第三章纤维增强水泥基复合材料

第36卷第10期 娃 酸盐 通 报Vol.36 No.10 2017 年 10 月________________BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY_________________October,2017纤维增强水泥基复合材料的研究进展关国英\赵文杰2(1.吉林建筑大学材料科学与工程学院，长春13〇118;2.长春工业大学化学工程学院，长春130012)摘要:综述了纤维增强水泥基复合材料（f i b e r r e i n f o r c e d cem e n t i t i o u s composites，FRCC)目前在国内外的研究进展。

简要介绍了F R C C的概念及其基本性能，详细介绍了超高性能F R C C的国内外研究进展，重点介绍了 F R C C的纤维 间距、复合材料以及多重裂缝等理论的研究情况以及F R C C工程应用情况，在此基础上，提出了当前F R C C研究中 存在的问题和今后需要进一步研究的方向。

关键词:纤维；增强；水泥基；复合材料；机理中图分类号:TU529.41 文献标识码:A 文章编号:1001-1625 (2017)10-3342-05 Research Development of Fiber Reinforced Cementitious MaterialsGUAN Guo-ying1,ZHA0 Wen-jie2(1. School of Materials Science and Engineering, Jilin Jianzhu University,Changchun 130118 ,China；2. Institute of Chemical Engineering,Changchun University of Technology,Changchun 130012,China)Abstract：The current research progress of the fiber reinforced cementitious composites(FRCC)at home and abroad is summarized.The concept and the related properties of FRCC are introduced briefly.The research progress of ultra-high performance of FRCC are especially introduced domestic and overseas.The engineering application of FRCC and the current theoretical research of the theory of composite,fiber spacing theory and multiple fracture theory are recommended emphatically.On the basis of,the existing problems of researching FRCC are putted forward in the current and to come up with the direction for further study of FRCC in the future.Key words ：fiber；reinforced；cementitious；composite material；mechanism1引言在现代的建筑行业中，水泥基材料是一种应用范围广、用量大的建筑材料，它具有来源广泛、价格便宜、强度可控、及外形可塑等优点，但也存在抗裂性差、脆性大、抗拉强度低、极限延伸率小等不足之处。

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。

高延性纤维增强水泥基复合材料的微观力学设计、性能及发展趋势共3篇高延性纤维增强水泥基复合材料的微观力学设计、性能及发展趋势1高延性纤维增强水泥基复合材料是一种新型的建筑材料，具有很好的耐久性和机械性能，可以应用于广泛的领域，如道路、桥梁、建筑和水利工程等。

本文将从微观力学设计、性能和发展趋势三个方面探讨该复合材料的最新研究进展。

一、微观力学设计高延性纤维增强水泥基复合材料的性能与微观结构密切相关。

为了设计出高性能的材料，需要对其微观结构进行优化。

最近几年，研究者在这方面取得了很多进展。

他们运用多种方法，如有限元分析、半解析法和多尺度方法等，对该复合材料的微观结构进行了建模和分析。

他们发现，纤维的排布和分布、纤维的形状和尺寸以及水泥基材料的组成和结构等因素都会对复合材料的性能产生重要影响。

一个恰当设计的微观结构可以提高该复合材料的强度、韧性和耐久性等性能。

二、性能高延性纤维增强水泥基复合材料具有众多优良性能，体现在以下几个方面。

1.高强度：该复合材料的强度远高于普通混凝土，具有较好的承载能力，适用于桥梁、隧道等大型工程。

2.高延性：该复合材料的延性比普通混凝土更好，能够抵御灾害因素的冲击，增加工程的安全性。

3.优异的耐久性：该复合材料中纤维的存在，能够有效提高其抗裂性和耐久性，使其在复杂环境中更为稳固。

4.良好的耐磨性：由于该复合材料内部含有高强度纤维，能够有效提高其强度，使其在耐久性上更胜一筹。

5.优秀的耐久性：该复合材料能够抵御较强的冲击力，避免出现应力等问题，长久维持良好的表现。

三、发展趋势随着科技的不断进步，高延性纤维增强水泥基复合材料还有很大的发展空间。

研究人员需要从以下几个方面进行深入研究。

1.探究微观结构优化：通过优化微观结构，进一步提高该复合材料的性能。

2.强度与韧性的平衡：进一步平衡复合材料的强度与韧性，使其适用于各种场所。

3.新型纤维材料的运用：运用新型纤维材料，如碳纤维等，进一步提高复合材料的机械性能。

纤维增强水泥基复合材料性能研究综述作者：王菲来源：《科学与技术》 2018年第5期摘要：水泥混凝土在工程建设中应用广泛；纤维材料的掺入提高了水泥基材料的抗拉、抗裂、韧性和变形性能。

