（环境科学专业论文）环境友好型纤维增强外墙装饰板的研究.pdf

武汉理工大学硕? 卜学位论文 a b s t r a c t s i n c et h e19 8 0 s ，i nv i e wo ft h em i c r o - f i b e rc o n t a i n e di nt h ea s b e s t o sh a r m f u lt o t h eh u m a nb o d y , t h e r eb e e ns o m ed e v e l o p e dc o u n t r i e sh a v es t a r t e dt ol i m i to rs t o pt h e a s b e s t o s c e m e n tp r o d u c t s p r o d u c ea n du s e ，t h e r e b yp r o m o t i n gt h en o n - a s b e s t o s r e i n f o r c e dc e m e n tp r o d u c t r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t av a r i o u so fn o n a s b e s t o s r e i n f o r c e dc e m e n th a sb e e ns u c c e s s f u l l yd e v e l o p e di nc h i n a ，b u ti th a r dt os a t i s f yt h e p e o p l e sn e e d sf o r t h ef i b e rr e i n f o r c e dc e m e n tc o m p o s i t e p e r f o r m a n c et h a tb e c o m i n g h i g h e ra n dh i g h e r t h eh y b r i d f i b e r - r e i n f o r c e dc o n c r e t ea n dh i g h - p e r f o r m a n c e f i b e r - r e i n f o r c e d c o n c r e t e a p p e a r a n c ei s as y m b o lt h a tf i b e r - r e i n f o r c e dc e m e n t c o m p o s i t eh a v es i g n i f i c a n td e v e l o p e d f i b r eh y b r i d i z a t i o nc a l lp r e p a r eh i g l l s t r e n g t h ，h i g hd u c t i l i t ya n dt o u g h n e s sf i b r e r e i n f o r c e dc e m e n tc o m p o s i t e s t h r o u g hi n c r e a s i n gt h ef i b r ev o l u m ep e r c e n t a g e ， a d ju s t i n gt h ec o m p o s i t i o no ft h ec e m e n tm a t r i x ，c h a n g i n gp r e p a r a t i o np r o c e s sc a n p r e p a r eh i g hp e r f o r m a n c ef i b r er e i n f o r c e dc e m e n tc o m p o s i t e b yt h i sw a y , i tn o to n l y c a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h em a t e r i a l s t r e n g t h ，d u c t i l i t ya n dt o u g h n e s s ，b u ta l s oc a n i m p r o v et h em a t e r i a l p e r f o r m a n c ei no t h e ra r e a s i nt h i sp a p e r , i ts t u d i e dt h ed i f f e r e n t e x p e r i m e n tp a r a m e t e r s a n dt h ep r e p a r a t i o np r o c e s s i m p a c to nt h ep r o d u c t s p e r f o r m a n c e 、s t r u c t u r ea n dc o m p o s ea n do p t i m i z e dt h ep r e p a r a t i o np