纤维增强型水泥基复合材料的研究与应用.doc

2012届毕业设计（论文） 材 料 系 、 部： 材料与化学工程系 学生姓名： 尹 鸿 都 指导教师： 朱 莉 云 专 业： 材料工程技术 班 级： 材料0902 学 号： 2012年5月材料清单1、毕业设计（论文）课题任务书2、指导教师评阅表3、答辩及最终成绩评定表4、毕业设计说明书（论文）5、附录材料2012届毕业设计（论文）课题任务书系： 材料与化学工程系 专业：材料工程技术 指导教师学生姓名课题名称内容及任务根据安排课题进行相关研究，研究方式可以两种形式进行：一是实验研究；二是通过毕业实习、调研等从相关企业收集与课题相关的资料进行分析研究。从实际和理论两个方面着手，将实验或毕业实习、调研收集的第一手材料进行科学的整理、分析、归纳、总结，即把原始的、零散的和无关联的材料科学地组织、综合归纳出整体的、系统的有代表性的论据材料，并充分、广泛地阅读、查找研究课题相关的期刊杂志、书籍等文献。运用相关的理论知识进行分析、评价、论述主题。独立完成课题要求论文一篇或研究报告一份。拟达到的要求或技术指标在研究、调研过程中，学生应以科学的态度和科学的方法，运用所学的专业知识原理，科学地分析客观事物或现象，揭示事物的本质及其发展的客观规律，并以具有普遍意义的科学结论或理论形态表现出来，具有自己的独特发现与见解。论文（或报告）要求内容完整、语言通顺、层次分明；论证合理、条理清楚、推理符合逻辑、分析透彻，有理有据；各种论据、原始资料来源清楚、可靠。通过研究与论文的撰写，培养学生科学的思维和正确的研究思想，完成从事科研的初步训练，使学生学会综合运用所学基本理论和专业知识，分析和解决实际问题的基本方法和基本思路。进度安排起止日期工作内容备注2012年5月18日前按要求提交正式论文（或报告）主要参考资料纤维增强水泥基复合材料的新发展教研室意见2012年 12 月 18 日系主管领导意见2012年12月 18 日湖南工学院2012届毕业设计（论文）指导教师评阅表系： 材料与化学工程系 学生姓名尹鸿都学 号班 级材0902专 业材料工程技术指导教师姓名朱莉云课题名称纤维增强型水泥基复合材料的研究与应用评语：（包括以下方面，学习态度、工作量完成情况、材料的完整性和规范性；检索和利用文献能力、计算机应用能力；学术水平或设计水平、综合运用知识能力和创新能力；）是否同意参加答辩：是 否指导教师评定成绩分值：指导教师签字： 年 月 日湖南工学院2012届毕业设计（论文）答辩及最终成绩评 定 表系（公章）： 材料与化学工程系 学生姓名尹鸿都学号班级材0902答辩日期课题名称纤维增强型水泥基复合材料的研究与应用指导教师朱莉云成 绩 评 定分值评 定小计教师1教师2教师3教师4教师5课题介绍思路清晰，语言表达准确，概念清楚，论点正确，实验方法科学，分析归纳合理，结论严谨，设计（论文）有应用价值。30答辩表现思维敏捷,回答问题有理论根据，基本概念清楚，主要问题回答准确大、深入,知识面宽。必答题40自由提问30合 计100答 辩 评 分分值：答辩小组长签名：答辩成绩a： 40指导教师评分分值：指导教师评定成绩b： 60最终评定成绩： 分数： 等级：答辩委员会主任签名： 年 月 日说明：最终评定成绩a+b，两个成绩的百分比由各系自己确定，但应控制在给定标准的10左右。 2012毕业论文 题 目纤维增强型水泥基复合材料的研究与应用系 、 部： 材料与化学工程系 学生姓名： 尹 鸿 都 指导教师： 朱 莉 云 专 业： 材料工程技术 班 级： 材料0902 完成时间： 2012年5月 摘 要与钢材、木材等其他的建筑材料想比较，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、经久耐磨、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、外加剂影响混凝土质量、养护周期长、自重大、影响建筑速度、韧性差、施工过程对结构影响较大等等。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位的机械性能、抗渗性能、抗冻融性能等性能指标。