水泥基复合材料

第八章水泥基复合材料8.1水泥基复合材料的种类及基本性能8.2水泥基复合材料的成型工艺8.3水泥基复合材料的应用8.1水泥基复合材料的种类及基本性能8.1.1水泥8.1.2水泥基复合材料的种类及基本性能8.1.1水泥1．水泥的定义和分类2.水泥在国民经济中的重要性3.水泥的制造方法和主要成分4.水泥的强度及硬化体的形成条件1．水泥的定义和分类凡细磨成粉末状，加入适量水后成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等散粒或纤维材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，通称为水泥。水泥按其用途和性能可分为；通用水泥、专用水泥及特性水泥三大类。通用水泥是用于大量土木建筑工程的—般水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥等。专用水泥则指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。特性水泥是一种性能比较突出的一类水泥，如快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥以及少熟料或无熟料水泥等。2.水泥在国民经济中的重要性水泥是建筑工业三大基本材料之一，使用广用量大，素有“建筑工业的粮食”之称．生产水泥虽需较多能源，但是水泥和砂、石等集料所制成的混凝土则是一种低能耗型建筑材料，其单位质量的能耗只有钢材的1／5—1／6，铝合金的1／25，比红砖还低35％。根据预测，下一个世纪的主要建筑材料还将是水泥和混凝土。水泥的生产和研究仍然极为重要。3.水泥的制造方法和主要成分1.制造方法（以普通波特兰水泥为例）：将原料石灰石、粘土及其他原料充分干燥、粉碎，以适当的比例混合，这是调和原料。把该调和原料从竖形的预热、煅烧炉的上方装入。其间除掉了粘土中的水分，石灰石开始分解，再从回转窑送到高温烧成炉中。烧成炉是像圆筒似地横卧式炉子，保持着若干的倾斜度，慢慢地旋转着。在炉子低方向出口处装有烧嘴，这里是温度最高的地方，约1400—1500℃。在这里边旋转边移动的烧制物被送到装有冷风扇的冷却机处冷却，制得的半熔化状态的黑灰色的块儿叫做熟料。向该熟料中加入百分之几的石膏，再进一步粉碎，混合成的物品就是水泥粉。8.1.2水泥基复合材料的种类及基本性能水泥基复合材料是指以水泥为基体与其它材料组合而得到的具有新性能的材料。按所掺材料的分子质量来划分，可分为聚合物水泥基复合材料和小分子水泥基复合材料(矿物质)，其中聚合物包括纤维、乳液等，而矿物质包括砂、石子、钢铁等。1.混凝土2.纤维增强水泥基复合材料3.聚合物改性混凝土1.混凝土混凝土是由胶凝材料、水和粗、细集料按适当比例拌合均勾，经浇捣成型硬化而成。按复合材料定义。它属于水泥基复合材料。如不用粗集料，即为砂浆。通常所说的混凝土，是指以水泥、水、砂和石子所组成的普通混凝土，现为建筑工程中最主要的建筑材料之一。在混凝土中，水和水泥拌成的水泥浆是起胶结作用的组成部分。在硬化前的混凝土中，水泥浆填允砂、石空隙并包裹砂、石表面，起润滑作用，使混凝土获得施工时必要的和易性；在硬化后，则将砂石牢固地胶结成整体。砂、石称为骨料。如图8—7混凝土具有很多种，如轻质混凝土，防水混凝土，耐热混凝土以及防辐射混凝土等；改变各组成材料的比例，则能使强度等性能得到适当调节，以满足工程的不同需要；配制混凝土时，必须满足施工所要求的和易性，在硬化后则应具有足够的强度，以安全地承受设计荷载，同时还须保证经济耐久。值得注意的是，混凝土的质量主要是由组成材料的品质及其配合比例所决定的，而搅拌、成型、养护等工艺因素也有非常重要的作用。2.纤维增强水泥基复合材料(1)复合材料的组成(2)影响纤维增强水泥基复合材料的因素（3）纤维增强水泥基复合材料的主要研究方向（4）混凝土基纤维复合材料的组成材料——纤维(1)复合材料的组成水泥混凝土制品具有高的抗压缩强度和好热性能,但抗拉伸能力差、破坏前的许用应变小。