施加外力, 在混凝土从开始受力到被压坏的过程中, 稻草被拉断, 稻草起到了连接混凝土骨料的作用, 在复合材料局部断面被放大10 000倍后, 从图3c) 中可看到有Ca Cl2的晶体镶嵌在混凝土骨料之间, Ca Cl2遇水后会放热, 在一定程度上加速了混凝土的固化。
3 结语
通过对试验数据的处理和分析, 确定了水泥基稻草纤维复合材料水灰比和纤灰比的最优值分别为0.42和0.35。在这个配合比下稻草水泥基复合板的静曲强度最高, 为1.4 MPa。
纤维水泥基复合材料 篇8
聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,简称PVA)纤维增强水泥基复合材料(PVA fiber reinforced cementitious composite, 简称PVA-FRCC) 是以水泥加填料为基本黏结料, 再加上小粒径细骨料作为基体,掺入PVA纤维制成的一种建筑材料,该材料具备很高的强度和很好的韧性[1,2,3]。 PVA-FRCC中的PVA纤维掺量一般不超过3%, 利用普通混凝土制作工艺就可以加工成型,制作工艺灵活,可工厂预制,也可现场浇筑。
PVA-FRCC具有很强的吸收能量能力,可以有效减少集中应力的作用,同时阻止混凝土中微裂缝的迅速扩展,因而可以显著改善混凝土结构的抗震性能, 将其用于抗震结构和耐损伤工程结构中,可以提高混凝土的抗疲劳性能。 此外,PVA-FRCC还具有其他的一些特性, 如优异的抗约束收缩性能、优异的抗碳化性能、良好的抗冻融性能及较低的氯离子渗透性等优异性能,可以满足各种工程的不同需要[4]。
本文通过弯曲抗拉试验和抗压试验, 研究了PVA纤维体积掺量对PVA-FRCC弯曲变形能力、弯曲强度和抗压强度的影响规律,找出了PVA纤维的最优体积掺量。
1 试验概况
1.1 试验材料
PVA-FRCC主要以水泥、矿物掺合料以及平均粒径不大于5mm的细骨料作为基体。
水泥:P·Ⅱ 52.5R普通硅酸盐水泥。
硅粉:BT-2009 型微硅粉,比表面积4500m2/kg,粒径0.08μm,堆积密度200~250kg/m3。
外加剂:高效减水剂。
细骨料:天然河砂,粒径控制在0.4mm以下,经过级配试验得到该砂的细度模数为1.9。
增稠剂:羟丙基甲基纤维素(HPMC)。
消泡剂:有机硅类消泡剂。
纤维:国产高弹性模量聚乙烯醇纤维(PVA),属于合成纤维中的一种, 其基本物理力学性能见表1所示。
1.2 配合比设计
PVA-FRCC水灰比一般要小于等于0.5, 且掺入的PVA纤维体积率不宜超过2%[5],为此,本文设计了4 种PVA纤维掺量,具体见表2。
1.3 制作工艺
首先将称量好的减水剂和消泡剂一同放入称量好的水中溶解,再将掺合料、砂、水泥和HPMC倒入搅拌筒内干拌8~12min, 然后加入溶有减水剂和消泡剂的水湿拌4~8min,最后沿搅拌筒旋转方向慢慢加入纤维,搅拌12~30min,直到纤维分散均匀为止。 这种投料顺序和搅拌方法既不使HPMC产生凝聚现象,又可节省搅拌时间。 试件浇筑3d后拆模,在标准养护环境下养护28d。
kg/m3
注:添加剂为与胶凝材料的重量百分比。
试验依据DL/T 5150—2001 《水工混凝土试验规程 》[6]的规定, 弯曲抗拉强度试件的尺寸为150mm ×150mm ×450mm, 抗压强度试件的尺寸为100mm×100mm×100mm,按照PVA纤维掺量(0.5%~2%), 分别成型表2 所示弯曲抗拉及抗压强度试件各四组,每组均成型3 个试件。
2 弯曲抗拉和抗压性能试验
2.1 弯曲抗拉试验
混凝土抗拉强度的试验方法有直接轴拉试验、劈裂试验、弯折试验、菱形桁架试验、环形试件试验、双冲压试验等。 其中弯曲拉伸试验方法试验结果比较稳定[6],因此,本试验采用此种方法进行混凝土弯曲抗拉强度的测试。
试验在万能试验机上进行,加载装置如图1 所示。 在试件底部粘贴2 个混凝土应变片,用以测量试件底部跨中位置的拉应变。 此外,由试验机实时记录力与位移数据。
