第9章 纤维增强复合材料 董ppt课件.ppt

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1、1,第 九 章Chapter 9,纤维增强复合材料Fiber Reinforced Composites,2,无处不在的复合材料,土房-草增强泥基复合材料,钢筋混凝土建筑框架,玻璃钢撑杆,3,无处不在的复合材料,3,复合材料在航天领域中的应用,主货舱门-碳纤维/环氧树脂 压力容器-纤维/环氧树脂 主机隔框和翼梁-硼/铝复合材料,“哥伦比亚号”航天飞机,发动机的喷管-碳/碳复合材料 发动机组传力架-钛基复合材料 机身防热瓦-陶瓷基复合材料,4,无处不在的复合材料,“高性能炭/炭航空制动材料的制备技术”,4,国家技术发明一等奖（2004年）,黄伯云研制的飞机刹车片,应用于飞机可以减轻飞机重量300

2、公斤,机降落时，刹车片要承受巨大的摩擦力和上千度的高温，如果承受不住考验，就会机毁人亡。因此，对于制造刹车片的材料要求极高，由于我国不掌握这种材料的制备技术，每年国家为进口要花费数十亿元的外汇。,5,无处不在的复合材料,(1)机翼(2)垂直尾翼和水平尾翼(3)地板梁和后承压框(4)固定机翼前缘(5)机翼后缘处的襟翼,副翼(6)机身壁板,法国“空中客车”公司生产的A380双层四引擎大型客机，最大可载客量650人,6,6,复合材料在体育用品中的应用,7,玻璃纤维/环氧树脂,玻璃纤维环,碳纤维/环氧 树脂复合材料,轻质、高强、高弹性、较低成本、低密度及屈服强度,Pole-vaulting,复合材料在

3、撑杆上的应用,8,概 述,1.定义：复合材料指由两种或两种以上的组成、结构或形式、性能各异的材料，经宏观、物理复合而成的一种多相材料。,Composites Definition:A combination of two or more materials(reinforcement,resin,filler,etc.),differing in form or composition on a macroscale.The constituents retain their identities,i.e.,they do not dissolve or merge into each oth

4、er,although they act in concert.Normally,the components can be physically identified and exhibit an interface between each other.,9,必须由两种以上化学、物理性质不同的材料组合而成,必须是人造的，是人们根据需要设计制造的材料,通过各组分性能的互补可获得单一材料不能达到的综合性能,复合材料三个必要条件,1,2,3,10,10,复合材料的基本组成,reinforcement,也称基体材料，它是连续相，起胶结作用,也称增强材料，它是分散相，起增强作用，提高复合材料的强度和

5、体积稳定性等,11,复合材料的分类,按增强体类型分类,几何形状,纤维,颗粒,板状,粒径在0.010.1m或达到cm级的颗粒状材料，如混凝土、塑料等,长径比较大的纤维材料，如玻璃钢，纤维水泥复合材料等,连续纤维,短切纤维,12,复合材料的分类,无机基复合材料：水泥、陶瓷等有机基复合材料：合成树脂、合成橡胶等金属基复合材料：铁、钢、铝、钛等,按基体材料分类,13,复合材料的分类,单层复合材料：断面是匀质一致的，没有明显的层(界面)状结构多层复合材料：断面呈现明显的层界面，有夹层、叠层多种结构构造,按构造分类,14,单层纤维增强塑料屋面板（瓦）,15,16,蜂窝夹层复合板 这种板由两层面板和蜂窝芯板

6、构成。可制成不同规格的空心板。根据板的不同用途，空腔材料可选用：PC（聚碳酸脂）、PP（聚丙烯）。空腔直径：3.5mm-14mm,容重：55-400Kg/m3。其中常用的一种PP8.0-80蜂窝板其容重仅为80Kg/m3，具有轻质高强的特点。因此被广泛应用于火车箱体、汽车车身、飞机壳体、船舶、玻璃钢夹层、隔板、地板中。,17,蜂窝芯板结构,18,蜂窝夹层复合板,19,梯形板结构,20,复合材料的性能特点,性能的线性加和性，复合材料定律：Pc=a Pm+b Pr 式中：a、b为加和系数；Pc,Pm,Pr分别是复合材料,基体材料和增强材料的性能性能的不均一性：各向异性性能的可设计性强可根据需要，设

7、计材料的组织和结构性能的离散性较大,复合材料可以通过组成、结构与构造的设计，充分发挥各组分材料的优点，相互弥补各自的不足，因而赋予复合材料以最大的优势性能。这种优势的互补可以产生量与质的飞跃。如用水泥基材料与钢纤维复合可以制备性能超过金属的纤维水泥材料活性粉末混凝土，其抗压强度到达800MPa以上。,21,在土木工程中的应用,结构工程防腐工程给水排水工程与废水处理混凝土结构物修补加固,22,工程应用的优点Benefits in Construction,大尺寸的构件 Large Part Size 设计灵活性 Design Flexibility设计灵活性 Design Flexibility

