纤维增强水泥制品（纤维水泥，硅酸钙板，防火板等）可以大幅度提高材料的抗弯强度和断裂韧性,是一类重要的水泥基复合材料。口前常用的无机和有机纤维主要有石棉、玻璃纤维、钢纤维、碳纤维和聚丙烯纤维等。根据它们力学性能的差别,适用于不同的应用场合。弹性模量高的纤维有利于基材和纤维之间的应力传递，提高材料的抗弯强度；弹性模量低而延伸性好的纤维用于提高基材的断裂韧性。由于国外存在石棉制品对健康有潜在危害的论点,其使用正受到密切关注。玻璃纤维水泥体系（包括耐碱玻纤及其改性产品）具有优良的力学性能,然而,这种材料仍有令人担心的耐久性问题。在自然环境中的制品其抗折强度和断裂韧性在使用一定时间后有可能降低。针对现有纤维增强材料存在的不足,国内外开展了其他增强用纤维的研究与开发,其中大宽厚比的云母片和天然硅灰石微纤维具有良好的增强、增韧效果,在水泥基材料中具有良好的稳定性。本文主要介绍硅灰石纤维的增强特性。

硅灰石也是一种天然硅酸盐矿物,其结构式CaSiO₃,通常呈针状纤维存在于自然界中纤维长度一般为10-100μm,直径约为0.05-2.0μm。在水泥基材料中掺入一定量的硅灰石微纤维可改善复合材料的韧性,抗弯试件的破坏有明显的塑性性质。图4为硅灰石微纤维增强水泥材料在受弯试验时典型的荷载一变形曲线。随着硅灰石微纤维掺量的逐渐提高,各龄期的抗弯强度增加,掺量为12.5%时,达到最大值,继续增加掺量,抗弯强度会逐渐降低,如图5示。在水泥一硅灰石微纤维中再复合掺加一定量的硅灰,可改善基材的孔结构,从而进一步提高材料的抗弯强度,如图6。从图中可看出掺入11.5%的硅灰石微纤维和5.2%的硅灰,复合材料28天的抗弯强度可达28Mpa。

硅灰石微纤维的长宽比大小对水泥或水泥一硅灰基复合材料的抗弯强度影响不大,但高长径比的纤维对复合材料有更好的增韧能力,如图7。这是因为当纤维长宽比较小时(如长宽比为4.49),微纤维的尺寸与水泥颗粒的尺寸相当,对复合材料断裂韧性的贡献亦较小。

天然硅灰石微纤维在水泥基复合材料中具有较好的长期耐久性。如图8,复合材料在Ca（OH）₂饱和溶液中浸泡1年抗弯强度基本不变。随着龄期的增加,不管是水泥一硅灰体系还是水泥一硅灰石一硅灰体系,相对断裂韧性均有所下降,且后者较前者下降更大,如图9。用SEM研究龄期350天硅灰石微纤维的形貌后发现纤维表面光滑,说明在水泥基的高碱性环境中硅灰石微纤维具有良好的耐久性。

硅灰石徽纤维具有原材料来源广,价格便宜性能稳定等特点对水泥的增强和增韧效果明显。由于这两种材料的顺粒尺寸较小,采用常规搅拌工艺就可将增强材料均匀分布在基材中,可望在硷修补、无机灌浆等领域中取得广泛应用。