第7章 水泥基復(fù)合材料

1、復(fù)合材料郭連貴郭連貴湖北工程學院化學與材料科學學院湖北工程學院化學與材料科學學院石墨烯石墨烯第第7章章 水泥基復(fù)合材料水泥基復(fù)合材料多壁碳納米管多壁碳納米管31 1、水泥的定義、水泥的定義 凡細磨成粉末狀，加入適量水后成為塑性漿體，既能在凡細磨成粉末狀，加入適量水后成為塑性漿體，既能在空氣中硬化，又能在水中硬化空氣中硬化，又能在水中硬化，并能將砂、石等散?；蚶w維，并能將砂、石等散?；蚶w維材料牢固地膠結(jié)在一起的材料牢固地膠結(jié)在一起的水硬性膠凝材料水硬性膠凝材料，通稱為水泥。，通稱為水泥。7.1 水泥概述水泥概述4u 水泥發(fā)展應(yīng)用歷史水泥發(fā)展應(yīng)用歷史原始意義的水泥：羅馬時期（萬神廟）原始意義的水泥

2、：羅馬時期（萬神廟） 使用的石灰和火山灰的混合物使用的石灰和火山灰的混合物 5u現(xiàn)代意義的水泥：現(xiàn)代意義的水泥： 1824年英國人年英國人J.阿斯普丁用石灰石和粘土燒制成水泥，硬化后阿斯普丁用石灰石和粘土燒制成水泥，硬化后的顏色與英格蘭島上波特蘭地方用于建筑的石頭相似，被命的顏色與英格蘭島上波特蘭地方用于建筑的石頭相似，被命名為名為波特蘭水泥波特蘭水泥（ 1824，Portland Cement ），并取得了專利），并取得了專利權(quán)。權(quán)。 當代水泥：多品種、多用途當代水泥：多品種、多用途 水泥發(fā)展應(yīng)用歷史水泥發(fā)展應(yīng)用歷史62、水泥的制造方法和主要成分、水泥的制造方法和主要成分最普通的硅酸鹽水泥熟

3、料含有硅酸三鈣，硅酸二鈣，鋁酸三鈣，鐵鋁酸四鈣，少量游離氧化鈣，游離氧化鎂及堿性氧化物和玻璃體等。7水泥使用經(jīng)過兩個過程：水泥使用經(jīng)過兩個過程： 凝結(jié)凝結(jié) 硬化硬化 u 凝結(jié)硬化的概念：凝結(jié)硬化的概念：具有流動性的漿體失去塑性的過程稱凝結(jié)；具有流動性的漿體失去塑性的過程稱凝結(jié)；失去塑性的漿體逐漸具有強度的過程稱硬化。失去塑性的漿體逐漸具有強度的過程稱硬化。3、水泥的強度和硬化、水泥的強度和硬化89水泥的初凝時間水泥的初凝時間不宜過早不宜過早，以便施工時有充分時間，以便施工時有充分時間攪拌、運攪拌、運輸、澆注和砌筑輸、澆注和砌筑等操作；否則在施工前已等操作；否則在施工前已失去流動性和塑性失去流動

4、性和塑性而無法施工。而無法施工。水泥的終凝水泥的終凝不宜過遲不宜過遲，以便施工完畢后盡快硬化，達到一定，以便施工完畢后盡快硬化，達到一定的強度，以利于下一步施工工藝的進行；否則將延長施工進的強度，以利于下一步施工工藝的進行；否則將延長施工進度和模板的周轉(zhuǎn)率。度和模板的周轉(zhuǎn)率。u指標：初凝時間指標：初凝時間不得早于不得早于45min，終凝，終凝不得遲于不得遲于390minu工程意義工程意義107.2 水泥基復(fù)合材料水泥基復(fù)合材料11一、混凝土一、混凝土121 1、混凝土的分類、混凝土的分類 一、混凝土一、混凝土2 2、混凝土的組成、混凝土的組成 一、混凝土一、混凝土u 石子分散于硬化砂漿、石子分

