陳婷-纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料課件

纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料

演講人：陳婷纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料

演講人：陳婷纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料

一、概述二、力學(xué)性能三、制備工藝四、發(fā)展現(xiàn)狀纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料

一、概述一、FRC（fiberreinforcedcementbasematerial）材料的概述纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（FRC)是以水泥與水發(fā)生水化、硬化后形成的硬化水泥漿體作為基體，以不連續(xù)的短纖維或連續(xù)的長(zhǎng)纖維作增強(qiáng)材料組合而成的一種復(fù)合材料。普通混凝土在受荷載之前內(nèi)部已有大量微觀裂縫，在不斷增加的外力作用下，這些微裂縫會(huì)逐漸擴(kuò)展，并最終形成宏觀裂縫，導(dǎo)致材料破壞。加入適量的纖維之后，纖維對(duì)微裂縫的擴(kuò)展起阻止和抑制作用，因而使復(fù)合材料的抗拉與抗折強(qiáng)度以及斷裂能較未增強(qiáng)的水泥基體有明顯的提高。一、FRC（fiberreinforcedcement普通水泥石子分散于硬化砂漿、砂分散于水泥石、未水化水泥顆粒分散于水泥水化產(chǎn)物中、晶體分散于凝膠體中。普通水泥石子分散于硬化砂漿、砂分散于水泥石、未水化水泥鋼纖維（ＳＦRC）、玻璃纖維（ＧＦRC）碳纖維（ＣＦRC）短切碳纖維耐熱鋼纖維鋼纖維（ＳＦRC）、玻璃纖維（ＧＦRC）碳纖維（ＣＦR隨著人們生活水平的提高和住宅環(huán)境的日益改善，人們對(duì)住宅的美觀及諸多功能提出了更加苛刻的要求。因此，對(duì)非承重功能性材料進(jìn)行改革將是現(xiàn)代建筑中墻體材料改革的大勢(shì)所趨。隨著人們生活水平的提高和住宅環(huán)境的日益改善，人們對(duì)住早期早期陳婷-纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料ppt課件纖維水泥外墻掛板纖維水泥外墻掛板纖維強(qiáng)化水泥基復(fù)合材料的介紹纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料包括結(jié)構(gòu)材料和非結(jié)構(gòu)材料。結(jié)構(gòu)材料大都用于建筑物墻體和構(gòu)件的承重結(jié)構(gòu)中，非結(jié)構(gòu)材料則主要用做裝飾性材料和非承重功能性材料。纖維強(qiáng)化水泥基復(fù)合材料的介紹結(jié)構(gòu)材料：悉尼歌劇院結(jié)構(gòu)材料：悉尼歌劇院天津彩虹橋天津彩虹橋合成纖維FRC合成纖維FRC非結(jié)構(gòu)材料水泥雕塑GFRC窗戶框架非結(jié)構(gòu)材料水泥雕塑GFRC窗戶框架角花羅馬柱盆花裝飾性非結(jié)構(gòu)材料線條角花羅馬柱盆花裝飾性非結(jié)構(gòu)材料線條二、纖維強(qiáng)化水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能

在纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料中，纖維的主要作用在于阻止微裂縫的擴(kuò)展，具體表現(xiàn)在提高復(fù)合材料的抗拉、抗裂、抗?jié)B及抗沖擊、抗凍性等。

二、纖維強(qiáng)化水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能在纖維增強(qiáng)2.1抗拉強(qiáng)度在水泥基復(fù)合材料（FRC）受力過(guò)程中纖維與基體共同受力變形，纖維的牽連作用使基體裂而不斷并能進(jìn)一步承受載荷，可使水泥基材的抗拉強(qiáng)度得到充分保證；當(dāng)所用纖維的力學(xué)性能、幾何尺寸與摻量等合適時(shí)，可使復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度有明顯的提高。2.1抗拉強(qiáng)度在水泥基復(fù)合材料（FRC）受力過(guò)程中纖維與水泥基斷裂水泥基斷裂2.2抗裂性

