1.2　碱矿渣及合成纤维增韧水泥基材料应用与研究

如前述，本书是关于合成纤维增韧碱矿渣水泥基材料的性能、结构及机理的研究，研究不仅涉及到碱矿渣水泥基材料的相关内容，还应包括合成纤维在水泥基材料中的作用机制等相关内容。

1.2.1　碱矿渣水泥基材料

1.2.1.1　碱矿渣水泥基材料在国内外的研究及应用

碱矿渣水泥混凝土为乌克兰基辅国立建筑大学工学博士V.D.Glukhovsky教授于1957年研制成功，当时他把这种胶结材叫作“土壤水泥”。在分析了沉积岩和变质岩起源的地质资料和组成这些岩石的造岩矿物的资料之后，他得出结论：碱金属质的水化物比起钙质的水化物有更高的抗风化能力；并且沉积岩生成的某些过程的温度和压力条件近似于制造水化硬化的建筑胶凝材料的温度和压力条件，因此在建筑材料工业中可以模拟。他用碎石、锅炉渣或高炉矿渣磨细，或生石灰加高炉矿渣和硅酸盐水泥（或不加）混合后再用NaOH溶液或硅酸钠溶液调制净浆，得到强度高达120MPa，稳定性好的碱性胶凝材料。1960年在前苏联已实现碱矿渣水泥混凝土的生产性试验，1962年投入使用，1964年达到工业化生产，1965年制定第一部碱矿渣水泥混凝土的应用技术条件，1972年大规模投入生产。截至1990年，前苏联已在各种建筑工程中累计使用了300多万立方米的碱矿渣混凝土。特别是在1989年，在前苏联的利别兹克市成功地建成世界上第一幢用碱矿渣混凝土现浇的高二十二层的高层居住建筑楼房。到1992年，前苏联共授予了200多项碱矿渣水泥混凝土的专利权。并在美国、法国、加拿大、德国、英国、日本、澳大利亚等发达的西方国家申请并获得了多项碱矿渣水泥混凝土的专利权。

随后，欧美等发达国家也在相继开发类似于碱矿渣水泥的多品种碱性胶凝材料。法国的Davidovits等学者以煅烧黏土为原料，用碱化合物为激发剂或加一定量的矿渣和石灰用水调和成砂浆，在20℃水化4h以后，其强度可达20MPa，28d抗压强度达70～100MPa。美国开发的一种商品名为Pyrament的碱性胶结材料，已在军事工程上投入使用。德国、意大利、波兰及荷兰等国也都在相继研究和开发碱激发矿渣类胶凝材料。

我国自20世纪80年代介绍碱矿渣水泥混凝土以来，许多单位和部门从各方面开展了研究和开发这种碱性胶凝材料的工作，取得了一系列优异成果。重庆建筑大学以蒲心诚教授为主任的硅酸盐研究室于1984年开始研究碱矿渣胶结材料，随后对其性能进行了系统地研究，制成了超早强（R1=68MPa）、超高强（R28=120.5MPa）、高抗渗（B>40）的高级碱矿渣混凝土，特别是在高强和超高强碱矿渣水泥混凝土凝结时间的调整与控制方面，取得了突破性的进展，为这种混凝土用现代施工方法应用于现浇工程奠定了基础；史才军等主要研究了碱磷渣水泥；吕昌高主要研究和开发了碱-矿渣-粉煤灰水泥与混凝土；沈晓冬、吴学权等已把研制的碱-矿渣-沸石胶结材用于处理核废料；王先进等利用研制的低标号碱废渣胶凝材料用于一些工程的砌筑和抹灰中。此外，众多的学者对碱矿渣水泥特别是硅酸钠激发的液态碱组分碱矿渣水泥的水化硬化机理进行了初步的研究和探讨。

1.2.1.2　碱矿渣水泥基材料的主要优点

（1）强度高，硬化快

在不掺任何外加剂的条件下，碱激发矿渣水泥净浆、砂浆和混凝土的强度可达到60～150MPa。尤其是早期强度高，一天就可达到10～60MPa，远高于普通水泥。而且后期强度仍有较大增长。

