1.2　堿礦渣及合成纖維增韌水泥基材料應用與研究

如前述，本書是關于合成纖維增韌堿礦渣水泥基材料的性能、結構及機理的研究，研究不僅涉及到堿礦渣水泥基材料的相關內容，還應包括合成纖維在水泥基材料中的作用機制等相關內容。

1.2.1　堿礦渣水泥基材料

1.2.1.1　堿礦渣水泥基材料在國內外的研究及應用

堿礦渣水泥混凝土為烏克蘭基輔國立建筑大學工學博士V.D.Glukhovsky教授于1957年研制成功，當時他把這種膠結材叫作“土壤水泥”。在分析了沉積巖和變質巖起源的地質資料和組成這些巖石的造巖礦物的資料之后，他得出結論：堿金屬質的水化物比起鈣質的水化物有更高的抗風化能力；并且沉積巖生成的某些過程的溫度和壓力條件近似于制造水化硬化的建筑膠凝材料的溫度和壓力條件，因此在建筑材料工業中可以模擬。他用碎石、鍋爐渣或高爐礦渣磨細，或生石灰加高爐礦渣和硅酸鹽水泥（或不加）混合后再用NaOH溶液或硅酸鈉溶液調制凈漿，得到強度高達120MPa，穩定性好的堿性膠凝材料。1960年在前蘇聯已實現堿礦渣水泥混凝土的生產性試驗，1962年投入使用，1964年達到工業化生產，1965年制定第一部堿礦渣水泥混凝土的應用技術條件，1972年大規模投入生產。截至1990年，前蘇聯已在各種建筑工程中累計使用了300多萬立方米的堿礦渣混凝土。特別是在1989年，在前蘇聯的利別茲克市成功地建成世界上第一幢用堿礦渣混凝土現澆的高二十二層的高層居住建筑樓房。到1992年，前蘇聯共授予了200多項堿礦渣水泥混凝土的專利權。并在美國、法國、加拿大、德國、英國、日本、澳大利亞等發達的西方國家申請并獲得了多項堿礦渣水泥混凝土的專利權。

隨后，歐美等發達國家也在相繼開發類似于堿礦渣水泥的多品種堿性膠凝材料。法國的Davidovits等學者以煅燒黏土為原料，用堿化合物為激發劑或加一定量的礦渣和石灰用水調和成砂漿，在20℃水化4h以后，其強度可達20MPa，28d抗壓強度達70～100MPa。美國開發的一種商品名為Pyrament的堿性膠結材料，已在軍事工程上投入使用。德國、意大利、波蘭及荷蘭等國也都在相繼研究和開發堿激發礦渣類膠凝材料。

我國自20世紀80年代介紹堿礦渣水泥混凝土以來，許多單位和部門從各方面開展了研究和開發這種堿性膠凝材料的工作，取得了一系列優異成果。重慶建筑大學以蒲心誠教授為主任的硅酸鹽研究室于1984年開始研究堿礦渣膠結材料，隨后對其性能進行了系統地研究，制成了超早強（R1=68MPa）、超高強（R28=120.5MPa）、高抗滲（B>40）的高級堿礦渣混凝土，特別是在高強和超高強堿礦渣水泥混凝土凝結時間的調整與控制方面，取得了突破性的進展，為這種混凝土用現代施工方法應用于現澆工程奠定了基礎；史才軍等主要研究了堿磷渣水泥；呂昌高主要研究和開發了堿-礦渣-粉煤灰水泥與混凝土；沈曉冬、吳學權等已把研制的堿-礦渣-沸石膠結材用于處理核廢料；王先進等利用研制的低標號堿廢渣膠凝材料用于一些工程的砌筑和抹灰中。此外，眾多的學者對堿礦渣水泥特別是硅酸鈉激發的液態堿組分堿礦渣水泥的水化硬化機理進行了初步的研究和探討。

1.2.1.2　堿礦渣水泥基材料的主要優點

（1）強度高，硬化快

在不摻任何外加劑的條件下，堿激發礦渣水泥凈漿、砂漿和混凝土的強度可達到60～150MPa。尤其是早期強度高，一天就可達到10～60MPa，遠高于普通水泥。而且后期強度仍有較大增長。

