張 亞 蕾

(青海大學(xué),青海 西寧 810000)

1 基本概況

1.1 水泥基材料

水泥基材料是指以水泥為基礎(chǔ)，添加其他組分而形成的材料，最典型的代表是混凝土和砂漿，通常都是就地取材，因?yàn)橛兄a(chǎn)方便，來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，并且抗壓強(qiáng)度較高諸多優(yōu)點(diǎn)而在建筑業(yè)備受青睞。然其抗拉、抗彎能力較弱，易開裂，由此又導(dǎo)致抗?jié)B性能的下降。但是隨著社會(huì)及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)建筑技術(shù)提出了更高的要求：大跨度等建筑形式日益增多；在惡劣環(huán)境下的建筑也不斷增加；人口的增多對(duì)建筑數(shù)量的需求也在增大，因此傳統(tǒng)材料的弊端迫切需要被改善。通過(guò)添加纖維，在保持原水泥基材料抗壓強(qiáng)度高的同時(shí)，提高其抗拉性能及韌性，不失為一種環(huán)保又經(jīng)濟(jì)的改進(jìn)方法。

1.2 纖維

纖維由纖細(xì)的絲狀物組成，有植物、動(dòng)物、礦物纖維多種類型，廣泛應(yīng)用于紡織、建筑等方面。應(yīng)用于建筑行業(yè)的天然纖維多是植物纖維，取自植物的韌皮或者植物葉上，可得到亞麻、黃麻等多種類型。后來(lái)又發(fā)展出鋼纖維、碳纖維等新型人造纖維。但是摻在水泥基中的纖維含量并不是越多越好，而是有一定的適宜范圍，摻量在該范圍以內(nèi)可以達(dá)到最好的力學(xué)性能。

2 分類

不同的環(huán)境對(duì)建筑材料提出了不同的要求，由此不同種類的纖維應(yīng)運(yùn)而生[1]，主要分為天然的和人造的兩類，對(duì)常用的幾種類型做如下介紹。

2.1 植物纖維

植物纖維作為厚壁組織,由于主要用來(lái)做紡織品而與人類生活的關(guān)系極為密切，但此外還可以用作水泥、混凝土、建筑板材的添加材料，具有天然、環(huán)保、高韌性的特點(diǎn)。隨著綠色建筑理念的提出，以及大眾環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)建筑材料也提出了更高的要求，綠色建材的應(yīng)用日漸增多。植物纖維因其具有環(huán)保、經(jīng)濟(jì)而在建筑業(yè)逐漸發(fā)展。

2.2 玻璃纖維

玻璃纖維是屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，由石英砂等為原料經(jīng)熔制、拉絲等工藝制造成的，單絲直徑非常小，以微米為單位計(jì)量。它的絕緣性較好，并且可以耐高溫以及腐蝕性物質(zhì)，而且具有較高的強(qiáng)度。但玻璃纖維脆性相對(duì)較強(qiáng)，易折斷，耐磨性較差，使用過(guò)程中容易造成污染問(wèn)題。

2.3 鋼纖維

鋼纖維一般由切削細(xì)鋼絲或者剪切冷軋帶鋼等工藝制作而成，不同的工藝制作出的纖維性能不盡相同，它們的長(zhǎng)徑比一般為40～80之間。添加鋼纖維的混凝土具更優(yōu)越的的力學(xué)性能及耐久性，與普通混凝土相比，其抗壓強(qiáng)度的提高幅度高至20%；彎拉強(qiáng)度可達(dá)原本的1.2倍～1.5倍；劈裂抗拉強(qiáng)度可達(dá)1.2倍～1.4倍；耐磨性能提高至1.4倍左右。但是鋼纖維的制作成本偏高，且耐腐蝕性能有待提高，尤其是在濱海地區(qū)，另外纖維與混凝土之間的粘結(jié)力主要由摩擦力提供，單一條狀的纖維粘結(jié)性能不是很好，這一點(diǎn)可以通過(guò)彎曲纖維和制造粗糙表面改善。

2.4 碳纖維

是一種微晶石墨材料，具有很高的強(qiáng)度和模量。它的制作工藝是將有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，如片狀石墨微晶等，而后經(jīng)碳化及石墨化處理得到。碳纖維的質(zhì)量很輕，但強(qiáng)度卻很高，并且具有耐腐蝕能力強(qiáng)的特性。由于碳纖維的含碳量高達(dá)95%，因此它具有碳材料的固有本征特性，同時(shí)又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維，楊氏模量是玻璃纖維的3倍多。但是直至2018年，中國(guó)才研發(fā)出T1000生產(chǎn)線。因此在目前的生產(chǎn)能力之下，碳纖維的價(jià)格很高昂。

2.5 復(fù)合纖維

單一種類的纖維往往只能改善某一方面的性能，因此很多情況下滿足不了現(xiàn)代建筑的要求，故多纖維的復(fù)合應(yīng)運(yùn)而生。多纖維的互補(bǔ)使水泥基材料的力學(xué)性能得到了多方面的提高。

3 優(yōu)勢(shì)

3.1 增大抗拉強(qiáng)度

纖維增強(qiáng)水泥基相較于普通水泥基，擁有著較強(qiáng)的抗拉性能，同時(shí)延性也到了極大的提升，研究表明，通過(guò)四點(diǎn)彎曲以及單軸拉伸試驗(yàn)材料極限拉應(yīng)變?cè)?%左右，極限拉應(yīng)力在10.56 MPa～14.7 MPa范圍內(nèi)。

3.2 提高抗裂能力

研究表明，未添加纖維的水泥基材料脆性明顯，抗裂能力較差，試驗(yàn)試件在承受軸向拉力時(shí)會(huì)有應(yīng)變硬化現(xiàn)象產(chǎn)生，并且伴隨著多裂縫的開展，但添加植物纖維的試件的破壞形式是剝落式的，且破壞后仍能保持較好的應(yīng)力水平[2]。纖維的加入限制了裂縫發(fā)展的可能性，也阻礙了新裂縫的發(fā)生，亦即減少了裂縫的數(shù)量[3]。

4 前景展望

纖維對(duì)提高水泥基材料的力學(xué)性能起著重要作用，尤其是植物纖維天然、綠色的特點(diǎn)正是迎合了如今生態(tài)環(huán)保的理念，是綠色建材的典型代表。纖維增強(qiáng)水泥基也使建筑行業(yè)得到了很大進(jìn)步，隨著更先進(jìn)的建筑模式被提出，這種材料將不斷的發(fā)展完善[4]。