（材料加工工程专业论文）聚丙烯纤维增强水泥复合材料的性能与机理研究.pdf

济南人学硕 ：学位论文 摘要 与钢材、木材等其他的建筑材料相比较，水泥砂浆、混凝土等水泥复合材料作为 目前社会上应用范围最大的建筑材料，具有不易燃烧、抗压能力强、经久耐久、成本 低廉、稳定安全等优点，但水泥复合材料也存在着严重的弱点，例如抗拉强度低、容 易断裂、对基础要求高、# l - 力n n 影响混凝土质量、养护周期长、自重大、影响建设速 度、韧性差、施工过程对结构质量影响较大等等。目前，在水泥复合材料中掺加一定 量的纤维，是在建筑工业界逐渐推广的水泥复合材料的增强手段。建筑工业界希望通 过采用掺加一定量纤维的增强手段，可以改善并且提高水泥复合材料基体的机械性 能、抗渗性能、抗冻融性能等性能指标。 本课题正是在这样的背景之下开展的。通过研究聚丙烯纤维对水泥复合材料性能 的影响，以求获得聚丙烯纤维掺量、施工工艺等与水泥复合材料性能之间的关系，探 讨聚丙烯纤维对水泥复合材料增强的机理，使聚丙烯纤维在水泥工程实际中能得到更 广泛的应用。 本课题重点研究改性聚丙烯纤维对水泥复合材料的性能影响，以及掺加聚合物乳 液对聚丙烯纤维水泥复合材料的影响。主要研究内容包括：( 1 ) 根据水泥基复合材料 的应用场所确定所用的原材料；( 2 ) 研究不同的水灰比对水泥复合材料性能的影响， 从而确定合适的水灰比，考察两种掺加工艺对聚丙烯纤维分散性和水泥复合材料强度 的影响，确定合适的纤维掺3 n - v _ 艺；( 3 ) 运用正交试验分析的科学方法，研究聚合物 乳液、减水剂和聚丙烯纤维的掺量对水泥复合材料力学性能的影响，以聚丙烯纤维增 强水泥复合材料的力学性能为指标，确定在本课题条件下，聚丙烯纤维增强水泥复合 材料的最佳配比；( 4 ) 研究聚丙烯纤维掺量变化对水泥复合材料的抗冲击性能、干燥 收缩性能、抗渗性能、徐变应变性能、抗冻融性能以及干缩开裂性能的影响；( 5 ) 分 析研究掺加适量聚丙烯纤维和聚合物乳液，增强水泥复合材料性能的机理。 研究表明，与其他纤维的圆形或矩形截面相比，三叶型横截面的改性聚丙烯纤维 具有更大的比表面积，与基体的握裹力更强，选择其作为水泥复合材料的增强材料， 可以更加充分的发挥纤维的增强效果；聚丙烯纤维的掺加工艺应采用先掺法，先掺法 工艺中纤维以单丝状均匀分布，使其能最大限度的发挥作用；以试样2 8 d 抗折强度和 2 8 d 抗压强度为指标，在本课题条件下，聚丙烯纤维增强砂浆组分的最佳配比为聚丙 i i i 聚丙烯纤维增强水泥复合材料的件能与机理研究 烯纤维1 5 k g m 3 ，聚合物乳液2 ，减水剂1 ，水泥1 0 0 ，砂子2 5 0 ，水灰比o 4 4 ； 以试样2 8 d 抗压强度为指标，在本课题条件下，聚丙烯纤维增强混凝土组分的最佳配 比为聚丙烯纤维0 7 k g m 3 ，聚合物乳液3 ，减水剂o 7 ，水灰比0 4 4 ，砂用量为 7 2 0 k g m 3 ，碎石用量为1 2 8 0 k g m 3 。掺加适量的聚丙烯纤维和聚合物乳液，可以显著 提高水泥复合材料的抗冲击性能、抗干燥收缩性能、抵抗徐变应变性能、抗冻融性能 以及抗干缩开裂性能；聚丙烯纤维均匀散布在水泥复合材料体系中，使水泥复合材料 硬化后的抗拉强度明显提高，同时有效缓解裂纹尖端的应力集中程度，对提高水泥复 合材料的性能有很大的帮助；当聚丙烯纤维掺加量达到一定程度时，部分纤维不能有 效充分发挥其作用，继续提高聚丙烯纤维掺加量，对提高水泥复合材料性能的贡献不 大；掺加聚合物乳液可以明显改善水泥复合材料基体与纤维之间的界面微观结构，充 分发挥聚丙烯纤维的增强效应；掺加聚合物乳液形成的聚合物薄膜和界面过渡层，可 以显著降低水泥复合材料内部裂纹产生和扩展的可能性，增强其抵御外部环境的能 力，显著提高水泥复合材料的性能。 关键词：水泥复合材料；聚丙烯纤维：聚合物乳液；性能；机理 济南大学硕 j 学位论文 a bs t r a c t c o m p a r e dt ot i m b e r ，s t e e la n do t h e rb u i l d i n gm a t e r i a l s ，c e m e n tc o m p o s i t em a t e r i a l s ( s u c h 鹤c e m e n tm o r t a r ，c o n c r e t e ，e t c ) a l et h ec u r r e n tb u i l d i n gm a t e r i a l s 埘t l lt h eb i g g e s t a p p l i c a t i o ns c o p e ，a n dc e m e n tc o m p o s i t em a t e r i a l sh a v eh a r dt oc o m b u s t i o n ，a n t i h i g h p r e s s u r e ，d u r a b l e ，l o wc o s t ，s e c u r i t y ，s t a b i l i t ya n do t h e ra d v a n t a g e s ，b u ts u c hm a t e r