（材料学专业论文）不同几何尺寸纤维混杂增强水泥基复合材料的研究.pdf

同济大学博士学位论文 摘要 随着现代工程结构向大跨度，高耸、重载方向发展，高强混凝土已得到广泛应 用。水泥基复合材料的固有的弱点是脆性大，随着水泥基复合材料的强度的提高，水 泥基复合材料的固有的弱点更加突出采用纤维与水泥基材料复合是改善水泥基复合 材料的性能和制备高性能水泥基复合材料的有效途径纤维增强水泥基复合材料增强 机理的研究是实现这一途径的理论基础目前，纤维增强水泥基复合材料的增强理论 主要有：纤维间距理论、复合力学理论和多缝开裂理论。本文对这三种理论进行了讨 论与分析，指出了三种理论均存在一定的局限性纤维增强水泥基复合材料的增强理 论还需要不断完善与发展 由于水泥基复合材料具有多层次结构特点，而用于增强水泥基复合材料的纤维也 具有多尺度的特点，因而，本文提出了从不同层次结构的水泥基复合材料与不同几何 尺寸纤维增强作用的匹配关系的角度来探讨纤维增强水泥基复合材料的增强理论的新 思路本文选用了碳纤维、微细钢纤维、普通钢纤维三种不同尺寸的纤维，分别研究 它们在不同结构层次的水泥基复合材料( 净浆、砂浆、混凝土) 中的增强作用，查明 了不同几何尺寸纤维与其对水泥基复合材料不同层次结构增强作用效果之间的关系。 在此基础上，对不同几何尺寸的纤维在水泥基复合材料的不同层次结构上的混杂增强 效应进行了试验与分析探索开发高性能水泥基纤维增强复合材料的新途径目的在 于为纤维增强水泥基复合材料的优化设计提供一定理论基础 研究了碳纤维、微细钢纤维、普通钢纤维三种不同几何尺寸纤维对净浆基体增强 作用效果。测试了不同水胶比的不同几何尺寸纤维净浆的力学性能，研究表明了净浆 基体组成对不同几何尺寸纤维净浆的力学性能产生重要影响从不同几何尺寸纤维净 浆力学性能，声发射，荷载与挠度曲线几个方面，系统比较了三种不同几何尺寸纤维 对净浆的增强作用发现了纤维直径在净浆中的增强作用具有显著差异，具有纤维增 强尺寸效应根据断裂力学理论，证磺了不同凡何尺寸纤维在净浆中的增强尺寸效 应，并研究了不同几何尺寸纤维净浆的长期力学性能，表明了净浆基体强度的变化会 导致超细纤维碳纤维净浆的长期力学性能下降。 研究了碳纤维、微细钢纤维、普通钢纤维三种不同几何尺寸纤维对砂浆基体增强 作用效果试验研究了碳纤维、微细钢纤维，普通钢纤维三种不同几何尺寸纤维砂浆 的力学性能，并与三种不同几何尺寸纤维净浆的力学性能进行比较研究表明了细骨 料的含量对不同几何尺寸纤维砂浆的纤维增强作用效果有明显影响着重研究了砂胶 比对不同几何尺寸的纤维对砂浆的增强作用的影响，发现了砂胶比的变化对不同几何 尺寸纤维的增强作用具有不同的作用效果随着砂胶比的增加，碳纤维与微细钢纤维 同济大学博士学位论文 的增强作用不断减小，而普通钢纤维的增强作用不断增加。实验发现砂浆中也存在纤 维增强的尺寸效应采用断裂表面能理论，探讨并分析了该几何尺寸效应的机理 研究了碳纤维，微细钢纤维、普通钢纤维三种不同几何尺寸纤维对混凝土 基体增强作用效果。测定了不同骨料粒径的不同几何尺寸纤维混凝土的力学性能， 这些参数包括劈拉强度( f l 。) 、断裂韧性( 1 【。) 、断裂能( g ，) 发现了不同几何尺 寸的纤维的增强作用与骨料粒径问具有一定的对应关系。骨料粒径对碳纤维的增强作 用没有显著的影响，但对微细钢纤维和普通钢纤维的增强作用产生一定的影响。研究 了水胶比对不同几何尺寸纤维混凝土的力学性能的影响，结果表明了在混凝土基体中 它们的增强作用对水胶比的变化具有不同的敏感性对不同几何尺寸纤维混凝土的劈 拉强度、抗弯性能进行了系统的比较与分析，表明了纤维的几何尺寸对混凝土的增强 作用有重要影响。分析了不同几何尺寸纤维混凝土的荷载与挠度曲线和声发射特性， 发现了不同直径的纤维对混凝土的裂前与裂后具有不同的增强、增韧作用。随着纤维 直径的不断减小，纤维对混凝土的裂前增强作用不断增加表明了在混凝土申也存在 显著的纤维增强尺寸效应。比较并分析了不同几何尺寸纤维混凝土的断裂特性，并根 据纤维桥接应力理论，推导出纤维混凝土申纤维的脱粘能与拔出能公式，验证7 在混 凝土中的纤维增强几何尺寸效应。 在研究碳纤维、微细钢纤维、普通钢纤维三种不同几何尺寸纤维在净浆、砂浆、 混凝土中的增强作用效果的基础上，研究了它们在净浆、砂浆、混凝土中的混杂增强 效应发现了在净浆层次中宜采用尺度较小的单一纤维增强，而在砂浆和混凝土中不 同几何尺寸的纤维具有一定的混杂增强效应探讨并分析了不同几何尺寸的纤维混杂 增强作用的机理，并提出了纤维几何混杂增强水泥基复合材料的概念这为开发高性 能水泥基复合材料提供了一条有效途径 最后，建立了几何混杂纤维混凝土的物理模型，模型与试验结果相一致。 