水泥基复合材料

1、1第八章第八章 水泥基复合材料水泥基复合材料 n8.1水泥概述水泥概述n 1、水泥的定义和分类：、水泥的定义和分类：n 凡细磨成粉末状，加入适量水后成为塑性浆体，既能在空凡细磨成粉末状，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。料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，通称为水泥。n 通用水泥：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水通用水泥：硅酸盐水泥、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。泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸

2、盐水泥。n 专用水泥：油井水泥、砌筑水泥。专用水泥：油井水泥、砌筑水泥。n 特性水泥：快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、抗硫特性水泥：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、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。铝酸盐水泥、硫铝盐水泥、氟铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等。 22、水泥的制造方法和主要成分 3n3、水泥的强度和硬化、水泥的强度和硬化n 向水泥中加水充分搅拌后，逐渐凝固的过程叫做凝结。再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

3、过程叫做硬化。经一段时间凝固就更加强固，该过程叫做硬化。n 普通水泥凝结过程是几个小时，而硬化过程普通水泥凝结过程是几个小时，而硬化过程180天后还在天后还在继续着。继续着。n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。占据了硬化物的主体。n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水泥硬化的条件：水泥硬化的条件：n原料配比：最重要的是水与水泥（原料配比：最重要的是水与水泥（W / C）比。）比。 4标准水泥的原料配比 5n2）搅拌：）搅拌：n3)养生：

4、凝结、硬化的过程中，在达到某种程养生：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。湿度，不要施加冲击及过度的负荷。 6n水泥强化的方法：水泥强化的方法： n1) 改善水泥浆自身强度；尽量缩小空隙，包改善水泥浆自身强度；尽量缩小空隙，包括降低括降低W/C比、提高流动性、聚合物浸渍和结比、提高流动性、聚合物浸渍和结合等。合等。n2) 骨料与水

5、泥浆界面的强化；骨料与水泥浆界面的强化；n3）最佳骨料的选择。包括选择高强度骨料、）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小粒径骨料和短纤维补强等。 7n8.2水泥复合材料水泥复合材料n8.2.1混凝土混凝土n 由胶凝材料、水和粗细骨料按适当比例拌和由胶凝材料、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。可分轻质混凝土、均匀，经浇捣成型后硬化而成。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。防水混凝土、耐热混凝土和防辐射混凝土等。n 混凝土拌和物可浇制成各种形状的构件；混混凝土拌和物可浇制成各种形状的构件；混凝土与钢筋有良好的粘结力，可制成钢筋混凝土

6、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。和予应力钢筋混凝土。 8混凝土的构成 9n8.2.2纤维增强水泥复合材料纤维增强水泥复合材料n1 、复合材料的组成：增强剂、复合材料的组成：增强剂 短纤维；短纤维；n基体基体硅酸盐水泥、调凝水泥及高铝矿渣水泥等硅酸盐水泥、调凝水泥及高铝矿渣水泥等n填料填料 沙、粉煤灰等。沙、粉煤灰等。10n2 、影响材料性能的因素：、影响材料性能的因素：n1) 基体的性能：水泥基体不仅是传递应力载荷，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。而且是受力的主体。n纤维与基体水泥间的相互作用：纤维与基体水泥间的相互作用：n（1）当纤维间

7、距大于或等于两倍界面层厚度时，）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，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，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。对界面产生强化效应。 11n（2）纤维间距对界面层的影响与纤维）纤维间距对界面层的影响与纤维/骨料间骨料间距改变对界面层的影响具有一致的规律性和同距改变对界面层的影响具有

8、一致的规律性和同类性，诸界面层在基体水泥中将有双重界面随类性，诸界面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求，界面层，尤其是界面最薄弱层的强化效应就会发生。就会发生。 12n（3）纤维间距改变对界面层性状的影响与对界面）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力学性能的影响具有相同的规律性 。当纤维间距。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小于两倍界面层厚度时，

9、界面诸力学性能均有不同程度的提高。程度的提高。n纤维与基体在热膨胀系数上的匹配：利用纤维与基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。复合材料的性能是有好处的。 13n纤维与基体在弹性模量上的匹配：当复合材料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，的应变达到纤维或基

10、体中比较小的那个应变时，只有只有Ef Em ，纤维才可分担复合材料中更多，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的负荷水平。所以要求选用的纤维具有较高的弹性模量。弹性模量。n性能：纤维的掺入可显著地提高混凝土的极限性能：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。裂性和抗冲击能力。14n聚合物改性混凝土聚合物改性混凝土n 对混凝土最基本力学性能的改善要借助于向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。中掺加外掺剂，在大多数情况下是

11、掺加聚合物。n主要有三种形式：主要有三种形式：n一是聚合物浸渍混凝土；一是聚合物浸渍混凝土；n二是聚合物混凝土；二是聚合物混凝土；n三是聚合物水泥混凝土。三是聚合物水泥混凝土。 15n聚合物浸渍混凝土：聚合物浸渍混凝土：n 把成型的混凝土构件通过干燥及抽真空的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。这样聚合物就填充得单体聚合成聚合物结构。

12、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。使其性能得到了改善。16n聚合物混凝土：聚合物混凝土：n以聚合物为结合料与砂石等骨料形成混凝土。大部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，多用于比拟的特殊性质，如速凝等，但价格