关键词 水泥复合材料；性能；应用ABSTRACTCompared to timeber,steel and other building materials,cement composite materials(such as cement mortar,concrete,etc.)are the current building materials with the biggest application scope,and cernent composite material have hard to combustion,anti-high pressure,durble,low cost,security,stability and other advantages,but such materials also have some obvious weaknesses,such as its low tensile strength,low fracture energy,the high requirements of basic,the impact of admixtures on concrete quality,long conservation cycle length,big own weight,its impact on construction speed,had toughness,the large impact of the construction process on structural quality,and so on.Nowadays,filling some fibers in cement composites is the gradually popularized mean to strength cement composites.Construction industry group wish by aboptiong that strength means,the mechanical property,impermeanbility,anti-freeze-thaw performance and other performance index of cement composite matrix could be improved.Key words cement composite；erformance;mechanism目 录1 概述2 纤维增强型水泥基复合材料的力学性能2.1 抗拉强度2.2 抗裂性2.3 抗渗性2.4 抗冲击及抗变形性能2.5 抗冻性3 纤维增强水泥基复合材料的制备工艺3.1 原材料选择和配合比设计3.2 纤维的均匀分布工艺4 发展现状 4.1 PVA纤维增强水泥复合基材料 4.2 钢纤维增强水泥复合基材料 4.3 碳纤维增强水泥复合基材 4.4 玻璃纤维增强水泥复合基材料 4.5 合成纤维增强水泥复合基材料 4.6 天然植物纤维增强水泥复合基材料 4.7 剑麻纤维增强水泥复合基材料参考文献致谢附录1 纤维强化水泥基复合材料的概述水泥砂浆和混凝土是近现代使用最广泛的，也是当前应用量最大的人造材料。普通水泥基材料有其的优势，如造价低廉、能抗高压、经久耐用、不易燃烧、安全稳定等，但这类材料也同时存在抗拉强度低、极限延伸率小以及材料高性能化的主要途径，纤维增强是其核心内容之一。纤维增强水泥基复合材料（FRC)是由水泥净浆、砂浆或水泥混凝土作基材，以非连续的短纤维或连续的长纤维作增强材料组合而成的一种复合材料。纤维在其中起着阻止水泥基体中微裂缝的扩展和跨越裂缝承受拉应力的作用，因而使复合材料的抗拉与抗折强度以及断裂能较未增强的水泥基体有明显的提高。纤维增强水泥基复合材料包括结构材料和非结构材料。结构材料大都用于建筑物墙体和构件的承重结构中，非结构材料则主要用做装饰性材料和非承重功能性材料。随着人们生活水平的提高和住宅环境的日益改善，人们对住宅的美观及诸多功能提出了更加苛刻的要求。