8、定向强化 Orientated Strength比强度高 High Strength to Weight Ratio耐腐蚀 Corrosion Resistance特制的表面修饰 Tailored Surface Finish尺寸稳定 Dimensional Stability低热导率 Low Thermal Conductivity,23,性能优点Benefits in Performance,轻质 light weight 刚性 stiffness高强 strength 低导热 heat resistant 抗冲击 impact resistance 低电导率 electrical con

9、ductivity 耐磨 wear resistance 抗腐蚀 corrosion resistance 低成本 low cost,24,纤维增强复合材料的增强材,25,纤维复合材料中各组分的作用,纤维的作用细化、分解基体材料中的裂纹，减少了应力集中；通过桥连基体材料中的裂缝，阻止裂缝的扩展，提高抗拉强度和抗冲击性能。通过纤维的拔出功，赋予基体材料在高应力水平下的高断裂韧性和断裂能。基体材料的作用保护纤维表面，免受因磨耗或大气腐蚀引起的损伤；通过界面的粘结力和剪切力传递荷载给相邻纤维；分散和瓦解了纤维纵向裂纹，将荷载传递给相邻的纤维,26,纤 维,种类无机纤维：玻璃纤维、碳纤维等有机纤维：植

10、物纤维、芳纶纤维等金属纤维：碳钢纤维、不锈钢纤维等作用沿纤维的长度方向承受荷载；在一个方向（主荷载方向）上提供强度和刚度。,27,（1）玻璃纤维,玻璃纤维由处于1200C的高温熔融态玻璃经高速拉丝在5秒钟内冷却至室温而成纤维束。经铂金干埚地板上的丝空拉出的纤维束，用润滑剂进行表面处理，以改善纤维表面特性。,玻璃纤维的制造工艺流程图,28,拉 丝,29,生产玻璃纤维的玻璃种类,有四种玻璃可以用于制造玻璃纤维：E玻璃 低碱含量的普通玻璃，在建材领域用量最大的一类玻璃；AR玻璃 含有氧化锆（ZrO2）的抗碱玻璃，主要用于水泥基材料的增强纤维；S玻璃 超高强和超高弹模玻璃，主要用于航天航空领域M-玻璃

11、 高模量玻璃纤维。,30,国内玻璃纤维及其制品种类,最常用的玻璃纤维是无碱纤维和中碱纤维。中碱纤维几乎所有的性能都比无碱纤维差，但耐酸性较无碱纤维好，价格也较低。玻璃纤维制品主要有：纤维：短切纤维(L50mm)，连续纤维纱纤维布：无纺方格布、平纹布、纤维带等。纤维毡：连续毡、表面毡、针织毡、复合毡等,31,玻璃纤维制品,短切纤维,无纺布,连续纤维,玻纤毡,32,玻璃纤维毡,33,连续玻璃纤维纱锭,34,玻璃纤维无纺布,35,玻璃纤维性能特点,强度高 HIGH STRENGTH耐水性好 GOOD WATER RESISTANCE电绝缘性好 GOOD ELECTRIC INSULATING PRO

12、PERTIES刚度低 LOW STIFFNESS,36,（2）碳纤维,碳纤维是由有机高分子合成纤维经高温绝氧条件下碳化、转化而成的一种纤维。制造工艺：首先制造合成纤维，然后在400C下稳定，再在8001200C下碳化，最后在2000C以上的条件下石墨化（graphitization）。用于制造碳纤维的母体(precursors)纤维有：人造纤维素纤维（Rayon）经碳化后只有25的产率；比较贵；聚丙烯晴（Polyacrylonitrile)纤维 主要母体纤维，经碳化后可获得5055的产率，拉伸强度较高；沥青(煤焦油、石油沥青)基树脂(Pitch)纤维 成本最低，产率最高，但纤维质量和性能不均匀

13、。碳纤维型号：高强型（HT）、超高强型（UHT）、高模量弄（HM）、超高模量型（U HM）。,37,碳纤维纱锭,38,碳纤维的制造工艺流程,39,生产1kg碳纤维需要2kg的聚丙烯晴纤维,40,碳纤维的显微照片,41,碳纤维拉伸断裂端的显微照片,42,碳纤维的性能特点,耐高温，高温下弹性模量高 GOOD MODULUS AT HIGH TEMPERATURES刚度很好 EXCELLENT STIFFNESS热膨胀比玻璃纤维大 MORE EXPENSIVE THAN GLASS脆性较大 BRITTLE电绝缘性低 LOW ELECTRIC INSULATING PROPERTIES,43,（3）芳

