复合材料水泥基复合材料PPT课件

1、7-1 7-1 水泥概述 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. 普通硅酸盐水泥熟料主要是由硅酸三钙 （3CaOSiO2）、硅酸二钙（-2CaOSiO2）、 铝酸三钙（3CaOAl2O3）和铁铝酸四钙 （4CaOAl2O3Fe2O3）四种矿物组成的. 水化：3CaOSiO2+H2OCaOSiO2YH2O（凝胶） +Ca（OH）2 水泥及水泥基复合材料常用符号 CaO:C Al2O3:A SiO2:S Fe2O3:F H2O:H W/C:水/水泥 （水灰比） S/G: 沙/石 水泥

2、特点： 水硬性，与水迅速发生水化反应，生成的水化产 物逐渐变硬，强度随龄期延长而逐渐增长； 水泥桨有很好的可塑性与砂、石拌和后仍能使 混合物具有必要的和易性； 适应性强，可用于海上、地下、深水、严寒、干 热的地区，以及耐侵蚀、防辐射、核电站等特殊 要求的工程； 匹配性，可与纤维或者聚合物等多种无机、有机 材料匹配，制成各种水泥基复合材料； 与普通钢铁相比，水泥制品不会生锈，也没有木 材易腐朽的缺点，更不会有塑料年久老比的问题， 耐久性好，维修工作量小。 水泥特点： u流动性是指新拌混凝土在自重或机械振捣的作 用下，能产生流动，并均匀密实地填满模板的 性能。 u粘聚性是指新拌混凝土的组成材料之间

3、有一定 的粘聚力，在施工过程中，不致发生分层和离 析现象的性能。 u保水性是指在新拌混凝土具有一定的保水能力， 在施工过程中，不致产生严重泌水现象的性能。 和易性是混凝土拌和物在拌和、运输、浇筑过程 中，便于施工的技术性能。 它是一项综合的技术 性质，包括流动性、粘聚性和保水性等 。 水泥基复合材料是指水泥与水发生水化、硬 化后形成的硬化水泥浆作为基体与其他各种 无机、金属、有机材料组合而得到的具有新 性能的材料。 7-2 水泥基复合材料的种类及基本性 能 混凝土、 纤维增强水泥基复合材料、 聚合物水泥基复合材料。 按照增强体的种类分类： 7-2 水泥基复合材料的种类及基本性能 n混凝土是以水

4、泥为基体，加入水、粗细骨料、 钢筋，按适当比例拌和均匀，经搅拌振捣成 型，在一定条件下养护而成的复合材料； n原料丰富，价格低廉，生产工艺简单； n抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽； n使用范围广泛，如土木工程、造船业、机械 工业、海洋的开发、地热工程等。 1、混凝土 水和水泥形成 水泥浆，起胶 结作用； 砂和石子为细、 粗骨料。 2. 纤维增强水泥基复合材料 定义：由不连续的短纤维均匀的分散于水泥 混凝土基材中形成的复合材料。 目的：克服混凝土耐拉伸外力差，破坏前的许 用应变小的缺点。 方式： 纤维交叉牵制，形成遍布结构整体的网络； 纤维和基体共同承受拉力直到基体裂损，然 后总的力都转移

5、到纤维上。 粗骨料粒径20mm,砂率40-60%，W/C 比小； 纤维长径比40-80，纤维有高拉抗强 度； 纤维与水泥的性能必须匹配：钢纤维 适宜碱性大的水泥，GF适宜碱性小的 水泥。 对原材料的基本要求： 3.3.聚合物改性水泥基复合材料聚合物改性水泥基复合材料 普通混凝土的缺点：脆性材料，刚性大，柔 性小，抗压强度远远大于拉伸强度； 聚合物混凝土是设法将聚合物掺入混凝土而 形成混杂复合材料。由于少量聚合物的掺入， 填充了混凝土内部的孔隙和微裂缝，大大的 提高了混凝土的性能。例如: 抗折强度和柔韧性提高。 内部孔结构有所改善，趋向连续密实。 建筑物耐久度大大提高。 聚合物作用：增韧、增塑、

