纤维增强水泥基复合材料的性能试验研究

纤维增强水泥基复合材料的性能试验研究

皇甫鹏飞

山西建投建筑产业有限公司  山西省晋中市 030600

摘要：最冷月平均温度≤-10℃或日平均温度≤5℃的天数≥145d的严寒地区在我国分布较广，这些寒冷地区的建筑施工问题一直是亟待解决的技术难题,这主要是因为目前国内建筑体系多采用混凝土结构，而寒冷环境下的混凝土施工需要克服混凝土缓凝以及冻胀破坏等问题,这些问题的存在给严寒地区的混凝土的材质和施工工艺提出了更高的要求。目前，碳纤维增强水泥基复合材料在混凝土建筑结构中应用较为广泛，而这种复合材料在严寒地区的冻融循环作用下的性能变化规律仍不完全清楚。本文采用干压成型法制备了碳纤维增强水泥基复合材料，研究了不同冻融循环次数下水泥基复合材料的显微形貌、孔隙率、抗压强度和热电性能，该试验成果已初步探明水泥基复合材料冻融循环作用对其性能影响的变化规律，并将利用这些变化规律解决严寒地区施工技术难题。

关键词：纤维增强水泥基；复合材料；性能试验；措施

1纤维水泥基复合材料的相关概念

1.1纤维水泥基复合材料

纤维水泥基复合材料就是指以水泥砂浆、水泥浆或混凝土为粘结剂，以间歇短纤维或连续长纤维为增强材料的水泥基复合材料。在水泥砂浆中加进去一定量的纤维不仅能够提升混凝土的刚度和韧性，同时对于水泥基复合材料的抗拉强度、抗弯强度和韧性也有一定的帮助，此外还能够有效抑制裂纹扩展，提高非成形材料的流动性，是改善其性能的最有效途径。

1.2纤维掺入水泥基复合材料的作用

将纤维掺入水泥基复合材料具备以下三种作用：1.能够有效地增加水泥的基体的应力，促使水泥基体可以承受更大的外部压力。2.在一定程度上能够对水泥基体韧性和冲击强度有所帮助，纤维基质的改善比水泥基体韧性的改善效果更加明显。3.它可以有效地阻止裂纹的扩展或改变裂纹的方向，减小裂纹的宽度和平均裂缝面积。

1.3碳纤维水泥基复合材料

碳纤维水泥基复合材料是将碳纤维材料合金化成水泥基复合材料而制成的复合材料，具有抗裂、耐腐蚀、抗静电、耐磨、重量轻等优点。碳纤维材料对水泥基复合材料的改善主要是由于其优异的力学性能和两种材料的协同作用，以提高其整体力学性能。碳纤维材料与水泥基复合材料的物理、力学和各种物理化学性能差异很大，特别是对于水泥基复合材料，由于水泥浆体-集料界面过渡区等原因，导致材料表面粘结强度低，从而使得界面分层破坏，碳纤维材料的加入显著改善了这种情况。碳纤维材料改性水泥基复合材料具有优异的耐压、抗拉强度和抗冲击性能，这也使得碳纤维水泥基复合材料在许多方面的应用效果良好。

2不同纤维的增强效应

纤维加入水泥基复合材料中，能够改变复合材料的内部结构，弥补材料的内部缺陷，使得材料更加紧密结实，提高了材料的抗拉强度。材料内部早期裂纹的产生和扩展过程遇到纤维会得到减缓，避免了裂纹连通形成易破坏的贯穿裂缝，从而提高了复合材料的抗渗性。纤维在水泥基质中呈离散式分布。

钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等传统纤维一般通过工业化方法来制作。

钢纤维是最早应用在水泥基复合材料当中的纤维，可以通过喷射方式或上下层布式加入水泥基中。钢纤维混凝土在建筑结构中常常担任承重结构材料的角色。钢纤维增强水泥基复合材料有着优异的力学性能，也有着较长的研究历史，但成本较高，因此在实际应用中存在一定的局限性。

碳纤维是一种强度和弹性模量都很好的高性能纤维，与水泥基质的粘结性能优秀，且化学性质稳定。但是，由于碳纤维的相关研究难度较大，目前国内在碳纤维研究领域还不够成熟，暂未达到国际先进水平。此外，价格昂贵是碳纤维难以推广的主要原因。

