第8章 水泥基复合材料

18水泥基复合材料8.1水泥8.2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8.4纤维/基体的界面8.5调温节能混凝土8.6其他水泥基复合材料2水泥基复合材料（Cementmatrixcomposites）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。38.1水泥一、水泥的定义和分类1、定义凡细磨成粉末状，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。42、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W/C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；3）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。58.2水泥基复合材料一、混凝土由胶凝材料、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6二、纤维增强水泥基复合材料1、复合材料的组成增强剂—短纤维；基体—硅酸盐水泥、调凝水泥及高铝矿渣水泥等；填料—沙、粉煤灰等。8.2水泥基复合材料7二、纤维增强水泥基复合材料1、复合材料的组成2、影响纤维增强水泥基复合材料性能的因素（1）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。8.2水泥基复合材料8二、纤维增强水泥基复合材料1、复合材料的组成2、影响材料性能的因素（1）基体的性能（2）纤维与基体水泥基体间的相互作用①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.8.2水泥基复合材料9二、纤维增强水泥基复合材料2、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②纤维间距对界面层的影响与纤维/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，诸界面层在水泥基体将有双重界面随机强化效应，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。8.2水泥基复合材料10③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。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响。11二、纤维增强水泥基复合材料2、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。（4）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？当复合材料的应变达到基体中比较小的那个应变时，只有EfEm时，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EfEm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性模量是必须的。8.2水泥基复合材料12（5）性能纤维的加入，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。13三、聚合物改性混凝土对水泥混凝土改良的途径，改变水泥性质，混凝土配比，添加纤维材料、外加剂等措施来改良其性能，或使其满足工程特殊需要。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。14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，聚合物混凝土，聚合物水泥混凝土15三、聚合物改性混凝土1、聚合物浸渍混凝土8.2水泥基复合材料16聚合物浸渍混凝土实验结果表明：抗压强度可提高3倍，抗拉强度提高近3倍，弹性模量可提高1倍，抗破裂模量可增加近3倍，抗折弹性模量可增加50%，弹性变形减少10倍，硬度增加超过70%，渗水性几乎变为0，吸水性大大降低。17三、聚合物改性混凝土1、聚合物浸渍混凝土8.2水泥基复合材料18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。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，因而主要用于特殊场合。19三、聚合物改性混凝土2、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用途，也可以用于喷射混凝土。据报道，10-15mm聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）喷射混凝土的强度可达700MPa8.2水泥基复合材料20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。由于混凝土的结合完全靠聚合物，所以聚合物用量很大，一般多达8%左右，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，多用于特殊工程。21三、聚合物改性混凝土3、聚合物水泥混凝土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材料。也称为聚合物改性水泥混凝土。8.2水泥基复合材料222324三、聚合物改性混凝土3、聚合物水泥混凝土与普通水泥混凝土相比，聚合物胶乳水泥砂浆的弯曲强度提高显著．而压缩强度没有明显的改善。抗压/抗拉值降低。刚性降低，变形能力增大，这对许多工程有利。8.2水泥基复合材料25三、聚合物改性混凝土3、聚合物水泥混凝土与普通水泥混凝土相比，聚合物胶乳水泥混凝土对各种基底的粘结强度大大改善。所以特别适合于破损混凝土的修补工程。8.2水泥基复合材料26三、聚合物改性混凝土3、聚合物水泥混凝土与普通水泥混凝土相比，聚合物胶乳水泥混凝土的抗冻性能有较明显的改善。抗浸蚀能力和耐久性有一定程度的提高。8.2水泥基复合材料27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。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，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。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40-50%。3132粉末胶乳改性方法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。33水溶性聚合物如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一定的改性作用。34液体树脂：是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。聚合物单体改性是在水泥砂浆或水泥混凝土拌合过程中加入聚合物单体，聚合全过程在水泥凝结硬化过程中形成。358.3水泥基复合材料的成型工艺一、混凝土的配合比设计及成型工艺控制368.3水泥基复合材料的成型工艺一、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；525#水泥，试配强度37一、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；2、确定水灰比；Rc-水泥实际强度，R28强度=R混凝土施工配制抗压强度8.3水泥基复合材料的成型工艺38一、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；2、确定水灰比；3、选取用水量，计算水泥用量；4、选取砂率（Sp%）；Sp＝〔S/(S+G)〕×100%8.3水泥基复合材料的成型工艺39一、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；2、确定水灰比；3、选取用水量，计算水泥用量；4、选取砂率；5、计算砂石用量。体积法（绝对体积法）质量法（假定容积密度法）8.3水泥基复合材料的成型工艺40二、钢筋混凝土的成型工艺8.3水泥基复合材料的成型工艺41二、钢筋混凝土的成型工艺8.3水泥基复合材料的成型工艺428.3水泥基复合材料的成型工艺三、纤维增强水泥的成型工艺1、直接喷射法438.3水泥基复合材料的成型工艺三、纤维增强水泥的成型工艺1、直接喷射法448.3水泥基复合材料的成型工艺三、纤维增强水泥的成型工艺1、直接喷射法2、喷射脱水法458.3水泥基复合材料的成型工艺三、纤维增强水泥的成型工艺1、直接喷射法2、喷射脱水法468.3水泥基复合材料的成型工艺三、纤维增强水泥的成型工艺1、直接喷射法2、喷射脱水法3、预混料浇铸法47488.3水泥基复合材料的成型工艺三、纤维增强水泥的成型工艺1、直接喷射法2、喷射脱水法3、预混料浇铸法4、压力法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，并能获得良好的表面尺寸精度5、离心成型法49三、纤维增强水泥的成型工艺1、直接喷射法2、喷射脱水法3、预混料浇铸法4、压力法5、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，而且在厚度方向上可以改变纤维量。508.3水泥基复合材料的成型工艺四、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51四、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结合，乳液中的聚合物颗粒会相互融合连接在一起。528.3水泥基复合材料的成型工艺四、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Ohama模型第一阶段：聚合物水泥浆体、水泥凝胶形成，液相中的Ca(OH)2达到饱和状态。同时聚合物颗粒沉积在凝胶颗粒表面。538.3水泥基复合材料的成型工艺四、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Ohama模型第二阶段：聚合物颗粒絮凝在一起。水化凝胶的表面形成聚合物密封层548.3水泥基复合材料的成型工艺四、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Ohama模型第三阶段：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558.3水泥基复合材料的成型工艺四、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Konietzko模型Konietzko模型中，开始聚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，两种网络结构交织缠绕在一起，并把骨料颗粒包裹在其中。5657Ohama结构模型和Konietzko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