高性能水泥基材料的研究及其意義

1、“新型建筑材料”期末論文高性能水泥基材料的研究及其意義高性能水泥基材料的研究及其意義姓名與學(xué)號(hào)：涂明浩 3130104550指導(dǎo)教師：孟濤年級(jí)與專業(yè)：大三 土木工程1301班所在學(xué)院：建筑工程學(xué)院高性能水泥基材料的研究及其意義摘要：隨著當(dāng)今對(duì)于工程建設(shè)、電子、航空航天、軍事等各方面要求的不斷提高，水泥作為建筑工程的基本結(jié)構(gòu)材料，也必須隨之發(fā)展并變化。當(dāng)前世界水泥工業(yè)的發(fā)展方向是以節(jié)能、降耗、環(huán)保為目的，因此水泥基材料也已經(jīng)在朝著高性能甚至超高性能方向發(fā)展。經(jīng)過不斷的發(fā)展，水泥基材料已成為具有高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性的建筑結(jié)構(gòu)材料。關(guān)鍵字：水泥基材料 高性能 發(fā)展前言近年來建筑工程的興起，隨之有

2、大量混凝土的使用，而由此引發(fā)的混凝土已經(jīng)存在的愈發(fā)無法達(dá)到性能要求的情況開始發(fā)生。相較于其它相鄰學(xué)科而言，膠凝材料科學(xué)技術(shù)一直處于落后狀態(tài)。因此研究高性能水泥基材料，提高其強(qiáng)度、韌性、耐久性、阻裂性，并使其擁有多功能的特點(diǎn)，是十分重要且必要的。目前，通過特殊的技術(shù)生產(chǎn)工藝和原料，高性能水泥基材料在實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)抗壓強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到200600MPa，抗彎強(qiáng)度已達(dá)到150MPa1。一、高性能水泥基材料性能研究1.1水泥基材料的高強(qiáng)度因高標(biāo)號(hào)水泥的出現(xiàn)，混凝土生產(chǎn)工藝的改革，正壓養(yǎng)護(hù)和加壓成型技術(shù)的發(fā)展，特別是高效減水劑和各種郵寄、污跡外滲物的使用，水泥基復(fù)合材料的強(qiáng)度有著顯著的提高2?；炷恋钠骄鶑?qiáng)度

3、從七十年代的25MPa，提高到現(xiàn)今普遍使用的2560MPa，而一些特殊結(jié)構(gòu)中高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度已高達(dá)50100MPa。在實(shí)驗(yàn)室條件下，美國、原蘇聯(lián)、日本、英國、德國均先后研發(fā)出了強(qiáng)度達(dá)到200600MPa的超高強(qiáng)混凝土。以MDF材料為例，目前已能用普通硅酸鹽水泥制備抗彎強(qiáng)度高達(dá)5070MPa的MDF材料及用鋁酸鹽水泥制備抗彎強(qiáng)度高達(dá)100150MPa的MDF材料3。1.2水泥基材料的高韌性現(xiàn)代混凝土常用纖維來實(shí)現(xiàn)混凝土的增強(qiáng)增加韌性阻裂，采用鋼纖維及玻璃纖維來增韌。在某些特殊的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件中，如海洋平臺(tái)、軍事工程、梁柱節(jié)點(diǎn)等，要求建筑材料具有很高的耐久性能、韌性、抗爆性能等，傳統(tǒng)的水泥基材料基本無

4、法滿足這些要求。在強(qiáng)度提高的同時(shí)，若韌性不隨之增加，那么在承受更大荷載時(shí)，則更容易出現(xiàn)脆性破壞。而某些高性能水泥基材料，具有接近于金屬材料的應(yīng)變硬化能力，在單軸拉伸時(shí)，即使材料已經(jīng)開裂，但應(yīng)力可以持續(xù)增長而拉應(yīng)變能夠繼續(xù)保持5。目前生產(chǎn)的水泥基復(fù)合材料中常用各種纖維來增強(qiáng)韌性。在水泥基復(fù)合材料中加入一定量的纖維，當(dāng)水泥凝固后，纖維在試體中呈現(xiàn)三維亂向分布，能夠有效減少水泥的收縮而引發(fā)的微裂紋，大大提高了構(gòu)件的力學(xué)性能。包括鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（SFRC）、玻璃纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（GFRC）、碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（CFRC）、聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料、天然纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料、