（2）需水量少，硬化漿體結構致密

堿激發礦渣水泥的標準稠度需水量17％～22％，而普通水泥（OPC）為25％～29％。由此，AAS硬化漿體和混凝土內部孔隙率很低。漿體與集料界面顯微硬度很高，不成為結構薄弱環節。高強的AAS混凝土受力時，開裂往往發生在集料上，而不像普通混凝土那樣裂紋沿界面發展。

（3）水化放熱量低

AAS水泥水化放熱量僅為OPC的1/3～1/2，比大壩水泥還低（見表1.1），這對于較大體積的混凝土是十分有利的，對于普通混凝土，由于絕熱溫升造成的溫差裂縫的可能性也遠小于普通水泥混凝土。

注：AAS1、AAS2、AAS3的激發劑分別是NaOH、Na2CO3和水玻璃。

（4）高抗滲性

普通水泥混凝土的抗滲壓力通常為0.2～1.2MPa，摻硅灰后可達2.2MPa左右，而AAS混凝土的抗滲壓力遠高于4MPa。

（5）高抗凍性

普通混凝土的抗凍融循環次數為幾十次至200次，摻引氣劑后可達300次。而AAS混凝土抗凍融循環次數往往能達到300～1000次。強度為60MPa的AAS混凝土在凍融200次后幾乎不發生任何損傷。這在寒冷地區是十分有利的。

（6）良好的耐高溫性能

AAS混凝土在500～700℃的高溫下仍能保持原有強度。如果用耐火集料代替普通集料。可以進一步提高其耐火性能。例如摻6％玻璃纖維，采用鐵鉻礦渣，AAS混凝土在800～1000℃加熱后強度還有所提高。

（7）良好的抗化學侵蝕

AAS砂漿在1％～2％ MgSO4溶液中強度增加，在HCl、H2SO4等稀溶液中2年后仍有較高強度，而普通水泥砂漿在6個月內就破壞了。AAS在5％ Na2SO4溶液中3個月內強度提高，4～6個月強度開始降低；在5％ H2SO4溶液中幾天后強度就開始降低。在海水中或在5％～10％ NaCl溶液或Na2SO4溶液中，AAS的性能遠好于普通水泥，也好于摻加硅灰的普通水泥。因此，在該水泥混凝土的產品中抗腐蝕混凝土及制品是主要應用領域之一。比如，蘇州水泥制品與混凝土研究院在20世紀80年代末就開發出耐腐蝕的水管等制品，在上海的一些污水處理工程中獲得應用。

（8）良好的抗鋼筋銹蝕

AAS水泥中激發劑具有較高的堿性，且孔液的pH值能保持在12.8左右，因此對鋼筋具有良好的鈍化保護作用。此外，由于AAS混凝土孔隙率低，結構致密，使Cl—等離子在AAS混凝土內的擴散速率遠低于在普通混凝土中的擴散。實驗表明，AAS混凝土在人造海水中放置一年，內部鋼筋未出現銹蝕現象。采用干濕循環的加速方法時，AAS混凝土中的鋼筋經48～75次循環后的質量損失僅為0.18％～0.37％，而普通混凝土的鋼筋在45次循環后就已損失1.9％。

（9）節能與成本

AAS水泥生產工藝簡單，礦渣是工業副產品，其它工業廢渣更是價格低廉。不必像普通水泥那樣經高溫煅燒。因此AAS的生產能耗非常低，比普通水泥低60％。在制備混凝土時，用AAS制備低標號混凝土的成本略高于普通水泥混凝土。但是制備高標號混凝土時，用AAS水泥的成本遠低于普通水泥。

1.2.1.3　堿礦渣水泥基材料土存在的主要問題

（1）凝結時間過短

堿激發礦渣水泥的凝結很快，初凝往往發生在20min之內，高強的AAS甚至在幾分鐘內就凝結。除一些特殊場合外，這樣的凝結速率會給施工造成困難。國內外已由數十種用于普通水泥的緩凝劑，但對于AAS水泥幾乎都不適用。萘系減水劑和木鈣類緩凝劑不但不能緩凝和減水，而且還會降低AAS的強度。這是因為AAS水化過程與普通水泥不同。據報道硼酸、磷酸鹽（RP）及一些不常用的物質能起緩凝作用。

