聚丙烯纤维及玻璃纤维水泥基复合材料的发展与研究

刘鸿铭，费逸伟，孙世安，马 军

(空军勤务学院航空油料物资系，江苏 徐州 221000)

聚丙烯纤维及玻璃纤维水泥基复合材料的发展与研究

刘鸿铭，费逸伟，孙世安，马 军

(空军勤务学院航空油料物资系，江苏 徐州 221000)

从纤维增强全寿命防腐涂料的发展及其基本增强机理入手，着重介绍了聚丙烯纤维、玻璃纤维水泥基复合材料的相关研究。本文综述利用无机、有机纤维分别增强全寿命防腐材料的有机和无机相组分，即对利用聚丙烯/玻璃混杂纤维增强聚合物-水泥基防腐材料中的应用进行了总结与展望。

纤维增强；水泥基复合材料；聚丙烯纤维；玻璃纤维；混杂纤维

水泥基材料的复合使用是使其高性能化的重要途径，纤维增强是一种重要的方法，通过加入纤维可以有效的改善混凝土的力学性能，纤维的加入既可以有效的减少水泥硬化工程中的裂缝的生成，又可以有效的抑制外载荷作用下裂痕的增长。水泥基材料中加入纤维材料能够更好的改善和克服水泥基材料的缺点，从而使得水泥基材料的抗裂、抗渗等性能得到改善[1]。

1 纤维增强水泥基复合材料

1.1 纤维增强水泥基复合材料的种类

二十世纪大量使用的纤维增强材料是岩棉纤维，其来源广，价格低廉，与水泥集体的相互作用较好，但岩棉纤维长期使用对人体具有较大的伤害，已被多国禁用。

钢纤维增强与其他增强纤维相比其理论研究相对较早。在混凝土中加入钢纤维(体积掺量大约为1.5%～2%)能明显改善混凝土的抗冲击性能、韧性、抗裂和抗疲劳性能，提高抗拉、抗折和抗弯强度[2]。

天然植物纤维是自然界中植物如亚麻、黄麻、椰子壳、甘蔗渣等形成的纤维，种类和品种很多，数量也很多。天然纤维能有效提高混凝土的韧性和强度，但天然纤维在碱性环境下会因为分子降解从而严重的影响到其力学方面的性能[3-7]。

玻璃纤维拉伸强度高，弹性模量高，刚性好，耐化学性好，且来源较为丰富，生产成本较低，是复合材料增强纤维主要品种之一。玻璃纤维由前苏联科学家Birvukovich等人最早开始研究，并使得玻璃纤维在上世纪50年代后期实用化[8]。和天然植物纤维一样，玻璃纤维在碱性环境中会失去强度和刚性。20世纪70年代初，英国建筑研究院在玻璃纤维中加入二氧化锆，制成了耐碱玻璃纤维，玻璃纤维耐碱性腐蚀性能有了较大的提升。

合成纤维增强水泥基材料方面的应用研究较晚，现今用于增强水泥基复合材料的合成纤维主要有聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯脂纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维等。从开始较早使用的聚酰胺纤维至今的合成纤维中，聚丙烯纤维由于其增强效果较好，来源广，价格便宜等特点受到了广泛的关注。

1.2 纤维增强水泥基复合材料基本理论

纤维的增强作用主要体现在基体受到外力作用的情况下，应力将从基体传到纤维，基体和纤维将会一同来承受外来的应力作用，这时纤维将起到增强作用。如果在应力的作用之下，基体出现开裂的情况，应力将由纤维承担直至纤维破坏。综上所述，这种损坏机理上的变化，会使得水泥基复合材料的抗冲击性、抗拉性、柔韧性、坚固性等性能得到改善。

现今关于纤维增强水泥基复合材料的增强机理主要有两种观点[9-11]。一种是纤维间距机理[12]，由美国科学家Rmualoli提出，根据线弹性断裂力学理论说明纤维会对裂缝发生束缚作用。该理论提出水泥材料内部本来就有缺陷存在，而纤维的加入将会尽可能的减少这种缺陷的程度，提高韧性，降低内部断裂处的应力集中系数，从而增强水泥材料的强度。另一种是复合材料理论[13]，该理论依据复合材料构成的混合原理，把纤维增强水泥材料看做纤维强化体系，进而提出了纤维增强水泥基材料的强度与纤维掺入比例、径长比和粘结力之间的关系。

图1 纤维在基材中的分布

2 聚丙烯纤维及玻璃纤维水泥基复合材料的发展与研究

2.1 聚丙烯纤维增强水泥基复合材料的发展与研究

聚丙烯纤维具有在混凝土碱性环境中较为稳定，有较高熔点、且湿强保持率很好。而其耐火性差、对氧气和紫外线敏感的缺点，此外，聚丙烯分子没有极性基团的原因，使得其成为一种憎水性材料，粘结性较差。由于被包裹在水泥基体中，等于间接避开了其缺点[14]。