14、纶纤维,芳纶纤维是由芳香聚酰胺树脂制成的合成高分子纤维，最早于1972年由美国杜邦公司发明。由挤拉和拔丝工艺成型，将5080 C的树脂溶液挤喷入200C的热壁圆柱体中，溶剂挥发，纤维缠绕在绕线管上，然后，经抽拉工艺过程，增加强度和刚度。性能特点：纤维的结构是各向异性，在径向有很高的强度和刚度；抗疲劳性好；拉伸时呈弹性行为，受压时是非线性的；高韧性。品牌：Kevler 49，Kevler 29,44,芳纶纤维的性能特点：,优点：Very good stiffness to weight ratio High impact resistance High fatigue resistance Hi

15、gh solvent resistance Fire resistant(self extinguishing)Highest specific tensile strength for a given weight of fibre Kevlar composites are on average 35%lighter than glass fibre composites缺点：Fibres do not bond very well,and can produce micro-cracks in the resin,causing water absorption if subjected

16、 to fatigue.The fibres are hard to machine,and can have a fluffy appearance.Aramids are affected severely by UV light,and therefore must be kept in the dark at all times.,45,（4）钢纤维,按照钢材的组成碳素钢纤维；不锈钢纤维。按照钢纤维的外形平直形、弯钩形、波形、凹凸形、压棱形、哑铃形、书钉形和不规则形等。按照加工生产方法剪切型、熔抽型、切断型和切削型等。,46,钢纤维的各种外形,波浪形,弓 形,平直形,压痕形,哑铃形,4

17、7,各种钢纤维,48,钢纤维的各种规格与性能,49,几种纤维性能的比较,品种 密度 强度 弹模 伸长率(g/cm3)(MPa)(Gpa)(%),钢纤维 7.86 1770 200 1.8碳纤维 1.78 3400 240 1.4玻璃纤维 2.60 3500 72 4.8聚丙烯纤维 0.90 600 6 20芳伦纤维 1.44 2900 60 3.6聚乙烯纤维 0.97 3000 95 5.5,注：高弹模的聚乙烯纤维为国内新产品,50,第 三 节,钢纤维混凝土Steel Fiber Concrete,51,概 述,混凝土性能缺限：脆性大，抗拉强度低。采用纤维增强是改善混凝土脆性，提高抗拉强度的一

18、个重要手段。在土木工程应用中，用于混凝土增强的纤维有：有机纤维、植物纤维、石棉纤维和钢纤维。在承重结构中，主要是采用钢纤维。,52,可明显提高混凝土韧性和延性，1）用于道面、喷射修补与加固；2）复合或混杂纤维（品种、长径比）使用；3）制备RPC等新品种混凝土；,钢纤维在混凝土中的作用,53,钢纤维混凝土组成材料,钢纤维水 泥：常用的水泥是42.5和52.5普通硅酸盐水泥，水泥用量一般为360450kg/m3；砂、石：粗骨料粒径不宜大于钢纤维长度的2/3，一般为520mm，最大粒径不宜大于20mm。水外加剂：主要使用减水剂，以提高混凝土的和易性 掺和料：有粉煤灰、硅粉、矿渣等,54,钢纤维的主要

19、性能,抗拉强度粘结强度硬度耐腐蚀性,55,抗拉强度,钢纤维的抗拉强度一般为6001000MPa，由于钢纤维混凝土受力后主要是因纤维的拔出而破坏，拔出时，钢纤维承受的最大拉应力为100300MPa，因此，钢纤维的抗拉强度在380MPa以上，即可满足要求。,56,钢纤维强度等级的应用范围,57,粘结强度,粘结强度取决于钢纤维表面与混凝土间的界面作用力，一般用拔出试验来测量。提高粘结强度的措施有：使纤维表面粗糙化，截面形状不规则，增加摩擦力；将钢纤维表面压痕或压成波形，增加机械咬合力；使钢纤维两端异形化，提高其锚固力和抗拔力。,58,硬 度,钢纤维的表面硬度较高，在与混凝土搅拌时，不易发生弯折现象，

20、如果太脆，容易发生折断。,59,耐腐蚀性,如果混凝土振捣密实，与空气隔绝，钢纤维一般不会发生锈蚀；如果露于表面，或跨接在宽度为0.25mm的裂缝处，就容易发生锈蚀。,60,钢纤维的几何参数,长度：lf，其尺寸为1560mm；截面直径或等效直径：df，一般为0.31.2mm；长径比：lf/df，一般为30100；体积率：f，钢纤维占混凝土的体积百分数，一般0.6%2%。（表明钢纤维的掺入量）,61,几 何 参 数 选 用 表,钢纤维体积率选用表,62,钢纤维在混凝土中的工作原理,钢纤维能在混凝土开裂状态下传递拉应力，使脆性混凝土加入钢纤维后增加相当的韧性及抗拉能力。钢纤维可以借助两端的锚钩或表面

