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目录

1课题的背景和意义

1.1传统水泥基材料的缺点及补偿措施

1.2高性能水泥基材料的发展与应用现状简介

1.3纤维高性能水泥基材料的发展史及应用

1.4橡胶粉高性能水泥基材料的发展及应用

1.5纤维及橡胶粉对高性能水泥基材料的作用机理及优点

1.6粉煤灰对水泥基材料的作用机理及优点

1.7硅灰对水泥基材料的作用机理及优点

1.8本课题研究的意义

2课题的基本内容及初步分析

3课题研究的目标

4拟采用的研究思路和试验方案

5进度安排

开题报告

题目：

纤维橡胶粉高性能水泥基材料应用技术研究

材06：

指导教师：

宋少民教授

1课题的背景和意义

1.1传统水泥基材料的缺点及补偿措施

传统混凝土中，混凝土内应力大且复杂，抗拉伸强度低,能量吸收性差,因脆性而容易产生裂缝。

裂缝控制成为一个令人棘手的问题。

同时存在收缩大、抗拉强度与抗压强度比值小，以及断裂韧性低的弱点，随着水泥基材料抗压强度的大幅度提高，干缩与脆性问题也更为突出等问题[1]。

虽然在高性能混凝土中，由于掺加矿粉、粉煤灰、膨胀剂等起到了一定的改善效果，但由于混凝土的多种不确定性因素，导致混凝土浇筑后仍存在裂缝。

当混凝土的应变达到3‰时，普通混凝土的承载能力仍能保持一半以上，但同样的应变值加于高性能混凝土时，则实际承载力已近于零，即这时在高强混凝土中可观察到裂缝的形成。

而且大部分裂缝发生在早期，且对混凝土耐久性影响深远[2]。

混凝土中掺入纤维，使混凝土在受力过程中纤维与混凝土共同受力变形，纤维的牵连作用使混凝土开裂而不断，并能进一步承受荷载，使混凝土的抗折强度和抗拉强度有了充分的保证。

当所用纤维的力学性能、几何尺寸与掺量等合适时，可使复合材料的抗拉强度有明显的提高[6]。

在西方一些国家中，在混凝土中掺加纤维能起到很好的作用，同时将废旧轮胎制成的橡胶粉以一定掺量加到混凝土中，填充孔隙改善水泥与骨料的界面状况，能够约束微裂缝的产生和扩展，并形成吸收应变能的结构变形中心，可吸收抗震动能，从而明显改善混凝土的抗冲击性，提高混凝土的抗震性能[3]。

进而达到混凝土的增韧减脆和抑制干缩变形。

1.2高性能水泥基材料的发展与应用现状简介

1990年年5月,在美国国家标准与技术研究所（AIST）和美国混凝土协会（ACI）主办的第一届高性能混凝土会议上,首次提出了高性能混凝土（HighPerformanceConcrete,简称HPC）的概念[4]。

认为HPC是同时具有某些性能的均质混凝土,必须采用严格的施工工艺与优质原材料,配制成便于浇捣、不离析、力学性能稳定、早期强度高、并具有韧性和体积稳定性的混凝土;特别适合于高层建筑、桥梁以及暴露在严酷环境下的建筑物。

HPC必须具备高耐久性、高工作性、同时高性能混凝土必须具有较高的韧性、良好的体积稳定性和长期的力学稳定性。

高性能混凝土的高韧性要求其具有良好地抵抗地震荷载、疲劳荷载及冲击荷载的能力，混凝土的韧性可通过在混凝土中掺加引气剂、采用高性能纤维混凝土或掺加橡胶粉等措施得到提高。

高性能混凝土的体积稳定性表现在其优良的抗初期开裂性，低的温度变形、低徐变及低的自收缩变形[5]。

高性能混凝土的性能的提高和改善基本上都可以通过掺加掺合料、改善配合比、改良骨料级配及掺加高效外加剂得到。

1.3纤维高性能水泥基材料的发展历史及应用

近十几年来，随着化学纤维工业在世界范围内的高速发展，合成纤维的应用范围已日益扩大。

由于水泥是当今消耗最大的建筑材料，而水泥砂浆与混凝土中又存在抗拉强度低、干缩率大、变形能力低、脆性大和抗冲击性差等缺点，将某些抗碱性强、力学性能优良的合成纤维用不同方式与水泥砂浆或混凝土相复合，能在不同程度上改善后者的力学与物理性能，并提高它们的使用价值和耐久性。