关键词：几何尺寸，碳纤维，微细钢纤维，普通钢纤维，净浆，尺寸效应， 砂浆， 砂胶比，混凝土，骨料粒径，几何混杂 同济大学博士学位论文 a b s t r a c t h i g hs t r e n g t hc o n c r e t ee x t e n s i v e l yi su s e di nt h ew a k eo ft h ed e v e l o p m e n to fm o d e m e n g i n e e r i n gs t r u c t u r e t h ei n h e r e n td e f e c to fc e m e n t - b a s e dc o m p o s i t em a t e r i a l si si t sb r i t t l e n e s s a n dt h ei n h e r e n td e f e c to fc e m e n t - b a s e dc o m p o s i t em a t e r i a l si so u t s t a n d i n ga l o n g 、i mi n c r e a s i n g t h es t r e n g t ho fc e m e n t - b a s e dc o m p o s i t em a t e r i a l s t h ef i b e rr e i n f o r c e dc e m e n t - b a s e dc o m p o s i t e m a t e r i a l si sa l le f f e c t i v ea p p r o a c hi m p r o v i n gt h ep r o p e r t i e so fc e m e n t - b a s e dc o m p o s i t em a t e r i a l s a n dp r e p a r i n gh i g hp e r f o r m a n c ec e m e n t - b a s e dc o m p o s i t em a t e r i a l s t h es t u d yo nt h ef i b e r r e i n f o r c i n gt h e o r yo fc e m e n t - b a s e dc o m p o s i t em a t e r i a l s i st h ef o u n d a t i o nf o rr e a l i z i n gt h e a p p r o a c h atp r e s e n t ，t h er e i n f o r c i n gt h e o r yo ff i b e rr e i n f o r c e dc e m e n t - b a s e dc o m p o s i t ei st h e s p a nt h e o r y 、t h ec o m p o s i t et h e o r y 、t h et h e o r yo fm u l t i p l ec r a c k i nt h et h e s i s ，t h et h r e ek i n d so f f i b e rr e i n f o r c i n gt h e o r ya r ea n a l y z e da n dt h e d e f e c to ft h et h r e ek i n d so ft h e o r yi sp o i n t e d t h e r e f o r e ，t h er e i n f o r c i n gt h e o r yo ff i b e rr e i n f o r c e dc e m e n t - b a s e dc o m p o s i t em a t e r i a l sn e e d d e v e l o p an e wt h o u g h t f u l n e s si sp r o p o s e dt h a tt h et h e o r yo ff i b e rr e i n f o r c e dc e m e n t - b a s e dc o m p o s i t e i spu tf o r w a r do nba s i soft h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ece m e n t - b a s e dm a t e r i a lofs t r u c t u r e on d i f f e r e n tl e v e l sa n dt h ef i b e rg e o m e t r i c a ls i z e t h ef i b e rr e i n f o r c i n ge f f e c to ft h r e ek i n d so f d i f f e r e n tg e o m e t r i c a ls i z ef i b e ro nc e m e n tp a s t e 、m o r t a r 、c o n c r e t ei ss t u d i e db yu s i n gc a r b o n f i b e r 、m i c r o - s t e e lf i b e r 、o r d i n a r ys t e e lf i b e ra n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ef i b e ro fd i f f e r e n t g e o m e t r i c a ls i z ea n dt h er e i n f o r c i