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1、第十二章 水泥复合材料,水泥复合材料 一、水泥 1、 水泥的定义和分类 2、水泥的制造方法和主要成分 3、水泥的强度和硬化 二、水泥复合材料 1、混凝土 2、纤维增强水泥复合材料 3、聚合物改性混凝土 三、水泥复合材料的成型工艺 1、混凝土的配合比设计及成型工艺控制 2、钢筋混凝土的成型工艺 3、纤维增强水泥复合材料的成型工艺 4、聚合物改性混凝土的成型工艺 四、（钢筋混凝土）纤维/基体的界面,一、水泥 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。,通用水泥：硅
2、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、粉煤灰硅酸盐水泥。,专用水泥：油井水泥、砌筑水泥。,特种水泥：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、膨胀硫酸铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝盐水泥、氟铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等。,2、水泥的制造方法和主要成分,图12-1 水泥制造工艺流程图,表12-1 普通波特兰水泥的主要化合物及其含率,3、水泥的强度和硬化 向水泥中加水充分搅拌后，逐渐凝固的过程叫做凝结。再经一段时间凝固就更加强固，该过程叫做硬化。普通水泥凝结过程是几个小时，而硬化过程180天后还在继续着（图12-2）。,图12-2 压缩强度与硬化
3、时间（材龄）,水泥颗粒之间的水与水泥发生水化反应生 成水化物，水化物占据了硬化物的主体。 水泥的强度是由这些水化物不留间隙地充 填了空隙而增强的（图12-3）。,图12-3 水泥的水化过程,水泥硬化的条件： 1）原料配比：最重要的是水与水泥 （W / C）比。 2）搅拌： 3）养生：凝结、硬化的过程中，在达到某种程度的强度期间，促进水化反应，保护混凝土不受来自外部的有害影响所做的工作叫养生。其基本做法是在适当的温度范围内，给予充分的湿度，不要施加冲击及过度的负荷。,图12-4 标准水泥的原料配比,水泥强化的方法： 1）改善水泥浆自身强度；尽量缩小空隙，包括降低W/C比、提高流动性、聚合物浸渍和
4、结合等。 2）骨料与水泥浆界面的强化； 3）最佳骨料的选择。包括选择高强度骨料、小粒径骨料和短纤维补强等。,二、水泥复合材料混凝土 1、纤维增强水泥复合材料 2、聚合物改性混凝土,1、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（图12-5）。可分轻质混凝土、防水混凝土、耐热混凝土和防辐射混凝土等。 混凝土拌和物可浇制成各种形状的沟；混凝土与钢筋有良好的粘结力，可制成钢筋混凝土和予应力钢筋混凝土。,图12-5 混凝土的构成,2、纤维增强水泥复合材料 2-1 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。,2-
5、2 影响材料性能的因素： 1）基体的性能： 2）纤维与基体水泥间的相互作用： 3）纤维与基体在热膨胀系数上的匹配： 4）纤维与基体在弹性模量上的匹配： 5）增强体性能：,1) 基体的性能：水泥基体不仅是传递应力载荷，而且是受力的主体。,2）纤维与基体水泥间的相互作用： （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；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。,（2）纤维间距对界面层的影响与纤维/骨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
6、层在基体水泥中将有双重界面随机强化效应，只要纤维、沙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性能的影响具有相同的规律性 。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。,3）纤维与基体在热膨胀系数上的匹配：利用纤维与基体在热膨胀系数上的不同，如纤维的热膨胀系数大于基体的热膨胀系数，复合材料在基体上产生一定的压预应力，而纤维则处于张应力状态，这样则对复合材料的性能是有好处的。,4）纤维与基体在弹性模量上的匹配：当复合材料的应变达到纤维或基体中比较小的那个应变时，
7、只有Ef Em，纤维才可分担复合材料中更多的负荷水平。所以要求选用的纤维具有较高的弹性模量。,5）增强体性能：纤维的掺入可显著地提高混凝土的极限变形能力和韧性，从而大大改善水泥浆体的抗裂性和抗冲击能力。,3、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； 三是聚合物水泥混凝土。,聚合物浸渍混凝土： 把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，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，通过加热等方法使得单体聚合成聚合物结构。这
8、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。,聚合物混凝土： 以聚合物为结合料与砂石等骨料形成混凝土。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。这种混凝土有比普通混凝土无法比拟的特殊性质，如速凝等，但价格昂贵，多用于特殊用途，如抢修等。,聚合物水泥混凝土： 在水泥混凝土成型过程中掺入一定量的聚合物，从而改善混凝土的性能，其优点是：（1）抗折强度提高，抗压强度提高，抗压强度/抗折强度的比值减小；（2）刚性或脆性降低，变形能力增大；（3）耐久性与抗侵蚀能力有一定程度的提高；（4）有良好的粘结性，适于修补