r o c e s s ，b y m a n i f o l df i b r e h y b r i d i z a t i o nm o d e ，h i g h p r e s s u r em o l d i n g a n da u t o c l a v i n g p r e p a r a t i o np r o c e s s t h e ni tc h a r a c t e r i z e dm a t e r i a l s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sb ys e m ， a n dx r d t h i sa r t i c l ef i r s tc o m p a r e dt h ep e r f o r m a n c ea n dc o m p o s i t i o no fa u t o c l a v i n ga n d s t a n d a r dc u r i n gp r o d u c tb yv i b r a t i o nm o u l d i n g ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o d u c t st h a t s t a n d a r dc u r i n gs e v e nd a y sw a go n l ya p p r o x i m a t et ot h ep r o d u c t st h a ta u t o c l a v i n g 4 h o u r s t h ep r o d u c t st h a ts cr a t i o1 0 、y a mr e s i d u ec o n t e n t0 2 、p p fc o n t e n t o 2 5 、a u t o c l a v i n gt i m ef o u rh o u r sh a d t h eb e s tp e r f o r m a n c e ；t h e ni ti n v e s t i g a t e dt h e p r o d u c t s p e r f o r m a n c ea n ds t r u c t u r e i nd i f f e r e n tc e m e n t i t i o u sm a t e r i a l s 、d i f f e r e n t 武汉理工大学硕士学位论文 r e i n f o r c e m e n t 、d i f f e r e n te x p e r i m e n tp a r a m e t e r sb yc o m p r e s s i o nm o l d i n g t h er e s u l t s s h o wt h a tt h eh i g h e rt h eg r a d eo fc e m e n t ，t h eb e t t e rt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o m p o s i t e ， m u s c o v i t e | w o o df i b e rr a t i o0 。2 5w a st h eb e s tf o rr e i n f o r c e ，t h ep r o d u c tc h o o s i n gs l a g a sc e m e n t i t i o u sm a t e r i a l sc o u l dg a i nt h eb e s te f f e c t a t s l a g q u a r t z r a t i o 3 0 ， a u t o c l a v i n gt i m es i xh o u r s ；t h el a s ti t i n t r o d u c e dt h ep r e p a r a t i o no fo n ek i n d so f i n o r g a n i cn o n m e t a l l i cc o a t i n g a n di t sc o a t i n ge f f e c t s k e yw o r d s ：f i b r er e i n f o r c e dc e m e n tc o m p o s i t e ，a u t o c l a v i n g ，s t a n d a r dc u r i n g ，f i b r e h y b r i d i z a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：红日期喇 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：纽导师签名：芝墨堕日期喇 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 前言 第1 章文献综述 墙体材料和屋面材料是建筑工程中最重要的材料之一，我国传统的墙体材 料与屋面材料“秦砖汉瓦 己历史悠久，但由于实心粘土砖瓦保温隔热性能差， 生产能耗高，不符合现行建筑设计规范中建筑节能的要求，更为严重的是毁坏 耕地的现象十分严重，己难以适应可持续发展战略要求。