n ge f f e c to fd i f f e r e n tg e o m e t r i c a ls i z ef i b e ro nc e m e n t - b a s e d c o m p o s i t eo fs t r u c t u r eo nd i f f e r e n t l e v e l sa l ef o u n d e d o nt h i sc o n d i t i o n , t h ef i b e rh y b r i d r e i n f o r c i n ge f f e c to fd i f f e r e n tg e o m e t r i c a ls i z ei ss t u d i e di no r d e rt oe x p l o r ean e wa p p r o a c ho f p r e p a r i n gh i 9 1 1p e r f o r m a n c ec e m e n t - b a s e dc o m p o s i t e t h ea i mi s t h a tt h ed e s i g no ff i b e r r e i n f o r c i n gc e m e n t - b a s e dm a t e r i a li so p t i m i z e d t h er e i n f o r c i n ge f f e c to ft h ec a r b o nf i b e r 、m i c r o - s t e e lf i b e r 、o r d i n a r ys t e e lf i b e ro nc e m e n t p a s t ea r es t u d i e d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fd i f f e r e n tg e o m e t r i c a ls i z ef i b e rc e m e n tp a s t ew i t h d i f f e r e n tw a t e r - b i n d e rr a t i oa r et e s t t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ti n d i c a t et h a tt h ee f f e c to fm a t r i x c o n s t i t u t eo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fd i f f e r e n tg e o m e t r i c a ls i z ef i b e rc e m e n tp a s t ei sg r e a t t h er e i n f o r c i n ge f f e c to ft h r e ek m d so fg e o m e t r i c a ls i z ef i b e ro nc e m e n tp a s t ei sc o m p a r e d s y s t e m a t i c a l l yi nt h ef i e l do fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 、a et e c h n o l o g y 、c u r v eo fl o a dt od e f l e c t i o n o fd i f f e r e n tg e o m e t r i c a ls i z ef i b e rp a s t e t h er e i n f o r c i n ge f f e c to fd i f f e r e n td i a m e t e rf i b e ro n c e m e n tp a s t ei sd i f f e r e n ta n dt h e r ee x i t ss i z ee f f e c to ff i b e rr e i n f o r c i n g o nb a s i so ff r a c t u r e m e c h a n i c st h e o r y ，s i z ee f f e c to ff i b e rr e i n f o r c i n gi sa g u e da n dt h el o n g - t e r mm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fd i f f e r e n tg e o m e t r i c a ls i z ef i b e rp a s t ea r es t u d i e da n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec h a n g eo fr n a t r i x s t r e n g t hc a r ll e a dt od r o po fs u p e rf i n ec a r b o