本文主要介绍了纤维增强水泥基复合材料；尤其是PVA 纤维、混杂纤维物理力学性能研究。

关键字：纤维增强水泥基；PVA 纤维；混杂纤维引言水泥是当代建设中应用较为广泛、用量较多的建筑材料。

但在实际的工程应用中，传统的水泥基材料表现出来的抗拉强度低、脆性大、易开裂、变形能力差等特点，限制水泥应用与发展。

伴随着新材料技术发展，纤维增强水泥基复合材料的概念被提出，在近50 年来得到较快的发展。

通过加入纤维材料提高水泥的抗拉、抗裂、韧性以及变形性能。

目前，较为常用的纤维材料是：碳纤维、玻璃纤维、PVA 纤维等。

1 纤维增强水泥基复合材料性能研究水泥为脆性材料，将纤维材料加入水泥中，不仅改善了水泥的抗拉等力学性能，并且改变其发生的破坏形态，提高延性，纤维的不同特性使纤维增强水泥基复合材料的性能表现出差异。

董岩[2]对于碳纤维增强水泥基材料的研究中，在水灰比一定的条件下，纤维掺量为0.6%时，水泥抗压强度提高了27%，在劈拉试验中，纤维掺量为0.8%时，抗拉强度增强30%，碳纤维的较强的韧性一方面抑制了水泥基裂缝的发展。

在王炜文[3]对于不用纤维增强水泥基复合材料力学性能的试验研究中，对于PVA 纤维、碳纤维、玄武岩纤维、PP纤维增强水泥基复合材料进行四点弯曲试验，得到的各项力学指标中，掺入碳纤维、玄武岩纤维的水泥材料极限荷载为PVA 纤维材料的1.5 倍，但其挠度、裂缝特点等延性特点较差，PVA、PP 纤维增强水泥基复合材料的极限荷载较低，但在破坏中呈现出了多点开裂的现象，裂缝数量较少，其中，PVA 纤维的最大裂缝宽度相对较小。

高延性纤维增强水泥基复合材料(EngineeredCementitious Composite,ECC)最早是在20世纪90 年代，由密歇根大学的Li[4]教授提出的。

高性能纤维增强水泥基复合材料国内研究现状发布时间：2022-06-22T05:17:37.187Z 来源：《建筑实践》2022年第4期（下）作者：秦玮琳1，卜新星2，[导读] 本文研究的纤维增强混凝土是聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，简称PV A）纤维增强水泥基复合材料，秦玮琳1，卜新星2，1 陕西同济土木建筑设计有限公司, 西安710055；2西安五和土木工程新材料有限公司, 西安710055；本文研究的纤维增强混凝土是聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，简称PV A）纤维增强水泥基复合材料，亦简称ECC（Engineering Fiber Reinforced Cementitious Composites）。

ECC采用了独特的结构和材料相结合的综合设计方法，是经系统设计，基于细观力学原理对水泥基复合材料中的纤维、基体以及二者的界面进行改善，以水泥浆或水泥砂浆为基体，以纤维为增强材料的一种高性能纤维增强水泥基复合材料。

近年来，国内的一些高校以及科研院所开始陆续对HPFRCC材料进行了探索性的试验研究。

2006年，中冶集团的建筑研究总院承担了科技部“高性能材料的开发及应用技术的研究”项目，开始对HPFRCC材料进行理论及试验研究。

通过借鉴国外先进的研究成果, 采用外掺REC15型PV A纤维来制备具有受拉应变硬化性能以及多缝开裂特性的HPFRCC，同时还对HPFRCC与普通混凝土的界面粘结性能进行了试验研究，分析评估了二者的界面粘结性能并对HPFRCC/FRP网格复合材料的力学性能进行了试验研究, 以分析其在抗震加固领域的应用前景。

为提高其性价比和降低能耗，东南大学孙伟院士所领导的课题组[1]，采用粒径为100μm的工业废弃物（尾矿）取代细磨石英砂，或用最大粒径为3000μm的天然砂取代粒径为100μm的细磨石英砂来制备ECC材料（表1.2）。

既利用了工业废料，又大大节约了能耗。

纤维增强型水泥基复合材料一、纤维增强型水泥基复合材料的概述纤维增强型水泥基复合材料是以水泥与水发生水化、硬化后形成的硬化水泥浆体作为基体，以不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。