6、填孔和固化 聚合物混凝土 聚合物浸渍混凝土 聚合物水泥混凝土 (1)聚合物浸渍混凝土 将已硬化的混凝土构件，浸入聚合物单体或预聚体溶 液中使其渗入空隙，通过加热聚合、固化形成聚合物 填充。提高密度、强度和韧性。 (2)聚合物混凝土 聚合物完全取代水泥，作为集料的结合剂。 常用聚合物：环氧、脲醛、糠醛、聚酯树脂等。性能 好，价格较高。应用：如人造石 (3)聚合物水泥混凝土 聚合物部分取代水泥。要求聚合物具有亲水性，在水 中或能溶解或能分散成乳液。 加入状态可以是单体、聚合物乳液、聚合物粉末。 聚合物改性水泥基复合材料特点： 抗折强度明显 ，抗压强度 。 韧性 ，刚度、脆性 。 抗渗透性、耐侵蚀性

7、 。 粘补性好。 工艺简单，成本低。 1 1、混凝土设计与成型、混凝土设计与成型 设计过程：设计过程： 原料选择原料选择 工程计算工程计算 实验校核调实验校核调 整整 初定配方：水初定配方：水 : : 灰灰 : : 砂砂 : : 石石 0.5 : 1 : 1.5 : 30.5 : 1 : 1.5 : 3 实验校核：强度实验与和易性实验实验校核：强度实验与和易性实验 调整：提高水泥标号或用量，可提高强度。调整：提高水泥标号或用量，可提高强度。 提高水量、降低石料用量，可提高和易性。提高水量、降低石料用量，可提高和易性。 最终配方中水泥用量、最终配方中水泥用量、W/CW/C需满足耐久性要求。需满足

8、耐久性要求。 7-3 水泥基复合材料的成型工艺 最终配方满足耐久性要求 钢筋混凝土的成型钢筋混凝土的成型-预应力技术预应力技术 主要用于铁道的枕木、空洞隧道、桥梁等 主要用于高架公路路面，大跨度桥及 建筑物的横梁等。 2、纤维增强水泥的成型 (1)、直接喷射法 砂浆配比：W/C = 0.30.4 ； S/C =0.51 耐碱短切纤维：1250mm ；含量约35% 。 (2)(2)、喷射脱水法、喷射脱水法 直接喷射法直接喷射法经减压，脱去多余水份，提经减压，脱去多余水份，提 高密度和强度。高密度和强度。 (3)、预混料浇铸法 纤维与砂浆混合，铸模成型。 关键： (4)、压力法 预混料铸模后，加压

9、脱水。 (5)、离心成型法 离心成型 + 脱水。 适合于回转体构件，纤维可进行表 面集中增强。 碳纤维增强水泥可用来代替木材，制成 住宅的屋顶、构架，地板，梁以及隔板 等，但是价格昂贵。 玻璃纤维增强水泥可做雕塑、门窗、花盆等 3 3聚合物水泥基复合材料的成型 (1)、聚合物浸渍混凝土的制备方法 使混凝土中空隙和裂缝被填充，是原来的多孔体系 变成较密实的整体，提高了强度和各项性能。 聚合物浸渍混凝土 聚合物浸渍混凝土由于良好的力学性能、 耐久性及抗腐蚀能力，主要用于受力的混 凝土及钢筋混凝土结构构件。 因浸渍工艺复杂、成本较高，混凝土构件 需要预制并且尺寸受到限制，因而主要在 特殊情况下使用。

10、 可作为高效能结构材料应用于特种工程，例如腐蚀 介质中的管、桩、柱、地面砖、海洋构筑物和路面、 桥面板，以及水利工程中对抗冲、耐磨、抗冻要求 高的部位。 也可应用于现场修补构筑物的表面和缺陷，以提高 其使用性能。 (2）、聚合物混凝土的制备方法 聚合物混凝土(PC)以聚合物（或单体）全部代替 水泥，作为胶结材料的聚合物混凝土。 常用一种或几种有机物及其固化剂、天然或人工集 料（石英粉、辉绿岩粉等）混合、成型、固化而成。 聚合物在此种混凝土中的含量为重量的825%。 与水泥混凝土相比,它具有快硬、高强和显著改善 抗渗、耐蚀、耐磨、抗冻融以及粘结等性能。 可现场应用于混凝土工程快速修补、地下管 线

