《高延性水泥基复合材料用高强高模短切合成纤维》编制说明.docx
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《高延性水泥基复合材料用高强高模短切合成纤维》编制说明
《高延性水泥基复合材料用高强高模短切合成纤维》协会标准
编制说明
（征求意见稿）
标准编制组
2020年5月
一、工作简况
1.标准任务来源：
根据中国建筑材料联合会《关于下达2018年第一批协会标准制定计划的通知》（中建材联合[2018]64号）和中国混凝土与水泥制品协会《关于下达2018年中国混凝土与水泥制品协会标准制定计划（第一批）的通知》（中制协字[2018]11号），《高延性水泥基复合材料用高强高模短切合成纤维》标准计划编号2018-10-xbjh。
本标准由中国混凝土与水泥制品协会、中冶建筑研究总院有限公司、东南大学等共同负责起草。
2.标准制定意义及目的：
过去二十年间，高延性水泥基复合材料在国内外已逐步被应用于砌体加固、路面增韧、桥面大变形区域的加固改造、建筑抗震节点、钢桥面铺装、桥面抗震阻尼器等多种承受拉应力的复杂受力结构体系中，所应用的高延性水泥基复合材料以中等强度等级（C30-C50）为主。
近年来，依据“一带一路"国家重大战略需求，为了满足南海岛礁建设、核电工程、国防防护工程等越来越多高抗震、高耗能、高耐久的新建结构，以及对既有结构进行性能提升或加固修补，都需要高强和超高强度等级的高延性水泥基复合材料。
但是，当前应用的高延性水泥基复合材料性能的稳定性不佳，影响最大的因素是短切合成纤维的物理，力学及表面特性。
因为这类用途的纤维性能比较特殊，需要具有高弹模、高抗拉强度、低断裂伸长率和较高的表面疏水性等特殊要求，比水泥混凝土和砂浆抗裂用短切合成纤维以及纺织行业用合成纤维性能之间都存在很大差异，技术要求更高、更精细。
而直至今日，国际范围内都没有一部标准对这类纤维的性能提出明确的技术要求，导致了当前合成纤维选用的盲目性，以及一些不适合该体系的合成纤维“鱼目混珠”，最终造成高延性混凝土性能波动很大，甚至出现失败的工程应用案例。
因此，为了解决当前行业内对高延性水泥基复合材料用合成纤维优选时的盲目性，防止纤维企业送样检测的纤维性能与运输至下游用户的纤维性能之间存在很大差异，特制定本标准。
对更好地指导合成纤维生产企业把握纤维关键性能、保证纤维性能的稳定性，维护纤维企业的有序竞争，保证高延性水泥基复合材料生成质量的稳定性，以及确保业主和检测单位对关键原材料——短切合成纤维的技术要求与性能评估有据可依，具有重要意义和指导价值。
3.标准主要编制单位及工作分工：
本标准由中国混凝土与水泥制品协会、中冶建筑研究总院有限公司、东南大学等共同负责起草编制，中冶建筑研究总院有限公司负责标准的申报立项；东南大学全面负责编制方案、计划的制订和实施；东南大学、南京水利科学研究院共同负责解决主要技术难点以及开展必要测试验证项目的实施与评价；永安市宝华林实业发展有限公司、南京骏益胜新材料科技有限公司负责提供标准中涉及的纤维样品，并协助解决主要技术难点，便于试验验证。
本标准主要起草人有：
郭丽萍，曹擎宇，陈波，丁聪，邓忠华，丁晓峰，孙杨。
4.标准编制工作过程：
（1）成立标准编制组（2018年5月）
编制组在接到工作任务后，在东南大学召开了编制组成立暨第一次工作会议，在会议上成立了标准编制小组，并根据相关文件要求，明确了小组成员工作任务制定了详细的工作计划。
（2）资料收集（2018年6月至2019年5月）
标准起草小组开展了标准资料的收集调研和试验测试工作，查阅了国内外相关标准及技术资料，调研了国内外关于高延性水泥基复合材料用高强高模短切合成纤维的力学性能，耐碱性及表面疏水特性等相关研究；开展了高强高模短切合成纤维的抗拉强度、初始模量及断裂伸长率等力学性能测试，耐碱性能测试以及表面疏水特性测试，提出了硬化高延性水泥基复合材料中纤维分散性的检测方法。
（3）编制标准初稿（2019年6月至2019年8月）
标准编制组根据调研及测试的结果拟定了标准的大纲，并进行标准讨论初稿的编制。
（4）提出征求意见稿（2019年9月至2020年5月）
在前期技术资料收集、调研、测试试验基础上，标准编制组按GB/T1.1-2009《标准化工作导则第1部分:
标准的结构和编写》编写要求，对标准草案进行了修改和完善，于2020年5月完成了标准征求意见稿和编制说明。
二、标准编制原则和主要内容与论据
（一）标准编制原则
本标准通过对国内外高延性水泥基复合材料用高强高模短切合成纤维的技术指标及其与水泥基材料的适配性深入调研分析，并结合现有国内纤维量产化和性能稳定性的现状，针对性地提出适用于高延性水泥基复合材料体系的两种高强高模短切合成纤维：