试验机开动时,先进行2 次预弯,预弯荷载的水平相当于破坏荷载的15%~20%, 预弯完成后,重新调节应变仪等,准备进行正式加载。
试验时以0.25k N/s的速度连续均匀加载,每加荷0.50k N或1.00k N记录应变值, 当试件接近破坏或者应变片完全溢出时停止试验,同时记录峰值荷载值。
2.2 抗压试验
采用万能试验机进行抗压性能试验。 当试件弯断面出现在两个集中荷载之间时,视该试件试验成功,并取试件底面应变片读数的平均值作为该试件的极限应变。 每组试验件的最终极限应变由该组成功试验件极限应变的平均值确定。
3 试验结果
3.1 弯曲拉伸试验结果
对于弯曲抗拉试验,PVA-FRCC试件的破坏形态均是纯弯段开裂,如图2 所示。 其中A1 和A2 组的延性较差,开裂后迅速彻底断开;而A3 和A4 组的延性较好,开裂后还能继续承载。 总体来看,随着PVA纤维掺量的增加,各组试件的裂缝均有变小的趋势。
根据规范中求抗弯强度的方法,求得如表3 所示抗弯强度。 由表3 可以看出,随着PVA纤维掺量的增加,混凝土的抗弯强度得到了较大的提高。 从表3 中还可以看出, 随着PVA纤维掺量的增加,混凝土的极限弯曲拉伸应变得到显著提高,远大于普通混凝土的极限弯曲拉伸应变。
3.2 抗压强度试验结果
对于抗压强度试验,PVA-FRCC试件的破坏形态如图3 所示。 由图3 可以看出,试件破坏时裂缝较大,但是混凝土剥离较少,破坏形态不同于普通混凝土。
抗压强度试验结果列于表4。 由表4 可以看出,随着PVA纤维掺量的增加,混凝土的抗压强度有增加趋势,但随着掺量的进一步增加,抗压强度开始有降低的趋势。
4 结论
(1)混凝土的抗弯强度随着PVA纤维掺量的增加而增大, 同时,PVA纤维掺量的增加可以显著提高试件的极限弯曲拉伸应变。
(2)PVA纤维掺量对混凝土的抗压强度有一定影响,随着纤维掺量的增加,混凝土的抗压强度有增加的趋势,但随着掺量的进一步增加,抗压强度开始下降。
(3)综合考虑PVA纤维掺量对混凝土的变形性能、抗弯强度和抗压强度的影响,确定变形性能较好且抗弯强度和抗压强度较高的掺量为最优掺量,即纤维体积率为1.5%的A3 组为最优掺量。
摘要：采用弯曲拉伸试验和抗压试验研究了PVA纤维掺量对PVA-FRCC试件力学性能的影响规律。研究结果表明,PVA-FRCC试件的抗弯强度随着PVA纤维掺量的增加而增大,极限弯曲拉伸应变也随着纤维掺量的增加而增大;随着纤维掺量的增加,PVA-FRCC试件的抗压强度有增大的趋势,但随着掺量的进一步增加,抗压强度开始有降低的趋势。
关键词：PVA纤维,纤维增强水泥基复合材料,体积掺量,力学性能
参考文献
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[3]Li V C.Reflections on the research and development of engineered cementitious composites[C].Proceedings of the JCI International Workshop on Ductile Fiber Reinforced Cementitious Composites-Application and Evaluation,Takayama,Japan,Oct.2002:1-21.
[4]高淑玲.PVA纤维增强水泥基复合材料假应变硬化及断裂特性研究[D].大连:大连理工大学,2006.
[5]高淑玲,徐世烺.PVA纤维增强水泥基复合材料拉伸特性试验研究[J].大连理工大学学报,2007,47(2):233-239.
[6]林晖.掺PVA纤维混凝土的力学及变形性能研究[D].南京:南京航空航天大学,2006.
纤维水泥基复合材料 篇9
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.