因此，对非承重功能性材料进行改革将是现代建筑中墙体材料改革的大势所趋。世界上许多国家在二十世纪二、三十年代已着手墙体材料改革，逐步推进墙体材料的环保化，严格限制粘土砖（制品）的生产与使用，大力推广各种非粘土类制品及大尺寸的块材与板材。2 纤维强化水泥基复合材料的力学性能在纤维增强水泥基复合材料中，纤维的主要作用在于阻止微裂缝的扩展，具体表现在提高复合材料的抗拉、抗裂、抗渗及抗冲击、抗冻性等。2.1 抗拉强度内部缺陷是水泥基复合材料破坏的主要因素，任意分布的短切纤维在复合材料硬化过程中改变了其内部结构，减少了内部缺陷，提高了材料的连续性。在水泥基复合材料受力过程中纤维与基体共同受力变形，纤维的牵连作用使基体裂而不断并能进一步承受载荷，可使水泥基材的抗拉强度得到充分保证；当所用纤维的力学性能、几何尺寸与掺量等合适时，可使复合材料的抗拉强度有明显的提高。2.2 抗裂性在水泥基复合材料新拌的初期，增强纤维就能构成一种网状承托体系，产生有效的二级加强效果，从而有效的减少材料的内分层和毛细腔的产生；在硬化过程中，当基体内出现第一条隐微裂缝并进一步发展时，如果纤维的拉出抵抗力大于出现第一条裂缝时的荷载，则纤维能承受更大的荷载，纤维的存在就阻止了隐微裂缝发展成宏观裂缝的可能。宏观上看，当基体材料受到应力作用产生微裂缝后，纤维能够承担因基体开裂转移给它的应力，基体收缩产生的能量被高强度、低弹性模量的纤维所吸收，有效增加了材料的韧性，提高了其初裂强度、延迟了裂缝的产生，同时，纤维的乱向分布还有助于减弱水泥基复合材料的塑性收缩及冷冻时的张力。研究表明，体积掺量 0.05%的杜拉纤维混凝土抗裂能力提高近 70%。2.3 抗渗性内部孔隙率、孔分布和孔特征是影响水泥基复合材料抗渗性的主要因素。以纤维作为增强材料，可以有效控制水泥基复合材料的早期干缩微裂以及离析裂纹的产生及发展，减少材料的收缩裂缝尤其是连通裂缝的产生。另外，纤维起了承托骨料的作用，降低了材料表面的析水现象与集料的离析，有效地降低了材料中的孔隙率，避免了连通毛细孔的形成，提高了水泥基复合材料的抗渗性。试验表明，0.05%体积掺量的杜拉纤维混凝土比普通混凝土的抗渗能力提高了 60%70%。2.4 抗冲击及抗变形性能在纤维增强水泥基复合材料受拉（弯）时，即使基材中已出现大量的分散裂缝，由于增强纤维的存在，基体仍可承受一定的外荷并具有假延性，从而使材料的韧性与抗冲击性得以明显提高。孙家瑛等试验发现，聚丙烯纤维体积掺量为 0.1%0.2%时，水泥基复合材料的抗冲击性能较对照试样分别提高了 20%25%。2.5 抗冻性纤维可以缓解温度变化而引起的水泥基复合材料内部应力的作用，从而防止水泥固化过程中微裂纹的形成和扩散，提高材料的抗冻性；同时，水泥基复合材料抗渗能力的提高也有利于其抗冻能力的提高。在水泥基复合材料中加入聚丙烯、玻璃等纤维的研究表明，纤维的加入，可作为一种有效的水泥基复合材料温差补偿抗裂手段。3 维增强水泥基复合材料的制备工艺纤维增强水泥基复合材料的制备工艺包括各种纤维增强水泥净浆、增强砂浆、增强混凝土三个方面，统称为纤维增强水泥基复合材料(FRC)。它们在制备工艺上有诸多共同之处，又各有其特点，其中钢纤维混凝土是国内外研究最多、应用最广、技术上最成熟的一种水泥基复合材料，其制备工艺包括有原材料优选，配合比设计及搅拌、成型、养护等三个基本过程。3.1 原材料选择和配合比设计3.1.1 钢纤维混凝土原材料选择 组成钢纤维混凝土的材料主要有水泥、细集料、粗集料、水、钢纤维、高效减水剂，有时为改善钢纤维混凝土的性能，需掺加矿物掺和料(如硅灰、粉煤灰等)。为保证钢纤维对混凝土基体有良好的增强、增韧和阻裂效果，使钢纤维馄凝土混合料具有合适的工作性，优选原材料十分重要。 （1） 水泥基体强度、纤维与基体间界面黏结强度均与水泥标号密切相关。一般采用425号硅酸盐水泥、普通水泥或矿渣水泥，对钢纤维高强混凝土应选525号硅酸盐水泥。 （2） 粗集料 为提高纤维的作用，粗集料最大粒径D应为纤维长度(11)的1/22/3。经常选最大粒径D为1520mm，但不大于20mm。并选用石灰岩和其他火成岩，含泥量不大于1%。