i a l sa l s o h a v es o m eo b v i o u sw e a k n e s s e s ，s u c ha si t sl o wt e n s i l es t r e n g t h ，l o wf r a c t u r ee n e r g y ，t h e h i g h r e q u i r e m e n t so fb a s i c ，t h ei m p a c to fa d m i x t u r e s o nc o n c r e t e q u a l i t y ，l o n g c o n s e r v a t i o nc y c l el e n g t h ，b i go w nw e i g h t ，i t si m p a c to nc o n s t r u c t i o ns p e e d ，b a dt o u g h n e s s ， t h el a r g ei m p a c to ft h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so ns t r u c t u r a lq u a l i t y ，a n ds oo n n o w a d a y s ， f i l l i n gs o m ef i b e r si nc e m e n tc o m p o s i t e si st h eg r a d u a l l yp o p u l a r i z e dm e a n st os t r e n g t h c e m e n tc o m p o s i t e s c o n s t r u c t i o ni n d u s t r yg r o u pw i s hb ya d o p t i o n gt h a ts t r e n g t hm e a n s ， t h em e c h a n i c a l p r o p e r t y ，i m p e r m e a b i l i t y ，a n t i - f r e e z e t h a wp e r f o r m a n c ea n d o t h e r p e r f o r m a n c ei n d e xo fc e m e n tc o m p o s i t em a t r i xc o u l db ei m p r o v e d t h i st o p i cw a sc a r d e do u ta g a i n s ts u c hb a c k g r o u n d t h r o u g ht h er e s e a r c ho nt h ee f f e c t o fp o l y p r o p y l e n ef i b e r so nc e m e n tc o m p o s i t em a t e r i a lp r o p e r t i e s ，i ti si no r d e rt oo b t a i nt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc e m e n tc 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 sa n dp o l y p r o p y l e n ef i b e r c o n t e n t ，c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e ，t h em e c h a n i s mo ff i l l i n gp o l y p r o p y l e n ef i b e r si n t e n s i f i e s c e m e n tc o m p o s i t em a t e r i a l si se x p l o r e d ，s ot h a tw o r k so fp o l y p r o p y l e n ef i b e ri nc e m e n t p r a c t i c ec a nb em o t ew i d e l ya p p l i e d t h i st o p i cw a sf o c u s e do ni m p a c to fm o d i f i e d p o l y p r o p y l e n ef i b e r s o nc e m e n t c 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 ，a sw e l l 弱t h ei m p a c to fm i x i n gp o l y m e re m u l s i o no n p o l y p r o p y l e n e f 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 em a t e r i a