（2）干縮與微裂紋

AAS水泥早期水化速率較快，水化產物多為凝膠體（水化硅酸鹽凝膠、硅膠等），其中的凝膠水較易干燥蒸發。因此，AAS水泥混凝土的干縮大于普通水泥混凝土，較大的干縮易產生微裂紋，對混凝土性能極為不利，摻加膨脹劑、加強早期養護等，均可改善干縮。

（3）脆性較大

AAS水泥的強度高，但脆性也較大。用鋼纖維增強可以提高其韌性，但是增韌效果與纖維的排列趨向性有很大關系。

（4）可能發生堿集料反應

由于AAS水泥的堿含量遠遠高于普通水泥，Na2O含量往往達到3％～4％，如果集料具有堿活性的話，就有可能會發生堿集料反應。參與堿集料反應的Na2O數量與AAS水化后Na2O的存在狀態有關。部分Na2O結合到水化產物中被固化，剩余的Na2O以游離狀態存在而會導致堿集料反應。因此，在拌制AAS混凝土時，必須選擇不含堿活性組分的骨料（比如石灰石等）。摻加硅灰或粉煤灰可以延緩集料反應的發生。

（5）泛白現象

AAS水泥混凝土在一定齡期后其表面就會析出白霜，尤其是干濕交替環境中更加明顯。這是混凝土的泛白現象。其原因就是AAS中的Na2O沿毛細孔向混凝土表面遷移，與空氣中的CO2反應而析晶成Na2CO3。

1.2.2　合成纖維增韌水泥基材料

1.2.2.1　合成纖維增韌水泥基材料在國內外的研究與應用

20世紀60年代中期Goldfein研究用合成纖維作水泥砂漿增強材料的可能性，發現尼龍、聚丙烯與聚乙烯等纖維有助于提高砂漿的抗沖擊性。Zollo等的實驗表明，若在混凝土中摻加體積分數為0.1％～0.3％的聚丙烯纖維時，可使混凝土的塑性收縮減少12％～25％。

近年來，美國、德國和丹麥等國都提出在混凝土中摻加合成纖維，賦予混凝土一定韌性，以改善混凝土的抗裂性能。如美國耐康（NyCon）公司是第二代增強材料尼龍纖維的生產者與銷售者，他們將合成纖維用于預制混凝土和現場澆注的混凝土中已有20年以上，研究及實踐表明，合成纖維可明顯改進混凝土的表面質量及整體性，提高混凝土的抗開裂性能；除尼龍纖維，該公司還對聚丙烯及聚酯纖維在混凝土中的應用進行了大量的研制及應用工作。德國研究者探討了聚丙烯纖維和它在混凝土中的應用，文獻指出，摻加該種纖維可提高混凝土抗裂及抗滲性能，抑制了混凝土的早期裂縫的產生。丹麥也研究用聚丙烯纖維來改善混凝土早期收縮裂縫。他們認為摻加聚丙烯纖維會降低混凝土坍落度，然而對混凝土的工作性能沒有明顯影響。

20世紀70年代初，美、英等國已開始將聚丙烯單絲纖維用于某些混凝土制品中，所用纖維直徑與鋼纖維相近（0.22～0.25mm），纖維體積率為0.5％左右。70年代中期美國開發成功聚丙烯膜裂纖維（fibrillated polypropylene fiber），這是一種直徑為2mm以上的束狀纖維，在與混凝土拌和過程中可分裂成為若干細纖維束，且束內纖維展開成為相互牽連的網絡，其中單絲直徑為48～62μm，使用此種纖維不僅有助于降低單絲的直徑，并且還可以使纖維體積率減少到0.1％～0.2％。80年代美國若干公司通過表面處理技術成功開發可均勻分布于混凝土中的直徑為23～62μm的聚丙烯、尼龍等單絲，在纖維體積率為0.05％～0.2％時即有明顯抗裂與增韌效果。近十幾年來，美國與加拿大已在混凝土工程中廣泛使用加有低摻率合成纖維（聚丙烯單絲、聚丙烯膜裂纖維與尼龍纖維等）的預拌混凝土。目前美國所用混凝土總量中合成纖維混凝土約占7％，而鋼纖維混凝土只占3％左右。

