纤维增强水泥基复合东纶科技材料的分类研究

  水泥作为一种传统建筑材料,随着时代的发展,在一些特殊的建筑工程中会对其性能提出更高的要求,诸如导电功能、压敏功能、电磁屏蔽功能等。通过在水泥中加入各种纤维材料是制造水泥基功能复合材料的重要途径之一。将不同的纤维混杂改性同一种基体材料,不仅可保留单一纤维复合材料的优点,而且可以取长补短,匹配协调,使其某些性能明显优于用简单混合法则所估计的数值,即产生所谓的“混杂效应”。将碳/钢混杂纤维用于改性水泥基材料,研究单一纤维水泥基复合材料和碳/钢混杂纤维水泥基复合材料的性能,并进行了分析对比。

  PVA纤维是指聚乙烯醇纤维,也称之为维纶。以PVA为主要原料,运用新型纺丝工业开发制成的高强高弹模PVA纤维和水溶性PVA纤维,通常称为新型PVA纤维。日本用高新纺丝技术成功开发了高强PVA,强度达到21.1Cn/dtex,2000年总产达2.5万吨;日本公司开发的K—II高强高弹模PVA纤维强度达到22cN/dtex,这次所开发的PVA纤维与从前的水泥增强材料,在性质方面不同,不只增加强度,而且对混凝土还具有粘接性,使得耐震性和耐冲击性提高,混凝土的断裂和片状剥落现象这些弱点也难以发生。而且,具有防止水向混凝土内的浸入性质,防止混凝土中性化,对防止钢筋的腐蚀也有很大效果。

  摘要:纤维增强水泥基复合材料因应用广泛而备受关注,本文对纤维水泥基复合材料进行了分类介绍,并进行了简要的评述。

  纤维增强水泥基复合材料是由水泥净浆、砂浆或水泥混凝土作基材,以非连续的短纤维或连续的长纤维作增强材料组合而成的一种复合材料。近年来,使用价格相对低廉的天然植物纤维的研究和应用愈来愈受到世界各国特别是发展中国家的重视。研究开发植物纤维增强水泥基复合材料不仅能够降低造价,而且有利于环保和可持续发展,具有深远的意义。

  玻璃纤维增强水泥基复合材料是新型建筑材料的主要研究方向之一。掺加玻璃纤维可以改善和提高水泥基体抗折强度及抗冲击性能差,但在实际应用中,复合材料的表面往往会出现开裂、渗水、胀溶、脱落等现象。原因是水泥体系含有较多的自由水,当掺加一定量的玻璃纤维后,玻璃纤维与水泥基体之间形成界面结合,导致制品的密实度较差,水分容易渗透到复合材料的内部,并且反复改变方向进行迁移,导致复合材料的耐水性能较差。同时,渗进复合材料内部微裂纹中的水分子薄膜所形成的契压力产生的破坏作用,也是导致其耐水性能差的原因。

  合成纤维成本不高,结构和性能可变度大,具有较高的性价比,20世纪80年代以来,在国外已得到了广泛的研究和应用。在国内,合成纤维增强水泥基复合材料技术开发也有一定的发展,上海市建筑科学研究院与上海市合成纤维研究所及上海石油化工公司共同合作,研究并成功地开发了能有效控制非结构裂缝的合成纤维混凝土,经上海东方明珠电视塔、地铁1号线万人体育场等重大工程的实际应用,都取得了满意的效果。

  碳纤维对水泥基复合材料电磁屏蔽性能也有较大影响,掺有短切碳纤维(CF)的水泥基复合材料的电磁屏蔽性能进行了实验研究。结果表明:碳纤维水泥基复合材料在频率为9KHz～1.5GHz范围内具有良好的屏蔽效果。屏蔽水泥基复合材料由于在建筑结构上的便利性,将来在军事和民用领域展现出良好的应用前景。

  为了提高玻璃纤维增强水泥基复合材料的耐水性能,必须从复合材料的微观结构入手,改变内部表面的孔洞、孔隙、毛细孔结构,使其表面由亲水表面变成憎水表面,以阻止水分的入侵。可以通过采用添加外加剂和聚合物乳液,对玻璃纤维水泥基复合材料进行改性。

  碳纤维导电混凝土用于路面化雪除冰,这一方法消除了传统的撒盐法给混凝土路面结构和环境带来的许多负面效应,有极大的经济效益和环境效益,应用前景广阔。

  目前用于增强水泥基复合材料的合成纤维有:聚酯类纤维、聚酰胺类纤维（尼龙）、聚乙烯类纤维、聚丙烯纤维等。

  使用天然植物纤维作为水泥增强材料始于20世纪初期,当时是用它制成木浆纤维来代替石棉以生产纤维水泥板。进入20世纪80年代以来,资源短缺,能源匮乏,生态环境恶化等诸多问题的出现使得人们对天然植物纤维这类可再生、无污染材料产生极大兴趣和关注,由此就提出了环境协调材料的概念。世界各国尤其一些发展中国家也由此开始热衷于研究和开发使用天然植物纤维作水泥砂浆的增强材料,以探索用植物纤维增强水泥来制作廉价的建房材料。

  传统水泥基材料掺加碳纤维、钢纤维、石墨等导电组分后,将具有导电性和多功能性（包括焦耳效应、热电效应、压敏性和力敏性等）,可望在未来智能建筑、健康监测和防灾减灾等多领域广泛应用。目前,虽然国内外对导电水泥基材料首选的添加组分是碳纤维,但是碳纤维在水泥基中的分散效果不甚理想,导致了其电学性能不稳定,直接影响了此类材料的应用。石墨导电水泥基复合材料的制备不存在分散性问题,但是为了获得稳定的导电性,必须加入一定数量的石墨。

  采用聚丙烯酸酯乳液、苯乙烯2丙烯酸共聚乳液、聚乙烯醇缩甲醛水溶液对钢纤维增强水泥基复合材料进行改性,发现聚合物提高了复合材料的宏观性能如抗弯强度、韧性、纤维与水泥基体界面粘结强度。红外光谱分析表明,聚合物加入后其活性官能团与水泥或集料间发生化学健合,DSC放热曲线表明,加入聚合物后混合物的放热峰值提高,验证了红外光谱的结果。通过聚合物与水泥石之间的化学键合强化了钢纤维与水泥基体间界面,形成强度、韧性很好的具有互穿网络的钢纤维增强水泥基复合材料。

  它与玻璃纤维和石棉相比具有以下优点:(1)使用温度范围更宽（-260～982℃）比玻璃纤维吸湿性低6～8倍;(2)拉伸强度更高;(3)弹性更高;(4)耐碱和酸;(5)介电性能更好;(6)耐辐射和紫外线)对健康和环境无害;(8)玄武岩纤维生产原料来源十分广泛且价格低廉。

  玄武岩纤维是以纯天然玄武岩矿石为原料,将矿石破碎后放入池窑中,经1450～1500℃的高温熔融后,通过喷丝板拉伸成连续纤维。由于玄武岩熔化过程中没有硼和其他碱金属氧化物排出,使玄武岩连续纤维的制造过程对环境无害,无工业垃圾,不向大气排放有害气体,因此玄武岩纤维是一种新型的环保纤维。它被称为“岩石之丝”,100%由矿物组成,制造时不添加其他成分。

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