1、第 9 章纤 维 复 合 材 料Fiber Reinforced Composites土木工程材料 复合材料的基本概念重点：纤维增强复合材料的定义与种类 各种纤维增强材的组成与特性重点：玻璃纤维、碳纤维、钢纤维、芳烃纤维和聚丙烯纤维 钢纤维混凝土的组成、性能与配合比设计 非金属纤维增强水泥基复合材料重点：合成纤维的抗裂作用和有机纤维水泥复合材料 纤维增强树脂基复合材料重点：玻璃纤维和碳纤维增强热固性树脂本节知识架构第9章 纤维复合材料123459.1 概 述l 复合材料：两种或两种以上具有不同物理、化学性质的材料，以微观、细观或宏观等不同结构尺度和层次，按一定方式组合而形成的一种材料复合体l
2、复合材料包含两个相基体相和增强相 基体相为连续相，即“基材” ，主要起胶结作用，如：塑料、水泥、金属、陶瓷等 增强相为分散相，即“增强材” ，起胶结作用，如：纤维、固体颗粒、粉末等l 土木工程领域中的复合材料 纤维增强水泥基复合材料 纤维增强树脂基复合材料 Other- 3.4%商业5.3%航空航天0.7%土木工程20%航海11.6%防腐12.4%电子电器10%日用品6%交通运输30.6%其他3.6%9.1 概 述l 增强材是复合材料的关键组分，其作用有 沿纤维长度方向承受荷载，提供强度和刚度 细化、分解基材中的裂纹，减少了应力集中 阻止裂缝的扩展，提高抗拉强度和抗冲击性能 赋予复合材料在高应
3、力水平下的高断裂韧性和断裂 l 基材主要有水泥基材和树脂基材，有三方面作用 保护纤维表面，免受因磨耗或大气腐蚀引起的损伤； 通过界面的黏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 9.1.1 纤维增强复合材料的组成与分类纤维增强复合材料的组成与分类组 成1l 根据纤维和基体材料的特性 刚性纤维增强柔性基体，如：玻纤增强塑料； 刚性纤维增强脆性基体，如：玻纤增强水泥、陶瓷等； 柔性纤维增强脆性基体，如：钢纤维、有机纤维增强混凝土l 按照基体材料的类型 无机基复合材料 基体材料是无机材料包括水泥、陶瓷等； 有机基复合材料 基体材料是有机材料包括合成树脂、合成
4、橡胶等 金属基复合材料 基体材料是金属材料包括铁、钢、铝等。9.1.1 纤维增强复合材料的组成与分类纤维增强复合材料的组成与分类分 类29.1.1 纤维增强复合材料的组成与分类纤维增强复合材料的组成与分类l 按照增强材料的物态 颗粒增强复合材料 分散相为粒径在0.010.1m或达到cm级的颗粒状材料，例如：混凝土、塑料、金属陶瓷、金属玻璃等 纤维增强复合材料 分散相为长径比较大的纤维材料，纤维的长度可以是连续纤维，也可是短切纤维，例如：纤维增强塑料（GRC）、纤维增强水泥（GRC）等 泡沫填充复合材料 分散相是气泡，如各种泡沫材料。例如：泡沫塑料、泡沫金属、泡沫玻璃、泡沫水泥等l 层状复合材料
5、 单层复合材料 复合材料的断面是匀质一致的，没有明显的层状结构 多层复合材料 复合材料的断面呈现明显的层界面，有夹层、叠层多种结构构造分 类2l 纤维水泥复合材料（GRC） 按照纤维品种分类 ： 金属纤维水泥复合材料 玻璃纤维水泥复合材料 合成纤维水泥复合材料 天然有机纤维水泥复合材料 碳纤维水泥复合材料 混杂纤维水泥基合材料 按照水泥基材的组成和特性分类 纤维增强硅酸盐水泥 纤维增强低碱度水泥 纤维混凝土 纤维砂浆 9.1.1 纤维增强复合材料的组成与分类纤维增强复合材料的组成与分类纤维增强复合材料的种类3l 纤维塑料复合材料（FRP） 按照纤维品种分类 玻璃纤维增强塑料（玻璃钢） 碳纤维增
6、强塑料 合成纤维增强塑料 金属纤维增强塑料 按照树脂基材的特性分类 纤维增强热塑性塑料 纤维增强热固性塑料 9.1.1 纤维增强复合材料的组成与分类纤维增强复合材料的组成与分类3纤维增强复合材料的种类9.1.1 纤维增强复合材料的组成与分类纤维增强复合材料的组成与分类 这种板由两层面板和蜂窝芯板构成。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
