纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料性能研究綜述

王菲

摘要：水泥混凝土在工程建設(shè)中應(yīng)用廣泛；纖維材料的摻入提高了水泥基材料的抗拉、抗裂、韌性和變形性能。本文主要介紹了纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料；尤其是PVA纖維、混雜纖維物理力學(xué)性能研究。

關(guān)鍵字：纖維增強(qiáng)水泥基；PVA纖維；混雜纖維

引言

水泥是當(dāng)代建設(shè)中應(yīng)用較為廣泛、用量較多的建筑材料。但在實(shí)際的工程應(yīng)用中，傳統(tǒng)的水泥基材料表現(xiàn)出來的抗拉強(qiáng)度低、脆性大、易開裂、變形能力差等特點(diǎn)，限制水泥應(yīng)用與發(fā)展。

伴隨著新材料技術(shù)發(fā)展，纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的概念被提出，在近50年來得到較快的發(fā)展。通過加入纖維材料提高水泥的抗拉、抗裂、韌性以及變形性能。目前，較為常用的纖維材料是：碳纖維、玻璃纖維、PVA纖維等。

1 纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料性能研究

水泥為脆性材料，將纖維材料加入水泥中，不僅改善了水泥的抗拉等力學(xué)性能，并且改變其發(fā)生的破壞形態(tài)，提高延性，纖維的不同特性使纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的性能表現(xiàn)出差異。

董巖[2]對(duì)于碳纖維增強(qiáng)水泥基材料的研究中，在水灰比一定的條件下，纖維摻量為0.6%時(shí)，水泥抗壓強(qiáng)度提高了27%，在劈拉試驗(yàn)中，纖維摻量為0.8%時(shí)，抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)30%，碳纖維的較強(qiáng)的韌性一方面抑制了水泥基裂縫的發(fā)展。

在王煒文[3]對(duì)于不用纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的試驗(yàn)研究中，對(duì)于PVA纖維、碳纖維、玄武巖纖維、PP纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，得到的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)中，摻入碳纖維、玄武巖纖維的水泥材料極限荷載為PVA纖維材料的1.5倍，但其撓度、裂縫特點(diǎn)等延性特點(diǎn)較差，PVA、PP纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的極限荷載較低，但在破壞中呈現(xiàn)出了多點(diǎn)開裂的現(xiàn)象，裂縫數(shù)量較少，其中，PVA纖維的最大裂縫寬度相對(duì)較小。

高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementitious Composite，ECC）最早是在20世紀(jì)90年代，由密歇根大學(xué)的Li[4]教授提出的。在中國也稱這種材料為PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，PVA纖維材料具有較高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)又環(huán)保，被廣泛用于纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的制備中。

郭向陽[5]等人對(duì)于PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料纖維--基體界面的性能研究試驗(yàn)中，通過單纖維拔出試驗(yàn)，在試驗(yàn)得到了界面的性能參數(shù)，并進(jìn)行了PVA纖維表面油劑處理的試驗(yàn)，得出使用油劑處理的PVA纖維強(qiáng)度降低，纖維的破壞由斷裂轉(zhuǎn)為滑動(dòng)拔出，增強(qiáng)了材料延性。

Wang S.和Li V.C.[6]對(duì)于PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料進(jìn)行了基本性能的試驗(yàn)研究，對(duì)于粉煤灰取代量為50%的一組試件進(jìn)行了基本的力學(xué)性能的研究，結(jié)果表明，PVA纖維增強(qiáng)水泥基材料的最大拉應(yīng)變超過了3%，抗拉強(qiáng)度大于5MPa。

在對(duì)于PVA纖維增強(qiáng)水泥基材料的抗震性能的研究中，許薇[7]等人指出該材料與普通混凝土相比較，其拉伸變形為普通混凝土的230-450倍，壓縮變形為2.5倍，彎曲變形約為200倍，剪切變形是普通混凝土的20倍，在抗震試驗(yàn)中的的變形性能明顯優(yōu)于普通混凝土。

目前，對(duì)于一種纖維材料增強(qiáng)的水泥基材料研究頗多，而對(duì)于混雜纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（HyFRCC）的研究[8]較少，在水泥基中摻入不同的纖維材料，由于各種纖維材料物理特性的差別，使其在不同的層次結(jié)構(gòu)與受力階段將各自的特性發(fā)揮出來。

在孫巍巍[9]對(duì)于混雜纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能研究中，纖維總體積率在0-2.5%，進(jìn)行了SE-PVA和SE-PP兩種HyFRCC的抗折、抗壓對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，HyFRCC的抗壓、抗折強(qiáng)度對(duì)于普通水泥基砂漿有了較顯著提升，其中其主要作用的纖維是SE纖維。

趙煥起[10]對(duì)于混雜纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能的試驗(yàn)研究中，試驗(yàn)采用化學(xué)改性的PP纖維摻入PP纖維以及芳綸纖維，研究纖維的摻入比例以及混合效應(yīng)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，混合聚丙烯纖維和芳綸纖維對(duì)水泥砂漿具有明顯的增強(qiáng)作用，尤其是采用改性聚丙烯纖維進(jìn)行混合增強(qiáng)的效果更為突出。

2 結(jié)論和展望

水泥是脆性材料，只有提高水泥材料的延性，才能改善其基本的性能，使之得到廣泛運(yùn)用。在大量的試驗(yàn)研究中，摻入纖維的水泥基材料的性能得到了明顯的提高，各種纖維材料因其物理特性的差異而在摻入水泥基體中，對(duì)水泥性能的改善各不相同。試驗(yàn)結(jié)果顯示，纖維的摻入對(duì)于水泥基抗壓強(qiáng)度提高的效果甚微，而對(duì)于水泥基的抗拉、抗裂強(qiáng)度有較高程度的提高，變形性能得到較大改善。

參考文獻(xiàn)

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[10]趙煥起，李國忠.混合纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能[J]復(fù)合材料學(xué)報(bào).2014