（材料加工工程专业论文）聚丙烯纤维水泥复合材料的制备与性能研究.pdf

s t u d yo nt h ep r e p a r a t i o n a n dp r o p e r t i e so f p o l y p r o p y l e n ef i b e r c e m e n tc o m p o s i t e m a t e r i a l n i n gc h a o u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f l ig u o z h o n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y ，2 0 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名_ 宣壑 日期：! ! 堕；! ! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盈导师签名：纽日期：竺! ! ：羔：三? 济南人学硕卜学位论文 目录 摘要i v a b s t r a c l v i 第一章绪论1 1 1 研究的背景及意义1 1 2 纤维增强水泥基复合材料的发展历程2 1 3 聚丙烯纤维用于水泥基材料的可行性分析4 1 4 纤维增强水泥基复合材料的性能的研究7 1 5 国内外聚丙烯纤维水泥基材料研究的发展和应用现状8 1 6 主要研究内容1 0 第二章实验材料、设备及其实验方法1 2 2 1 实验材料1 2 2 1 1 水泥胶结材料1 2 2 1 2 集料1 2 2 1 3 聚丙烯纤维1 2 2 1 4 化学药品及试剂1 3 2 1 5 减水剂1 3 2 2 试验仪器及设备1 3 2 3 基本性能测试方法i 1 4 2 3 1 抗折强度的测定1 4 2 3 2 抗压强度的测定1 4 2 3 3 抗冲击性能的测试：1 5 2 3 4 干燥收缩性能测定1 6 2 3 5 抗干缩开裂性能试验1 6 第三章聚丙烯纤维增强水泥砂浆的制作工艺与配合比确定1 8 3 1 概述1 8 3 2 聚丙烯纤维掺加工艺的确定1 8 3 3 聚丙烯纤维增强水泥砂浆水灰比的确定2 1 l 聚丙烯；f 维水泥复合材料的制备r j 件能研究 3 4 本章小结2 4 第四章聚丙烯纤维的表面改性与表征2 5 4 1 化学氧化法改性聚丙烯纤维2 5 4 1 1 纤维的改性与表征方法2 5 4 1 2 实验结果与讨论2 5 4 2 硅烷偶联剂改性聚丙烯纤维2 6 4 2 1 纤维的改性与表征方法2 6 4 2 2 纤维的改性与表征方法2 8 4 3 表面接枝法改性聚丙烯纤维2 9 4 3 1 纤维的改性与表征方法2 9 4 3 2 实验结果与讨论2 9 4 4 本章小结3 2 第五章聚丙烯纤维对水泥复合材料性能的影响3 3 5 1 聚丙烯纤维对水泥砂浆抗折、抗压性能的影响：3 3 5 2 聚丙烯纤维对水泥砂浆抗冲击性能的影响3 5 5 3 聚丙烯纤维对水泥砂浆抗干燥收缩性能的影响3 6 5 4 聚丙烯纤维对水泥砂浆抗干缩开裂性能的影响3 7 5 5 聚丙烯纤维对水泥砂浆抗渗性能的影响4 0 5 6 本章小结4 1 第六章聚丙烯纤维水泥复合材料增强机理的研究4 3 6 1 聚丙烯纤维对试样的抗折、抗压强度的影响4 3 6 2 聚丙烯纤维的阻裂、抗渗机理4 3 6 3 改性聚丙烯纤维的增强机理4 5 6 4 本章小结4 6 第七章结论4 7 7 1 结论4 7 7 2 本文创新之处4 9 7 3 今后的工作建议4 9 j 齐南大学硕士学位论文 曼曼鼍皇苎曼曼曼皇曼曼曼曼蔓曼鼍皇曼曼曼曼曼皇皇曼i i i i ；曼i 曼量曼曼曼皇皇曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼皇皇! 曼舅曼鼍! 曼曼皇詈曼曼篁 致谢5 4 附录5 5 一、在校期间发表的学术论文5 5 二、在校期间参加的项目5 5 三、在校期间获奖情况5 5 四、在校期间获得专利情况5 6 i i i 济南大学硕士学位论文 摘要 水泥是当今人类社会用量最大、应用范围最广的建筑材料。水泥基材料虽 然具有很高的抗压强度，但存在着抗拉强度低、干缩率大、脆性大、抗冲击性 差等缺点，其抗拉强度仅是抗压强度的1 1 0 1 7 ，在较低的拉伸变形时即易发 生开裂。随着水泥基材料抗压强度的大幅度提高，其收缩开裂和脆性大的问题 也更为突出。但是水泥基材料上述的缺陷是先天性的，不可能通过本身材质的 改良来解决，只有采取“复合化”的技术途径。由此开发了一系列水泥基复合 材料，利用合成纤维制作水泥基复合材料就是其中的一种重要途径。 通过研究普通聚丙烯纤维及改性聚丙烯纤维对水泥基复合材料性能的影 响，获得聚丙烯纤维的最佳掺量、最佳成型工艺等参数。并探讨聚丙烯纤维对 水泥基复合材料的增强机理，使聚丙烯纤维在实际工程中得到更广泛的应用。 