在美國，纖維混凝土還被大量使用于地下防水工程、工業和民用建筑的屋面、墻體、水池和道路及橋梁工程中。以杜拉纖維（即聚丙烯纖維）為例，這種產品從誕生到現在只有20多年的歷史，卻在美國、加拿大、澳大利亞、日本、韓國、墨西哥以及東南亞等地區的混凝土工程中得到了相當廣泛的應用，其銷量的穩定增長充分說明了高科技建筑材料無法低估的商業價值。

隨著合成纖維混凝土在中國的應用與推廣，國內建筑材料理論界在國外學術界研究成果的基礎上開始關注并研究了相關的理論問題。中國建筑材料科學研究院水泥與新型建材研究所的沈榮熹博士研究了“低摻率合成纖維在混凝土中的作用機制”，歸納總結了合成纖維作為混凝土增強材料的特點，明確指出了低摻率合成纖維在混凝土中具有阻裂和增韌作用。大連理工大學的戴建國、黃承逵、趙國藩合作研究了“低彈性模量纖維混凝土的剩余彎曲強度”問題，給出了用于計算低彈模纖維混凝土構件抗彎承載力的指標與計算方法，同時說明聚丙烯纖維在工程中不但可以作為非結構性補強材料來防止塑性收縮裂縫，而且還可以作為結構補強材料用于增強構件的彎曲承載力，改善延性。關于合成纖維混凝土的理論研究表明，合成纖維對混凝土綜合性能改善的主要貢獻很可能不是增強而是抗裂增韌，那種不加區分地一味強調纖維對混凝土強度指標改善效果的觀點也許會把纖維混凝土的應用推廣引入歧途。

20世紀90年代初，在美國本土生產、能夠用于纖維混凝土的有機纖維透過商業渠道流入中國，成為合成纖維混凝土在中國大量應用的契機。1998年5月15日，由國家建設部科技發展促進中心主辦、香港恒律發展有限公司協辦的“美國杜拉纖維技術研究討會”在北京舉行，北京、廣州、重慶、鄭州、唐山等地科研、設計和施工單位等數十位專家出席了會議。同年6月26日建設部科技發展促進中心以（98）建發信便字第07號文件向全國各省市建設科技推廣中心（站）印發了《美國杜拉纖技術研究會紀要》，由此推開了合成纖維混凝土在中國應用的嶄新局面。據不完全統計，到2001年10月，在中國境內采用杜拉纖維混凝土的工程實例已數以千計，工程類型幾乎覆蓋了工業及民用建筑工程中所用到混凝土的場合。目前這種趨勢還在發展，深圳等地已將杜拉纖維的使用方法寫入《建筑防水構造圖集》。

聚丙烯纖維水泥混凝土研究與應用的不斷深入，促進了建材行業專家與化纖行業專家的合作。目前水泥混凝土專用聚丙烯纖維的合成已基本實現了國產化，中國紡織科學研究院及中國紡織大學都已成功開發出專用于水泥混凝土的聚丙烯纖維，現在這些國產的合成纖維已經在部分城市的混凝土建筑工程中開始大規模應用。

1.2.2.2　合成纖維在水泥基材料中的作用

合成纖維在水泥基材料中的作用，取決于纖維自身的性質及它在混凝土基體當中散布混合狀態。一般認為纖維加入水泥基材料中主要有以下幾方面的作用。

（1）阻裂

阻止水泥基材料中原有缺陷（微裂縫）的擴展并有效延緩新裂縫的出現。盡管從更微觀的形態上說，以水泥為基材的混凝土當中必定存在裂隙，但是由于纖維的作用可以大大減少甚至徹底消除宏觀（肉眼可見的）裂縫產生。合成纖維對混凝土阻裂的作用一直貫穿于水泥基材料的各個階段，即它不僅可以阻止早期水泥混凝土的塑性開裂，也能在一定程度上阻止混凝土在不同環境中由不種原因引起的開裂。

近年來關于不同合成纖維對水泥基材料阻裂的研究很多，盡管相關研究者選用的纖維品種、形態不同，但研究卻都得出較一致的結論，即在水泥砂漿或混凝土中加入少量的合成纖維，砂漿或混凝土的各種形式的開裂均可得到明顯的抑制與延緩。