在水泥基復(fù)合材料新拌的初期，增強(qiáng)纖維就能構(gòu)成一種網(wǎng)狀承托體系，產(chǎn)生有效的二級(jí)加強(qiáng)效果，從而有效的減少材料的內(nèi)分層和毛細(xì)腔的產(chǎn)生；在硬化過(guò)程中，當(dāng)基體內(nèi)出現(xiàn)第一條隱微裂縫并進(jìn)一步發(fā)展時(shí)，如果纖維的拉出抵抗力大于出現(xiàn)第一條裂縫時(shí)的荷載，則纖維能承受更大的荷載，纖維的存在就阻止了隱微裂縫發(fā)展成宏觀裂縫的可能。2.2抗裂性在水泥基復(fù)合材料新拌的初期2.3抗?jié)B性

纖維作為增強(qiáng)材料，可以有效控制水泥基復(fù)合材料的早期干縮微裂以及離析裂紋的產(chǎn)生及發(fā)展，減少材料的收縮裂縫尤其是連通裂縫的產(chǎn)生。另外，纖維起了承托骨料的作用，降低了材料表面的析水現(xiàn)象與集料的離析，有效地降低了材料中的孔隙率，避免了連通毛細(xì)孔的形成，提高了水泥基復(fù)合材料的抗?jié)B性。2.3抗?jié)B性纖維作為增強(qiáng)材料，可以有效控2.4抗沖擊及抗變形性能

在纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料受拉（彎）時(shí)，即使基材中已出現(xiàn)大量的分散裂縫，由于增強(qiáng)纖維的存在，基體仍可承受一定的外荷并具有假延性，從而使材料的韌性與抗沖擊性得以明顯提高。

2.4抗沖擊及抗變形性能在纖維增強(qiáng)水泥纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料

受力彎曲時(shí)典型的

荷載-撓度曲線纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料

受力彎曲時(shí)典型的

荷載-撓度曲線2.5抗凍性纖維可以緩解溫度變化而引起的水泥基復(fù)合材料內(nèi)部應(yīng)力的作用，從而防止水泥固化過(guò)程中微裂紋的形成和擴(kuò)散，提高材料的抗凍性；同時(shí)，水泥基復(fù)合材料抗?jié)B能力的提高也有利于其抗凍能力的提高。2.5抗凍性纖維可以緩解溫度變化而引起的水泥基復(fù)合材料內(nèi)三、纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的制備工藝

纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的制備工藝包括各種纖維增強(qiáng)水泥凈漿、增強(qiáng)砂漿、增強(qiáng)混凝土三個(gè)方面，統(tǒng)稱為纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(FRC)。三、纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的制備工藝?yán)w維鋼纖SFRC（Steel）

原材料選擇和配合比原材料選擇組成鋼纖維混凝土的材料主要有水泥、細(xì)集料、粗集料、水、鋼纖維、高效減水劑，有時(shí)為改善鋼纖維混凝土的性能，需摻加礦物摻和料(如硅灰、粉煤灰等)。

鋼纖SFRC（Steel）

原材料選擇和配合比原材料的配合比設(shè)計(jì)1)水泥

基體強(qiáng)度、纖維與基體間界面黏結(jié)強(qiáng)度均與水泥標(biāo)號(hào)密切相關(guān)。一般采用425號(hào)硅酸鹽水泥、普通水泥或礦渣水泥，對(duì)鋼纖維高強(qiáng)混凝土應(yīng)選525號(hào)硅酸鹽水泥。2)粗集料

為提高纖維的作用，粗集料最大粒徑D應(yīng)為纖維長(zhǎng)度的1/2~2/3。經(jīng)常選最大粒徑D為15~20mm，但不大于20mm。并選用石灰?guī)r和其他火成巖，含泥量不大于1%。3)細(xì)集料

粒徑為0.15-5mm，一般用河砂，含泥量不大于3%。4)水

采用潔凈的淡水，避免鋼纖維的腐蝕。原材料的配合比設(shè)計(jì)1)水泥基體強(qiáng)度、纖維與基體間界面5)鋼纖維

可采用鋼絲切斷纖維、低碳鋼板切削纖維、鋼錠切削纖維；在外形上可選扭曲形、端鉤形、墩頭形、刻痕形等各種異型纖維。纖維長(zhǎng)度一般為25~30mm，有時(shí)選35mm，長(zhǎng)徑比為60~70。

對(duì)流漿浸潰纖維增強(qiáng)混凝土，纖維長(zhǎng)徑比可達(dá)100~200mm。6)減水劑

為降低水灰比(W/C)，改善工作性，簡(jiǎn)化工藝過(guò)程，提高鋼纖維混凝土強(qiáng)度和性能，可優(yōu)選質(zhì)量好的高效減水劑或塑化劑。7)活性礦物摻和料