因此国家出台了许多 限制或禁止使用实心粘土砖的相关政策，特别强调要大力发展节能、节地、利 废、保温、隔热等新型墙体材料。纤维增强水泥基复合材料可以追溯到1 0 0 0 多 年前的古代，是一种节能、利废、保温、隔热等性能优异的建筑材料。其中的 石棉水泥制品在2 0 世纪3 0 年代在世界范围内形成一门产业。从2 0 世纪8 0 年 代初起，鉴于石棉中所含的微细纤维有害于人体，若干发达国家相继限制或停 止石棉水泥制品的生产与使用，从而推动了无石棉纤维增强水泥制品的研制与 开发。主要有g r c 、木浆纤维增强水泥、木浆纤维增强硅酸钙以及聚乙烯醇纤 维增强水泥等品种【l 棚。 本文的内容分为两个部分。第一部分研究的是纤维增强外墙装饰板的基板。 介绍了以炉渣代替部分水泥作为胶凝材料，以一种或两种纤维作为增强材制作 纤维增强水泥基复合材料的研究，比较了在不同参数、不同成型方式及不同养 护工艺条件下制得的纤维增强水泥基复合材料的性能的差异，并进而寻求最佳 的原料配比与工艺；第二部分研究的是纤维增强外墙装饰板的涂层。介绍了一 种无机非金属硅酸盐涂料，以及其在基板上的涂覆效果。 本课题选用的材料都是无机或天然的材料，并有效的利用了两种工业的废 渣矿渣和麻黄姜废渣，在生产过程中无废物排出，是一种环境友好型的产品。 1 2 纤维增强水泥基复合材料的定义 将两种或两种以上的不同材料按一定方式结合在一起，除了保留原组成材 武汉理工大学硕士学位论文 料各自的特性外，还产生一种性能显著优于任何一种组成材料的新材料，此新 材料即称为“复合材料”( c o m p o s i t e ) 复合材料一般包含两个相，一为连续相，常称 为“基材”( m a t r i x ) ：一为分散相，分散相可以是胶体状、颗粒状或纤维状的。在 水泥基复合材料中通常将以水泥为主要组分的连续相称为“水泥基体 ，将以纤 维为主的分散相称为“增强材 。由水泥基体和纤维增强材组合制成的复合材料 就叫做纤维增强水泥基复合材料。因基体组成的不同，可将纤维增强水泥基复 合材料分为两大类。当用水泥净浆或砂浆做基材时，称之为“纤维增强水泥”( f i b r e r e i n f o r c e dc e m e n t ) ；当用混凝土做基体时，称之为“纤维增强混凝土”( f i b r e r e i n f o r c e dc o n c r e t e ) i - 2 。检测所制得复合材料性能好坏的主要指标有抗折强度、 抗压强度、密度、含水率、吸水率、热导系数等。 1 3 纤维增强水泥基复合材料1 - 2 】 1 3 1 纤维 1 3 1 1 纤维的作用 普通水泥基材料具有很高的抗压强度，较大的刚度与较好的长期耐久性， 但存在凝结与硬化过程中收缩大，抗拉强度低，极限延伸率小以及抗冲击性差 等缺点。在水泥制品中掺加纤维制品不仅能降低水泥的使用量，而且能大大改 善上述缺点。纤维加入水泥基体主要可起到以下三个作用。 ( 1 ) 阻裂作用 纤维可阻止水泥基体中微裂缝的产生与扩展。这种阻裂作用作用既存在于 水泥基体的未硬化的塑性阶段，也存在于水泥基体的硬化阶段。水泥基体在浇 注后的2 4 h 内抗拉强度极低，若处于约束状态，当其所含水分急剧蒸发时极易 生成大量裂缝，均匀分布与水泥基体中的纤维可承受因塑性收缩引起的拉应力， 从而阻止或减少裂缝的生成。水泥基体硬化后，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。 ( 2 ) 增强作用 水泥基体不仅抗拉强度低，且因存在内部缺陷而往往难于保证，加入纤维 2 武汉理工大学硕士学位论文 可使其抗拉强度有充分保证。当所用纤维的种类与掺量合适时，还可使复合材 料的抗拉强度较水泥基体有一定的提高。 ( 3 ) 增韧作用 在荷载作用下，即使水泥基体发生开裂，纤维可横跨裂缝承受拉应力并可 使复合材料具有一定的延性( 一般称之为“假延性 ) ，这也意味着复合材料可 具有一定的韧性。 在纤维增强水泥基复合材料中，纤维能否同时起到以上三方面的作用，或 只起到其中两方面或单一作用，主要取决于以下几个方面的因素。 1 ) 纤维种类：由于纤维品种的不同，它们的力学性能( 包括抗拉强度、弹 性模量、断裂延伸率与泊松比等) 不可能相同，甚至其中某些性能指标有较大 的差异。 2 ) 纤维的表面性能：一般认为，纤维过长，长径比过高会影响水泥浆体的 流变性，并且不易分散均匀：纤维过短，长径比过低，则水泥混凝土的塑性和其 它力学性能增效甚微。 3 ) 纤维与基体界面的粘结强度：纤维增强水泥混凝土的力学性能主要取决 于基体的物理性质、纤维的物理性质以及两者之间的粘结强度。当基体与纤维 确定后，纤维与基体之间的粘结强度就成为了决定硬化后物质性能的主要因素。 将纤维异性化、对纤维进行表面改性处理均可以增强纤维与基体之间的粘结强 度： 4 ) 纤维掺量：对于乱向短纤维增强水泥复合材料而言，为使基体开裂后的 承载能力不致于下降，所需要的最小纤维体积率称为临界纤维体积率。 