（2）需水量少，硬化浆体结构致密

碱激发矿渣水泥的标准稠度需水量17％～22％，而普通水泥（OPC）为25％～29％。由此，AAS硬化浆体和混凝土内部孔隙率很低。浆体与集料界面显微硬度很高，不成为结构薄弱环节。高强的AAS混凝土受力时，开裂往往发生在集料上，而不像普通混凝土那样裂纹沿界面发展。

（3）水化放热量低

AAS水泥水化放热量仅为OPC的1/3～1/2，比大坝水泥还低（见表1.1），这对于较大体积的混凝土是十分有利的，对于普通混凝土，由于绝热温升造成的温差裂缝的可能性也远小于普通水泥混凝土。

注：AAS1、AAS2、AAS3的激发剂分别是NaOH、Na2CO3和水玻璃。

（4）高抗渗性

普通水泥混凝土的抗渗压力通常为0.2～1.2MPa，掺硅灰后可达2.2MPa左右，而AAS混凝土的抗渗压力远高于4MPa。

（5）高抗冻性

普通混凝土的抗冻融循环次数为几十次至200次，掺引气剂后可达300次。而AAS混凝土抗冻融循环次数往往能达到300～1000次。强度为60MPa的AAS混凝土在冻融200次后几乎不发生任何损伤。这在寒冷地区是十分有利的。

（6）良好的耐高温性能

AAS混凝土在500～700℃的高温下仍能保持原有强度。如果用耐火集料代替普通集料。可以进一步提高其耐火性能。例如掺6％玻璃纤维，采用铁铬矿渣，AAS混凝土在800～1000℃加热后强度还有所提高。

（7）良好的抗化学侵蚀

AAS砂浆在1％～2％ MgSO4溶液中强度增加，在HCl、H2SO4等稀溶液中2年后仍有较高强度，而普通水泥砂浆在6个月内就破坏了。AAS在5％ Na2SO4溶液中3个月内强度提高，4～6个月强度开始降低；在5％ H2SO4溶液中几天后强度就开始降低。在海水中或在5％～10％ NaCl溶液或Na2SO4溶液中，AAS的性能远好于普通水泥，也好于掺加硅灰的普通水泥。因此，在该水泥混凝土的产品中抗腐蚀混凝土及制品是主要应用领域之一。比如，苏州水泥制品与混凝土研究院在20世纪80年代末就开发出耐腐蚀的水管等制品，在上海的一些污水处理工程中获得应用。

（8）良好的抗钢筋锈蚀

AAS水泥中激发剂具有较高的碱性，且孔液的pH值能保持在12.8左右，因此对钢筋具有良好的钝化保护作用。此外，由于AAS混凝土孔隙率低，结构致密，使Cl—等离子在AAS混凝土内的扩散速率远低于在普通混凝土中的扩散。实验表明，AAS混凝土在人造海水中放置一年，内部钢筋未出现锈蚀现象。采用干湿循环的加速方法时，AAS混凝土中的钢筋经48～75次循环后的质量损失仅为0.18％～0.37％，而普通混凝土的钢筋在45次循环后就已损失1.9％。

（9）节能与成本

AAS水泥生产工艺简单，矿渣是工业副产品，其它工业废渣更是价格低廉。不必像普通水泥那样经高温煅烧。因此AAS的生产能耗非常低，比普通水泥低60％。在制备混凝土时，用AAS制备低标号混凝土的成本略高于普通水泥混凝土。但是制备高标号混凝土时，用AAS水泥的成本远低于普通水泥。

1.2.1.3　碱矿渣水泥基材料土存在的主要问题

（1）凝结时间过短

碱激发矿渣水泥的凝结很快，初凝往往发生在20min之内，高强的AAS甚至在几分钟内就凝结。除一些特殊场合外，这样的凝结速率会给施工造成困难。国内外已由数十种用于普通水泥的缓凝剂，但对于AAS水泥几乎都不适用。萘系减水剂和木钙类缓凝剂不但不能缓凝和减水，而且还会降低AAS的强度。这是因为AAS水化过程与普通水泥不同。据报道硼酸、磷酸盐（RP）及一些不常用的物质能起缓凝作用。