5、散于硬化砂漿、砂分散于水泥石、未水化砂分散于水泥石、未水化水泥顆粒分散于水泥水化水泥顆粒分散于水泥水化產(chǎn)物中、晶體分散于凝膠產(chǎn)物中、晶體分散于凝膠體中。體中。一、混凝土一、混凝土3 3、混凝土的性質(zhì)、混凝土的性質(zhì)（1 1）混凝土拌和物的性質(zhì)）混凝土拌和物的性質(zhì) 一、混凝土一、混凝土（2 2）混凝土成型物的性質(zhì)）混凝土成型物的性質(zhì) 一、混凝土一、混凝土（2 2）混凝土成型物的性質(zhì)）混凝土成型物的性質(zhì) 一、混凝土一、混凝土一、混凝土一、混凝土一、混凝土一、混凝土（2 2）混凝土成型物的性質(zhì)）混凝土成型物的性質(zhì) 一、混凝土一、混凝土一、混凝土一、混凝土一、混凝土一、混凝土4 4、高性能混凝土、高性能

6、混凝土 （1 1）高性能混凝土定義）高性能混凝土定義 一、混凝土一、混凝土（2 2）高性能混凝土的組成材料）高性能混凝土的組成材料 一、混凝土一、混凝土（2 2）高性能混凝土的組成材料）高性能混凝土的組成材料 一、混凝土一、混凝土（2 2）高性能混凝土的組成材料）高性能混凝土的組成材料 一、混凝土一、混凝土（2 2）高性能混凝土的組成材料）高性能混凝土的組成材料 高性能混凝土配置要點：高性能混凝土配置要點：p 摻入與所用水泥具有相容性的外加劑以摻入與所用水泥具有相容性的外加劑以降低水灰比，改善工作性能；降低水灰比，改善工作性能；p 摻入一定量摻和料，提高強度降低成本；摻入一定量摻和料，提高強度

7、降低成本；p 選擇合適集料，優(yōu)化配合比選擇合適集料，優(yōu)化配合比一、混凝土一、混凝土（3 3）高性能混凝土的微觀結(jié)構(gòu)特點）高性能混凝土的微觀結(jié)構(gòu)特點 p 漿體比例降低；漿體比例降低；p 漿體總孔隙率?。粷{體總孔隙率小；p 孔徑尺寸較??；孔徑尺寸較??；p 漿體漿體- -集料界面與漿體本體無明顯區(qū)別；集料界面與漿體本體無明顯區(qū)別；p 游離氧化鈣含量低；游離氧化鈣含量低；p 內(nèi)部產(chǎn)生自應(yīng)力狀態(tài)。內(nèi)部產(chǎn)生自應(yīng)力狀態(tài)。（4 4）高性能混凝土的特性）高性能混凝土的特性 p 有自密實性、體積穩(wěn)定性好、強度高、水化熱降低、具有收縮特性、徐變變形有自密實性、體積穩(wěn)定性好、強度高、水化熱降低、具有收縮特性、徐變變形

8、低、低、ClCl-1-1滲透率低、抗化學腐蝕性能好；滲透率低、抗化學腐蝕性能好；p 高溫下產(chǎn)生爆裂、剝落。高溫下產(chǎn)生爆裂、剝落。28二、纖維增強水泥復(fù)合材料二、纖維增強水泥復(fù)合材料1 1 、復(fù)合材料的組成：、復(fù)合材料的組成： 增強劑增強劑 短纖維短纖維 基體基體 硅酸鹽水泥、調(diào)凝水泥及高鋁礦渣水泥等硅酸鹽水泥、調(diào)凝水泥及高鋁礦渣水泥等 填料填料 沙、粉煤灰等沙、粉煤灰等。u鋼纖維增強水泥基材料鋼纖維增強水泥基材料u石棉纖維增強水泥基材料石棉纖維增強水泥基材料u天然纖維增強水泥基材料天然纖維增強水泥基材料u合成纖維增強水泥基材料合成纖維增強水泥基材料u玻璃纖維增強水泥基材料玻璃纖維增強水泥基材料