（3） 细集料 粒径为0.15-5mm，一般用河砂，含泥量不大于3%。（4） 水 采用洁净的淡水，避免钢纤维的腐蚀。 （5） 钢纤维 可采用钢丝切断纤维、低碳钢板切削纤维、钢锭切削纤维；在外形上可选扭曲形、端钩形、墩头形、刻痕形等各种异型纤维。纤维长度一般为2530mm，有时选35mm，长径比为6070。对流浆浸溃纤维增强混凝土( SIFCON)纤维长径比可达100200mm。 （6） 减水剂为降低水灰比(W/C)，改善工作性，简化工艺过程，提高钢纤维混凝土强度和性能，可优选质量好的高效减水剂或塑化剂。（7） 活性矿物掺和料掺和料宜选合适的粉煤灰。3.1.2.钢纤维混凝土配合比设计原理与方法 钢纤维馄凝土配合比设计与普通混授土有诸多共同之处，即需要满足强度、工作性与耐久性的要求，但钢纤维混凝土配合比设计有其自身独特之处。1）钢纤维混凝土配合比设计应同时满足抗压与抗拉(或抗弯)两项力学性能指标的要求，通常采用依据抗压强度计算水灰比和依据抗拉(或抗弯)强度计算纤维体积率的双控方法。2）因钢纤维在混凝土混合料中交叉搭接，对棍凝土混合料的流动性产生极大阻力，通常使其稠度显著增大，故不能用坍落度来评定工作性的优劣，因为很干硬(坍落度接近于零)的钢纤维混凝土混合料，经振动后破坏了钢纤维交叉搭接的结构，工作性会变为良好。因此，现场钢纤维混凝土混合料的工作性常用Pn(e)表示。3.1.3.钢纤维混凝土配合比设计要点与过程主要通过设计计算，参考已有经验资料，经试配最后确定。1)确定W/C 钢纤维混凝土的抗折强度明显地随Vf lf/df的增大而提高，但抗压强度提高的幅度则较小，即钢纤维的特征参数对抗压强度的影响远不如对抗拉、抗折强度那么明显，而W/C对抗压强度的影响则十分显著，故可用W/C定则确定抗压强度。即-碳纤维混凝土抗压强度，MPa-水泥的活性,MPa-常数。对粗集料为碎石时,A=4.6，B=5.2则，对粗集料为卵石时，A=6.4，B=4.1，则，计算的W/C应满足耐久性要求。2)确定单位用水量 影响钢纤维混凝土单位用水量的主要因素有混合料的工作性、粗集料品种、最大粒径、砂子细度模数及钢纤维体积率( Vf)等。钢纤维混凝土混合料的工作性用Vb来表示，它与坍落度的关系为 T表示坍落度。对碎石式中: -单位加水量，Kg；-维勃稠度，s；-细集料细度模数；-钢纤维体积率，%。对卵石当掺有减水剂时，用 代表减水率，则单位用水量为3)确定水泥用量 当W/ C及单位水泥用量确定之后，即可用下式计算钢纤维棍凝土单位水泥用量4)含砂率的选择 钢纤维混凝土的含砂率要比普通混凝土高。它不仅对钢纤维棍凝土混合料的工作性有影响，而且对提高其密实性、增进钢纤维与混凝土基体的界面黏结性等诸多性能均有影响。5)钢纤维体积率的选择 钢纤维的掺人主要提高混凝土的杭折、抗拉强度及韧性，经常以抗折强度为指标进行计算：式中：钢纤维混凝土的抗弯强度，MPa。6）粗、细集料的计算由含砂率公式按绝对体积法或假定容重法计算粗，细集料用量。3.2 纤维的均匀分布工艺1. 钢纤维在混凝土基体中的均匀分散技术1)采用工艺措施 先干后湿的搅拌工艺。 湿拌工艺。 分段加料与搅拌工艺。2)采用机械措施 纤维分散机与卧轴搅拌机组合。分散机与自由落体式搅拌机组合。纤维分散机与涡桨式搅拌机组合。纤维分散机与涡桨式搅拌机组合。钢纤维用水溶胶黏结成排。2.微细纤维增骚水泥基复合材料的均匀分散工艺1)采用专制的纤维分散机 2)采用奥姆尼(0mni)搅拌机分散3)0mni搅拌机与有机纤维素纤维、消泡剂复合分散纤维4)硅灰、表面活性剂及其复合物分散纤维1.钢纤维水泥基复合材料的成型工艺 1)振动成型工艺(1)外部振动(2)内部振动 2)射成型工艺(1)钢纤维混凝土喷射成型方式(2)混凝土成型质量(3)挤压成型工艺(4)钢纤维棍凝土的灌浆浸渍成型工艺4 发展现状目前，常用于增强水泥基复合材料的纤维，主要包括钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等。有关纤维的物理性能数据见表 1。4.1 PVA纤维增强水泥复合基材料PVA纤维是指聚乙烯醇纤维 ,也称之为维纶。