（2）干缩与微裂纹

AAS水泥早期水化速率较快，水化产物多为凝胶体（水化硅酸盐凝胶、硅胶等），其中的凝胶水较易干燥蒸发。因此，AAS水泥混凝土的干缩大于普通水泥混凝土，较大的干缩易产生微裂纹，对混凝土性能极为不利，掺加膨胀剂、加强早期养护等，均可改善干缩。

（3）脆性较大

AAS水泥的强度高，但脆性也较大。用钢纤维增强可以提高其韧性，但是增韧效果与纤维的排列趋向性有很大关系。

（4）可能发生碱集料反应

由于AAS水泥的碱含量远远高于普通水泥，Na2O含量往往达到3％～4％，如果集料具有碱活性的话，就有可能会发生碱集料反应。参与碱集料反应的Na2O数量与AAS水化后Na2O的存在状态有关。部分Na2O结合到水化产物中被固化，剩余的Na2O以游离状态存在而会导致碱集料反应。因此，在拌制AAS混凝土时，必须选择不含碱活性组分的骨料（比如石灰石等）。掺加硅灰或粉煤灰可以延缓集料反应的发生。

（5）泛白现象

AAS水泥混凝土在一定龄期后其表面就会析出白霜，尤其是干湿交替环境中更加明显。这是混凝土的泛白现象。其原因就是AAS中的Na2O沿毛细孔向混凝土表面迁移，与空气中的CO2反应而析晶成Na2CO3。

1.2.2　合成纤维增韧水泥基材料

1.2.2.1　合成纤维增韧水泥基材料在国内外的研究与应用

20世纪60年代中期Goldfein研究用合成纤维作水泥砂浆增强材料的可能性，发现尼龙、聚丙烯与聚乙烯等纤维有助于提高砂浆的抗冲击性。Zollo等的实验表明，若在混凝土中掺加体积分数为0.1％～0.3％的聚丙烯纤维时，可使混凝土的塑性收缩减少12％～25％。

近年来，美国、德国和丹麦等国都提出在混凝土中掺加合成纤维，赋予混凝土一定韧性，以改善混凝土的抗裂性能。如美国耐康（NyCon）公司是第二代增强材料尼龙纤维的生产者与销售者，他们将合成纤维用于预制混凝土和现场浇注的混凝土中已有20年以上，研究及实践表明，合成纤维可明显改进混凝土的表面质量及整体性，提高混凝土的抗开裂性能；除尼龙纤维，该公司还对聚丙烯及聚酯纤维在混凝土中的应用进行了大量的研制及应用工作。德国研究者探讨了聚丙烯纤维和它在混凝土中的应用，文献指出，掺加该种纤维可提高混凝土抗裂及抗渗性能，抑制了混凝土的早期裂缝的产生。丹麦也研究用聚丙烯纤维来改善混凝土早期收缩裂缝。他们认为掺加聚丙烯纤维会降低混凝土坍落度，然而对混凝土的工作性能没有明显影响。

20世纪70年代初，美、英等国已开始将聚丙烯单丝纤维用于某些混凝土制品中，所用纤维直径与钢纤维相近（0.22～0.25mm），纤维体积率为0.5％左右。70年代中期美国开发成功聚丙烯膜裂纤维（fibrillated polypropylene fiber），这是一种直径为2mm以上的束状纤维，在与混凝土拌和过程中可分裂成为若干细纤维束，且束内纤维展开成为相互牵连的网络，其中单丝直径为48～62μm，使用此种纤维不仅有助于降低单丝的直径，并且还可以使纤维体积率减少到0.1％～0.2％。80年代美国若干公司通过表面处理技术成功开发可均匀分布于混凝土中的直径为23～62μm的聚丙烯、尼龙等单丝，在纤维体积率为0.05％～0.2％时即有明显抗裂与增韧效果。近十几年来，美国与加拿大已在混凝土工程中广泛使用加有低掺率合成纤维（聚丙烯单丝、聚丙烯膜裂纤维与尼龙纤维等）的预拌混凝土。目前美国所用混凝土总量中合成纤维混凝土约占7％，而钢纤维混凝土只占3％左右。