21、压痕，将裂缝锚固以减少混凝土开裂宽度，传递拉应力。,63,钢纤维的增强效果,冲击强度提高4000%-6000%抗裂、抗拉强度提高200%抗扭、抗弯强度提高200%抗疲劳强度提高10000%韧性提高7000%-10000%耐磨耗性提高50%延展性提高200%,64,同级普通混凝土(RC)与钢纤维混凝土(SFRC)的物理性能比较,65,钢纤维混凝土拌和物的特性,钢纤维在混凝土中的分散均匀性分散均匀性表示方法分散均匀性的影响因素拌和物的和易性和易性表示方法影响因素,66,(1)钢纤维在混凝土中的分散均匀性,1）分散均匀性表示方法：=e(x)(x)=(xi-)/n1/2/式中：各个部分中所含纤维数的平

22、均值；n 分割部分的数目；xi i部分中所含的纤维数。,67,2）分散均匀性的影响因素钢纤维体积率：体积率为1.5%时，分散系数最大；钢纤维的长径比：当长径比100时，钢纤维容易结团，不易分散，为60时，较易分散，因此，钢纤维长度为2040mm，直径为0.30.6mm，长径比为5060为宜；粗骨料的粒径：粒径为15mm时，分散性较好。砂率：砂率较大时，分散性较好；用水量与水灰比：增大水灰比和用水量有利于分散；搅拌方法：强制式搅拌比自落式搅拌容易分散，一次加料比分次加料有利分散。,68,(2)拌和物的和易性,和易性表示方法：坍落度筒法和维勃稠度法坍落度大于20mm或维勃稠度在530s之间的拌和料

23、为宜。影响因素钢纤维体积率增大，坍落度减小，和易性变差；钢纤维长径比越大，表面粗糙度越大，和易性越差；水泥浆用量越多，和易性越好；水泥浆稠度越大，流动性越差，一般控制水灰比在0.400.50;砂率 最佳砂率为4050%；砂率过大或过小，都会降低流动性；粗骨料的种类 卵石比碎石的流动性好外加剂 减水剂和引起剂都可改善和易性。,69,钢纤维混凝土的基本性能,钢纤维混凝土的强度钢纤维混凝土的变形性能钢纤维混凝土的收缩和徐变钢纤维混凝土的疲劳性能钢纤维混凝土物理耐久性,70,(1)钢纤维混凝土的强度,根据纤维间距理论，复合材料理论和微观断裂力学理论以及大量实验数据的分析，纤维的增强效果主要取决于基体强

24、度fm、纤维的长径比lf/df、纤维体积率f、纤维与基体间的粘结强度，以及纤维在基体中的分布和取向的影响，即钢纤维混凝土的强度为：fc=F(fm(lf/df)f)破坏形式为钢纤维从基体材料中拔出。当钢纤维的体积率在1%2%范围内，混凝土的抗拉强度提高2550%；抗弯强度提高4080%；抗剪强度提高50100%；抗压强度提高025%。,71,钢纤维体积分数对混凝土力学性能的影响,72,(2)钢纤维混凝土的变形性能,钢纤维混凝土弹性阶段的变形性能与其他条件相同的混凝土没有明显差别，受压弹性模量和泊松比与普通混凝土基本相同，受压弹性模量随钢纤维体积率增加约提高020%。在通常体积率下，抗压韧性可提高

25、27倍；抗弯韧性提高几倍乃至几十倍；弯曲冲击韧性可提高24倍；落球冲击韧性可提高几倍乃至几十倍。,73,(3)钢纤维混凝土的收缩和徐变,钢纤维混凝土的收缩与徐变随着钢纤维体积率的增加而降低;当体积率为1.5%时，(lf/df=50)，收缩率可降低79%。,74,(4)钢纤维混凝土的疲劳性能,钢纤维增强使抗弯疲劳寿命显著提高钢纤维混凝土的抗弯疲劳寿命超过105次，而普通混凝土仅达85次。,75,(5)钢纤维混凝土物理耐久性,钢纤维混凝土的抗冻性、耐热性和抗气蚀性都有显著提高。如当体积率为1.5%，lf/df=50的混凝土（w/c=0.5），经150次快速冻融循环，其抗压强度和抗弯强度下降约20%

26、，而普通混凝土下降约60%；经200次快速冻融循环，钢纤维混凝土仍保持完好。,76,钢纤维混凝土的配合比设计,配合比设计特点设计方法,77,(1)配合比设计特点,除按抗压强度设计外，还应按照抗折强度和抗拉强度控制；应考虑钢纤维的分散均匀性；为了获得适宜的拌和料和易性，适当增加单位用水量和水泥用量。,78,(2)设计方法,鲍罗米公式水灰比抗拉强度或抗折强度与水灰比、钢纤维体积率的关系钢纤维体积率和易性要求砂率和用水量试拌施工配合比,79,钢纤维混凝土配合比设计实例,某道路工程要求CF30强度等级的钢纤维混凝土，其设计抗折强度6.7MPa，强度保证率为85%，维勃稠度为12s，剪切型钢纤维，其lf