为克服这些缺点，采用的方法之一是掺入纤维材料。另一方面，作为总体材料可用硅酸盐水泥，调凝水泥及高铝矿渣水泥等，用砂或粉煤灰之类的质料来代替部分水泥可大大地提高基体的体积稳定性，而且也有可能提高纤维增强水泥基复合材料的耐气候性。(2)影响纤维增强水泥基复合材料的因素1.基体的性能在纤维增强水泥基复合材料中，所用纤维大都是短纤维，并且是乱向分布，水泥基体所起的作用不仅仅是传递应力，而是作为受力的主体。因此，在纤维增强水泥基复合材料中，水泥基体的力学行为对复合材料的性能影响很大，要获得高性能的纤维增强水泥基复合材料，除了选用合适的增强纤维外，还必须要有高性能的水泥基体。增强纤维与水泥基体间的相互作用①在纤维增强水泥基复合材料中．当纤维间距离大于或等于两倍界面层厚度时，各纤维的界面层将保持自身性状，互无干扰和影响。不因纤维间距改变而变；当纤维间距小于两倍界面层厚度时，由于界面层间互相交错、搭接，产生叠加效应，不同程度地引起界面层弱谷变浅，对界面层产生强化效应。②纤维间距改变对界面层的影响与纤维—集料间距改变对界面层的影响具有一致的规律性和同类性，诸界面层在水泥基材中将有双重界面随机强化效应，只要纤维、砂粒空间随机间距小于两倍界面层厚度，混合料工作性又能满足要求，界面层，尤其是界面最薄弱层的强化效应就会发生。③纤维间距改变对界面层性状的影响与对界面力学行为的影响具有相同的规律性。只要纤维间距小于两倍界面层厚度，则界面粘结强度，界面粘结刚度，纤维脱粘与拔出时所做的功等力学行为均有不同程度的提高。而当纤维间距大于两倍界面厚度时，对诸界面力学行为均无明显影响。性能由上可知，纤维增强水泥基复合材料中，纤维的掺入，可显著提高混凝上的极限变形能力(抗弯强度)和韧性。从而大大改善水泥浆体的抗裂性和抗冲击能力。使用分散短纤维的增强效果要比连续长纤维的效果差，但因施工较为方便，应用较多。（3）纤维增强水泥基复合材料的主要研究方向一、钢纤维混凝土韧性的研究随着混凝土强度越来越高，它的脆性也表现得愈来愈明显，这使得高强混凝土不适合作结构材料。因此，必须采取有效措施来提高混凝土的韧性，克服其脆性。对钢纤维混凝土的韧性；已有的工作多集中于韧性的计算方法、钢纤维混凝土的各种变形韧性的试验研究、钢纤维混凝土的增韧机理研究、钢纤维混凝土应力一应变全曲线的研究等方面。二、钢纤维混凝土基本性能的研究由于钢纤维的几何形状、力学性能、加工方法、体积率与基体混凝土的配合比、原材树、力学性能、掺合料与外加剂的使用等均对钢纤维混凝土基本性能不同程度地产生影响，所以研究者们对各种不同的钢纤维混凝土的性能作了大量的试验研究。三、中、高含量高强钢纤维混凝土的研究由于普通长度的短钢纤维(纤维长度为25—32mm)易搅拌成团，故通常采用较低的含量(体积率0.5—2％)，因而对混凝士增强效果有限，不能大幅度提高混凝土的强度，应用的主要目的是增韧。为了使混凝土强度有大幅度地提高，近年来一些研究者应用了很短很细的钢纤维，并将其含量增加到3％以上，从而获得了超高强钢纤维混凝土。四、钢纤维混凝土结构构件的结构试验研究为了使钢纤维混凝土应用于结构工程，必须对其结构构件的力学性能进行试验研究。五、钢纤维混凝土增强、增韧机理的研究近年来的研究表明，将硅灰与钢纤维复合掺入混凝土中能充分发挥以硅灰增强混凝土抗压强度以及混凝土与钢纤维之间的粘结强度，以提高钢纤维混凝土的抗拉与抗冲击性能和韧性。研究表明，钢纤维与硅灰对高强混凝土改性的主要原因是由于硅灰的掺入有效地产生了纤维与水泥基材的双重界面强化效应，改善了界面结构与性能。掺量适当的硅灰消除了界面层与基材间的差异，使界面和整体裂缝源尺度变小、数量减少，纤维增强、硅灰微粒增强及其协同效应得到充分发挥，是钢纤维硅灰高强混凝土产生优异性能的关键。大量的研究表明，普通短钢纤维对混凝土抗压强度的增强作用相当有限；而超短钢纤维能大幅度地提高混凝土的抗压强度。