本文重点研究普通聚丙烯纤维纤维及改性聚丙烯纤维对水泥复合材料的性 能影响，主要研究内容包括：( 1 ) 通过对比、研究在不同的水灰比条件下成型 的水泥基复合材料力学性能，确定最佳的水灰比；研究先掺法、后掺法这两种 不同的掺加工艺对水泥砂浆性能的影响，确定最佳掺加工艺；( 2 ) 研究不同改 性方法对聚丙烯纤维的影响，及其对复合材料性能的影响，确定最佳的改性方 法；( 3 ) 研究聚丙烯纤维掺量变化对水泥砂浆抗折、抗压强度、抗冲击性能、 抗干燥收缩性能以及抗干缩开裂性能的影响；( 4 ) 利用扫描电镜、红外光谱仪 对聚丙烯纤维及其水泥复合材料进行微观分析，根据现有基本理论，结合宏观 力学测试数据，分析聚丙烯纤维对水泥砂浆的增强机理，初步探讨复合材料其 它成分的增强作用。 研究表明，采用先掺法掺加工艺可以使聚丙烯纤维在基体中分散均匀，使 纤维的增强效果得到充分发挥；利用不同方法对聚丙烯纤维进行了改性，使纤 维与水泥砂浆基体的结合得到不同程度的改善，其中表面接枝法改性效果最佳。 利用表面接枝法改性聚丙烯纤维使得纤维的表面接枝上了丙烯酸，提高了纤维 的亲水性能，使其与水泥砂浆基体紧密结合，同时使纤维表面粗糙化，增加了 其与水泥基体之间的界面结合，宏观上表现为砂浆试样的力学强度明显提高。 将掺加普通聚丙烯纤维和掺加改性聚丙烯纤维的试样的抗折、抗压性能， v 聚丙烯纤维水泥复合材料的制备与性能研究 抗冲击性能，抗干缩开裂性能进行对比。研究表明，掺加改性聚丙烯纤维试样 的性能明显优于掺加普通聚丙烯纤维的试样。以试样2 8 d 抗折和抗压强度为指 标，在本课题条件下，聚丙烯纤维增强水泥砂浆复合材料的最佳配比为，聚丙 烯纤维0 6 k g m 3 ，减水剂0 8 ，水灰比为0 4 6 。 利用扫描电子显微镜、红外光谱仪等对聚丙烯纤维、改性聚丙烯纤维及其复 合材料微观形貌进行了观察分析，研究聚丙烯纤维与水泥基体材料之间的微观作 用情况，并探讨了聚丙烯纤维增强水泥砂浆的机理。 关键词：水泥基复合材料；聚丙烯纤维；改性；力学性能 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c e m e mi st h eb u i l d i n gm a t e r i a l sw h i c ht h el a r g e s ta m o u n ta p p l i c a t i o na n dt h e m o s tw i d e l yu s e di nh u m a ns o c i e t y c e m e n t - b a s e dm a t e r i a l sw i t hh i g hc o m p r e s s i v e s t r e n g t h , b u tt h e r e a l es o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sl o wt e n s i l e s t r e n g t h , h i g h s h r i n k a g er a t e ，l o wd e f o r m a t i o n ，h i g hb r i t t l ep e r f o r m a n c ea n dp o o ri m p a c tr e s i s t a n c e ， a n ds oo n ，t h et e n s i l e s t r e n g t ho fc e m e n t - b a s e dm a t e r i a l si so n l y 1 10 - 1 7o ft h e c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，i ti se a s yt oo c c u tp l a s t i cc r a c k i n gi nl o wt e n s i l ed e f o r m a t i o n a st h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fc e m e n t - b a s e dm a t e r i a l sa r er a i s e d g r e a t l y , t h e d i s a d v a n t a g e so fs h r i n k a g ec r a c k i n ga r em o r ep r o m i n e n t b u tt h ed i s a d v a n t a g e so f c e m e n t b a s e dm a t e r i a l si s c o n g e n i t a l ，i ti si m p o s s i b l es o l