11、工程快速修建、隧道衬里等，也可在工厂 预制。 (3）、聚合物水泥混凝土的制备方法 聚合物水泥混凝土以聚合物(或单体)和 水泥共同作为胶凝材料的聚合物混凝 土。 其制作工艺与普通混凝土相似，在加 水搅拌时掺入一定量的有机物及其辅 助剂，经成型、养护后，其中的水泥 与聚合物同时固化而成。 聚合物掺加量一般为水泥重量的 520%。使 用的聚合物一般为合成橡胶乳液。此外环氧 树脂及不饱和聚酯一类树脂也可应用。 由于聚合物的引入，聚合物水泥混凝土改进 了普通混凝土的抗拉强度、耐磨、耐蚀、抗 渗、抗冲击等性能，并改善混凝土的和易性。 可应用于现场灌筑构筑物、路面及桥面修补， 混凝土储罐的耐蚀面层，新老混凝

12、土的粘结 以及其他特殊用途的预制品。 7-4 先进的水泥基复合材料 n高强混凝土 n高性能混凝土 n无宏观缺陷水泥基材料 n均布超细颗粒致密体系 n活性粉末混凝土 1. 高强混凝土 我国通常将强度等级超过C50的混凝土称为 高强混凝土(HSC);抗压强度在100Mpa的称 为超高强混凝土(SHSC)。 混凝土强度类别，在不同的时代和不同的 国家有不同的概念和划分: 50年代以前, 30Mpa以上; 50年代，35Mpa以上; 60年代以来提高到4152Mpa； 目前：50Mpa以上。 1.1 1.1 高强混凝土的特点：高强混凝土的特点： 有效地减小结构自重；有效地减小结构自重； 大幅度提高混凝

13、土耐久性；大幅度提高混凝土耐久性； 减少掺料用量及建筑成本，降低生产、运减少掺料用量及建筑成本，降低生产、运 输和施工能耗。输和施工能耗。 例如：例如：60MPa60MPa取代取代35MPa35MPa的混凝土，的混凝土， 可节约混凝土可节约混凝土40%40%，自重减轻，自重减轻35%35%，钢筋，钢筋 混凝土的配筋率为混凝土的配筋率为6%6%时，可使用钢量减少时，可使用钢量减少 240kg/m240kg/m3 3. . 1.2 1.2 混凝土高强化的技术途径：混凝土高强化的技术途径： 1、从混凝土工程学角度 搅拌用水要少；浇筑捣实要充分；混凝土硬化 后要充分养护。 2、从材料学的方面 材料的组

14、成，内部结构及其对混凝土材料性能 （包括流动性，强度和耐久性）的影响； 考虑混凝土内部的界面结构与孔结构对强度与 耐久性的影响。 1.3 1.3 制备高强度水泥混凝土的技术路线制备高强度水泥混凝土的技术路线 优质的水泥 优质的骨料 超细矿粉 掺合料 高效减水剂 浇筑捣实养护 硬化混凝土 （低水灰比） （温、湿度） 坍落度损 失的控制 强度 耐久性 （高效率） 高流动性 1.4 1.4 高强混凝土配合比设计原则高强混凝土配合比设计原则 （1）水灰比宜小于0.35，对于80100MPa混 凝土宜小于0.30，对于100MPa以上混凝土宜 小于0.26，更高强度时取0.22左右。 （2）水泥用量40

15、0500 kg/m3 ,对于80MPa以 上混凝土可达500kg/m3，更高强度时也不宜 超过550 kg/m3 。应通过外加矿物掺合料来 控制和降低水泥用量。高强混凝土必须采用 优质水泥。 （3）选择高强度和低吸水率的碎石，最大 粒径不超过1520mm，并尽量排除针片状 石子。如混凝土强度等级不是很高可以放 宽到25mm，并尽量排除针片状石子。 （4）砂率可降低到0.3，甚至更低. （5）为改善工作性，必须掺加高效减水剂。 1.5 1.5 高强混凝土的应用高强混凝土的应用 日本：在60年代，在制桩和桥梁工程 广泛应用；美国在高层建筑中应用高 强混凝土； 我国近年来在铁路、公路、桥梁建设 中广

