聚丙烯纖維及玻璃纖維水泥基復合材料的發展與研究

劉鴻銘，費逸偉，孫世安，馬 軍

(空軍勤務學院航空油料物資系，江蘇 徐州 221000)

聚丙烯纖維及玻璃纖維水泥基復合材料的發展與研究

劉鴻銘，費逸偉，孫世安，馬 軍

(空軍勤務學院航空油料物資系，江蘇 徐州 221000)

從纖維增強全壽命防腐涂料的發展及其基本增強機理入手，著重介紹了聚丙烯纖維、玻璃纖維水泥基復合材料的相關研究。本文綜述利用無機、有機纖維分別增強全壽命防腐材料的有機和無機相組分，即對利用聚丙烯/玻璃混雜纖維增強聚合物-水泥基防腐材料中的應用進行了總結與展望。

纖維增強；水泥基復合材料；聚丙烯纖維；玻璃纖維；混雜纖維

水泥基材料的復合使用是使其高性能化的重要途徑，纖維增強是一種重要的方法，通過加入纖維可以有效的改善混凝土的力學性能，纖維的加入既可以有效的減少水泥硬化工程中的裂縫的生成，又可以有效的抑制外載荷作用下裂痕的增長。水泥基材料中加入纖維材料能夠更好的改善和克服水泥基材料的缺點，從而使得水泥基材料的抗裂、抗滲等性能得到改善[1]。

1 纖維增強水泥基復合材料

1.1 纖維增強水泥基復合材料的種類

二十世紀大量使用的纖維增強材料是巖棉纖維，其來源廣，價格低廉，與水泥集體的相互作用較好，但巖棉纖維長期使用對人體具有較大的傷害，已被多國禁用。

鋼纖維增強與其他增強纖維相比其理論研究相對較早。在混凝土中加入鋼纖維(體積摻量大約為1.5%～2%)能明顯改善混凝土的抗沖擊性能、韌性、抗裂和抗疲勞性能，提高抗拉、抗折和抗彎強度[2]。

天然植物纖維是自然界中植物如亞麻、黃麻、椰子殼、甘蔗渣等形成的纖維，種類和品種很多，數量也很多。天然纖維能有效提高混凝土的韌性和強度，但天然纖維在堿性環境下會因為分子降解從而嚴重的影響到其力學方面的性能[3-7]。

玻璃纖維拉伸強度高，彈性模量高，剛性好，耐化學性好，且來源較為豐富，生產成本較低，是復合材料增強纖維主要品種之一。玻璃纖維由前蘇聯科學家Birvukovich等人最早開始研究，并使得玻璃纖維在上世紀50年代后期實用化[8]。和天然植物纖維一樣，玻璃纖維在堿性環境中會失去強度和剛性。20世紀70年代初，英國建筑研究院在玻璃纖維中加入二氧化鋯，制成了耐堿玻璃纖維，玻璃纖維耐堿性腐蝕性能有了較大的提升。

合成纖維增強水泥基材料方面的應用研究較晚，現今用于增強水泥基復合材料的合成纖維主要有聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維、聚丙烯脂纖維、聚乙烯纖維、聚酰胺纖維等。從開始較早使用的聚酰胺纖維至今的合成纖維中，聚丙烯纖維由于其增強效果較好，來源廣，價格便宜等特點受到了廣泛的關注。

1.2 纖維增強水泥基復合材料基本理論

纖維的增強作用主要體現在基體受到外力作用的情況下，應力將從基體傳到纖維，基體和纖維將會一同來承受外來的應力作用，這時纖維將起到增強作用。如果在應力的作用之下，基體出現開裂的情況，應力將由纖維承擔直至纖維破壞。綜上所述，這種損壞機理上的變化，會使得水泥基復合材料的抗沖擊性、抗拉性、柔韌性、堅固性等性能得到改善。

現今關于纖維增強水泥基復合材料的增強機理主要有兩種觀點[9-11]。一種是纖維間距機理[12]，由美國科學家Rmualoli提出，根據線彈性斷裂力學理論說明纖維會對裂縫發生束縛作用。該理論提出水泥材料內部本來就有缺陷存在，而纖維的加入將會盡可能的減少這種缺陷的程度，提高韌性，降低內部斷裂處的應力集中系數，從而增強水泥材料的強度。另一種是復合材料理論[13]，該理論依據復合材料構成的混合原理，把纖維增強水泥材料看做纖維強化體系，進而提出了纖維增強水泥基材料的強度與纖維摻入比例、徑長比和粘結力之間的關系。

圖1 纖維在基材中的分布

2 聚丙烯纖維及玻璃纖維水泥基復合材料的發展與研究

2.1 聚丙烯纖維增強水泥基復合材料的發展與研究

聚丙烯纖維具有在混凝土堿性環境中較為穩定，有較高熔點、且濕強保持率很好。而其耐火性差、對氧氣和紫外線敏感的缺點，此外，聚丙烯分子沒有極性基團的原因，使得其成為一種憎水性材料，粘結性較差。由于被包裹在水泥基體中，等于間接避開了其缺點[14]。