上世纪80年代，在普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土的抗压强度、抗拉强度及抗折强度的对比实验中得出结论，随着纤维体积率的增加，抗压强度降低，而抗拉强度和抗折强度有所提高。但A.M.Achozaimy等人[3]研究了聚丙烯纤维对普通混凝土和加入掺和料的混凝土性能的影响，结果表明，对于普通混凝土，纤维的加入只对抗冲击性有提高，对抗压强度、抗折强度基本没有影响，对于加入掺和料硅灰的混凝土，抗冲击性得到了更好的提高，抗压强度也明显提高。聚丙烯纤维的掺入[15]能够有助于混凝土早期强度相对大幅提高和改变轻骨料混凝土的破坏形态,改善轻骨料混凝土的脆性。在混凝土中石子和砂的作用下[16],聚丙烯纤维的形状发生改变，增加了纤维的粗糙度,会加强界面之间的力学作用。采用长期浸泡和干湿交替方式模拟海洋水下区与海洋潮汐区环境[17]，研究聚丙烯纤维混凝土中氯离子扩散的性能，结果表明，适量的聚丙烯纤维可降低侵入混凝土内部的氯离子含量。吴佳[18]等对高性能混凝土和掺不同长径比聚丙烯纤维高强混凝土进行高温抗压强度试验以及SEM(扫面电镜)分析,结果表明：当掺量为1.8kg/m3的聚丙烯纤维时,掺长径比为600、429的聚丙烯纤维更有利于混凝土的抗压强度增长,且长径比为600的聚丙烯纤维对高强混凝土性能的改善是最佳的。

由于采用的聚丙烯纤维掺加的量、工艺及试验方法不同，纤维的改善效果各不相同。聚丙烯纤维具有很多适合应用于水泥基材料的优点，但同时也存在一些缺点:表面能低，分子链上缺少活性官能团，而且表面疏水，因而纤维在水泥基材料中不容易分散；与基材的物理化学粘结力较差；弹性模量低，对水泥基材料硬化后的抗拉强度、抗压强度几乎没有增强作用[19]，加入聚丙烯纤维后[20]，保水性变好，混凝土拌合物的坍损减少，但混凝土拌合物的粘聚性变差。因此，改性聚丙烯纤维也应用到了纤维增强水泥基材料当中，有试验结果表明[21]亲水改性后的聚丙烯纤维与水泥基体之间粘结力会更强。

2.2 耐碱玻璃纤维增强水泥基复合材料的发展与研究

耐碱玻璃纤维的发明,使耐碱玻璃纤维产品从新开始发展，且发展迅速,耐碱玻璃纤维克服了玻璃纤维在碱性环境下易氧化的特点，使得玻璃纤维能够更好的作为增强体加水泥材料，从而提高水泥的抗弯、抗冲击以及抗拉强度。

在混凝土中掺加如短切耐碱玻璃纤维[22]，可以减少混凝土早期的裂缝，提高混凝土抗裂，抗冲击性、耐腐蚀性、耐久性等，且施工性能良好。但并不是加入的玻璃纤维越多越好，经研究表明[23]，在混凝土中掺入耐碱玻璃纤维短切丝,能有效提高混凝土的抗压强度,但耐碱玻璃纤维体积率为1%时强度提高的效果比体积率为2%时要好,这说明纤维也不是掺得越多越好,纤维过多会导致混凝土中孔隙率过大，反而使性能下降。

表1 标准养护下(20℃左右水中)耐碱纤维混凝土强度[25]

有研究表明[24]，虽然耐碱玻璃纤维的表面存在锆保护层，但水泥水化过程中形成的碱性物质仍会对纤维进行化学腐蚀，从而使得其性能下降。通过热养护实验[25]了解到耐碱玻璃纤维混凝土中耐碱玻璃纤维发挥出的增强增韧作用，但后期的观测表明耐碱玻璃的“耐碱”只是相对的，水泥碱性环境的长期的腐蚀之下依然会使纤维失去活性。说明虽然使用二氧化锆处理过的玻璃纤维耐碱性能大幅度提升，但玻璃纤维自身的性质使得其长期的耐碱性问题没有得到彻底得解决，耐久性问题仍旧存在。为此，加入活性掺料来抑制耐碱玻璃纤维在混凝土中的腐蚀，相关研究显示，加入了活性掺料煤灰粉或硅粉后[26-27]，耐腐蚀性能得到提升。现今玻璃纤维在水泥基材料中碱腐蚀情况依然没有得到有效的解决。