聚乙烯醇纤维（代号PVAF）和聚乙烯纤维（代号PEF），以此引领特种纤维和水泥基复合材料的生产与检测行业的规范发展。
通过本标准的制定，一方面可以促进国内高延性水泥基复合材料制备质量的大幅提升，另一方面可以维护高强高模短切合成纤维行业和高延性水泥基复合材料产业的有序竞争。
为保证高延性水泥基复合材料的质量及性能稳定性，本标准规定了高延性水泥基复合材料用高强高模短切合成纤维的术语和定义、标记、技术要求、检验方法、检验规则及标志、出厂、包装、运输与储存。
目前国内外尚无此类标准，因此本标准在编制中主要参考了GB/T21120《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》和JC/T2461《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》标准中有关内容编制。
此外，本标准在规定高延性水泥基复合材料用高强高模短切合成纤维的技术指标及检测方法时还参考了如下标准：
FZ/T52023《高强高模聚乙烯醇超短纤维》
GB/T29554《超高分子量聚乙烯纤维》
DB44/T1872《纺织品表面润湿性能的测定接触法》
QCR3《高速铁路隧道用纤维素纤维与合成纤维》
（二）标准主要内容与论据
3术语及定义
3.1高延性水泥基复合材料：
按照JC/T2461《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》中关于高延性水泥基复合材料的术语定义，并结合目前国内外相关研究中高延性水泥基复合材料表现出的应变硬化和多缝开裂行为特性，在高延性水泥基复合材料的术语定义中规定在轴心拉应力作用下表现出应变硬化和多缝开裂行为。
3.2短切合成纤维：
按照FZ/T52023《高强高模聚乙烯醇超短纤维》中关于超短纤维切断长度小于20mm的规定，并结合目前国内外相关研究中高强高模聚乙烯醇纤维常用的长度为8mm和12mm，高强高模聚乙烯纤维常用的长度为12mm和18mm进行编制。
3.3高强高模聚乙烯醇纤维：
参照FZ/T52023《高强高模聚乙烯醇超短纤维》中关于高强高模聚乙烯醇短纤维的抗拉强度不低于10cN/dtex及初裂模量不低于220cN/dtex的规定，如表1所示，并基于高延性水泥基复合材料质量及性能稳定性要求，编制规定抗拉强度不低于1250MPa，初始模量不低于30GPa。
表1FZ/T52023《高强高模聚乙烯醇超短纤维》技术要求
3.4高强高模聚乙烯纤维：
参照GB/T29554《超高分子量聚乙烯纤维》中关于超高分子量聚乙烯纤维断裂强度的规定，如表2所示，并基于国内外相关研究中高强高模聚乙烯纤维常用于高强或超高强高延性水泥基复合材料，因此规定抗拉强度不低于2425MPa，初始模量不低于63GPa。
表2GB/T29554《超高分子量聚乙烯纤维》技术要求
3.5当量直径：
按照GB/T21120《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》标准中关于当量直径的术语定义编制。
3.6抗拉强度：
按照GB/T21120《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》标准中关于抗拉强度的术语定义编制。
3.7初始模量：
按照GB/T21120《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》标准中关于初始模量的术语定义编制。
3.8断裂伸长率：
按照GB/T21120《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》标准中关于断裂伸长率的术语定义编制。
3.9静态接触角：
按照DB44/T1872《纺织品表面润湿性能的测定接触法》标准中关于静态接触角的术语定义进行编制。
3.10耐碱性：
参照GB/T21120《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》和QCR3《高速铁路隧道用纤维素纤维与合成纤维》标准中关于纤维耐碱性的术语定义进行编制。
3.11分散性：
参照GB/T21120《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》和QCR3《高速铁路隧道用纤维素纤维与合成纤维》标准中关于纤维分散性的术语定义进行编制。
4产品标记
参考GB/T21120《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》中关于合成纤维的标记方法，同时考虑了高延性水泥基复合材料用高强高模短切合成纤维的关键性能指标，规定产品的标记须包含纤维类别、长度、当量直径、抗拉强度、初始模量、断裂伸长率等关键参数。
