纖維增強水泥基復合材料性能研究綜述

王菲

摘要：水泥混凝土在工程建設中應用廣泛；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水泥基復合材料；尤其是PVA纖維、混雜纖維物理力學性能研究。

關鍵字：纖維增強水泥基；PVA纖維；混雜纖維

引言

水泥是當代建設中應用較為廣泛、用量較多的建筑材料。但在實際的工程應用中，傳統的水泥基材料表現出來的抗拉強度低、脆性大、易開裂、變形能力差等特點，限制水泥應用與發展。

伴隨著新材料技術發展，纖維增強水泥基復合材料的概念被提出，在近50年來得到較快的發展。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 纖維增強水泥基復合材料性能研究

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性能，并且改變其發生的破壞形態，提高延性，纖維的不同特性使纖維增強水泥基復合材料的性能表現出差異。

董巖[2]對于碳纖維增強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，水泥抗壓強度提高了27%，在劈拉試驗中，纖維摻量為0.8%時，抗拉強度增強30%，碳纖維的較強的韌性一方面抑制了水泥基裂縫的發展。

在王煒文[3]對于不用纖維增強水泥基復合材料力學性能的試驗研究中，對于PVA纖維、碳纖維、玄武巖纖維、PP纖維增強水泥基復合材料進行四點彎曲試驗，得到的各項力學指標中，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、裂縫特點等延性特點較差，PVA、PP纖維增強水泥基復合材料的極限荷載較低，但在破壞中呈現出了多點開裂的現象，裂縫數量較少，其中，PVA纖維的最大裂縫寬度相對較小。

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

郭向陽[5]等人對于PVA纖維增強水泥基復合材料纖維--基體界面的性能研究試驗中，通過單纖維拔出試驗，在試驗得到了界面的性能參數，并進行了PVA纖維表面油劑處理的試驗，得出使用油劑處理的PVA纖維強度降低，纖維的破壞由斷裂轉為滑動拔出，增強了材料延性。

Wang S.和Li V.C.[6]對于PVA纖維增強水泥基復合材料進行了基本性能的試驗研究，對于粉煤灰取代量為50%的一組試件進行了基本的力學性能的研究，結果表明，PVA纖維增強水泥基材料的最大拉應變超過了3%，抗拉強度大于5MPa。

在對于PVA纖維增強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，在抗震試驗中的的變形性能明顯優于普通混凝土。

目前，對于一種纖維材料增強的水泥基材料研究頗多，而對于混雜纖維增強水泥基復合材料（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構與受力階段將各自的特性發揮出來。

在孫巍巍[9]對于混雜纖維增強水泥基復合材料的力學性能研究中，纖維總體積率在0-2.5%，進行了SE-PVA和SE-PP兩種HyFRCC的抗折、抗壓對比試驗，試驗結果表明，HyFRCC的抗壓、抗折強度對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]對于混雜纖維增強水泥基復合材料的力學性能的試驗研究中，試驗采用化學改性的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的影響，試驗結果表明，混合聚丙烯纖維和芳綸纖維對水泥砂漿具有明顯的增強作用，尤其是采用改性聚丙烯纖維進行混合增強的效果更為突出。

2 結論和展望

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，使之得到廣泛運用。在大量的試驗研究中，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，對水泥性能的改善各不相同。試驗結果顯示，纖維的摻入對于水泥基抗壓強度提高的效果甚微，而對于水泥基的抗拉、抗裂強度有較高程度的提高，變形性能得到較大改善。

參考文獻

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[2]董巖.碳纖維增強水泥基材料的性能實驗分析[J]城市建設理論研究.2014

[3]王文煒，況宇亮等.不同纖維增強水泥基復合材料的基本力學性能研究[J]應用基礎與工程科學學報，2016，2

[4] KANDAT ，Li.V.C.Inter face proper and apparent strength of high -strength hydrophilic fiber in cement[J].of Materials in civil Engineering，ASCE，1998（1）： 5-13

[5]郭向陽，米力等.PVA纖維增強水泥基材料中纖維--基體界面性能研究述評[J]原材料及輔助材料，2015

[6]WANG. S ，Li .V. C .PolDinyla lcobol fiber reinforced engineered cementitious composites ：mate rial design and perform ancese Proceedings of In work shop on HPRCC in structural ，Honolulu，tawai，USA ，200 5 ：23-26

[7]許薇，徐貴娥.高延性纖維增強水泥基復合材料抗震性能分析[J]安徽建筑.2012

[8]韋金峰，黃真.混合纖維混凝土力學性能試驗研究[J].混凝土，2010（3）：67-70

[9]孫巍巍，董浩林等.混合纖維增強水泥基復合材料性能研究[J]混凝土與水泥制品.2015

[10]趙煥起，李國忠.混合纖維增強水泥基復合材料力學性能[J]復合材料學報.2014