v e db yi m p r o v e dt h e p e r f o r m a n c eo fm a t e r i a li t s e l f , o n l yb ya d o p t i n gt h et e c h n i c a lw a yo f ”c o m p o u n d ” t h u sd e v e l o p e das e r i e so fc e m e n tb a s ec o m p o s i t em a t e r i a l s ，i ti so n ek i n do f i m p o r t a n tw a y sb yu s i n gs y n t h e t i cf i b e rp r o d u c t i o nc e m e n tb a s ec o m p o s i t em a t e r i a l s t h ep a r a m e t e r so ft h eo p t i m u mc o n t e n ta n d o p t i m a lm o l d i n gp r o c e s so fp o l y p r o p y l e n ef i b e r w e r eo b t a i n e d b ys t u d y i n gt h ei m p a c to fp o l y p r o p y l e n ef i b e ra n dm o d i f i e do r d i n a r y c e m e n t b a s e dp o l y p r o p y l e n ef i b e rw i t hc o m p o s i t em a t e r i a lp e r f o r m a n c e a n dd i s c u s s e dt h e e n h a n c e m e n tm e c h a n i s mo fp o l y p r o p y l e n ef i b e ro nc e m e n tb a s ec o m p o s i t em a t e r i a l s ，m a k et h e p o l y p r o p y l e n ef i b e rg e tm o r ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n i np r a c t i c a lp r o j e c t s t h i sp a p e rf o c u s e so nt h e i m p a c to fu n m o d i f i e dp o l y p r o p y l e n ef i b e r sa n dm o d i f i e d p o l y p r o p y l e n ef i b e r s0 1 1t h ec e m e n tb a s ec o m p o s i t em a t e r i a l sp e r f o r m a n c e ，t h em a i nc o n t e n t s i n c l u d e ：( 1 ) d e t e r m i n et h eb e s tw a t e r - c e m e n tr a t i ot h r o u g ht h ec o m p a r i s o na n dr e s e a r c ht h e m e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo fc e m e n t b a s e dc o m p o s i t e su n d e rt h ed i f f e r e n tw a t e r - c e m e n tr a t i o ； d e t e r m i n et h eb e s ta d d i n gp r o c e s st h r o u g hr e s e a r c hf i r s tm i x i n gm e t h o da n da f t e rm i x i n g m e t h o d ；( 2 ) t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tm o d i f i c a t i o nm e t h o d st op o l y p r o p y l e n ef i b e r , a n d t h ee f f e c t st ot h ep r o p e r t yo ft h ec o m p o s i t em a t e r i a l sw e r es t u d i e di no