第8章 水泥基复合材料

1、18.1 水泥水泥8.2 水泥基复合材料的种类和性能水泥基复合材料的种类和性能8.3 水泥基复合材料的成型工艺水泥基复合材料的成型工艺8.4 纤维纤维/基体的界面基体的界面8.5 调温节能混凝土调温节能混凝土8.6其他水泥基复合材料其他水泥基复合材料2（Cement matrix composites） 由水硬性胶凝材料水泥与水发生水化、由水硬性胶凝材料水泥与水发生水化、硬化后形成的硬化水泥浆体为基材与各硬化后形成的硬化水泥浆体为基材与各种无机材料、金属、有机材料或其中两种种无机材料、金属、有机材料或其中两种或所有三种材料组成或所有三种材料组成 。3一、水泥的定义和分类一、水泥的定义和分类 1

2、、定义、定义 凡细磨成粉末状，加入适量水后成为凡细磨成粉末状，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，通牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，通称为水泥。称为水泥。 42、水泥强化的方法、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、聚合物浸渍和结合等。比、提高流动性、聚合物浸渍和结合等。 2） 骨料与水泥浆界面的强化；骨料与水泥浆界面的强化； 3）最佳骨料的选择，

3、包括选择高强度骨料、小粒径骨）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。料和短纤维补强等。5一、混凝土一、混凝土 由胶凝材料、水和粗由胶凝材料、水和粗细骨料按适当比例拌细骨料按适当比例拌和均匀，经浇捣成型和均匀，经浇捣成型后硬化而成后硬化而成6二、纤维增强水泥基复合材料二、纤维增强水泥基复合材料 1、复合材料的组成、复合材料的组成 增增 强强 剂剂 短短 纤纤 维；维； 基体基体硅酸盐水泥、调凝水泥及高铝硅酸盐水泥、调凝水泥及高铝矿渣水泥等；矿渣水泥等； 填填 料料 沙、粉煤灰等。沙、粉煤灰等。7二、纤维增强水泥基复合材料二、纤维增强水泥基复合材料 1、复合材料的组成、复合

4、材料的组成 2、影响纤维增强水泥基复合材料性能、影响纤维增强水泥基复合材料性能的因素的因素 （1）基体的性能）基体的性能 水泥基体不仅是传递应力载荷，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。8二、纤维增强水泥基复合材料二、纤维增强水泥基复合材料 1、复合材料的组成、复合材料的组成 2、影响材料性能的因素、影响材料性能的因素 （1）基体的性能）基体的性能 （2）纤维与基体水泥基体间的相互作用）纤维与基体水泥基体间的相互作用 纤维间距大于或等于两倍界面层厚度时，各纤维的界面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；当纤维间距小于层将保

5、持自身形状，互无干扰和影响；当纤维间距小于两倍界面层厚度时，界面层相互交错、搭接，产生叠加两倍界面层厚度时，界面层相互交错、搭接，产生叠加效应，对界面产生强化效应效应，对界面产生强化效应.9二、纤维增强水泥基复合材料二、纤维增强水泥基复合材料 2、影响材料性能的因素、影响材料性能的因素 （2）纤维与基体水泥基体间的相互作用）纤维与基体水泥基体间的相互作用 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/骨料间距改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变对界面层的影响具有一致的规律性和同类性，诸界，诸界面层在水泥基体将有双重界面随机强化效应，只要纤面层在水泥基体将有双重界面

6、随机强化效应，只要纤维、砂粒空间随机间距小于两倍界面层厚度，混合料维、砂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。的强化效应就会发生。 10 纤维间距改变对界面层性状的影响与对界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均有不同程度的提高。而当纤维间距大于两倍而当纤维间距大于两倍界面厚度时，对诸界面力学行为均无明显影

7、响。界面厚度时，对诸界面力学行为均无明显影响。11二、纤维增强水泥基复合材料二、纤维增强水泥基复合材料 2、影响材料性能的因素、影响材料性能的因素 （3）纤维与基体在热膨胀系数上的匹配）纤维与基体在热膨胀系数上的匹配 纤维的热膨胀系数大于基体的热膨胀系数纤维的热膨胀系数大于基体的热膨胀系数？在基体中引入压应力。在基体中引入压应力。 （4）纤维与基体在弹性模量上的匹配）纤维与基体在弹性模量上的匹配 纤维具有较高的弹性模量纤维具有较高的弹性模量？ 当复合材料的应变达到基体中比较小的那个应变时，当复合材料的应变达到基体中比较小的那个应变时，只有只有EfEm时，纤维才可能分担整个复合材料中更多的负时，

8、纤维才可能分担整个复合材料中更多的负荷水平。所以，如果荷水平。所以，如果EfEm时，所得复合材料强度不大可时，所得复合材料强度不大可能大于基体本身的原有强度。要求选用纤维具有较高的弹能大于基体本身的原有强度。要求选用纤维具有较高的弹性模量是必须的。性模量是必须的。12 （5）性能）性能 纤维的加入，可显著改善混凝土的极限变纤维的加入，可显著改善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。使用分散短纤维的增强裂性和抗冲击能力。使用分散短纤维的增强效果比连续长纤维的效果差。效果比连续长纤维的效果差。13对水泥混凝土改良的途径，对水泥混

9、凝土改良的途径， 改变水泥性质，混凝土配比，改变水泥性质，混凝土配比， 添加纤维材料、添加纤维材料、外加剂等措施来改良其性能，或使其满足工程特外加剂等措施来改良其性能，或使其满足工程特殊需要。殊需要。 但是对混凝土最基本的力学性能（刚度大、但是对混凝土最基本的力学性能（刚度大、柔性小，抗压强度远大于抗拉强度）的改善，降柔性小，抗压强度远大于抗拉强度）的改善，降低其刚性，提高其韧性，降低抗压抗拉强度比值，低其刚性，提高其韧性，降低抗压抗拉强度比值，在大多数情况下是掺加聚合物。在大多数情况下是掺加聚合物。14聚合物用于水泥混凝土主要有三种方式：聚合物用于水泥混凝土主要有三种方式： 聚合物浸渍混凝土