nf i b e rp a s t e t h er e i n f o r c i n ge f f e c to ft h ec a r b o nf i b 盯、m i c r o - s t e e lf i b e r 、o r d i n a r ys t e e lf i b e ro nm o r t a r m a t r i xa r es t u d i e d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h r e ek i n do fd i f f e r e n tg e o m e t r i c a ls i z ef i b e r m o r t a ra r ct e s ta n dc o m p a r e dw i t ht h r e ek i n d so fd i f f e r e n tg e o m e t r i c a ls i z ef i b e rc e m e n tp a s t e t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ei n f l u e n c eo ff i n ea g g r e g a t eo i lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm o r t a ro fd i f f e r e n t g e o m e t r i c a ls i z ef i b e ri sd i s t i n c t ；e m p h a s i si si n v e s t i g a t e do nt h er e i n f o r c i n ge f f e c to fs a n d - b i n d e r r a t i oo nd i f f e r e n tg e o m e t r i c a ls i z e sf i b e rm o r t a ra n dt h ed i f f e r e n tr e i n f o r c i n ge f f e c t so fs a n d - b i n d e rr a t i o sc h a n g eo nd i f f e r e n tg e o m e t r i c a ls i z ef i b e rm o r t a ra r ef o u n d t h es t r e n g t ho fc a r b o n 同济大学博士学位论文 f i b e ra n dm i c r o s t e e lf i b e rm o r t a rd e c r e a s e sa st h es a n d - b i n d e rr a t i oi n c r e a s e sb u tt h es t r e n g t ho f o r d i n a r ys t e e lf i b e rm o r t a ri n c r e a s e s t h ee x p e r i m e n t sf i n dt h e r ei sa l s os i g n i f i c a n t l ys i z ee f f e c to f f i b e rr e i n f o r c i n go nm o r t a l t h em e c h a n i s mo ft h eg e o m e t r i c a ls i z ee f f e c to ff i b e rr e i n f o r c i n go n m o r t a ri si n q u i r e di n t oa n da n a l y z e db yf r a c t u r es u r f a c ee n e r g yt h e o r y i kr e i n f o r c i n ge f f e c to ft h ec a r b o nf i b e r 、m i c r o 。s t e e lf i b e r 、o r d i r ys t e e lf i b e ro nc o n c r e t e a r es t u d i e d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fd i f f e r e n tg e o m e t r i c a ls i z ef i b e rc o n c r e t ew i t hd i f f e r e n t m a x i m u ma g g r e g a t es i z ea r em e a s u r e da n dc a l c u l a t e da n dt h e s ep a r a m e t e r si n c l u d es p l i t t i n g s t r e n g t h ( f ) 、f r a c t u r et o u g h n e s s ( kic ) 、f r a c t u r ee n e r g y ( g r ) 而er