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1、11.水泥基复合材料1一、水泥的定义凡细磨成粉末状，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。11.1 水泥2u 水泥发展应用历史原始意义的水泥：罗马时期（万神庙）使用的石灰和火山灰的混合物 哈德良皇帝于公元哈德良皇帝于公元120120年年公元公元124124年在意大利罗马兴建了年在意大利罗马兴建了 万神庙，作为奉祀诸神的神殿。万神庙穹顶直径万神庙，作为奉祀诸神的神殿。万神庙穹顶直径4343米的记录米的记录 直到现在还未被打破。直到现在还未被打破。3u现现代意义义的水泥：1824年英国人J.阿斯普丁用石
2、灰石和粘土烧烧制成水泥，硬化后的颜颜色与英格兰岛兰岛 上波特兰兰地方用于建筑的石头头相似，被命名为为波特兰兰水泥（ 1824，Portland Cement ），并取得了专专利权权。 当代水泥：多品种、多用途水泥发展应用历史4二、水泥的制造方法和主要成分5江西亚东水泥厂鸟瞰江西亚东水泥厂鸟瞰6浙江尖峰水泥厂鸟瞰浙江尖峰水泥厂鸟瞰7水泥使用经过两个过程：凝结 硬化u 凝结硬化的概念： 具有流动性的浆体失去塑性的过程称凝结； 失去塑性的浆体逐渐具有强度的过程称硬化。三、水泥的强度和硬化8 水泥水水泥水 水泥浆水泥浆 水化产物水化产物 失去塑性失去塑性 强度强度（搅拌）（搅拌） （水化）（水化） （
3、凝结）（凝结） （硬化）（硬化）水泥石水泥石初凝和终凝初凝和终凝初凝状态：初凝状态：水泥加水至水泥浆水泥加水至水泥浆刚刚失去可塑性刚刚失去可塑性 所需的时间所需的时间初凝时间初凝时间终凝状态：终凝状态：水泥加水至水泥浆水泥加水至水泥浆完全失去可塑性完全失去可塑性 所需的时间所需的时间终凝时间终凝时间 凝结硬化过程：凝结硬化过程：9水泥的初凝时间时间 不宜过过早，以便施工时时有充分时时间间搅搅拌、运输输、浇浇注和砌筑等操作；否则则在施工前已失去流动动性和塑性而无法施工。水泥的终终凝不宜过迟过迟 ，以便施工完毕毕后尽快硬化，达到一定的强度，以利于下一步施工工艺艺的进进行；否则则将延长长施工进进度和
4、模板的周转转率。u指标标：初凝时间时间 不得早于45min，终终凝不得迟迟于390minu工程意义10 普通水泥凝结过程是几个小时，而硬化过程经180天后还在继续着。 水泥颗粒之间的水与水泥发生水化反应生成水化物，水化物为硬化物的主体。 水泥的强度是由这些水化物不留间隙地充填了空隙而得到增强。需要注意的是如果有多余水份，则蒸发会产生空隙。u凝结与硬化11一、混凝土由胶凝材料、水和粗细骨料按适当比例拌 和均匀，经浇捣成型后硬化而成。不加特指，一般即认为是水泥混凝土，即 以水泥石为基体，以砂石等散粒材料为增强材料 的复合材料（水泥基复合材料）。11.2 水泥复合材料12混凝土的构成 混凝土可以认为
5、是一种宏观堆聚结构，各组分形成混凝土可以认为是一种宏观堆聚结构，各组分形成多级分散体系。多级分散体系。u 石子分散于硬化砂浆、砂分散于水泥石、未水化水泥颗粒分散于水泥水化产物中、晶体分散于凝胶体中。13二、纤维增强水泥复合材料1 、复合材料的组成：增强剂 短纤维基体 硅酸盐水泥、调凝水泥及高铝矿渣水泥等填料 沙、粉煤灰等。14用于增强水泥基复合材料的纤维品种很多，主要有： 钢纤维、石棉纤维、天然纤维和合成纤维、玻璃纤维。u钢纤维增强水泥基材料u石棉纤维增强水泥基材料u天然纤维增强水泥基材料u合成纤维增强水泥基材料u玻璃纤维增强水泥基材料u混杂纤维增强水泥板15钢纤维增强水泥基材料 是纤维增强水