纤维水泥基复合材料 篇10
界面是复合材料中纤维和基体间的应力传递者,是决定复合材料力学性能的关键因素。近十余年来,复合材料界面力学行为的研究一直十分活跃,在实验和理论方面都取得较大的进展。纤维增强水泥由于在防裂和增韧方面的显著效果,近年来十分受重视,在研究和工程应用上都有很大进展。
纤维-水泥基体、集料-水泥浆体界面结构和性状对纤维水泥复合材料纤维增强机理有着决定性的影响。在纤维增强水泥基复合材料的研究中,如何改善界面区的组成和结构,以改善水泥基复合材料的性能,一直受到广泛的重视。因此,探讨复合材料增强机理,必须对界面区进行深入研究。
1 纤维与水泥浆体的界面性能
纤维-水泥基体界面是纤维增强水泥基复合材料的一薄弱环节。界面的粘结强度涉及砂浆中水泥凝胶体与纤维表面分子间的吸附力和表面物理作用,正是由于这两种力的共同作用,使得纤维在与基体脱粘和拔出过程中要消耗大量的能量。但由于界面薄弱所引起的粘结强度失效,常使得纤维应有的增强、增韧和阻裂的效果不能充分发挥。
一般情况下,纤维-基体的界面具有比基体大的水灰比,从而造成水膜层厚度增大、离子浓度降低。钙矾石在生长过程中,易于在纤维表面形成定向排列,有碍纤维表面与凝胶的接触。同时,由于过渡区离子浓度的下降,水化生成的凝胶减少,使得凝胶与纤维的接触点减少。纤维-基体界面是一个固-液-气三相多孔体,界面的粘结性能起决定作用。界面区的性能主要取决于这些组成的性质、相对含量以及他们之间的相互作用。
A.Bentur等[1~2]研究了纤维增强水泥基复合材料中的纤维与基体的界面,提出了界面过渡区(Interfacia Transition Zone)的概念,认为这是一个厚度约为50~100μm。临近增强材料表面的区域,在该区域中物质的微观结构与水泥基体内部材料结构有很大的差异。纤维直径和纤维间距会直接影响其界面粘结效果。
界面过渡区是影响界面粘结性能的最主要原因。基体的整体力学性能对界面性能影响较小,而一般所说的纤维与基体的粘结强度随基体强度提高而提高只是表观现象,其本质是纤维与基体的界面区增强不仅提高了界面粘结力,同时也提高了骨料与水泥浆的粘结力,从而使基体的强度得到了提高[3]。过渡区厚度相对基体来说很小,故可以把破坏的整个界面区域看作粘结单元。
孙伟等[4]研究发现,钢纤维增强水泥基复合材料中,过渡环最薄弱部位不是紧靠钢纤维的表面处,而是有一段距离。各过渡环中显微硬度值的变化规律是:紧靠纤维表面的显微硬度值较高,逐渐下降到最低点,最低点与纤维表面的距离大约在25~35μm范围内,随后显微硬度值渐增。在35~75μm距离以外,渐近于基体固有的显微硬度值。黄新、陈志源[5]采用SEM观察聚丙烯纤维-水泥界面处的微观形貌,证实了聚丙烯纤维-水泥界面区的最薄弱环节不像钢纤维构成的那样发生在离纤维表面的一定距离处,而是直接出现在纤维的表面。
2 界面性能的测试手段
目前,常用的测试方式有拔出试验法[4,6,7]、显微硬度法[4]、SEM[4,6]、DSC[8]、XPS[4,6,8]、红外光谱分析[8]。
孙伟等[4]采用拔出试验法,研究了基体性能参数和纤维特征参数对界面粘结强度的影响。采用显微硬度计,测得基体界面过渡环的范围及各部位相应的显微硬度值。采用扫描电子显微镜观察比较了界面形貌。采用能谱分析研究了钢纤维混凝土界面的化学成分与特征。
李丽、秦鸿根[7]采用拔出试验法研究了6种不同外形特征的钢纤维和普通硅酸盐水泥砂浆的粘结性能。高德川、倪建华等[6]通过单纤维拔出试验,比较了等离子体改性对界面优化的效果,并利用扫描电镜和电子能谱,进行了纤维表面形貌分析及表面活性官能团分析。
胡龙泉、吴少鹏等[8]采用“8”字模法测定了掺不同种类、数量聚合物后钢纤维与基体界面的粘结强度、拨出荷载、纤维拨出应力。用显微硬度法确定界面层。采用热导式量热仪测定掺入聚合物后DSC放热曲线变化,并测定了样品的红外光谱,分析加入聚合物后水泥石、骨料与聚合物结合的可能性。利用扫描电镜观察加入聚合物后复合材料界面的微观形貌变化。