e l a t i o n s h i p s b e t w e e n r e i n f o r c i n ge f f e c to fd i f f e r e n td i a m e t e rf i b e r0 1 1c o n c r e t ea n dm a x i m u ma g g r e g a t es i z ea r ef o u n d n 圮r e i n f o r c i n ge f f e c to fm a x i m u ma g g r e g a t es i z eo nc a r b o nf i b e rc o n c r e t ei sn o tr 既n a r k a b l eb u t m a x i m u ma g g r e g a t es i z ei n f l u e n c e sr e i n f o r c i n ge f f e c to fm i c r o - s t e e lf i b e ra n do r d i n a r ys t e e lf i b e r o nc o n c r e t e 1 1 璩e f f e c to fw a t e r - b i n d e rr a t i oo nd i f f e r e n td i a m e t e rf i b e rc o n c r e t ei sa l s os t u d i e d a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e i n f o r c i n ge f f e c to fd i f f e r e n td i a m e t e rf i b e ro nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fc o n c r e t ei sd i f f e r e n ts i g n i f i c a n t l yw h e nw a t e r - b i n d e rr a t i oc h a n g e s 1 1 1 es p l i tt e n s i l es t r e n g t h a n dt h eb e n d i n gp r o p e r t i e ss ys t e m i c a l l ya r ec o m p a r e da n da n a l y z e d th er e s u l t ss h o wt h a tt h e r e i n f o r c i n ge f f e c to f t h ef i b e rg e o m e t r i c a ls i z eo nc o n c r e t ei sg r e a t n el o a d - d e f l e c t i o nc u r v e sa n d a eo fd i f f e r e n tg e o m e t r i c a lf i b e rc o n c r e t ea r ea n a l y z e da n dt h e r ee x i t st h ed i f f e r e n te f f e c to f d i f f e r e n td i a m e t e rf i b e ro nm e c , h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o n c r e t eb e f o r ec r a c k i np a c ew i t ht h e d e c r e a s eo ff i b e rd i a m e t e r , t h er e i n f o r c i n ge f f e c to ff i b e ro nc o n c r e t ec o n t i n u o u s l yi n c r e a s e sb e f o r e c r a c k 1 1 他i n v e s t i g a t i o n si n d i c a t et h e r ei sa l s os i g n i f i c a n t l ys i z ee f f e c to ff i b e rr e i n f o r c i n go n c o n c r e t e n ef r a c t u r epr o p e r t i e s0fca r b o nf i b e ran ddi f f e r e n tdi a m e t e rst e e lf i b e rco n e r e t e 撕 c o m p a r e da n da n a l y z e d 硼1 ef o r m u l ao ff i b e rd e b o n d i n ge n e r g ya n df i b e rp u l l i n go u te n e r g yo f f i b e rc o n c r e t ei sr e f e r r e db yu s i n gb r