1 3 1 2 纤维增韧、抗裂机理研究 纤维增强水泥基复合材料是一种多相、多组分、非匀质且不连续的材料， 纤维的力学性能参数( 抗拉强度、杨氏模量和极限延伸率) 、几何特征( 集束状况、 长度、横截面形状、表面状况等) 、体积率、分布状况及不同的施工方式，都影 响着纤维的增韧、抗裂效果。尽管自纤维水泥基复合材料问世以来，很多研究 者都对其增韧、抗裂机理进行了研究，但到目前为止，没有一个理论能全面反 映纤维水泥基复合材料的本质。下面介绍目前常见的二种理论。 ( 1 ) 多缝开裂理论 3 武汉理工人学硕士学位论文 该理论是由英国学者a v e s t o n 、c o o p e r 与k e l l y 于2 0 世纪7 0 年代初最先 提出，故又称为a c k 模型。他们认为，纤维能与水泥基体共同承受外力，在受 荷初期，基体是主要承受外力者，当基体发生开裂后，横跨于裂缝两端的纤维 就成为外力的主要承受者，若纤维体积掺量超过某一临界值，则复合材料可继 续承受较高的荷载并产生较大的变形，直至最后纤维被拉断或从基体中拔出而 破坏。在该过程中，会产生多缝丌裂现象，改变了水泥基复合材料的单缝开裂， 断裂性能低的状况，并出现假延性材料的特征。在多缝开裂时，裂缝间距变小， 数量增多，裂纹更细，从而提高了复合材料的韧性。 ( 2 ) 纤维阻裂理论 该理论又称为“纤维间距理论 ，是由美国人r o m u a l d i 和b a s t o n 等于1 9 6 3 年以弹性断裂力学为基础而建立。该理论认为：在水泥基复合材料内部存在着 不同尺度及不同形状的孔隙、微裂纹等缺陷，当受到外力作用时，这些部位将 产生应力集中，引起裂纹扩展，导致水泥基复合材料结构的过早破坏。为减小 这种破坏程度，应尽量减少裂缝源的尺度和数量，缓和裂缝尖端应力集中程度， 从而抑制裂缝的延伸。在水泥基复合材料中掺入一定数量的纤维后，在材料受 拉时，跨过裂缝的纤维会将荷载传递给裂缝的上下表面，使裂缝处的材料仍能 继续承载，缓和了应力集中程度；随着纤维数量的增加，纤维间距减小并密布 于裂缝周围时，应力集中就会逐渐减少或消失，即单位体积中的纤维数量越多， 纤维平均间距越小，这种作用就越有效。纤维平均间距只是一个纯粹的几何概 念，因而只需考虑任意截面上纤维通过的数量，即可按照数理统计的方法来确 定纤维的平均间距。 1 3 2 基材 1 3 2 1 基材的作用 基材主要是以水硬性胶凝材料( h y d r a u l i cc e m e n t i n gm a t e r i a l ) 作为主要组成的 材料，包括由钙质原料( c a l c a r e o u sm a t e r i a l ) 与硅质原料( s i l i c e o u sm a t e r i a l ) 所组成 的经水热处理后生成的以水化硅酸钙为主的硬化体。非水硬性胶凝材料，如石 灰，石膏，氯氧镁水泥等则不属此例。由于水泥是该复合材料基材中广为使用 的胶凝材料，故通常可称为水泥基材。 水泥基材在纤维水泥基复合材料中主要起到以下三个主要作用： 4 武汉理t 大学硕：i ：学位论文 1 ) 为复合材料提供强度与刚度； 2 ) 将分散的纤维增强材黏结成为整体，兼起保护纤维增强材的作用； 3 1 在外荷作用下使拉应力转递给纤维增强材； 1 3 2 2 水泥基材主要组分及其性能 水泥基材的主要组分可分为水硬性胶凝材料，集料，水，活性矿物细掺料， 膨胀剂和化学外加剂等几种。 ( 1 ) 水硬性胶凝材料 1 ) 硅酸盐系统水泥：以硅酸钙为主要成分的水泥熟料所得的水泥。硅酸盐 水泥熟料是以石灰石质原料，黏土质原料和校正原料等按适当比例配制成生料， 煅烧至部分熔融并经冷却而得。硅酸盐系统水泥根据掺入混合材的品种和数量 不同，可细分为6 个品种的硅酸盐水泥：硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥，矿渣 硅酸盐水泥，火山灰质硅酸盐水泥，粉煤灰硅酸盐水泥，复合硅酸盐水泥。硅 酸盐系统水泥主要用于制作常温下使用的金属纤维增强水泥基复合材料，合成 纤维增强水泥基复合材料，碳纤维增强水泥基复合材料以及某些混杂纤维增强 水泥基复合材料。根据国外经验，当使用硅酸盐系统水泥时，同时掺加某些高 活性矿物细掺料或某种聚合物乳液时也可制作玻璃纤维增强水泥基复合材料与 未经过化学处理的植物纤维增强的水泥基复合材料。 2 ) 铝酸盐系统水泥：主要用以制备纤维增强耐火混凝土。水硬性胶凝材料 中，其耐高温性能为最佳。 3 ) 硫铝酸盐系统水泥：它与上2 种水泥的区别在于其熟料矿物主要是无水 硫铝酸钙( 3 c a o 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 ) 、硅酸二钙( 2c a o s i 0 2 ) 和铁铝酸钙( 4 c a o a 1 2 0 3 f e 2 0 3 ) 。可分为快硬硫铝酸盐水泥、高强硫铝酸盐水泥、膨胀硫铝酸 盐水泥、自应力硫铝酸盐水泥与低碱度硫铝酸盐水泥，其中快硬硫铝酸盐水泥 与低碱度硫铝酸盐水泥在我国主要被用于制造玻璃纤维增强水泥制品。 