六、钢纤维部分或局部增强混凝土结构构件的研究尽管钢纤维高强与超高强混凝土的研究日趋活跃，但由于这种材料造价较贵，所以整个构件使用这种材料还不是一件易事。因而一些研究者对用钢纤维部分或局部增强混凝土构件的课题进行了研究。钢纤维增强部分混凝土构件和局部增强混凝土构件是两个不同的概念。对于受弯构件，前者指的是按受压区或者受拉区用钢纤维增强，即沿截面高度分层增强；而后者指的是沿梁的轴线对弯矩大或内力较复杂的区段分段增强。七、钢纤维混凝土的应用研究随着对钢纤维混凝土材料和结构性能的研究进展，广大学者把注意力转移到这种材料的应用方面，特别是近年来，在应用领域内已开展了广泛的研究。这对于拓宽钢纤维混凝土的应用范围具有十分重要的意义。目前研究较多的工程范围是：隧道、巷道等地下工程的钢纤维喷射混凝土支护与补强、机场跑道和高速公路的路面、建筑工程中的屋面结构及防水层、工业建筑地面及建筑物的补强加固等。（4）混凝土基纤维复合材料的组成材料——纤维作为现代复合材料的纤维水泥和纤维混凝土所用的纤维种类繁多，按其材料可分为：金属纤维，如不锈钢纤维和低碳钢纤维；无机纤维，如玻璃纤维，硼纤维，碳纤维等；合成纤维，如尼龙、聚脂、聚丙烯等纤维；植物纤维，如竹纤维，麻纤维等。通常以钢纤维，玻璃纤维，聚丙烯纤维使用较普遍。由于钢纤维能有效地提高混凝土的韧性与强度，能成批生产，价格也较便宜，施工较方便，故近些年来研究相应用发展相当快。钢纤维的长度对混凝土基复合材料的施工工艺和材料力学性能有着决定性的影响。按长度钢纤维可分为三种；亚短钢纤维，短钢纤维和超短钢纤维。(1)亚短钢纤维：长度约为40～60mm。由于长度较长，故掺入混凝土中搅拌时极易成团，因而一般用于注浆法或分层灌浆法施工。前者是将流动性砂浆注入预先放置于模板中的钢纤维骨架中，要求纤维的放置位置准确，施工较复杂费时；后者则是在振动台上一边振动，一边分层放置钢纤维，即分层浇灌砂浆。(2)短钢纤维，长度为20～35mm，可用全掺入法施工。体积率一般不超过2％，否则容易发生纤维离析和结团，从而使得搅拌困难，工作性下降，造成混凝土不密实，含有较多的空隙。虽可使混凝土的物理力学性能获得一定改善，但改善的程度有限。若施工工艺不当．造成孔隙过多，甚至会使得混凝土强度下降。(3)超短钢纤维：长度在15mm以下。在研究中出现过的类型有两种：一种为表面镀铜的圆形截面钢纤维，另一种是剪切法生产的矩形截面钢纤维，这种钢纤维能克服一般短钢纤维搅拌易结团的缺点，提高纤维含量，可用于获得高强和超高强钢纤维混凝土。3.聚合物改性混凝土长期以来，人们一直在寻找对水泥混凝土进行改良的途径，如通过改善水泥的性质，改变水泥混凝土的配比；添加纤维材料、外加剂等措施来改良水泥混凝土的性能，或使得混凝土满足工程特殊需要。但是对混凝土最基本的力学性能(刚度大、柔性小，抗压强度远大于抗拉强度)的改善，降低混凝土的刚性，提高其柔性，降低抗压强度与抗折强度的比值则要借助于向混凝土中掺加外加剂。在大多数情况下是掺加聚合物。聚合物应用于水泥混凝土主要有三种方式：一是聚合物浸渍混凝土。二是聚合物混凝土，三是聚合物水泥混凝土。1.聚合物浸渍混凝土：是把成型的混凝土的构件通过干燥及抽真空排除混凝土结构空隙中的水分及空气，然后把混凝土构件浸入聚合物单体溶液中，使得聚合物单体溶液进入结构孔隙中。通过加热或施加射线使得单体在混泥土结构孔隙中聚合形成聚合物结构。聚合物就填充了混凝土的结构扎隙，并改善了混凝土的微观结构，从而使其使用性能得到改善。聚合物浸渍混凝土与普通混凝土相比，抗压强度可提高3倍；抗拉强度提高近3倍；弹性模量可提高1倍；抗破裂模量可增加近3倍；抗折弹性模量增加近50％：弹性变形减少10倍；硬度增加超过70％；渗水性几乎变为0；吸水性大大降低。聚合物浸渍混凝土由于其良好的力学件能．耐久性及抗侵蚀能力，主要用于受力的混凝土及钢筋混凝土结构构件和对耐久件及抗侵蚀有较高要求的地方。如混凝土船体．近海钻井混凝土平台等。虽然聚合物浸渍混凝土有良好的力学件能，但由于聚合物浸渍工艺复