13、昂贵，多用于特殊用途，如抢修等。特殊用途，如抢修等。 17n聚合物水泥混凝土：聚合物水泥混凝土：n在水泥混凝土成型过程中掺入一定量的聚合物，从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：抗折强度提高，抗而改善混凝土的性能其优点是：抗折强度提高，抗压强度提高，抗压强度压强度提高，抗压强度/抗折强度的比值减小；刚抗折强度的比值减小；刚性或脆性降低，变形能力增大；耐久性与抗侵蚀能性或脆性降低，变形能力增大；耐久性与抗侵蚀能力有一定程度的提高；有良好的粘结性，适于修补力有一定程度的提高；有良好的粘结性，适于修补工程；制备工艺不变，成本相对低。工程；制备工艺不变，成本相对低。

14、18n8.3水泥复合材料的成型工艺水泥复合材料的成型工艺n8.3.1混凝土的配合比设计及成型工艺控制混凝土的配合比设计及成型工艺控制n在组成材料已定的条件下，决定混凝土各项性能的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。则主要是各组成材料之间的相对比例。n 1）选择水泥品种，确定混凝土试配强度；）选择水泥品种，确定混凝土试配强度；n 2）确定水灰比；）确定水灰比；n 3）选取用水量，计算水泥用量；）选取用水量，计算水泥用量；n 4）选取砂率；）选取砂率；n 5）计算砂石用量。）计算砂石用量。19n8.3.2钢筋混凝土的成型工艺钢筋混凝土的成型工艺n钢筋混凝土

15、结构提高了抗弯及拉伸强度。支撑更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。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不改变混凝土的成分，可以用物理力来改善混凝土自身的强度。基本做法是预先向混凝土硬化体土自身的强度。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增加了抵抗力，起到了提高抗弯及抗拉强度的作用。用。 20n8

16、.3.3纤维增强水泥的成型工艺纤维增强水泥的成型工艺 n1、直接喷射法、直接喷射法 n直接喷射法是目前最常用的成型方法。其关键是玻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璃纤维的均匀分布以及喷射砂浆的脱泡和厚度的均匀性。匀性。n用这种方法，纤维在二维方向无规配向。因此，在用这种方法，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，设备费用较便宜用性也最大，设备费用较便宜 21直接喷射法示意图 22n2、喷射脱水法、喷射脱水法n这种方法是将玻璃纤维增强水泥喷射到一个

17、常有这种方法是将玻璃纤维增强水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。射脱水过程可通过机械化很容易进行连续操作。 23连续喷射脱水法示意图 24n3、预混料浇铸法 n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

18、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。 25n4、压力法、压力法n 预混料注入到模具后，加压除去剩余水分，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及时脱模，可以提高生产率，并能获得良好的表面精度。精度。n5、离心成型法、离心成型法 n 在旋转的管状模具中喷入玻璃纤维和水泥浆，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，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，而且在厚使它能有效地作用到管子的结构强度上，而且在厚度方

19、向上可以改变纤维量。度方向上可以改变纤维量。 26n6、抄造法、抄造法n 大多数石棉板几乎都是用圆网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。（以发明者命名的）制造的。n现用玻璃纤维代替石棉以避免公害。在使用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。程度的砂浆和石棉作为内部过滤材料。 这这种方法适合于成型较厚的板状制品

20、。种方法适合于成型较厚的板状制品。 27n8.3.4聚合物改性水泥混凝土的成型工艺聚合物改性水泥混凝土的成型工艺n 1、水泥混凝土中聚合物结构形成过程以乳、水泥混凝土中聚合物结构形成过程以乳液形式掺加到水泥混凝土中的聚合物，在水泥混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，聚合物乳液颗粒会相当均匀地凝土搅拌均匀后，聚合物乳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。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所结合，乳液中的聚合物颗粒会相互

21、融合连接在一起。随着水分的不断减少，聚合物在水泥中形一起。随着水分的不断减少，聚合物在水泥中形成结构。成结构。28n将这一结构形成过程分为三个阶段。第一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，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，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达到饱和状态。同时聚合物颗粒沉积在凝胶颗粒表面。第二阶段：随着水化的进一胶颗粒表面。第二阶段：随着水化的进一步进行，聚合物颗粒絮凝在一起。水化凝步进行，聚

22、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颗粒的表面及水泥水化凝胶与水泥颗粒混合物的表面。合物的表面。 29n因此，混合物中的较大空隙被有粘结性的聚合物填充。在因此，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。第二阶段：由于水化的不断进行，凝聚在一起的学反应。第二阶段：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聚合物颗粒之间的水分逐渐被全部吸收到水化过程的化

23、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。泥的结构形态。 30n8.4（钢筋混凝土）纤维（钢筋混凝土）纤维 / 基体的界面基体的界面n 一般来讲，钢筋混凝土中纤维一般来讲，钢筋混凝土中纤维 / 基体的界面具有比基基体的界面具有比基体大的水灰比，易形成较厚的水膜层，即界面薄弱层。体大的水灰比，易形成较厚的水膜层，即界面薄弱层。n 改善界面性能的途径：关键在于提高最薄弱点（弱谷）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。的显微硬度及减小过渡环的范围。n 1、降低水灰比和使用减水剂：这是减小水膜层的厚度，、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。改善过渡环的主要措施。n 2、掺入硅灰：界面区的显微硬度随硅灰掺入量的增加、掺入硅灰：界