宜選合適的粉煤灰。5)鋼纖維可采用鋼絲切斷纖維、低碳鋼板切削纖維、鋼錠3.1原材料選擇和配合比設(shè)計(jì)

以上配合比設(shè)計(jì)的原理

鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)與普通混凝土有諸多共同之處，即需要滿足強(qiáng)度、工作性與耐久性的要求，但鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)有其自身獨(dú)特之處。

1）鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)滿足抗壓與抗拉(或抗彎)兩項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)的要求，通常采用依據(jù)抗壓強(qiáng)度計(jì)算水灰比和依據(jù)抗拉(或抗彎)強(qiáng)度計(jì)算纖維體積率的雙控方法。3.1原材料選擇和配合比設(shè)計(jì)以上配合比設(shè)計(jì)的原理

2）因鋼纖維在混凝土混合料中交叉搭接，對(duì)混凝土混合料的流動(dòng)性產(chǎn)生極大阻力，通常使其稠度顯著增大，故不能用坍落度來(lái)評(píng)定工作性的優(yōu)劣，因?yàn)楹芨捎?坍落度接近于零)的鋼纖維混凝土混合料，經(jīng)振動(dòng)后破壞了鋼纖維交叉搭接的結(jié)構(gòu)，工作性會(huì)變?yōu)榱己谩?）因鋼纖維在混凝土混合料中交叉搭接，對(duì)混凝土混合3.2纖維的均勻分散工藝1.鋼纖維在混凝土基體中的均勻分散技術(shù)1)采用工藝措施①先干后濕的攪拌工藝。②濕拌工藝。③分段加料與攪拌工藝。2)采用機(jī)械措施①纖維分散機(jī)與臥軸攪拌機(jī)組合。②分散機(jī)與自由落體式攪拌機(jī)組合。③纖維分散機(jī)與渦槳式攪拌機(jī)組合。④纖維分散機(jī)與渦槳式攪拌機(jī)組合。⑤鋼纖維用水溶膠黏結(jié)成排。3.2纖維的均勻分散工藝1.鋼纖維在混凝土基體中的均勻2.微細(xì)纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的均勻分散工藝1)采用專制的纖維分散機(jī)2)采用奧姆尼(0mni)攪拌機(jī)分散3)采用0mni攪拌機(jī)與有機(jī)纖維素纖維、消泡劑復(fù)合分散纖維4)采用硅灰、表面活性劑及其復(fù)合物分散纖維2.微細(xì)纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的均勻分散工藝3.3成型工藝鋼纖維水泥基復(fù)合材料的成型工藝

1)振動(dòng)成型工藝

a.外部振動(dòng)b.內(nèi)部振動(dòng)

2)射成型工藝

a.鋼纖維混凝土噴射成型方式

b.混凝土成型質(zhì)量

3)擠壓成型工藝

4)鋼纖維棍凝土的灌漿浸漬成型工藝3.3成型工藝鋼纖維水泥基復(fù)合材料的成型工藝?yán)w維的纖維摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響很大合成纖維可有效地控制由混凝土內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫，使混凝土早期收縮裂縫減少50～90%，顯著提高混凝土的抗?jié)B性和耐久性，使混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕時(shí)間推遲2.5倍。除抗裂外，合成纖維還能提高混凝土的粘聚性和抗碎裂性。以聚丙烯合成纖維為例摻入聚丙烯合成纖維后，混凝土的性能將發(fā)生變化，當(dāng)纖維含量適當(dāng)時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等均有不同程度的提高。纖維摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響見(jiàn)下表。纖維的纖維摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響很大摻入聚丙烯纖維后混凝土的性能影響項(xiàng)目抗壓強(qiáng)度（Mpa）抗折強(qiáng)度（Mpa）劈裂抗拉強(qiáng)度（Mpa）砂漿軸心抗拉強(qiáng)度（Mpa）普通混凝土28.54.412.03.741纖維混凝土39.65.092.173.986強(qiáng)度增減%+28.0%+13.3%+8.5%+7.1%摻入聚丙烯纖維后混凝土的性能影響項(xiàng)目抗壓強(qiáng)度（Mpa）抗折強(qiáng)四、幾種主要FRC材料的應(yīng)用現(xiàn)狀目前，常用于增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的纖維，主要包括鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維，聚乙烯醇纖維等。有關(guān)纖維的物理性能數(shù)據(jù)見(jiàn)下表1。四、幾種主要FRC材料的應(yīng)用現(xiàn)狀目前，常用于增強(qiáng)水泥基復(fù)合材