上世紀80年代，在普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度、抗拉強度及抗折強度的對比實驗中得出結論，隨著纖維體積率的增加，抗壓強度降低，而抗拉強度和抗折強度有所提高。但A.M.Achozaimy等人[3]研究了聚丙烯纖維對普通混凝土和加入摻和料的混凝土性能的影響，結果表明，對于普通混凝土，纖維的加入只對抗沖擊性有提高，對抗壓強度、抗折強度基本沒有影響，對于加入摻和料硅灰的混凝土，抗沖擊性得到了更好的提高，抗壓強度也明顯提高。聚丙烯纖維的摻入[15]能夠有助于混凝土早期強度相對大幅提高和改變輕骨料混凝土的破壞形態,改善輕骨料混凝土的脆性。在混凝土中石子和砂的作用下[16],聚丙烯纖維的形狀發生改變，增加了纖維的粗糙度,會加強界面之間的力學作用。采用長期浸泡和干濕交替方式模擬海洋水下區與海洋潮汐區環境[17]，研究聚丙烯纖維混凝土中氯離子擴散的性能，結果表明，適量的聚丙烯纖維可降低侵入混凝土內部的氯離子含量。吳佳[18]等對高性能混凝土和摻不同長徑比聚丙烯纖維高強混凝土進行高溫抗壓強度試驗以及SEM(掃面電鏡)分析,結果表明：當摻量為1.8kg/m3的聚丙烯纖維時,摻長徑比為600、429的聚丙烯纖維更有利于混凝土的抗壓強度增長,且長徑比為600的聚丙烯纖維對高強混凝土性能的改善是最佳的。

由于采用的聚丙烯纖維摻加的量、工藝及試驗方法不同，纖維的改善效果各不相同。聚丙烯纖維具有很多適合應用于水泥基材料的優點，但同時也存在一些缺點:表面能低，分子鏈上缺少活性官能團，而且表面疏水，因而纖維在水泥基材料中不容易分散；與基材的物理化學粘結力較差；彈性模量低，對水泥基材料硬化后的抗拉強度、抗壓強度幾乎沒有增強作用[19]，加入聚丙烯纖維后[20]，保水性變好，混凝土拌合物的坍損減少，但混凝土拌合物的粘聚性變差。因此，改性聚丙烯纖維也應用到了纖維增強水泥基材料當中，有試驗結果表明[21]親水改性后的聚丙烯纖維與水泥基體之間粘結力會更強。

2.2 耐堿玻璃纖維增強水泥基復合材料的發展與研究

耐堿玻璃纖維的發明,使耐堿玻璃纖維產品從新開始發展，且發展迅速,耐堿玻璃纖維克服了玻璃纖維在堿性環境下易氧化的特點，使得玻璃纖維能夠更好的作為增強體加水泥材料，從而提高水泥的抗彎、抗沖擊以及抗拉強度。

在混凝土中摻加如短切耐堿玻璃纖維[22]，可以減少混凝土早期的裂縫，提高混凝土抗裂，抗沖擊性、耐腐蝕性、耐久性等，且施工性能良好。但并不是加入的玻璃纖維越多越好，經研究表明[23]，在混凝土中摻入耐堿玻璃纖維短切絲,能有效提高混凝土的抗壓強度,但耐堿玻璃纖維體積率為1%時強度提高的效果比體積率為2%時要好,這說明纖維也不是摻得越多越好,纖維過多會導致混凝土中孔隙率過大，反而使性能下降。

表1 標準養護下(20℃左右水中)耐堿纖維混凝土強度[25]

有研究表明[24]，雖然耐堿玻璃纖維的表面存在鋯保護層，但水泥水化過程中形成的堿性物質仍會對纖維進行化學腐蝕，從而使得其性能下降。通過熱養護實驗[25]了解到耐堿玻璃纖維混凝土中耐堿玻璃纖維發揮出的增強增韌作用，但后期的觀測表明耐堿玻璃的“耐堿”只是相對的，水泥堿性環境的長期的腐蝕之下依然會使纖維失去活性。說明雖然使用二氧化鋯處理過的玻璃纖維耐堿性能大幅度提升，但玻璃纖維自身的性質使得其長期的耐堿性問題沒有得到徹底得解決，耐久性問題仍舊存在。為此，加入活性摻料來抑制耐堿玻璃纖維在混凝土中的腐蝕，相關研究顯示，加入了活性摻料煤灰粉或硅粉后[26-27]，耐腐蝕性能得到提升?，F今玻璃纖維在水泥基材料中堿腐蝕情況依然沒有得到有效的解決。

2.3 聚丙烯/玻璃混雜纖維在水泥基材料中的應用

混雜纖維增強水泥基材料的基本原理是將兩種或多種纖維增強材料合理摻和加入一種基材中，從而產生既能發揮不同纖維優點，又能體現纖維間協同效應的新復合材料，可明顯提高或改善原先單一纖維增強復合材料的某種或多種性能。姚志雄[28]提出的"纖維連鎖"概念，纖維混雜使得纖維難以從基體中拔出，有效地抑制混凝土裂縫的開展。纖維混雜基本可分為兩大類：一類是同種品質不同幾何形態纖維混雜；另一類是不同品質不同幾何形態的纖維混雜。從纖維混雜相個數的角度來分，又可分為二元混雜，三元混雜以及三元以上的多元混雜[29]。