10、，聚合物混凝土，聚合物聚合物浸渍混凝土，聚合物混凝土，聚合物水泥混凝土水泥混凝土15三、聚合物改性混凝土三、聚合物改性混凝土 1、聚合物浸渍混凝土、聚合物浸渍混凝土 16 聚合物浸渍混凝土实验结果表明：聚合物浸渍混凝土实验结果表明： 抗压强度可提高抗压强度可提高3 倍，抗拉强度提高近倍，抗拉强度提高近3倍，弹倍，弹性模量可提高性模量可提高1倍，抗破裂模量可增加近倍，抗破裂模量可增加近3倍，抗折倍，抗折弹性模量可增加弹性模量可增加50%，弹性变形减少，弹性变形减少10倍，硬度增倍，硬度增加超过加超过70%，渗水性几乎变为，渗水性几乎变为0，吸水性大大降低。，吸水性大大降低。17三、聚合物改性混凝

11、土三、聚合物改性混凝土 1、聚合物浸渍混凝土、聚合物浸渍混凝土 18 聚合物浸渍混凝土由于其良好的力学性能，耐久聚合物浸渍混凝土由于其良好的力学性能，耐久性及抗浸蚀能力，主要用于受力的混凝土及钢筋混性及抗浸蚀能力，主要用于受力的混凝土及钢筋混凝土结构构件，和对耐久性及抗浸蚀性要求较高的凝土结构构件，和对耐久性及抗浸蚀性要求较高的地方。如混凝土船体、近海钻井混凝土平台等。地方。如混凝土船体、近海钻井混凝土平台等。 但由于聚合物浸渍混凝土工艺复杂，成本较高，但由于聚合物浸渍混凝土工艺复杂，成本较高，混凝土构件需要预制并且构件尺寸受到限制，因而混凝土构件需要预制并且构件尺寸受到限制，因而主要用于特殊

12、场合。主要用于特殊场合。19三、聚合物改性混凝土三、聚合物改性混凝土 2、聚合物混凝土、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。大多数情以聚合物为结合料与砂石等骨料形成混凝土。大多数情况下是把聚合物的单体与骨料拌和，通过单体聚合把骨料结合况下是把聚合物的单体与骨料拌和，通过单体聚合把骨料结合在一起，形成整体。同普通混凝土一样可用预制或现浇的方法在一起，形成整体。同普通混凝土一样可用预制或现浇的方法施工。其具有良好的力学性能、耐久性及某些普通混凝土无法施工。其具有良好的力学性能、耐久性及某些普通混凝土无法比拟的性能（如速凝等），所以大部分情况下用于抢修等特殊比拟的性能（如速凝等），

13、所以大部分情况下用于抢修等特殊用途，也可以用于喷射混凝土。用途，也可以用于喷射混凝土。据报道，据报道，10-15mm聚甲基丙烯聚甲基丙烯酸甲酯（酸甲酯（PMMA）喷射混凝土的强度可达）喷射混凝土的强度可达700MPa20 所用聚合物主要有环氧树脂、尿醛树脂、糠醛所用聚合物主要有环氧树脂、尿醛树脂、糠醛树脂、聚合物链上接有苯乙烯的聚酯等。树脂、聚合物链上接有苯乙烯的聚酯等。 由于混凝土的结合完全靠聚合物，由于混凝土的结合完全靠聚合物，所以聚合物用所以聚合物用量很大，一般多达量很大，一般多达8%左右左右，因此聚合物混凝土的价，因此聚合物混凝土的价格昂贵，目前还不能用于普通建筑工程，多用于特格昂贵，

14、目前还不能用于普通建筑工程，多用于特殊工程。殊工程。21三、聚合物改性混凝土三、聚合物改性混凝土 3、聚合物水泥混凝土、聚合物水泥混凝土 是一种以聚合物替代部分水泥材料，与是一种以聚合物替代部分水泥材料，与水泥材料共同作为胶凝材料的水泥基复合水泥材料共同作为胶凝材料的水泥基复合材料材料 。也称为。也称为 聚合物改性水泥混凝土聚合物改性水泥混凝土。222324三、聚合物改性混凝土三、聚合物改性混凝土 3、聚合物水泥混凝土、聚合物水泥混凝土 与普通水泥混凝土相比，与普通水泥混凝土相比，聚合物胶乳水泥砂浆的聚合物胶乳水泥砂浆的弯曲强度提高显著而弯曲强度提高显著而压缩强度没有明显的改压缩强度没有明显的

15、改善。抗压善。抗压/ /抗拉值降低。抗拉值降低。刚性降低，变形能力增刚性降低，变形能力增大，这对许多工程有利。大，这对许多工程有利。25 三、聚合物改性混凝土三、聚合物改性混凝土 3、聚合物水泥混凝土、聚合物水泥混凝土 与普通水泥混凝土相比，与普通水泥混凝土相比，聚合物胶乳水泥混凝土对聚合物胶乳水泥混凝土对各种基底的粘结强度大大各种基底的粘结强度大大改善。所以特别适合于破改善。所以特别适合于破损混凝土的修补工程。损混凝土的修补工程。26三、聚合物改性混凝土三、聚合物改性混凝土 3、聚合物水泥混凝土、聚合物水泥混凝土 与普通水泥混凝土相比，与普通水泥混凝土相比，聚合物胶乳水泥混凝土的聚合物胶乳水