因此，研究用某些合成纤维作为水泥基体的增强材料已引起广泛重视。

在1992年7月RILM召开的第四届纤维水泥与纤维混凝土国际学术会议及1996年在广州召开的纤维增强混凝土国际学术会议上，有关合成纤维混凝土方面的论文约占全部论文的40%。

在我国近10年来召开过8届全国纤维水泥与纤维混凝土学术会议。

2002年11月在郑州市召开全国第九届纤维水泥与纤维混凝土学术会议，论文中有聚丙烯腈等许多合成纤维混凝土的研究成果。

国内外学术会议是洞察本行业科技发展动向的窗口，由此不难得知，用合成纤维作为水泥基体的增强材料已受到国内、外同行的高度重视[8]。

纤维增强水泥基复合材料是由水泥净浆、砂浆或水泥混凝土作基材，以非连续的短纤维或连续的长纤维作增强材料组合而成的一种复合材料[1]。

在纤维增强水泥基复合材料中，纤维的主要作用在于阻止微裂缝的扩展，具体表现在提高复合材料的抗拉、抗裂、抗渗及抗冲击、抗冻性等[6]。

纤维混凝土是当代迅速发展的新型复合建筑材料，尤其以钢纤维混凝土及合成纤维混凝土发展最快。

钢纤维对混凝土具有显著的阻裂、增强和增韧作用[2]。

而在混凝土中掺入适量的聚丙烯纤维能有效改善混凝土材料的物理性能，具有较好的抗渗和抗冻性，并能减少混凝土的早期干缩及塑性裂纹，提高混凝土的抗裂性[7]。

纤维混凝土作为一种新型建筑材料,它将合成化学纤维和传统的混凝土相结合,可有效防止混凝土因早期干缩,塌沉所引起的内蕴裂缝。

纤维混凝土的应用范围很广,在高层、大跨建筑工程,高速公路路面,荷载较大的仓库地面、机场等结构中已得到广泛应用。

1.4橡胶粉高性能水泥基材料的发展及应用

橡胶粉混凝土也拥有普通混凝土所不具备的特殊性能，它包括：

轻质、增韧减脆、隔震减震、保温防水、延性和韧性好等，目前已有学者定义橡胶水泥混凝土为“弹性混凝土”[20]。

目前国际上对橡胶粉应用到混凝土方面的技术发展是快速的，主要的技术路线是通过掺加合理的橡胶粉可以对混凝土的韧性和抗裂性能进行改善，通过对橡胶粉的表面处理，采用适当的配合比设计，研究混凝土中橡胶粉和粉煤灰双掺对以高性能混凝土理念配制的混凝土性能的影响，对其力学性能和耐久性能进行试验。

