《復(fù)合材料》課件-第七章 水泥基復(fù)合材料-2

纖維增強水泥基復(fù)合材料纖維增強脆性材料的歷史，可以追溯到遠(yuǎn)古時代。當(dāng)時人們把稻草等植物纖維摻到泥土中，制備較為堅固耐用的建筑材料，這一原始的制造工藝，至今在我國的部分農(nóng)村仍被采用?，F(xiàn)代最早廣為使用的纖維增強復(fù)合材料是大約1900年出現(xiàn)的石棉水泥板。其后，其他各種纖維增強材料相繼被研究開發(fā)出來，如纖維增強樹脂，纖維增強陶瓷和纖維增強水泥基材料等這些纖維增強復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于觀代生活的許多領(lǐng)域，已為人類社會的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

纖維增強水泥基復(fù)合材料的基體，通常是普通波特蘭水泥，有時也采用高鋁水泥和特種水泥。

用于增強的纖維，除最早廣為使用的石棉纖維外還有鋼纖維，玻璃纖維，天然纖維(如玉米秸、麥桿秸、黃麻等)，合成纖維(如高模量的碳纖維，芳綸纖維和較低模量的聚丙烯纖維等)。這些增強纖維的性能，增強效果和制造成本差別較大（見表）。

纖維名稱纖維直徑/μm容積密度（g/cm3）抗拉強度/MPa彈性模量(MPa)極限延伸率(%)不銹鋼纖維10－3307.821001603.0溫石棉纖維―――2.6500－1800150－1702.0－3.0青石棉纖維0.1－203.4700－2500170－2002.0－3.0抗堿玻璃纖維8－202.71400－250070－802.0－3.5中堿玻璃纖維8－202.61000－200060－703.0－4.0無堿玻璃纖維8－202.543000－350072－773.6－4.8高彈碳纖維91.926002301.0聚丙烯單絲―――0.94005－818Kevlar-29121.442900694.0尼龍單絲100－2001.1900413.0－15.0水泥凈漿―――2.0－2.23－610－250.01－0.05水泥砂漿―――2.2－2.32－425－350.005-0.015水泥混凝土―――2.3－2.451－430－400.01－0.02在纖維增強水泥基材料中，纖維的使用狀態(tài)和分布是多種多樣的：既可以是長纖維的一維鋪設(shè)，也可以是長纖維或者織物的二維分布，還可以是短纖維的二維或者三維不連續(xù)的亂向分布。

近些年來，纖維增強水泥基復(fù)合材料的研究比較活躍，并取得了許多有意義的研究結(jié)果。基本要求：1集料最大粒徑較小，一般不超過20mm（越大韌性越低）

沙率較大，一般為40%~60%

水泥用量較大

水灰比較小2纖維長徑比40~80

高的抗拉強度，抗拔強度。3纖維與水泥的性能必須搭配適當(dāng)（防腐蝕等）

性能特點：1、力學(xué)性能改善2、摻纖維-坍落度高3、抗?jié)B性改善4、易產(chǎn)生纖維團聚現(xiàn)象5、分層現(xiàn)象開發(fā)1、有前途—鋼纖維和玻璃纖維2、耐堿玻璃纖維替代石棉3、聚丙烯和尼龍等合成纖維對裂縫開展的約束能力較差，對抗拉強度無效，抗沖擊性能優(yōu)良4、抗彎強度，碳纖維介于鋼纖維和耐堿玻璃纖維之間5、鋼纖維對裂縫約束能力最好，抗彎、拉伸強度提高，韌性最好。6、鋼纖維的合理直徑為0.25~0.5mm，長為12.5~50mm7、纖維增強混凝土理論—“纖維間隙學(xué)說”和“復(fù)合強度學(xué)說”8、技術(shù)處于初步階段9、鋼纖維增強同時聚合物浸漬的混凝土，具有延伸變形隨從性和超高強度10、擴大纖維增強混凝土的實用范圍是今后的重要課題——降低成本、工藝等聚合物水泥基復(fù)合材料由于普通水泥混凝土抗拉張力低、脆性大、易開裂、耐化學(xué)腐蝕性差等缺點,將普通混凝土與聚合物按一定的比例混合起來的材料克服以上缺點，具有好的柔性和彈性DamageComparison普通混凝土聚合物混凝土聚合物混凝土和普通混合物的物理力學(xué)性能比較表性質(zhì)普通混凝土聚合物浸漬混凝土聚合物膠結(jié)混凝土聚合物水泥混凝土抗壓強度（MPa)28～