普通混凝土是脆性材料，在受荷载之前内部已有大量微观裂缝，在不断增加的外力作用下，这些微裂缝会逐渐扩展，并最终形成宏观裂缝，导致材料破坏。

加入适量的纤维之后，纤维对微裂缝的扩展起阻止和抑制作用，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。

二、纤维增强型水泥基复合材料的力学性能在纤维增强水泥基复合材料中，纤维的主要作用在于阻止微裂缝的扩展，具体表现在提高复合材料的抗拉、抗裂、抗渗及抗冲击、抗冻性等。

• 2.1 抗拉强度•在水泥基复合材料受力过程中纤维与基体共同受力变形，纤维的牵连作用使基体裂而不断并能进一步承受载荷，可使水泥基材料的抗拉强度得到充分保证；当所用纤维的力学性能、几何尺寸与掺量等合适时，可使复合材料的抗拉强度有明显的提高。

• 2.2 抗裂性在水泥基复合材料新拌的初期，增强纤维就能构成一种网状承托体系，产生有效的二级加强效果，从而有效的减少材料的内分层和毛细腔的产生；在硬化过程中，当基体内出现第一条隐微裂缝并进一步发展时，如果纤维的拉出抵抗力大于出现第一条裂缝时的荷载，则纤维能承受更大的荷载，纤维的存在就阻止了隐微裂缝发展成宏观裂缝的可能。

• 2.3 抗渗性纤维作为增强材料，可以有效控制水泥基复合材料的早期干缩微裂以及离析裂纹的产生及发展，减少材料的收缩裂缝尤其是连通裂缝的产生。

另外，纤维起了承托骨料的作用，降低了材料表面的析水现象与集料的离析，有效地降低了材料中的孔隙率，避免了连通毛细孔的形成，提高了水泥基复合材料的抗渗性。

2.4 抗冲击及抗变形性能在纤维增强水泥基复合材料受拉（弯）时，即使基体中已出现大量的分散裂缝，由于增强纤维的存在，基体仍可承受一定的外荷并具有假延性，从而使材料的韧性与抗冲击性得以明显提高。

摘要应变硬化纤维增强水泥基复合材料是一种具有超高韧性的纤维增强水泥基复合材料，而ECC（Engineered cementitious composites）作为其中典型的高韧性代表，通过一定的材料配比和设计方法，该材料的极限抗拉应变3%以上。

国内对ECC的研究起步较晚但发展很快，目前大多数的研究主要集中于试验研究力和物力。

因此本文旨在从数值模拟的角度提出一种新的ECC材料的建模方法，利用有限元模型研究其各项力学性能并进行参数分析。

鉴于此，本文主要利用ABAQUS有限元软件，建立三维两相的细观有限元模型，考虑纤维和基体的界面相互作用，实现了对ECC材料有效的模拟，并研究主要参数对其力学性能的影响。

具体工作如下：(1)利用蒙特卡洛方法建立了纤维的随机投放过程，并用MATLAB编程语言研究了相应算法，实现了纤维横截面在二维空间中的随机投放、纤维纵截面在二维空间中的随机投放、三维实体纤维在三维空间中的随机分布、三维线性纤维在三维空间中随机投放，为建立有限元模型奠定基础。

(2)运用ABAQUS有限元模拟软件，纤维选用桁架单元，基体选用C3D8R 单元。

对于本构关系模型，基体采用塑性损伤模型，纤维本构采用基于纤维单丝拉拔荷载位移曲线提出的纤维-基体联合本构关系模型，并将纤维嵌入基体中，建立纤维和基体三维两相的有限元模型。

(3)利用建立的纤维基体两相三维有限元模型，模拟ECC材料的单轴压缩试验以及四点弯曲试验，通过与文献中试验进行对比，确认模型的有效性。

并改变纤维体积分数、基体开裂强度、初始滑动摩擦应力等参数进行参数分析。

对于抗压试验，ECC的抗压强度和纤维体积分数的关系不大，峰值应变变化并不明显，但ECC的受压破坏之后的韧性改善十分明显；对于四点弯曲试验，2%纤维体积掺量是理想的应变硬化现象产生的临界值，且随着纤维体积分数的不断增加，ECC的韧性会显著增加；降低基体开裂强度有助于ECC应变硬化能力τ与弯曲极限荷载呈正的提高，但会降低试件的峰值荷载；初始滑动摩擦应力比例关系，且对ECC弯曲韧性的影响并不是简单的线性关系，对于一定的纤维τ使得ECC的弯曲韧性最大。