7、、隔板、地板中。 蜂窝夹层复合板9.1.1 纤维增强复合材料的组成与分类纤维增强复合材料的组成与分类蜂窝芯板结构9.1.1 纤维增强复合材料的组成与分类纤维增强复合材料的组成与分类9.1.1 纤维增强复合材料的组成与分类纤维增强复合材料的组成与分类l “界面”：结构和性能均不同于相邻两相本体、只存在于两相结合面上的那个薄层区域l 界面有一定厚度，所以也称为界面相或界面层或界面区l 界面相内可能呈现非均匀、非对称、非有序的分布，如梯度分布等 l 界面相的形成： 异质材料接触时，在接触面上发生化学反应，或两相元素的扩散或溶解，形成新相 由于基体的凝结硬化或固化而产生内应力，或两相结构间的诱导效应，
8、使接近增强材的基体部分的结构发生不同于基体本体结构的差异l 界面相的结构对复合材料的性能的影响很大 9.1.2 纤维增强复合材料中的界面纤维增强复合材料中的界面l 两种或两种以上不同物理、化学性质的材料被复合后会形成怎样的界面？答：在两相材料的界面上可能发生化学反应、吸附、相互渗透等作用，形成一定厚度的界面区，该界面的组成、结构和性能不同于任一种组分材料。l 你认为复合材料中界面的重要性有哪些？答：界面区对于复合材料的性能至关重要，例如，将两相结合成整体、传递荷载、协调变形、保护等。9.1.2 纤维增强复合材料中的界面纤维增强复合材料中的界面问 题？ l 物理力学性能的线性加和性 复合材料定律
9、： l 性能的不均一性 各向异性l 性能的可设计性强 通过组成与结构设计，充分发挥两相材料的优点，相互补辅各自的不足，因而赋予复合材料以最大的优势。这种优势的互补可以产生量与质的飞跃l 性能的离散性较大 多相复合体，比较复杂l 比强度和比刚度大 质量轻、强度高 l 尺寸稳定 刚度好 9.1.3 纤维增强复合材料的特点纤维增强复合材料的特点1性能特点mfcbaPPPl 大尺寸的构件可以一次性成型，没有接缝或接头等l 设计灵活性 纤维复合材料具有一些可变结构参数，如：复合度、连接度、对称度、尺度和周期性等，改变这些结构参数可以大幅度改变材料的特性 l 复杂的表面或几何形状的构件成型方便 l 定向强
10、化 可以通过纤维布局，实现定向强化l 特殊的表面修饰 可以通过模具或模型，使得构件或制品表面产生特定的装饰效果 9.1.3 纤维增强复合材料的特点纤维增强复合材料的特点2应用特点l 为什么要将两种或两种以上不同物理、化学性质的材料复合在一起？答：将两种不同材质和性能的材料复合在一起，使他们相辅相成、相互增强，从而，获得具有更加优良性能的多物相多组分材料。l 请列举一个实例，说明复合材料的优势答：混凝土、加筋布、玻钢瓦等。9.1 概 述问 题？9.2 纤维增强复合材料的增强材纤维增强复合材料的增强材纤维增强复合材料用增强材的品种很多，主要有三大类l 无机纤维 例如，玻璃纤维、碳纤维、氧化铝纤维、
11、碳化硅纤维及特种玻璃纤维（Sglass）等无机纤维l 有机纤维 例如，木纤维、麻纤维等植物纤维；芳纶、聚芳酯、超高分子量聚乙烯等高性能合成纤维l 金属纤维 例如，碳钢纤维、不锈钢纤维等金属纤维各种纤维的应力应变曲线9.2 纤维增强复合材料的增强材纤维增强复合材料的增强材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 3
12、000 95 5.59.2 纤维增强复合材料的增强材纤维增强复合材料的增强材l 玻璃纤维由处于1200C的高温熔融态玻璃经高速拉丝，并在5秒钟内冷却至室温而成纤维束。l 经铂金干埚底板上的丝孔板拉出的纤维束，用润滑剂进行表面处理，以改善纤维表面特性。l 纤维束再经加工形成不同形式的纤维制品： 纱锭 沿纤维的径向具有很高的拉伸强度； 短切纤维 能使纤维在基体材料中无规分布； 短切纤维毡 提供了准各向同性的增强材料； 纤维织物 可以提供较薄的纤维毡。9.2.1 无机无机纤维纤维1玻璃纤维玻璃纤维的制造过程9.2.1 无机无机纤维纤维玻璃原料混合系统玻璃熔化系统熔融玻璃制球系统玻璃原料： 砂（SiO
13、2）、长石、氧化铝、白云石质石灰石、碱和硼酸9.2.1 无机无机纤维纤维拉 丝 工 艺9.2.1 无机无机纤维纤维拉丝工艺9.2.1 无机无机纤维纤维玻璃纤维无纺布9.2.1 无机无机纤维纤维玻璃纤维毡9.2.1 无机无机纤维纤维玻璃纤维纱锭9.2.1 无机无机纤维纤维玻璃纤维无纺布9.2.1 无机无机纤维纤维有四种玻璃可以用于制造玻璃纤维：l E玻璃纤维 低碱含量的普通玻璃，属CaAlBSi体系的无碱玻璃纤维，具有良好的电绝缘性、高强度、较高弹模、低密度和良好耐水性；抗酸、碱等化学腐蚀性较低l AR玻璃纤维 组成中含约16ZrO2，是抗碱玻璃纤维，其耐碱性优于普通玻璃纤维，是水泥基复合材料的