復合材料方面，聚丙烯共混改性[30]的應用為混雜纖維在水泥基材料中的應用提供了新的思路，已使用玻璃纖維共混改性聚丙烯，改性后的聚丙烯在力學性能、熱性能、硬度等方面均有不同程度的提高[31-33]，這為纖維增強水泥基材料提供了可行的思路。

高鵬錕[34]采用加速腐蝕的方法對比分析了聚丙烯纖維和耐堿玻璃纖維的耐堿性能分別測試不同時間兩種種纖維的質量損失率和強力損失率，并通過電鏡觀察表面的變化情況。結果表明，聚丙烯纖維的耐堿性能優于耐堿玻璃纖維。而耐堿玻璃纖維相對于聚丙烯纖維，耐堿玻璃纖維彈性模量[35]是聚丙烯纖維的10多倍；強度是聚丙烯纖維的5倍多。由于玻璃纖維的彈性模量、強度較高，因此不但對混凝土早期塑性抗裂有作用，還對固化了的混凝土有增強增韌作用。加上前文所提到，玻璃纖維為高彈性模量纖維，聚丙烯纖維為高延性模量纖維。綜上所述，兩者混合摻入水泥基材料當中可以起到互補增強作用。

聚丙烯纖維和玻璃纖維混雜后[36]，聚丙烯纖維會成為影響混雜系數和混雜效應的主要因素。聚丙烯纖維及玻璃纖維混雜水泥基材料與單一纖維水泥基材料的抗拉強度較普通水泥基材料均有顯著提高，但由于摻加聚丙烯纖維使玻璃纖維保持最大應力的應變增加，從而導致韌性顯著增加，在應變下的裂縫寬度比單一聚丙烯纖維水泥基材料要小[37]。當耐堿玻璃纖維與聚丙烯纖維混雜使用時，對提高纖維混凝土疲勞強度效果更加明顯。鄧宗才等[36]發現聚丙烯纖維摻量為1.3kg·m-3，玻璃纖維摻量為2.7kg·m-3共同摻時，混雜纖維混凝土的疲勞強度比普通混凝土提高35.0%，即較高彈性模量的玻璃纖維與較高延性模量的聚丙烯纖維混雜使用，將發揮各自纖維的優勢，進而提高混凝土的壽命。

3 總結

針對水泥基材料，摻入纖維增強基體已經是增強水泥基材料方法中較為主要的一種，有大量的研究已經能夠說明纖維的摻入能使水泥基復合材料的不同性能均得到不同程度的提高。將摻入水泥基材料的纖維比作混凝土中的"鋼筋"，所以纖維和水泥基體粘結的越牢固，纖維增強水泥的效果就會更加的明顯。已有的使用無機膠凝材料、聚合物乳膠以及各種添加劑、填料按一定配方比例調制而成的聚丙烯/玻璃纖維混雜水泥基復合材料，其自身分為有機相和無機相，根據聚丙烯纖維和玻璃纖維的表面構成及化學性質可知，聚丙烯纖維同有機相結合較好，耐堿玻璃纖維同無機相的結合較好，這樣兩種纖維能夠在全壽命防腐涂料中發揮更好的作用。聚丙烯纖維同玻璃纖維有性能方面的互補，聚丙烯纖維主要能夠增強水泥基體的抗拉性能，耐堿玻璃纖維主要能夠增強水泥基體的強度，兩者共同摻入水泥基復合材料的某些性可能將得到不同程度的提高。另外，針對提高親水性而制成的改性聚丙烯纖維，其在水泥基材料中的分散性以及和基體的結合能力都將得到提高。因此，改性聚丙烯纖維的引入將會給聚丙烯/玻璃纖維增強水泥基材料帶來新的前景。

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(本文文獻格式：劉鴻銘，費逸偉，孫世安，等.聚丙烯纖維及玻璃纖維水泥基復合材料的發展與研究[J].山東化工，2017，46(10)：76-78，85.)

The Application Study of Polypropylene Fiber and GlassFiber in the Cementitious Composites

LiuHongming,FeiYiwei,SunShian,MaJun

(Department of aviation POL and Matterials,Air Force Logistics College,Xuzhou 221000,China)

This paper introduce the research of Polypropylene fiber and glass fiber in the Cementitious Composites from the development of fiber reinforced cement matrix composites and its basic enhancement mechanism.Based on the research of hybrid fiber cement-based composite materials,and has carried on the summary and outlook of polypropylene /glass hybird fiber in cementitious composites.

fiber-reinforced;cementitious composites;polypropylene fiber；glass fiber;hybrid fiber

2017-03-23

劉鴻銘(1993—)，陜西西安人，空軍勤務學院學生，在讀研究生 ，從事重防腐涂料研究。

TQ340

A

1008-021X(2017)10-0076-03