r d e rt o d e t e r m i n et h eb e s tm o d i f i c a t i o nm e t h o d ；( 3 ) r e s e a r c ht h e d o s a g ec h a n g e so f p o l y p r o p y l e n ef i b e ro nt h ef l e x u r a ls t r e n g t h ，c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，s h o c kr e s i s t a n c e ， d r y i n gs h r i n k a g ep e r f o r m a n c e ，a n ds h r i n k a g ep e r f o r m a n c eo fc e m e mc o m p o s i t e m a t e r i a l s ；( 4 ) u s es c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，f t i r ，a c c o r d i n gt ot h e v i i v i i i 济南大学硕卜学位论文 i 鼍曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼 第一章绪论 1 1 研究的背景及意义 水泥与水泥基材料是当今在建筑生产中应用量最大、应用范围最广的人造材 料，但水泥的生产需要的能耗较大，严重污染环境。根据国家可持续发展战略方 向，必须提高水泥及水泥基材料的性能，向多功能、低污染、低用量、长寿命的 方向努力【 】。 国内外专家普遍认为，利用超叠加效应即复合化是提高水泥基材料性能的主 要方法，特别是采用纤维增强对水泥基材料料高性能化有及其重要的意义。“水 泥基复合材料”这一名词是在1 9 8 0 年由美国国家材料顾问委员会首先提出，其 包括所有以水泥为基体材料的复合材料。纤维增强水泥基复合材料是以水泥、集 料与水混合形成的浆体为基体，掺入各种无机、金属或有机的不连续短切纤维等 增强体形成的水泥基材料，又称为纤维增强砂浆( 或混凝土) 1 4 1 。 现代混凝土己向着高性能混凝土发展，要求其具有高抗压、大流动度、高抗 拉，同时要求其在使用时容易旌工，其能够长期保持高抗渗性、高韧性、高强等 性能。但由于目前水泥及水泥基材料( 砂浆、混凝土等) 的抗拉强度较低、脆性 较大、极限延伸率小，且其在日照、风吹的等天气情况下，由于混凝土表面水分 快速蒸发，产生了毛细孔收缩应力，但是混凝土水化过程较慢，没有足够的时间 形成强度来抵抗毛细孔收缩所产生的应力，所以混凝土容易产生塑性收缩开裂。 特别是由于高强混凝土脆性大，其抗拉强度与抗压强度之比低，仅为6 左右。 所以，采用高强混凝土制备的结构跨度增加幅度不宜太大，否则结构随时可能因 混凝土的脆性而破坏。高强混凝土结构受弯时，当荷载达到破坏荷载的1 8 左右 时，就开始产生裂缝并扩展，降低结构各方面的性能，缩短建筑的使用寿命；在 结构设计时因高强混凝土抗裂性的限制，以混凝土为主的高强建筑材料得不到充 分应用。 掺入极限延伸率大、抗拉强度高、抗碱性、耐腐蚀性好的纤维作为增强体可 以克服混凝土的上述缺点【5 罐】。因此，近些年来纤维混凝土得到了很大的重视， 其在生产建筑中的应用规模也逐渐扩大。在我国，纤维混凝土已经应用到了如， 工业与民用建筑、停车场、道路与桥梁工程、水利工程、公路和机场跑道等各方 聚丙烯纤维水泥复合材料的制各与惟能研究 面的工程，并且在利用纤维混凝土修补受损建筑以及利用纤维生产各种预制混凝 土产品等领域已作过许多大规模的现场试验，其中以上应用均获得了一定的成 功。 1 2 纤维增强水泥基复合材料的发展历程 按所用纤维材料的性质，水泥基复合材料可分为以下三大类： ( 1 ) 无机纤维：如氧化铝纤维、碳纤维、石棉等天然矿物纤维和抗碱玻璃纤 维、抗碱矿棉、碳化硅系列纤维等人造矿物纤维； ( 2 ) 有机纤维：主要包括聚乙烯纤维、维纶纤维( 聚乙烯醇纤维) 、聚丙烯纤 维、聚酯纤维、芳纶纤维等合成纤维、天然植物纤维； ( 3 ) 金属纤维：目前主要为钢纤维等。 利用纤维提高混凝土的各方面性的研究可以追溯到古代，草筋粘土砖和纸筋 灰为最早的纤增强复合材料的典型代表。 岩棉纤维1 9 具有很高的强度和模量，且来源丰富、价格低廉，纤维与水泥基 体结合性能良好，是一种传统的增强水泥制品纤维。棉岩纤维水泥制品是利用最 多，最重要的水泥基复合材料，也是用量较大的纤维增强水泥基材料之一。目前， 岩棉纤维每年用于增强水泥材料大约为2 0 0 万吨。近年来的研究发现，岩棉纤维 可能对人体具有致癌的危害，许多发达国家已经开始逐步禁止岩棉纤维增强水泥 制品的使用。 