人们经常将橡胶粉末或橡胶颗粒以一定的比例代替部分骨料或水泥掺加到混凝土中,但是试验结果表明,这种混凝土的力学性能有很大下降。

　橡胶粉（颗粒）的掺量在10%以下时,可以改善混凝土抗渗性能;掺量超过10%时,抗渗性能就出现下降的趋势　

（1）橡胶混凝土的力学性能比基准混凝土要低,配比不同的橡胶混凝土的力学性能下降的程度不同。

（2）掺橡胶粉（颗粒）对混凝土的抗冻性能有很大提高,其中,掺橡胶粉比掺橡胶颗粒对改善抗冻性能的效果要好,橡胶混凝土的抗渗标号均可达到P12。

（3）橡胶粉（颗粒）的掺量在10%以下时,可以改善混凝土抗渗性能;掺量超过10%时,抗渗性能就出现下降的趋势。

橡胶粉与橡胶颗粒对改善抗渗性能的区别不明显[21]。

将橡胶粉应用于沥青混凝土的研究是非常成功的，橡胶沥青混凝土有较好的抗滑性能，减少了道路的疲劳开裂，延长了使用寿命[16，17]。

橡胶混凝土在未来的应用前景十分光明，预期可以广泛应用于以下领域：

道路工程，高抗震地区建筑，要求振动阻尼高的场所，如基础工程和火车站等，抗冲击和抗爆炸的部位，如高速公路的围档及碉堡等，建筑装饰材料，自流平填料等[18-19]。

1.5纤维及橡胶粉对高性能水泥基材料的作用机理及优点

微集料弹性效应

混凝土体系可以看成连续级配的颗粒堆积体系,橡胶粉等体积代替部分砂,而且橡胶粉具有良好的弹性。

粗骨料间隙由细集料及橡胶粉填充,并增加了界面的连接弹性。

细集料间隙由水泥颗粒填充,水泥颗粒间隙由粉煤灰微粉效应发挥作用,使混凝土形成自紧密体系。

以上这些作用联合互补,增加了混凝土裂缝扩展的阻力和增加了混凝土的韧性,降低脆性,减小了干缩率。

由此从总体结构、内部结构上提高了混凝土的抗裂能力,减小了混凝土裂缝的发生[10]。

均匀分散的纤维在混凝土中呈现三维网络结构[22]，起到了支撑集料的作用，其效果是阻止粗、细集料的沉降，减少混凝土表面的析水和离析。

从而可以有效降低由于基材收缩引起的内力，而且单位体积中纤维根数多，与水泥基体粘结面达，纤维与水泥基体之间界面粘结力会增大混凝土抵抗收缩变形的能力。

水泥基材料与钢纤维是紧密结合在一起,钢纤维将限制水泥基体产生过大的变形,于是在基体与钢纤维之间的界面部分便产生了剪应力和剪应变,并将所承受的载荷合理分配到钢纤维和水泥基体这两个组成部分上。

钢纤维通过界面上沿其轴向的剪应力传递载荷,会受到比基体中更大的拉应力,这就是钢纤维能增强混凝土基体的主要原因,钢纤维的增强作用可归结为3个方面:

（1）显著提高混凝土的韧性或能量吸收能力;

（2）提高混凝土的抗拉极限或抗拉强度或应变;

（3）改善混凝土控制裂纹的能力[23]。

关于聚丙烯纤维在混凝土/砂浆中的作用机理,现存在两种理论:

美国Romualdi的“纤维间距机理”和英国Swamy的“复合材料机理”。

根据这两种理论,聚丙烯纤维在混凝土/砂浆中主要有以下三种作用:

