淺談高性能水泥基復合材料研究現狀

（吉林建筑大學交通科學與工程學院, 長春 130118）

0 前言

21世紀以來，科學技術高速發展，社會時代飛速進步，伴隨著環境惡化、資源緊缺和能源危機問題日益凸顯。這些問題的出現對人類的可持續發展提出了新的挑戰，同樣也對我們材料科學提出了更高的要求。因此，高性能水泥基復合材料的出現和應用將會存在巨大潛力。

國內外研究學者通過大量試驗研究得出，影響高性能水泥基復合材料強度和工作性能的因素較多。本文主要從以下兩個方面對現有研究及存在的問題進行討論和總結。

1 研究現狀

1.1 對礦物摻合料的研究

礦物摻合料，是為了改善混凝土工作性能，節約用水量，調節混凝土強度等級，而在混凝土拌合時摻入天然的或人工的能夠改善混凝土力學性能和工作性能的粉狀礦物質。活性摻合料是在摻入減水劑的情況下，能夠增加新拌混凝土的工作性能，并能提高混凝土的力學性能和耐久性。

王洪等[1]在高強混凝土中摻入適量的硅灰，在一定程度上增強了混凝土的抗壓強度和抗折強度。Song H W等[2]指出硅灰能夠顯著改善混凝土的工作性和耐久性，過量的硅灰的自收縮性大，會降低混凝土的抗壓強度。陳劍雄等[3]提出超細石灰石粉具有微集料效應，微顯核效應等，能夠促進 C3S的水化，顯著提高混凝土抗壓強度。崔崇等[4]認為超細高含硅質礦粉增強了集料與膠結料界面的粘結力。劉建忠等[5]通過研究指出，摻10%粉煤灰或礦渣粉不會影響低水膠比漿體的水化進程，粉煤灰對水化進程的延緩效果要優于同等摻量的礦渣粉。Shrestha S等[6]提出雙摻超細磨粉煤灰和硅灰能夠顯著提高混凝土的早期強度。

以上研究表明，不同的礦物摻合料單摻、雙摻和三摻作用機理不一樣，對抗壓強度的影響也就會產生不同。礦物摻合料的摻入可以替代部分水泥，降低成本，最根本的是可以降低水化熱，優化孔洞結構，增強各相間的粘結，從而提高強度。礦物摻合料在降低水泥水化熱的同時，也對水泥水化起到一定促進作用。

1.2 對纖維摻量的研究

通過纖維技術與混凝土技術結合，可研制出能夠改善混凝土力學性能，提高土建工程質量的高性能混凝土。不同纖維對于混凝土的作用不同，影響程度也不同。例如，鋼纖維對于機場、大壩、高速公路等工程可起到抗滲、防裂、抗沖擊和抗折性能，合成纖維可以起到預防混凝土早期開裂，在混凝土材料制造初期起到表面保護，等等。

李悅等[7]認為有機纖維的摻入都不同程度地降低了抗壓強度，提高了其抗折強度。劉曙光等[8]通過氯鹽環境中的快速凍融試驗研究，得出聚乙烯醇纖維能夠強化水泥基復合材料的抗鹽凍性能。卿龍邦等[9]通過不同鋼纖維體積分數及不同試件尺寸的預制缺口三點彎曲梁斷裂試驗，研究了普通亂向及定向鋼纖維增強水泥基復合材料的抗起裂特性。劉肖凡等[10]通過試驗對不同體積摻量的鋼纖維和聚丙烯纖維混摻進行收縮抗裂性能研究，得出最優體積摻量。

通過對不同纖維以及混摻纖維的水泥基復合材料的試驗探究，在抗壓強度方面，摻入有機纖維使抗壓強度不同程度降低，但是在摻入鋼纖維后，強度得到提高；在抗拉強度方面，摻入不同的纖維都使抗拉強度得到提高，其中摻入鋼纖維最為明顯。

2 存在的問題

目前，對水泥基材料的研究以及工程實際應用仍存在一些難點和不確定的因素，主要表現在：

（1）水泥基材料體系中各組分的參數和性能存在多變性。因此，有必要系統地研究不同組分下礦物摻合料對力學性能的影響，并從微觀結構上分析各組分的作用和變化機理。

（2）如何合理優化選擇和利用不同纖維以及混雜纖維制備出能夠滿足結構工程特殊部位所需的高性能多功能水泥基復合材料。

3 總結與展望

由于使用環境多變，對材料的要求已不僅僅是單一的功能，而是多功能性，滿足各方面的要求。如何協調好各功能間的最優組合，將是其未來具有工程應用價值的發展方向之一。對于礦物摻合料的擴展研究，現在我們對礦物摻合料的研究只局限在常見的幾種，加大對資源的利用率，擴大礦物摻合料的選用種類，并對其關鍵性能與增強韌性機理進行深入研究。國家也應加大對工業廢棄物的再利用研究，提高材料的性價比，制備出滿足工程需要，成本較低的材料。

[1]王洪, 陳偉天等. 硅灰對高強混凝土強度影響的試驗研究[J]. 混凝土,2011(7):74-76.

[2]Song H W, Pack S W,et al. Estimation of the permeability of silica fume cement concrete[J]. Construction & Building Materials, 2010, 24(3):315-321.

[3]陳劍雄, 李鴻芳, 陳寒斌,等. 摻超細石灰石粉和鈦礦渣粉超高強混凝土研究[J]. 建筑材料學報, 2005, 8(6):672-676.

[4]崔崇, 程水明等. 超細礦粉在超高強度管樁砼中的應用研究[J]. 武漢理工大學學報, 2001, 23(1):1-5.

[5]劉建忠, 孫偉等. 超高強混凝土用低水膠比漿體的水化熱研究[J]. 建筑材料學報, 2010, 13(2):139-142.

[6]Shrestha S. Development of concrete mixtures incorporating ultrafine fly ash and silica fume[J]. Dissertations & Theses-Gradworks, 2010, 45(2113):41-46.

[7]李悅，朱金才等. 纖維對水泥基材料力學性能的影響[J].華中科技大學學報，2017,45(11):57-61.

[8]劉曙光, 閆敏等. 聚乙烯醇纖維強化水泥基復合材料的抗鹽凍性能[J]. 吉林大學學報(工), 2012, 42(1):63-67.

[9]卿龍邦, 聶雅彤等. 鋼纖維對水泥基復合材料抗起裂特性的影響[J]. 復合材料學報, 2017, 34(8):1862-1869.

[10]劉肖凡, 梅國棟等. 鋼-聚丙烯混雜纖維水泥基復合材料干燥收縮抗裂性能研究[J]. 混凝土與水泥制品, 2016(2):51-54.