纖維在水泥基材料中的應用與發展

張 亞 蕾

(青海大學,青海 西寧 810000)

1 基本概況

1.1 水泥基材料

水泥基材料是指以水泥為基礎，添加其他組分而形成的材料，最典型的代表是混凝土和砂漿，通常都是就地取材，因為有著生產方便，來源廣泛，價格低廉，并且抗壓強度較高諸多優點而在建筑業備受青睞。然其抗拉、抗彎能力較弱，易開裂，由此又導致抗滲性能的下降。但是隨著社會及經濟的發展，對建筑技術提出了更高的要求：大跨度等建筑形式日益增多；在惡劣環境下的建筑也不斷增加；人口的增多對建筑數量的需求也在增大，因此傳統材料的弊端迫切需要被改善。通過添加纖維，在保持原水泥基材料抗壓強度高的同時，提高其抗拉性能及韌性，不失為一種環保又經濟的改進方法。

1.2 纖維

纖維由纖細的絲狀物組成，有植物、動物、礦物纖維多種類型，廣泛應用于紡織、建筑等方面。應用于建筑行業的天然纖維多是植物纖維，取自植物的韌皮或者植物葉上，可得到亞麻、黃麻等多種類型。后來又發展出鋼纖維、碳纖維等新型人造纖維。但是摻在水泥基中的纖維含量并不是越多越好，而是有一定的適宜范圍，摻量在該范圍以內可以達到最好的力學性能。

2 分類

不同的環境對建筑材料提出了不同的要求，由此不同種類的纖維應運而生[1]，主要分為天然的和人造的兩類，對常用的幾種類型做如下介紹。

2.1 植物纖維

植物纖維作為厚壁組織,由于主要用來做紡織品而與人類生活的關系極為密切，但此外還可以用作水泥、混凝土、建筑板材的添加材料，具有天然、環保、高韌性的特點。隨著綠色建筑理念的提出，以及大眾環保意識的增強，對建筑材料也提出了更高的要求，綠色建材的應用日漸增多。植物纖維因其具有環保、經濟而在建筑業逐漸發展。

2.2 玻璃纖維

玻璃纖維是屬于無機非金屬材料，由石英砂等為原料經熔制、拉絲等工藝制造成的，單絲直徑非常小，以微米為單位計量。它的絕緣性較好，并且可以耐高溫以及腐蝕性物質，而且具有較高的強度。但玻璃纖維脆性相對較強，易折斷，耐磨性較差，使用過程中容易造成污染問題。

2.3 鋼纖維

鋼纖維一般由切削細鋼絲或者剪切冷軋帶鋼等工藝制作而成，不同的工藝制作出的纖維性能不盡相同，它們的長徑比一般為40～80之間。添加鋼纖維的混凝土具更優越的的力學性能及耐久性，與普通混凝土相比，其抗壓強度的提高幅度高至20%；彎拉強度可達原本的1.2倍～1.5倍；劈裂抗拉強度可達1.2倍～1.4倍；耐磨性能提高至1.4倍左右。但是鋼纖維的制作成本偏高，且耐腐蝕性能有待提高，尤其是在濱海地區，另外纖維與混凝土之間的粘結力主要由摩擦力提供，單一條狀的纖維粘結性能不是很好，這一點可以通過彎曲纖維和制造粗糙表面改善。

2.4 碳纖維

是一種微晶石墨材料，具有很高的強度和模量。它的制作工藝是將有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，如片狀石墨微晶等，而后經碳化及石墨化處理得到。碳纖維的質量很輕，但強度卻很高，并且具有耐腐蝕能力強的特性。由于碳纖維的含碳量高達95%，因此它具有碳材料的固有本征特性，同時又兼備紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維，楊氏模量是玻璃纖維的3倍多。但是直至2018年，中國才研發出T1000生產線。因此在目前的生產能力之下，碳纖維的價格很高昂。

2.5 復合纖維

單一種類的纖維往往只能改善某一方面的性能，因此很多情況下滿足不了現代建筑的要求，故多纖維的復合應運而生。多纖維的互補使水泥基材料的力學性能得到了多方面的提高。

3 優勢

3.1 增大抗拉強度

纖維增強水泥基相較于普通水泥基，擁有著較強的抗拉性能，同時延性也到了極大的提升，研究表明，通過四點彎曲以及單軸拉伸試驗材料極限拉應變在2%左右，極限拉應力在10.56 MPa～14.7 MPa范圍內。

3.2 提高抗裂能力

研究表明，未添加纖維的水泥基材料脆性明顯，抗裂能力較差，試驗試件在承受軸向拉力時會有應變硬化現象產生，并且伴隨著多裂縫的開展，但添加植物纖維的試件的破壞形式是剝落式的，且破壞后仍能保持較好的應力水平[2]。纖維的加入限制了裂縫發展的可能性，也阻礙了新裂縫的發生，亦即減少了裂縫的數量[3]。

4 前景展望

纖維對提高水泥基材料的力學性能起著重要作用，尤其是植物纖維天然、綠色的特點正是迎合了如今生態環保的理念，是綠色建材的典型代表。纖維增強水泥基也使建筑行業得到了很大進步，隨著更先進的建筑模式被提出，這種材料將不斷的發展完善[4]。