l s m a i nr e s e a r c hc o n t e n t s i n c l u d e ：( 1 ) t h eu s e dr a wm a t e r i a l sw a sd e t e r m i n e di na c c o r d a n c e 淅t ht h ea p p l i c a t i o ns i t e s o 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 ；( 2 ) t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tw a t e r - c e m e n tr a t i o so n p r o p e r t i e so fc e m e n tc 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 od e t e r m i n ea p p r o p r i a t e w a t e r - c e m e n tr a t i o ，t h e i m p a c t so ft w od i f f e r e n t f i b e rm i x i n gp r o c e s s e so nt h e p o l y p r o p y l e n ef i b e rd i s p e r s i o na n dt h ec e m e n tc o m p o s i t em a t e r i a ls t r e n g t h sw e r e d e t e r m i n e d ，a n dt h ea p p r o p r i a t ef i b e rm i x i n gp r o c e s sw a sf o u n d ；( 3 ) w i mt h eu s eo ft h e v 聚丙烯纤维增强水泥复合材料的性能卜孑机理研究 s c i e n t i f i cm e t h o d o r t h o g o n a l e x p e r i m e n ta n a l y s i s ，t h ee f f e c t so fp o l y m e re m u l s i o n ， w a t e r - r e d u c i n ga g e n ta n dp o l y p r o p y l e n ef i b e rc o n t e n t so nc e m e n tc o m p o s i t e sm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sw e r es t u d i e d ，a n db ym a k i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp o l y p r o p y l e n ef i b e r r e i n f o r c e dc e m e n tc o m p o s i t e sa st h ei n d e x ，t h eo p t i m u mp r o p o r t i o no fp o l y p r o p y l e n ef i b e r r e i n f o r c e dc e m e n tc o m p o s i t e si nt h i st a s kc o n d i t i o n sw a sd e t e r m i n e d ；( 4 ) i tw a ss t u d i e dt h e e f f e c to ft h ec h a n g e si np o l y p r o p y l e n ef i b e rc o n t e n to nc e m e n tc o m p o s i t em a t e r i a l ss h o c k r 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 ，i m p e r m e a b i l i t y ，c r e e p s t r a i np e r f o r m a n c e ， a n t i f r e e z e - t h a wp e r f o r m a n c e ，a n ds h r i n k a g ec r a c k i n gp e r f o r m a n c e ；( 5 ) t h em e c h a n i s mo f m i x i n ga p p r o p r i a t ea m o u n to fp o l y p r o p y l e n ef i b e r sa n dp o l y m e re m u l s i o nc a ne n h a n c e c e m e n tc o m p o s i t em a t e r i a lp r o p e r t i e sw a sa