复合材料-第七章水泥基复合材料

§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（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（β-2CaO·SiO2）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3）和铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3）四种矿物组成的.水化：3CaO·SiO2+H2O→CaO·SiO2·YH2O（凝胶）+Ca（OH）2水泥及水泥基复合材料常用符号CaO:CAl2O3:ASiO2:SFe2O3:FH2O:HW/C:水/水泥（水灰比）S/G:沙/石水泥特点：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：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。粘聚性是指新拌混凝土的组成材料之间有一定的粘聚力，在施工过程中，不致发生分层和离析现象的性能。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混凝土是以水泥为基体，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；原料丰富，价格低廉，生产工艺简单；抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽；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.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:①抗折强度和柔韧性提高。②内部孔结构有所改善，趋向连续密实。③建筑物耐久度大大提高。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↗。粘补性好。工艺简单，成本低。1、混凝土设计与成型设计过程：原料选择→工程计算→实验校核调整初定配方：水:灰:砂:石0.5:1:1.5:3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。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、W/C需满足耐久性要求。§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-----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=0.3～0.4；S/C=0.5～1耐碱短切纤维：12～50mm；含量约3～5%。(2)、喷射脱水法直接喷射法经减压，脱去多余水份，提高密度和强度。(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．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。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8～25%。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5～20%。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高强混凝土高性能混凝土无宏观缺陷水泥基材料均布超细颗粒致密体系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41～52Mpa；目前：50Mpa以上。1.1高强混凝土的特点：有效地减小结构自重；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、运输和施工能耗。例如：60MPa取代35MPa的混凝土，可节约混凝土40%，自重减轻35%，钢筋混凝土的配筋率为6%时，可使用钢量减少240kg/m3.1.2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高强混凝土配合比设计原则（1）水灰比宜小于0.35，对于80~100MPa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400~500kg/m3,对于80MPa以上混凝土可达500kg/m3，更高强度时也不宜超过550kg/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15~20mm，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。黄石长江大桥红水河大桥（广西）杨浦大桥九江长江大桥钢筋混凝土防护门日本高强混凝土桥梁美国高层建筑用高强混凝土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.高性能混凝土（HPC）建筑物越来越向着高层、超高层化、超大跨化方向发展；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，核废料容器，核反应堆外壳，盛有有害化学物的容器等；这些工程结构的特点是性能要求高，包括高强度、高的耐久性和高的体积稳定性，若要现场浇注施工，要求水泥混凝土的流动性很高。——高性能混凝土（HPC）高性能混凝土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一种新型水泥基材料。2.1高性能混凝土定义高性能混凝土一词是20世纪90年代提出的，各国学者各有不同的看法，主要有：1、法国、美国、加拿大等国家定义：HPC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、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，高性能混凝土被定义为：靠传统的组分和普通的拌和、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。2.2HPC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