水泥基复合材料的研究与发展

1. 水泥基复合材料的研究与发展 朱莉云

2. 主要内容 • 复合材料 • 水泥基复合材料 • 水泥基复合材料的分类 定义 纤维的作用 纤维的分类 纤维的选用原则 纤维增强水泥基复合材料的主要研究方向 影响纤维增强效果的因素 纤维增强水泥基复合材料的成型工艺 纤维增强水泥基复合材料的应用 1.纤维增强水泥基复合材料

3. 定义 聚合物的选用要求 聚合物应用于水泥混凝土的三种方式 聚合物在水泥基复合材料中的作用 聚合物对水泥石的增韧机理 聚合物改性水泥基复合材料的成型工艺 聚合物增强水泥基复合材料的应用 2.聚合物增强水泥基复合材料 3.颗粒增强型水泥基复合材料

4. 材料分类：金属、无机非金属、有机高分子材料材料分类：金属、无机非金属、有机高分子材料 各有千秋 扬长避短 克服单一材料的缺点 产生原来单一材料没有本身所没有的新性能 复合材料 　　什么是复合材料 (Composition Materials , Composite) ?

5. 复合材料的定义 　　复合材料应具有以下三个特点： 　 (1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面。 　　(2)复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良持殊性能。

6. 　(3)　复合材料具有可设计性，可以按使用要求的性能来设计和制造新材料。　(3)　复合材料具有可设计性，可以按使用要求的性能来设计和制造新材料。 复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体；而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连续相相比，这种分散相的性能优越，故常称为增强体(也称为增强材料、增强相等)。增强材料不仅能提高复合材料的强度和弹性模量等力学性能，而且能减低收缩率，提高热变形温度，并在热、电、磁等方面赋予复合材料新的性能。

7. 材料的优缺点组合示意图

9. 水泥基复合材料 （1）传统的水泥基材料是以水泥为胶结剂，结合各种集料、 外加组分而形成的水硬性胶凝材料，它包括各类制品和混 凝土。 （2）先进水泥基复合材料是通过组成、结构优化设计，采 用先进技术制备而形成具有优异性能的新型水泥基复合 材料。

10. （3）普通水泥基材料由于强度低，脆性大、耐久性差的突出问题，其使用效能受到限制，也难以适应和满足当今社会发展、科技进步对材料的新要求。（3）普通水泥基材料由于强度低，脆性大、耐久性差的突出问题，其使用效能受到限制，也难以适应和满足当今社会发展、科技进步对材料的新要求。 （4）与普通水泥基材料相比，先进水泥基复合材料具有强度高、韧性好、耐久性好以及性能可设计的优点。 研究和开发新型高性能水泥基材料一直都是本领域科学研究和创新的主要内容，先进水泥基复合材料正是当前本领域研究的重点和技术应用的难点。

11. 水泥基复合材料分类 水泥基复合材料在工程材料方面有 纤维增强水泥基复合材料 聚合物增强水泥基复合材料 颗粒增强型水泥基复合材料

12. 从广义上讲，有机-无机类建筑用复合材料的历史还可以追溯到更远的年代。从广义上讲，有机-无机类建筑用复合材料的历史还可以追溯到更远的年代。 • 大约在公元前5000年时，人类就开始在黏土中掺加一定量的稻草建筑土墙，古代很多雄伟的建筑和发掘出来的几千年的古墓材料中常有桐油石灰、糯料石灰三合土的残骸； • 现代建筑家们经常发现距今几百上千年的一些古代庙宇和神殿是由黏土、石灰等无机基料中加入淀粉、动物胶等天然聚合物而建成。

13. 纤维增强水泥基复合材料 1. 定义 纤维增强水泥基复合材料是由水泥净浆、砂浆或 水泥混凝土作基材，以非连续的短纤维或连续的长纤 维作增强材料组合而成的一种复合材料。

14. 在水泥基材料中掺入纤维是目前改善水泥基材料向轻质、在水泥基材料中掺入纤维是目前改善水泥基材料向轻质、 高强、高韧性等方向较为有效的方法之一，其逐渐成为一种 新型建筑材料——纤维增强水泥基材料（fiber reinforced cement，FRC）在国内外得到了迅速发展与应用。 例如应用在矿山、隧道、铁道、公路路面、工业与民用建 筑、水利水电、防爆抗震和维修加固等工程。