2.3 聚丙烯/玻璃混杂纤维在水泥基材料中的应用

混杂纤维增强水泥基材料的基本原理是将两种或多种纤维增强材料合理掺和加入一种基材中，从而产生既能发挥不同纤维优点，又能体现纤维间协同效应的新复合材料，可明显提高或改善原先单一纤维增强复合材料的某种或多种性能。姚志雄[28]提出的"纤维连锁"概念，纤维混杂使得纤维难以从基体中拔出，有效地抑制混凝土裂缝的开展。纤维混杂基本可分为两大类：一类是同种品质不同几何形态纤维混杂；另一类是不同品质不同几何形态的纤维混杂。从纤维混杂相个数的角度来分，又可分为二元混杂，三元混杂以及三元以上的多元混杂[29]。

复合材料方面，聚丙烯共混改性[30]的应用为混杂纤维在水泥基材料中的应用提供了新的思路，已使用玻璃纤维共混改性聚丙烯，改性后的聚丙烯在力学性能、热性能、硬度等方面均有不同程度的提高[31-33]，这为纤维增强水泥基材料提供了可行的思路。

高鹏锟[34]采用加速腐蚀的方法对比分析了聚丙烯纤维和耐碱玻璃纤维的耐碱性能分别测试不同时间两种种纤维的质量损失率和强力损失率，并通过电镜观察表面的变化情况。结果表明，聚丙烯纤维的耐碱性能优于耐碱玻璃纤维。而耐碱玻璃纤维相对于聚丙烯纤维，耐碱玻璃纤维弹性模量[35]是聚丙烯纤维的10多倍；强度是聚丙烯纤维的5倍多。由于玻璃纤维的弹性模量、强度较高，因此不但对混凝土早期塑性抗裂有作用，还对固化了的混凝土有增强增韧作用。加上前文所提到，玻璃纤维为高弹性模量纤维，聚丙烯纤维为高延性模量纤维。综上所述，两者混合掺入水泥基材料当中可以起到互补增强作用。

聚丙烯纤维和玻璃纤维混杂后[36]，聚丙烯纤维会成为影响混杂系数和混杂效应的主要因素。聚丙烯纤维及玻璃纤维混杂水泥基材料与单一纤维水泥基材料的抗拉强度较普通水泥基材料均有显著提高，但由于掺加聚丙烯纤维使玻璃纤维保持最大应力的应变增加，从而导致韧性显著增加，在应变下的裂缝宽度比单一聚丙烯纤维水泥基材料要小[37]。当耐碱玻璃纤维与聚丙烯纤维混杂使用时，对提高纤维混凝土疲劳强度效果更加明显。邓宗才等[36]发现聚丙烯纤维掺量为1.3kg·m-3，玻璃纤维掺量为2.7kg·m-3共同掺时，混杂纤维混凝土的疲劳强度比普通混凝土提高35.0%，即较高弹性模量的玻璃纤维与较高延性模量的聚丙烯纤维混杂使用，将发挥各自纤维的优势，进而提高混凝土的寿命。

3 总结

针对水泥基材料，掺入纤维增强基体已经是增强水泥基材料方法中较为主要的一种，有大量的研究已经能够说明纤维的掺入能使水泥基复合材料的不同性能均得到不同程度的提高。将掺入水泥基材料的纤维比作混凝土中的"钢筋"，所以纤维和水泥基体粘结的越牢固，纤维增强水泥的效果就会更加的明显。已有的使用无机胶凝材料、聚合物乳胶以及各种添加剂、填料按一定配方比例调制而成的聚丙烯/玻璃纤维混杂水泥基复合材料，其自身分为有机相和无机相，根据聚丙烯纤维和玻璃纤维的表面构成及化学性质可知，聚丙烯纤维同有机相结合较好，耐碱玻璃纤维同无机相的结合较好，这样两种纤维能够在全寿命防腐涂料中发挥更好的作用。聚丙烯纤维同玻璃纤维有性能方面的互补，聚丙烯纤维主要能够增强水泥基体的抗拉性能，耐碱玻璃纤维主要能够增强水泥基体的强度，两者共同掺入水泥基复合材料的某些性可能将得到不同程度的提高。另外，针对提高亲水性而制成的改性聚丙烯纤维，其在水泥基材料中的分散性以及和基体的结合能力都将得到提高。因此，改性聚丙烯纤维的引入将会给聚丙烯/玻璃纤维增强水泥基材料带来新的前景。

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(本文文献格式：刘鸿铭，费逸伟，孙世安，等.聚丙烯纤维及玻璃纤维水泥基复合材料的发展与研究[J].山东化工，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

刘鸿铭(1993—)，陕西西安人，空军勤务学院学生，在读研究生 ，从事重防腐涂料研究。

TQ340

A

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