n a l y s i s e d s t u d i e sh a v es h o w nt h a t c o m p a r e dt o o t h e rf i b e r s 、析t l lr o u n do rr e c t a n g u l a r c r o s s s e c t i o 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 、i t l lc l o v e r - t y p ec r o s s s e c t i o nh a st h e g r e a t e rs p e c i f i cs u r f a c ea r e aa n dt h es t r o n g e rb o n ds t r e n g t ht ot h em a t r i x ，s u c hm o d i f i e d p o l y p r o p y l e n ef i b e rw a ss e l e c t e da sr e i n f o r c em a t e r i a l si nc e m e n tc o m p o s i t em a t e r i a l s ，s o t h ee n h a n c i n ge f f e c to ff i b e rc a nb em o r ef u l l ye x e r e d ；p o l y p r o p y l e n ef i b e rm i x i n gp r o c e s s s h o u l db es e l e c t e dt h ef i r s td o p e dl a w ，t h ef i r s tl a wp r o c e s sm a k e sf i b e ru n i f o r m l y d i s t r i b u t e di ns i n g l ef i l a m e n ta n de n a b l e sf i b e r st oe x e r tt h em a x i m u me f f e c t ；m a d es a m p l e 2 8 df l e x u r a ls t r e n g t ha n d2 8 dc o m p r e s s i v es t r e n g t ha st h ei n d e x ，t h eb e s tc o m p o n e n tr a t i o o fp o l y p r o p y l e n ef i b e rr e i n f o r c e dm o r t a ri nt h i st a s kc o n d i t o n si s1 5 k g m 3p o l y p r o p y l e n e f i b e r , 2 p o l y m e re m u l s i o n ，1 w a t e r - r e d u c i n ga d m i x t u r e ，10 0 c e m e n t ，2 5 0 s a n da n d o 4 4w a t e r - c e m e n tr a t i o ；m a d es a m p l e2 8 dc o m p r e s s i v es t r e n g t ha st h ei n d e x ，t h eb e s t c o m p o n e n tr a t i oo fp o l y p r o p y l e n ef i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ei nt h i st a s kc o n d i t i o n i s 0 7 k g m 3p o l y p r o p y l e n ef i b e r ，3 p o l y m e re m u l s i o n ，0 1 w a t e r r e d u c i n ga d m i x t u r e ，0 4 4 w a t e r c e m e n tr a t i o ，7 2 0 k g m 3s a n da n d12 8 0 k g m 3d e t r i t u s m i x i n ga na p p r o p r i a t ea m o u n t o fp o l yp r o p y l e n ef i b e ra n dp o l y m e re m u l s i o n ，c a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v ec e m e n t c o m p o s i t e st h es h o c kr e s i s t a n c e ，a n t i - d r y i n gs h r i n k a g ep e r f o r m a n c e ，s t r a i na n dc r e e p r e s i s t a n c