i d g i n gs t r e s st h e o r ya n ds i z ee f f e c to ff i b e rr e i n f o r c i n ga n do n c o n c r e t ei sv a l i d a t e d a f t e rs t u d y i n gt h ee f f e c to fc a r b o nf i b e r 、m i c r o s t e e lf i b e r 、o r d i n a r ys t e e lf i b e ro nc e m e n t p a s t e 、m o r t a r 、c o n c r e t e ，t h eh y b r i de f f e c to f t h e mo nc e m e n tp a s t e 、m o r t a r 、c o n c r e t ei ss t u d i e d s i n g l ef i n e f i b e ri ss u i t a b l ef o rr e i n f o r c i n gc e m e n tp a s t eb u tt h e r ee x i t sf a i r l yh y b r i dr e i n f o r c i n g e f f e c to fd i f f e r e n tg e o m e t r i c a ls i z ef i b e ro nc e m e n tm o r t a r 、c o n c r e t e 1 1 1 em e c h a n i s mo fh y b n d e f f e c to fd i f f e r e n td i a m e t e rf i b e ri sa n a l y z e da n dt h ec o n c e p t i o no fg e o m e t r i c a lh y b r i df i b e r r e i n f o r c e dc e m e n t - b a s e dm a t e r i a li sp r o p o s e d t h i si saw a yt od e v e l o ph i g hp e r f o r m a n c ec e m e n t - b a s e dc o m p o s i t em a t e r i a l s f i n a l l y , t h ep h y s i c sm o d e lo ft h eg e o m e t r i c a lh y b df i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ei sf o u n d e da n d t h em o d e lc o i n c i d e si nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：g e o m e t r i c a ls i z e ，c a r b o nf i b e r , m i c r o - s t e e lf i b e r , o r d i n a r ys t e e lf i b e r , c e m e n tp a s t e ， s i z ee f f e c t 。m o r t a l , s a n d - b i n d e rr a t i o ，c o n c r e t e ，m a x i m u ma g g r e g a t es i z e ，g e o m e t r i c a lh y b r i d 声明尸明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士学位论文“不同几何尺寸纤维混杂增强水泥基 复合材料的研究。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中 不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开 发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：王成启 2 0 0 4 年3 月3 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 1 1 1 纤维增强是实现高性能水泥基复合材料的有效途径之一 材料科学与工程是当今世界产业革命的三大支柱之一。在各种材料中，新兴的无机 非金属材料和复合材料正以无可比拟的优异性能迅速发展【i 川。水泥基材料是最重要、最 基本的建筑材料，其用量最大、用途最广。水泥基材料作为建筑材料已有百余年的历史。 在未来，水泥基材料仍将是需求最大的材料。 1 9 世纪2 0 年代出现波特兰水泥后，水泥基材料作为一种新型建筑材料，以其骨料 可以就地取材，构件易于成型等突出优点，日益广泛地应用于工业与民用建筑、水坝、 桥梁、公路、海港、军事等各个领域，其理论和技术不断发展，己成为材料科学的一个 重要的门类和材料工程的重要领域【5 一l 。