9、u混雜纖維增強水泥板混雜纖維增強水泥板29（1 1） 基體的性能基體的性能 水泥基體不僅是傳遞應(yīng)力載荷，而且是受力的主體。水泥基體不僅是傳遞應(yīng)力載荷，而且是受力的主體。（2 2） 纖維與基體水泥間的相互作用纖維與基體水泥間的相互作用 彈性模量匹配，熱膨脹系數(shù)，界面反應(yīng)，纖維之間的間距彈性模量匹配，熱膨脹系數(shù)，界面反應(yīng)，纖維之間的間距2、影響纖維增強水泥復(fù)合材料性能的因素、影響纖維增強水泥復(fù)合材料性能的因素1）當纖維間距大于或等于兩倍界面層厚度時，各纖維的界面層將保持自身）當纖維間距大于或等于兩倍界面層厚度時，各纖維的界面層將保持自身形狀，互無干擾和影響，不因纖維間距改變而變；形狀，互無干擾和影

10、響，不因纖維間距改變而變；2) 當纖維間距小于兩倍界面層厚度時，由于界面層相互交錯、搭接，產(chǎn)生當纖維間距小于兩倍界面層厚度時，由于界面層相互交錯、搭接，產(chǎn)生疊加效應(yīng)，不同程度地引起界面層弱谷變淺，對界面產(chǎn)生強化效應(yīng)；疊加效應(yīng)，不同程度地引起界面層弱谷變淺，對界面產(chǎn)生強化效應(yīng)； 3）當纖維間距小于兩倍界面層厚度時，界面諸力學性能均有不同程度的提）當纖維間距小于兩倍界面層厚度時，界面諸力學性能均有不同程度的提高。高。303、纖維增強水泥的成型工藝、纖維增強水泥的成型工藝直接噴射法直接噴射法 直接噴射法是目前最常用的成型方法。其關(guān)鍵是玻璃纖維的直接噴射法是目前最常用的成型方法。其關(guān)鍵是玻璃纖維的均勻

11、分布以及噴射砂漿的脫泡和厚度的均勻性。均勻分布以及噴射砂漿的脫泡和厚度的均勻性。直接噴射法示意圖直接噴射法示意圖 砂漿配比：砂漿配比： W/C = 0.30.4 S/C =0.51耐堿短切纖維：耐堿短切纖維： 1250mm 含量約35% 31連續(xù)噴射脫水法示意圖連續(xù)噴射脫水法示意圖 噴射脫水法噴射脫水法p這種方法是將玻璃纖維增強水泥這種方法是將玻璃纖維增強水泥噴射噴射到一個帶有減壓裝置的到一個帶有減壓裝置的鋪有濾布的開孔臺上。鋪有濾布的開孔臺上。p噴射完后進行減壓，通過濾布將玻璃纖維增強水泥的剩余水噴射完后進行減壓，通過濾布將玻璃纖維增強水泥的剩余水分脫掉。分脫掉。32 就是將水泥、沙子、水、

12、外加劑和耐堿玻璃短切纖維在攪就是將水泥、沙子、水、外加劑和耐堿玻璃短切纖維在攪拌機中混合成預(yù)混料，然后不斷注入到振動著的模具里進行成拌機中混合成預(yù)混料，然后不斷注入到振動著的模具里進行成型。型。預(yù)混料澆鑄法預(yù)混料澆鑄法33離心成型法離心成型法適合于回轉(zhuǎn)體構(gòu)件，纖維可進行表面集中增強。適合于回轉(zhuǎn)體構(gòu)件，纖維可進行表面集中增強。離心成型離心成型 + + 脫水脫水p在旋轉(zhuǎn)的管狀模具中噴入玻璃纖維和水泥漿，利用離心力均勻在旋轉(zhuǎn)的管狀模具中噴入玻璃纖維和水泥漿，利用離心力均勻成型。成型。p該法能夠控制纖維的方向，使它能有效地作用到管子的結(jié)構(gòu)強該法能夠控制纖維的方向，使它能有效地作用到管子的結(jié)構(gòu)強度上，而

