浅谈高性能水泥基复合材料研究现状

（吉林建筑大学交通科学与工程学院, 长春 130118）

0 前言

21世纪以来，科学技术高速发展，社会时代飞速进步，伴随着环境恶化、资源紧缺和能源危机问题日益凸显。这些问题的出现对人类的可持续发展提出了新的挑战，同样也对我们材料科学提出了更高的要求。因此，高性能水泥基复合材料的出现和应用将会存在巨大潜力。

国内外研究学者通过大量试验研究得出，影响高性能水泥基复合材料强度和工作性能的因素较多。本文主要从以下两个方面对现有研究及存在的问题进行讨论和总结。

1 研究现状

1.1 对矿物掺合料的研究

矿物掺合料，是为了改善混凝土工作性能，节约用水量，调节混凝土强度等级，而在混凝土拌合时掺入天然的或人工的能够改善混凝土力学性能和工作性能的粉状矿物质。活性掺合料是在掺入减水剂的情况下，能够增加新拌混凝土的工作性能，并能提高混凝土的力学性能和耐久性。

王洪等[1]在高强混凝土中掺入适量的硅灰，在一定程度上增强了混凝土的抗压强度和抗折强度。Song H W等[2]指出硅灰能够显著改善混凝土的工作性和耐久性，过量的硅灰的自收缩性大，会降低混凝土的抗压强度。陈剑雄等[3]提出超细石灰石粉具有微集料效应，微显核效应等，能够促进 C3S的水化，显著提高混凝土抗压强度。崔崇等[4]认为超细高含硅质矿粉增强了集料与胶结料界面的粘结力。刘建忠等[5]通过研究指出，掺10%粉煤灰或矿渣粉不会影响低水胶比浆体的水化进程，粉煤灰对水化进程的延缓效果要优于同等掺量的矿渣粉。Shrestha S等[6]提出双掺超细磨粉煤灰和硅灰能够显著提高混凝土的早期强度。

以上研究表明，不同的矿物掺合料单掺、双掺和三掺作用机理不一样，对抗压强度的影响也就会产生不同。矿物掺合料的掺入可以替代部分水泥，降低成本，最根本的是可以降低水化热，优化孔洞结构，增强各相间的粘结，从而提高强度。矿物掺合料在降低水泥水化热的同时，也对水泥水化起到一定促进作用。

1.2 对纤维掺量的研究

通过纤维技术与混凝土技术结合，可研制出能够改善混凝土力学性能，提高土建工程质量的高性能混凝土。不同纤维对于混凝土的作用不同，影响程度也不同。例如，钢纤维对于机场、大坝、高速公路等工程可起到抗渗、防裂、抗冲击和抗折性能，合成纤维可以起到预防混凝土早期开裂，在混凝土材料制造初期起到表面保护，等等。

李悦等[7]认为有机纤维的掺入都不同程度地降低了抗压强度，提高了其抗折强度。刘曙光等[8]通过氯盐环境中的快速冻融试验研究，得出聚乙烯醇纤维能够强化水泥基复合材料的抗盐冻性能。卿龙邦等[9]通过不同钢纤维体积分数及不同试件尺寸的预制缺口三点弯曲梁断裂试验，研究了普通乱向及定向钢纤维增强水泥基复合材料的抗起裂特性。刘肖凡等[10]通过试验对不同体积掺量的钢纤维和聚丙烯纤维混掺进行收缩抗裂性能研究，得出最优体积掺量。

通过对不同纤维以及混掺纤维的水泥基复合材料的试验探究，在抗压强度方面，掺入有机纤维使抗压强度不同程度降低，但是在掺入钢纤维后，强度得到提高；在抗拉强度方面，掺入不同的纤维都使抗拉强度得到提高，其中掺入钢纤维最为明显。

2 存在的问题

目前，对水泥基材料的研究以及工程实际应用仍存在一些难点和不确定的因素，主要表现在：

（1）水泥基材料体系中各组分的参数和性能存在多变性。因此，有必要系统地研究不同组分下矿物掺合料对力学性能的影响，并从微观结构上分析各组分的作用和变化机理。

（2）如何合理优化选择和利用不同纤维以及混杂纤维制备出能够满足结构工程特殊部位所需的高性能多功能水泥基复合材料。

3 总结与展望

由于使用环境多变，对材料的要求已不仅仅是单一的功能，而是多功能性，满足各方面的要求。如何协调好各功能间的最优组合，将是其未来具有工程应用价值的发展方向之一。对于矿物掺合料的扩展研究，现在我们对矿物掺合料的研究只局限在常见的几种，加大对资源的利用率，扩大矿物掺合料的选用种类，并对其关键性能与增强韧性机理进行深入研究。国家也应加大对工业废弃物的再利用研究，提高材料的性价比，制备出满足工程需要，成本较低的材料。

[1]王洪, 陈伟天等. 硅灰对高强混凝土强度影响的试验研究[J]. 混凝土,2011(7):74-76.

[2]Song H W, Pack S W,et al. Estimation of the permeability of silica fume cement concrete[J]. Construction & Building Materials, 2010, 24(3):315-321.

[3]陈剑雄, 李鸿芳, 陈寒斌,等. 掺超细石灰石粉和钛矿渣粉超高强混凝土研究[J]. 建筑材料学报, 2005, 8(6):672-676.

[4]崔崇, 程水明等. 超细矿粉在超高强度管桩砼中的应用研究[J]. 武汉理工大学学报, 2001, 23(1):1-5.

[5]刘建忠, 孙伟等. 超高强混凝土用低水胶比浆体的水化热研究[J]. 建筑材料学报, 2010, 13(2):139-142.

[6]Shrestha S. Development of concrete mixtures incorporating ultrafine fly ash and silica fume[J]. Dissertations & Theses-Gradworks, 2010, 45(2113):41-46.

[7]李悦，朱金才等. 纤维对水泥基材料力学性能的影响[J].华中科技大学学报，2017,45(11):57-61.

[8]刘曙光, 闫敏等. 聚乙烯醇纤维强化水泥基复合材料的抗盐冻性能[J]. 吉林大学学报(工), 2012, 42(1):63-67.

[9]卿龙邦, 聂雅彤等. 钢纤维对水泥基复合材料抗起裂特性的影响[J]. 复合材料学报, 2017, 34(8):1862-1869.

[10]刘肖凡, 梅国栋等. 钢-聚丙烯混杂纤维水泥基复合材料干燥收缩抗裂性能研究[J]. 混凝土与水泥制品, 2016(2):51-54.