6、泥基材料理论研究最早的一种。目前，钢纤维增强水泥基材料在工程建设中应用最广，钢纤维的消耗量仅次于石棉纤维。 钢纤维的加入，改变了材料的破坏方式，提高了材料的强度(包括热压强度、抗拉强度和抗弯强度，特别是大幅度提高了材料的韧性)。同时，复合材料的耐磨性、耐疲劳性、抗冲击性和冻融性等也有不同程度的改善。 钢纤维增强水泥基材料的用途广泛，主要应用于公路、飞机跑道、工厂地板、堤坝桥墩、以及河流水库、隧道的内衬等。 16石棉纤维增强水泥基材料 是现代最早应用的纤维增强水泥基材料，用量最大。每年用于增强水泥材料的石棉纤维大约为200万吨。石棉纤维来源丰富价格低廉，具有很高的强度和模量，且纤维与水泥基体相互
7、作用良好，因此是一种理想的水泥制品增强纤维。但是，石棉纤维对人身危害很大，许多国家禁止使用石棉纤维作为水泥制品的增强纤维，并正在努力寻找石棉纤维的替代纤维。 17天然纤维增强水泥基材料 天然纤维是自然界中最大品种的纤维，取之不尽，用之不竭。 目前主要有棉杆秸、玉米秸、黄麻、亚麻、剑麻、椰子壳、甘蔗渣、木纤维等。 与玻璃纤维相似，在碱性环境中天然纤维会发生分子降解而失去力学性能。因此，其增强水泥基材料存在长久使用性问题。18 将天然纤维涂覆疏水保护剂或采用低碱性基体的方法，来解决天然纤维增强水泥基材料的耐久性问题效果有一定的改善，但最终结果仍不甚令人满意。 因此，如何提高天然纤维耐碱性，提高天然
8、纤维增强水泥基材料的耐久性将是未来研究的重要领域。 19玻璃纤维增强水泥基材料 普通玻璃纤维纤维 的耐碱性较较差，在水泥基体这样这样 的碱性环环境中极易失去其强度和刚刚性，因此在六十年代，虽虽然玻璃纤维纤维 增强水泥基材料(GRC)的研究已经经比较较深入系统统，但其制品一直未被推广应应用；直到七十年代初期，英国建筑研究院向普通玻璃纤纤维维中加入二氧化锆锆，研制成功了耐碱玻璃纤维纤维 后，玻璃纤维纤维 增强水泥制品才由英国的Pilkington Brothers公司大量生产产推广应应用。 20由于提高抗碱玻璃纤维纤维 的抗碱能力有一定限度，为为确保GRC的长长期耐久性，应应尽量降低水泥基体的碱度
9、。迄今为为止，国际际上采取的技术术路线线基本上有下列两条： (1)对普通水泥改性:例如法国圣哥班公司在普通波特兰水泥中同时掺加偏高岭土与丙烯酸酯乳液；德国海德堡水泥公司使用高炉水泥(高炉矿渣粉含量在70以上)并同时掺加偏高岭土或其它材料。21(2)使用专门专门 制造的低碱度水泥:例如中国建筑材料科学研究院开发发的硫铝铝酸盐盐型低碱度水泥(由无水硫铝铝酸钙钙、石灰石、无水石膏组组成)，日本秩父水泥公司开发发的CGC水泥(由无水硫铝铝酸钙钙、波特兰兰水泥、矿矿渣与石膏组组成)。22（1） 基体的性能水泥基体不仅仅是传递应传递应 力载载荷，而且是受力的主体。 （2） 纤维纤维 与基体水泥间间的相互作
10、用弹弹性模量匹配，热热膨胀胀系数，界面反应应，纤维纤维 之间间的间间距2、影响纤维增强水泥复合材料性能的因素1）当纤维间距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形状，互无干扰和影响，不因纤维间距改变而变； 2) 当纤维间距小于两倍界面层厚度时，由于界面层相互交错、搭接，产生叠加效应，不同程度地引起界面层弱谷变浅，对界面产生强化效应； 3）当纤维间距小于两倍界面层厚度时，界面诸力学性能均有不同程度的提高。23三、纤维增强水泥的成型工艺1、直接喷射法 直接喷射法是目前最常用的成型方法。其关键是玻璃纤维的均匀分布以及喷射砂浆的脱泡和厚度的均匀性。直接喷射法示意图 砂浆配比：W/C =