16、泥混凝土的抗冻性能有较明显的改善。抗冻性能有较明显的改善。抗浸蚀能力和耐久性有一抗浸蚀能力和耐久性有一定程度的提高定程度的提高。27 聚合物改性水泥混凝土的改性效果，尤其对力学聚合物改性水泥混凝土的改性效果，尤其对力学性能的改善不如聚合物浸渍混凝土的改性效果明显。性能的改善不如聚合物浸渍混凝土的改性效果明显。并且采用的聚合物不同，改性效果也不相同。但由并且采用的聚合物不同，改性效果也不相同。但由于其工艺简单，使用方便，采用预掺聚合物来改性于其工艺简单，使用方便，采用预掺聚合物来改性水泥混凝土得到越来越广泛的使用，并且可能将来水泥混凝土得到越来越广泛的使用，并且可能将来在水泥混凝土这一建筑领域起

17、非常重要的作用。在水泥混凝土这一建筑领域起非常重要的作用。28聚合物以不同形态用于水泥砂浆或水泥混凝土改性，聚合物以不同形态用于水泥砂浆或水泥混凝土改性，改性效果虽然与聚合物形态有一定的关系，但主要改性效果虽然与聚合物形态有一定的关系，但主要取决于聚合物（聚合物颗粒团聚或聚合物单体的聚取决于聚合物（聚合物颗粒团聚或聚合物单体的聚合）与水泥浆体形成的整体结构状态。合）与水泥浆体形成的整体结构状态。 2930使用最广泛的是聚合物乳液。使用最广泛的是聚合物乳液。 用聚合物乳液改性是在水泥砂浆或者水泥混凝土拌合成型用聚合物乳液改性是在水泥砂浆或者水泥混凝土拌合成型时拌入（大多数情况下是胶乳与水先拌合然

18、后再与集料拌合）时拌入（大多数情况下是胶乳与水先拌合然后再与集料拌合）聚合物乳液在水泥混凝土凝结硬化过程中脱水在混凝土中形聚合物乳液在水泥混凝土凝结硬化过程中脱水在混凝土中形成结构，并可能影响水泥的水化过程及水泥混凝土的结构，成结构，并可能影响水泥的水化过程及水泥混凝土的结构，从而对水泥砂浆或水泥混凝土的性能起到改善作用，聚合物从而对水泥砂浆或水泥混凝土的性能起到改善作用，聚合物可能是单聚体、双聚体或多聚体。聚合物乳液中包含聚合物、可能是单聚体、双聚体或多聚体。聚合物乳液中包含聚合物、乳化剂、稳定剂等，固体含量一般在乳化剂、稳定剂等，固体含量一般在40-50%。3132 粉末胶乳改性方法粉末胶

19、乳改性方法是在混凝土拌合过程是在混凝土拌合过程中加入干乳胶粉末，在混合料与水拌合后，干胶乳中加入干乳胶粉末，在混合料与水拌合后，干胶乳粉末遇水变成乳液，在水泥混凝土凝结硬化过程中粉末遇水变成乳液，在水泥混凝土凝结硬化过程中乳液再一次脱水，聚合物颗粒在混凝土中形成聚合乳液再一次脱水，聚合物颗粒在混凝土中形成聚合物结构，从而与聚合物乳液的作用过程相似，对水物结构，从而与聚合物乳液的作用过程相似，对水泥混凝土起改性作用。泥混凝土起改性作用。33 水溶性聚合物水溶性聚合物 如如 纤维素衍生物及聚乙烯纤维素衍生物及聚乙烯等，在水泥混凝土拌合过程中少量加入，由于其属等，在水泥混凝土拌合过程中少量加入，由于

20、其属表面活性物质，可用来改善水泥混凝土的工作性。表面活性物质，可用来改善水泥混凝土的工作性。实际上起减水剂的作用，从而对混凝土的性能也有实际上起减水剂的作用，从而对混凝土的性能也有一定的改性作用一定的改性作用。34 液体树脂液体树脂：是是在水泥混凝土拌合过程中加在水泥混凝土拌合过程中加入热固性的预聚体或半聚物液体，在水泥硬化过程入热固性的预聚体或半聚物液体，在水泥硬化过程中进一步聚合，使全部聚合完成，聚合物结构在水中进一步聚合，使全部聚合完成，聚合物结构在水泥混凝土中形成，从而改善混凝土性能。泥混凝土中形成，从而改善混凝土性能。 聚合物单体改性聚合物单体改性是在水泥砂浆或水泥混凝是在水泥砂浆或

21、水泥混凝土拌合过程中加入聚合物单体，聚合全过程在水泥土拌合过程中加入聚合物单体，聚合全过程在水泥凝结硬化过程中形成。凝结硬化过程中形成。35一、混凝土的配合比设计及成型工艺控制一、混凝土的配合比设计及成型工艺控制 36一、混凝土的配合比设计及成型工艺控制一、混凝土的配合比设计及成型工艺控制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；525#水泥，试配强度水泥，试配强度37一、混凝土的配合比设计及成型工艺控制一、混凝土的配合比设计及成型工艺控制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；2、确定水灰比；、确定水灰比；Rc-水泥实际强度，

22、水泥实际强度，R28强度强度=R混凝土施工配制抗压强度混凝土施工配制抗压强度 38一、混凝土的配合比设计及成型工艺控制一、混凝土的配合比设计及成型工艺控制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；2、确定水灰比、确定水灰比；3、选取用水量，计算水泥用量；、选取用水量，计算水泥用量；4、选取砂率（、选取砂率（Sp%）；）； SpS/(S+G) 100%39一、混凝土的配合比设计及成型工艺控制一、混凝土的配合比设计及成型工艺控制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；2、确定水灰比；、确定水灰比；3、选取用水量，计算水泥用量；、选取

23、用水量，计算水泥用量；4、选取砂率；、选取砂率；5、计算砂石用量。、计算砂石用量。 体积法（绝对体积法）体积法（绝对体积法） 质量法（假定容积密度法）质量法（假定容积密度法）40二、钢筋混凝土的成型工艺二、钢筋混凝土的成型工艺41二、钢筋混凝土的成型工艺二、钢筋混凝土的成型工艺42三、纤维增强水泥的成型工艺三、纤维增强水泥的成型工艺 1、直接喷射法、直接喷射法43三、纤维增强水泥的成型工艺三、纤维增强水泥的成型工艺 1、直接喷射法、直接喷射法44三、纤维增强水泥的成型工艺三、纤维增强水泥的成型工艺 1、直接喷射法、直接喷射法 2、喷射脱水法、喷射脱水法45三、纤维增强水泥的成型工艺三、纤维增强

