《高延性水泥基复合材料用高强高模短切合成纤维》编制说明

1、高延性水泥基复合材料用高强高模短切合成纤维协会标准编制说明（征求意见稿）标准编制组2020年 5月一、工作简况1. 标准任务来源：根据中国建筑材料联合会关于下达2018 年第一批协会标准制定计划的通知（中建材联合 201864 号）和中国混凝土与水泥制品协会关于下达2018 年中国混凝土与水泥制品协会标准制定计划（第一批）的通知（中制协字2018 11 号），高延性水泥基复合材料用高强高模短切合成纤维标准计划编号 2018-10-xbjh 。本标准由中国混凝土与水泥制品协会、中冶建筑研究总院有限公司、东南大学等共同负责起草。2. 标准制定意义及目的：过去二十年间，高延性水泥基复合材料在国内外已

2、逐步被应用于砌体加固、路面增韧、桥面大变形区域的加固改造、建筑抗震节点、 钢桥面铺装、 桥面抗震阻尼器等多种承受拉应力的复杂受力结构体系中，所应用的高延性水泥基复合材料以中等强度等级(C30-C50)为主。近年来，依据“一带一路"国家重大战略需求，为了满足南海岛礁建设、核电工程、国防防护工程等越来越多高抗震、高耗能、 高耐久的新建结构， 以及对既有结构进行性能提升或加固修补， 都需要高强和超高强度等级的高延性水泥基复合材料。但是，当前应用的高延性水泥基复合材料性能的稳定性不佳，影响最大的因素是短切合成纤维的物理，力学及表面特性。因为这类用途的纤维性能比较特殊，需要具有高弹模、 高抗拉

3、强度、 低断裂伸长率和较高的表面疏水性等特殊要求， 比水泥混凝土和砂浆抗裂用短切合成纤维以及纺织行业用合成纤维性能之间都存在很大差异，技术要求更高、更精细。而直至今日，国际范围内都没有一部标准对这类纤维的性能提出明确的技术要求，导致了当前合成纤维选用的盲目性，以及一些不适合该体系的合成纤维“鱼目混珠”，最终造成高延性混凝土性能波动很大，甚至出现失败的工程应用案例。因此，为了解决当前行业内对高延性水泥基复合材料用合成纤维优选时的盲目性，防止纤维企业送样检测的纤维性能与运输至下游用户的纤维性能之间存在很大差异，特制定本标准。对更好地指导合成纤维生产企业把握纤维关键性能、保证纤维性能的稳定性，维护纤

4、维企业的有序竞争， 保证高延性水泥基复合材料生成质量的稳定性，以及确保业主和检测单位对关键原材料短切合成纤维的技术要求与性能评估有据可依，具有重要意义和指导价值。3. 标准主要编制单位及工作分工：本标准由中国混凝土与水泥制品协会、中冶建筑研究总院有限公司、东南大学等共同负责起草编制， 中冶建筑研究总院有限公司负责标准的申报立项；东南大学全面负责编制方案、1计划的制订和实施；东南大学、 南京水利科学研究院共同负责解决主要技术难点以及开展必要测试验证项目的实施与评价； 永安市宝华林实业发展有限公司、 南京骏益胜新材料科技有限公司负责提供标准中涉及的纤维样品，并协助解决主要技术难点，便于试验验证。本

5、标准主要起草人有：郭丽萍，曹擎宇，陈波，丁聪，邓忠华，丁晓峰，孙杨。4. 标准编制工作过程：（ 1）成立标准编制组（2018 年 5 月）编制组在接到工作任务后， 在东南大学召开了编制组成立暨第一次工作会议， 在会议上成立了标准编制小组， 并根据相关文件要求， 明确了小组成员工作任务制定了详细的工作计划。（ 2）资料收集（ 2018 年 6 月至 2019 年 5 月）标准起草小组开展了标准资料的收集调研和试验测试工作，查阅了国内外相关标准及技术资料， 调研了国内外关于高延性水泥基复合材料用高强高模短切合成纤维的力学性能，耐碱性及表面疏水特性等相关研究；开展了高强高模短切合成纤维的抗拉强度、初

6、始模量及断裂伸长率等力学性能测试，耐碱性能测试以及表面疏水特性测试，提出了硬化高延性水泥基复合材料中纤维分散性的检测方法。（ 3）编制标准初稿（ 2019 年 6 月至 2019 年 8 月）标准编制组根据调研及测试的结果拟定了标准的大纲，并进行标准讨论初稿的编制。（ 4）提出征求意见稿（ 2019 年 9 月至 2020 年 5 月）在前期技术资料收集、调研、测试试验基础上，标准编制组按GB/T 1.1-2009标准化工作导则第1 部分 :标准的结构和编写编写要求，对标准草案进行了修改和完善，于2020年 5 月完成了标准征求意见稿和编制说明。二、标准编制原则和主要内容与论据（一）标准编制原