4 ) 石膏矿渣水泥：属于无熟料水泥系统，由二水石膏粉、磨细水淬高炉炉 渣为主要原料配制而成。使用时必须加入消石灰 c a ( o h ) 2 】与硫酸铝 a 1 2 ( s 0 4 ) 3 】 作为碱性激发剂。所用二水石膏可用天然产的，也可用排烟脱硫石膏。二水石 膏粉与磨细水淬高炉炉渣重量掺和比一般为l ：1 ，消石灰与硫酸铝的掺加量分 别为水泥质量的1 2 与1 - - - 5 。 武汉理t 大学硕上学位论文 5 1 经水热合成的钙质原料+ 硅质原料：氧化钙与氧化硅在常温下很难发生反 应，只有利用在高温高压饱和水蒸气下的水热反应，才能制得硅钙合成材料。 常用的钙质原料有：消石灰粉、电石泥与普通硅酸盐水泥等，常用的硅质原料 有：石英粉、硅砂、硅藻土、粉煤灰、高炉炉渣与硅灰等。 ( 2 ) 集料 又称骨料，混凝土的主要组成材料之一。在混凝土中起骨架作用和减少由 于胶凝材料在凝结，硬化过程中干缩湿胀所引起的体积变化，同时还作为胶凝 材料的廉价填充料。按来源可分为天然集料和人造集料，前者有碎石，卵石， 浮石，天然砂等，后者如煤渣，矿渣，陶粒，膨胀珍珠岩等。堆积密度在 1 2 0 0 k g m 3 - - 一2 0 0 0 k g m 3 之间的集料称为普通集料，主要用于制各普通混凝土。堆 积密度小于1 2 0 0 k g m 3 的集料称为轻集料，用以制备轻集料混凝土。特别重的集 料主要用以制备防辐射的混凝土。集料按粒径大小可分为粗集料。粒径5 m m 以 上者称为粗集料，粒径o 1 5 m m 5 m m 者成为细集料。普通集料分为粗集料与细 集料两种，常用粗集料有卵石和碎石两种，细集料常称为砂，有天然砂与人工 砂之分。集料中有害杂质主要有黏土和淤泥、有机物、硫化物和硫酸盐等。轻 集料包括轻粗集料和轻细集料。凡粒径在5 m m 以上，堆积密度小于1 0 0 0 k g m 3 ， 的轻集料称为轻粗集料；凡粒径小于5 m m ，堆积密度小于1 2 0 0 k g m 3 的轻集料 称为轻细集料。按材料的属性，可分为有机轻集料和屋脊轻集料；按原料的来 源，可分为天然轻集料和人造轻集料。 ( 3 ) 水 制备水泥基材所用的水按水源不同可分为饮用水、地表水、地下水、海水 以及经适当处理的工业废水。符合国家标准的生活饮用水可用于制备各种纤维 增强水泥基复合材料的基材。地表水与地下水应符合我国混凝土拌和用水标 准( j g j 6 3 8 9 ) 方可使用。海水不得用于制备金属纤维增强水泥基复合材料与 配有钢筋与钢丝网的各类纤维增强水泥基复合材料，也不得用于制备有饰面要 求的各类纤维增强水泥基复合材料。工业废水经检验合格后，可用于制备纤维 增强水泥基复合材料的基材，但当使用低碱度水泥制备某些纤维增强水泥基复 合材料时，则不得使用p h 1 1 5 的工业废水。 ( 4 ) 活性矿物细掺料 这是一类具有一定反应活性的矿物原料。主要有硅灰、磨细高炉炉渣、粉煤 6 武汉理工大学硕士学位论文 灰与偏高岭土等几种。 硅灰是冶炼硅、硅铁合金过程中由电收尘收集到的超细粉末，其所含s i 0 2 的纯度很高，可达9 2 - - 一9 8 ，呈无定形的球状玻璃颗粒。粒径极小，比表面极 大。掺加硅灰主要可以起到两个方面的作用：一是火山灰作用。硅灰中的无定 形s i 0 2 与水泥中的水化产物氢氧化钙起反应生成c s h 凝胶，使得水泥基材中的 空隙被填塞或细化，有利于基材强度与抗渗性的提高；二是填充作用。可填充 与水泥粒子堆积后形成的空隙中，改善硬化水泥基材的空结构，提高纤维增强 水泥基复合材料的抗渗性、抗冻性与耐久性。 磨细高炉炉渣是由粒化高炉炉渣经粉磨而得。粒化高炉炉渣除在水淬时形成 的大量玻璃体外，矿渣中还含有钙镁铝黄长石和很少量的硅酸一钙或硅酸二钙 结晶态组分，具有微弱的自身水硬性。可用于替代部分水泥减少水泥的用量。 粉煤灰是用煤粉炉发电的电厂所排放的烟道灰，由大部分直径以微米计的空 心和中空玻璃微珠以及少量的莫来石、石英等结晶物质组成。偏高岭土是使高 岭土在一定温度( 7 0 0 - 8 0 0 ) 与一定条件下经过热活化处理而制得的一种 高火山灰活性的矿物细掺料。 除了上述几种原料外可在基材中加入一定量的膨胀剂与化学外加剂以使材 料满足一定的要求。 1 3 3 纤维与基材的复合增强作用 由于水泥基材的极限延伸率远 低于纤维增强材，故在拉力作用下， 水泥基材一旦达到其极限延伸率时 即发生开裂。在纤维增强水泥基复 合材料中纤维的主要作用在于吸收 水泥基材开裂时释放的能量，并因 而阻止基材中裂缝的扩展。图1 - 1 说明了纤维增强水泥基复合材料受 拉时纤维对水泥基材的阻裂机制【。7 1 。 该图基材中所出现的一条裂缝由左 向右扩展：图中为纤维达到抗拉 7 lr n 群rp l j l l 一洲 占娩。焉翟 l ! l l 髟 i l 1 i 奄 = ； lo ! j 。 叠净 c ， o j c l l li i o o j l ； c = ， ! i i 杰 图1 1 纤维对水泥基材的阻裂机制 f i g 1 1e n e r g y - a b s o r b i n gf i b e r m a t r i x m e c h a n i s m s 武汉理工大学硕上学位论文 强度极限值而拉断，使复合材料的抗拉强度得以显著提高；图中为纤维由基 体中拔出，有利于提高复合材料的韧性；图中为纤维跨越裂缝，承受拉力， 虽基材开裂，复合材料仍有一定的承载能力和较高的延性( 实际上是假延性) ； 图中为纤维与基材之间脱黏；图中为纤维制止了大裂缝的延伸，在基材中 产生若干条细裂缝，即所谓的多点开裂。