35100～15040～

15028～

56抗拉強度（MPa）2.1～2.58～11.57～

144～

6.5斷裂強度（MPa)————8.5～

2110～12.5彈性模量（104MPa）2～

2.53.5～

40.7～3.51～

1.5聚合物水泥基復(fù)合材料的性能特點：聚合物水泥混凝土特性：聚合物水泥基復(fù)合材料的應(yīng)用：7.5其他水泥基復(fù)合材料1、高抗?jié)B、抗侵蝕混凝土混凝土的耐久性是指組成混泥土的材料在長期使用過程中，抵抗其自身及環(huán)境因素長期破壞作用，保持其原有性能而不變質(zhì)、不破壞的能力，主要指抗?jié)B性、抗凍性、抗碳性、抗化學(xué)侵蝕及堿集料反應(yīng)等。混凝土的抗?jié)B性，指混凝土抵抗壓力水滲透的能力。混凝土阻礙液體向其內(nèi)部流動的能力越好，混凝土的抗?jié)B性越好。混凝土的耐久性于水和其它有害化學(xué)液體流入其內(nèi)部的數(shù)量、范圍等有關(guān)，因此抗?jié)B性能高的混凝土，其耐久性就高。影響因素致密化—無缺陷、低空率空結(jié)構(gòu)—25nm以下的滲透空不透水（引入減水劑、引氣劑和活性微細(xì)集料——改善孔結(jié)構(gòu)，提高抗?jié)B性能和抗腐蝕）減水劑減水劑的作用機理減水劑多屬于表面活性劑，它的分子結(jié)構(gòu)是由親水基團和憎水基團組成；摻入減水劑前：當(dāng)水泥加水拌合形成水泥漿的過程中，水泥顆粒把一部分水包裹在顆粒之間而形成絮凝狀結(jié)構(gòu)，水的作用不能充分發(fā)揮；

混凝土減水劑是指在保持混凝土拌合物和易性一定的條件下，具有減水和增強作用的外加劑，又稱為“塑化劑”，高效減水劑又稱為“超塑化劑”。摻入減水劑后：表面活性劑在水泥顆粒表面作定向排列使水泥顆粒表面帶有同種電荷，這種排斥力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水泥顆粒之間的分子引力，使水泥顆粒分散，絮凝狀結(jié)構(gòu)中的水分釋放出來，混凝土拌合用水的作用得到充分的發(fā)揮，拌合物的流動性明顯提高；表面活性劑的極性基與水分子產(chǎn)生締合作用，使水泥顆粒表面形成一層溶劑化水膜，阻止了水泥顆粒之間直接接觸，起到潤滑作用，改善了拌合物的流動性。絮凝狀結(jié)構(gòu)減水劑的作用效果減少混凝土拌合物的用水量，提高混凝土的強度。在混凝土拌合物坍落度基本一定的情況下，減少混凝土的單位用水量5～25％（普通型5～15％，高效型10～30％）。提高混凝土拌合物的流動性。在用水量和強度一定的條件下，坍落度可提高100～200mm。節(jié)約水泥。在混凝土拌合物坍落度、強度一定的情況下，可節(jié)約水泥5～20％。改善混凝土拌合物的性能。摻入減水劑可以減少混凝土拌合物的泌水、離析現(xiàn)象；延緩拌合物的凝結(jié)時間；減緩水泥水化放熱速度；顯著提高混凝土硬化后的抗?jié)B性和抗凍性。2、水泥混凝土路面由各種水泥混凝土面層與基層、墊層和路基所構(gòu)成的路面

交通等級與混凝土抗折強度（抗壓強度）之間的關(guān)系

交通等級抗折強度抗壓強度特重交通5.0MPa（5.5）C40重交通5.0MPaC35中等交通4.5MPaC30輕交通4.0MPaC25

水泥混凝土路面的特點：強度高：較高的抗壓強度/抗彎拉強度/抗磨耗能力穩(wěn)定性好：水穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性均較好；耐久性好；養(yǎng)護(hù)費用少、經(jīng)濟效益高；能見度好，有利于夜間行車。不足：對水泥和水的需要量大；接縫：增加施工和養(yǎng)護(hù)的復(fù)雜性/易引起行車跳動/影響行車舒適性/強度薄弱點；需養(yǎng)護(hù)，開放交通較遲；修復(fù)困難。濕養(yǎng)護(hù)有利于水泥的充分水化，以降低混凝土的孔隙率和切斷毛細(xì)孔的連續(xù)性，溫度養(yǎng)護(hù)可減少溫度裂縫，從而提高混凝土抗?jié)B性。因此，混凝土澆筑完畢后，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場氣溫條件及時覆蓋和灑水，混凝土養(yǎng)護(hù)時間一般不少于14天。50切縫機3、無宏觀缺陷水泥無宏觀缺陷水泥（MacroDefectFree，簡稱MDF）是20世紀(jì)80年代初英國帝國化學(xué)公司實驗室的Bitchall和牛津大學(xué)的Howard發(fā)明的。