5、金屬玻璃纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（MGFRC）、陶瓷纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(CerFRC）以及混合纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（HFRC）等，當(dāng)采用纖維增強(qiáng)水泥基混凝土?xí)r，配筋率為0.3%，與配筋率為1%的鋼筋骨架相比，鋼筋量減少了2/3，但承載能力增大了23倍，使用壽命也大幅度提高了6。1.3高性能水泥基材料的減縮性在提高高性能水泥基材料混凝土的強(qiáng)度和韌性的措施中，有很多都會(huì)增加混凝土的自收縮和干燥收縮，著必然會(huì)導(dǎo)致混凝土微裂紋的產(chǎn)生。微裂紋是的混凝土的耐久性降低，壽命減短，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重事故。因此在研究高性能水泥基材料的強(qiáng)度提高和韌性提高的同時(shí)，研究人員們也通過加入膨脹劑、減縮劑和改善養(yǎng)護(hù)條件等方法

6、來減小水泥基材料的收縮性。初次之外，還有研究人員提出“內(nèi)部養(yǎng)護(hù)”的概念，即在混凝土中摻入水飽和輕質(zhì)集料替代普通集料，這種集料孔隙率較高，內(nèi)部有儲(chǔ)蓄水，在水泥水化過程中可以釋放并供應(yīng)所需水量以避免或減少自干燥的發(fā)生。1.4高性能水泥基材料的高耐久性水泥基材料的耐久性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括抗?jié)B性能、抗鋼筋銹蝕性能、抗化學(xué)侵蝕性能、抗凍性能、抗碳化性能、抗堿集料反應(yīng)性能等，與水泥基材料孔結(jié)構(gòu)、界面過渡區(qū)等微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)7。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，對(duì)比普通混凝土和三種不同類型的高性能水泥基材料混凝土，高性能水泥基材料混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)只有普通混凝土的3%75%，部分高性能水泥基材料混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)比普通混

7、凝土下降了1個(gè)到2個(gè)數(shù)量級(jí)；而對(duì)于抗硫酸鹽侵蝕性能，如右圖所示（第一組為普通混凝土，后三組為三種高性能水泥基材料），在浸泡一段時(shí)間后，四組混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都有相應(yīng)上升。但可明顯看出，后三組的強(qiáng)度明顯大于第一組的數(shù)據(jù)。由此可見其抗硫酸鹽侵蝕的性能優(yōu)于普通混凝土；從抗凍性能來看，在經(jīng)受了300次甚至350次凍融循環(huán)后，普通混凝土的表面剝落嚴(yán)重，側(cè)面的中央部委出現(xiàn)貫穿裂縫，且整體出現(xiàn)輕微變形，與之相比其他種類的高性能水泥基材料混凝土也有剝落，但剝落程度較低，且也沒有表面變形和開裂。這是由于高性能水泥基中摻入了纖維成分，纖維的粘連及應(yīng)力分散作用使得凍融破壞明顯降低，從而顯著提高了其抗凍性能；

8、而高性能混凝土的抗碳化性能是普通混凝土的1.42倍8。2、 典型高性能水泥基材料淺析2.1活性粉末水泥基復(fù)合材料1） 性能隨著高強(qiáng)混凝土日益廣泛的使用，問題也逐漸凸顯出來。如高強(qiáng)混凝土比較低強(qiáng)度的混凝土更容易開裂，硅粉摻量越多，水膠比越低的高強(qiáng)混凝土，早期強(qiáng)度發(fā)展越迅速，開裂現(xiàn)象也越明顯。為避免上述問題的產(chǎn)生，法國人皮埃爾·理查德（P·Richard）仿效“高致密水泥基均勻體系”（DSP材料），將粗骨料剔除，根據(jù)密實(shí)堆積原理，用最大粒徑400微米的石英砂為骨料，制備出強(qiáng)度和其他性能優(yōu)異的活性粉末水泥基材料9。活性粉末水泥基材料含有的微裂縫和空隙等缺陷非常少，可以獲得由其組成

9、材料所決定的最大承載能力，并具有特別好的耐久性?；钚苑勰┧嗷牧贤ㄟ^以下手段來減小非勻質(zhì)性：去出粗骨料，用細(xì)沙代替?；钚苑勰┧嗷牧系淖畲罅絻H為高強(qiáng)混凝土的1/501/30；水泥砂漿的力學(xué)性能提高。高強(qiáng)混凝土的骨料與水化水泥漿體的彈模之比為3.0，活性粉末水泥基材料為10.1.4；消除骨料與水泥漿體的界面過渡區(qū)?；钚苑勰┧嗷牧蠘O高的材料密實(shí)度決定了她有意的力學(xué)性能。以活性粉末水泥基材料RPC200為例，其材料抗壓強(qiáng)度達(dá)到70230MPa，是高性能混凝土的2.4倍；其抗折強(qiáng)度為3060MPa，是高性能混凝土的46倍10。因其材料勻質(zhì)性和密實(shí)度好，孔隙率低，使得其抗侵蝕能力比其他混凝土更