11、0.30.4S/C =0.51 耐碱短切纤维：1250mm 含量约35% 24用这种方法，纤维在二维方向无规配向。因此，在制造时制品的形状、大小、厚度等自由度最大，通用性也最大，设备费用较便宜。1、直接喷射法 25连续喷射脱水法示意图 2、喷射脱水法p这种方法是将玻璃纤维增强水泥喷射到一个带有减 压装置的铺有滤布的开孔台上。p喷射完后进行减压，通过滤布将玻璃纤维增强水泥 的剩余水分脱掉。26p其制品比直接喷射制品强度高，但制品形状仅限于板状或异性断面等的弯曲加工制造。p喷射脱水过程可通过机械化很容易进行连续操作。 2、喷射脱水法27就是将水泥、沙子、水、外加剂和耐碱玻璃短 切纤维在搅拌机中混合
12、成预混料，然后不断注入到 振动着的模具里进行成型。3、预混料浇铸法28纤维的配向是三维无规的用这种方法可以成型厚壁的制品，在物理性质方面 不如喷射法。3、预混料浇铸法294、离心成型法适合于回转体构件，纤维可进行表面集中增强。离心成型 + 脱水p在旋转的管状模具中喷入玻璃纤维和水泥浆，利用 离心力均匀成型。p该法能够控制纤维的方向，使它能有效地作用到管 子的结构强度上，而且在厚度方向上可以改变纤维 量。305、压力法预混料注入到模具后，加压除去剩余水分，及时脱模，可以提高生产率，并能获得良好的表面精度。预混料铸模后，加压脱水31地震来袭，房屋倒塌人类的生命财产损失严重32普通混凝土抗拉、抗弯曲
13、强度低，导致墙体桥梁的 断裂和倒塌。33世界第八大奇迹中国长城 3411.3 聚合物改性混凝土聚合物改性混凝土 对混凝土最基本力学性能的改善要借助于向混凝 土中掺加外掺剂，在大多数情况下是掺加聚合物。主要有三种形式：一是聚合物浸渍混凝土；二是聚合物混凝土（树脂混凝土）；三是聚合物水泥混凝土。 35聚合物混凝土发展历史 最初应应用于混凝土的聚合物是天然的聚合物，如岩石中的沥沥 青，主要用来胶结砖结砖 、防水坝坝体等。 在波特兰兰水泥混凝土中最早使用聚合物乳液是1909年美国的 专专利(L.H.Backland)。 1923年，英国人Cresson获获得的专专利中，天然胶乳被用作改 性道路材料，
14、其中水泥作为为填料使用。 60年代以后，除将合成胶乳用于对对水泥混凝土进进行改性外， 人们们开始研究把多种聚合物，例如聚苯乙烯烯、聚丙烯烯酸脂、 聚氯氯乙烯烯等用于水泥砂浆浆及混凝土改性。 自1971年美国混凝土学会(ACI)成立了聚合物混凝土委员员会 。 80年代至今，世界对这对这 一领领域研究开发发的兴兴趣与日俱增。 到20世纪纪90年代，聚合物混凝土已经经成为为一种重要的建筑材 料。 36破坏比较普通混凝土聚合物混凝土37一、聚合物浸渍混凝土u将成型的混凝土构件通过干燥及抽真空的方法排除混凝土结构空隙中的水分和空气；u然后将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空隙中；u通
15、过加热等方法使得单体聚合成聚合物结构；u这样聚合物就填充了混凝土的结构空隙，改善了微观结构，从而使其性能得到了改善。38p特点是：聚合物填充了水泥混凝土内部的孔隙和微裂缝u 提高了水泥石与骨料间的黏结强度；u减少了应力集中；u使聚合物浸渍混凝土具有高强、密实、防腐、抗渗、耐磨、抗冲击等优良的力学性能。一、聚合物浸渍混凝土39u性能：其抗压强度可提高24倍，一般为100150Mpa，最高可达到260Mpa以上，抗拉强度可以提高到1020Mpa，最高能达到240Mpa以上。u用途：要求高强度，高耐久性的特殊结构工程，如高压输气管、高压输液管、高压容器、海洋构筑物、原子能反应堆等工程40二、聚合物混凝土（树脂混凝土）u以聚合物为结合料与砂石等骨料形成混凝土；u大部分情况下是把聚合物单体与粗骨料拌和，通过单体聚合把粗骨料结合在一起，形成整体，可用预制或现浇的方法施工。41u优点 强度高、化学稳定性好、耐磨性高、抗冻性好 、绝缘性能好、几乎不吸水、易于黏结 应用于 耐腐蚀的
