第一章 绪论
1.1 引言
1.1.1 水泥混凝土存在的主要问题——强度、开裂与耐久性
水泥基材料是当今世界用量最大的材料之一。但是其抗压强度通常只有20～80MPa，抗折强度只有数兆帕，抗拉强度更低。因而混凝土的构件往往体积粗大，导致空间利用率较低。虽然混凝土材料经一百多年的使用证明在不出现裂缝的前提下，正常环境中具有良好耐久性能，但是在较恶劣的环境下抗腐蚀能力却常常不能令人满意。大量的研究和工程实践证明，造成混凝土结构损坏的主要原因是混凝土在养护和使用过程中易产生微裂纹，有时甚至出现裂缝。
混凝土材料是低抗拉强度和低抗拉应变的复合材料，在混凝土硬化过程中，伴随着各种收缩（如化学收缩、温度收缩、塑性收缩、干缩和自收缩等）的增大，导致混凝土产生许多微裂纹。由于混凝土抗压强度受微裂纹影响较小，因此标准龄期后混凝土抗压强度持续增加，而抗拉强度却几乎不再增长，有时甚至还会出现抗拉强度倒缩现象。拉压比随混凝土龄期的增长而下降必然导致混凝土的脆性进一步加剧，增加了混凝土结构潜在的无征兆破坏的危险性。因此，为了提高混凝土建筑的安全性，充分发挥混凝土材料本身固有的强度性能，就应该解决其易产生裂缝和脆性大的问题。
国内外建设的许多大型桥梁、江河堤坝、大型体育馆等公用设施，都或多或少的出现了结构缺陷裂缝，有的部分已经延伸到钢筋部位，使混凝土建筑物（构筑物）的整体性受到破坏，堤坝出现渗漏，地下室渗水变潮，桥梁的安全性受到质疑并最终拆除重建，许多公共场所被迫关闭，造成大量的人力物力浪费。究其原因，主要是由于混凝土在使用的过程中内部应力集中，使内部存在结构缺陷的混凝土产生微裂纹，并逐渐扩展延伸最终形成较大的裂缝。随着这些裂缝的产生与扩展，其表面逐渐碳化，当裂缝扩展至钢筋时，混凝土的护筋作用完全丧失，空气中的腐蚀性气体直接侵害钢筋导致钢筋锈蚀，引起钢筋混凝土结构的破坏最终完全失效。
国内外对裂缝产生的原因进行了大量深入系统的研究，在预防裂缝产生的方法方面取得大量卓有成效的研究成果。混凝土产生裂缝的原因主要有三种：外荷载直接应力引起的裂缝，即按常规计算的主要应力引起的裂缝；外载作用下结构次应力引起的裂缝；由变形引起的裂缝，如温度、收缩、膨胀、不均匀沉降等因素引起的裂缝。裂缝通常由其中一种或几种因素共同作用而形成。三种产生裂缝的原因中，尤以变形变化引起的裂缝最多，占80％以上。根据裂缝产生的机理，目前国内外预防裂缝主要采取以下三种方式。
（1）膨胀剂阻裂
根据混凝土开裂原因的分析，目前为防止混凝土裂缝的产生，在注意砂石粒径及级配的基础上，一般采用掺加膨胀剂的方法。对于处于潮湿环境及地下的混凝土工程、游泳池及水工工程，此方法发挥了重要作用，基本上实现了在使用掺加膨胀剂混凝土后不开裂，不渗漏，保证了这些混凝土建筑物（构筑物）的正常使用。但对于大多数露天工程，特别是桥梁、大型体育场馆的顶板和屋架、大面积公用建筑的地面、飞机跑道等混凝土构筑物，掺加膨胀剂不仅不能起到防裂的作用，而且会导致在使用过程中开裂的更严重。究其原因，是由于膨胀剂的水化和水化产物的形成，必须在饱水的条件下进行，一旦周围环境水分不足，膨胀剂不仅不会起到膨胀抗裂作用，并且由于膨胀剂水化还要争夺原本不多的水分，在混凝土内部产生毛细管力，导致混凝土收缩，形成裂纹。在这种情况下，采用膨胀剂控制和预防露天条件下工作的混凝土的开裂显然并不合适。
（2）传统纤维抗裂
除了掺加膨胀剂外，国内外也进行了大量的试验工作，采用掺加纤维的方法来改善混凝土的性能，并取得一定的成果。传统掺加的纤维有玻璃纤维、有机质植物纤维和钢纤维三种，从使用效果看，采用玻璃纤维的混凝土主要用于玻璃纤维增强水泥制品，但水泥液相中的Ca（OH）2会使玻璃纤维的硅氧键发生断裂，SiO2与Ca（OH）2发生反应成低钙的水化硅酸钙，此种反应可以进行至玻璃中的SiO2完全消耗为止，因而玻璃纤维的抗拉强度大大降低，使混凝土的性能劣化，因此不能大规模应用于混凝土构筑物中。采用有机质植物纤维的混凝土由于纤维直径较大，强度较低，与水泥基胶结材料黏结效果较差，因此没有大规模推广使用。采用钢纤维的混凝土由于钢纤维与水泥的黏结效果好，且具有各向同性的特征，因此混凝土的强度明显提高，混凝土的耐磨性能、耐冲击性能、抗疲劳性能、韧性、抗爆性能等明显改善，减少了混凝土的各种结构缺陷，使混凝土的收缩受到一定限制，从而有效地预防了混凝土裂缝的出现。但是其昂贵的价格，复杂的操作工艺使其应用范围仅限于现场搅拌或有特殊要求的特种混凝土，不能大面积推广使用。以上三种纤维在预拌混凝土领域不能大规模应用的另一个原因就是掺加这几种纤维的混凝土坍落度损失大，扩展度小，工作性差，不利于长距离运输和泵送施工。