4.1鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料

鋼纖維

是發(fā)展最早的一種增強(qiáng)用水泥基復(fù)合材料纖維。早在1910年美國(guó)Porter就提出了把鋼纖維均勻地撒入混凝土中以強(qiáng)化材料的設(shè)想，隨后俄國(guó)學(xué)者伏·波·涅克拉索夫首先提出了鋼纖維增強(qiáng)混凝土的概念。1963年美國(guó)學(xué)者發(fā)表了一系列研究成果，從理論上闡述了鋼纖維對(duì)水泥基復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)理。我國(guó)對(duì)鋼纖維的應(yīng)用研究相對(duì)于其它幾種纖維也比較早。目前，鋼纖維水泥基復(fù)合材料因其具有高抗拉強(qiáng)度和彈性模量而得到廣泛應(yīng)用，但其價(jià)格較貴、且在基體中不易于分散。4.1鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料鋼纖維是

4.2碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料

碳纖維

是

20

世紀(jì)60年代開(kāi)發(fā)研制的一種高性能纖維，具有超高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、與水泥基復(fù)合材料粘結(jié)良好等優(yōu)點(diǎn)。與鋼纖維相比較，碳纖維具有勝過(guò)鋼材的剛度和強(qiáng)度的優(yōu)良性能，碳纖維體積摻量為3%的水泥基復(fù)合材料與基準(zhǔn)水泥基復(fù)合材料相比，彈性模量增加2倍，拉伸強(qiáng)度增加5倍。碳纖維的主要缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，最近幾年開(kāi)發(fā)的瀝青基短碳纖維已使它們的價(jià)格大為下降，但是與其它纖維比較，其價(jià)格仍然高得多，限制了其應(yīng)用。4.2碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料碳纖維

4.3玻璃纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料玻璃纖維

因其具有抗拉強(qiáng)度高、彈性模量高的特點(diǎn)，被廣泛用于鋪設(shè)水泥基復(fù)合材料路面等方面，在20世紀(jì)70年代，玻璃纖維在混凝土中的應(yīng)用就已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，但關(guān)于玻璃纖維混凝土的物理性能方面開(kāi)展的研究較少，這是因?yàn)椴ＡЮw維水泥基復(fù)合材料在新拌水泥基復(fù)合材料中不易亂向分散且易受損傷，從而降低了材料強(qiáng)度，同時(shí)也存在污染環(huán)境的問(wèn)題。氣中一段時(shí)間后，其強(qiáng)度和韌性會(huì)有大幅度下降。纖維水泥基復(fù)合材料會(huì)由早期的高強(qiáng)度、高韌性向普通水泥基復(fù)合材料退化，長(zhǎng)期使用時(shí)會(huì)使得水泥基復(fù)合材料強(qiáng)度下降。目前，玻璃纖維水泥基復(fù)合材料多應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固等方面。4.3玻璃纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料玻璃纖維4.4PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料

PVA纖維

是指聚乙烯醇纖維,也稱之為維綸。以PVA為主要原料,運(yùn)用新型紡絲工業(yè)開(kāi)發(fā)制成的高強(qiáng)高彈模PVA纖維和水溶性PVA纖維,通常稱為新型PVA纖維。

現(xiàn)階段研究的PVA纖維不只增加強(qiáng)度,而且對(duì)混凝土還具有粘接性,使得耐震性和耐沖擊性提高,混凝土的斷裂和片狀剝落現(xiàn)象這些弱點(diǎn)也難以發(fā)生。而且,具有防止水向混凝土內(nèi)的浸入性質(zhì),防止混凝土中性化,對(duì)防止鋼筋的腐蝕也有很大效果。4.4PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料