7、则本标准通过对国内外高延性水泥基复合材料用高强高模短切合成纤维的技术指标及其与水泥基材料的适配性深入调研分析，并结合现有国内纤维量产化和性能稳定性的现状，针对性地提出适用于高延性水泥基复合材料体系的两种高强高模短切合成纤维：聚乙烯醇纤维（代号PVAF ）和聚乙烯纤维（代号PEF），以此引领特种纤维和水泥基复合材料的生产与检测行业的规范发展。通过本标准的制定，一方面可以促进国内高延性水泥基复合材料制备质量的大幅提升， 另一方面可以维护高强高模短切合成纤维行业和高延性水泥基复合材料产业的有序竞争。为保证高延性水泥基复合材料的质量及性能稳定性，本标准规定了高延性水泥基复合材料用高强高模短切合成纤维的

8、术语和定义、标记、技术要求、检验方法、检验规则及标志、2出厂、包装、运输与储存。目前国内外尚无此类标准，因此本标准在编制中主要参考了GB/T21120水泥混凝土和砂浆用合成纤维和JC/T 2461高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法标准中有关内容编制。此外，本标准在规定高延性水泥基复合材料用高强高模短切合成纤维的技术指标及检测方法时还参考了如下标准：FZ/T 52023 高强高模聚乙烯醇超短纤维GB/T 29554 超高分子量聚乙烯纤维DB44/T1872 纺织品表面润湿性能的测定接触法QCR3高速铁路隧道用纤维素纤维与合成纤维（二）标准主要内容与论据3 术语及定义3.1 高延性水泥基

9、复合材料：按照 JC/T 2461高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法 中关于高延性水泥基复合材料的术语定义，并结合目前国内外相关研究中高延性水泥基复合材料表现出的应变硬化和多缝开裂行为特性，在高延性水泥基复合材料的术语定义中规定在轴心拉应力作用下表现出应变硬化和多缝开裂行为。3.2 短切合成纤维：按照 FZ/T 52023 高强高模聚乙烯醇超短纤维中关于超短纤维切断长度小于20mm 的规定，并结合目前国内外相关研究中高强高模聚乙烯醇纤维常用的长度为 8mm 和 12mm，高强高模聚乙烯纤维常用的长度为12mm 和 18mm 进行编制。3.3 高强高模聚乙烯醇纤维：参照 FZ/T 52

10、023高强高模聚乙烯醇超短纤维中关于高强高模聚乙烯醇短纤维的抗拉强度不低于10 cN/dtex 及初裂模量不低于220 cN/dtex 的规定，如表 1 所示，并基于高延性水泥基复合材料质量及性能稳定性要求，编制规定抗拉强度不低于 1250 MPa，初始模量不低于30 GPa。表 1 FZ/T 52023 高强高模聚乙烯醇超短纤维技术要求3.4 高强高模聚乙烯纤维：参照 GB/T 29554 超高分子量聚乙烯纤维中关于超高分子量聚乙烯纤维断裂强度的规定，如表 2 所示，并基于国内外相关研究中高强高模聚乙烯纤维常用于高强或超高强高延性水泥基复合材料，因此规定抗拉强度不低于2425 MPa ，初始

11、3模量不低于63 GPa。表 2 GB/T 29554 超高分子量聚乙烯纤维技术要求3.5 当量直径： 按照 GB/T 21120水泥混凝土和砂浆用合成纤维标准中关于当量直径的术语定义编制。3.6 抗拉强度： 按照 GB/T 21120水泥混凝土和砂浆用合成纤维标准中关于抗拉强度的术语定义编制。3.7 初始模量： 按照 GB/T 21120水泥混凝土和砂浆用合成纤维标准中关于初始模量的术语定义编制。3.8 断裂伸长率： 按照 GB/T 21120水泥混凝土和砂浆用合成纤维标准中关于断裂伸长率的术语定义编制。3.9 静态接触角：按照 DB44/T1872 纺织品表面润湿性能的测定接触法标准中关于