24、水泥的成型工艺 1、直接喷射法、直接喷射法 2、喷射脱水法、喷射脱水法46三、纤维增强水泥的成型工艺三、纤维增强水泥的成型工艺 1、直接喷射法、直接喷射法 2、喷射脱水法、喷射脱水法 3、预混料浇铸法、预混料浇铸法4748三、纤维增强水泥的成型工艺三、纤维增强水泥的成型工艺 1、直接喷射法、直接喷射法 2、喷射脱水法、喷射脱水法 3、预混料浇铸法、预混料浇铸法 4、压力法、压力法 预混料注入到模具中后，加压除去剩余水分，预混料注入到模具中后，加压除去剩余水分，及时脱模，可以提高生产效率，并能获得良好的及时脱模，可以提高生产效率，并能获得良好的表面尺寸精度表面尺寸精度 5、离心成型法、离心成型法

25、49三、纤维增强水泥的成型工艺三、纤维增强水泥的成型工艺 1、直接喷射法、直接喷射法 2、喷射脱水法、喷射脱水法 3、预混料浇铸法、预混料浇铸法 4、压力法、压力法5、离心成型法、离心成型法 与混凝土的离心成型相同，在旋转的管状模具中与混凝土的离心成型相同，在旋转的管状模具中喷入玻璃纤维和水泥浆，该法能够控制纤维的方向喷入玻璃纤维和水泥浆，该法能够控制纤维的方向性，使他有效的作用到管子的结构强度上，而且在性，使他有效的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。厚度方向上可以改变纤维量。50四、聚合物改性水泥混凝土的成型工艺四、聚合物改性水泥混凝土的成型工艺 1、水泥混凝土中聚合物

26、结构形成过程、水泥混凝土中聚合物结构形成过程51 以乳液形式掺加到水泥混凝土中的聚合物，在水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，聚合物乳液颗粒会相当均匀泥混凝土搅拌均匀后，聚合物乳液颗粒会相当均匀的分布在水泥混凝土体系中，形成水泥基复合材料。的分布在水泥混凝土体系中，形成水泥基复合材料。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。结合，乳液中的聚合物颗粒会相互融合连接在一起。52四、聚合物改性水泥混凝土的成型工艺四、聚合物改性水泥混凝土的成型工艺 1、水泥混凝土中聚合物结构形成过

27、程、水泥混凝土中聚合物结构形成过程Ohama模型模型第一阶段：第一阶段：聚合物水泥浆体、水泥凝胶聚合物水泥浆体、水泥凝胶形成，液相中的形成，液相中的Ca(OH)Ca(OH)2 2达到达到饱和状态。同时聚合物颗粒饱和状态。同时聚合物颗粒沉积在凝胶颗粒表面沉积在凝胶颗粒表面。53四、聚合物改性水泥混凝土的成型工艺四、聚合物改性水泥混凝土的成型工艺 1、水泥混凝土中聚合物结构形成过程、水泥混凝土中聚合物结构形成过程Ohama模型模型第二阶段：第二阶段：聚合物颗粒絮凝在一起。聚合物颗粒絮凝在一起。水化凝胶的表面形成聚合水化凝胶的表面形成聚合物密封层物密封层54四、聚合物改性水泥混凝土的成型工艺四、聚合

28、物改性水泥混凝土的成型工艺 1、水泥混凝土中聚合物结构形成过程、水泥混凝土中聚合物结构形成过程Ohama模型模型第三阶段：第三阶段：聚合物颗粒之间的水分逐渐被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融化在一起形成连续的聚合物网状结构网状结构55四、聚合物改性水泥混凝土的成型工艺四、聚合物改性水泥混凝土的成型工艺 1、水泥混凝土中聚合物结构形成过程、水泥混凝土中聚合物结构形成过程Konietzko模型模型 Konietzko模型中，开始聚合物分散在水泥混凝土体系中。随模型中，开始聚

29、合物分散在水泥混凝土体系中。随着水泥颗粒的水化，体系中一部分水被水泥水化所结合，因此着水泥颗粒的水化，体系中一部分水被水泥水化所结合，因此悬浮液中的水分被转移，聚合物颗粒开始堆积，随着水化的进悬浮液中的水分被转移，聚合物颗粒开始堆积，随着水化的进一步进行，堆积的颗粒也越来越多，逐渐融化在一起形成聚合一步进行，堆积的颗粒也越来越多，逐渐融化在一起形成聚合物膜。最终聚合物在水泥混凝土中形成空间连续的网状结构，物膜。最终聚合物在水泥混凝土中形成空间连续的网状结构，并且硬化水泥浆体也在聚合物中形成连续结构，两种网络结构并且硬化水泥浆体也在聚合物中形成连续结构，两种网络结构交织缠绕在一起，并把骨料颗粒包

30、裹在其中。交织缠绕在一起，并把骨料颗粒包裹在其中。5657Ohama结构模型和结构模型和Konietzko模型区别，前者认为聚合物是模型区别，前者认为聚合物是空间结构，而水泥硬化浆包裹在聚合物网中间，互不连接，空间结构，而水泥硬化浆包裹在聚合物网中间，互不连接，而后者认为两者都是形成空间连续网结构。而后者认为两者都是形成空间连续网结构。5859一、界面结构与性能一、界面结构与性能 钢筋混凝土中纤维钢筋混凝土中纤维 / 基体的界面具有比基体的界面具有比基体大的水灰比，易形成较厚的水膜层，即基体大的水灰比，易形成较厚的水膜层，即界面薄弱层。界面薄弱层。 6061二、二、改善界面性能的途径改善界面性