在美国，纤维混凝土还被大量使用于地下防水工程、工业和民用建筑的屋面、墙体、水池和道路及桥梁工程中。以杜拉纤维（即聚丙烯纤维）为例，这种产品从诞生到现在只有20多年的历史，却在美国、加拿大、澳大利亚、日本、韩国、墨西哥以及东南亚等地区的混凝土工程中得到了相当广泛的应用，其销量的稳定增长充分说明了高科技建筑材料无法低估的商业价值。

随着合成纤维混凝土在中国的应用与推广，国内建筑材料理论界在国外学术界研究成果的基础上开始关注并研究了相关的理论问题。中国建筑材料科学研究院水泥与新型建材研究所的沈荣熹博士研究了“低掺率合成纤维在混凝土中的作用机制”，归纳总结了合成纤维作为混凝土增强材料的特点，明确指出了低掺率合成纤维在混凝土中具有阻裂和增韧作用。大连理工大学的戴建国、黄承逵、赵国藩合作研究了“低弹性模量纤维混凝土的剩余弯曲强度”问题，给出了用于计算低弹模纤维混凝土构件抗弯承载力的指标与计算方法，同时说明聚丙烯纤维在工程中不但可以作为非结构性补强材料来防止塑性收缩裂缝，而且还可以作为结构补强材料用于增强构件的弯曲承载力，改善延性。关于合成纤维混凝土的理论研究表明，合成纤维对混凝土综合性能改善的主要贡献很可能不是增强而是抗裂增韧，那种不加区分地一味强调纤维对混凝土强度指标改善效果的观点也许会把纤维混凝土的应用推广引入歧途。

20世纪90年代初，在美国本土生产、能够用于纤维混凝土的有机纤维透过商业渠道流入中国，成为合成纤维混凝土在中国大量应用的契机。1998年5月15日，由国家建设部科技发展促进中心主办、香港恒律发展有限公司协办的“美国杜拉纤维技术研究讨会”在北京举行，北京、广州、重庆、郑州、唐山等地科研、设计和施工单位等数十位专家出席了会议。同年6月26日建设部科技发展促进中心以（98）建发信便字第07号文件向全国各省市建设科技推广中心（站）印发了《美国杜拉纤技术研究会纪要》，由此推开了合成纤维混凝土在中国应用的崭新局面。据不完全统计，到2001年10月，在中国境内采用杜拉纤维混凝土的工程实例已数以千计，工程类型几乎覆盖了工业及民用建筑工程中所用到混凝土的场合。目前这种趋势还在发展，深圳等地已将杜拉纤维的使用方法写入《建筑防水构造图集》。

聚丙烯纤维水泥混凝土研究与应用的不断深入，促进了建材行业专家与化纤行业专家的合作。目前水泥混凝土专用聚丙烯纤维的合成已基本实现了国产化，中国纺织科学研究院及中国纺织大学都已成功开发出专用于水泥混凝土的聚丙烯纤维，现在这些国产的合成纤维已经在部分城市的混凝土建筑工程中开始大规模应用。

1.2.2.2　合成纤维在水泥基材料中的作用

合成纤维在水泥基材料中的作用，取决于纤维自身的性质及它在混凝土基体当中散布混合状态。一般认为纤维加入水泥基材料中主要有以下几方面的作用。

（1）阻裂

阻止水泥基材料中原有缺陷（微裂缝）的扩展并有效延缓新裂缝的出现。尽管从更微观的形态上说，以水泥为基材的混凝土当中必定存在裂隙，但是由于纤维的作用可以大大减少甚至彻底消除宏观（肉眼可见的）裂缝产生。合成纤维对混凝土阻裂的作用一直贯穿于水泥基材料的各个阶段，即它不仅可以阻止早期水泥混凝土的塑性开裂，也能在一定程度上阻止混凝土在不同环境中由不种原因引起的开裂。

近年来关于不同合成纤维对水泥基材料阻裂的研究很多，尽管相关研究者选用的纤维品种、形态不同，但研究却都得出较一致的结论，即在水泥砂浆或混凝土中加入少量的合成纤维，砂浆或混凝土的各种形式的开裂均可得到明显的抑制与延缓。