e p r o p e r t i e s ，a n t i f r e e z e t h a wp e r f o r m a n c e ，a n da n t i - s h r i n k a g e c r a c k i n g p e r f o r m a n c e ；p o l y p r o p y l e n ef i b e r sa r ee v e n l ys c a t t e r e di nc e m e n tc o m p o s i t em a t e r i a l s y s t e ms ot h a tt e n s i l es t r e n g t ho fh a r d e n e dc e m e n tc o m p o s i t e si ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d ，a t t h es a m et i m et h es t r e s sc o n c e n t r a t i o no nc r a c kt i pi se f f e c t i v ea l l e v i a t e d ，a n dt h e r ei sa 济南大学硕f j 学位论文 g r e a th e l pt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fc e m e n tc o m p o s i t e s ；i ft h ep o l y p r o p y l e n ef i b e r m i x i n gv o l u m er e a c h e sac e r t a i ne x t e n t ，s o m ef i b e r sw i l ln o tp l a yi t sr o l ee f f e c t i v e l y ，a n d c o n t i n u i n gt oe n h a n c et h em i x i n gv o l u m eo fp o l y p r o p y l e n ef i b e rw i l li m p r o v ec e m e m c o m p o s i t e sp e r f o r m a n c el i t t l e ；m i x i n gp o l y m e re m u l s i o nc a nm a r k e d l yi m p r o v et h e i n t e r f a c em i c r o s t r u c t u r eb e t w e e nt h ef i b e ra n dc e m e n tc o m p o s i t e sm a t r i x ，t h ee n h a n c e e f f e c to fp o l y p r o p y l e n ef i b e rw i l la l s ob ef u l lp l a y e d ；t h ep o l y m e rf i l ma n dt h ei n t e r f a c e t r a n s i t i o nl a y e rf o r m e db ym i x e dp o l y m e re m u l s i o nc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ep o s s i b i l i t y o ft h ei n t e r n a lc r a c ki nc e m e n tc o m p o s i t eg e n e r a t i o na n de x p a n s i o n ，e n h a n c ei t sa b i l i t yt o r e s i s tt h ee x t e r n a le n v i r o n m e n t ，a n ds i g n i f i c a n t l ye n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fc e m e n t c o m p o s i t e s k e y w o r d s ：c e m e n tc o m p o s i t e ；p o l y p r o p y l e n ef i b e r ；p o l y m e re m u l s i o n ；p e r f o r m a n c e ； m e c h a n i s m v i i 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，均已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：一叁掣 日 期：堡2 ：三：型 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。