12、静态接触角的术语定义进行编制。3.10 耐碱性： 参照 GB/T21120水泥混凝土和砂浆用合成纤维和QCR3高速铁路隧道用纤维素纤维与合成纤维标准中关于纤维耐碱性的术语定义进行编制。3.11 分散性： 参照 GB/T 21120水泥混凝土和砂浆用合成纤维和QCR3高速铁路隧道用纤维素纤维与合成纤维标准中关于纤维分散性的术语定义进行编制。4 产品标记参考 GB/T 21120水泥混凝土和砂浆用合成纤维中关于合成纤维的标记方法，同时考虑了高延性水泥基复合材料用高强高模短切合成纤维的关键性能指标，规定产品的标记须包含纤维类别、长度、当量直径、抗拉强度、初始模量、断裂伸长率等关键参数。5 技术要求5

13、.1 一般要求： 参考 GB/T21120水泥混凝土和砂浆用合成纤维和QCR34高速铁路隧道用纤维素纤维与合成纤维编制。5.2 尺寸要求： 按照 GB/T 21120 水泥混凝土和砂浆用合成纤维编制。45.3 力学性能指标：（ a）抗拉强度、初始模量、断裂伸长率参照标准 FZ/T 52023高强高模聚乙烯醇超短纤维及GB/T 29554超高分子量聚乙烯纤维 中关于聚乙烯醇纤维及聚乙烯纤维的抗拉强度、初裂模量及断裂伸长率的规定，并结合目前国内外高延性水泥基复合材料制备所采用的聚乙烯醇纤维及聚乙烯纤维的技术指标编制。对于高强高模短切聚乙烯醇纤维（ PVAF ），目前相关研究文献中常采用的尺寸及基本

14、力学性能统计如表3 所示。由表3 可知， PVA -HDCC 的抗压强度通常为10 MPa-80 MPa。综合考虑高延性水泥基复合材料的质量及性能稳定性，PVA 纤维的长度通常选择8 mm 或 12mm，直径范围为 30-40 m，抗拉强度不低于 1250MPa，初始模量不低于 30GPa，断裂伸长率不低于 5%-8%。同时，参照 FZ/T 52023高强高模聚乙烯醇超短纤维中关于高强高模聚乙烯醇短切纤维的抗拉强度不低于10 cN/dtex 及初裂模量不低于220 cN/dtex 的规定，本标准编制规定高强高模短切聚乙烯醇纤维的抗拉强度不低于1250 MPa ，初始模量不低于 30GPa，断裂

15、伸长率不低于 5%。对于高强高模短切聚乙烯纤维（PEF），目前相关研究文献中常采用的尺寸及基本力学性能统计如表 4 所示。由于 PE 纤维相对较高的价格及更高的力学性能，由表 4 可知 PE-HDCC的抗压强度通常为 80 MPa -150 MPa 。 PE 纤维的长度通常选择12 mm 或 18 mm ，直径范围为 24-38 m，抗拉强度通常不低于2400 MPa ，初始模量不低于80 GPa，断裂伸长率为 2%-3%。同时，参照 GB/T 29554超高分子量聚乙烯纤维中关于超高分子量聚乙烯纤维断裂强度的规定，本标准编制规定高强高模短切聚乙烯纤维的力学性能须达到GB/T 29554超高分

16、子量聚乙烯纤维 中 BT25 的性能要求，即抗拉强度不低于2425 MPa，初始模量不低于63 GPa，且断裂伸长率不低于 2%。表 3文献中高延性水泥基复合材料用高强高模聚乙烯醇纤维（PVAF ）的尺寸及力学性能文献PVA- HDCC 强度长度直径初始模量拉伸强度断裂伸长等级 /MPa/mm/ m/GPa/MPa率/%152.4123942.816207230123531.312877.334583942.8160064651240411600/5608/1239401600/625123942.81600/756.712404016006840-50121529.51560/970840/

17、1600/1025-5083942.8160075文献PVA- HDCC 强度长度直径初始模量拉伸强度断裂伸长等级 /MPa/mm/ m/GPa/MPa率/%1125-45123942.8162061240-554441.116405.31335-65123842.8162061425-608404011001400/1565-801239/1600/1630-60123942.8162071710-30124042.816207.81845-6584042160021955-105123942.81620/2040-501240401600/2140-5012403513008102215-

18、301239401600/23/615/27391600/24/1240421600725/1239421600726/839411600627/6/8/1240401600628/123916.91275/29/123942.81620/30/8404115606.53180-100838401100632/1239401600/33/104022/42.21060/1620/34/123942.81600635/40401600636/123842.81060/表 4文献中高延性水泥基复合材料用高强高模聚乙烯纤维（PEF ）的尺寸及力学性能文献PE-HDCC 强度等长度直径初始模量拉伸强度

