第一章　緒論

1.1　引言

1.1.1　水泥混凝土存在的主要問題——強度、開裂與耐久性

水泥基材料是當今世界用量最大的材料之一。但是其抗壓強度通常只有20～80MPa，抗折強度只有數兆帕，抗拉強度更低。因而混凝土的構件往往體積粗大，導致空間利用率較低。雖然混凝土材料經一百多年的使用證明在不出現裂縫的前提下，正常環境中具有良好耐久性能，但是在較惡劣的環境下抗腐蝕能力卻常常不能令人滿意。大量的研究和工程實踐證明，造成混凝土結構損壞的主要原因是混凝土在養護和使用過程中易產生微裂紋，有時甚至出現裂縫。

混凝土材料是低抗拉強度和低抗拉應變的復合材料，在混凝土硬化過程中，伴隨著各種收縮（如化學收縮、溫度收縮、塑性收縮、干縮和自收縮等）的增大，導致混凝土產生許多微裂紋。由于混凝土抗壓強度受微裂紋影響較小，因此標準齡期后混凝土抗壓強度持續增加，而抗拉強度卻幾乎不再增長，有時甚至還會出現抗拉強度倒縮現象。拉壓比隨混凝土齡期的增長而下降必然導致混凝土的脆性進一步加劇，增加了混凝土結構潛在的無征兆破壞的危險性。因此，為了提高混凝土建筑的安全性，充分發揮混凝土材料本身固有的強度性能，就應該解決其易產生裂縫和脆性大的問題。

國內外建設的許多大型橋梁、江河堤壩、大型體育館等公用設施，都或多或少的出現了結構缺陷裂縫，有的部分已經延伸到鋼筋部位，使混凝土建筑物（構筑物）的整體性受到破壞，堤壩出現滲漏，地下室滲水變潮，橋梁的安全性受到質疑并最終拆除重建，許多公共場所被迫關閉，造成大量的人力物力浪費。究其原因，主要是由于混凝土在使用的過程中內部應力集中，使內部存在結構缺陷的混凝土產生微裂紋，并逐漸擴展延伸最終形成較大的裂縫。隨著這些裂縫的產生與擴展，其表面逐漸碳化，當裂縫擴展至鋼筋時，混凝土的護筋作用完全喪失，空氣中的腐蝕性氣體直接侵害鋼筋導致鋼筋銹蝕，引起鋼筋混凝土結構的破壞最終完全失效。

國內外對裂縫產生的原因進行了大量深入系統的研究，在預防裂縫產生的方法方面取得大量卓有成效的研究成果。混凝土產生裂縫的原因主要有三種：外荷載直接應力引起的裂縫，即按常規計算的主要應力引起的裂縫；外載作用下結構次應力引起的裂縫；由變形引起的裂縫，如溫度、收縮、膨脹、不均勻沉降等因素引起的裂縫。裂縫通常由其中一種或幾種因素共同作用而形成。三種產生裂縫的原因中，尤以變形變化引起的裂縫最多，占80％以上。根據裂縫產生的機理，目前國內外預防裂縫主要采取以下三種方式。

（1）膨脹劑阻裂

根據混凝土開裂原因的分析，目前為防止混凝土裂縫的產生，在注意砂石粒徑及級配的基礎上，一般采用摻加膨脹劑的方法。對于處于潮濕環境及地下的混凝土工程、游泳池及水工工程，此方法發揮了重要作用，基本上實現了在使用摻加膨脹劑混凝土后不開裂，不滲漏，保證了這些混凝土建筑物（構筑物）的正常使用。但對于大多數露天工程，特別是橋梁、大型體育場館的頂板和屋架、大面積公用建筑的地面、飛機跑道等混凝土構筑物，摻加膨脹劑不僅不能起到防裂的作用，而且會導致在使用過程中開裂的更嚴重。究其原因，是由于膨脹劑的水化和水化產物的形成，必須在飽水的條件下進行，一旦周圍環境水分不足，膨脹劑不僅不會起到膨脹抗裂作用，并且由于膨脹劑水化還要爭奪原本不多的水分，在混凝土內部產生毛細管力，導致混凝土收縮，形成裂紋。在這種情況下，采用膨脹劑控制和預防露天條件下工作的混凝土的開裂顯然并不合適。

（2）傳統纖維抗裂

除了摻加膨脹劑外，國內外也進行了大量的試驗工作，采用摻加纖維的方法來改善混凝土的性能，并取得一定的成果。傳統摻加的纖維有玻璃纖維、有機質植物纖維和鋼纖維三種，從使用效果看，采用玻璃纖維的混凝土主要用于玻璃纖維增強水泥制品，但水泥液相中的Ca（OH）2會使玻璃纖維的硅氧鍵發生斷裂，SiO2與Ca（OH）2發生反應成低鈣的水化硅酸鈣，此種反應可以進行至玻璃中的SiO2完全消耗為止，因而玻璃纖維的抗拉強度大大降低，使混凝土的性能劣化，因此不能大規模應用于混凝土構筑物中。采用有機質植物纖維的混凝土由于纖維直徑較大，強度較低，與水泥基膠結材料黏結效果較差，因此沒有大規模推廣使用。采用鋼纖維的混凝土由于鋼纖維與水泥的黏結效果好，且具有各向同性的特征，因此混凝土的強度明顯提高，混凝土的耐磨性能、耐沖擊性能、抗疲勞性能、韌性、抗爆性能等明顯改善，減少了混凝土的各種結構缺陷，使混凝土的收縮受到一定限制，從而有效地預防了混凝土裂縫的出現。但是其昂貴的價格，復雜的操作工藝使其應用范圍僅限于現場攪拌或有特殊要求的特種混凝土，不能大面積推廣使用。以上三種纖維在預拌混凝土領域不能大規模應用的另一個原因就是摻加這幾種纖維的混凝土坍落度損失大，擴展度小，工作性差，不利于長距離運輸和泵送施工。