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：垦! 峰一 导师签名： 日期：牡 济南大学硕卜学位论文 1 1 概述 第一章绪论 以水泥砂浆和混凝土为代表的水泥复合材料，是目前社会上使用范围最广的人造 材料，水泥复合材料具有外形可塑、强度可控、原材料来源广泛和价格低廉等诸多优 点。水泥复合材料的特点使其在桥隧等建材领域的应用优势巨大，其它材料估计难以 在短时间内，超越水泥复合材料在建材领域的主要地位。水泥复合材料的优点很多， 但是其自身存在一些的缺点，例如自身固有的抗裂性能差、脆性大等。水泥复合材料 的缺点在一定程度上，影响了其在建材领域的进一步推广应用，并且随着社会对高性 能材料需求的不断增大，水泥复合材料的缺点日渐突出【1 1 。 桥隧建筑物是铁路线路的重要组成部分，山东省交通线路四通八达，其中铁路里 程长达2 8 6 9 公里，数以百计的桥梁和隧道贯穿于铁路沿线，这些桥隧构造复杂，修 建困难，但是桥隧中经常会遇到梁端出现裂缝，混凝土啃边、掉角、凹坑、孔洞、碎 裂、锚固松动及梁体的各种伤损等一系列病害，因此需要对出现病害的桥隧进行及时 的修补，做好桥隧建筑物的大修和维修工作，保证铁路运输安全畅通，这对促进社会 主义建设的发展有着重要意义。 围绕桥隧出现的破损等病害问题，国内外许多科学家进行了长期的研究，也有相 当一部分修补材料问世，这些材料在一定程度上解决了桥隧裂缝、啃边、掉角、凹坑、 孔洞、等问题，但是一些修补材料干燥收缩性大，不耐折、易开裂，且与原有的混凝 土结合性差，另外一些修补材料耐久性好，但成本较高，也影响了其推广应用。并且 有些材料因为强度低或者其它性能缺陷，给应用和施工带来一定的困难。针对我国现 有桥隧修补材料的现状，研制具有抗裂性能好，强度高，耐久性好，施工方便，价格 低廉的修补材料，已成为面临的一个迫切需求。 山东省是一个铁路交通运输发达的省份，沿线铁路有众多桥隧贯穿其中，资料表 明，近年来在桥隧维修和大修过程中所使用修补材料的概况还是呈现出以普通水泥砂 浆或混凝土为主，其它形式的修补材料为辅的特点。普通的修补水泥砂浆或混凝土抗 拉、抗弯强度低，抗渗性差，干燥收缩性大，不耐折、易开裂，且与原有的混凝土结 合性差；采用玻璃纤维增强的水泥砂浆和混凝土，虽然在强度方面比普通砂浆和混凝 聚丙烯纤维增强水泥复合材料的悱能与机理研究 土有了较大提高，但是玻璃纤维对碱性物质的抗侵蚀性差，导致产品耐久性差，不易 推广应用；碳纤维增强水泥砂浆和混凝土，虽然力学强度高、耐久性能好，但是价格 较高，影响了其应用范围，不太适合我国的国情。 聚丙烯纤维增强水泥复合材料能克服上述缺点。聚丙烯纤维是一种新型的水泥砂 浆和混凝土增强纤维，通常把聚丙烯纤维当作水泥砂浆或混凝土的防裂纤维或“次要 增强筋 使用。聚丙烯纤维的这种功能使其很适用于路面、桥面工程，对提高面板的 整体抗裂性、改善使用功能有利【2 】。 在我国，对聚丙烯纤维增强砂浆和混凝土的研究正处于初步阶段，虽然在某些实 际工程中曾使用过聚丙烯纤维，但由于国内缺乏比较系统的研究，只是照搬照套国外 的经验因而没有取得预期的效果。通过研究聚丙烯纤维对水泥复合材料性能的影响， 以求获得聚丙烯纤维掺量、掺加工艺等与水泥复合材料性能之间的关系，探讨聚丙烯 纤维对水泥复合材料增强的机理，使聚丙烯纤维增强水泥复合材料在实际工程中能得 到进一步的广泛应用。 1 2 纤维增强水泥复合材料的发展历程 纤维增强水泥复合材料是以纤维作增强材料，由水泥净浆、砂浆或水泥混凝土作 基材组合而成的一种复合材料。在众多的水泥复合材料增强纤维中，钢纤维是发展最 早的一种。早在1 9 1 0 年，美国的鲍特( p o r t e r ) 提出把钢纤维均匀分散在混凝土中 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 复合材料的增强机理。我国的赵国藩等人出版的钢纤维棍凝土结构中，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力方法以及其应用施工等内容都作了较完整的 说明。钢纤维加入到水泥基材料中后，改变了材料的破坏方式，提高了材料的强度( 包 括热压强度、抗拉强度和抗弯强度) ，特别是大幅度提高了材料的韧性。另外，复合 材料的耐磨性、耐疲劳性、抗冲击性和冻融性等也有不同程度的改善。钢纤维增强水 泥基材料的用途广泛，主要应用于公路、飞机跑道、工厂地板、堤坝桥墩、以及河流 水库、隧道的内衬等。目前，钢纤维增强水泥基材料在工程建设中应用最广，钢纤维 的消耗量仅次于石棉纤维【3 1 。 岩棉纤维来源丰富价格低廉，具有很高的强度和模量，且纤维与水泥基体相互作 用良好，是一种传统的水泥制品增强纤维。岩棉水泥是用量较大的纤维增强水泥基材 2 济南大学硕 j 学位论文 料之一，世界每年用于增强水泥材料的岩棉纤维大约为2 0 0 万吨。近年来的研究发现， 岩棉纤维对人体具有较大的危害，许多发达国家已经逐步禁止岩棉纤维增强水泥制品 的使用1 4 1 。 玻璃纤维因其具有抗拉强度高、弹性模量高的特点，被广泛应用于铺设水泥基复 合材料路面等方面，在2 0 世纪7 0 年代，玻璃纤维在混凝土中的应用就已实现了工业 化。