15. 2.纤维的作用 • 纤维具有优良的阻裂、强化等作用，不仅可以大大减少 • 水泥基材料内部原生裂缝，并能有效地阻止裂缝的引发 • 和 扩展，将脆性破坏转变为近似于延性断裂。 • 在受荷（拉、弯）初期，水泥基体与纤维共同承受外力 • 且前者是主要受力者；当基体发生开裂后，横跨裂缝的 • 纤维称为外力的主要承受着，即主要以纤维的桥联立抵抗 • 外力作用。

16. 若纤维的体积掺量大于某一临界值,整个复合材 料可继续承受较高的荷载，并产生较大的变形，直至纤维被拉断或从基体中拔出，以致复合材料破坏。

17. 因此，纤维的加入明显改善水泥基材料的抗拉、抗弯等力学性能，以及抗裂、耐磨等长期力学性能 ，尤其是高弹性模量的纤维还可以大大增强水泥基材料的断裂韧性和抗冲击性能，显著提高水泥基材料抗疲劳性能和耐久性。

18. 目前的研究已表明，纤维在水泥基体中至少有 以下三个主要的作用。 （1）提高基体开裂的应力水平，即使水泥基体能够 承受更高的应力。 （2）改善基体的应变能或延展性，从而增加它吸收 能量的能力或提高它的韧性。纤维对基体韧性 的 改善往往比较显著，甚至在它对基体的增强 作用小的情况下也是如此。

19. （3）能够阻止裂纹的扩展或改变裂纹前进的方向， 减少裂纹的宽度和平均断裂空间。 对于早期的水泥基材料来说，由于纤维的存在，阻碍了集料的离析和分层，保证了混凝土早期均匀的泌水性，从而阻止沉降裂纹的产生。

20. 3.纤维的分类 用于水泥基复合材料的纤维种类繁多，按其材料 可分为： 金属材料：如不锈钢纤维和低碳钢纤维； 无机纤维：如石棉纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳纤维 合成纤维：如尼龙纤维、聚酯纤维、聚丙烯等纤维； 植物纤维：如竹纤维、麻纤维等。

21. 按其弹性模量的大小可分为 高弹模纤维，如钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等； 低碳模纤维，如聚丙烯纤维、某些植物纤维等。 高弹性模量的纤维主要是提高复合材料的抗冲击性、抗热爆性能、抗拉强度、刚性和阻裂能力， 而低弹性模量的纤维主要是提高水泥复合材料的韧性、应变能力以及抗冲击性能等与韧性有关的性能。

22. 按其长度可分为非连续的短纤维和连续的长纤维。按其长度可分为非连续的短纤维和连续的长纤维。 目前用于配制纤维水泥基材料的纤维主要增强材料 是短纤维，使用较普遍的有钢纤维、玻璃纤维、聚 丙烯纤维和碳纤维。

23. 4. 纤维选用原则 不论哪种纤维，作为水泥基复合材料的增强材料，其 必须遵循以下基本原则： （1）纤维的强度和弹性模量都要高于基体。 （2）纤维与基体之间要有一定的黏结强度，两者之间 的结合要保证基体所受的应力能通过界面传递给 纤维。 （3）纤维与基体的热膨胀系数比较接近，以保证两者 之间的黏结强度不会在热胀冷缩过程中被消弱。

24. （4）纤维与基体之间不能发生有害的化学反应，尤 其不能发生强烈的反应，否则会引起纤维性能的降低而失去强化作用。 （5）纤维的体积率、尺寸和分布必须适宜。一般而言，基体中纤维的体积率越高，其增强效果越显著，但一定要考虑到纤维能否充分分散。

25. 5.纤维增强水泥基复合材料的主要研究方向 • 钢纤维增强水泥基材料 • 石棉纤维增强水泥基材料 • 天然纤维增强水泥基材料 • 合成纤维增强水泥基材料 • 玻璃纤维增强水泥基材料