16、泛应用高效减水剂制造高强混凝 土，港口工程中应用高强混凝土制造 管柱、桩和管道等。 n黄石长江大桥 n红水河大桥（广西） n杨浦大桥 n九江长江大桥 n钢筋混凝土防护门 n日本高强混凝土桥梁 n美国高层建筑用高强混 凝土 n瑞典的Tjorn大桥 应用实例： 高强超轻陶粒混凝土 高强预应力混凝土管桩 2. 2. 高性能混凝土（HPCHPC） u建筑物越来越向着高层、超高层化、超大跨化方向建筑物越来越向着高层、超高层化、超大跨化方向 发展；发展； u各种严酷环境下使用混凝土结构也越来越多，如：各种严酷环境下使用混凝土结构也越来越多，如： 海上石油平台、跨海大桥，海底隧道，污水管道，海上石油平台、跨

17、海大桥，海底隧道，污水管道， 核废料容器，核反应堆外壳，盛有有害化学物的容核废料容器，核反应堆外壳，盛有有害化学物的容 器等；器等； u这些工程结构的特点是性能要求高，包括这些工程结构的特点是性能要求高，包括高强度、高强度、 高的耐久性和高的体积稳定性高的耐久性和高的体积稳定性，若要现场浇注施工，若要现场浇注施工， 要求水泥混凝土的要求水泥混凝土的流动性很高流动性很高。高性能混凝土高性能混凝土 （HPCHPC） u 高性能混凝土高性能混凝土是近年来混凝土工程界研究与应用是近年来混凝土工程界研究与应用 的最热点之一，被认为是有别于传统的普通混凝土的最热点之一，被认为是有别于传统的普通混凝土 的一

18、种新型水泥基材料。的一种新型水泥基材料。 2.1 2.1 高性能混凝土定义高性能混凝土定义 高性能混凝土一词是2020世纪9090年代提出的， 各国学者各有不同的看法，主要有： 1 1、法国、美国、加拿大等国家定义： HPCHPC应具有高强度、高耐久性，例如高体积 稳定性（高弹性模量、低干缩率和低的温度 应变）、高抗渗性高工作性。 2 2、日本学者认为高性能混凝土应具有将 高工作性、低温升、低干缩率、高抗渗性和 足够的强度，属于水胶比很低的混凝土家族。 3、1990 年 5 月在美国马里兰州 ，美国主办 的第一届高性能混凝土讨论会第一届高性能混凝土讨论会，高性能混凝 土被定义为： 靠传统的组分

19、和普通的拌和、浇注、养护方 法制备出的具有所要求的性能和匀质性的混 凝土，这些性能包括：易于浇注、捣实而不 离析；力学性能力学性能强，耐久性好；早期强度高 和体积稳定性好；在恶劣的使用条件下寿命 长。 也就是说高性能混凝土要求高的强度、高的 流动性、良好的体积稳定性与优异的耐久性。 4、我国定义：高性能混凝土为一种新型 高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝 土性能的基础上采用现代混凝土技术制作 的混凝土，是以耐久性作为设计的主要指 标，针对不同用途的要求，对下列性能有 重点的加以保证：耐久性、施工性、适用 性、强度、体积稳定性和经济性。 5、我国学者认为：高性能混凝土是一种 以耐久性和可持续发

20、展为基本要求并适合 工业化生产与施工的混凝土，是一种环保 型、节约型的绿色混凝土。 注意，高性能混凝土与高强混凝土不是一 个概念。高性能混凝土与高强混凝土并不 总是等同的。高性能混凝土不一定必须高 强，高强混凝土也不一定具有高性能。 2.2 HPC2.2 HPC的特点的特点 从目前实际应用的高性能混凝土的情况来 分析，归纳起来和传统的普通混凝土（简 称OPC）相比有以下几个特点： 1. 原材料上，除了常规的水泥、水、砂、 石四种材料外，必需使用化学外加剂和矿 物细掺料，一共是六种必不可少的材料， 而且后两种可以是一种也可以是多种复合， 这在选材上就要求与水泥具有良好的相容 性，多种的外加剂之间