（2）防渗

由于聚丙烯纤维大大减少了水泥基体中的连通裂缝，故可有效阻止外界水分的侵入。

（3）耐久

改善水泥基材料抗冻、抗疲劳等性能，提高其耐久性。

（4）增韧与抗冲击

提高水泥基材料耐受变形的能力，从而改善其韧性和抗冲击性。

（5）减重

在使用高弹性模量纤维，因基体抗拉（剪）强度提高，可减少预制件或浇筑体的截面尺寸，因而降低它们的自重，节约建筑工程的建造成本。

（6）美观

改善水泥基材料构造物的表观质量，使其致密、细润、平整与美观。

1.2.2.3　合成纤维增韧水泥基材料仍需解决的问题

聚丙烯纤维相对于其它纤维低廉的价格使之发展前景更被看好，在开发研制性能更佳的纤维，提高纤维的弹性模量及抗老化性能，降低造价的基础上，主要应该解决以下一些问题。

（1）深入纤维增强混凝土细观结构与宏观力学性能关系的研究。到目前为止，对合成纤维混凝土的增强、增韧机理的论述基本上都是质的假定和理论分析，而宏观性能是微观结构的外在表现。加强这方面的研究，准确把握二者之间的量化关系，可极大地发展聚合物纤维的增强、增韧机理理论。

（2）提高水泥基材料本身的强度性能，充分发挥水泥基材料和纤维各自的优势。比如采用化学结合的水泥，利用这些水泥本征强度高于普通硅酸盐水泥的特点，利用纤维来克服水泥基复合材料的收缩和开裂的不足，获得性能超群的微观和亚微观结构。目前国内外关于纤维增韧水泥基材料的研究中水基材料基于都局限于硅酸盐水泥基材料，对于其它类型水泥如碱矿渣水泥基材料的研究国内还未见报导，国外虽有人做过相关研究，但深度还不够。

（3）通过力学、物理化学、结构的研究，进一步阐明现有的和新的水泥基材料体系中合成纤维增韧补强的机理，为优选和实际应用这类复合材料提供理论依据和技术指导。

（4）有选择地进行施工现场试验，掌握其施工性能指标，如配合比、搅拌方式与试件控制、塌落度损失等，提出合成纤维增强混凝土的施工工艺。开展试件、构件试验，深入了解合成纤维混凝土的物理力学性能以及构件在各类荷载作用下的表现，为合成纤维混凝土结构的设计提供依据。

1.2.3　合成纤维增韧碱矿渣水泥基材料的研究进展

关于合成纤维增韧碱矿渣水泥基材料的研究目前国内还没有人进行，从可以收集到的国外文献考察，仅找到一篇聚丙烯纤维增韧碱矿渣水泥基材料的报道。西班牙研究者F.Puertas等研究了聚丙烯纤维增韧碱矿渣砂浆的力学性能及耐久性能，研究认为碱矿渣水泥砂浆的强度发展快于同条件下的波特兰水泥，1％体积掺量的聚丙烯纤维会降低碱矿渣水泥砂浆的强度；弯曲实验结果表明，碱矿渣水泥砂浆的弹性模量略低于波特兰水泥，而且聚丙烯纤维也没有明显提高碱矿渣水泥砂浆的弹性模量；收缩实验结果表明，碱矿渣水泥砂浆的收缩取决于基材，本书研究中碱矿渣的收缩最大，碱粉煤灰水泥砂浆的收缩最低，纤维对收缩的影响也取决于基材；碱矿渣砂浆有良好的抗冻融性能，而且经冻融后砂浆强度会提高，聚丙烯纤维并不能明显改变碱矿渣砂浆抗冻融的特性；碱矿渣水泥砂浆抗干湿循环的性能与波特兰水泥砂浆相似，纤维可明显提高各种砂浆的冲击抗裂性能。

从已有文献可知，当前一般的研究及工程应用中聚丙烯纤维的体积掺量一般控制在0.1％～0.3％，而在F.Puertas的研究中，聚丙纤维的掺量高达1％，故尽管他的研究成果有一定的理论价值，但从研究及应用的角度考察，合成纤维增韧碱矿水泥基材料的研究还有待更深入的研究，尤其是相关混凝土的综合性能还待更全面的研究。