27、/df=60，水泥标号42.5普通硅酸盐水泥，其实测抗折强度7.2MPa，密度3.1，中砂，细度模数为2.50，密度为2.65，碎石粒径520mm，密度为2.7。求配合比。,80,解：,（1）确定试配强度 强度保证率为85%，查表得保证率系数Z=1.04 CF30钢纤维混凝土,抗压强度标准差1=5.0,抗折强度标准差2=0.6,试配抗压强度：Fcu=fcu+Z1=30+1.045.0=35.2 MPa 试配抗折强度：Fftm=fftm+Z 2=6.7+1.040.6=7.32 MPa,81,（2）确定水灰比 Fcu=Arc(C/W-B)=0.4642.51.13(C/W-0.52)W/C=0.

28、4642.51.13/(35.2-0.460.52 42.51.13)=0.47（3）确定钢纤维体积率和单位体积用量 Fftm=Rtm 0.12(C/W)+tm f(lf/df)+0.31 f=Fftm/Rtm-0.31-0.12(C/W)/tm(lf/df)=7.32/7.2-0.31-0.122.13/0.6260=0.0121m3=1.21%则，钢纤维的单位体积用量:F0=0.0121 7800 kg/m3=94 kg/m3,82,（4）确定单位体积用水量和水泥用量 维勃稠度为12s，属半干硬性混凝土，取单位体积用水量为W0=190kg/m3 C0=W0C/W，W/C=0.47 C0=1

29、900.47=404kg/m3（5）确定砂率 f=1.21%，lf/df=60，细度模数为2.50，W/C=0.47 查表：Sp=50+5 5-6=44%，取45%,83,（6）确定砂、石用量 绝对体积法：W0/w+F0/f+C0/c+S0/s+G0/g+10=1000 f=7.8;c=3.1;w=1.0;s=2.65;g=2.7;=2;Sp=45%Sp=S0/(S0+G0)=45%190/1.0+94/7.8+404/3.1+S0/2.65+G0/2.7+102=1000 解此方程组，得：G0=954kg/m3；S0=780kg/m3。所以：该钢纤维混凝土的配合比为：W0=190kg/m3；

30、C0=404kg/m3 G0=954kg/m3；S0=780kg/m3 F0=94 kg/m3,84,钢纤维混凝土的应用,隧洞衬砌和矿井采用喷射钢纤维混凝土作为隧洞的衬砌，具有截面积小、强度高、韧性好、施工简便的特点。如：水工隧洞衬砌、铁道隧洞衬砌、矿井巷道加固等。建筑工程 如：房屋建筑中的大悬挑樑、大悬挑折板构件，当钢纤维惨量为100150kg/m3时，抗折强度可达15.719MPa。预制桩、桩帽，其冲击性能提高2.78.3倍 框架结构的节点，可提高抗震性能；屋面和地下防水工程，可提高混凝土的抗渗性。,85,钢纤维混凝土的应用,管道工程用钢纤维混凝土制成壁厚为2055mm的圆管，能承受一定的

31、环向拉力和外加荷载，可用于低压输水管或排水管。公路桥梁工程用钢纤维混凝土作薄壁连续箱形樑，桥面板等，可提高抗弯疲劳寿命。公路路面及机场道面可使路面的抗折强度提高3080%，抗弯疲劳强度提高5080%，抗裂强度提高1020%；冲击韧性提高24倍等。铁路工程用钢纤维混凝土制造预应力铁路轨枕。,86,隧道内衬与边坡加固,87,上海外环线莘庄立交1997启动，当时亚洲最大的立交，钢梁的桥面铺装和所有的伸缩缝靠背混凝土均使用了铣削型钢纤维，掺量50kg/m3。,88,机场飞机跑道采用钢纤维混凝土，增强抗拉抗折强度，从而减少经常性维修，提高耐用年限。,89,用钢纤维混凝土制造预应力铁路轨枕,90,活性粉末

32、混凝土 Reactive Powder Concrete,法国人Richard仿效“高致密水泥基均匀体系”（DSP材料），将粗骨料剔除，根据密实堆积原理，用最大粒径400m的石英砂为骨料，制备出强度和其他性能优异的活性粉末混凝土。这种新材料申报了专利，并在1994年旧金山的美国混凝土学会春季会议上首次公开。,91,活性粉末混凝土物理力学性能,RPC200 RPC800 HPC,凝结期间加压 不加 1050MPa加热养护 2090 250400抗压强度MPa 170230 500800 60100抗折强度MPa 3060 45140 6 10 断裂能J/m2 24(104)0.124(104)1