5技术要求
5.1一般要求：
参考GB/T21120《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》和QCR34《高速铁路隧道用纤维素纤维与合成纤维》编制。
5.2尺寸要求：
按照GB/T21120《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》编制。
5.3力学性能指标：
（a）抗拉强度、初始模量、断裂伸长率
参照标准FZ/T52023《高强高模聚乙烯醇超短纤维》及GB/T29554《超高分子量聚乙烯纤维》中关于聚乙烯醇纤维及聚乙烯纤维的抗拉强度、初裂模量及断裂伸长率的规定，并结合目前国内外高延性水泥基复合材料制备所采用的聚乙烯醇纤维及聚乙烯纤维的技术指标编制。
对于高强高模短切聚乙烯醇纤维（PVAF），目前相关研究文献中常采用的尺寸及基本力学性能统计如表3所示。
由表3可知，PVA-HDCC的抗压强度通常为10MPa-80MPa。
综合考虑高延性水泥基复合材料的质量及性能稳定性，PVA纤维的长度通常选择8mm或12mm，直径范围为30-40μm，抗拉强度不低于1250MPa，初始模量不低于30GPa，断裂伸长率不低于5%-8%。
同时，参照FZ/T52023《高强高模聚乙烯醇超短纤维》中关于高强高模聚乙烯醇短切纤维的抗拉强度不低于10cN/dtex及初裂模量不低于220cN/dtex的规定，本标准编制规定高强高模短切聚乙烯醇纤维的抗拉强度不低于1250MPa，初始模量不低于30GPa，断裂伸长率不低于5%。
对于高强高模短切聚乙烯纤维（PEF），目前相关研究文献中常采用的尺寸及基本力学性能统计如表4所示。
由于PE纤维相对较高的价格及更高的力学性能，由表4可知PE-HDCC的抗压强度通常为80MPa-150MPa。
PE纤维的长度通常选择12mm或18mm，直径范围为24-38μm，抗拉强度通常不低于2400MPa，初始模量不低于80GPa，断裂伸长率为2%-3%。
同时，参照GB/T29554《超高分子量聚乙烯纤维》中关于超高分子量聚乙烯纤维断裂强度的规定，本标准编制规定高强高模短切聚乙烯纤维的力学性能须达到GB/T29554《超高分子量聚乙烯纤维》中BT25的性能要求，即抗拉强度不低于2425MPa，初始模量不低于63GPa，且断裂伸长率不低于2%。
表3文献中高延性水泥基复合材料用高强高模聚乙烯醇纤维（PVAF）的尺寸及力学性能
文献
PVA-HDCC强度等级/MPa
长度
/mm
直径
/μm
初始模量/GPa
拉伸强度/MPa
断裂伸长率/%
[1]
52.4
12
39
42.8
1620
7
[2]
30
12
35
31.3
1287
7.3
[3]
45
8
39
42.8
1600
6
[4]
65
12
40
41
1600
/
[5]
60
8/12
39
40
1600
/
[6]
25
12
39
42.8
1600
/
[7]
56.7
12
40
40
1600
6
[8]
40-50
12
15
29.5
1560
/
[9]
70
8
40
/
1600
/
[10]
25-50
8
39
42.8
1600
7
[11]
25-45
12
39
42.8
1620
6
[12]
40-55
44
41.1
1640
5.3
[13]
35-65
12
38
42.8
1620
6
[14]
25-60
8
40
40
1100~1400
/
[15]
65-80
12
39
/
1600
/
[16]
30-60
12
39
42.8
1620
7
[17]
10-30
12
40
42.8
1620
7.8
[18]
45-65
8
40
42
1600
2
[19]
55-105
12
39
42.8
1620
/
[20]
40-50
12
40
40
1600
/
[21]
40-50
12
40
35
1300
8~10
[22]
15-30
12
39
40
1600
/
[23]
/
6
15/27
39
1600
/
[24]
/
12
40
42
1600
7
[25]
/
12
39
42
1600
7
[26]
/
8
39
41
1600
6
[27]
/
6/8/12
40
40
1600
6
[28]
/
12
39
16.9
1275
/
[29]
/
12
39
42.8
1620
/
[30]
/
8
40
41
1560
6.5
[31]
80-100
8
38
40
1100
6
[32]
/
12
39
40
1600
/
[33]
/
10
40
22/42.2
1060/1620
/
[34]
/
12
39
42.8
1600
6
[35]
/
/
40
40