1 9 世纪中叶以后，出现了钢筋混凝土。这种新 型复合材料以钢筋承受拉力，混凝土承受压力，初步克服了混凝土抗拉强度低、用途受 限制的弱点。2 0 世纪3 0 年代开始出现预应力混凝土，其结构的抗裂性能、刚度和承载 能力，大大超过了钢筋混凝土结构，从而显著地扩大了混凝土的应用范围【8 一o 】。尽管钢 筋混凝土和预应力混凝土取得了很大的发展，但混凝土和砂浆等水泥基材料作为建筑材 料存在固有弱点。水泥基材料弱点之一是抗拉强度低，约为抗压强度的1 7 1 1 2 。弱点 之二是拉伸断裂应变很小，抗裂性差。弱点之三是由于上述两项决定水泥基材料呈脆性， 能量吸收少，抗冲击能力差，容易发生裂缝和破损。 随着水泥品种的改善、水泥基复合材料理论的发展和施工工艺的改进，水泥基材料 的强度得到稳步增长【l l l 。高效减水剂的问世和硅粉、矿渣、粉煤灰等活性矿物掺合料掺 入使高强水泥基材料广泛应用有了可能 1 2 - 1 5 1 。随着水泥基材料的强度的提高，水泥基材 料的断裂能和断裂韧性的增n 4 , 于强度的增加，断裂过程区尺寸变小，结构的延性降低， 抗震性能降低【临1 7 1 。因此，随着水泥基复合材料的强度的提高，水泥基复合材料的固有 的弱点更加突出。 水泥基复合材料韧性改善是高性能水泥基复合材料研究的重要方面【t 虮。一些学者针 对高强水泥基复合材料脆性大的弱点进行了研究，通过选择高强低脆的最佳骨料粒径、 增大不影响强度的孔隙率、提高骨料的体积含量和采用低水灰比、高效减水剂、矿物超 细粉等改善配合比方法来改善其脆性【1 9 - 2 2 1 。针对水泥基复合材料抗拉强度低、抗裂性差、 脆性大的弱点，各国建筑材料科研工作者经过大量的研究后，认为要从水泥基材料本身 来根本上克服这些弱点是异常困难的，而最为有效的方法是采用复合的手段，而纤维复 同济大学博士学位论文 合是增加水泥基复合材料的强度和韧性重要途径之一【2 3 - 2 6 1 。在水泥基材料中掺加纤维主 要有以下作用：( 1 ) 提高抗拉强度和弯曲强度：( 2 ) 提高抗冲击强度；( 3 ) 当基体开裂 后，纤维能控制裂缝扩展：( 4 ) 改善新拌浆体的流动特性【2 7 1 。因此，与纤维复合是实现 高性能水泥基复合材料的有效途径。 1 1 2 纤维增强水泥基复合材料的发展概况 利用纤维增强基体以改善材料性能已有数千年的历史。公元前1 3 0 0 年，埃及人就 用稻草来改善砖的性能【2 8 1 。文艺复兴时代，意大利也曾使用掺入麻纤维进行粉刷。日本 自古就在土墙中拌和麦秸来增加其抗裂性【2 9 1 。在2 0 世纪初，国外建立了世界上第一座 石棉水泥厂，利用石棉纤维增强水泥净浆，制成薄壁制品。到上世纪三十年代已有三十 七个国家生产石棉制品。 纤维增强混凝土的研究，始于1 9 1 0 年，由美国的p o r t e r 首创。1 9 1 1 年美国的g r a h a m 正式将钢纤维掺入到混凝土，初步验证了它在增强方面的优越性。从1 9 1 1 年至1 9 3 3 年， 美、英、法等国相继有人建议在混凝土或钢筋混凝土中掺加钢纤维或其它金属丝以改善 性能。上世纪四十年代至五十年代，意大利人发明了钢丝网水泥，它实际上是用连续的 钢纤维增强水泥砂浆。在此期间内，有人探索用其它纤维增强水泥基材的可能性，如在 制造石棉水泥制品同时，用纤维素纤维或矿物棉代替部分石棉。上世纪五十年代多以石 棉、矿棉、玻璃棉等纤维增强水泥基复合材料。 自上世纪六十年代至目前，玻璃纤维增强树脂复合材料的大发展刺激与推动了新型 纤维增强水泥复合材料的研究与开发，取得了较大的进展，1 9 6 3 年美国的r o m u a l d i 从 理论上提出了“纤维阻裂机理”0 0 - 3 2 1 ，发表了钢纤维约束混凝土裂纹扩展的研究报告， 从而为钢纤维增强水泥基复合材料的进一步开发奠定了理论基础。特别是美国b a t t e l l e m e m o r i a li n s t i t u t e 总公司成功地研制熔钢抽丝法，致使得以廉价地制造钢纤维，这就为 钢纤维水泥基材料的实用化铺平了道路。六十年代上半期，美国又进行了用尼龙等有机 合成纤维增强水泥砂浆的研究。1 9 6 7 年英国试制成含锆的抗碱玻璃纤维，并继而研n t 抗碱玻璃纤维增强水泥砂浆。纤维增强水泥基复合材料在工程中的应用始于上世纪七十 年代初期，但绝大部分集中在钢纤维增强水泥基复合材料。 随着水泥基材料的不断发展，人们认识到各种高强纤维增强水泥复合材料是有效地 克服钢筋锈蚀、碳化、碱骨料反应，从而延长混凝土寿命重要途径。继钢纤维、玻璃纤 维、天然纤维、有机纤维等之后，各国又陆续开发了多种新型高强、低密度的增强纤维， 如碳纤维、聚酰胺纤维、库拉伦纤维、开芙拉纤维等，更加丰富了纤维增强水泥基复合 材料的增强材料的种类2 7 3 2 羽】。 上世纪八十年代，日本对碳纤维水泥基复合材料的研究与应用取得突破性进展，并 率先在工程中成功地应用了碳纤维增强水泥基复合材料。目前，纤维增强水泥基复合材 料所采用的纤维主要是短纤维。此外，对用连续纤维、精纺编织、三维织物纤维增强水 第一章绪论 泥基复合材料也在进行探索与初步应用。 1 1 3 纤维增强水泥基材料的主要特点 工程实践证明，在水泥基材料中掺加纤维有可能使水泥基复合材料的抗弯、抗拉、 抗剪、抗冲击强度、断裂韧性、极限延伸率、耐疲劳性能和抗爆炸荷载等性能有明显提 高。