玻璃纤维是将玻璃溶液排出气泡后高速拉制成的长丝，性能十分优异。玻璃纤维混凝土在建筑结构中主要用作结构加固材料。因具有质量轻、耐腐蚀、绝缘等特点，它可用于化学品运输和军事等领域。然而，玻璃纤维会污染环境，与当代社会发展要求严重不符，从而制约着玻璃纤维的发展与应用。

21世纪，环境问题引起国际社会的高度重视，各国都开始重视资源的回收与再利用，可持续发展观念也已经深入人心。在这样的时代背景下，纤维增强水泥基复合材料技术迎来了新的发展。植物纤维、可再生纤维、聚合物纤维等新式纤维摆脱了传统纤维制作过程中污染环境、成本高昂等缺点，符合当代社会绿色发展的要求，成为未来工程材料的研究热点。

3试验材料与方法

试验原料包括广州卡本复合材料有限公司提供的T800型碳纤维、郑州盾泥建材有限公司提供的硫铝酸盐水泥。

在JJ-5型行星式胶砂搅拌机中对碳纤维进行预分散处理，在WZH-XQM-4型行星式球磨机中对硫铝酸盐水泥进行球磨，然后在S1110型碾轮式混砂机中将一定比例的碳纤维和水泥按照比例充分混合，在加压成型机上进行成型，试件尺寸为15mm×15mm×40mm;成型后的水泥基复合材料试件进行85%水蒸气环境下的预养护处理，时间为1d;预氧化处理后进一步浸泡在室温水中，保持3d后取出进行表面处理，待去除表面水化层后取部分试样进行上电极处理(距离试件10mm位置处连接导线)。

为了模拟严寒地区纤维水泥基复合材料的实际工况，将水泥基复合材料试样用锡纸包裹后，置于低温环境中进行循环冻融处理，低温温度为-30℃、保温0.5h后取出，置于室温下放置5min,待试样到达室温后，转移至温度为95℃环境中保温0.5h,结束后再转移至室温环境，待试样达到室温后完成一个冻融循环。依此分别对水泥基复合材料进行10次、20次、30次、40次和50次的冻融循环处理。

采用SU8010型扫描电镜对水泥基复合材料的微观形貌进行观察；孔隙率测试采用阿基米德法进行;水泥基复合材料的抗压强度测试采用MWD-10B型抗压试验机进行，加压速率为1MPa/s。将水泥基复合材料固定在自制的热电测量装置中加热至设定温度，采用DDS-11A型数显电导率测试仪测试电导率，并结合电动势和温差结果，计算水泥基复合材料的seebeck系数。

4试验结果与分析

当冻融循环次数为0时，水泥基复合材料的内部较为密实，微裂纹数量较少且裂纹较短；当对水泥基复合材料进行10次冻融循环处理后，可见水泥基复合材料中碳纤维与水泥结合紧密，局部被拉出的碳纤维表面还粘附有水泥；继续增加冻融循环次数至20次时，水泥基复合材料中出现了明显的裂纹，且裂纹宽而长；在冻融循环次数增加至30次、40次和50次时，水泥基复合材料中都可见明显微裂纹存在，水泥基复合材料中微裂纹数量逐渐增多、裂纹长度和宽度增加，但是碳纤维与水泥基体间的结合仍然较为紧密。

当未进行冻融处理时，水泥基复合材料的抗压强度约为52.6MPa;当对水泥基复合材料进行冻融循环处理后，水泥基复合材料的抗压强度都低于未进行冻融处理的试样，且随着冻融循环次数增加，水泥基复合材料的抗压强度呈现逐渐减小的趋势。这主要是因为随着冻融循环次数增加，水泥基复合材料内部微裂纹数量增多、微裂纹长度和宽度增大，相应的抗压强度会减小。

结论

随着冻融循环次数增加，水泥基复合材料中微裂纹数量逐渐增多、裂纹长度和宽度增加，但是碳纤维与水泥基体间的结合仍然较为紧密。当对水泥基复合材料进行冻融循环处理后，水泥基复合材料的孔隙率都高于未进行冻融处理的试样、抗压强度都低于未进行冻融处理的试样，且随着冻融循环次数增加，水泥基复合材料的孔隙率逐渐增大，抗压强度呈现减小趋势。

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