1600
6
[36]
/
12
38
42.8
1060
/
表4文献中高延性水泥基复合材料用高强高模聚乙烯纤维（PEF）的尺寸及力学性能
文献
PE-HDCC强度等级/MPa
长度
/mm
直径
/μm
初始模量/GPa
拉伸强度/MPa
断裂伸长率/%
[37]
46-56
12
24
116
3000
2.5
[38]
40-65
12
38/24
39/82
1950/2700
5~8
[39]
43-115
12/18
24/20
100/120
2400/2800
2~3
[40]
45-100
18
25
116
2900
/
[41]
/
12
12
88
2600
/
[42]
/
12.7/19
20/38
120
2700
/
[43]
/
12/18
20/24
120
2800
2~3
[44]
35-55
18
12
88
2700
/
[45]
40-50
12
1
88
2600
/
[46]
/
12
24
120
3000
/
[47]
40-160
12
24
116
2900
/
[48]
60
12
24
110
3000
2.42
[49]
115
12
25
100
3000
2.2
[50]
137
12
24
120
3000
/
[51]
/
12
25
116
2900
2.2
[52]
140
18
24
100
2400
2-3
[53]
90
18
24
100
2400
2-3
[54]
/
12
12
88
2580
/
[55]
121
18
20
100
3000
2-3
[56]
80-100
18
24
100
2400
2-3
[57]
150
19
23
113
3250
2.3
[58]
/
12
24
120
3000
/
[59]
/
12.7
38
117
2400
/
[60]
/
12.7
28
100
3000
/
[61]
/
19.05
38
117
/
/
（b）耐碱性能
按照GB/T21120《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》标准中关于合成纤维耐碱性能不低于95%的要求编制。
（c）静态接触角
高延性水泥基复合材料以纤维桥联模型为理论基础，通过对纤维、基体及纤维/基体界面三者的合理调控，使具有应变硬化特性的高延性纤维增强水泥基复合材料，纤维/基体的界面调控对高延性水泥基复合材料性能优化至关重要。
聚乙烯醇纤维由于其表面含有大量的羟基而表现出亲水特性，羟基与高延性水泥基复合材料水化产物形成键合产生化学粘结力，导致纤维与基体间的界面粘结力过强，纤维在从基体拔出的过程中易被拔断，限制纤维桥联作用的发挥。
因此，高延性水泥基复合材料用高强高模短切聚乙烯醇纤维表面需要疏水处理。
目前，PVA纤维的表面常采用油剂处理，纤维表面经1.2%的油剂处理后表面接触角达到了130°，而未经表面处理的PVA纤维表面接触角仅为5°，其静态接触角如图1和图2所示。
此外，文献[63]研究了PVA纤维表面经不同油剂含量处理时HDCC的拉伸延性，如图3所示。
PVA纤维的表面亲/疏水特性对拉伸延性产生显著影响。
考虑到不同抗压强度等级的高延性水泥基复合材料对纤维/基体界面调控的要求，以及经不同油剂含量处理的PVA纤维，其表面接触角不同，因此本标准编制规定高弹高模短切聚乙烯醇纤维静态接触角不低于60°。
图1宝华林生产的经油处理的PVA纤维静态接触角
图2未经表面处理的PVA纤维静态接触角[62]
图3PVA纤维表面经不同油剂含量处理时HDCC的拉伸延性[63]。
聚乙烯纤维表面具有天然憎水特性，憎水性的PE纤维的桥接耗能功效能够更多的发挥在拔出过程中，有利于高延性水泥基复合材料延性的提高。
PE纤维表面静态水滴接触角如图4所示[64]。
考虑到不同抗压强度等级的高延性水泥基复合材料对纤维/基体界面调控的要求，因此本标准编制规定高弹高模短切聚乙烯纤维静态接触角不低于90°。
图4PE纤维表面的静态接触角[64]
（d）高延性水泥基复合材料性能指标
高延性水泥基复合材料的极限延伸率和平均裂缝宽度性能指标按照JC/T—2461《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》的规定编制，极限延伸率不低于0.5%，平均裂缝宽度不大于200μm。
高强高模短切合成纤维在硬化高延性水泥基复合材料基体中的纤维分散度是保证高延性水泥基复合材料的质量及性能稳定性的重要指标。
文献[65-66]研究了PVA纤维分散度对高延性水泥基复合材料拉伸延性的影响，如图5和图6所示。
短切合成纤维的分散度取决于纤维尺寸及表面状态，高延性水泥基复合材料的配合比及搅拌工艺。