21、（或细掺料之间） 要求合理匹配，使其具有叠加效应。 2. 配比上，为了适应高耐久、高强的要求， 使用的是低用水量（180kg/m3），低 水胶比（一般为0.280.40），控制胶结 材总量550kg/m3； 3. 性能上，具有高耐久性（抗渗、抗冻、 抗蚀、抗碳化、抗碱骨料反应，耐磨等）； 良好的施工性（大流动，可灌性、可泵性、 均匀性等）；良好的力学性能，早强后强 均高；良好的尺寸稳定性；合理的适用性 与经济性等。总之，具有良好的综合技术 性能，能满足各种工程结构的使用要求。 2.3 HPC2.3 HPC在国内外的研究与应用在国内外的研究与应用 （一）HPC在国外工程中的应用 美国西雅图双联广

22、场（美国西雅图双联广场（19881988年）就采用了抗压强年）就采用了抗压强 度达到度达到135MPa135MPa的高性能混凝土，是迄今为止在实的高性能混凝土，是迄今为止在实 际应用最典型实例；际应用最典型实例； 挪威的挪威的 Troll Troll 海洋采油（气）平台；海洋采油（气）平台； 日本的明石海峡大桥是国际上比较典型的高性能日本的明石海峡大桥是国际上比较典型的高性能 混凝土工程。混凝土工程。 加拿大多伦多的加拿大多伦多的ScotiaScotia广场大厦，建成于广场大厦，建成于19871987年，年， 所用的高性能混凝土掺入了硅灰和矿渣。所用的高性能混凝土掺入了硅灰和矿渣。 法国诺曼底

23、大桥法国诺曼底大桥 采用采用C60C60高性能混凝土。高性能混凝土。 吉隆坡的双塔大厦 高度452 m 纽约帝国大厦 高度374 m （二）HPC在国内工程中的应用 高性能混凝土在我国主要用于大跨度桥 梁、高层建筑、海洋平台、宇宙航天、 核能工程，军事防护，抗害防灾以及载 重大处于恶劣环境下的特殊结构中。 我国应用高性能混凝土的数量日益增多， 技术水平日益提高，可以设想今后我国 高性能混凝土的研究与应用会有一个更 大的发展。 我国上海的金茂大厦应 用的高性能混凝土强度 等级达到了 C60，并且 混凝土采用泵送施工， 泵送高度达到 382.5 米； 沈阳富林大厦（设计 C80，实际达到 C100

24、）、 辽宁物产大厦（C80）、 深圳地王大厦（C70） 等，都是高性能混凝土 应用的典范。 高性能混凝土的工程应用 1. 水电建设 2.高速铁路 3. 大型桥梁 4. 核电 5. 水利工程 预应力钢筒混凝土管 PCCP 3. 3. 无宏观缺陷水泥基材料（MDFCMDFC） 主要组成材料：水泥、硅灰、水溶性聚合物、 少量水和高效减水剂。 制备工艺：使用特殊的搅拌工艺和热压成型， 克服硬化体中出现大孔隙和粗大晶体等缺陷。 结构致密，孔隙率低，孔径小，无宏观缺陷。 性能：具有极高的强度指标，抗压强度 200500 MPa，抗拉强度 50200MPa，断 裂韧性 3 MPa.m1/2，弹性模量 255

25、0GPa。 应用实例：2020世纪8080年代初，英国帝国公司与牛 津大学合作，首先研制成功无宏观缺陷（MDFMDF） 水泥，它是在非常低的水灰比（0.10.150.10.15）下， 经高速剪切搅拌并用压力成型制成。 无宏观缺陷水泥目前用于注模机器中的热绝缘片， 代替铝材制作轻质热绝缘板及太阳能小汽车外壳 等，日本的一家公司将无宏观缺陷水泥成功用于 装饰板材以替代抛光的大理石等，在声学、电学、 防护用品等方面的也有应用。 无宏观缺陷水泥的最大缺点：耐水性不好，同时 其成本高昂，不能现场浇注成型，严重影响到它 的大规模应用。 4. 4. 均布超细颗粒致密体系（DSPDSP） 上世纪7070年代初