14、良好增强材l S玻璃纤维 高强度玻璃纤维，主要成分是SiO2、Al2O3和MgO，其拉伸强度比E玻璃纤维高35左右l M玻璃纤维 高模量玻璃纤维，弹性模量高，拉伸强度也很高。如代号为“M2”的玻璃纤维，其弹性模量高达95GPa ，主要用于航天航空领域玻璃纤维种类9.2.1 无机无机纤维纤维l 碳纤维 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。l 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)l 用于制造碳纤维的母体(precursors)纤维有： 人造纤维素纤维（Rayon）
15、经碳化后只有25的产率 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l 碳纤维型号：(2000C)、(1500C)、(1350C)。9.2.1 无机无机纤维纤维2碳纤维9.2.1 无机无机纤维纤维碳纤维纱锭碳纤维的制造工艺流程图9.2.1 无机无机纤维纤维碳纤维的制造工艺流程9.2.1 无机无机纤维纤维生产1kg碳纤维需要2kg的聚丙烯晴纤维9.2.1 无机无机纤维纤维碳纤维在石墨化过程中分子结构的转变9.2.1 无机无机纤维纤维碳纤维的
16、显微照片9.2.1 无机无机纤维纤维碳纤维拉伸断裂端的显微照片9.2.1 无机无机纤维纤维不同品种的碳纤维的弹模和拉伸强度9.2.1 无机无机纤维纤维l 钢纤维的分类 按照生产工艺 主要有四种不同类型的钢纤维。例如切断型、剪切型、熔抽型和切削型等 照钢纤维的几何外形分类，有长直形、压痕形、波浪形、弯钩形、大头形、扭曲形等 按钢纤维的截面形状分类，有圆形（a）、矩形（b）、月牙形 （c）和不规则形（d）等 9.2.2 金属金属纤维纤维1碳钢纤维9.2.2 金属金属纤维纤维钢纤维种类波浪型 针状型 片状弯曲型 片状侧钩型 钢纤维种类9.2.2 金属金属纤维纤维l 抗拉强度 钢纤维的抗拉强度一般为6
17、001000MPa， 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。l 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9.2.2 金属金属纤维纤维1碳钢纤维l 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，如果太脆，容易发生折断l 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
18、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9.2.2 金属金属纤维纤维1碳钢纤维密度 (g/cm3)抗拉强度 (MPa)弹性模量 (GPa)极限延伸率 (%)7.8038020002002103.54.0l 混凝土是一种脆性材料，强度越高，脆性越大l 脆性材料的特点：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l 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l 本节主要讨论在土木工程中应用较广的钢纤维混凝土的
19、组成、结构和性能9.3 钢钢纤维混凝土纤维混凝土l 钢纤维混凝土是在普通混凝土、高性能混凝土或其他混凝土的基础上，添加一定量的钢纤维制成的一种纤维增强水泥基复合材料l 钢纤维混凝土的组成材料 水泥 42.5和52.5普通硅酸盐水泥，水泥用量一般为360450kg/m3 骨料 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 钢纤维 化学外加剂 主要使用减水剂，以提高混凝土的和易性 矿物掺合料 有粉煤灰、硅粉、矿渣等9.3.1 钢纤维混凝土的组成与结构钢纤维混凝土的组成与结构1组成与组成材料抗 拉 强 度 M P a 强 度 等 级 适 用 范 围 产 品 类别
