硅酸钙水泥板中纤维的增强要素分析

2021-07-12

纤维的增强要素分析

在纤维增强水泥基复合材料中,纤维的主要作用在于当材料出现裂缝后对裂缝扩展的阻滞和延缓作用。水泥基复合材料产品的碱性环境要求所使用的纤维应该具备良好的耐碱性能、如聚乙烯醇纤维(PVA)、聚丙烯纤维素(PP)等化学纤维一般均备良好的耐碱性能。木浆纤维由于来自于树木等天然植物纤维,植物纤维本身存在自然降解的固有特性。在仅使用木浆纤维作为复合材料的增强纤维时要考虑纤维耐久性的影响。

纤维水泥制品和硅酸钙板产品的生产当中使用的增强纤维主要有三种类型,即植物纤维、矿物类纤维以及化学纤维。植物纤维即纤维素纤维(celulose),又称木浆纤维,是纤维水泥制品中最为广泛使用的工艺纤维和增强纤维。矿物纤维目前用得最多的是针状硅灰石,化学纤维用得最多的是 PVA 纤维。除了这些常用的纤维外,其他的纤维如PP纤维,其他植物纤维以及回收材料纤维等也时常用于纤维水泥制品的生产。影响纤维增强效果的要素主要涉及以下几个方面。

1.纤维力学性能

纤维的主要性能参数是抗拉强度、杨氏模量和极限伸长率,以及耐久性参数。用于水泥基复合材料的增强纤维的杨氏模量Ef

,与基材本身的杨氏模量 E0的比值越大,能够起到的增强作用就越大,Ef/E0的比值越大,在受力时纤维的变形越小,由此纤维与基材之问的剪切应力被纤维承载的份额越高,纤维的阻滞裂纹形成和扩展的作用也就越高。而用于水泥基材的增强纤维的抗拉强度通常要高于基材2个数量级以上才有比较理想的增强效果。

纤维本身的性能和耐久性对产品的最终性能和使用寿命有直接的影响。研究表明,PVA纤维在水泥制品中的耐久性能优异,在产品使用多年之后与初期的性能相比没有明显变化。

2.纤维几何特征

纤维几何特征包括纤维的长径比、纤维集束状况(单丝,束状水平)、横截面形状(圆形,不规则或异型)、表面状况(光滑粗糙度)等。这些物理特征会影响纤维与基材之间的握裹力(黏结强度)。方面表面越不光滑,缺陷多,理论上会增强纤维与基材之间的黏结强度。另方面,因为缺陷的增加会导致纤维本身的力学性能下降。对于纤维制造商来讲,在这两者之间取得良好的平衡是非常必要的,既要保证纤维本身的机械物理性能,又要增强纤维与基材之间的黏结强度。

用于无机复合材料的纤维根据纤维长度分为连续性长纤维和具有一定长度的短纤维。短纤维用于增强纤维时,为了最大限度地发挥纤维的增强作用,纤维的长度需要超过一定的临界值,否则当复合材料受到极限破坏作用力时,纤维就只会拔出而不是折断这样纤维的增强作用就无法最大限度地发挥。关于纤维极限长度的临界值的计算以及影响因素见随后章节。当纤维的横截面为非圆形截面时,应换算为等效圆形截面的直径。


3.纤维分布与取向

纤维分散性能的好坏直接影响纤维增强作用的最终贡献率,纤维取向性的高低则直接影响板材产品的横、纵强度比值、要使得材料中的纤维最大展度地发挥作用、就要尽可能避免纤维的取向作用,纤维的乱向分布是发挥纤维增强作用的最理想的分布状态。纤维增强无机复合材料中的纤维取向基本上可以分为四种方式:①一维定向,②二维定向:③二维乱向:④三维乱向。纤维取向程度的高低对于纤维增强的效率有直接影响。纤维的取向愈接近外力的方向,纤维的利用效率则越高,通常可以用纤维的取向系数表示。