31、能的途径 关键在于提高最薄弱点（弱谷）的显微硬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。度及减小过渡环的范围。 1、 降低水灰比和使用减水剂降低水灰比和使用减水剂 这是减小水膜层的厚度，改善过渡环的这是减小水膜层的厚度，改善过渡环的主要措施。主要措施。 6263二、改善界面性能的途径二、改善界面性能的途径 1、降低水灰比和使用减水剂；、降低水灰比和使用减水剂； 2、掺入硅灰；、掺入硅灰； 界面区的显微硬度随硅灰掺入量的增加而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。移动，界面层厚度变

32、小。6465二、改善界面性能的途径二、改善界面性能的途径 1、降低水灰比和使用减水剂；、降低水灰比和使用减水剂； 2、掺入硅灰；、掺入硅灰； 3、用聚合物作增强剂；、用聚合物作增强剂； 聚合物的掺入对于减小界面层的厚度和聚合物的掺入对于减小界面层的厚度和弱谷与纤维表面的距离，缩小界面层与基材弱谷与纤维表面的距离，缩小界面层与基材的差异和增强界面粘结力有着明显的作用。的差异和增强界面粘结力有着明显的作用。 6667二、改善界面性能的途径二、改善界面性能的途径 1、降低水灰比和使用减水剂；、降低水灰比和使用减水剂； 2、掺入硅灰；、掺入硅灰； 3、用聚合物作增强剂、用聚合物作增强剂 4、改进纤维外

33、形、改进纤维外形684、改进纤维外形、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。大，对纤维抗拔越有利。 2）表面凸凹不平的冷拔）表面凸凹不平的冷拔-压形变截面钢纤维和熔压形变截面钢纤维和熔抽法钢纤维界面粘结强度明显高于表面光滑抽法钢纤维界面粘结强度明显高于表面光滑的直线型切割钢纤维。的直线型切割钢纤维。 3）异型钢纤维的抗拔力由粘结力和变形抗力两）异型钢纤维的抗拔力由粘结力和变形抗力两部分组成，因而提高了抗拔力。部分组成，因而提高了抗拔力。69707172 混凝土已成为目前世界范围内应用最广、用量最大混凝土已成为目前世

34、界范围内应用最广、用量最大的建筑材料。在普通混凝土中加入功能组分，可使混的建筑材料。在普通混凝土中加入功能组分，可使混凝土成为一种集功能性与结构性为一体、高性价比的凝土成为一种集功能性与结构性为一体、高性价比的新型功能材料，并可充分发挥功能组分的智能性。功新型功能材料，并可充分发挥功能组分的智能性。功能混凝土的诞生开辟了混凝土材料应用的新时代。能混凝土的诞生开辟了混凝土材料应用的新时代。 建筑物在其使用过程中，耗能占总耗能的建筑物在其使用过程中，耗能占总耗能的3040。随着生活水平的提高，人们对环境的舒适度要求愈来随着生活水平的提高，人们对环境的舒适度要求愈来愈高。相应的建筑能耗（包括空调能耗

35、）也随之增高。愈高。相应的建筑能耗（包括空调能耗）也随之增高。造成能源消耗过快，环境污染加剧。造成能源消耗过快，环境污染加剧。8.5.1 概述概述731） 开发节能建材的意义开发节能建材的意义中国建筑能耗与总能耗关系变化图中国建筑能耗与总能耗关系变化图 74 1978年的年的10%上升到上升到2001的的27.45%。2000年，年，我国建筑用商品能源消耗共计我国建筑用商品能源消耗共计3.56亿亿t标准煤，标准煤，占当年全社会终端能源消费量的比重为占当年全社会终端能源消费量的比重为27.8%，接近发达国家建筑用能占全社会能源消费量的接近发达国家建筑用能占全社会能源消费量的1/3左右水平。左右水

36、平。75 至至2000年底，全国既有房屋建筑面积，城市己至年底，全国既有房屋建筑面积，城市己至76.6亿亿m2（其中住宅（其中住宅44.1亿亿m2），农村为），农村为299.4亿亿m2(其中住宅建筑约占其中住宅建筑约占80%)。其中能够达到采暖建。其中能够达到采暖建筑节能标准的只有筑节能标准的只有1.8亿亿m2，仅占全部城乡建筑面，仅占全部城乡建筑面积的积的0.6%，占城市既有采暖居住建筑面积的，占城市既有采暖居住建筑面积的9%。 76 建筑在使用过程中的能耗建筑在使用过程中的能耗: :采暖、空调、通风、采暖、空调、通风、热水供应、照明、炊事、家用电器、电梯热水供应、照明、炊事、家用电器、电梯

37、 。 其中采暖空调通风能耗约占其中采暖空调通风能耗约占2/32/3左右。满足这左右。满足这些设计要求将使新建筑在保持同样室内条件的前提些设计要求将使新建筑在保持同样室内条件的前提下比老建筑节省下比老建筑节省50%50%的能源。我国每年新建的建筑的能源。我国每年新建的建筑数超过数超过1010亿亿m m2 2，节省，节省50%50%的采暖空调耗能。的采暖空调耗能。 77相变材料的温控系统有如下优点：相变材料的温控系统有如下优点：(1)装置简单，不需要成套的管路装置和设备；装置简单，不需要成套的管路装置和设备；(2)管理和维修简便，方便使用；管理和维修简便，方便使用；(3)可充分利用太阳能和废热可充

38、分利用太阳能和废热(冷冷)，有显著的节，有显著的节能效率；能效率；(4)在大规模推广前提下，价格会相当便宜在大规模推广前提下，价格会相当便宜。 782） 相变储能材料与导电功能基元材料相变储能材料与导电功能基元材料 （1 ） 相变储能材料相变储能材料用于建筑材料中常见相变材料的相变温度和相变焓用于建筑材料中常见相变材料的相变温度和相变焓材料名称分子式或简称相变温度/相变焓/Jg-1十水硫酸钠NaSO410H2O32.4250.8六水氯化钙CaCl26H2029.0180正十六烷C16H3416.7236.6正十八烷C18H3827.2242.4正二十烷C20H4236.6246.6癸酸C10H