但纤维对水泥基复合材料性能改善与纤维的品种、几何尺寸、掺量密切相关；此外， 水泥基体的配合比和聚合物、矿物掺合料、外加剂等对纤维在基体中作用的发挥也有十 分重要的作用。 1 1 3 1 纤维的品种对纤维水泥基材料的影响 纤维增强水泥基复合材料中的纤维承受的荷载是通过纤维与基体界面处的剪切变 形传递的，荷载传递由纤维与基体的物理力学性质所决定，其中，纤维的弹性模量、断 裂应变、抗拉强度等物理力学性能对纤维在水泥基体中的作用起着主要作用【3 5 1 。 目前，用作增强水泥复合材料的纤维种类较多，主要有钢纤维、无机非金属纤维( 碳 纤维、玻璃纤维等) 、有机纤维( 聚丙烯纤维、尼龙纤维等) 。表l l 列出几种纤维及水 表卜1几种水泥基复合材料增强纤维及基体的性能f 搏3 7 l f i b e rt y p e y o u n g se l o n g a t i o n d e l l 嘶觚l e 咖g t h i i l o d u l 豁眦 ( ) ( m ( i m p a ) ( ) s t e e lf i b e r g l a s sf i b e r p o l y p r o p y l e n ef i b e r f i b r i l l a t e df i l mp o l y p r o p y l e n ef i b e r n y l o nf i b e r c a r b o nf i b e r ( h i g hs t r e n g t h ) c e m e n tp a s t e m o r t a r 7 8 2 7 o 9 l 0 9 1 1 1 4 _ 1 1 6 1 9 2 0 0 2 2 0 2 2 0 2 3 0 5 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 _ 4 0 0 0 4 0 0 - 6 5 0 5 6 0 7 7 0 9 0 0 9 7 0 2 3 0 3 - 6 2 4 c o n c r e t e 2 3 0 2 4 0i - 4 3 ，0 - 4 00 0 1 - 0 0 2 泥基体的物理力学性能。由于不同品种纤维的物理力学性能之间存在显著差异，它们对复 合材料性能的改善效果也是不同的。用于增强水泥基复合材料的纤维按弹性模量可分为两 类。一类是弹性模量高于水泥基体的纤维通常称为高弹性模量纤维，如钢纤维、玻璃纤维、 表卜2 铜纤维和聚丙烯纤维混凝土的劈拉强度和断裂能 f i b e rt y p e v o l u m ef r a c t i o n ( ) s p l i tt e n s i l es t r c n g t h ( m p a ) f r a c t u r ee n e r g y ( n m ) r e f e r e n c e 4 8 7 1 4 1 8 s t e e lf i b e r 0 4 p o l y p r o p y l e n ef i b e r 0 44 6 1 6 9 6 1 碳纤维等；另外一类是弹性模量低于基体。通常称为低弹性模量纤维，如尼龙纤维、聚丙 5 b d 5 5 o d m 洲 姒 悸 ! 量 涮 m 吼 始 勰 。 m 博 m 呈 “d 7 石，5 5 2 8 i o o i 2 3 眼 n 强 孓 射 拍 n - ! ! 撕 7 m o o 2 同济大学博士学位论文 烯纤维等。表1 2 为钢纤维和聚丙烯纤维混凝土的劈拉强度和断裂划3 引。表1 3 为聚丙 表1 - 3 聚丙烯纤维混凝土的塑性收缩和抗冲击性能 烯纤维混凝土的塑性收缩和抗冲击性能3 9 4 0 1 。因此，一般来说，高弹性模量的纤维可全 面提高水泥基材料的抗拉、抗弯、抗冲击等强度指标和韧性，而低弹性模量的纤维只能 大幅度提高抗冲击与韧性和有效抑制水泥基材料的裂缝和早期干缩裂缝 4 1 - 4 s l 。 1 1 3 2 纤维的几何尺寸对水泥基材料性能的影响 纤维增强水泥基复合材料的性能主要取决于水泥基体的特性、纤维的特性、两者的 相对含量与界面粘结。其中界面粘结与界面效应是发挥纤维对水泥基材料增强、增韧与 阻裂的关键。不少学者对钢纤维水泥基材料的界面进行了研究f 4 列。大量试验与工程实 践表明，引起纤维增强水泥基材料破坏的原因，常常是界面粘结过早失效，从而使纤维 的作用得不到充分发挥，影响到增强效率。 根据m a s o 对集料水泥浆体界面形成的假说1 5 3 1 ，骨料与基体存在5 0 1 0 01 tm 的界面 层。研究表明【5 引，纤维与水泥基体的界面层的组成与结构和骨料与水泥基体的界面层组 成与结构是类似的。在纤维增强水泥复合材料中，纤维与基体界面层具有比基体高的水 灰比、高的孔隙率和比基体疏松的结构。可以通过降低水灰比、外掺硅灰和聚合物等来 强化界面层 5 5 - 6 3 】。同时，还可通过对纤维表面进行改性处理，来增强纤维与基体间的粘 结力。用酸、碱处理聚丙烯表面，可降低聚丙烯纤维与水泥浆体的界面接触角，有助于 纤维被水泥浆体浸润，从而增强粘结效果。用等离子体处理聚丙烯纤维表面，纤维的表 面润湿性和粗糙度有较大幅度的提高，有利于纤维与水泥浆体粘结性能的改善“舶l 。除 此之外，纤维的几何尺寸对增强纤维与基体粘结力起到十分重要的作用。