第 1 章 绪论
1.1 前言
1.1.1 研究背景
材料发展包含所有人类生产和生活水平物质基础的提高，象征科技的创新与社会的进步。从石器时代到青铜器、铁器时代，对新材料的探索逐渐成为时代的主旋律，材料制备的工艺逐渐增高、规模持续扩大。随着其发展速度的攀升，对材料所需满足的条件也愈发苛刻。特别是在现今多方因素的引导下，初步生产的单品类材料已不能满足后续工业产业的需要。故而按照预期的性能设计，人们将不同种材料彼此复合并通过一定的工艺来加工生产，使其在保留各自优点的条件下增加新性能，特别是有机高分子材料层出的今天，为趋于饱和的材料世界增添了无数种可能[1]。
改革开放以来，我国基础设施建设发展迅速，建筑规模也越来越庞大。传统的建筑材料（如钢材、混凝土等）自身存在一些如耐腐蚀性差、自重大、寿命短等弊端，已经不能完全满足如今建筑领域“绿色、环保、可持续”的发展需求，同时建筑领域内高层结构、大跨度结构成为当今的发展趋势，在这些建筑结构中像混凝土、钢筋混凝土这样的水泥基复合材料的缺点也就日益明显，开裂、耐久性等问题也成为领域内研究的重中之重，因此越来越多轻质、高强、耐腐蚀性能好的新型材料逐渐被研发并且投入使用[2]。
纤维增强水泥基复合材料近年来大量应用于建筑工程领域内，纤维的掺入有效地阻止了水泥基材料在硬化过程中微裂缝的进一步扩展，也起到了在材料中承受拉应力的作用，使得复合材料整体的抗拉强度和抗折强度有明显的提高[3]。
随着材料科学的发展，各种各样的纤维产品相继问世，例如钢纤维、碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等。其中玄武岩纤维抗拉强度高，耐高温，耐腐蚀性能好，生产过程污染少，且与水泥基材料的成分构成类似，可提高其复合材料的各项力学性能。同时，玄武岩纤维水泥基材料的和易性比其他纤维的复合材料更好[4]，使得玄武岩纤维在建筑领域中得到越来越多的关注。
..........................
1.2 玄武岩纤维概述
玄武岩纤维，是在高温（1450-1500℃）环境下熔融，流体化后通过铂铑合金拉丝漏板或喷丝头在高速连续拉丝情况下制成的纤维产物，其主要成分由 SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe3O4、Fe2O3、Ti O2、Na2O 和 K2O 等氧化物组成[21-22]。
玄武岩是地球洋壳组成物质中最主要的一种基性火山岩，其本身就具有优异的力学性能，还有质地坚硬、耐磨性好、吸水率低等特点，用途十分广泛，故而在多个领域中均有应用。在建筑领域内，玄武岩不仅可以作为一种非常好的建筑装饰材料，还在公路、铁路、机场中也略施拳脚。近年来，玄武岩相关生产工艺提高，以其为主要原料的各种玄武岩产品相继问世，并经常作为一种增强材料来制作性能优异的复合材料，广泛应用于建筑等领域[23]。
早在 1922 年的美国专利中，法国人 Paul 就提出了关于玄武岩连续纤维制造的技术，但当时并未有实质性的工业化生产，直到 60 年代初期为了满足军事工业发展的需要，某些纤维公司才开始对其进行研发，逐渐越来越多的学者和公司投入玄武岩纤维的项目中，并得到某些政府的支持[24]。
玄武岩资源在我国分布广泛，国内对于玄武岩纤维的研究起始于 20 世纪 90 年代，如今，对于建筑领域内玄武岩纤维的应用尚处于初级阶段[25]。随着技术发展，玄武岩纤维在建筑和土木工程领域也有了更多的应用。作为我国重点发展的四大纤维之一，玄武岩纤维是一种新型环保的无机材料，相较于传统建筑材料，其本身优异的物化性能加上绿色环保等特性，使其在建筑领域具有非常广阔的应用前景[6]。
..........................
第 2 章 实验材料及试验方法
2.1 实验材料与设备
2.1.1 实验材料
玄武岩纤维采用江苏天龙玄武岩连续纤维高新科技有限公司所生产的短切产品，具体参数详见表 2-1 所示，改性硅烷偶联剂种类详见表 2-2 所示，其他实验材料详见表 2-3 所示。
........................