9、工程；（5）制备工艺不变，成本相对低。,三、水泥复合材料的成型工艺 1、混凝土的配合比设计及成型工艺控制 2、钢筋混凝土的成型工艺 3、纤维增强水泥复合材料的成型工艺 4、聚合物改性混凝土的成型工艺。,1、混凝土的配合比设计及成型工艺控制 在组成材料已定的条件下，决定混凝土各项性能的则主要是各组成材料之间的相对比例。 1）选择水泥品种，确定混凝土试配强度； 2）确定水灰比； 3）选取用水量，计算水泥用量； 4）选取砂率； 5）计算砂石用量。,2、钢筋混凝土的成型工艺 钢筋混凝土结构提高了抗弯及拉伸强度。支撑更大负荷的是钢筋，但混凝土自身的特性没有改善。不改变混凝土的成分，可以用物理力来改善混凝
10、土自身的强度。基本做法是预先向混凝土硬化体施加压缩力，储藏应变能。当使用过程中承受外力时，只需用该应变能返回常态时的那分力，就增加了抵抗力，起到了提高抗弯及抗拉强度的作用（图12-6）。,图12-6 预应力混凝土,3、纤维增强水泥的成型工艺 1）直接喷射法,图12-7 直接喷射法流程,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。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。,图12-8 直接喷射法示意图,2）喷射脱水法,图12-9 喷射脱水法流程,喷射脱水法是将玻璃纤维增强水
11、泥喷射到一个常有减压装置的铺有滤布的开孔台上。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。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。喷射脱水过程可通过机械化很容易进行连续操作。,图12-10 连续喷射脱水法示意图,3）预混料浇铸法 预混料浇铸法就是将水泥、沙子、水、外加剂和适当长的耐碱玻璃短切纤维在搅拌机中混合成预混料，然后不断注入到振动着的模具里进行成型。用这种方法可以成型厚壁的制品，在物性方面不如喷射法。,图12-11 预混料浇铸法工序,4）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。,
12、5）离心成型法 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。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。 采用离心成型法也可以制备夹层结构 。,5）抄造法 大多数石棉板几乎都是用圆网抄造法（以发明者命名的）制造的。现用玻璃纤维代替石棉以避免公害。在使用这种方法时，一般将耐碱玻璃纤维混合到原料浆液中。因仅有玻璃纤维过滤太快，过滤水流失了很多水泥粒子，所以通常使用一定程度的砂浆和石棉作为内部过滤材料。 这种方法适合于成型较厚的板状制品。,图12-12 抄造机示意图,以乳液形式掺加到水泥混凝土中的聚合物，在水泥混凝土搅拌均匀后，聚合物乳
13、液颗粒会相当均匀地分布在水泥混凝土中。形成水泥基的复合材料。随着水泥的水化，体系中的水不断地被水化水泥所结合，乳液中的聚合物颗粒会相互融合连接在一起。随着水分的不断减少，聚合物在水泥中形成结构。,4、聚合物改性水泥混凝土的成型工艺,水泥混凝土中聚合物结构形成过程如下：,图12-13 聚合物乳液固化过程示意图,如图12-14所示，Ohama将这一结构形成过程分为三个阶段。第一阶段：聚合物颗粒均匀分布在水泥浆体中，形成聚合物水泥浆体。随着水泥的水化，水泥凝胶逐渐形成，并且液相中的Ca（OH）2达到饱和状态。同时聚合物颗粒沉积在凝胶颗粒表面。,图12-14 聚合物水泥混凝土Ohama结构形成模型,第
14、二阶段：随着水化的进一步进行，聚合物颗粒絮凝在一起。水化凝胶的表面形成聚合物密封层，粘结了骨料颗粒的表面及水泥水化凝胶与水泥颗粒混合物的表面。因此，混合物中的较大空隙被有粘结性的聚合物填充。在这一阶段中聚合物颗粒与矿物的硅酸盐表面还可能发生化学反应。,图12-14 聚合物水泥混凝土Ohama结构形成模型,第三阶段：由于水化的不断进行，凝聚在一起的聚合物颗粒之间的水分逐渐被全部吸收到水化过程的化学结合水中，最终聚合物颗粒完全融化在一起形成连续的聚合物网状结构，把水泥水化物联结在一起，因而改善了水泥的结构形态。,Konietzko发现在某些情况下有些聚合物不能在水泥混凝土中形成连续结构，而以聚合物
15、球形颗粒的形式堆积在一起，仅起填充空隙的作用。如图12-15所示，聚合物颗粒均匀分布在水泥浆体中，随着水泥的水化，水分减少，聚合物球形颗粒开始堆积。随着水化的进一步进行，堆积的聚合物颗粒越来越多，逐渐融化在一起形成聚合物膜。最终聚合物颗粒形成空间连续的网状结构，并硬化水泥浆体也在聚合物网孔中形成连续结构。两种网结构互相交织在一起，并把水泥混凝土中的骨料颗粒包裹在其中。,图12-15 聚合物水泥混凝土Konietzko结构模型,图12-15 聚合物水泥混凝土Konietzko结构模型,四、（钢筋混凝土）纤维 / 基体的界面 一般来讲，钢筋混凝土中纤维 / 基体的界面具有比基体大的水灰比，易形成较
16、厚的水膜层，即界面薄弱层。 改善界面性能的途径：关键在于提高最薄弱点（弱谷）的显微硬度及减小过渡环的范围。,1、降低水灰比和使用减水剂：这是减小水膜层的厚度，改善过渡环的主要措施。,2、掺入硅灰：界面区的显微硬度随硅灰掺入量的增加而增大，界面层弱谷变浅，弱谷位置向纤维表面移动，界面层厚度变小。,3、用聚合物作增强剂：在混凝土拌合过程中，聚合物粒子吸附于水泥颗粒与纤维表面，在水泥水化过程中聚合物失水并形成聚合物膜，在界面形成连续相。聚合物的弹性模量较低，因而可钝化界面区初始微裂纹尖端的应力集中，对改善界面层内部的应力状态，限制裂纹产生和发展有着积极的作用。纤维状聚合物粒子还可能跨越界面层的微裂纹，起桥联和填充的作用。聚合物的掺入对于减小界面区的厚度和弱谷与纤维表面的距离、缩小界面层与基体的差异、增强界面粘结力有着明显的作用。,4、改进纤维外形： 1） 当纤维横截面面积相同时，纤维断面周长越大，对纤维抗拔越有利。 2）表面凸凹不平的冷拔-压形变截面钢纤维和熔抽法钢纤维界面粘结强度