33、40 弹性模量Gpa 5060 6575 透气性m2 2.5 10-18 120 10-18 氯离子扩散系数m2/s 10-14 5 10-12,92,93,94,95,96,RPC的配合比,97,98,99,100,101,102,103,104,105,106,107,108,109,110,111,112,113,114,蒸汽养护,115,116,117,活性粉末混凝土的研究,118,活性粉末混凝土的研究,119,压浆纤维混凝土 SIFCON（Slurry Infiltrated Fiber Concrete）,钢纤维含量约达体积的20%，因此延性高，微结构非常密实，抗冲击和磨耗能力强，

34、适用于控制裂缝。但因为只以薄层使用，尚不能承载，且施工时需要特殊的操作方法。,120,钢纤维毡,121,122,SIFCON 配合比.,123,SIFCON 材料地面施工,124,第 四 节,纤维水泥复合材料Fiber Cement Composition,125,概 述,柔性纤维增强脆性基体复合材料脆性材料的特点是抗压强度高；而抗折、抗拉强度和抗冲击韧性低，变形性小。在脆性基体材料中加入柔性纤维，是想通过柔性纤维吸收断裂能和阻止裂纹扩展，来达到改善脆性、提高韧性的目的。,126,纤维水泥材料的发展史,BC 马鬃1900 石棉纤维，Hatscheck process1920 Griffith

35、理论与表观强度1950 复合材料1960 FRC1970 石棉水泥的代替材料1970 SFRC，GFRC，PPFRC，喷射混凝土1990 微力学，混合体系，木纤维体系制造工艺技术，次级增强组分，HSC柔性问题，收缩裂缝控制2000 结构应用，规范，新产品,127,FRC材料的应用领域,薄板单层板屋面板管复合板喷射混凝土幕墙楼板和地板预制构件复合材料桥面板穹顶屋面抗冲击结构,128,FRC材料的工程应用,129,纤维水泥材料的组成材料,水泥 硅酸盐水泥；硫铝酸盐水泥；氯氧镁水泥矿物粉末：粉煤灰、矿渣、石灰石粉等纤维天然纤维：石棉纤维，木纤维，棉纤维等合成纤维：钢纤维，E玻璃纤维，AR玻纤，聚丙烯

36、，PVA纤维，尼龙纤维,130,纤维水泥材料的成型工艺,工艺过程Hatscheck（哈氏）方法手糊工艺,GFRC在搅拌机中搅拌喷射混凝土改进工艺：挤出、挤拉、滚压等,131,纤维增强水泥板制造过程,132,Hatscheck 成型机,水灰比超过10的水泥稀浆(58%)经过几个长网滚将稀浆中的固体收集成薄层物 薄片物在滚子上形成一定厚度后，切断，挤压，脱水 常温或蒸压养护,133,纤维水泥混合料的制备,134,纤维水泥混合料的制备,135,纤维水泥复合材料的性能,外观上，纤维水泥材料象普通水泥基材料一样，但抗裂性能提高了500倍；掺入混合料体积2的纤维的纤维水泥板的抗弯行为就可解释其增强增韧作用

37、；纤维水泥材料的抗压行为不受纤维存在的影响，可与其抗拉和抗弯性能相媲美。,136,纤维增强水泥板的抗弯行为,Engineered Cement Composites(ECC),137,（一）纤维水泥复合材料的微结构,CSH的微结构纤维使裂缝偏移而增韧碳纤维水泥复合材料的微结构连续玻璃纤维增强水泥浆的微结构聚丙烯纤维增强水泥浆的微结构,138,C-S-H的微结构,胶态薄片的无定形固体粘结很弱，范得华力，拉伸较弱，脆性物质板片状结构得平均间隔1014晶体氢氧化钙，Ca(OH)2，水、孔与未水化水泥颗粒相比，有很大得表面积200300m2/g。,139,纤维使裂缝偏移而增韧,140,碳纤维水泥复合材

38、料的微结构,141,连续玻璃纤维增强水泥浆的微结构,142,聚丙烯纤维增强水泥浆的微结构,143,界面的性质和作用,弱区域钢纤维，高W/C，CH形成玻纤束效应，脆化，间隙的填充脱粘与拔出稳定临界前裂缝扩展裂缝桥联，裂缝偏移能量耗散机理组成模型脆性基体复合材料,144,（二）纤维水泥基复合材料的强度理论,纤维水泥基复合材料的力学性能取决于下列因素：基体材料的力学性能；纤维的种类；纤维的掺量：体积分数、纤维间隔；纤维的长度；纤维的力学性能：强度、弹性模量、极限应变；纤维的失效机理：拔出、断裂。,145,不同基体材料特性的复合材料的力学行为,146,纤维掺量对复合材料的力学行为影响,147,短切纤维