2.2 玄武岩纤维表面改性
使用不同浓度的 CG550、CG570、Z6518 这三种硅烷偶联剂对玄武岩纤维进行表面改性。
所得处理后纤维分别以不同处理方式命名：原纤维组(original fiber，指未处理的玄武岩纤维)、预处理组(pre-treatment，指仅经丙酮清洗而未经改性的玄武岩纤维)、0.4%CG550 组、0.8%CG550 组、1.2%CG550 组、0.4%CG570 组、0.8%CG570 组、1.2%CG570 组、0.4%Z6518 组、0.8%Z6518 组、1.2%Z6518 组。改性后玄武岩纤维制成的水泥基复合材料（mBFRC）因组间仅所掺纤维改性方法不同，故沿用上述命名方式。
对改性后的玄武岩纤维将进行力学性能研究，试验方法参考玻璃纤维和碳纤维的性能检测。其中纤维单丝强度测试方法参照 ASTM D3379-1975(1989)e1《高弹性模数单丝材料的抗拉强度和扬氏模量的标准试验方法》，弹性模量检测方法参照GJB1871-1994《单根碳纤维拉伸性能试验方法》，伸长率 GB3362-1982《碳纤维复丝拉伸性能检验方法》，GB/T 7690.3-2013《增强材料纱线试验方法第 3 部分：玻璃纤维断裂强力和断裂伸长的测定》。
利用高精度短纤维力学性能测试机测试单根纤维的拉伸强度。将各组玄武岩纤维分别分离出单丝并取样，将样品水平粘在两块载玻片的中间，并固定纤维丝两端后进行测试，得到玄武岩纤维拉升强度及伸长率。每组试样不少于 10 个有效数据。
...........................
第 3 章 玄武岩纤维表面改性及改性后性能表征........................................17
3.1 引言............................... 17
3.2 试验方法.......................... 17
第 4 章 玄武岩纤维增强水泥基复合材料配合比设计............................... 36
4.1 引言......................................... 36
4.2 试验方法.......................... 36
第 5 章 改性后玄武岩纤维增强水泥基复合材料的力学性能研究........... 48
5.1 引言........................................ 48
5.2 试验方法.................................... 48
第 5 章 改性后玄武岩纤维增强水泥基复合材料的力学性能研究
5.1 引言
玄武岩纤维作为一种水泥基的增强材料，因其质轻价廉的优点逐渐在工程应用中推广。考虑到纤维光滑的表面往往在实际中难以满足预期效果的情况，本章主要研究在经不同种类硅烷偶联剂改性后纤维增强水泥基材料的力学性能，借由分析复合材料的抗折强度和抗压强度来表征改性效果的好坏，以此来指导玄武岩纤维在建筑领域的实际应用。
本章试验使用第 3 章中经不同浓度的 CG550、CG570、Z6518 硅烷偶联剂改性后的玄武岩纤维，以第 4 章试验所得的玄武岩纤维增强水泥基复合材料的配合比，即水胶比=0.3、粉煤灰比水泥=0.4、砂胶比=1、玄武岩纤维体积掺量 1%，制作改性玄武岩纤维水泥基复合材料(mBFRC)。为满足流动性要求，在 mBFRC 中使用减水剂，其掺量为胶凝材料的 1.5%。根据实验仪器的最大工作容量，设定每组 mBFRC 所需材料配合比如表5-1 所示。
.......................
结论
本文通过使用三种不同浓度硅烷偶联剂对玄武岩纤维进行表面改性，在研究改性后纤维的表面特征、拉伸强度、伸长率以及耐酸、碱腐蚀性能的基础上，通过探究影响玄武岩纤维水泥基复合材料力学性能的三个因素设计 mBFRC 的配合比，对改性后纤维增强水泥基材料的抗折、抗压强度进行分析，并对相应机理进行探究，得到以下主要结论：
（1）对玄武岩纤维进行表面处理后，可以使得其在生产过程造成的缺陷得到改善，使纤维单丝的力学性能和耐腐蚀性能得到一定程度的提高。
（2）硅烷偶联剂处理后纤维拉伸强度得到不同程度的提高，CG550 和 CG570 可以明显改善纤维的拉伸性能，其中浓度为 1.2%CG550 和浓度为 0.8%的 CG570 作用效果最好。浓度为 1.2%的 CG550 使玄武岩纤维拉伸强度增长 6.2%，浓度为 0.8%的 CG570 使玄武岩纤维拉伸强度增长 5.8%；Z6518 可以明显改善玄武岩纤维的伸长率，大约可提高5.7%，但强度变化不明显。
（3）在酸性、碱性介质中玄武岩纤维易受腐蚀，且随着溶液中腐蚀介质浓度的升高，纤维的失重率逐渐升高，强度保持率逐渐降低。对于同浓度的 HCl 介质，经 CG550、CG570 处理后的纤维其耐酸腐蚀性有了一定程度提高。对于同浓度的 Na OH 介质，经CG550、CG570、Z6518 处理后的纤维其耐碱腐蚀性有了一定程度提高，其中 CG550、CG570 的改性效果更加显著。且随着改性所用硅烷偶联剂的浓度越高，其改性效果也更加明显。
（4）影响水泥基复合材料力学性能因素按其影响程度从高到低依次为：水胶比，砂胶比，粉煤灰与水泥比。经正交试验后分析，BFRC 的配合比确定为：水胶比=0.3、粉煤灰比水泥=0.4、砂胶比=1、玄武岩纤维体积掺量 1%。
参考文献（略）