①提高混凝土/砂浆的抗拉强度;②阻止混凝土/砂浆中微裂纹的扩展并延缓新裂纹的出现;③提高混凝土/砂浆的变形能力从而改善其韧性、抗冲击性[24]。

其次还有聚丙烯纤维的增稠效应

增稠效应能减少混凝土的离析、泌水,但不利于混凝土的振动密实,为了防止因掺聚丙烯纤维造成混凝土强度下降,应随着纤维掺量的提高而适当延长混凝土的振动时间。

阻裂效应

聚丙烯纤维的阻裂效应是指对混凝土早期塑性开裂的抑制作用,也是聚丙烯纤维的最主要的效应。

界面效应：

由于聚丙烯纤维的细度小、比表面积大,在混凝土中分散后获取很大的纤维基材界面,因聚丙烯纤维的不亲水性,造成纤维基材界面呈弱界面效应,对混凝土强度不利。

掺入粉煤灰、矿渣微粉等活性材料是改善纤维基材界面常用的方法[13]。

1.6粉煤灰对水泥基材料的作用机理及优点

粉煤灰效应：

利用粉煤灰的火山灰活性、形态和微集料等三大效应,用粉煤灰超量取代部分水泥,水灰比降低、用水量减少。

粉煤灰每掺入10%,降低水化热7%,明显降低了混凝土的温差,减少了温度应力,混凝土的抗拉强度、极限拉伸提高,弹性模量降低。

同时粉煤灰取代部分水泥,使粉煤灰混凝土需水量少、干缩率小[10]。

1.7硅灰对水泥基材料的作用机理及优点

硅粉作为一种微细矿粉,具有较强的火山灰活性及其较小的粒径和较大的比表面积,它能够大大改善硬化水泥浆体微结构。

探求出合理有效的硅粉掺量,这对再生混凝的实际生产具有重要的指导作用。

由于聚丙烯纤维具有不亲水性,纤维与基材界面的水灰比往往高于基材本身,形成弱界面效应,不利于混凝土的强度,而掺入硅粉后,硬化水泥浆体与骨料的界面性能得改善,聚丙烯纤维在界面处的粘结力得以提高,增加了纤维的界面脱粘强度,在混凝土的受力过程中,纤维不易被拔出,表现为拉断,这就充分发挥了聚丙烯纤维的抗拉强度大的特点。

由于混凝土抗压强度提高幅度较劈拉强度要高,混凝土的拉压比将会减少,进而导致混凝土的脆性增加,这是硅粉掺入所带来的负面影响[11]。

1.8本课题研究的意义

向混凝土中添加一定量的聚丙烯纤维，既能保证混凝土仍然具有良好的施工性能，而且也能很好的达到增韧减脆的目的;钢纤维对混凝土有很好的增韧效果，但是钢纤维对混凝土的施工性能有很大的不利影响，不利于内部气体的排除，容易增加混凝土内部的宏观缺陷，但可以通过使用高效减水剂、优质矿物掺合料以及合适的振捣工艺得到改善。

橡胶粉是利用废弃的橡胶制品通过机械粉碎得到的回收产品，在混凝土中添加橡胶粉，对混凝土的韧性有一定的改善作用，应该说对混凝土硬化早期的开裂有很好的改善作用。

它能够很好的缓解混凝土硬化早期由于各种因素造成的拉伸应力，减少宏观裂缝的发生与发展。

当混凝土受到冲击荷载的作用时，橡胶粉将成为混凝土内部的吸能中心，提高混凝土的抗冲击能力[12]。

研究表明，橡胶粉以一定的掺量加入到混凝土中,能填充其中的孔隙,改善水泥与骨料的界面状况,约束微裂缝的产生和扩展,并形成吸收应变能的结构变形中心,可吸收震动能,从而明显改善混凝土的抗冲击性,提高混凝土的抗震性能[14]。

橡胶集料掺量达到一定程度的混凝土断裂模式不同于普通混凝土的脆性断裂，而是呈塑性屈服破坏形态，反复加载至破坏循环多次都不会完全破碎，能量吸收能力比普通混凝土增加25％以上，极限拉、压应变远远大于普通混凝土[12]。

随着国家建设的不断发展和人们对工程质量要求的日益提高,我们有理由相信,纤维混凝土将展示出它超群的优势。

能够有效提高混凝土的抗裂能力、大大提高混凝土的防水抗渗性能、增强抗冲击及抗震能力、增强抗冻能力、提高混凝土抗冲击耐磨性、具有良好的外观,该产品可使混凝土工程质量显著提高,使混凝土建筑寿命大大延长,极大地减少工程维护费用[15]。

在混凝土中掺加纤维能够很好的改善混凝土的断裂韧性和冲击韧性，而橡胶粉对于混凝土的韧性也有一定的改善作用，对于硬化早期的混凝土，橡胶粉对混凝土的抗裂性可能有更好的改善效果。

同时橡胶粉混凝土也是一种绿色混凝土，它不仅能对混凝土的韧性有改善作用，也能够减轻橡胶产品的废弃物对环境造成的巨大污染压力。

将纤维和橡胶粉以合适的掺量、尺寸掺入到混凝土中，将极大地改善混凝土的工作性、力学性能和耐久性。

如果将此项技术应用到结构中，将使结构的延性、韧性和抗震性能得到大幅度的提高，进而可以更好的促进我国民经济的发展和我国资源的可持续发展。

2课题的基本内容及初步分析

纤维橡胶粉高性能水泥基材料是指在将水泥基材料高性能化的前提下，将可以改善水泥基材料工作性能、力学性能和耐久性能的纤维和橡胶粉掺入其中。

本课题对掺入纤维和橡胶粉的水泥净浆、砂浆和混凝土的各方面性能的进行研究。

希望能在，使用优质矿物掺合料，高效减水剂，优化配合比等技术路线的前提下，能将传统的混凝土的干缩变形，裂缝控制和脆性破坏等方面的不利于结构方面的因素加以改善，进而可以达到混凝土的增韧减脆，改善其抗震性能。