最早进行玻璃纤维增强水泥基材料研究的，当属前苏联科学家b i r y u k o v i c h 等人。 我国科学家也曾参与了早期研究工作。普通玻璃纤维的耐碱性较差，在水泥基体这样 的碱性环境中极易失去其强度和刚性。六十年代以前，玻璃纤维的耐久性问题一直没 有得到解决，因此玻璃纤维增强水泥制品一直未被大范围推广应用。直到7 0 年代初 期，英国建筑研究院向普通玻璃纤维中加入二氧化锆，研制成功了耐碱玻璃纤维后， 玻璃纤维增强水泥制品才由英国的p i l k i n g t o nb r o t h e r s 公司大量生产推广应用。其生 产方法有预拌法、重力成型法、压制成型法、注模成型法、挤压成型法、喷涂法、缠 绕法、层压法等多种，其制品的抗拉强度、抗冲击强度和韧性较素水泥砂浆有明显的 提高，可被用于幕墙、屋顶材料、弃模、缆索管、贮水池、船体等多个方面，但是， 玻璃纤维受水泥中碱腐蚀的问题仍然没有得到彻底的解决，所以耐久性的问题仍然存 在【5 1 。 使用天然植物纤维作为水泥增强材料始于2 0 世纪初期，当时是用它制成木浆纤 维来代替石棉以生产纤维水泥板。进入2 0 世纪8 0 年代以来，资源知缺，能源匮乏， 生态环境恶化等诸多问题的出现使得人们对天然植物纤维这类可再生、无污染材料产 品产生极大兴趣和关注，由此就提出了环境协调材料的概念。可用于增强水泥基材料 的天然纤维很多，主要有棉秸、玉米秸、黄麻、亚麻、剑麻、椰子壳、甘蔗渣、木纤 维等。天然纤维加入到水泥基材料中后，复合材料的强度和韧性都有明显的提高。与 玻璃纤维相似，在碱性环境中，天然纤维会发生分子降解而失去力学性能。因此，其 增强水泥基材料同样存在长久使用性问题。某些科学家采用天然纤维涂覆疏水保护剂 或采用低碱性基体的方法，来解决天然纤维增强水泥基材料的耐久性问题，但最终结 果仍不十分理想【6 】。因此，如何提高天然纤维的耐碱性，提高天然纤维增强水泥基材 料的耐久性需要进一步深入研究。 剑麻纤维是从剑麻植物叶片中取得的维竹束纤维，由纤维素、半纤维素、木质素、 果胶等组成，且这此化学成分的含量可能随种植地域及生长年份的不同血有所差异， 但均以纤维素为主。这类纤维一般伸长率较小、强度较高，具有质地坚韧、耐腐蚀、 聚丙烯纤维增强水泥复合材料的性能 j 机理研究 耐酸碱等多种优点。纤维素纤维具有很高的强度、结晶度和取向度，这主要是由于纤 维素表面大量的羚基在分子内或分子间形成氢键的缘故。正是由于纤维素纤维表面含 有大量的羚基，可以与水泥水化产物中的大量羚基基团起作用血形成氢键，从而可增 进界面的致密性，加强界面粘着强度以及扩大纤维阻裂增强的界面效应。另外，纤维 素纤维能够有效的提供诸如粘着强度和抗拉强度等关键性质所需的平衡同，也是将它 作为水泥基材增强材料的重要原因。 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，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。迄今为止，在国际上用于增强水泥基材料的合成纤维主要 有维纶( 聚乙烯醇纤维) 、脂纶( 聚丙烯脂纤维) 、丙纶( 聚丙烯纤维) 与乙纶( 聚乙 烯纤维) 。采用合成纤维增强水泥基复合材料应重点考虑其与水泥材料的弹性模量匹 配问题、耐久性问题及纤维与基体的界面结合问题。尼龙纤维是最早用于水泥及混凝 土的低弹性模量聚合物纤维之一。g o l d f e i n 在砂浆中使用5 5 体积的尼龙纤维，测 得其抗冲击强度大大增加；w i l l i a m s o n 用板材进行了抗爆试验，证实了它的能量吸收 特性，预拌法及喷射法都能用于生产这种复合材料。由于低弹性模量的合成纤维具有 价格低、能明显改善水泥基材料的抗冲击性、韧性等性能，国内外对它们的研究非常 深入、并取得了一系列的研究成果，现己用于建筑生产中，在这些合成纤维中，聚丙 烯纤维由于增强效果好、价格便宜、来源丰富而倍受人们注目。为充分发挥聚丙烯纤 维对水泥基体的增强作用，英国萨里大学用经高倍拉伸制得的纤化聚丙烯纤维，以较 高的体积率掺加于水泥基体中，在试验室内制成抗拉强度与变形能力均较高的薄壁纤 维水泥板。意大利f i b r o n i t 公司根据英国此项技术的专利进行了商业性开发，设计并 制作了专门生产纤化聚丙烯增强水泥板的装备，产品的商品名称为“n e t c e m 。根据 1 0 年大气暴露的试验结果，n e t c e m 波板的耐久性是令人满意的，但尚需积累更长期 的试验资料。英、美等国还研究了将编织聚丙烯纤维网格布以较高的体积率掺加于水 泥基体中，也得到了较好的试验结果1 7 j 。 混杂纤维水泥基复合材料是采用两种或两种以上不同材质、不同性能的纤维作为 增强材料制成的。由于这些纤维相互取长补短，因而有可能使制品获得较优异的性能。 4 济南大学硕二f j 学位论文 例如意大利f i b r o n i t 公司在9 0 年代采取了用纤化聚丙烯薄膜、抗碱玻璃纤维无捻粗 纱与抗碱玻璃纤维短切原丝混杂增强的措施，开发了商品名称为r e t i v e r 的纤维水泥 复合材料，其力学行为既优于纤化聚丙烯薄膜增强水泥，优于玻璃纤维增强水泥。