20、备 注 1000 1000 隧 道 、 军 事 工 程 切 断 型 600 600 机 场 、 公 路 、 桥 梁 切 断 型 可 生 产 剪 切 型 380 380 工 业 、 民 用 建 筑 剪 切 型 钢纤维的选用强度等级 1000 600 380抗拉强度（MPa） 1000 6001000 3806009.3.1 钢纤维混凝土的组成与结构钢纤维混凝土的组成与结构l 钢纤维长度 用lf表示，临界长度（lfcr）钢纤维长度可为 1560mm，常用的是2530mm l 钢纤维的直径或截面等效直径 用df 表示，一般为0.31.2mml 钢纤维的长径比 长度与直径或等效直径之比，即lf/df
21、。一般为30100 l 钢纤维体积率 钢纤维所占钢纤维混凝土的体积百分数，用f 表示l 钢纤维含量特征参数 钢纤维体积率与长径比的乘积称为含量特征参数，用f 表示，即ff lf /df 9.3.1 钢纤维混凝土的组成与结构钢纤维混凝土的组成与结构9.3.1 钢纤维混凝土的组成与结构钢纤维混凝土的组成与结构2钢纤维的几何及体积参数几何参数选用表 结构类型 长度（mm） （等效）直径 mm 长径比 一般浇注成型结构 2560 0.31.2 40100 框架抗震节点 4060 0.41.2 50100 铁路轨枕 2030 0.30.6 5070 喷射混凝土 1525 0.30.5 3060 结构类型
22、 f（） 结构类型 f（） 一般浇注型结构 0.52.0 铁路轨枕、防水屋面 0.81.2 局部受压构件、 桥面板 1.01.5 喷射混凝土 0.51.5 9.3.1 钢纤维混凝土的组成与结构钢纤维混凝土的组成与结构钢纤维体积率选用表钢纤维体积率Vf（%）基体混凝土强度水灰比W/C材 料 用 量（kg/ m3）水泥砂石子水JM-B钢纤维0C400.40440749107917503.5200.5C400.4044078610421753.52391.0C400.404408419871753.52781.5C400.404408909321753.521170CF0.340.344708351
23、0211604.7001.2CF0.340.3447083510211604.7094钢纤维混凝土配合比 9.3.1 钢纤维混凝土的组成与结构钢纤维混凝土的组成与结构l 宏观结构上 钢纤维均匀分散在基体混凝土中l 细观上 钢纤维主要分布在水泥石中，由此构成一个非均一的复合材料体系 3钢纤维混凝土的结构钢纤维混凝土的宏观结构9.3.1 钢纤维混凝土的组成与结构钢纤维混凝土的组成与结构l 钢纤维在拌合物中的分散均匀性用不同部位取样中钢纤维含量的分布来表示：l 影响因素 钢纤维的体积率宜为12%、直径或等效直径为0.30.6mm、长度为2040mm、长径比为5080；粗骨料最大粒径以15mm为宜，最
24、大不应超过20mm 当粗骨料的最大粒径相同、钢纤维体积率不变时，砂率较大者分散性较好 拌合物的水灰比和水泥浆量较大时，钢纤维容易分散9.3.2 新拌钢纤维混凝土的性质新拌钢纤维混凝土的性质1钢纤维在拌合物中的分散均匀性 ixe 5 . 0211nxxiil 特 点 组成材料和配合比相同时，钢纤维混凝土拌合物的流动性明显小于普通混凝土，但粘聚性和保水性有所改善 坍落度小于20mm时，测试值不敏感，误差较大 倒置坍落度筒法比较适用于拌合物和易性测量l 影响因素 倒置坍落度稠度随钢纤维体积率的增加而增大 良好的和易性 水泥浆用量一般应为360450kg/m3；水灰比以0.400.50为宜；砂率宜为4
25、050% 加入适量的外加剂 改善和易性9.3.2 新拌钢纤维混凝土的性质新拌钢纤维混凝土的性质2拌合物的和易性 l 振捣时间 欠振会影响密实性，过振会引起钢纤维的下沉，降低钢纤维分散均匀性l 振捣时间与钢纤维的体积率、长径比等有关 钢纤维体积率相同时，钢纤维长径比大者，振捣所需时间要长 若在同样的长径比下，体积率大者，其振捣的时间要长 l 振捣时，宜采用振动台、表面振动器或平板振动器 9.3.2 新拌钢纤维混凝土的性质新拌钢纤维混凝土的性质3拌合物的振捣密实性 l 特点：强韧性纤维增强脆性基体l 破坏模式：纤维拔出、基体多道开裂l 复合力学理论 用混合原理推导钢纤维混凝土的应力、弹性模量和强度
26、等性能与组成的关系： l 纤维间距理论 增强混凝土的抗拉性能，必须尽可能地减小内部缺陷的尺寸，降低裂缝尖端的应力场强度因子l 强度的一般计算公式 9.3.3 钢纤维混凝土的力学性质钢纤维混凝土的力学性质1钢纤维在混凝土中的增强机理 fftmm0fmfcaff19.3.3 钢纤维混凝土的力学性质钢纤维混凝土的力学性质典型的应力应变全曲线 9.3.3 钢纤维混凝土的力学性质钢纤维混凝土的力学性质典型的应力应变全曲线 l 强度等级 ：按照立方体抗压强度标准值fcu,k。钢纤维混凝土的强度等级分为CF20、CF25、CF30、CF35、CF40、CF45、CF50、F55、CF60共9个等级 l 强度