以PVA为主要原料,运用新型纺丝工业开发制成的高强高弹模PVA纤维和水溶性PVA纤维,通常称为新型PVA纤维。日本用高新纺丝技术成功开发了高强PVA,强度达到21.1Cn/dtex,2000年总产达2.5万吨;日本公司开发的KII高强高弹模PVA纤 维 强 度 达 到 22cN/dtex,这 次 所 开 发 的PVA纤维与从前的水泥增强材料 ,在性质方面不同,不只增加强度,而且对混凝土还具有粘接性,使得耐震性和耐冲击性提高,混凝土的断裂和片状剥落现象这些弱点也难以发生。而且,具有防止水向混凝土内的浸入性质,防止混凝土中性化,对防止钢筋的腐蚀也有很大效果。4.2 钢纤维增强水泥复合基材料钢纤维是发展最早的一种增强用水泥基复合材料纤维。早在 1910 年美国 Porter 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。1963 年美国 Romuldi 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。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、比重大且在基体中不易于分散。4.3 碳纤维增强水泥复合基材料碳纤维是 20 世纪 60 年代开发研制的一种高性能纤维，具有超高的抗拉强度和弹性模量、化学性质稳定、与水泥基复合材料粘结良好等优点。与钢纤维相比较，碳纤维具有胜过钢材的刚度和强度的优良性能，碳纤维体积掺量为 3%的水泥基复合材料与基准水泥基复合材料相比，弹性模量增加 2 倍，拉伸强度增加5 倍。碳纤维的主要缺点是价格昂贵，最近几年开发的沥青基短碳纤维已使它们的价格大为下降，但是与其它纤维比较，其价格仍然高得多，限制了其应用。4.4 玻璃纤维增强水泥复合基材料玻璃纤维因其具有抗拉强度高、弹性模量高的特点，被广泛用于铺设水泥基复合材料路面等方面，在 20 世纪 70 年代，玻璃纤维在混凝土中的应用就已实现了工业化，但关于玻璃纤维混凝土的物理性能方面开展的研究较少，这是因为玻璃纤维水泥基复合材料在新拌水泥基复合材料中不易乱向分散且易受损伤，从而降低了材料强度，同时也存在污染环境的问题。气中一段时间以后，其强度和韧性会有大幅度下降。纤维水泥基复合材料会由早期的高强度、高韧性向普通水泥基复合材料退化，长期使用时会使得水泥基复合材料强度下降。目前，玻璃纤维水泥基复合材料多应用于结构加固等方面。4.5 合成纤维增强水泥复合基材料合成纤维成本不高，结构和性能可变度大，具有较高的性价比，20 世纪 80 年代以来，在国外已得到了广泛的研究和应用。中国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 目前用于增强水泥基复合材料的合成纤维有：聚酯类纤维、聚酰胺类纤维（尼龙）、聚乙烯类纤维、聚丙烯纤维等。其中聚丙烯纤维耐酸碱，干湿态纤维强度无变化、比重小，价格便宜，与水泥的结合性较好，能减少水泥基复合材料原生裂隙尺度，增强其抗裂能力，积极有效地改善其耐久性，且工作机理简单，适用性广泛，在工程界受到了越来越多的关注。4.6 天然植物纤维增强水泥复合基材料使用天然植物纤维作为水泥增强材料始于 20 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 20世纪 80 年代以来，资源短缺，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、无污染材料产生极大兴趣和关注，由此就提出了环境协调材料（EnvironmentConscious Materials）的概念。世界各国尤其一些发展中国家也由此开始热衷于研究和开发使用天然植物纤维作水泥砂浆的增强材料，以探索用植物纤维增强水泥来制作廉价的建房材料。4.7 剑麻纤维增强水泥复合基材料剑麻纤维是从剑麻植物叶片中取得的维管束纤维，由纤维素（50%60%）、半纤维素（12%20%）、木质素、果胶等组成，且这些化学成分的含量可能随种植地域及生长年份的不同而有所差异，但均以纤