又 如德国f l u g u r i t 公司在抄取法制造压蒸无石棉纤维水泥平板时，同时掺加木浆纤维与 聚丙烯纤维，日本松下电工公司在挤出法制造压蒸无石棉纤维水泥多孔条板时，也同 时掺加纸纤维与聚丙烯纤维【8 】。混杂纤维增强水泥板将是今后的一个研究热点。 1 3 聚丙烯纤维增强水泥复合材料的研究现状 随着纤维增强水泥复合材料的推广使用，国内外的学者开始研究与之相关的理论 问题，并在实际应用中取得了一定的成果。 g o l d f e i n 早在2 0 世纪6 0 年代中期就开始研究用合成纤维作水泥砂浆增强材料， 那时就发现尼龙、聚丙烯与聚乙烯等纤维有助于提高砂浆的抗冲击性。z o l l o 等人于 1 9 8 4 年进行了普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土的抗压强度、劈拉强度及抗折强度对 比试验，得出结论，随着纤维体积率的增加，抗压强度降低而劈拉强度和抗折强度有 所提高。随后几年内其他研究者所得试验结果基本与上述结果类似。m i n d e s s 和 v o n d r a n 于1 9 8 8 年报导：聚丙烯体积掺量为o 5 时抗压强度可提高2 5 。 a m a c h o z a i m y 等人研究了聚丙烯纤维对普通混凝土和加入掺和料的混凝土的一些 性能，他们指出对于普通混凝土，纤维的加入只对抗冲击性有提高，而对抗压强度， 抗折强度没有影响，对于加入掺和料的混凝土尤其是加入硅灰的混凝土，抗压强度明 显提高，同时抗冲击性提高幅度更大【9 小】。 美国在1 9 9 0 年和1 9 9 1 年举行了纤维增强混凝土的专题报告会，拉开了纤维增强 混凝土研究的序幕。1 9 9 5 年韩国举行了纤维增强水泥混凝土的专题报告会，1 9 9 6 年 在中国北京举行了第三届国际水泥混凝土报告会，表明纤维增强混凝土的研究与应用 己经国际化。较著名的美国f i b r em e s h 、d u r a f i b r e 、欧共体的e u r o f i b r e 等 公司生产的改性聚丙烯纤维，已大量应用于路面、机场、蓄水池、引排水渠道、墙面、 广场地面、码头等建筑，目前己在世界上6 0 多个国家和地区得到应用。韩国的一些 产品也在大连等地的立交桥路面上得到应用。杜邦公司、3 m 公司、日本帝人公司等 都开发出了多种水泥增强用纤维品种，并已经在高速公路、桥梁、围栏等建筑物中获 得广泛应用 1 2 - 1 5 】。 我国也加快了聚丙烯在水泥混凝土中应用研究的步伐。袁震宇等人的研究指出： 在砂浆中加入0 0 5 和0 1 0 ( 体积掺量) 的聚丙烯纤维可以使砂浆平板的裂缝分别 聚丙烯纤维增强水泥复合材料的忖能 j 机理研究 减少6 5 和7 5 。廖宪廷等的试验结果表明改性聚丙烯纤维与水泥基体之间粘结力 较强，纤维加入增加了材料的耐磨性。但是由于水泥砂浆、混凝土的组成、聚丙烯纤 维类型及试验条件的不同，不同研究者所得研究结果不尽相同，甚至出现相反结果； 姚武、马一平、谈慕华的试验结果指出聚丙烯纤维比石棉纤维更能吸收能量，当体积 掺量小于1 时，虽不能提高混凝土强度，却能大幅度提高其抗弯性能及韧性；当掺 量较高时，不仅能减小复合材料的脆性，而且能增加水泥基体的极限强度。游有鲲、 钱春香、缪昌文等人通过改变聚丙烯纤维掺量，研究其改善高强混凝土高温爆裂性能， 以及高温后高强混凝土吸水率、剩余强度性能及其恢复性能，在研究中指出采用其它 具有防水功能的养护溶液将可能有更明显的改善混凝土试件抗折性能效果，为高温后 h s c 的结构修补提供了一种技术途径。王瑞兴、钱春香等人也认为聚丙烯纤维对提 高混凝土抗冻性能不能起到积极的作用，相反，还略有负面影响。这与以往的试验研 究结果和推测不太一致，这有待进一步验证和解释。但他们在试验中又发现，聚丙烯 纤维掺入后，能明显减少混凝土冻融循环后的表面剥落现象，保持混凝土外观的完整 性。汪洋等人以大量试验为依据，指出少量短切聚丙烯纤维加入混凝土后可明显提高 混凝土的抗拉强度、抗渗和抗冻性能，从而提高了工程效益和使用寿命。华渊等人发 现聚丙烯纤维的加入能有效提高混凝土的抗断裂性能，当其体积率在0 7 0 9 之 间而其它条件基本相同时，聚丙烯纤维混凝土配筋的断裂韧性、初裂荷载、裂缝平均 间距分别是基准混凝土配筋梁的l8 2 4 倍、1 3 2 1 3 7 倍和5 6 , - - - , 6 4 1 1 6 3 引。 我国于1 9 9 2 年开始，由原中国纺织大学( 现东华大学) 进行改性聚丙烯纤维的 研制，近几年将生产技术推广到江苏、浙江的一些企业，在道路、城市广场等建设中 应用较广。东华大学对改性聚丙烯纤维的研究较为深入，已研究出异形截面纤维、表 面活性纤维，目前正在研制第四代纤维，即纳米技术改性纤维。 1 4 主要研究内容 关于聚丙烯纤维增强水泥复合材料的研究，我国正处于起步阶段。在一些实际工 程中，我国也曾经使用过聚丙烯纤维增强水泥复合材料，但是我国仅照搬照套国外关 于聚丙烯纤维水泥复合材料的使用经验，没有深刻认识聚丙烯纤维增强水泥复合材料 的机理，甚至也没有研究过关于聚丙烯纤维增强水泥复合材料的施工工艺 3 4 - 3 8 j 。本 课题正是在这样的背景之下开展的。通过选用适当的聚丙烯纤维水泥复合材料原材 料，研究聚丙烯纤维的掺加量、掺加工艺等与水泥复合