该图只是用以说明在纤维增强水泥基 复合材料中纤维增强材的作用机制。实际上就各种纤维增强水泥基复合材料而 论，均是大量纤维的集合作用的结果，纤维阻裂的方式取决于多种因素，如纤 维的种类与性能、纤维的体积率、纤维的长度与分布情况、纤维的取向、纤维 与水泥基材的黏结强度等【l 7 l 。 1 4 几种常见的纤维增强水泥基复合材料 从2 0 世纪8 0 年代初起，鉴于石棉中所含的微细纤维有害于人体，若干发 达国家相继限制或停止石棉水泥制品的生产与使用，从而推动了无石棉纤维增 强水泥制品的研制与开发。常见的几种非石棉纤维增强水泥复合材料有：金属 纤维增强水泥、玻璃纤维增强水泥、合成纤维增强水泥、天然植物纤维增强水 泥、混合纤维增强水泥、高性能纤维增强水泥。 1 4 1 金属纤维增强水泥l i _ 】 主要是钢纤维，具有强度高、弹性模量大、化学稳定性良好的特点。钢纤 维是发展最早的一种增强用纤维。早在1 9 1 0 年美国p o e r 就提出了把钢纤维均匀 地撒入混凝土中以强化材料的设想，随后俄国学者伏波涅克拉索夫首先提 出了钢纤维增强混凝土的概念。1 9 6 3 年美国r o m u l d i 等发表了一系列研究成果， 从理论上阐述了钢纤维对水泥基复合材料的增强机理，促进了钢纤维增强混凝 土的开发。2 0 世纪7 0 年代起，在英、美、日等国家钢纤维增强混凝土进入实用 阶段。我国对钢纤维的应用研究相对于其它几种纤维也比较早。赵国藩等人出 版的钢纤维混凝土结构中，对组成材料与工艺特性、基本性能、结构强度 计算、抗剪承载力计算、复杂应力下钢纤维混凝土的性能和计算、正常使用极 限状态验算方法以及其应用施工等内容都作了较完整的说明。目前，钢纤维水 泥基复合材料因其具有高抗拉强度和弹性模量而得到广泛应用，但其价格较贵、 武汉理工人学硕上学位论文 比重大且在基体中不易于分散。 1 4 2 玻璃纤维增强水泥【1 2 】 1 9 6 7 年，英国建筑研究院( b r e ) 的m a j u m d a r 等研制成含有z r 0 2 的抗碱 玻璃纤维。2 0 世纪7 0 年代初，英国正式生产此种纤维并用以制作g r c 制品。 此后，美、日、德等国也相继进行了g r c 制品的批量生产。在2 0 世纪8 0 年代， 国际上有关科研单位均致力于提高g r c 耐久性的研究。主要采取了抗碱玻璃纤 维外覆保护层、水泥中掺加火山灰活性混合材或某些聚合物乳液等措施。在我 国5 0 年代后期至6 0 年代初期吴中伟等人探索用中碱玻璃纤维增强普通硅酸盐 水泥，虽未获得成功，但明确了玻璃纤维受水泥水化物侵蚀的机理。7 0 年代后 期中国建筑材料科学研究院研制成含有氧化锆与氧化钛的抗碱玻璃纤维以及低 碱度的硫铝酸盐水泥，在此基础上开发了“双保险”g r c 技术路线，使g r c 制 品的长期耐久性得以明显提高。 玻璃纤维不仅可以提高水泥基的抗弯、抗拉强度，还可以提高其抗冲击强 度。目前应用方面存在的问题主要是如何提高玻璃纤维的抗碱侵蚀能力，可以 从两个方面进行改进。一是改变玻璃纤维的化学组成，在玻璃纤维的表面进行 耐碱处理；另一方面是对基体材料进行改性，在波特兰水泥中加入火山灰质材 料以提高基体的强度和韧性，或在基体中加入聚合物以阻止基体遭受物理和化 学侵蚀，或研制适合于玻璃纤维使用环境的低碱度水泥，以减少水泥水化产物 c a ( o h ) 2 的含量。 1 4 3 合成纤维增强水泥。j 合成纤维( s y n t h e t i cf i b r e ) 是以煤、石油与天然气等为主要原料，经化学反 应制成高聚合物，再经成丝与后加工而制得的一大类人造纤维。其优点是耐腐 蚀、强度高、质量轻、耐电磁。迄今为止已被用作水泥基材增强材的主要合成 纤维有维纶、腈纶、丙纶、尼龙、乙纶和苏纶。 合成纤维成本不高，结构和性能可变度大，具有较高的性价比。其中聚丙 烯纤维是国际上最早用于混凝土的合成纤维。2 0 世纪6 0 年代中期，美国g o l d f e i n 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性研究，发现 掺加这类纤维有助于水泥砂浆抗冲击强度的提高，为此后的这项研究奠定了基 9 武汉理工大学硕士学位论文 础。2 0 世纪8 0 年代以来，在国外己得到了广泛的研究和应用。在国内，合成纤 维增强水泥基复合材料技术开发也有一定的发展，上海市建筑科学研究院与上 海市合成纤维研究所及上海石油化工公司共同合作，研究并成功地开发了能有 效控制非结构裂缝的合成纤维混凝土，经上海东方明珠电视塔、地铁1 号线、 石化总厂及8 万人体育场等重大工程的实际应用，都取得了满意的效果。 1 4 4 天然植物纤维 1 2 8 9 】 2 0 世纪8 0 年代初以来，不少发展中国家热衷与本国盛产的天然植物纤维作 为水泥砂浆或混凝土的增强体，以制作低造价的建材制品。