39、的增强,增强纤维脱粘和部分拔出桥联，封闭压力裂缝面的刚度应力集中减少,纤维桥联基体相的裂缝,148,纤维阻裂机理,纤维吸收裂缝扩展所释放的能量并阻止其向前延伸与扩展,149,长(连续)纤维的增韧,纤维的复合效应纤维承受大部分荷载基体裂缝扩展时，长纤维足以传递荷载由于剪切应力低，纤维脱粘有限分散裂缝在整个体积中分布损伤和能耗,150,纤维引起的微裂缝分散过程,基体相应力较大,基体相开裂纤维应力较大,151,纤维长度的影响,复合材料中，纤维相的应力为：fu2r/A，lcrfu/2。当Llc，纤维没能发挥增强作用；当Llc，只有纤维中点处于最大应力；当Llc，纤维中间一段处于最大应力；,152,（三

40、）纤维水泥复合材料的强度,抗压强度弯曲强度拉伸与 劈裂抗拉强度抗剪强度抗冲击强度,153,纤维增强水泥基复合材料的抗压强度,钢纤维可以增加低强度等级混凝土的抗压强度，且与钢纤维体积分数成正比；端头带勾的纤维比光滑钢纤维、玻璃纤维和聚丙烯纤维的增强效果好。,154,弯曲强度 Flexure Strength,FRC 弯曲强度的影响因素有：纤维种类 fiber type；纤维长度 fiber length(L)；长径比 aspect ratio(L/df)纤维的体积分数 the volume fraction of the fiber(Vf)；纤维的取向 fiber orientation；纤维的

41、形状 fiber shape；纤维的粘结特性 fiber bond characteristics(fiber deformation)FRC 和易性的影响因素：水灰比 W/C ratio,；密度 density；含气量 air content。FRC 极限弯曲强度可以大于或小于初裂时的强度。,155,复合材料的弯曲荷载挠度曲线,一般来说，在弯曲试验中，FRC 的荷载挠度曲线可以分为三个阶段，如下图所示。,荷载,挠 度,在三点弯曲应力挠度曲线的A点前，或多或少有线性响应；在该点行为的增强机理：应力通过界面剪切力从基体材料传递给纤维，基体与纤维共同承受直至基体材料开裂。基体材料开裂时的强度成为“

42、初裂强度”(“first cracking strength”)，或“比例极限”(“proportional limit”.)。开裂后，基体材料中的应力逐渐传递给纤维；,随着荷载的增加，纤维逐渐从基体材料中拔出，荷载挠度曲线成为非线性，直至在B点达到极限弯曲荷载，这点成为“峰”强度。“峰”强度后，荷载逐渐下降，直至试件破坏。这部分荷载挠度曲线下的面积很大，表征纤维复合材料吸收了大量能量增韧。,“峰”强度后，荷载逐渐下降，直至试件破坏。这部分荷载挠度曲线下的面积很大，表征纤维复合材料吸收了大量能量增韧。,156,只要纤维的体积分数足够，A点与B点间的非线性就存在；当纤维的体积分数较低时(Vf 0

43、.5%),复合材料的极限强度与初裂强度一致。初裂后，荷载立即下降，如图所示。,157,FRC 材料的典型应力应变或荷载延伸曲线,如图所示，图中曲线也可分为三个阶段：第一阶段在基体开裂前，是线弹性行为，类似于基体材料相；第二阶段多裂缝阶段，材料为非弹性行为，直至最大应力或荷载达到；第三阶段软化与破坏阶段，在这阶段，纤维可能断裂或拔出。,158,FRC的极限弯曲强度与纤维体积分数、长径比呈线性关系，即极限弯曲强度随纤维增强因子(定义为VfL/df)的增加而增加。Shah 和Rangan提出下列公式预测复合材料的极限弯曲强度：fcc=Afm(1Vf)+B(VfL/df),式中：fcc 纤维复合材料的

44、极限弯曲强度；fm 普通基体（砂浆或混凝土）的最大弯曲强度；A,B 试验确定的常数 对普通混凝土，A=1,B=0.其中B解释了纤维的粘结强度和纤维分布的无规性。Swamy的试验得出的钢纤维混凝土：极限强度，A=0.97,B=4.94；初裂强度，A=0.843,B=4.25。,159,图中结果表明：纤维水泥基复合材料的比例极限(LOP)和断裂模量(MOR)随着纤维体积分数、纤维的强度增加而增加。,芳纶,高强碳纤维,维纶,低模量 纤维,160,拉伸与劈裂拉伸强度 Tensile and Splitting Tensile,水泥基体的拉伸破坏呈脆性破坏，拉伸应变很小；无论是短切纤维还是连续纤维，掺入