（3）合成纖維防裂

針對膨脹劑防裂和傳統纖維防裂方法的不足，國內外一些研究采用纖維配制混凝土來防止混凝土裂縫的出現。在水泥基材料中，能夠有效增強的纖維有鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維、碳纖維等。纖維能夠有效增加水泥基材料的抗拉強度，提高韌性。鋼筋混凝土是使用最廣泛的復合增強水泥基材料，采用鋼纖維增強混凝土更加有效。玻璃纖維非常細小，單位強度很高，玻璃纖維增強水泥（GRC）也十分有效，但是只能用抗堿玻璃纖維與低堿度水泥進行復合，否則易發生水泥和玻璃纖維的酸堿反應而對玻璃纖維造成腐蝕，后期強度急劇下降。碳纖維強度非常高，碳纖維增強水泥基材料可以應用于混凝土結構的修補，但是碳纖維高昂的價格是對其應用的最大限制。聚丙烯纖維增強水泥基材料是最近發展起來的一項新技術，可以有效提高水泥基材料的抗拉和抗彎性能，但是由于其彈性模量遠低于水泥，因此它對水泥基材料的抗壓強度性能貢獻較小，主要是增加混凝土的韌性，提高抗彎和抗拉強度，從而起到降低開裂的作用。美國、德國、丹麥等國家先后提出在混凝土中摻加合成纖維、特別是聚丙烯纖維來賦予混凝土一定的韌性以改善混凝土的抗裂性能，近年來我國也開展了聚丙烯纖維增強、增韌混凝土的研究，并在一些工程中應用，取得了良好的效果。

1.1.2　水泥基材料與纖維增韌技術

從材料本身的物理和化學性質來看，常用的水泥基材料內部微結構致密性不夠高，存在20％左右的孔隙，尤其是存在大量1μm以上的孔。粒子之間的結合力主要是范德華力和氫鍵，這是水泥基材料抗拉能力弱、易于出現裂紋的主要原因之一。

為了獲得更高強度的水泥基材料，世界各國都作了大量研究。堿激發礦渣（AAS）水泥、超細粒聚密（DSP）水泥、無宏觀缺陷（MDF）水泥、化學結合陶瓷（CBC）等高技術水泥基材料相繼發明，并逐步取得進展。近年來，AAS、DSP和MDF也被歸類至CBC的范疇。這些材料內粒子的結合除范德華力和氫鍵之外，還含有離子健和共價鍵，加之拌和用水量大大減少，使內部結構致密化。因此它們的共同點是強度均高于常規的水泥混凝土，有良好的抗凍、抗滲與抗腐蝕性及良好的電性能。有這些材料制成的構件強度可以成倍、甚至成幾十倍地高于普通的水泥基材料，其它性能也明顯改善，在一些特殊場合已獲得應用。

在幾種CBC中，堿激發礦渣水泥（AAS）和超細粒聚密水泥（DSP）最有希望在實際工程中獲得大規模應用。因此，人們對這二種水泥的產品開發和工程應用技術更為重視，取得一些比較切合實際的進展。但是，這些材料也有一些不足之處，至今為止，仍然存在一些性能和技術上難點未能徹底解決，限制了它們的應用。比如，AAS的關鍵問題在于凝結太快、干縮大、泛白及可能發生的堿集料反應；DSP的硅灰替代物、外加劑及進一步提高強度的制備方法；MDF的濕敏性、耐久性和成型工藝等，都是值得進一步研究加以改進的課題。

混凝土和其它水泥基材料固有的弱點是韌性差、抗拉和抗折彎強度低，因脆性而容易產生裂縫。當混凝土的強度等級超過C45時高強度混凝土的抗拉強度與抗壓強度之比僅為6％左右，脆性顯著，塑性明顯下降。因為脆性破壞會隨時發生，高強度混凝土結構的跨度不能增幅太大。當結構受彎時，荷載等于破壞荷載的15％～20％時就開始產生裂縫，隨著裂縫擴展會造成結構物抗滲等性能的降低，以至使用壽命縮短。在結構設計時因裂縫寬度的限制，混凝土性能的提高得不到充分應用。而化學結合的水泥基材料，抗壓強度明顯高于普通的水泥混凝土，但是抗彎性能也通常較差。因此，促進混凝土抗拉強度增長，必須減少混凝土內部微裂紋并有效抑制微裂紋的擴展。

材料的纖維增強是近幾十年來材料科學領域的研究熱點之一，一些材料的纖維增強研究已經取得的重大成果。纖維抗滲防裂混凝土是采用水泥、砂石、外加劑、摻和料經優化配比后，摻加適量纖維以改善混凝土防滲抗裂性能、提高混凝土防裂能力、延長混凝土使用壽命的特種混凝土。這項技術的研究，是為了解決混凝土在水化硬化早期及后期出裂縫影響混凝土使用壽命的技術難題。

本書的核心是研究以堿激發礦渣水泥與合成纖維構成的高技術水泥基復合材料的化學、物理、結構、性能與機理，研究合成纖維增韌高強堿激發礦渣水泥（AAS材料）及其微觀結構與增強機理，充分發揮化學結合水泥基材料的高抗壓強度的特點，利用合成纖維增韌技術克服水泥基材料的抗折、抗拉強度低、收縮大、易開裂的弱點，獲得具有超高性能的新型水泥基材料。