10、高。耐久性能指標(biāo)總體孔隙率微觀孔隙率滲透性水分吸收性氯離子擴(kuò)散性RPC對(duì)比HPC低46倍低1015倍低50倍低7倍低25倍2） 應(yīng)用使用活性粉末水泥基材料可以有效減小結(jié)構(gòu)自重，其本身在結(jié)構(gòu)中直接可承受剪力，大大減少構(gòu)件中的附加抗剪鋼筋的量，從而在設(shè)計(jì)中能夠采用更薄以及更加新穎合理的截面形式，因此可以生產(chǎn)出各種成本低且服務(wù)壽命長的與之結(jié)構(gòu)；由于活性粉末水泥基材料更輕的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)降低了慣性荷載，結(jié)構(gòu)構(gòu)件橫截面高度的減少允許構(gòu)件在彈性范圍內(nèi)發(fā)生更大的變形，且極高的斷裂能及高韌性使結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以吸收更多的地震能，使得其成為了一種很有前途的抗震結(jié)構(gòu)材料。2.2超高韌性水泥基復(fù)合材料（UHTCC）1） 性能U

11、HTCC是Ultra High Toughness Cementitious Composites 的簡稱，是一種具有超高韌性的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。在纖維體積摻量在2%時(shí)，其極限拉應(yīng)變能夠達(dá)到3%以上，具有明顯的應(yīng)變硬化劑多縫開裂特性，且飽和狀態(tài)的多縫開裂裂縫寬度多小于0.1mm。UHTCC的多縫開裂現(xiàn)象是指材料在單軸拉伸時(shí)，在初裂縫產(chǎn)生以后，能持續(xù)不斷的產(chǎn)生新的裂縫，這些裂縫最終大致平行，裂縫兼具大致相等。隨著眾多密集而細(xì)小的裂縫的產(chǎn)生，形成了一塊近似均勻的變形區(qū)域。UHTCC試件在峰值荷載時(shí)產(chǎn)生較大的彎曲變形，并且保持良好的試件完整性，僅在試件的底面可以觀測到大量近似平行的細(xì)小裂縫，裂

12、縫寬度50m左右，平均裂縫間距1mm左右；梁試件在荷載開始下降后，仍然保持完整狀態(tài)，并且隨著荷載的進(jìn)一步下降，僅在試件的下部可以觀測到明顯的局部破壞裂縫，而試件的側(cè)面卻可以看到大量細(xì)密裂縫，由于受梁試件橫截面上的彎拉應(yīng)力分布的影響，側(cè)面裂縫間距從下往上逐漸增大。超高韌性水泥基復(fù)合材料在彎曲荷載作用下的變形能力遠(yuǎn)大于混凝土和普通纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，而且它的開裂形式與混凝土和普通纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的開裂形式也明顯不同。由于超高韌性水泥基復(fù)合材料選擇了更為合理的材料參數(shù)，使纖維的增強(qiáng)增韌效果得到了更好的發(fā)揮。在彎曲荷載作用下，超高韌性水泥基復(fù)合材料中的纖維依靠其連接作用控制了裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展

13、,并承擔(dān)了基體釋放的應(yīng)力，同時(shí)依靠界面黏結(jié)將應(yīng)力傳遞給周圍未開裂的基體，誘發(fā)新裂縫的產(chǎn)生，使試件的純彎曲段逐漸出現(xiàn)了大量近似平行的細(xì)密裂縫。試驗(yàn)中觀測到的試件上眾多的細(xì)密裂縫充分體現(xiàn)了纖維對(duì)基體裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展的有效控制作用。右圖是UHTCC單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線和裂縫寬度曲線。從圖中可以看出，在單軸拉伸試驗(yàn)過程中，UHTCC的應(yīng)變硬化能力以及形成大量的微裂縫但是極限應(yīng)變已達(dá)到4%之大，這種應(yīng)變已經(jīng)是普通混凝土的400倍之多。但是不想許多其他水泥基材料不同，在如此高的應(yīng)變能力之下，并沒有產(chǎn)生大寬度的裂縫，證明其性能遠(yuǎn)超其他水泥基材料。通常來說，UHTCC中的裂縫在應(yīng)變硬化的早期（即應(yīng)變?cè)?%之下