PVA纖維4.5合成纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料

合成纖維

成本不高，結(jié)構(gòu)和性能可變度大，具有較高的性價(jià)比，20世紀(jì)80年代以來(lái)，在國(guó)外已得到了廣泛的研究和應(yīng)用。中國(guó)研究并成功地開(kāi)發(fā)了能有效控制非結(jié)構(gòu)裂縫的合成纖維混凝土，經(jīng)上海東方明珠電視塔、地鐵1號(hào)線、石化總廠及8萬(wàn)人體育場(chǎng)等重大工程的實(shí)際應(yīng)用，都取得了滿意的效果。目前用于增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的合成纖維有：聚酯類纖維、聚酰胺類纖維（尼龍）、聚乙烯類纖維、聚丙烯纖維等。其中聚丙烯纖維耐酸堿，干濕態(tài)纖維強(qiáng)度無(wú)變化、比重小，價(jià)格便宜，與水泥的結(jié)合性較好，能減少水泥基復(fù)合材料原生裂隙尺度，增強(qiáng)其抗裂能力，積極有效地改善其耐久性，且工作機(jī)理簡(jiǎn)單，適用性廣泛，在工程界受到了越來(lái)越多的關(guān)注。4.5合成纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料

合成纖維4.6天然植物纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料

天然植物纖維

作為水泥增強(qiáng)材料始于20世紀(jì)初期，當(dāng)時(shí)是用它制成木漿纖維來(lái)代替石棉以生產(chǎn)纖維水泥板。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來(lái)，資源短缺，能源匱乏，生態(tài)環(huán)境惡化等諸多問(wèn)題的出現(xiàn)使得人們對(duì)天然植物纖維這類可再生、無(wú)污染材料產(chǎn)生極大興趣和關(guān)注，由此就提出了環(huán)境協(xié)調(diào)材料（Environment

ConsciousMaterials）的概念。世界各國(guó)尤其一些發(fā)展中國(guó)家也由此開(kāi)始熱衷于研究和開(kāi)發(fā)使用天然植物纖維作水泥砂漿的增強(qiáng)材料，以探索用植物纖維增強(qiáng)水泥來(lái)制作廉價(jià)的建房材料。4.6天然植物纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料

天然植物纖維FRC及其以外的水泥基材料的應(yīng)用功能型可賦予混凝土特殊功能，如防輻射、防靜電、補(bǔ)償收縮、防水、耐磨、保溫隔熱等功能。目前已加入應(yīng)用的有1、導(dǎo)電混凝土將傳統(tǒng)混凝土與石墨、碳纖維、鋼纖維等復(fù)合，可使混凝土具有導(dǎo)電功能。導(dǎo)電混凝土主要是應(yīng)用在北方寒冷地區(qū)的公路路面、鐵路站臺(tái)和機(jī)場(chǎng)跑道的除冰。2、屏蔽電磁輻射混凝土水泥材料本身既不能反射也不能吸收電磁波，但摻入功能性組分后，可使水泥基材料具有屏蔽電磁波的功能。電磁波屏蔽水泥基復(fù)合材料大都是通過(guò)吸收電磁波來(lái)實(shí)現(xiàn)屏蔽功能的。一般是通過(guò)摻加導(dǎo)電粉末、導(dǎo)電纖維或?qū)щ娦跗?，使水泥基?fù)合材料具有吸收電磁波的功能。3、屏蔽磁場(chǎng)混凝土在混凝土中加入鋼絲網(wǎng)的方法，可以使混凝土具有屏蔽磁場(chǎng)的功能。鋼絲網(wǎng)可以有效屏蔽磁場(chǎng)，但卻嚴(yán)重影響了混凝土的施工。在混凝土中摻加足夠的鋼質(zhì)曲別針也可使混凝土有良好的屏蔽磁場(chǎng)作用。FRC及其以外的水泥基材料的應(yīng)用功能型智能型

摻入配制好的新型智能化混凝土的特殊組分，它將賦予混凝土調(diào)溫、調(diào)濕、自動(dòng)變色、損傷報(bào)警等功能。1、交通導(dǎo)航混凝土在混凝土中摻入直徑為0.1μm的碳纖維微絲可使混凝土具有反射電磁波的性能。這種技術(shù)被廣泛用于橋梁的導(dǎo)航。碳纖維的摻入量一般在0.5%左右。2、損傷自診斷混凝土在一些重要的建筑物上，常常設(shè)置各種傳感器對(duì)構(gòu)件的變形、斷裂進(jìn)行監(jiān)控。一種新的監(jiān)控方法是利用混凝土本身成為傳感器。因而，可以使監(jiān)控更廉價(jià)，更易于實(shí)施，更耐久。具體做法：將一定形狀、尺寸和摻量的短切碳纖維摻入水泥基材料中，可以使材料