27、的一般计算公式l 混凝土基体性能和钢纤维水泥基界面黏结强度是决定抗压强度的主要因素 9.3.3 钢纤维混凝土的力学性质钢纤维混凝土的力学性质2抗压强度 fCUMCUCff06. 01长径比对抗压强度的影响 9.3.3 钢纤维混凝土的力学性质钢纤维混凝土的力学性质9.3.3 钢纤维混凝土的力学性质钢纤维混凝土的力学性质体积率对抗压强度的影响 l 钢纤维混凝土抗拉强度也采用劈裂抗拉强度试验方法间接测定，采用边长为150mm的立方体为标准试件l 影响钢纤维混凝土抗拉强度的主要因素是钢纤维和混凝土基体的特性以及钢纤维体积率、长径比l 强度的一般计算公式9.3.3 钢纤维混凝土的力学性质钢纤维混凝土的力
28、学性质3抗拉强度 ftTMTFCaff1钢纤维类型圆直型、熔抽型(df35mm)熔抽型、剪切型(df35mm)t0.360.47b0.520.739.3.3 钢纤维混凝土的力学性质钢纤维混凝土的力学性质直接拉伸 带缺口试件的直接拉伸 9.3.3 钢纤维混凝土的力学性质钢纤维混凝土的力学性质9.3.3 钢纤维混凝土的力学性质钢纤维混凝土的力学性质l 采用150mm150mm600mm（550mm）梁式标准试件l 强度的一般计算公式4抗弯强度 钢纤维类型圆直型、熔抽型(df35mm)熔抽型、剪切型(df35mm)t0.360.47b0.520.73fbBMBFCaff1带缺口试件的三点弯曲 9.3
29、.3 钢纤维混凝土的力学性质钢纤维混凝土的力学性质9.3.3 钢纤维混凝土的力学性质钢纤维混凝土的力学性质l 弹性模量 取初始应力值为0.5MPa、应力上限值为0.4fFC（轴心抗压强度）之间的割线模量为静压弹性模量l 弹性模量随其抗压强度的提高而增加l 韧性评价指标：压缩韧度指数和弯曲韧度指数 在常用钢纤维体积率下，钢纤维混凝土的压缩韧度指数提高27倍 钢纤维混凝土的弯曲韧度指数比素混凝土可提高几倍至几十倍 5弹性与韧性 同级普通混凝土（RC）与钢纤维混凝土（SFRC）力学性混凝土种类RCSFRC增长百分率（%） 抗拉强度 （MPa）3.55.39750100 抗压强度 （MPa）31.23
30、2.5404.428.2 极限抗弯强度 （MPa）5.59.1813.7567250 初裂抗弯强度 （MPa）4.8879.843100 初裂强度 （N.m）8.852353160500 冲击疲劳强度 （J/cm2）5.9653.3918001500 抗渗性能 （MPa）0.150.8400500 抗冻融性 3009.3.3 钢纤维混凝土的力学性质钢纤维混凝土的力学性质力学性能SF-0SF-1.0SF-1.5SF-2.0抗压强度（MPa）43.649.851.255.3100%114.20%117.40%126.80%劈拉强度（MPa）3.744.895.76.58100%129.90%152
31、.40%175.90%初裂抗弯强度（MPa）5.186.987.788.94100%134.70%150.20%172.60%极限抗变强度（MPa）5.69.410.713.9100%167.80%191.10%248.20%初裂韧度（Nmm）185.2394.1832.11161.1100%212.80%449.30%627.00%钢纤维体积率对力学性能的影响9.3.3 钢纤维混凝土的力学性质钢纤维混凝土的力学性质l 你认为钢纤维混凝土的两种破坏模式拔出与断裂，哪一种更能提高其韧性？为什么？答：纤维被拔出更能增加钢纤维混凝土破坏时吸收的能量，因而更能提高其韧性。因为，钢纤维断裂只能以表面能的
32、形式提高其破坏时吸收的能量，而纤维的拔出功是界面阻力与拔出长度的乘积。l 为什么要将钢纤维制成各种弯曲或带端钩的形状？答：增加界面摩阻力9.3.3 钢纤维混凝土的力学性质钢纤维混凝土的力学性质问 题？9.3.4 钢纤维混凝土配合比设计钢纤维混凝土配合比设计l 基本要求 强度、和易性、耐久性和经济性l 设计任务 合理确定水灰比、钢纤维的体积率、单位用水量和砂率等基本参数，最终计算出各组成材料的用量l 主要步骤 以鲍罗米公式，确定水灰比 以抗拉强度或抗折强度与水灰比、钢纤维体积率的关系，确定钢纤维体积率 根据和易性的要求确定砂率和用水量 在初始配合比的基础上，通过试验并结合施工现场的条件对初始配合