钢纤维 1 0 - 1 1 】作为使用时间较长的一种纤维，广泛应用于路面工程等，其应用 开始于1 9 1 0 年，首先由美国的p o r t e 先生提出了钢纤维增强混凝土的设想。钢 纤维 7 1 具有较高的弹性模量、抗拉强度，大约为水泥基材的5 倍以上，同时具有 优良的耐疲劳和抗冲击性能，钢纤维的掺入大大提高了混凝土的抗裂性能和抗拉 强度，同时使混凝土的抗冻融性能、抗冲击性能等得到提高；另外钢纤维的截面 也可制成各种不同形状，从而使水泥基材与钢纤维的结合力增强。但是钢纤维的 掺量并不是越大越好，当钢纤维掺量过大时，钢纤维混凝土复合材料浆体稠度较 大，搅拌成型困难，钢纤维在混凝土中分散不均匀，一方面增加了搅拌设备的磨 损，又增加了混凝土的自重，施工较困难。 c 3 0 ) 和高工作性能。高性能混凝土的的高耐久性 可使建筑物在相当长的时间内保持较好的质量水平，减少了因混凝土开裂造成的 建筑结构维修和翻新，节约资源、人工费等，特别是对纪念性建筑具有十分重要 的意义。与强度指标相比，耐久性显得较为复杂，其涉及因素与内容较多，但总 体来说，不论因何原因引起的由于耐久性较差而导致的破坏，最终都表现为建筑 物出现裂缝。所以，若能抑制水泥基材料的开裂，将能大幅度提高水泥基材料的 耐久性，由此实现水泥基材料的高性能化。 中国工程院院士吴中伟教授认为【2 4 1 ，利用纤维增强混凝土使其复合化是实 现混凝土高性能化的一个主要方法，其效果可用公式l + 2 3 表示。 当前增强水泥基材料的纤维按性能主要分为以下两大类【2 5 】：1 ) 低弹性模量 纤维，即弹性模量低于水泥基体的纤维，主要包括聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚 酯纤维等；2 ) 高弹性模量纤维，即弹性模量高于水泥基体的纤维，主要有钢纤 维、石棉纤维、碳纤维、玻璃纤维等。在上世纪，石棉纤维具有耐热、不燃、耐 水、耐酸、耐化学腐蚀、密度小等诸多优良性能，而广泛应用于增强水泥基材料。 但后来有专家提出制造、接触石棉产品或吸入石棉尘埃都可能导致人体细胞癌 变，被列为限用纤维，导致其在水泥基材料中的应用大为降低。由于当前建筑行 5 聚丙烯纤维水泥复合材料的制各与性能研究 业使用的水泥均为碱性，而玻璃纤维自身存在耐碱性较差，玻璃纤维水泥复合材 料的耐久性能较差，极大地限制了玻璃纤维在水泥基材料中的使用。碳纤维的应 用受其昂贵价格的制约，目前只在某些特殊工程中使用。利用钢纤维增强水泥基 复合材料始于上世纪6 0 年代，钢纤维的掺入使水泥基材料的韧性、抗拉强度、 抗挠曲强度显著提高。但利用钢纤维增强水泥基材料具有以下缺点：1 ) 掺入钢 纤维后，水泥基复合材料的拌和、振捣以及成型都比较困难；2 ) 钢纤维在水泥 基体中会生锈，尤其在修筑海港、水工建筑等工程中，因钢纤维生锈导致了钢纤 维水泥基材料耐久性能下降，使用寿命大幅下降；3 ) 钢纤维价格较高，造成钢 纤维水泥基材料成本过高，一般工程难以承受，从而限制了钢纤维水泥基材料在 实际工程中的推广应用。 高耐久性是水泥基材料高性能化的重要特征，而实现高耐久性的重要措施 就是防止材料的开裂，其中防止水泥基材料开裂的有效方法便是向其中掺加纤 维【2 4 】。钢纤维具有高的弹性模量，当受到破坏时，掺加钢纤维的水泥基材料中 可有效阻止裂缝扩展，受到破坏后仍能保持一定的强度，也就是说钢纤维的加 入提高了水泥基材料硬化后的抗变形能力。所以说，钢纤维的阻裂能力与纤维 自身的弹性模量、抗拉强度以及纤维与水泥基体之间的界面粘结有很大关系。 与钢纤维相比，聚丙烯纤维直径仅为0 0 2 , 4 ) 1 m m ，相同质量分数掺量下，聚丙 烯纤维在材料中的纤维间距更小，所以对于同一体积的水泥基体而言，聚丙烯 纤维在较少掺量下就可满足应用需求。通过一定方法将纤维充分分散于基体中， 并确保纤维与基体之间的界面结合良好，水泥基体中的聚丙烯纤维便可防止泌 水、离析、收缩等水泥基材料硬化初期阶段缺陷的产生和发展，减小原生裂缝 的数量和尺度，从源头预防水泥基材料的劣化或破坏。早期自身强度低是水泥 基材料的特点，因此，聚丙烯纤维的阻裂能力主要与纤维的细度和基体中纤维 的间距有密切关系，而与纤维自身性能的相关性并不明显。由上述分析可知， 钢纤维和聚丙烯纤维的阻裂性能发挥在不同时期，前者主要是在水泥基材料硬 化后的时期，后者主要是在水泥基材料的塑性期和硬化初期。因此，两者不可 相互取代。比如说，在一些水工、海港对材料裂缝要求严格场所中，聚丙烯纤 维的应用可能获得更为理想的效果；而像在路面、桥面中使用的材料，钢纤维 的掺入可有效改善材料硬化后受到破坏时抗裂性能，而聚丙烯纤维的掺入可以 改善水泥基材料早期塑性开裂的性能缺陷。 6 济南大学硕i j 学位论文 1 4 纤维增强水泥基复合材料的性能的研究 在纤维增强水泥基复合材料中，纤维的主要作用在于控制水泥基体内部微 裂纹的生成及发展，防止或阻碍结构性裂缝的生成，提高混凝土的变形能力， 同时也提高了复合材料的抗拉强度、抗裂性、抗渗性及抗冲击、抗冻性等。 ( 1 ) 抗拉强度 在水泥基体中呈任意三维乱向分布的短切纤维在水泥基复合材料硬化过程 中改变了其内部结构，均匀分散的纤维彼此相连，减少了内部缺陷，提高了水 泥基复合材料的连续性。在水泥基复合材料受力过程中纤维与基体共同受力抵 抗变形，当基体受到破坏时，纤维可以与水泥基体牵连，使的水泥基复合材料 裂而不断并能进一步承受载荷，使的水泥基材的抗拉强度得到极大提高；当所 用纤维的掺量、几何尺寸与力学性能、分散性等合适时，可使纤维复合材料的 抗拉强度有明显的提高1 2 7 - 2 9 1 。 ( 2 ) 抗裂性 在水泥基复合材料新拌的初期，均匀分散增强纤维彼此相连接为乱向分布 的重重网状撑托系统，撑托骨料，从而有效的减少骨料的离析，减少了泌水， 避免材料的分层现象的产生；在水泥基体硬化过程中，即使基体有微裂纹产生， 在内部和外部应力的作用下，他的扩展也必然受到纤维在基体内部形成的乱向 分布的致密网状结构系统的重重阻拦，难以扩展为大的裂纹。从宏观上看，当 基体材料受到应力作用产生微裂缝后，因水泥基体开裂而产生的拉应力被转移 给纤维承担；基体在水化过程中的收缩产生的能量被纤维所吸收，有效增加了 复合材料的韧性，提高了其初裂强度、阻止了裂缝的产生。同时，纤维的乱向 分布和纤维与基体之间的粘连还有助于减弱水泥基复合材料的塑性收缩及水泥 基体受到冷冻时的收缩。眭聿胜、贺志龙等研究表明，当基体中掺加体积掺量 为0 0 5 的杜拉纤维时，纤维混凝土的抗裂能力比普通混凝土提高了近 7 0 t 3 0 3 3 1 。 ( 3 ) 抗渗性 影响水泥基复合材料抗渗性的主要因素为混凝土的密实性、基体内部孔隙 率、孔特征和孔分布等。水泥基体中掺加纤维后，纤维可以阻止砂浆或混凝土 中水泥浆体与骨料的离析现象，提高浇注体的整体均匀性，不致发生各层的不 7 聚内烯纤维水泥复合材料的制备j 性能研究 均匀收缩，减少浇注体的内部裂缝。另外，由于掺入纤维的作用，混凝土内大 量均匀散布的纤维呈三维乱向分布，事实上可以起到阻断混凝土内部毛细作用 的作用，这也是纤维混凝土具有较高抗渗性的一个原因。朱江等试验表明，当 掺加体积掺量为0 0 5 的杜拉纤维时，纤维混凝土的抗渗能力比普通混凝土的 抗渗能力提高了6 0 7 0 0 4 - 3 5 1 。 ( 4 ) 抗冲击性能 当纤维增强水泥基复合材料受到外力冲击时，水泥基体中会出现大量的微 小裂缝，但是由于水泥基体中存在纤维，纤维与水泥基体之间相互粘连，所以 水泥基体仍具有再承受一定的冲击的能力，从而明显提高水泥基复合材料的韧 性与抗冲击性。魏涛等试验发现，对照为掺加聚丙烯纤维的水泥砂浆试样，当 聚丙烯纤维的体积掺量为0 2 加3 时，水泥基复合材料的抗冲击性能比未掺 加聚丙烯纤维试样分别提高了2 5 左右1 3 6 - 3 7 1 。 ( 5 ) 抗冻性 纤维可以通过缓解温度骤冷、骤热变化而引起的水泥基复合材料内部应力 的作用，从而防止和缓解水泥基复合材料在水化、硬化过程中基体中微裂纹的 形成和扩散，提高水泥基复合材料的抗冻性；研究表明，在水泥基复合材料中 加入聚丙烯、聚乙烯纤维等纤维可有效的提高水泥基复合材料的抗冻性能【3 8 。3 9 】。 1 5 国内外聚丙烯纤维水泥基材料研究的发展和应用现状 我国从2 0 世纪7 0 年代末开始聚丙烯纤维在混凝土或水泥砂浆中的应用研 究，而且大多数应用的是国外价格昂贵的聚丙烯纤维，这就在不同程度上制约了 聚丙烯纤维混凝土或水泥砂浆的推广应用。目前已有不少文献都介绍了聚丙烯纤 维的对改善混凝土或水泥砂浆的抗拉、弯折、耐磨及抗老化性能等方面的作用 1 4 0 - 4 2 1 0 国内关于聚丙烯纤维水泥砂浆或混凝土的研究起步较晚，而且是随着国外聚 丙烯纤维在国内重大建设项目中的大规模应用开始的，目前的研究主要集中于聚 丙烯纤维混凝土的物理和力学性能【4 1 越】，有关聚丙烯的改性研究并能应用到实际 工程中的较少。2 0 世纪9 0 年代，中国纺织大学开始对聚丙烯纤维进行改性研制， 并且使改性聚丙烯纤维在实际工程中得到应用。在全国水利工程中采用了改性聚 8 济南大学硕十学位论文 丙烯纤维混凝土的应用实例是2 0 0 1 年，吉林水利实业公司在吉林省梅河口市进 行的渠道防渗护砌试验工程【4 3 】。三峡工程将聚丙烯纤维混凝土用于水库大坝面 板、泄洪坝等特殊工程。据三峡总公司工程建设厂坝项目部出具的意见称，掺加 聚丙烯纤维的混凝土其各项力学性能及耐久性均可满足要求幽】。 聚丙烯纤维作为混凝土的掺合料，首先在1 9 6 5 年被应用于美国军队中的防 爆建筑，当聚丙烯纤维的体积掺量为0 8 k g m 3 时，混凝土的抗爆能力得到明显改 善【4 5 1 。就在同时期，谢尔国际化学有限公司对聚丙烯纤维在混凝土中的应用进 行了实验研究，并成为最早研制出聚丙烯纤维增强水泥制品的公司f 9 。们。