45、水泥基材料中均可改善拉伸强度。,钢纤维,聚丙烯纤维,161,拉伸强度的计算公式,有几种理论可用来预测复合材料的拉伸应力应变曲线开裂前的线弹性特征：复合材料定律 断裂力学理论 经验公式 用复合材料定律，可以导出开裂时，复合材料的拉伸应力：Scc=Smu(1-Vf)+12(VfL/df),Scc=Smu(1-Vf)+12(VfL/df)式中：Scc 复合材料的拉伸强度；Smu 基体材料的拉伸强度；Vf，L/df分别是纤维体积分数和长径比；1 代表基体材料开裂应力时移动纤维分数的系数2 复合材料未开裂时，纤维取向因子。,纤维增强因子,162,影响FRC直拉、弯曲和压缩行为的主要因素也影响其劈裂拉伸行

46、为，如：纤维的体积分数、长径比和粘结特性等；纤维体积分数和长径比的增加，将使得复合材料得劈拉强度提高；端头带勾和波浪形纤维比直形纤维的改善效果好。,拉伸与劈裂拉伸强度,163,碳纤维的增强效果,复合材料强度随碳纤维掺量的增加而增加,164,聚丙烯纤维的增强增韧效果,165,纤维拔出试验,166,剪切强度Shear Strength,脆性材料的剪切破坏是突发灾难性的；FRC的剪切行为分为两种：直接剪切试验和翅托梁试验；纤维的加入可以改善水泥基材料的剪切强度和柔性，纤维对高强混凝土的改善效果比普通混凝土好。增加了极限荷载和整个过程的柔性，因为高强基体材料中，纤维界面粘结强度高；钢纤维可使极限荷载和

47、柔性均有所提高，而聚丙烯纤维不能提高极限荷载，但能改善柔性，其改善效果比钢纤维好；,167,抗冲击强度 Impact Resistance,纤维可以提高水泥基材料的抗冲击性能；波浪型钢纤维的体积分数为0.5,1.0,1.5,和 2.0%，可使完全破坏时的冲击强度分别提高640%,847%,1,824%和2,806%。带勾型和波浪型钢纤维可使复合材料具有优良抗冲击性能。聚丙烯纤维在较少掺量下，就可使复合材料的抗冲击性能得到 显著改善。,168,纤维水泥基材料的变形性能,弹性模量徐变与收缩应变能力韧性指数热膨胀系数泊松比韧性指数,169,弹性模量 Modulus of Elasticity,复合材

48、料的拉伸、抗压和剪切模量是工程应用中不可缺少的性能；复合材料的弹性模量取决于两相材料的性能和体积分数等。影响因素纤维的弹性模量大，则复合材料的弹性模量高，所以，当纤维体积分数相同时，钢纤维水泥基复合材料的弹性模量大于玻纤水泥基复合材料的，弹模比水泥基材料低的聚丙烯纤维可使复合材料的弹性模量降低；纤维种类相同时，复合材料弹性模量随着纤维掺量的增加而增加或减小。,170,断裂韧性Fracture Toughness,水泥基材料拉伸强度比抗压强度低，呈脆性破坏；改善脆性的有效方法是用无规分布的短切纤维增韧。,171,增韧机理,根据线弹性和弹塑性断裂力学，复合材料中裂缝扩展机理可用三个不同区段描述：非

49、应力区段，纤维被完全拔出或破坏；准塑性区段，基体相开裂，桥连裂缝的纤维提供拔出阻力；进展区段，应力集中场引起的裂缝扩展前端的分布区。准塑性区段，提供给纤维水泥复合材料的断裂能。复合材料的断裂韧性取决于纤维种类、体积分数、纤维长度和纤维表面状况等。,172,纤维水泥基材料的耐久性Durability,耐磨性冻融循环影响干湿循环影响碱环境影响,173,耐磨性Abrasion Resistance,水工结构磨蚀破坏研究表明：混凝土表面的磨蚀是由于逐渐磨损引起的，因为破碎物颗粒在表面低速滚动摩擦造成表面磨损，那么，骨料的质量和表面硬度确定磨蚀速度，因此，纤维在改善耐磨性方面没有作用；试验证明：普通水泥

50、基材料和钢纤维或聚丙烯纤维水泥基材料的耐磨性没有差别；钢纤维可以改善混凝土路面的起皮现象，且随着纤维体积分数的增加而增加。,174,冻融作用 Freezing and Thawing,美国ACI 544 委员会指出，纤维本身对水泥基材料的抗冻性没有明显的影响，即抗冻性差的混凝土不能通过纤维来得到改善；要制备抗冻性好的纤维增强水泥基材料（如混凝土），同样需要引气。,175,干湿作用 Wet-Dry Exposure,聚丙烯纤维可使养护好的混凝土表面抵抗海水干湿循环作用的阻力提高；聚丙烯纤维也可有效延缓混凝土表面造热湿环境下的劣化速度。,176,碱环境作用Alkaline Environment,