33、比进行调整 设计原理与方法 9.3.5 高性能钢纤维混凝土高性能钢纤维混凝土l 活性粉末混凝土（RPC材料）没有粗骨料的钢纤维混凝土 l 组 成 水泥用量大于或等于700kg/m3；砂子用量大于或等于1000 kg/m3；钢纤维体积率大于或等于2.0；水灰比小于0.2；此外，掺入硅灰、磨细硅砂和高效减水剂l 拌和及成型工艺 强制式搅拌机搅拌，得到黏稠状拌合物，采用振动浇注和加压压制成型各种制品l 性能特点 一种强韧性无机复合材料，具有很高的强度和很好的韧性 l 应 用 可以用来生产各种结构构件，如异型梁、板材、管材。也可生产桥面板、隧道内衬管片等 1活性粉末混凝土 9.3.5 高性能钢纤维混凝
34、土高性能钢纤维混凝土l 注浆钢纤维混凝土（SIFCON） 是一种钢纤维体积率很大的高性能钢纤维混凝土 l 组 成 钢纤维体积率为520 、砂子粒径小于125m、胶砂比为1:11:1.5；水胶比通常为0.300.35 l 拌和及成型工艺 先将钢纤维均匀填满模具中，然后将水泥浆或水泥砂浆注入模具中，再使模具适当振动以排出空气l 性能特点 SIFCON在受压时的能量吸收值比普通混凝土高12个数量级；受压弹性模量为1425GPa，抗弯强度可达70MPa以上 l 应 用 可以用于特殊工程中，或特殊的混凝土结构构件或部位等，如防爆结构体 2注浆钢纤维混凝土 9.5 纤维增强树脂基复合材料纤维增强树脂基复合
35、材料l 定 义 纤维增强树脂基复合材料是以聚合物为基体，纤维作为增强材的复合材料，所用聚合物一般是合成树脂或塑料，因而，又称为纤维增强塑料或FRPl 特 点 纤维增强塑料（FRP ）是一种刚性纤维增强柔性基体的复合材料，具有密度小、强度高、耐化学腐蚀、传热慢、电绝缘性能好、隔声、减震和耐瞬时高温烧蚀等特性l 种 类 玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、尼龙纤维增强塑料l 土木工程应用 桥梁工程、混凝土结构物修补加固、防腐工程、给水排水工程与废水处理l 本节主要讲述玻璃纤维增强热固性塑料（俗称玻璃钢或GFRP）和碳纤维增强热固性塑料的基本知识概 述 9.5.1 聚合物基体材料聚合物基体材料l 耐热
36、性 包括玻璃化温度、耐热氧化稳定性、热分解温度 、阻燃性能和热变形温度等，它决定了复合材料的使用温度 l 力学性能 包括在使用条件下的拉伸、压缩、弯曲、抗冲击性能和断裂韧性等，需满足复合材料的结构设计要求l 工艺性 包括溶解性、熔融黏度（流动性）和黏度的变化情况，其固化性能则直接决定复合材料的成型方法和工艺参数的选择l 其他性能 包括耐溶剂性、自润滑、耐腐蚀等。对于有光学使用要求的树脂，还应考虑折光指数、透明度、颜色、耐候性及光化学稳定性等 1基本性能要求 9.5.1 聚合物基体材料聚合物基体材料l 浸润性 将合成树脂均匀地浸渍或涂敷在纤维或其织物上，树脂对纤维的浸润能力是决定树脂能否均匀分布
37、于纤维表面的关键因素l 黏结性 根据热力学原理，树脂对纤维的黏附功l 流动性 通过调节温度与溶剂量，可以很容易使树脂获得成型工艺所需的流动性l 固化性能 固化中的三阶段，树脂呈三种物理状态黏流态、凝胶态和固态 2热固性树脂的工艺性能 cos1rA9.5.1 聚合物基体材料聚合物基体材料l 不饱和聚酯树脂 由不饱和二元羧酸或酸酐（顺丁烯二酸酐、反丁烯二酸等）、饱和二元羧酸或酸酐（邻苯二甲酸酐、间苯二甲酸等）与二元醇（乙二醇、1,2丙二醇等）经缩聚反应合成的l 不饱和聚酯树脂类型 按其性能不同，分为通用型、耐热型、耐腐蚀型和自熄型等；按其化学结构不同，分为顺酐型、丙烯酸型、丙烯酸环氧酯型和丙烯酯型
38、等l 聚酯树脂的辅助剂 不饱和聚酯树脂的辅助剂有交联剂、引发剂、促进剂、阻聚剂和光敏引发剂等3不饱和聚酯树脂及辅助剂 聚酯树酯9.5.1 聚合物基体材料聚合物基体材料3不饱和聚酯树脂及辅助剂 l 粘度小、浸润性好、气泡容易排除、凝胶时间可根据需要任意调节控制、工艺性能最好l 强度和表面耐磨性较高l 可在100C下长期使用l 添加增塑剂可以大幅度提高其韧性l 有较好的耐水性，但耐碱和溶剂的性能较差，不耐氧化性介质l 固化过程中有较大收缩变形l 相对价格也较低。不饱和聚酯树脂的特性9.5.1 聚合物基体材料聚合物基体材料9.5.1 聚合物基体材料聚合物基体材料4环氧树脂及辅助剂 l 环氧树脂 常用