植物纤维的化学组 成是：纤维素、半纤维素、木质素和果胶、蜡质等。纤维的不同晶胞由木质素( 或 半木质素) 充当粘合剂而连接，木质素的含量影响植物纤维的结构与性能。纤维 的强度和硬度则由纤维素含量及微纤在内层细胞壁中与纤维轴形成的旋转角所 决定。纤维素分子的原纤沿纤维轴形成旋转，纤维轴与原纤的夹角越小，纤维 的强度和硬度越好。表l 列出了植物纤维与其它增强纤维的性能比较。 表1 - 1 植物纤维与传统增强纤维的性能比较m j t a b l e1 1t h ec o m p a r eo fw o o df i b e ra n do l dr e i n f o r e e df i b e r 纤维品种 ，慧一，断裂铲到糯擎捌喘紫量甓擎 黄麻o u t e ) 1 4 5 1 5 1 83 9 3 7 7 3 2 6 51 3 弧麻( f l a x ) 1 5 02 7 3 23 4 51 0 3 5 2 7 51 0 0 人麻( h e m p )一 1 66 9 0 一一 苎麻( r a m i e ) 1 5 0 3 6 , - 一3 84 0 0 - - 9 3 86 1 4 1 2 8 1 2 8 剑麻( s i s a l ) 1 4 5 2 0 - - 2 551 l 6 3 59 4 2 2 0 15 椰纤维( c o i o 1 1 53 0 0 1 7 5 4 0 - 6 0 5 聚丙烯纤维0 9 1 8 24 0 080 在水泥高碱液相中半纤维素和木质素会被溶解出来，使得单个细胞间的连 接被削弱，从而大大降低纤维对基材的增强作用。可通过化学打浆或碱液浸渍 的方法除去纤维中的绝大部分半纤维素、木质素与果胶等低分子杂质，消除植 物纤维受碱侵蚀分解以及萃取物沉淀等问题。 l o 武汉理t 大学硕二t ：学位论文 1 4 5 混合纤维增强水泥【1 2 】 单一纤维的增强作用是有限的，而不同尺度和不同性质的增强材料混合增 强，可在水泥基体中充分发挥各种增强材料的尺度和性能效应，并在不同的尺 度和性能层次上相互补充、取长补短，达到进一步提高阻裂、抗收缩、抗渗、 抗疲劳、抗变形及强度等性能的目的。自2 0 世纪6 0 年代以来，出现了一种利 用不同纤维的作用和功能，将多种纤维同时掺入水泥基体中，以进一步提高水 泥基体性能的纤维增强水泥基复合材料，即混合纤维增强水泥基复合材料( 又 称混杂纤维增强水泥基复合材料) 。根据近年来的应用发展状况和纤维掺入的方 法不同，可将其分为混合纤维增强水泥基复合材料与组合纤维增强水泥基复合 材料。混合纤维增强水泥基复合材料是指用两种或两种以上不同尺度或不同品 种的纤维，适量掺入基体中，按一定程序经混合搅拌而成的纤维增强水泥基复 合材料。混合纤维增强水泥基复合材料可分为两种：同一种类( 相同品种、质量) 但不同尺度的混合纤维增强水泥基复合材料和不同种类纤维的混合纤维增强水 泥基复合材料。不同种类纤维增强水泥基复合材料又可分为尺度相同的纤维、 尺度不同的纤维、作用不同的纤维构成的纤维增强水泥基复合材料。 9 0 年代起，纤维增强水泥基复合材料在国际上有了更大的发展，其重要标 志是混合( 混杂) 纤维增强水泥基复合材料与高性能纤维增强水泥基复合材料 的研制与开发。用混合纤维可制得兼具高强度、高延性与高韧性的纤维增强水 泥基复合材料。常见的是钢纤维，玻璃纤维，碳纤维等分别与合成纤维的混合。 并无天然纤维与合成纤维的混杂，三种纤维的也很少。 1 4 6 高性能纤维增强水泥【i 。j 高性能纤维增强水泥基复合材料与混合( 混杂) 纤维增强水泥基复合材料 同为纤维增强水泥基复合材料在国际上有了更大的发展的标志。2 0 世纪9 0 年代 以来，人们对水泥基复合材料的性能提出了愈来愈高的要求。纵然高性能混凝 土克服了普通混凝土的许多缺点，兼具高工作性、高抗压、高抗渗性与高耐久 性，但仍存在拉压比低、韧性差与收缩大等缺点。为此国际上开展了超高性能 混凝土即高性能纤维增强水泥的研究。高性能纤维增强水泥与普通纤维增强水 泥相比较，主要有以下特点：使用高抗压强度与高致密度的水泥基体；增 武汉理f t 大学硕上学位论文 大纤维体积率或使用直径较细的纤维以增多单位体积复合材料中的纤维数量； 优化纤维与水泥基体的界面黏结，在复合材料受荷过程中，使纤维不致拉断， 在其拉应力接近极限强度时由水泥基体中拔出；复合材料兼具高抗压、高抗 拉与高抗折强度，高假延性、高韧性、高抗冲击性与高抗疲劳性。高性能纤维 增强水泥的主要代表有以下三种：注浆纤维增强水泥( s i f r c ) ，国际上常称之 为注浆纤维增强混凝土( s i f c o n ) ；注浆纤维网增强水泥( s i f m r c ) ，国际上 常称之为注浆纤维增强混凝土( s n v i c o n ) ：活性粉末水泥基复合材料( r p c c ) ， 国际上常称之为活性粉末混凝土( r p c ) 。 1 5 课题提出及意义 纤维加入脆性的水泥基体中，其主要作用是提高基体的抗拉强度和韧性， 改善其冲击强度和疲劳性能。但单一纤维的增强作用是有限的，而不同尺度和 不同性质的增强材料混合增强，可在水泥基体中充分发挥各种增强材料的尺度 和性能效应，并在不同的尺度和性能层次上相互补充、取长补短，达到进一步 提高阻裂、抗收缩、抗渗、抗疲劳、抗变形及强度等性能的目的。