对于纤维水泥制品的生产,使用的纤维都是短纤维。这些短纤维的长度和直径都远小于产品尺寸,微观上来讲,这些短纤维更接近三维乱向的分布特征。但由于生产工艺流水线的单方向行进特点,宏观上这些短纤维更符合二维乱向分布的特点,即大部分纤维倾向于沿着生产线行进方向排布,另外一部分纤维则垂直于生产线方向。在生产工艺的控制中,要尽可能地避兔纤维的取向性,否则将会导致纵向的强度过低而造成产品不合格。


4.纤维体积分散率

纤维的体积分散率是指纤维增强无机复合材料中全都纤维占复合材料体积的百分率,一般用符号 Vf表示。一方面,当纤维用于增强材料的抗拉强度时,其体积分散率也需要达到定的数值才可以起到增强的作用,这个数值就是体积分散率临界数值,另一方面,由于复合材料制备工艺的限制,纤维的掺加量又不能太多,否则会因为难于分散而造成材料性能的下降。因此纤维体积分散率也存在上限值。纤维分散率的最佳数值由纤维本身性质和基材的性质所决定。各国学者基于不同的科学观点建立了不同的模型,用以帮助材料设计人员更好地设计最佳纤维体积分散率。


5.纤维与基材之间的界面区域

对水泥基材料的研究表明,在不同材料的接触区域均存在明显的不同于基材特征的过渡层,而这些界而区域的性能往往决定了材料最终的性能。各国学着对于界面区域做了大量的研究,尽管得到的数据不尽相同,但是对于该界而区域的描述都基本一致,即认为在水泥基材的水泥石和其他材料之间存在50~10pm的过渡区域,该区域的结构致密度和强度均明显低于水泥石本身的强度,该过渡区域也被称为“界面区域或者薄弱区域”,对于纤维增强无机复合材料也存在这样的界面区域,纤维与基材之间的黏结强度对于纤维水泥板和纤维增强硅酸钙板产品的最终性能有关键的影响仅使用木浆纤维的压蒸产品界面区域与使用 PVA(维纶)纤维的免压蒸产品不完全相同。由于压猴产品在材料反应最后基本不存在或仅存在极少最的Ca(OH)2晶体,木浆纤维与基材之间的区域并不存在Ca(OH)2。晶体富集区,其取向性的影响也比较弱。纤维与基材之间的黏结强度比PVA纤维要好很多,但是木浆纤维是来自于天然木材的植物性纤维,其抗拉强度通常比化学纤维要低很多,另外由于天然纤维本身存在的天然降解特性决定了木浆纤维的耐久性不如PVA等化学纤维。这些因素都决定了仅使用木浆纤维的压蒸产品中,纤维与基材之间界面区域的薄弱区域也是存在的。

中国学者沈荣熹、包正兰对于 PVA (维纶)纤维增强水泥基材料的界面区城的研究结果表距明,从纤维到基材的这个界面区城里,从 PVA 纤维到基材主要存在双层膜区、高取向性Ca(OH)2富集区和多孔区三个不同特征的过渡区域。其中,双层膜区主要由黏附在纤维表面的水化产物组成,这部分的结构特征主婴取决于纤维表面性质和反应生成矿物的品体结构。股多为结构较为致密的水化硅酸钙凝胶或是吸附在纤维表面的一些超细的纳米颗粒。高取向性Ca(OH)2,富集区属于最为薄弱的区域这部分品体往往由于水化产物Ca(OH)2,晶体沿 C 轴的取向性特征造成晶体定向排列。这部分的强度最低。靠近基材主体一般多为多孔的水化产物,这部分的强度最低。靠近基材主体一般多为多孔的水化产物,这部分的强度接近基材强度、纤维增强无机复合水泥基材料的纤维与基材之间的界面区域的微结构。通过改善纤维表面特性来加强纤维与基材之间水泥基体的黏结强度,可以有效提高纤维的增强效率,另外,使用一些辅助材料也可以增强纤维与基材之间的黏多孔区结强度。


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