39、的环氧树脂是由双酚基丙烷（双酚A）与环氧氯丙烷在强碱（KOH、NaOH）存在下的缩聚反应制得的l 主要性能 有环氧值、无机氯含量、总氯含量、挥发分和分子量、液体树脂黏度或固化树脂软化点等 l 固化和固化剂 环氧树脂的固化剂种类较多，大体上分为两类 反应性固化剂 含有活泼氢原子，例如，多元伯胺、多元羧酸、多元硫醇和多元酚等 催化性固化剂 如，叔胺和三氟化硼络合物等 l 环氧树脂的辅助剂 除固化剂以外的辅助剂，主要有稀释剂、增韧剂和填料 l 强度高；l 韧性较好；l 尺寸稳定性高；l 耐老化，耐热、耐寒；l 具有优良的电绝缘性能。 环氧树脂的特性9.5.1 聚合物基体材料聚合物基体材料9.5.1
40、聚合物基体材料聚合物基体材料5酚醛树脂及辅助剂 l 热塑性酚醛树脂 在pH值小于3.0的环境下，由甲醛与三官能度（苯酚、间苯二酚）或双官能度的酚类化合物（邻苯甲酚、对苯酚等）以6:5或7:6的摩尔比缩聚，得到热塑性酚醛树脂 l 热固性酚醛树脂 在碱性环境（pH值811）下，以苯酚和甲醛的摩尔比为6:7进行缩聚反应，得到热固性酚醛树脂l 将酚醛树脂的酚羟基醚化、酯化、重金属螯合以及严格控制固化条件，改变酚醛树脂结构与组成、加大固化剂掺量等，均可以提高酚醛树脂固化体的耐热性 l 酚醛树脂具有较大的刚性和强度l 耐热和耐火焰性优良l 耐湿性和耐腐蚀性好l 良好的电绝缘性l 色暗、呈固有的脆性l 不耐
41、碱酚醛树脂的特性9.5.1 聚合物基体材料聚合物基体材料l 手糊工艺 手工一层纤维一层树脂地糊制成各种形状和结构的制品或构件l 喷射成型工艺 利用喷枪将树脂与纤维同时喷到模具上而制得纤维增强塑料的工艺方法 l 模压工艺 将一定量的模压料装入金属对模中，在一定温度和压力作用下压制成制品的一种方法l 缠绕工艺 将连续纤维经过浸胶后，按照一定规律缠绕在芯模上，然后在加热或常温下固化，制成一定形状制品的工艺方法l 层压工艺 可成型层状板材l 拉挤工艺 可以成型各种棒材、型材l 卷管工艺 生产各种管材9.5.2 纤维增强塑料的制备工艺方法纤维增强塑料的制备工艺方法9.5.2 纤维增强塑料的制备工艺方法纤
42、维增强塑料的制备工艺方法拉挤工艺9.5.2 纤维增强塑料的制备工艺方法纤维增强塑料的制备工艺方法拉挤工艺9.5.2 纤维增强塑料的制备工艺方法纤维增强塑料的制备工艺方法缠绕工艺9.5.2 纤维增强塑料的制备工艺方法纤维增强塑料的制备工艺方法层板工艺l 树脂 常用树酯有环氧、酚醛、不饱和聚酯等l 增强材料 短切纤维或纤维织物、片状材料等增强材料l 填料 石灰石粉、滑石粉等l 添加剂 固化剂、脱模剂、防老化剂、润滑剂等9.5.3 纤维增强塑料的组成与性能纤维增强塑料的组成与性能1组 成 微 结 构 9.5.3 纤维增强塑料的组成与性能纤维增强塑料的组成与性能l 特点 比强度高、层间剪切强度和弹性模
43、量较低、各向异性等l 拉伸性能 拉伸强度主要取决于纤维增强材的拉伸强度 l 压缩性能 压缩破坏主要取决于树脂基材的压缩破坏 l 弯曲性能 弯曲强度和弯曲弹性模量均随纤维体积率的增加而提高，而且还与纤维增强材的种类与几何形态、铺层方式等有关l 剪切性能 剪切强度主要取决于纤维树脂基体界面黏结强度和树脂基材的强度l 冲击性能 抗冲击性能主要与成型工艺方法、增强材的形态有关l 蠕变性能 与树脂基材的交联度、纤维体积率有关9.5.3 纤维增强塑料的组成与性能纤维增强塑料的组成与性能2力学性能 l 导致纤维增强塑料性能随时间衰变的因素：温度、湿度、溶液和溶剂和大气环境中的紫外光等l 温度 剧烈的温度变化
44、会导致纤维与树脂基材界面脱粘，树脂的热老化l 湿度 水分子削弱纤维与树脂界面粘结强度l 溶液和溶剂 有机溶剂会使复合材料中的树脂基材产生溶胀l 大气老化 纤维增强塑料的树脂基材长期暴露在大气环境中，太阳光的紫外线会引起树脂降解，从而导致复合材料开裂和变脆 9.5.3 纤维增强塑料的组成与性能纤维增强塑料的组成与性能3耐久性能 9.5.4 纤维增强塑料及其结构设计纤维增强塑料及其结构设计1纤维基体间的应力传递 P 玻璃纤维 x如图，将一个刚性的圆形纤维受拉时，纤维上的应力为： P = r2x = 2 r xdx x = (2/r） x dx 由此可得：基体中纤维所受的拉应力与纤维的半径 r 成反