（2）防滲

由于聚丙烯纖維大大減少了水泥基體中的連通裂縫，故可有效阻止外界水分的侵入。

（3）耐久

改善水泥基材料抗凍、抗疲勞等性能，提高其耐久性。

（4）增韌與抗沖擊

提高水泥基材料耐受變形的能力，從而改善其韌性和抗沖擊性。

（5）減重

在使用高彈性模量纖維，因基體抗拉（剪）強度提高，可減少預制件或澆筑體的截面尺寸，因而降低它們的自重，節約建筑工程的建造成本。

（6）美觀

改善水泥基材料構造物的表觀質量，使其致密、細潤、平整與美觀。

1.2.2.3　合成纖維增韌水泥基材料仍需解決的問題

聚丙烯纖維相對于其它纖維低廉的價格使之發展前景更被看好，在開發研制性能更佳的纖維，提高纖維的彈性模量及抗老化性能，降低造價的基礎上，主要應該解決以下一些問題。

（1）深入纖維增強混凝土細觀結構與宏觀力學性能關系的研究。到目前為止，對合成纖維混凝土的增強、增韌機理的論述基本上都是質的假定和理論分析，而宏觀性能是微觀結構的外在表現。加強這方面的研究，準確把握二者之間的量化關系，可極大地發展聚合物纖維的增強、增韌機理理論。

（2）提高水泥基材料本身的強度性能，充分發揮水泥基材料和纖維各自的優勢。比如采用化學結合的水泥，利用這些水泥本征強度高于普通硅酸鹽水泥的特點，利用纖維來克服水泥基復合材料的收縮和開裂的不足，獲得性能超群的微觀和亞微觀結構。目前國內外關于纖維增韌水泥基材料的研究中水基材料基于都局限于硅酸鹽水泥基材料，對于其它類型水泥如堿礦渣水泥基材料的研究國內還未見報導，國外雖有人做過相關研究，但深度還不夠。

（3）通過力學、物理化學、結構的研究，進一步闡明現有的和新的水泥基材料體系中合成纖維增韌補強的機理，為優選和實際應用這類復合材料提供理論依據和技術指導。

（4）有選擇地進行施工現場試驗，掌握其施工性能指標，如配合比、攪拌方式與試件控制、塌落度損失等，提出合成纖維增強混凝土的施工工藝。開展試件、構件試驗，深入了解合成纖維混凝土的物理力學性能以及構件在各類荷載作用下的表現，為合成纖維混凝土結構的設計提供依據。

1.2.3　合成纖維增韌堿礦渣水泥基材料的研究進展

關于合成纖維增韌堿礦渣水泥基材料的研究目前國內還沒有人進行，從可以收集到的國外文獻考察，僅找到一篇聚丙烯纖維增韌堿礦渣水泥基材料的報道。西班牙研究者F.Puertas等研究了聚丙烯纖維增韌堿礦渣砂漿的力學性能及耐久性能，研究認為堿礦渣水泥砂漿的強度發展快于同條件下的波特蘭水泥，1％體積摻量的聚丙烯纖維會降低堿礦渣水泥砂漿的強度；彎曲實驗結果表明，堿礦渣水泥砂漿的彈性模量略低于波特蘭水泥，而且聚丙烯纖維也沒有明顯提高堿礦渣水泥砂漿的彈性模量；收縮實驗結果表明，堿礦渣水泥砂漿的收縮取決于基材，本書研究中堿礦渣的收縮最大，堿粉煤灰水泥砂漿的收縮最低，纖維對收縮的影響也取決于基材；堿礦渣砂漿有良好的抗凍融性能，而且經凍融后砂漿強度會提高，聚丙烯纖維并不能明顯改變堿礦渣砂漿抗凍融的特性；堿礦渣水泥砂漿抗干濕循環的性能與波特蘭水泥砂漿相似，纖維可明顯提高各種砂漿的沖擊抗裂性能。

從已有文獻可知，當前一般的研究及工程應用中聚丙烯纖維的體積摻量一般控制在0.1％～0.3％，而在F.Puertas的研究中，聚丙纖維的摻量高達1％，故盡管他的研究成果有一定的理論價值，但從研究及應用的角度考察，合成纖維增韌堿礦水泥基材料的研究還有待更深入的研究，尤其是相關混凝土的綜合性能還待更全面的研究。