高性能水泥基復(fù)合材料研究綜述

王 靜 徐俊鵬 張云龍

（吉林建筑大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長春 130118）

0 引言

高強(qiáng)高性能水泥基復(fù)合材料則是以高強(qiáng)混凝土為基礎(chǔ)，在剔除粗骨料后復(fù)合而成的一種膠凝材料。目前對于高強(qiáng)高性能混凝土的研究，國內(nèi)外采用最普遍的技術(shù)路線為：“普通硅酸鹽水泥+單摻或復(fù)合使用超細(xì)礦物摻合料+高性能減水劑”[1]。在上世紀(jì)90年代美國就將C90以上的超高強(qiáng)高性能混凝土運用到了一些建筑結(jié)構(gòu)上。我國從20世紀(jì)70年代才開始對高強(qiáng)混凝土進(jìn)行大量的研究，并在90年代興起了對高性能混凝土的研究熱潮。但就目前的發(fā)展形勢而言，高性能水泥基復(fù)合材料在實際運用上還存在很多問題和影響因素，本文作者就高性能水泥基復(fù)合材料的主要影響因素進(jìn)行了歸納總結(jié)。

1 水膠比對復(fù)合材料性能的影響

對于高強(qiáng)混凝土而言，為了提高混凝土的強(qiáng)度，水膠比一般在 0.16～0.28之間。如王軍[2]以0.16的水膠比，制成的立方體抗壓試件，在60天和90天的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到146.5MPa和159.7MPa，當(dāng)水膠比繼續(xù)降低時，混凝土的強(qiáng)度反而有所降低。郭向勇[3]以0.2、0.25、0.3三種水膠比為對照，分析其對高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)水膠比在0.2時立方體的抗壓強(qiáng)度最高，7天和28天強(qiáng)度分別達(dá)到了79.3MPa和120MPa。文獻(xiàn)[4]采用正交試驗，研究分析了水膠比、礦物摻合料、減水劑等因素，對高強(qiáng)混凝土的工作性能和力學(xué)性能的影響，結(jié)果指出水膠比是影響高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度的顯著因子。所以在進(jìn)行高強(qiáng)度等級的混凝土配制過程中一定要嚴(yán)格控制水膠比對混凝土強(qiáng)度的影響。

2 膠凝材料對復(fù)合材料性能的影響

為了保證混凝土的強(qiáng)度要求，在配制超高強(qiáng)混凝土?xí)r，膠凝材料總量的控制也是一個主要因素，其中王軍委[5]通過正交試驗發(fā)現(xiàn)，膠凝材料總量是繼水膠比之后又一個影響混凝土強(qiáng)度的主要因素，試驗指出膠凝材料總量在 600kg/m3時，混凝土的抗壓強(qiáng)度最高。而李麗娟[6]利用高性能混凝土外加劑和摻合料，在膠凝材料為540kg/m3的情況下，配制出了28天抗壓強(qiáng)度為100MPa以上的高強(qiáng)度混凝土。與上述研究不同，王沖[7]在極低的水膠比情況下，將膠凝材料的總量擴(kuò)大為700～1100kg/m3，最終制得的28天抗壓強(qiáng)度為130MPa以上的特超高性能混凝土。

3 礦物摻合料對復(fù)合材料性能的影響

國內(nèi)很多學(xué)者針對礦物摻合料的摻入方式、摻量以及對混凝土的工作性和力學(xué)性能等問題做了大量的研究[8-9]，結(jié)果表明硅灰、礦渣、粉煤灰在取代水泥后，具有類似的作用，即在不增加用水量的情況下可以改善混凝土和易性，降低水泥的水化熱，提高混凝土的耐久性。而關(guān)于礦物摻合料的摻量大致為：硅灰在 10%左右時各項性能最佳；礦渣和粉煤灰的摻量大致相當(dāng)，在20%～30%的范圍內(nèi)居多。此外，相關(guān)研究表明[10]，不同礦物摻合料對混凝土的早期收縮率有著不同程度的影響，其中粉煤灰可以降低混凝土早期的收縮率；礦渣在降低早期收縮率的同時對于后期收縮率的發(fā)展則會產(chǎn)生不利的影響；而硅灰對于混凝土的各個齡期的收縮率都有不利的影響。

4 纖維對復(fù)合材料性能的影響

隨著混凝土強(qiáng)度的提高，材料的脆性變得越發(fā)明顯，研究發(fā)現(xiàn)在其中加入纖維可以明顯改善混凝土的脆性，提高混凝土的強(qiáng)度和韌性，作者就目前研究較多的纖維混摻情況進(jìn)行了一個總結(jié)。其中夏冬桃[11]的研究表明，摻量 0.8%的鋼纖維+0.11%的聚丙烯纖維的混雜效應(yīng)最好；華淵[12]指出摻量為0.5%的碳纖維+0.7%的聚丙烯纖維、0.5%的鋼纖維+0.7%的聚丙烯纖維和小于2%的玻璃纖維+聚乙烯纖維都能對混凝土產(chǎn)生正的混雜效應(yīng)。莫海濤[13]用玄武巖纖維代替鋼纖維，研究兩者對混凝土性能的影響，結(jié)果表明用玄武巖纖維取代20%的鋼纖維之后，7天和28天的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，分別為鋼纖維混凝土的98%和90%，但改善了混凝土的和易性。

5 結(jié)論

（1）水膠比的大小在一定程度上直接決定混凝土材料的力學(xué)性能與耐久性，因此在高強(qiáng)高性能混凝土制備過程中，要嚴(yán)格控制水膠比的大小，一般不大于0.26。

（2）考慮到膠凝材料對混凝土的流動性、強(qiáng)度和耐久性的影響，就目前的研究成果來看，膠凝材料使用最多的為600～700kg/m3。

（3）在礦物摻合料中硅灰的摻量多為膠凝材料總量的10%，且有利于混凝土的早期強(qiáng)度的發(fā)展；而粉煤灰和礦渣的摻量相對較大，占膠凝材料總量的 30%～40%，且對混凝土的后期強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大，同時可以降低混凝土的開裂風(fēng)險，增加結(jié)構(gòu)的耐久性。

（4）合理的纖維混摻可以充分發(fā)揮各自的特性，提高混摻纖維混凝土的力學(xué)特性和耐久性，同時達(dá)到降低施工難度和成本的目的。