19、断裂伸长级 /MPa/mm/ m/GPa/MPa率 /%3746-56122411630002.53840-651238/2439/821950/2700583943-11512/1824/20100/1202400/2800236文献PE-HDCC 强度等长度直径初始模量拉伸强度断裂伸长级 /MPa/mm/ m/GPa/MPa率 /%4045-10018251162900/41/1212882600/42/12.7/1920/381202700/43/12/1820/241202800234435-551812882700/4540-50121882600/46/12241203000/47

20、40-16012241162900/4860122411030002.4249115122510030002.25013712241203000/51/12251162900235390182410024002-354/1212882580/55121182010030002-35680-100182410024002-357150192311332502.358/12241203000/59/12.7381172400/60/12.7281003000/61/19.0538117/（ b）耐碱性能按照 GB/T 21120水泥混凝土和砂浆用合成纤维标准

21、中关于合成纤维耐碱性能不低于 95%的要求编制。（ c）静态接触角高延性水泥基复合材料以纤维桥联模型为理论基础，通过对纤维、基体及纤维/基体界面三者的合理调控，使具有应变硬化特性的高延性纤维增强水泥基复合材料，纤维/基体的界面调控对高延性水泥基复合材料性能优化至关重要。聚乙烯醇纤维由于其表面含有大量的羟基而表现出亲水特性，羟基与高延性水泥基复合材料水化产物形成键合产生化学粘结力，导致纤维与基体间的界面粘结力过强，纤维在从基体拔出的过程中易被拔断，限制纤维桥联作用的发挥。 因此，高延性水泥基复合材料用高强高模短切聚乙烯醇纤维表面需要疏水处理。目前，PVA 纤维的表面常采用油剂处理，纤维表面经1.

22、2%的油剂处理后表面接触角达到了130°，7而未经表面处理的PVA 纤维表面接触角仅为5°，其静态接触角如图1 和图 2 所示。此外，文献 63 研究了 PVA 纤维表面经不同油剂含量处理时HDCC 的拉伸延性，如图3 所示。 PVA纤维的表面亲/疏水特性对拉伸延性产生显著影响。考虑到不同抗压强度等级的高延性水泥基复合材料对纤维/基体界面调控的要求，以及经不同油剂含量处理的PVA 纤维，其表面接触角不同，因此本标准编制规定高弹高模短切聚乙烯醇纤维静态接触角不低于60°。图 1 宝华林生产的经油处理的PVA 纤维静态接触角图 2 未经表面处理的PVA 纤维静态接触角

23、62图 3 PVA 纤维表面经不同油剂含量处理时HDCC 的拉伸延性 63 。聚乙烯纤维表面具有天然憎水特性，憎水性的PE 纤维的桥接耗能功效能够更多的发挥在拔出过程中，有利于高延性水泥基复合材料延性的提高。PE 纤维表面静态水滴接触角如图 4 所示 64 。考虑到不同抗压强度等级的高延性水泥基复合材料对纤维/基体界面调控的要求，因此本标准编制规定高弹高模短切聚乙烯纤维静态接触角不低于90°。8图 4 PE 纤维表面的静态接触角64（ d）高延性水泥基复合材料性能指标高延性水泥基复合材料的极限延伸率和平均裂缝宽度性能指标按照JC/T 2461高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方

24、法的规定编制，极限延伸率不低于0.5%，平均裂缝宽度不大于200 m。高强高模短切合成纤维在硬化高延性水泥基复合材料基体中的纤维分散度是保证高延性水泥基复合材料的质量及性能稳定性的重要指标。文献65 -66 研究了 PVA 纤维分散度对高延性水泥基复合材料拉伸延性的影响，如图 5 和图 6 所示。短切合成纤维的分散度取决于纤维尺寸及表面状态， 高延性水泥基复合材料的配合比及搅拌工艺。因此， 综合考虑高延性水泥基复合材料施工因素及纤维尺寸和表面特性，本标准编制规定高弹高模短切合成纤维在硬化高延性水泥基复合材料基体中的纤维分散度不低于75% 以保证高延性水泥基复合材料质量及性能稳定性。图 5 文献

25、中纤维分散系数对拉伸延性的影响图 6 文献中纤维分散系数对拉伸延性的影响65666 检验方法6.1 尺寸检验： 按照 GB/T 21120水泥混凝土和砂浆用合成纤维规定的方法进行纤维长度及 当量直径的测定。6.2 抗拉强度、初始模量及断裂伸长率：高强高模短切合成纤维的抗拉强度、初始模量9及断裂伸长率按GB/T 21120 水泥混凝土和砂浆用合成纤维规定的方法进行测定。6.3 耐碱性： 高强高模短切合成纤维的耐碱性按GB/T 21120水泥混凝土和砂浆用合成纤维规定的方法进行测定。6.4 静态接触角：参考标准DB44/T1872 纺织品表面润湿性能的测定接触法中关于表面润湿性能的测定技术。考虑到