45、比，与界面剪切应力 成正比；另一方面，纤维上的拉应力在长度方向上是不同的，与x有关，因而存在一个纤维的临界长度lc，要使纤维起到很好的增强作用，其长度必须大于临界长度lcl 如果复合材料的破坏是由于基体的塑性变形引起的，则，纤维的临界长度为： lc = r f / y 式中： f是纤维的拉伸强度；y 是屈服剪切应力l 如果复合材料的破坏是由纤维的断裂引起的，则，纤维的临界比为： lc/d = f / 2y 因此，要充分发挥刚性纤维对柔性基体的增强作用，除了纤维的长度和指境外，还必须增加界面剪切屈服应力y。即提高纤维与基体间的界面粘结强度。常用的方法是对纤维表面进行处理，使纤维表面能与基体材料发
46、生化学结合，形成化学键。2组成设计 9.5.4 纤维增强塑料及其结构设计纤维增强塑料及其结构设计l 最小纤维体积分数为： Vmin = w / (f + w ） 其中： w = f m f 是纤维的拉伸强度l 当Vf Vmin时， c = u (1 Vf) l 当l lc时， c = f Vf + m (1 Vf) 式中： f = f （1 lc/2l) 由这些公式，就可以设计复合材料中纤维的长度和体积掺量9.5.4 纤维增强塑料及其结构设计纤维增强塑料及其结构设计2组成设计 纤维增强塑料在建筑上主要有以下一些应用：l 轻质结构材料 如：建造桥梁、人行天桥、混凝土的增强筋等l 钢筋混凝土结构的
47、加固、修补材料 如：钢筋混凝土框架结构的节点的抗震加固，混凝土樑的的受拉面加固与修补等l 各种板材 如：建筑墙板、模板等l 各种型材 如：角形材、方形管材等l 各种管材 如：排水管、排污管、防腐管等l 各种建筑用制品 如：瓦、管道、雨棚、遮阳棚、屋顶膜、装饰材料和电绝缘材料等9.5.4 纤维增强塑料的应用纤维增强塑料的应用9.5.4 纤维增强塑料的应用纤维增强塑料的应用轻结构桥梁 轻结构桥梁 9.5.4 纤维增强塑料的应用纤维增强塑料的应用轻结构桥梁构件断面 9.5.4 纤维增强塑料的应用纤维增强塑料的应用混凝土增强筋9.5.4 纤维增强塑料的应用纤维增强塑料的应用混凝土增强筋9.5.4 纤维
48、增强塑料的应用纤维增强塑料的应用9.5.4 纤维增强塑料的应用纤维增强塑料的应用9.5.4 纤维增强塑料的应用纤维增强塑料的应用混凝土增强筋的破坏模式9.5.4 纤维增强塑料的应用纤维增强塑料的应用混凝土增强筋的力学性能9.5.4 纤维增强塑料的应用纤维增强塑料的应用混凝土增强筋的力学性能010203040506070809000.20.40.60.81Strain,%Stress,MPaPC GFRPCCFRPC024681012141600.050.10.15Strain,%Stress,MPaPCGFRPCCFRPC几种增强筋的性能比较9.5.4 纤维增强塑料的应用纤维增强塑料的应用纤维
49、增强塑料棒作为混凝土的配筋9.5.4 纤维增强塑料的应用纤维增强塑料的应用纤维增强材料作为桥面板配筋9.5.4 纤维增强塑料的应用纤维增强塑料的应用纤维增强材料作为桥面板配筋9.5.4 纤维增强塑料的应用纤维增强塑料的应用纤维增强材料作为桥面板配筋9.5.4 纤维增强塑料的应用纤维增强塑料的应用9.5.4 纤维增强塑料的应用纤维增强塑料的应用纤维增强材料储油设施9.5.4 纤维增强塑料的应用纤维增强塑料的应用9.5.4 纤维增强塑料的应用纤维增强塑料的应用纤维增强材料管混凝土结构纤维增强树脂用于受损钢筋混凝土结构修补加固9.5.4 纤维增强塑料的应用纤维增强塑料的应用 建筑物结构加固主要基于以
50、下原因 ：l 材料因素 水泥质量不合格或选择不当 ；砂、石质量不佳 。l 设计因素 安全度不足，对环境作用估计不足。 l 施工因素 配料不准、搅拌不匀、浇灌振捣不实或间隔时间太长；留有施工缝；保养不好；配筋偏差。 l 使用因素 需要增加结构荷载、改变结构使用功能；遭受水灾、风灾、火灾及地震等灾害，使结构构件遭到破坏；地基不均匀沉降l 环境因素 冻融循环作用 ；腐蚀介质作用 ；碳化；海水、海风作用等 l 结构胶 主要是环氧树脂、增韧剂（如二丁酯或聚酰胺等）、稀释剂（二甲苯或丙酮等）和固化剂（乙二胺等）l 纤维材料 碳纤维或碳纤维布；钢丝网；玻璃纤维等纤维增强树脂用于受损钢筋混凝土结构修补加固9.