步入二 十世纪七、八十年代，聚丙烯纤维在工程中的应用研究取得了系列研究成果， 其中聚丙烯纤维的应用在美国已进入商品化阶段。为了提高水泥制品的抗弯强 度，1 9 7 7 年，美国有关学者通过大量实验得出可通过在水泥砂浆中掺加2 体积 分数的聚丙烯纤维达到此目的【蛔。针对混凝土的特性，1 9 8 4 年美国合成工业公 司研制出混凝土专用的聚丙烯纤维【4 7 1 。聚丙烯纤维除了可提高水泥制品的抗弯 强度外，挪威国家研究院通过大量试验研究发现：在混凝土中加入为0 9 k g m 3 体积掺量的聚丙烯纤维能够显著提高纤维混凝土的抗磨损性能f 4 8 】；美国学着通 过实验研究证实：聚丙烯纤维的掺入显著提高了混凝土的抗渗性能，有效防止了 混凝土中钢筋的腐蚀【4 9 1 ；日本公司考察了聚丙烯纤维增强混凝土的耐火性，实 验中，其将纤维增强混凝土制品置于1 0 0 0 下两个小时，混凝土材料表现出良 好的耐火性能，耐火性能优异。h t o u t a n j i 5 0 】等研究了聚丙烯纤维增强硅灰混凝 土的氯离子渗透性和抗冲击性能。其中，抗冲击性能以试件抗冲击的次数表示， 抗渗透性能以穿透试件氯离子的电荷数( 库仑数) 表示。h u g l l e s ”】等早在2 0 世纪 7 0 年代就研究了掺入原纤化的和单丝的聚丙烯纤维增强混凝土的应力一应变曲 线，并且明确指出掺入聚丙烯纤维后混凝土的增韧效果显著。目前，世界上应用 比较成功的纤维产品是美国合成工业公司生产的“f i b e r m e s h 聚丙烯纤维网 和美国歇尔兄弟化工公司生产的“杜拉纤维 等。利用聚丙烯纤维作为水泥基材 料掺合料已被世界上6 0 多个国家接受，其最大优点是，聚丙烯纤维的加入不但 能降低建筑成本而且还可以大大地减少水泥基材料的塑性裂缝。在英美等发达国 家，聚丙烯纤维广泛应用于制作管桩、管子、墙体材料和屋面制品等m 】。随着 建筑技术的发展和建筑功能的不断拓展，水利工程、地下底板等大体积混凝土和 水泥砂浆的应用越来越广泛。大体积混凝土或水泥砂浆由于早期温度和干缩引起 聚内烯纤维水泥复合材卡 的制备0 性能研e 的应力，易产生裂缝引起渗漏，成为工程质量控制的一个难题。目前普遍采用的 方法是以膨胀剂补偿收缩，工程实践效果不十分稳定。 聚丙烯纤维混凝土或砂浆是将短而细的聚丙烯纤维均匀地撒布在混凝土及 砂浆基体中以改善其性能的复合材料。研究表明【5 2 弓鼍，聚丙烯纤维增强水泥砂浆 具有普通水泥砂浆不能相比拟的优良性能，其断裂韧性好，抗冲击，耐疲劳。与 普通水泥砂浆相比，聚丙烯纤维能起到阻止混凝土或砂浆裂缝形成和保持结构整 体性的作用，使混凝土或砂浆的塑性区域显著增加，韧性增大，能极大的提高纤 维混凝土的抗冲击能力，防止建筑结构破坏或开裂，弥补普通混凝土或砂浆抗拉 强度低、吸收能量小、抗裂性能差、容易发生裂缝呈脆性破坏的弱点，以保证建 筑结构的安全和工程正常的使用功能。而且聚丙烯纤维还不锈蚀，而且耐酸、碱 腐蚀性能良好等诸多优点。尽管聚丙烯纤维对紫外线较为敏感，抗气候老化性能 较差的缺点，但其在混凝土覆盖厚度超过5 m m 时，可不考虑此影响【5 6 1 。因此， 聚丙烯纤维混凝土在市政设施、码头、地下室工程以及机场跑道、耐磨路面等方 面有着广泛的应用前景。 尽管聚丙烯纤维增强混凝土或砂浆在国内外已得到越来越广泛的应用，但聚 丙烯纤维增强水泥基材料在实际工程中的使用依然较少。聚丙烯纤维增强水泥基 材料在我国的使用较晚，直n - 十世纪9 0 年代中期才开始应用研究。当时，包 括合成工业公司、歇而兄弟化工公司等在内的国外多家纤维生产厂家相继来我国 开拓市场，其纤维产品主要应用于水工、桥梁、桥面、路面等结构工程中。从那 时起，国内不同专家学者开始对聚丙烯纤维的工程应用进行研究，并取得了许多 成果，为聚丙烯纤维在工程中的推广应用奠定了理论基础。 1 6 主要研究内容 本课题研究了聚丙烯纤维水泥复合材料的制备并对复合材料的各项性能进 行了研究，从宏观和微观上探讨分析了聚丙烯纤维对水泥基体的增强作用，内容 如下： ( 1 ) 、概述 对目前聚丙烯纤维增强水泥基复合材料的研究现状进行了概括，说明了研究 聚丙烯纤维水泥基复合材料的目的和意义等。 ( 2 ) 、原材料的选择 l o 济南大学硕卜学位论文 为能够顺利完成本课题的研究，所用原料主要有水泥、砂子、聚丙烯纤维、 减水剂、丙烯酸、偶联剂等。 ( 3 ) 、聚丙烯纤维水泥复合材料的成型工艺 通常的聚丙烯纤维水泥复合材料成型工艺中，纤维在基体中掺加工艺有两 种，一种是先掺法，先掺法是将纤维与水泥基体材料先充分干拌，混合均匀，让 纤维充分分散，然后再将水、减水剂等液体外加剂加入基体材料中混和均匀；另 一种是后掺法，将水泥基体材料加水、减水剂等液体外加剂，混合均匀后再将纤 维加入混合均匀。我们也借用前人的研究方法，对比聚丙烯纤维在砂浆中的先掺 法与后掺法，从微观观察和宏观力学性能两个角度考察了先掺和后掺两种不同的 掺加工艺对聚丙烯纤维在水泥基体中的分散情况及其纤维水泥复合材料制品性 能的影响，以确定聚丙烯纤维增强水泥砂浆的最佳实验工艺。 ( 4 ) 、聚丙烯纤维的改性与表征 针对聚丙烯纤维纤维表面疏水、表面能低、分子链上不含任何活性基团，而 且表面光滑，导致其与水泥基材的物理化学粘接性能较差的缺点，利用三种改性 方法对聚丙烯纤维进行表面改性，使其与水泥基体的粘结性能提高。并利用一定 的技术手段对纤维的改性效果进行表征，以确定一种最佳的改性方法。 ( 5 ) 、聚丙烯纤维水泥基复合材料的基本性能的试验 对聚丙烯纤维水泥基复合材料的各项性能等根据相关标准进行了测试，主要 包括抗压强度、抗折强度、抗冲击性能、抗干缩收缩性能、抗渗性等。 ( 6 ) 、聚丙烯纤维水泥基复合材料的微观分析及界面结合性能的研究 利用扫描电子显微镜、红外光谱仪等对聚丙烯纤维以及复合材料进行了微观 分析，研究聚丙烯纤维与水泥基体材料之间的微观作用情况，并进行机理分析。 聚丙烯纤维水泥复合材料的制备l j 性能研究 第二章实验材料、设备及其实验方法 2 1 实验材料 2 1 1 水泥胶结材料 本试验选用的胶结材料为山水水泥厂生产的p o4 2 5 普通硅酸盐水泥。 2 1 2 集料 集料为标准砂，符合j g j 5 2 1 9 9 2 标准要求。 2 1 3 聚丙烯纤维 本实验中选用的聚丙烯纤维( 纤维的横截面如图2 1 ，侧面如图2 2 ) 作为增 强材料，横截面为三叶型，其性能指标见表2 1 。 图2 1 聚丙烯纤维横截面图 f i g 2 1t h e c r o s ss e c t i o no fp pf i b e r s 1 2 5 0 p r n。e _ “0 ni m a g e 图2 2 聚丙烯纤维侧面图 f i g 2 1t h el a t e r a lv i e wo fp pf i b e r s 济南大学硕f = 学位论文 表2 1 聚丙烯纤维性能指标 t a b l e2 1t h e p r o p e r t i e so f p pf i b e r s 测试项目性能指标 密度g e r a 3 热分解温度 熔点 吸湿率 泊松比 杨氏弹性模量m p a 断裂伸长率 抗拉强度m p a 2 1 4 化学药品及试剂 二甲苯，分析纯；过氧化苯甲酰( b p o ) ，分析纯；丙烯酸( a a ) ，分析纯；硅 烷偶联剂s c a 1 6 1 3 ；均购白化工市场。 2 1 5 减水剂 选用聚羧酸减水剂。 2 2 试验仪器及设备 ( 1 ) 电子天平，台秤，烧杯，玻璃棒，滴管，量筒等若干； ( 2 ) 4 0 m m x 4 0 m m x1 6 0 r a m 模具若干； ( 3 ) j s 一1 9 5 胶砂搅拌机； ( 4 ) b y - 2 8 0 型比长仪，精度为l o - 3 m m ： ( 5 ) k c g 5 0 抗冲击强度测定仪； ( 6 ) 10 1 b 2 型电热鼓风机恒温干燥箱； ( 7 ) y e 3 0 液压式试验机； ( 8 ) k z j 6 电动抗折试验机； ( 9 ) 扫描电镜：s - 2 5 0 0 型i rs c a n n i n ge l e c t i o nm i c r o s c o p e 电镜( 日本日立 公司) ； ( 1 0 ) n i c o l e t - 3 8 0 型傅立叶变换红外光谱仪； 叫 姗 姗 蚍 一 m 狲 聚丙烯纤维水泥复合材料的制备j 性能研究 ( 11 ) s t a 4 0 9 e p 3 f 型差热分析仪。 2 3 基本性能测试方法 2 3 1 抗折强度的测定 试验用尺寸为4 0 m m x 4 0 m m x l 6 0 r a m 的复合材料试样。将试样置于抗折试 验机的二根支撑辊上，试样的成型面应侧立。试件各棱边与各辊保持垂直，并 使加荷辊与二根支撑辊保持等距。开动抗折试验机后逐渐增加荷载，最终使试 样断裂。记录试样的断裂荷载值或抗折强度值。记录3 个试件的测试值，并计 算其平均值。 本试验采用k z j - 6 电动抗折试验机，抗折强度可直接读出，单位为m p a 。 k z j 一6 电动抗折试验机工作部分示意图如图2 3 所示。 图2 3 聚丙烯纤维增强水泥砂浆抗折强度试验示意图 f i g 2 , 3t h ed i a g r a m so fp pf i b e rr e i n f o r c e m e n tm o r t a rf l e x u r a ls t r e n g t ht e s t 2 3 2 抗压强度的测定 对已做完抗折试验后的不同复合材料试样上的半截试件进行试验。将试样 成型面侧立，置于抗压夹具内，并使抗压夹具的中心处于上、下夹板的轴心上， 保证上夹板球轴通过试件受压面中心。开动抗压试验机，使试样在开始加荷后 2 0 s 至4 0 s 内破坏。抗压强度r c 按式( 2 1 ) 计算： r 。= p s = p 16 0 0