26. 石棉纤维增强水泥基材料 • 石棉纤维增强水泥基材料是现代最早应用的纤维增强水泥基材料，也是用量最大的纤维增强水泥基材料，目前，每年用于增强水泥材料的石棉纤维大约为200万吨。 • 石棉纤维来源丰富价格低廉，是唯一的天然矿物纤维，具有很高的强度和模量，且纤维与水泥基体相互作用良好，因此是一种理想的水泥制品增强纤维。 • 近年来的研究发现石棉纤维对人身危害很大，许多国家准备逐步禁止使用石棉纤维作为水泥制品的增强纤维，并正在努力寻找石棉纤维的替代纤维。

27. 石棉纤维 石棉纤维水泥压力板 石棉纤维水泥管

28. 玻璃纤维增强水泥基材料 玻璃纤维，就是纤维状的玻璃，具有很高的强度和模量，来 源丰富，制造成本较低，是复合材料增强纤维的主要品种之一。

30. 彩色玻璃纤维增强水泥板 玻璃纤维增强水泥雕塑 玻璃纤维增强水泥花盆

31. 普通玻璃纤维的耐碱性较差，在水泥基体这样的碱性环境中极易失去其强度和刚性，在六十年代，虽然玻璃纤维增强水泥基材料的研究已经比较深入系统，但其制品一直未被推广应用；普通玻璃纤维的耐碱性较差，在水泥基体这样的碱性环境中极易失去其强度和刚性，在六十年代，虽然玻璃纤维增强水泥基材料的研究已经比较深入系统，但其制品一直未被推广应用； • 七十年代初期，英国建筑研究院向普通玻璃纤维中加入二氧化锆，研制成功了耐碱玻璃纤维后，玻璃纤维增强水泥制品才由英国的公司大量生产推广应用。

32. 但是提高抗碱玻璃纤维的抗碱能力有一定限度，为确保GRC但是提高抗碱玻璃纤维的抗碱能力有一定限度，为确保GRC 的长期耐久性，应尽量降低水泥基体的碱度。 迄今为止，国际上采取的技术路线基本上有下列两条： （1）对普通水泥改性:例如法国圣哥班公司在普通波特兰 水泥中同时掺加偏高岭土与丙烯酸酯乳液；德国海德堡水泥 公司使用高炉水泥(高炉矿渣粉含量在70％以上)并同时掺加偏 高岭土或其它材料。

33. （2）使用专门制造的低碱度水泥 • 例如中国建筑材料科学研究院开发的硫铝酸盐型低碱度水泥(由无水硫铝酸钙、石灰石、无水石膏组成)，日本秩父水泥公司开发的CGC水泥(由无水硫铝酸钙、C2S含量高的波特兰水泥、矿渣与石膏组成)。根据国内外的经验，为降低GRC制品的干缩率，应使灰砂比控制在1：1-1：1.5之间。

34. 玻璃纤维增强水泥作为一种新型的无机复合材料具有许多独玻璃纤维增强水泥作为一种新型的无机复合材料具有许多独 • 特的优点： • 轻质，一般以水泥砂浆为基体的GRC材料有低的干容重， • 比普通混凝土约低20％；在抗弯破坏强度相当的条件下， • GRC的容重可减低50％； • B. 高的抗弯强度、抗拉强度和高的抗冲击强度; • C. 工艺性能好，可任意模造出各种复杂的造型，用GRC材料 • 不仅可制造出应用于各个领域的建筑制品、景观制品，还 • 可用于制造仿古艺术品；

35. D. 它的可加工性能好，可任意锯、钉、磨、钻，便 于安装施工； E. 其价格较低，符合我国国情，可大量推广应用。

36. 我国目前有不少厂家生产抗碱玻纤网格布增强水我国目前有不少厂家生产抗碱玻纤网格布增强水 泥膨胀珍珠岩多孔条板，多数厂采用平模成型法， 极需解决机械化连续生产的技术与装备，以大幅 度提高此类产品的产量和质量。 不过，即使改性后的玻璃纤维，其增强普通硅 酸盐水泥基制品的长期使用效果仍令人怀疑，因此 玻璃纤维增强水泥基材料的耐久性问题仍将是该类 材料研究的主要内容。

37. 碳纤维增强水泥基材料 碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成 的纤维状碳化物。是一种高强度、高弹性模量的 材料，目前主要有两大系列： （1）一种是以聚丙烯晴为主要原料的碳纤维，称 聚丙烯晴基碳纤维； （2）另一种是以沥青为主要原料的碳纤维，称沥 青基碳纤维。