3 界面组成与结构的改善
为获得具有优异性能的纤维增强水泥基复合材料,关键在于设法改善其界面组成和结构,并充分发挥其界面效应。目前,最常用的办法有两种:一是改善纤维表面特征;二是纤维与矿物微细粉混掺,利用其混合效应使界面得到强化。
3.1 改善纤维表面特征
改变纤维表面的状况,增加纤维表面的粗糙程度,或者通过特殊工艺使纤维表面出现凸凹肋,可以提高纤维与基体之间的机械咬合力。同时,增加纤维端部的锚固能力可更有效地提高纤维的承载力。
李丽、秦鸿根[7]研究了不同外形对钢纤维的粘结性能的影响。异形钢纤维的拔出最大荷载、与基体的界面粘结强度以及纤维脱粘和拔出时做的功比平直形钢纤维有显著提高。胡龙泉等[8]用不同聚合物对钢纤维增强水泥基复合材料进行改性,发现聚合物提高了复合材料的宏观性能如抗弯强度、韧性、纤维与水泥基体界面粘结强度。聚合物加入后其活性官能团与水泥或集料间发生化学健合,通过化学键合强化了钢纤维与水泥基体间界面,形成强度、韧性很好的具有互穿网络的钢纤维增强水泥基复合材料。
廖宪廷等[9]用PBT(为一种带羟基的亲水性助剂)对聚丙烯纤维进行改性,研究了改性前后纤维与水泥基的界面粘结效果。在SEM下观察断裂面形貌,发现改性处理的确增强了纤维与水泥基体的界面结合。在聚丙烯中加入成核剂共混材料,改变其结晶行为,使纤维表面出现部分微孔,从而提高了纤维的亲介质性,增大了纤维的刚度,增细了纤维与基体的粘结性能,可与水泥结合的更好[10]。高德川、倪建华等[6]用等离子体处理聚丙烯纤维表面,使其粗糙程度增大,且界面结合和拔出时的摩擦都增加了。
而曹明莉、位建强[11]首次将Ca CO3晶须,作为一种特殊的无机矿物微纤维掺入水泥基材料中,利用碳酸钙晶须高纤度、高强度、高模量以及良好的热稳定性等来达到增强增韧水泥基材料的目的。通过测试显示,水泥基材料的性能得到很大程度的提高,且Ca CO3晶须与水泥基材料兼容性良好。在相同的体积百分率时,Ca CO3晶须与水泥基的粘结面积是玻璃纤维的15~20倍,晶须拔出时会有剩余的水泥颗粒粘结于晶须表面。不足之处是Ca CO3晶须在水泥基材料中存在团聚现象,影响了其对微观结构的改善。因此,通过对Ca CO3晶须的表面改性来提高其与水泥基材料的粘结作用,将是今后研究的重要方向。
3.2 掺入矿物材料
通过掺加硅灰、粉煤灰等矿物材料可以使界面过渡区密实,从而增加纤维与混凝土的接触面积,增大纤维与基体间的摩擦力,提高界面粘结强度。黄新、陈志源[5]的研究结果显示,聚丙烯纤维界面区的Ca(OH)2晶体择优取向度极大,加入硅粉可以降低该取向度,并可压缩界面区厚度。
图1(a)[12]为普通砂浆的基体过渡区示意图,图1(b)[12]为加入硅灰后纤维与基体的界面情况。由图1可以看出,加入硅灰后,界面区材料明显密实了。试验结果(图2)[13]也证明:密实基体中纤维的拔出强度和位移都比普通水泥基体材料高很多。
文献[14]也提出将晶须与纤维进行混掺,利用普通纤维的高冲击韧性和晶须的高弹性模量,是一种弥补单掺缺陷的良好途径。
4 结语
界面性能对复合材料的力学性能与破坏方式均有显著影响,界面设计一直是纤维增强复合材料微结构设计研究的重要内容。人们对界面及纤维脱粘也做了大量的模型研究,目的都是为了更加清楚地了解复合材料的界面效应,并通过有效办法,使纤维与基体的粘结作用达到最优。而目前改善界面组成与结构的方法局限于上述两种,寻找更广阔的思路将是今后研究工作的重点。
摘要：基于界面在复合材料中的重要性,介绍了纤维增强水泥基复合材料中,纤维与水泥基的界面性能以及目前常用的界面性能的测试手段;同时,对目前常用的纤维(钢纤维、聚丙烯纤维)及新型无机矿物微纤维CaCO3晶须,与水泥基材料的界面的组成与结构的改善办法进行了总结。
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