39、20O230.1158月桂酸C12H24O41.3179十四烷酸C14H28O252.1190软脂酸C16H32O254.1183硬脂酸C18H36O264.5196新戊二醇NPG4313050%季戊四醇+50%三羟甲基丙醇50%PE+50%TMP47.2125.479相变物质及其性质相变物质及其性质相变物质相变温度()相变潜热(kJkg)C13-C2422-24(F)189C-1828(F)244Caprylic acid(辛酸)16.5(M)153Capric acid(葵酸)31.5(M)153KF4H2O17.5(M)231CaCI26H2O28(M)171NaSO410H2O32.4

40、(M)25480通常人们感兴趣的是相变温度在通常人们感兴趣的是相变温度在-20120范围范围内的相变材料，不仅可以对空间加热，冷却还可内的相变材料，不仅可以对空间加热，冷却还可以保温，在工业、农业、军事、航空、民用等方以保温，在工业、农业、军事、航空、民用等方面都有重大应用。面都有重大应用。 81 从经济和环保上看，目前已经开发出许多适从经济和环保上看，目前已经开发出许多适应于建筑应用的廉价、环保的应于建筑应用的廉价、环保的PCM和封装材料，和封装材料，如十二醇、十八烷、棕榈酸丙酯、一些石油副产如十二醇、十八烷、棕榈酸丙酯、一些石油副产品以及可再生的脂肪酸及其衍生物等。相变材料品以及可再生的脂

41、肪酸及其衍生物等。相变材料与建筑材料的结合工艺也得到很大改善，大大降与建筑材料的结合工艺也得到很大改善，大大降低了相变蓄热系统的成本，使其回收年限短，具低了相变蓄热系统的成本，使其回收年限短，具有明显的经济效益和社会效益。有明显的经济效益和社会效益。82 （3） 导电功能基元材料导电功能基元材料常用的导电组可分为三类：常用的导电组可分为三类：聚合物类聚合物类、碳类碳类和和金金属类属类，其中最常用的导电组分包括：，其中最常用的导电组分包括：石墨石墨、碳纤碳纤维维及及碳黑碳黑，金属类则有，金属类则有金属粉末金属粉末、金属纤维金属纤维、金金属片属片、金属网金属网等。还有人联合应用等。还有人联合应用碳

42、类碳类和和金属类金属类的导电组分的导电组分。83常用导电填料及其特点常用导电填料及其特点体系体系类别类别品种品种主要特点主要特点碳碳系系碳黑碳黑乙炔碳黑乙炔碳黑导电性好、纯度高、加工困难导电性好、纯度高、加工困难油炉法碳黑油炉法碳黑导电性及其他性能较好导电性及其他性能较好热裂法碳黑热裂法碳黑导电性差、成本低，常用作增强填料导电性差、成本低，常用作增强填料槽法碳黑槽法碳黑导电性差、粒径小，可用于着色导电性差、粒径小，可用于着色其他其他共同问题是色彩单调共同问题是色彩单调碳纤维碳纤维聚丙腈（聚丙腈（PAN）基）基导电性良好、成本高、加工困难导电性良好、成本高、加工困难沥青基沥青基比比PAN基碳纤维

43、导电性差、成本低基碳纤维导电性差、成本低石墨石墨天然石墨天然石墨导电性随产地而异、难粉碎导电性随产地而异、难粉碎人造石墨人造石墨导电性随生产方法而异导电性随生产方法而异金金属属系系金属粉金属粉铜、银、镍、铁、铝等铜、银、镍、铁、铝等易氧化变质、银的价格昂贵易氧化变质、银的价格昂贵金属氧金属氧化物化物ZnO、PbO、TiO2、SnO2、V2O3、VO2 Sb2O、In2O3等等导电性较差导电性较差金属薄片金属薄片铝箔铝箔色彩鲜艳、导电性好色彩鲜艳、导电性好金属纤维金属纤维铝、镍、铜、不锈钢纤维等铝、镍、铜、不锈钢纤维等价格昂贵、加工困难、导电性好价格昂贵、加工困难、导电性好其它其它镀金属玻璃纤维

44、、玻璃微珠、云镀金属玻璃纤维、玻璃微珠、云母、碳纤维等母、碳纤维等加工时存在变质问题加工时存在变质问题84 a)系统示意图系统示意图 b) 主机照片主机照片分散式相变供热蓄能系统示意图与照片分散式相变供热蓄能系统示意图与照片7.5.2 储能建筑材料和电热混凝土储能建筑材料和电热混凝土1） 储能建筑材料储能建筑材料851加热空间加热空间 2盖面盖面 3热阻材料热阻材料 4相变材料相变材料 5电热丝电热丝 6隔热材料隔热材料 地板采暖系统示意图地板采暖系统示意图 86 有研究者估计若能在建筑物中广泛采用含有研究者估计若能在建筑物中广泛采用含PCM的建筑材料，能减少用于加热和制冷的的建筑材料，能减少

45、用于加热和制冷的50的电力的电力消耗。美国研究者开发了一系列消耗。美国研究者开发了一系列PCM复合建筑材料，复合建筑材料，用于房屋空调节能。包括无定形用于房屋空调节能。包括无定形PCM/硅混合干粉、硅混合干粉、HDPE颗粒和颗粒和PCM浸制的多孔材料浸制的多孔材料(如塑料板、混凝如塑料板、混凝土等土等)，有效解决了液态，有效解决了液态PCM的泄漏、体积变化和阻的泄漏、体积变化和阻燃问题，并起到强化传热的作用，开发成果获得多燃问题，并起到强化传热的作用，开发成果获得多项专利。项专利。 87 沈阳建筑大学的冯国会教授研究了冬季工况下沈阳建筑大学的冯国会教授研究了冬季工况下相变墙（相变墙板的相变温度