（3）合成纤维防裂
针对膨胀剂防裂和传统纤维防裂方法的不足，国内外一些研究采用纤维配制混凝土来防止混凝土裂缝的出现。在水泥基材料中，能够有效增强的纤维有钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维、碳纤维等。纤维能够有效增加水泥基材料的抗拉强度，提高韧性。钢筋混凝土是使用最广泛的复合增强水泥基材料，采用钢纤维增强混凝土更加有效。玻璃纤维非常细小，单位强度很高，玻璃纤维增强水泥（GRC）也十分有效，但是只能用抗碱玻璃纤维与低碱度水泥进行复合，否则易发生水泥和玻璃纤维的酸碱反应而对玻璃纤维造成腐蚀，后期强度急剧下降。碳纤维强度非常高，碳纤维增强水泥基材料可以应用于混凝土结构的修补，但是碳纤维高昂的价格是对其应用的最大限制。聚丙烯纤维增强水泥基材料是最近发展起来的一项新技术，可以有效提高水泥基材料的抗拉和抗弯性能，但是由于其弹性模量远低于水泥，因此它对水泥基材料的抗压强度性能贡献较小，主要是增加混凝土的韧性，提高抗弯和抗拉强度，从而起到降低开裂的作用。美国、德国、丹麦等国家先后提出在混凝土中掺加合成纤维、特别是聚丙烯纤维来赋予混凝土一定的韧性以改善混凝土的抗裂性能，近年来我国也开展了聚丙烯纤维增强、增韧混凝土的研究，并在一些工程中应用，取得了良好的效果。
1.1.2 水泥基材料与纤维增韧技术
从材料本身的物理和化学性质来看，常用的水泥基材料内部微结构致密性不够高，存在20％左右的孔隙，尤其是存在大量1μm以上的孔。粒子之间的结合力主要是范德华力和氢键，这是水泥基材料抗拉能力弱、易于出现裂纹的主要原因之一。
为了获得更高强度的水泥基材料，世界各国都作了大量研究。碱激发矿渣（AAS）水泥、超细粒聚密（DSP）水泥、无宏观缺陷（MDF）水泥、化学结合陶瓷（CBC）等高技术水泥基材料相继发明，并逐步取得进展。近年来，AAS、DSP和MDF也被归类至CBC的范畴。这些材料内粒子的结合除范德华力和氢键之外，还含有离子健和共价键，加之拌和用水量大大减少，使内部结构致密化。因此它们的共同点是强度均高于常规的水泥混凝土，有良好的抗冻、抗渗与抗腐蚀性及良好的电性能。有这些材料制成的构件强度可以成倍、甚至成几十倍地高于普通的水泥基材料，其它性能也明显改善，在一些特殊场合已获得应用。
在几种CBC中，碱激发矿渣水泥（AAS）和超细粒聚密水泥（DSP）最有希望在实际工程中获得大规模应用。因此，人们对这二种水泥的产品开发和工程应用技术更为重视，取得一些比较切合实际的进展。但是，这些材料也有一些不足之处，至今为止，仍然存在一些性能和技术上难点未能彻底解决，限制了它们的应用。比如，AAS的关键问题在于凝结太快、干缩大、泛白及可能发生的碱集料反应；DSP的硅灰替代物、外加剂及进一步提高强度的制备方法；MDF的湿敏性、耐久性和成型工艺等，都是值得进一步研究加以改进的课题。
混凝土和其它水泥基材料固有的弱点是韧性差、抗拉和抗折弯强度低，因脆性而容易产生裂缝。当混凝土的强度等级超过C45时高强度混凝土的抗拉强度与抗压强度之比仅为6％左右，脆性显著，塑性明显下降。因为脆性破坏会随时发生，高强度混凝土结构的跨度不能增幅太大。当结构受弯时，荷载等于破坏荷载的15％～20％时就开始产生裂缝，随着裂缝扩展会造成结构物抗渗等性能的降低，以至使用寿命缩短。在结构设计时因裂缝宽度的限制，混凝土性能的提高得不到充分应用。而化学结合的水泥基材料，抗压强度明显高于普通的水泥混凝土，但是抗弯性能也通常较差。因此，促进混凝土抗拉强度增长，必须减少混凝土内部微裂纹并有效抑制微裂纹的扩展。
材料的纤维增强是近几十年来材料科学领域的研究热点之一，一些材料的纤维增强研究已经取得的重大成果。纤维抗渗防裂混凝土是采用水泥、砂石、外加剂、掺和料经优化配比后，掺加适量纤维以改善混凝土防渗抗裂性能、提高混凝土防裂能力、延长混凝土使用寿命的特种混凝土。这项技术的研究，是为了解决混凝土在水化硬化早期及后期出裂缝影响混凝土使用寿命的技术难题。
本书的核心是研究以碱激发矿渣水泥与合成纤维构成的高技术水泥基复合材料的化学、物理、结构、性能与机理，研究合成纤维增韧高强碱激发矿渣水泥（AAS材料）及其微观结构与增强机理，充分发挥化学结合水泥基材料的高抗压强度的特点，利用合成纤维增韧技术克服水泥基材料的抗折、抗拉强度低、收缩大、易开裂的弱点，获得具有超高性能的新型水泥基材料。