纤维在水泥基材料中的应用与发展

张 亚 蕾

(青海大学,青海 西宁 810000)

1 基本概况

1.1 水泥基材料

水泥基材料是指以水泥为基础，添加其他组分而形成的材料，最典型的代表是混凝土和砂浆，通常都是就地取材，因为有着生产方便，来源广泛，价格低廉，并且抗压强度较高诸多优点而在建筑业备受青睐。然其抗拉、抗弯能力较弱，易开裂，由此又导致抗渗性能的下降。但是随着社会及经济的发展，对建筑技术提出了更高的要求：大跨度等建筑形式日益增多；在恶劣环境下的建筑也不断增加；人口的增多对建筑数量的需求也在增大，因此传统材料的弊端迫切需要被改善。通过添加纤维，在保持原水泥基材料抗压强度高的同时，提高其抗拉性能及韧性，不失为一种环保又经济的改进方法。

1.2 纤维

纤维由纤细的丝状物组成，有植物、动物、矿物纤维多种类型，广泛应用于纺织、建筑等方面。应用于建筑行业的天然纤维多是植物纤维，取自植物的韧皮或者植物叶上，可得到亚麻、黄麻等多种类型。后来又发展出钢纤维、碳纤维等新型人造纤维。但是掺在水泥基中的纤维含量并不是越多越好，而是有一定的适宜范围，掺量在该范围以内可以达到最好的力学性能。

2 分类

不同的环境对建筑材料提出了不同的要求，由此不同种类的纤维应运而生[1]，主要分为天然的和人造的两类，对常用的几种类型做如下介绍。

2.1 植物纤维

植物纤维作为厚壁组织,由于主要用来做纺织品而与人类生活的关系极为密切，但此外还可以用作水泥、混凝土、建筑板材的添加材料，具有天然、环保、高韧性的特点。随着绿色建筑理念的提出，以及大众环保意识的增强，对建筑材料也提出了更高的要求，绿色建材的应用日渐增多。植物纤维因其具有环保、经济而在建筑业逐渐发展。

2.2 玻璃纤维

玻璃纤维是属于无机非金属材料，由石英砂等为原料经熔制、拉丝等工艺制造成的，单丝直径非常小，以微米为单位计量。它的绝缘性较好，并且可以耐高温以及腐蚀性物质，而且具有较高的强度。但玻璃纤维脆性相对较强，易折断，耐磨性较差，使用过程中容易造成污染问题。

2.3 钢纤维

钢纤维一般由切削细钢丝或者剪切冷轧带钢等工艺制作而成，不同的工艺制作出的纤维性能不尽相同，它们的长径比一般为40～80之间。添加钢纤维的混凝土具更优越的的力学性能及耐久性，与普通混凝土相比，其抗压强度的提高幅度高至20%；弯拉强度可达原本的1.2倍～1.5倍；劈裂抗拉强度可达1.2倍～1.4倍；耐磨性能提高至1.4倍左右。但是钢纤维的制作成本偏高，且耐腐蚀性能有待提高，尤其是在滨海地区，另外纤维与混凝土之间的粘结力主要由摩擦力提供，单一条状的纤维粘结性能不是很好，这一点可以通过弯曲纤维和制造粗糙表面改善。

2.4 碳纤维

是一种微晶石墨材料，具有很高的强度和模量。它的制作工艺是将有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，如片状石墨微晶等，而后经碳化及石墨化处理得到。碳纤维的质量很轻，但强度却很高，并且具有耐腐蚀能力强的特性。由于碳纤维的含碳量高达95%，因此它具有碳材料的固有本征特性，同时又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维，杨氏模量是玻璃纤维的3倍多。但是直至2018年，中国才研发出T1000生产线。因此在目前的生产能力之下，碳纤维的价格很高昂。

2.5 复合纤维

单一种类的纤维往往只能改善某一方面的性能，因此很多情况下满足不了现代建筑的要求，故多纤维的复合应运而生。多纤维的互补使水泥基材料的力学性能得到了多方面的提高。

3 优势

3.1 增大抗拉强度

纤维增强水泥基相较于普通水泥基，拥有着较强的抗拉性能，同时延性也到了极大的提升，研究表明，通过四点弯曲以及单轴拉伸试验材料极限拉应变在2%左右，极限拉应力在10.56 MPa～14.7 MPa范围内。

3.2 提高抗裂能力

研究表明，未添加纤维的水泥基材料脆性明显，抗裂能力较差，试验试件在承受轴向拉力时会有应变硬化现象产生，并且伴随着多裂缝的开展，但添加植物纤维的试件的破坏形式是剥落式的，且破坏后仍能保持较好的应力水平[2]。纤维的加入限制了裂缝发展的可能性，也阻碍了新裂缝的发生，亦即减少了裂缝的数量[3]。

4 前景展望

纤维对提高水泥基材料的力学性能起着重要作用，尤其是植物纤维天然、绿色的特点正是迎合了如今生态环保的理念，是绿色建材的典型代表。纤维增强水泥基也使建筑行业得到了很大进步，随着更先进的建筑模式被提出，这种材料将不断的发展完善[4]。