46、为相变墙（相变墙板的相变温度为1824）对室内）对室内环境影响，结果表明：普通墙房间室内温度在环境影响，结果表明：普通墙房间室内温度在1924波动，相变墙房间在波动，相变墙房间在17.520.5波动，普通波动，普通墙房间的室内累计平均温度为墙房间的室内累计平均温度为21.03，相变墙房间，相变墙房间为为19.18。88 冒东奎教授进行的含储能工质的石膏壁板对冒东奎教授进行的含储能工质的石膏壁板对建筑物热性能影响的实验研究结果表明，采用含建筑物热性能影响的实验研究结果表明，采用含储能工质石膏壁板的建筑物，在冬季条件下，室储能工质石膏壁板的建筑物，在冬季条件下，室内温度由内温度由24下降到下降到1

47、6的时间延长了的时间延长了135%，而，而在夏季，保持在在夏季，保持在22以下的温度延长了以下的温度延长了84%。892） 电热混凝土电热混凝土 电热混凝土是由胶凝材料、导电材料、介电电热混凝土是由胶凝材料、导电材料、介电骨料和水等组分，按照一定配合比混合凝结而成骨料和水等组分，按照一定配合比混合凝结而成的多相复合材料。其中导电功能基元材料部分或的多相复合材料。其中导电功能基元材料部分或全部取代素混凝土中细骨料、粗骨料或两者都取全部取代素混凝土中细骨料、粗骨料或两者都取代代 。90电热混凝土功能电热混凝土功能:感知应变、破坏、温度自我传感能感知应变、破坏、温度自我传感能力，可用于建筑结构的振动

48、控制、交通管理、载重测力，可用于建筑结构的振动控制、交通管理、载重测量、建筑安全等；同时，导电相的加入使混凝土的电量、建筑安全等；同时，导电相的加入使混凝土的电阻大大降低，成为导体，良好的导电性使混凝土变成阻大大降低，成为导体，良好的导电性使混凝土变成了优良发热体，可广泛应用于建筑地面采暖、路面除了优良发热体，可广泛应用于建筑地面采暖、路面除冰融雪等冰融雪等。91 电热混凝土大板模板及电极布置电热混凝土大板模板及电极布置 电热混凝土电热层的设置电热混凝土电热层的设置92 中国的王刚在石墨电热混凝土的研究中，得出水中国的王刚在石墨电热混凝土的研究中，得出水泥含量在泥含量在30308080、石墨、

49、石墨5 54040、骨料、骨料5 55050（以（以上均为质量含量），骨料最好是矿渣、火山灰、碎石、上均为质量含量），骨料最好是矿渣、火山灰、碎石、碎陶瓷、以及砂子等。这种电热混凝土主要被用来作碎陶瓷、以及砂子等。这种电热混凝土主要被用来作为建筑物取暖、电磁屏蔽。为建筑物取暖、电磁屏蔽。 2001年我国广州电力设计院孙旭研究了电热混凝年我国广州电力设计院孙旭研究了电热混凝土在土在变电站接地网中的应用变电站接地网中的应用，取得了较好的效果。，取得了较好的效果。2002年武汉理工大学的唐祖全、李卓球等研究了电热年武汉理工大学的唐祖全、李卓球等研究了电热混凝土电热层布置对路面除冰效果的影响。混凝土电

50、热层布置对路面除冰效果的影响。93 碳纤维电热混凝土碳纤维电热混凝土SEMSEM照片照片 沥青电热混凝土的显微结构沥青电热混凝土的显微结构941） 相变储能混凝土相变储能混凝土相变储能混凝土制备流程图相变储能混凝土制备流程图 相变储能混凝土样品相变储能混凝土样品 7.5.3 调温节能调温节能混凝土的制备及性能测试混凝土的制备及性能测试95051015200.81.01.21.41.61.82.0Heat capacity/ kJ.kg-1.k-1 Composite for energy storage content /vol%051015200.81.01.21.41.61.82.0Hea

51、t capacity/ kJ.kg-1.k-1Composite for energy storage content /vol%（1） 相变储能混凝土性能测试相变储能混凝土性能测试相变储能混凝比热容相变储能混凝比热容96010203040500.81.01.21.41.61.82.0Heat capacity/ kJ.kg-1.k-1Composite for energy storage content /vol%相变储能混凝土比热容相变储能混凝土比热容970510152025301520253035 温度/时间/min0510152025301520253035温度/时间/min相变储能

52、混凝土块保温性能相变储能混凝土块保温性能 相变储能混凝土块隔热性能相变储能混凝土块隔热性能980501001502000123质量损失率/%循环次数/次相变储能混凝土的耐久性能相变储能混凝土的耐久性能 990510152001020304050抗压强度/MPa储能复合材料含量/vol% 未冻融 冻融0510152001020304050抗压强度/MPa储能复合材料含量/vol% 未冻融 冻融储能混凝土储能混凝土28天抗压强度天抗压强度 100根据彭勃等人研究结果，水泥基导电复合材料中石墨根据彭勃等人研究结果，水泥基导电复合材料中石墨粉的上阀值粉的上阀值( (体积分数，下同体积分数，下同) )约

53、为约为5%5%，下阀值约为，下阀值约为16%16%，当石墨粉的体积分数由，当石墨粉的体积分数由0 0增加到增加到5%5%时，复合材料时，复合材料的电阻率由的电阻率由6.316.3110104 4m m减小到减小到4.314.3110104 4m m；当石；当石墨粉的体积分数由墨粉的体积分数由5%5%增加到增加到16%16%时，复合材料的电阻时，复合材料的电阻率由率由4.314.3110104 4m m减小到减小到0.580.58m m。结合水泥基复合。结合水泥基复合导电材料作为发热体的电阻要求和石墨含量对抗压强导电材料作为发热体的电阻要求和石墨含量对抗压强度的影响，实验中石墨粉最大填加量为：度