主要研究内容：

（1）、橡胶粉物理性质及表面处理

（2）、钢纤维、聚丙烯纤维物理性质及力学性能

（3）、粉煤灰、硅灰及减水剂的物理性质

（4）、水泥、砂子、石子的物理学性能

（5）、水泥砂浆的性能研究

a、工作性能

b、力学性能

（6）、纤维橡胶粉高性能混凝土性能研究

1）、纤维橡胶粉高性能混凝土的配置

a、配置高性能混凝土的途径

b、掺合料的作用

c、外加剂的作用

2）、纤维橡胶粉高性能混凝土的工作性

3）、纤维橡胶粉高性能混凝土力学性能研究

4）、纤维橡胶粉高性能混凝土耐久性能研究

a、混凝土早期收缩性能；

b、混凝土抗氯离子渗透性能；

c、混凝土抗渗性；

d、混凝土抗冻融破坏性能；

e、混凝土抗硫酸盐侵蚀；

f、混凝土抗碳化性能；

（7）、纤维橡胶粉高性能混凝土的增韧减脆性能研究

a、高性能混凝土脆性原因分析

b、改善高性能混凝土韧性的措施

c、钢纤维、聚丙烯纤维、橡胶粉对混凝土断裂性能的影响

d、钢纤维、聚丙烯纤维、橡胶粉混凝土增韧减脆的机理探讨

（8）、纤维橡胶粉高性能混凝土抗震性能研究

3课题研究的目标

（1）通过对传统水泥基材料脆性原因的分析，从而获得增韧减脆的途径；

（2）通过配置纤维橡胶粉高性能混凝土，了解矿物掺合料、高效减水剂对混凝土的影响及作用机理；

（3）研究钢纤维、聚丙烯纤维以及橡胶粉对改善混凝土韧性的作用效果;

（4）通过分析纤维及橡胶粉对混凝土的增韧机理，从而获得进一步优化、改进

增韧措施的技术方法。

（5）通过构件试验，分析纤维橡胶高性能混凝土构件的隔震抗震性能。

4拟采用的研究思路和试验方案

广泛阅读国内外相关技术资料，经过分析、论证、优化、集成；采用绝对体积法法，通过把不同原材料、水胶比、粉煤灰掺量、胶凝材料掺量、橡胶粉掺量、纤维掺量、砂率以及不同养护条件下配制的混凝土在和易性、表观密度、力学性能、耐久性能方面进行对比，研究水胶比、胶凝材料总量、橡胶粉掺量、纤维掺量、砂率、养护制度对耐久性能影响规律，进而探讨它们在掺加纤维和橡胶粉高性能混凝土中的行为特点与机理。

本课题采用高性能混凝土技术路线：

低水胶比、高效减水剂与掺加粉煤灰与硅灰。

（1）原材料性能分析；

（2）配合比设计；

（3）试验制作试块，并养护；

（4）检测试块的性能：

体积密度、抗压强度、抗折强度、抗疲劳强度、弹性模量测定试验、氯离子渗透试验、抗渗试验、碳化试验、抗冻性、干缩性、微观分析等；

（5）主要试验：

①抗冻性试验；

②抗压强度试验；

③抗渗性试验；

④硫酸盐侵蚀试验；

⑤碳化试验；

⑥干燥收缩性试验；

⑦SEM试验；

⑧抗疲劳试验

⑨弹性模量测定试验

5进度安排

2007年12月－2008年1月：

原材资源调查分类、取样、检验、分析；

2008年2月—2008年6月：

混凝土配合比、力学性能、耐久性研究；

2008年7—8月：

混凝土微结构研究，对各类试验数据进行分析、归纳，探讨各原材在混凝土中的行为特征与机理；

2008年9—11月：

撰写与修改毕业论文。

参考文献

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