14、）達(dá)到5070微米，之后裂縫的寬度直到材料被破壞也不再有明顯的上升11。除應(yīng)變性能優(yōu)異之外，UHTCC的抗疲勞能力也十分強(qiáng)，同時(shí)具有良好的抗爆、抗沖擊性能。其在沖擊和爆炸荷載作用下，基體中分布的纖維能產(chǎn)生“橋聯(lián)效應(yīng)”，起到耗能、緩沖和連接各個(gè)碎片的作用，使得UHTCC可以應(yīng)用于軍事工程等特殊領(lǐng)域。UHTCC的抗震性能也非常良好，它通過大變形、多縫開裂和應(yīng)變硬化耗散地震能，可以用于梁柱節(jié)點(diǎn)位置，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。在遭遇火災(zāi)時(shí)，UHTCC中的纖維能夠融化吸熱，并且形成導(dǎo)氣通道，避免由于水汽積聚造成的局部爆裂，提高了結(jié)構(gòu)的耐火性能。2） 應(yīng)用UHTCC憑借超強(qiáng)的韌性和獨(dú)特的多縫開裂特性，在工程施工

15、中有著廣泛的應(yīng)用前景。例如UHTCC可用于開裂修復(fù)。對(duì)于產(chǎn)生裂縫的部分進(jìn)行覆蓋，在之后的檢測中修復(fù)曾的裂縫寬度最大只有50微米，取得了良好的加固效果。除此之外，UHTCC還可用于連接板。道路面板之間的伸縮縫處常常受到溫度伸縮變形和動(dòng)載的反復(fù)作用，并且由于此處鋼筋并不密閉十分容易生銹造成危害，利用UHTCC作為連接板，不僅能通過其良好的應(yīng)變硬化特性承受相鄰板溫度神所引起的變形，同時(shí)期多縫開裂的性能有很好的解決了滲漏侵蝕的問題，極大的增加了路面橋梁的耐久性，具有極高的經(jīng)濟(jì)性和適用性。三、高性能水泥基材料發(fā)展方向新世紀(jì)國際水泥工業(yè)的發(fā)展趨勢是以節(jié)能、環(huán)保、降耗、改善水泥質(zhì)量和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率為中心，實(shí)

16、現(xiàn)清潔試生產(chǎn)和高效率集約化生產(chǎn)，走可持續(xù)發(fā)展的道路。由近年來國際水泥行業(yè)的發(fā)展道路可以看出，國際水泥工業(yè)技術(shù)與裝備上新型水泥生產(chǎn)技術(shù)向著大型化、節(jié)能化以及自動(dòng)化方向發(fā)展。因此高性能水泥基材料的研究就必須要以水泥的生態(tài)化制備、先進(jìn)水泥基材料、水泥的節(jié)能和高性能化、廢棄物的資源化利用以及水泥制備和應(yīng)用中的環(huán)境行為評(píng)價(jià)和改進(jìn)等方面為研究開發(fā)重點(diǎn)12。隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的加快，每年都有大量的廢渣排放，主要有粉煤灰、高爐礦渣、鋼渣、煤矸石、特種冶金渣、電石渣、鋰渣、堿渣等。為保護(hù)環(huán)境、變廢為寶和保持可持續(xù)發(fā)展，各國研究對(duì)于高性能水泥基材料的環(huán)保價(jià)值進(jìn)行了進(jìn)一步的探究。如在日本，目前在水泥生產(chǎn)

17、中廢棄物的利用率達(dá)到了近40%。它們正致力于“新性增強(qiáng)混凝土”，據(jù)稱日本已開發(fā)出耐久性可達(dá)500年以上的高性能水泥基復(fù)合材料13。4、 結(jié)語水泥材料在目前的建筑材料中依舊處于不可或缺的地位。因此，發(fā)展高性能水泥基材料的道路依舊漫長。水泥基材料雖然已由普通性能發(fā)展到了高性能，并朝著超高性能大方向進(jìn)行著發(fā)展，但是對(duì)于越來越高的建筑要求，進(jìn)一步的研究開發(fā)工作必須緊跟步伐。參考文獻(xiàn)：1王復(fù)生.高性能水泥基材料及其精細(xì)制品的發(fā)展J.硅酸鹽通報(bào)，1996，（1）：412孫偉.高性能水泥基復(fù)合材料的新進(jìn)展J.港口工程，1995，（1）：353J.D.Birchall, A.H.Howard, and K.Kendall, Nature, 1981:289(l)388390.4Birchall J D, Howard A J and Kendall K.Nature, 1981;289:3885陳婷.高強(qiáng)高彈PVA纖維增強(qiáng)水泥基材料的研制與性能D.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，20046孫偉.高性能水泥基復(fù)合材料的新進(jìn)展J.港口工程，1995，（1）：377王信剛.高性能水泥基材料