54、的影响，实验中石墨粉最大填加量为：16.9Vol%16.9Vol%。 2） 电热混凝土电热混凝土101导电性仍是本实验的首要指标，综合国内电阻率的导电性仍是本实验的首要指标，综合国内电阻率的测试方法，实验中除用万用表测试电阻率外，伏安测试方法，实验中除用万用表测试电阻率外，伏安法测试电阻率选用先进的四电极法，电阻由法测试电阻率选用先进的四电极法，电阻由R RU/IU/I计算，电阻率由计算，电阻率由RS/LRS/L计算，测试原理图如下：计算，测试原理图如下：（1） 电热混凝土性能测试电热混凝土性能测试1021030102030405060024681012电阻率/m养护龄期/d 16.9vol%

55、（10） 6.91vol%（10） 0（106）不同石墨含量混凝土在不同养护龄期内电阻率不同石墨含量混凝土在不同养护龄期内电阻率 104混凝土块立体示意图混凝土块立体示意图 02040608010012020406080100120温度/Time/h a面 c面 b面24V电压下石墨混凝土块升温变化曲线电压下石墨混凝土块升温变化曲线 1050510152001020304050抗压强度/MPa石墨含量/vol%不同石墨含量混凝土试块抗压强度不同石墨含量混凝土试块抗压强度 106高抗渗、抗浸蚀混凝土高抗渗、抗浸蚀混凝土水泥基混凝土路面水泥基混凝土路面无宏观缺陷混凝土无宏观缺陷混凝土107 水泥基

56、块体吸声材料通过砌筑直接形成声屏水泥基块体吸声材料通过砌筑直接形成声屏障，通过对其块型、结构、表面状态进行优化障，通过对其块型、结构、表面状态进行优化设计，使其吸声面具有良好的吸声性能。水泥设计，使其吸声面具有良好的吸声性能。水泥基块体吸声材料背面可加工成各种装饰面（如基块体吸声材料背面可加工成各种装饰面（如劈离、凿毛等），提高声屏障的装饰性能。劈离、凿毛等），提高声屏障的装饰性能。108 代表性产品有吸隔声砌块、单元式吸声砌块、轻质代表性产品有吸隔声砌块、单元式吸声砌块、轻质陶粒混凝土砌块、高效吸声装饰块等。由中国建材总陶粒混凝土砌块、高效吸声装饰块等。由中国建材总院和武汉天博环保科技发展有

57、限公司联合研制的具有院和武汉天博环保科技发展有限公司联合研制的具有种植钵的环保型吸声墙体砌块，于种植钵的环保型吸声墙体砌块，于2003年应用于襄樊年应用于襄樊高速公路武当山段声屏障工程，降噪量大于高速公路武当山段声屏障工程，降噪量大于10dB,同同时具有装饰和种植功能时具有装饰和种植功能.109 水泥基板状吸声材料在现场直接拼装形水泥基板状吸声材料在现场直接拼装形成声屏障，其迎声面形状、构造和表面状成声屏障，其迎声面形状、构造和表面状态均可按设计要求进行优化，从而具有良态均可按设计要求进行优化，从而具有良好的吸声性能。水泥基板状吸声材料质量好的吸声性能。水泥基板状吸声材料质量较轻，施工方便，特

58、别适用于各类桥梁声较轻，施工方便，特别适用于各类桥梁声屏障工程。屏障工程。110 代表性产品有水泥珍珠岩吸声板、发泡代表性产品有水泥珍珠岩吸声板、发泡陶粒混凝土吸声板、木材泡沫水泥吸声板陶粒混凝土吸声板、木材泡沫水泥吸声板等。由中国建材总院和北京泰科立高新技等。由中国建材总院和北京泰科立高新技术有限公司联合研制的无机高效复合吸声术有限公司联合研制的无机高效复合吸声板将应用于深圳轻轨吸声式疏散平台工程，板将应用于深圳轻轨吸声式疏散平台工程，目前正在施工。目前正在施工。111 由中国建材总院主持完成的国家由中国建材总院主持完成的国家“863计划计划”项目项目交通路网用水泥基复合吸声材料的研交通路网

59、用水泥基复合吸声材料的研究究，于，于2005年通过原建设部科技司组织的部年通过原建设部科技司组织的部级鉴定。研究成果水泥基木梗复合吸声材料以级鉴定。研究成果水泥基木梗复合吸声材料以木质纤维材料构架为吸声主体，通过优化内部木质纤维材料构架为吸声主体，通过优化内部吸声结构，设置表面强吸声结构和吸声材料吸声结构，设置表面强吸声结构和吸声材料-背板空腔共振吸声结构辅助吸声，提高吸声降背板空腔共振吸声结构辅助吸声，提高吸声降噪效果。噪效果。112 通过混杂增强、板（网）状材料增强、通过混杂增强、板（网）状材料增强、界面强化和组成优化提高复合吸声材料物界面强化和组成优化提高复合吸声材料物理力学性能和耐久性

60、。至今已在数十个吸理力学性能和耐久性。至今已在数十个吸声降噪工程中使用声降噪工程中使用5万多平方米，显著改万多平方米，显著改善了大型交通路网的周边声环境。该成果善了大型交通路网的周边声环境。该成果获获2006年度北京市科技进步三等奖，年度北京市科技进步三等奖，2007年获国家发明专利。年获国家发明专利。113随着我国建筑节能工作的全面推进，随着我国建筑节能工作的全面推进，对保温体系用保温隔热材料提出了新的需对保温体系用保温隔热材料提出了新的需求，如热工性能好、性价比高、耐久性好、求，如热工性能好、性价比高、耐久性好、施工方便，水泥基复合保温隔热材料能满施工方便，水泥基复合保温隔热材料能满足这些