纤维增强水 泥基复合材料的基体通常是普通波特兰水泥，有时也采用高铝水泥和特种水泥。 普通水泥水化体系碱度很高，容易腐蚀纤维，对所选用的纤维的耐腐蚀性要求 很高，而一些特种水泥成本又较高。针对以上两点一般的解决方法有：混合 掺加不同性能的纤维；在波特兰水泥中加入火山灰质材料( 硅灰、炉渣、粉煤 灰等) 以提高基体的强度和韧性，降低其碱度。掺加抗碱性腐蚀优异的合成纤 维【1 2 1 。 本文在上述基础上，研究了3 种纤维增强水泥基复合材料的制作工艺，并 研究了不同的实验参数、制作工艺对制品的性能、结构以及组分的影响，优化 了制作的工艺，利用多种表征方法对所制得材料的结构与性能进行了表征。希 望通过实验探索能寻求一种合理、有效、经济效益高的制备高性能环境友好型 纤维增强外墙装饰板的方法。 1 2 16 研究方法 本谍题研究纤维增强水泥皋复合材料的实验参数主要有：灰砂比、炉渣掺 量、麻黄浆废渣掺量、聚丙烯与木纤维纤维掺量、凹凸棒矿石粉掺辱。制作工 艺研究探讨n j 不同成型方式与养护工艺对制品性能的影响。成型方式分振荡成 唰与模压成型两种，养护方式分自然养护与燕养养护两种。 为了研究的方便与可比性，本课题在试验过程中除了被研究的参数以外 其他的参数与工艺都是固定的。在讨论完设参数以后，选取该参数的最佳值并 固定，然后继续研究下一参数。每一参数最佳值的选择并不是按照强度的撮大 值来进行选择，而是要综合考虑。 1 7 测试方法与标准 17 1 抗折强度 7 1 1 振荡成型法 弋。 厂s m 2 国i 2 电动抗折实验机测力原理不意幽 f i g1 2t h cs k e t c hm a p o f e l e c t r i cb e n d i n g m a c h i n e , sf o r c cr f l e a s h r ep r i n c i p l e i 罔! 鎏釜； 氢篮 蹦1 3 电动抗折实验机实物 h gl oe j e c t r l cb e n d i n gm a c h i n c 武汉理t 大学硕士学位论文 该法所用试件的尺寸为4 0 m m x 4 0 m m x l 6 0 r a m ，所用仪器为电动抗折机，其 测力原理如图1 1 ，实物照片如图1 2 。在测试的时候将试体的一个侧面放在抗 折仪的支撑圆柱上，通过加荷圆柱以( 5 0 士1 0 ) n s - 1 的速率均匀地将荷载垂直地加 在棱柱体相对侧面上，直至折断。记录抗折强度值( 记录至0 1 m p a ) i o 】。 1 7 1 2 模压成型法( 三点抗折) i h 2 材料的抗折强度一般采用简支梁法进行测定。对于均质弹性体，将其试样 放在两支点上，然后在两支点间的试样上施加集中载荷时，试样将变形或断裂( 如 图1 1 所示) 。长度和厚度用游标卡尺测量，计算公式如下： 图1 _ 4 小梁试体抗折受力分析 f i g 1 - 4t h es t r e s sa n a l y s i so fs m a l lg i r d e rs p e c i m e n r ，= 丽3 p l ( i - i ) 式中r 一抗折强度( m p a ) ， 精确至0 1 m p a ；p 一破坏荷载 ( n ) ：l 一支距( m m ) ；b 一试 件断面宽度( m i l l ) ；e 一试件 断面厚度( r l l i 1 ) ，二次测量结 果的算术平均值。 在抗折强度的测试中，支距l = 5 0 m m ，试件尺寸3 0 m m x 8 0 m m x l o m m 。 1 7 2 抗压强度( 振荡法) 【1 0 】 试件尺寸1 0 0 m m x l 0 0 m m x l 0 0 m m 。试验时将试件放在抗压夹具内，试件的 成型面应与受压面垂直压面积为l o o m m x l o o m m 。将抗压夹具连同试件置于抗压 试验机上、下台面之间( 试验机实物如图1 - 4 所示) ，受下台板球轴心应通过试件 受压面中心。开动机器，使试件在加荷开始后2 0 4 0 秒内破坏。记录每个试件的 破坏载荷p ，抗压强度按下面公式计算： 1 4 c 口4 t 学硐学位论史 氩惫 n 图1 - 5 万能材料实验机 f i g1 - 5h y d r a u l i cu n i v e r s a l m a t e r i a l t e s t i n g 衄c h t n e r ，= ( 1 - 2 ) 式中：p 。受压破坏最大 荷载，n ： a 一受压部分面 积，m m 2 ： 17 3 含水率，吸水率，体积密度的测定1 将试件放在室内自然通风条件下放置7 d 以上，称量每个试件的质量m 。，测 量试件的体积v ；然后将试件放在温度为1 0 5 c 的下燥箱内下燥2 4 h ，取出置丁 干燥器中冷却拿宅温，称量每个试件的质量m 。；接着将试件放入1 0 c 以上的水 中2 4 h ，然后从水中取出试件，用湿毛l | j 小心地擦去试件表而附着水后征即称量 m 2 。含水率、吸水率、体积密度的计算式如下： 含水率按式( 卜3 ) 计