因此，综合考虑高延性水泥基复合材料施工因素及纤维尺寸和表面特性，本标准编制规定高弹高模短切合成纤维在硬化高延性水泥基复合材料基体中的纤维分散度不低于75%以保证高延性水泥基复合材料质量及性能稳定性。
图5文献中纤维分散系数对拉伸延性的影响[65]
图6文献中纤维分散系数对拉伸延性的影响[66]
6检验方法
6.1尺寸检验：
按照GB/T21120《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》规定的方法进行纤维长度及当量直径的测定。
6.2抗拉强度、初始模量及断裂伸长率：
高强高模短切合成纤维的抗拉强度、初始模量及断裂伸长率按GB/T21120《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》规定的方法进行测定。
6.3耐碱性：
高强高模短切合成纤维的耐碱性按GB/T21120《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》规定的方法进行测定。
6.4静态接触角：
参考标准DB44/T1872《纺织品表面润湿性能的测定接触法》中关于表面润湿性能的测定技术。
考虑到单根纤维放置于样品台时，表面不易于样品台平行和固定，同时液滴在滴到单根纤维上时容易滑落，单根纤维表面疏水度存在差异并对测量结果产生较大误差。
因此本标准采用多根短切纤维机械压密的方式制成表面平整的饼状样品进行静态接触角的测试。
6.5高延性水泥基复合材料性能检测
6.5.1极限延伸率与平均裂缝宽度：
高延性水泥基复合材料的极限延伸率与平均裂缝宽度按JC/T24618《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》规定方法进行测定。
6.5.2纤维分散度：
高强高模短切合成纤维在硬化高延性水泥基复合材料中分散度的检测方法为推荐性方法，该方法依据扫面电镜背散射技术进行检测，该检测技术已被试验验证是有效且准确的检测技术。
7检验规则
参考GB/T21120《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》中关于合成纤维出厂检验和型式检验的相关规定编制。
8标志、出厂、包装、运输与储存
参考GB/T21120《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》中关于纤维标志、出厂、包装、运输与储存的相关规定编制。
三、主要试验（或验证）情况
3.1抗拉强度、初始模量、断裂伸长率力学性能验证
表5给出了一组高强高模短切PVA纤维和PE纤维的物理力学性能，其性能满足编制标准中关于纤维力学性能的要求。
采用高强高模短切PVA纤维制备了抗压强度等级为C35的PVA-HDCC；采用高强高模短切PE纤维制备了抗压强度等级为C100的PE-HDCC，图8展示了PVA纤维和PE纤维增强的HDCC拉伸应力应变曲线。
由图8可知，两种HDCC均可实现较高的延性，PVA-HDCC的拉伸延性达到2.7%，PE-HDCC的拉伸延性达到4.8%。
表5PVA纤维和PE纤维物理力学性能
纤维种类
抗拉强度
MPa
初始模量
GPa
断裂伸长率
%
直径
m
长度
mm
PVAF
1260
30
5~8
39
12
PEF
3000
100
2~3
28
12
（a）PVA-HDCC
（b）PE-HDCC
图8PVA-HDCC和PE-HDCC拉伸应力应变曲线
3.2纤维长度及分散度对HDCC拉伸延性的影响
采用不同PVA纤维长度的HDCC拉伸应力应变曲线如图9所示。
由图9可知，当PVA纤维长度为9mm和12mm时，HDCC的拉伸延性达到2.5%；而当PVA纤维长度为24mm时，HDCC的拉伸延性仅为0.5%。
此外，PVA纤维在硬化水泥基体中的分散度也随着纤维长度的增加而降低，如图10所示。
当PVA纤维长度为24mm时，其分散度约为75%。
过长的纤维使得其在硬化水泥基体中分散性较差，拉伸延性降低。
考虑到HDCC性能稳定性要求及原材料和配合比引起的HDCC性能差异，因此限定短切纤维长度不超过20mm，纤维在硬化HDCC中的分散性大于75%。
图9不同长度PVA纤维的HDCC拉伸应力应变曲线
图10不同长度PVA纤维在硬化高延性水泥基复合材料中的分散度
3.3纤维表面不同接触角对HDCC拉伸延性的影响
图11展示了表面未经处理的亲水性PVA纤维（N-PVAF）接触角，图12展示了表面经疏水处理后PVA纤维（S-PVAF）接触角。
图13给出了采用这两种PVA纤维制备的HDCC拉伸应力应变曲线。
PVA纤维表面处理后，PVA-HDCC的拉伸延
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