环保纤维增强水泥基复合材料

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1、环保纤维增强水泥基复合材料的研究进展李淼林(淮南市安徽理工大学安徽淮南232001)摘要:普通水泥的韧性和抗冲击性都较差，易发生脆性破坏；而环保纤维在提高混凝土结构安全性的同时,具有环保、节能、利废、可降解再生等特性。本文介绍了环保纤维的分类，分析了环保纤维增强水泥基复合材料的特点，总结了环保纤维在水泥基材料中应用、研究的进展。关键词：水泥基复合材料；环保纤维；环保；性能1引言随着我国改革开放步伐的加快，人民生活水平日益提高，这就使得人们对自己的居住环境的要求越来越高，对建筑工程的要求日益增强。水泥是重要的建筑材料，用水泥制成的砂浆或混凝土，坚固耐久，广泛应用于土

2、木建筑、水利、国防等工程。但水泥制品的破坏也很严重，这主要是由于水泥制品易受荷载和环境影响产生微裂纹及微裂纹的扩展而造成的。水泥制品的不密实使水和其它可溶物质的渗透加速了破坏的进程。改善水泥制品的质量，阻止裂纹的发展变化尤为值得关注。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台材料[1]。纤维在其中起着阻止水泥基体中微裂纹的扩展和跨越裂纹承受拉应力的作用，因而使复合材料的抗拉与抗折强度以及断裂能较未增强的水泥基体有明显的提高。20世纪60年代中期起，钢纤维增强混凝士在土木工程中获得日益广泛的

3、应用，在研究其增强机理时，人们发现了纤维与混凝土之间的密切关系，纤维增强混凝土的研究蓬勃开展起来。经过四十多年的发展，钢纤维等增强混凝土的技术已应用得比较成熟，然而钢筋的锈蚀是影响混凝土结构耐久性的主要原因，钢纤维在裂缝处容易发生锈蚀问题，特别是在被污染的地方，已经成为一个很棘手的问题，并且钢纤维的造价也相对昂贵也不利于环保。近年来，使用价格相对低廉的环保纤维来增强水泥基复合材料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[2]。未来，纤维增强水泥基复合材料的发展方向之一是实现纤维材料的绿色化，这是保护生态环境、实现建材行业可持续发展的客观要求。2环保纤维

4、的分类环保纤维是指以天然可再生物质或工业废弃物为原料，生产过程无污染，可自然降解为无污染的能在自然界中再次循环利用的小分子产物的纤维。其本质特征为：节约资源和能源，减少环境负荷，为人类构造健康、舒适的居住环境，实现人与自然的协调共生。就目前的研究而言，用于增强水泥基复合材料的环保纤维具体可分为三类:①天然有机纤维：是指天然生长的植物纤维，其种类繁多，具体分类方法亦不尽相同。②天然矿物纤维：是指以天然矿石为原料，经一定工艺制成的，具有一定强度、特定性能、在自然环境中易于降解的纤维，如连续玄武岩纤维、海泡石纤维等。③废弃物加工制成的纤维：是指将废弃物回收，经一定工序制

5、得的纤维，如废纸纤维、废轮胎纤维等。3环保纤维增强水泥基复合材料的增强机理普通水泥基材料具有较高的抗压强度，但抗拉强度低，且在凝结、硬化过程中收缩较大，易产生微裂纹。环保纤维与水泥基材料进行复合，一方面可以起到增强、增韧和阻裂的作用；另一方面，绿色纤维替代传统的有机纤维和无机纤维，可以减少资源、能源消耗，保护生态环境，提高复合材料的可再生利用效率。（1）保证或提高水泥基材的抗拉强度。水泥基材料加入纤维后，可使其抗拉强度有所提高。在受荷载初期，水泥基体是主要的外力承载体；当基体发生开裂后，横跨于裂缝两端的纤维就成为外力的主要承受者，当纤维体积掺量超过某一临界值，复合

6、材料可继续承受较高的荷载并产生较大的变形，直至纤维被拉断或从基体中拔出，从而提高负荷材料的强度。（2）限制水泥基材的开裂。水泥基体由于化学反应及外部环境作用产生自生收缩、塑性收缩与干燥收缩，致使其内部存在着不同尺度、不同形状的孔隙和微裂纹。在外力作用下，微裂纹处应力集中，引起开裂和裂缝扩展。然而，一定数量的纤维与水泥基体复合后，纤维以三维乱向均匀分散于水泥基材中，跨过裂缝的纤维会将荷载传递给裂缝的上、下表面，使裂缝处的材料继续承受荷载，应力集中会逐渐减少或消失，从而限制水泥基体裂缝的产生，并且使复合材料的抗渗、抗冻等性能较之基材有显著的提高。（3）提高水泥基材的变

7、形能力。纤维增强水泥基复合材料在受弯变形时，即使基材中已出现大量的分散裂缝，仍可继续承受一定的外荷载并具有假延性，从而使复合材料的韧性与抗冲击性得以明显提高。（4）适应循环经济和建材可持续发展的要求。天然有机植物纤维可再生，天然矿物纤维可循环利用，因此，环保纤维不仅原料来源广泛，而且生产过程中不产生废弃物，不破坏环境，使用后可分解或被循环利用。绿色纤维增强水泥基复合材料在满足力学要求前提下，扩大了绿色纤维的使用范围，减少了传统化学纤维的使用量，从而间接节省资源、能源，保护生态环境。因此，绿色纤维增强水泥基复合材料满足循环经济的三R原则(减量化Reduce、再使用R

8、euse、