39. 碳纤维水泥基材料的特点： 碳纤维不仅有很高的抗拉强度和弹性模量，而且与大 多数物质不起化学反应，因此碳纤维增强水泥基材料 具有高抗拉性、高抗弯性、高抗断裂性、高抗蚀性等 优异性能。 同时，由于其热膨胀系数小，熔点高，纤维表面具有 类似石棉纤维的“纤化结构”，因此碳纤维增强水泥基 材料具有较好的耐热性和较小的温度形变。

40. 碳纤维在水泥基材料中的应用： • 邓家才等用压缩韧性指数衡量了碳纤维对水泥基复合材料韧性的增强作用，发现碳纤维水泥基复合材料的压缩韧性指数明显大于基准水泥基复合材料（增加59%~110%），并且随着碳纤维掺量的增加，变形能力和承载能力增强。

41. 近几年来，一些研究者利用碳纤维水泥基材料与金属接触具有较低的电阻及良好的电磁屏效应的特点，拟通过研究将碳纤维增强水泥基材料开发成某种智能材料。近几年来，一些研究者利用碳纤维水泥基材料与金属接触具有较低的电阻及良好的电磁屏效应的特点，拟通过研究将碳纤维增强水泥基材料开发成某种智能材料。

42. 王建军等研究了碳纤维水泥基复合材料的压敏性能,研究结果王建军等研究了碳纤维水泥基复合材料的压敏性能,研究结果 显示, 智能材料在结构完整性监测方面可以发挥较好的作用。 在水泥中掺人少量的短切碳纤维,极大地改善它的导电性能,对 变形有很高的电阻敏感性能,受拉时,电阻可逆地增加,受压时, 电阻可逆地减小,对应变的灵敏系数可达到700,而普通电阻应 变片灵敏系数仅为2。对结构材料而言, 智能结构材料无须埋 设、粘贴传感器来监测,因为它本身就是传感器。

43. 虽然碳纤维的造价相对较高，鉴于碳纤维增强水泥基材料上述种种优点，目前仍然应用较多，具有较好的发展前景。虽然碳纤维的造价相对较高，鉴于碳纤维增强水泥基材料上述种种优点，目前仍然应用较多，具有较好的发展前景。

44. 钢纤维增强水泥基材料 钢纤维的材质一般为低碳钢，在一些特殊要求的工程也可用 不锈钢。纤维直径一般为0.15~0.75mm。 钢纤维增强水泥基材料是纤维增强水泥基材料理论研究最早 的一种。与其它增强纤维相比钢纤维增强水泥基材料研究得 最广泛最深入。 目前，钢纤维增强水泥基材料在工程建设中应用最广，钢 纤维的消耗量仅次于石棉纤维。

45. 端钩型钢纤维 钢纤维混凝土盖板专用钢纤

46. 钢纤维增强水泥井盖

47. 钢纤维加入到水泥基材料中后，改变了材料的破坏方式，提高了材料的强度(包括热压强度、抗拉强度和抗弯强度，特别是大幅度提高了材料的韧性。另外，复合材料的耐磨性、耐疲劳性、抗冲击性和冻融性等也有不同程度的改善。钢纤维加入到水泥基材料中后，改变了材料的破坏方式，提高了材料的强度(包括热压强度、抗拉强度和抗弯强度，特别是大幅度提高了材料的韧性。另外，复合材料的耐磨性、耐疲劳性、抗冲击性和冻融性等也有不同程度的改善。 目前，钢纤维水泥基复合材料因其具有高抗拉强度和弹性模量而得到广泛应用，但其价格较贵、比重大且在基体中不易于分散。

48. 合成纤维增强水泥基复合材料 用于水泥基材料增强的合成纤维有 • 聚丙烯纤维 • 尼龙纤维 • 聚氨酯纤维 • 芳纶纤维。

49. 1）聚丙烯纤维 • 聚丙烯纤维是由丙烯聚合物或共聚物制成的烯烃类纤维。聚丙烯材料的优点是强度较高，比重比一般聚合物低， 完全不吸水，为中性材料，与酸碱不起作用，而且经济性好，这些特点使它特别适用于掺加在混凝土中。

50. 有机仿钢纤维——增韧型聚丙烯纤维 混凝土用聚丙烯纤维