工藝路線：將水泥加少量的水、水溶性聚合物、甘油經(jīng)高效剪切攪拌后，在較低的溫度下壓制成型，得到一種抗壓強度可達(dá)到200MPa，抗折強度可達(dá)到60-70MPa的新型水泥基材料。

4、超細(xì)粒子均勻排列密實填充體系超細(xì)粒子均勻排列密實填充體系（Densitifiedsystemcontaininghomogeneouslyarrangedultrafineparticles，DSP）是丹麥Aalborg波特蘭水泥混凝土實驗室的Bache等在20世紀(jì)70年代末首先研制出來的一種水泥基高強材料。

工藝路線：DSP材料是由70～80％水泥、20～30％平均粒徑比水泥小1～2個數(shù)量級的超細(xì)材料、高效減水劑和水組成的。其制品的抗壓強度也可達(dá)到300MPa以上。不同粒徑組合對空隙率的影響礦物摻合料的填充效應(yīng)5、活性粉末混凝土活性粉末混凝土（ReactivePowerConcrete，簡稱RPC）是法國Bouygues公司的工程師P.Richard于1993年研制的。RPC材料是一種超高強度、超高耐久性超高韌性的新型水泥基材料。由于提高了細(xì)度和反應(yīng)活性，因此叫活性粉末混凝土。

工藝路線：將水泥、微硅粉、石英砂、鋼纖維攪拌均勻，先加入三分之二溶解了超塑化劑的水進(jìn)行攪拌，最后加入另三分之一水?dāng)嚢杈鶆?。把拌合物倒入模具振動成型，在?biāo)準(zhǔn)模式下養(yǎng)護(hù)24小時后脫模，然后在90℃水中養(yǎng)護(hù)或蒸汽養(yǎng)護(hù)。

6、滲漿纖維混凝土鋼纖維和混凝土攪拌澆灌成型——施工技術(shù)不同于一般的攪拌澆筑成型的鋼纖維混凝土，它是先將鋼纖維松散填放在模具內(nèi)，然后灌注水泥漿或砂漿，使其硬化成型。SIFCON與普通鋼纖維混凝土相比，其特點是抗壓強度比基體材料有大幅度提高，可達(dá)100~200MPa，其抗拉、抗彎、抗剪強度以及延性、韌性等也比普通摻量的鋼纖維混凝土有更大的提高。缺點：造價較高7、透水性混凝土透水混凝土又稱多孔混凝土，透水地坪，其是由骨料、水泥和水拌制而成的一種多孔輕質(zhì)混凝土，它不含細(xì)骨料，由粗骨料表面包覆一薄層水泥漿相互粘結(jié)而形成孔穴均勻分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，故具有透氣、透水和重量輕的特點，也可稱無砂混凝土。歐美、日本等國家針對原城市道路的路面的缺陷，開發(fā)使用的一種能讓雨水流入地下，有效補充地下水，緩解城市的地下水位急劇下降等等的一些城市環(huán)境問題。并能有效的消除地面上的油類化合物等對環(huán)境污染的危害；同時，是保護(hù)地下水、維護(hù)生態(tài)平衡、能緩解城市熱島效應(yīng)的優(yōu)良的鋪裝材料；其有利于人類生存環(huán)境的良性發(fā)展及城市雨水管理與水污染防治等工作上，具有特殊的重要意義。透水混凝土系統(tǒng)擁有系列色彩配方，配合設(shè)計的創(chuàng)意，針對不同環(huán)境和個性要求的裝飾風(fēng)格進(jìn)行鋪設(shè)施工。這是傳統(tǒng)鋪裝和一般透水磚不能實現(xiàn)的特殊鋪裝材料。透水混凝土在美國從上世紀(jì)七、八十年代就開始研究和應(yīng)用，不少國家都在大量推廣，如德國預(yù)期要在短期內(nèi)將90%的道路改造成透水混凝土，改變過去破壞城市生態(tài)的地面鋪設(shè)，使透水混凝土路面取決得廣泛的社會效益。8、綠化混凝土9、吸音混凝土加氣混凝土10、水泥基復(fù)合智能材料仿生自愈傷水泥基復(fù)合材料：a)模仿生物組織受傷后自動分泌某種物質(zhì)形成愈傷組織，愈合傷口。將內(nèi)含黏結(jié)劑的空心玻璃纖維或膠囊摻入水泥基材料中，水泥在外力作用下發(fā)生