26、单根纤维放置于样品台时，表面不易于样品台平行和固定，同时液滴在滴到单根纤维上时容易滑落，单根纤维表面疏水度存在差异并对测量结果产生较大误差。 因此本标准采用多根短切纤维机械压密的方式制成表面平整的饼状样品进行静态接触角的测试。6.5 高延性水泥基复合材料性能检测极限延伸率与平均裂缝宽度： 高延性水泥基复合材料的极限延伸率与平均裂缝宽度按 JC/T 24618高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法规定方法进行测定。纤维分散度：高强高模短切合成纤维在硬化高延性水泥基复合材料中分散度的检测方法为推荐性方法，该方法依据扫面电镜背散射技术进行检测，该检测技术已被试验验证是有效且准确的检测技术。7

27、检验规则参考 GB/T 21120水泥混凝土和砂浆用合成纤维中关于合成纤维出厂检验和型式检验的相关规定编制。8 标志、出厂、包装、运输与储存参考 GB/T 21120水泥混凝土和砂浆用合成纤维中关于纤维标志、出厂、包装、运输与储存的相关规定编制。三、主要试验（或验证）情况3.1 抗拉强度、初始模量、断裂伸长率力学性能验证表 5 给出了一组高强高模短切PVA 纤维和 PE 纤维的物理力学性能， 其性能满足编制标准中关于纤维力学性能的要求。采用高强高模短切PVA 纤维制备了抗压强度等级为C35的PVA-HDCC ；采用高强高模短切PE 纤维制备了抗压强度等级为C100 的 PE-HDCC ，图 8

28、展示了 PVA 纤维和 PE 纤维增强的 HDCC 拉伸应力应变曲线。由图8 可知，两种 HDCC 均可实现较高的延性， PVA -HDCC 的拉伸延性达到2.7%， PE-HDCC 的拉伸延性达到4.8%。表 5 PVA 纤维和 PE 纤维物理力学性能抗拉强度初始模量断裂伸长率直径长度纤维种类MPaGPa%mmmmPVAF126030583912PEF300010023281210(a) PVA-HDCC(b) PE-HDCC图 8 PVA - HDCC 和 PE-HDCC 拉伸应力应变曲线3.2 纤维长度及分散度对HDCC 拉伸延性的影响采用不同 PVA 纤维长度的HDCC 拉伸应力应变曲

29、线如图9 所示。由图9 可知，当 PVA纤维长度为 9mm 和 12mm时， HDCC 的拉伸延性达到 2.5%；而当 PVA 纤维长度为 24mm时， HDCC 的拉伸延性仅为0.5% 。此外， PVA 纤维在硬化水泥基体中的分散度也随着纤维长度的增加而降低， 如图 10 所示。当 PVA 纤维长度为 24mm 时，其分散度约为75%。过长的纤维使得其在硬化水泥基体中分散性较差，拉伸延性降低。考虑到HDCC 性能稳定性要求及原材料和配合比引起的HDCC 性能差异，因此限定短切纤维长度不超过20mm，纤维在硬化 HDCC 中的分散性大于75%。图 9 不同长度PVA 纤维的 HDCC 拉伸应力

30、应变曲线11图 10 不同长度PVA 纤维在硬化高延性水泥基复合材料中的分散度3.3 纤维表面不同接触角对HDCC拉伸延性的影响图 11 展示了表面未经处理的亲水性PVA 纤维（ N -PVAF ）接触角，图12 展示了表面经疏水处理后PVA 纤维（ S-PVAF ）接触角。图13 给出了采用这两种PVA 纤维制备的HDCC拉伸应力应变曲线。PVA 纤维表面处理后，PVA -HDCC的拉伸延性显著提高，其延性是N-PVA -HDCC 的 2 倍。采用静态接触角为137.9 °（如图 4）的 PE 纤维制备HDCC ，由不同硅灰掺量（图14）及不同水胶比（图15）的 PE-HDCC 拉伸应力应变曲线可知，PE-HDCC 的拉伸延性可稳定大于 3.0%。图 11 表面未处理的亲水性图 12 表面经处理的疏水性图 13 PVA -HDCC 拉伸应PVA 纤维（ N-PVAF ）接触角 66PV A 纤维（ S-PVAF ）接触角力应变曲线图 14水胶比为0.23 时 PE -HDCC拉伸应力应图 15硅灰掺量为40% 时