26、，随着高效减水剂的出, ,由丹 麦的 Aalborg PortlandAalborg Portland公司开发制作了均 布超细颗粒致密体系（DSPDSP）的材料。 组成：由70%-80%70%-80%水泥，20%-30%20%-30%平均粒径为 0.1m0.1m的硅灰和超塑化剂。 成型工艺：在专门的搅拌机内充分拌匀后， 采用浇注、加压或挤压成型，再高温蒸养或 蒸压养护，超细颗粒均匀分布并填充在紧密 堆积的水泥颗粒之间的空隙中，从而形成高 致密的物料体系。 性能：材料内部密实填充，没有大孔，很少的毛细孔， 收缩率低，孔分布合理；抗压强度180-300MPa， 抗弯强度 15-40MPa，弹性模量

27、30-80GPa，断裂 韧性0.5MPa.m1/2。 应用：均布超细颗粒致密体系已在腐蚀介质的表面保 护层中得到应用，甚至在工业中已被用做工程 零部件，如螺丝刀、连杆、水泥磨的喂料装置 和生产车床的冲压模具等，并在某些领域有可 能替代铸石、橡胶及钢材。 缺陷：成本高昂，无法现场浇注成型，高脆性。 5. 5. 活性粉末混凝土（RPCRPC） 活性粉末混凝土组成： 以磨细石英砂、纲纤维、硅灰、高效减水剂、水 泥为主要组成材料，这种材料充分发挥硅灰的填充 效应和火山灰效应，在高温条件下激发石英粉的活 性，并利用钢纤维的复合作用，从而使材料达到高 强度和高韧性的目的。 力学性能： 抗压强度可以达到 2

28、00800MPa；抗弯强度 30 150 MPa；断裂能为120040000J.m1/2； 弹性模量 50 70 GPa。 活性粉末混凝土的基本特点： 1 1）水胶比低，强度高，韧性好； 2 2）无粗集料，材料匀质性高。然而作为廉 价性优、用量最大的粗集料被剔除后，活性粉末 混凝土原材料成本昂贵； 3 3）成型条件要求高：为保证强度，混凝土 采用热压成型，成型工艺复杂，更主要的是，无 法在施工现场成型，必须先预制成型，成本增加； 4 4）后期需要热养护或蒸压养护，增加成本。 缺点： 制作工艺复杂，成本高。 应用： 国内外虽有工程应用，但要大量应用于建 筑工程中，活性粉末混凝土仍然有非常大 的局

29、限性。 此外，不用热压技术，而用通用工艺制成 的，无钢纤维、常温养护的活性粉末混凝 土，其强度级别较低，约在 100150MPa 之间。 超高性能混凝土 2012年3月初，据来自国内外媒体的信息，伊朗已 经研制出被称为“智能混凝土”的世界最强混凝土， 可抵御地震，也可抵钻地炸弹。 UHPC的基本原料和普通的混凝土一样，都是沙子和 水泥。但UHPC中还配有石英砂及各种加固材料和纤 维。这种石英砂不同于其他大量混有沙子的石英砂， 纯度高达100%。哈马丹布-阿里大学的穆哈穆德尼 力教授（Mahmoud Nili）在UHPC中配入了聚丙烯纤 维和石英粉，使其韧性大大提高，抗爆能力比普通混 凝土高出数倍。 伊核朗设施由智能混凝土制造 美国的钻地导弹 本章结束！ 混凝土、 纤维增强水泥基复合材料、 聚合物水泥基复合材料。 按照增强体的种类分类： 7-2 水泥基复合材料的种类及基本性能 聚合物作用：增韧、增塑、填孔和固化 聚合物混凝土 聚合物浸渍混凝土 聚合物水泥混凝土 (1)聚合物浸渍混凝土 将已硬化的混凝土构件，浸入聚合物单体或预聚体溶 液中使其渗入空隙，通过加热聚合、固化形成聚合物 填充。提高密度、强度和韧性。 (2)聚合物混凝土 聚合物完全取代水泥，作为集料