13、且在厚度方向上可以改變纖維量。度上，而且在厚度方向上可以改變纖維量。34三、聚合物改性混凝土三、聚合物改性混凝土聚合物改性混凝土聚合物改性混凝土主要有三種形式：主要有三種形式：一是聚合物浸漬混凝土；一是聚合物浸漬混凝土；二是聚合物混凝土（樹脂混凝土）；二是聚合物混凝土（樹脂混凝土）；三是聚合物水泥混凝土。三是聚合物水泥混凝土。 351 1、聚合物浸漬混凝土、聚合物浸漬混凝土u將成型的混凝土構(gòu)件通過干燥及抽真空的方法排除混凝土結(jié)將成型的混凝土構(gòu)件通過干燥及抽真空的方法排除混凝土結(jié)構(gòu)空隙中的水分和空氣；構(gòu)空隙中的水分和空氣；u然后將構(gòu)件浸入聚合物單體溶液中，使得聚合物單體溶液進然后將構(gòu)件浸入聚合物

14、單體溶液中，使得聚合物單體溶液進入結(jié)構(gòu)空隙中；入結(jié)構(gòu)空隙中；u通過加熱等方法使得單體聚合成聚合物結(jié)構(gòu)；通過加熱等方法使得單體聚合成聚合物結(jié)構(gòu)；u這樣聚合物就填充了混凝土的結(jié)構(gòu)空隙，改善了微觀結(jié)構(gòu)，這樣聚合物就填充了混凝土的結(jié)構(gòu)空隙，改善了微觀結(jié)構(gòu)，從而使其性能得到了改善。從而使其性能得到了改善。36p特點是：聚合物填充了水泥混凝土內(nèi)部的孔隙和微裂縫特點是：聚合物填充了水泥混凝土內(nèi)部的孔隙和微裂縫u 提高了水泥石與骨料間的黏結(jié)強度；提高了水泥石與骨料間的黏結(jié)強度；u減少了應(yīng)力集中；減少了應(yīng)力集中；u使聚合物浸漬混凝土具有高強、密實、防腐、抗?jié)B、耐磨、使聚合物浸漬混凝土具有高強、密實、防腐、抗?jié)B、

15、耐磨、抗沖擊等優(yōu)良的力學性能。抗沖擊等優(yōu)良的力學性能。1、聚合物浸漬混凝土、聚合物浸漬混凝土37u性能性能：其抗壓強度可提高24倍，一般為100150Mpa，最高可達到260Mpa以上，抗拉強度可以提高到1020Mpa，最高能達到240Mpa以上。u用途用途：要求高強度，高耐久性的特殊結(jié)構(gòu)工程，如高壓輸氣管、高壓輸液管、高壓容器、海洋構(gòu)筑物、原子能反應(yīng)堆等工程382 2、聚合物混凝土（樹脂混凝土）、聚合物混凝土（樹脂混凝土）u以以聚合物為結(jié)合料聚合物為結(jié)合料與砂石等骨料形成混凝土；與砂石等骨料形成混凝土；u大部分情況下是把聚合物單體與粗骨料拌和，通過大部分情況下是把聚合物單體與粗骨料拌和，通過

16、單體聚合單體聚合把把粗骨料粗骨料結(jié)合在一起，形成整體，可用結(jié)合在一起，形成整體，可用預(yù)制或現(xiàn)澆的方法預(yù)制或現(xiàn)澆的方法施工。施工。39u優(yōu)點優(yōu)點 強度高、化學穩(wěn)定性好、耐磨性高、抗凍性好、絕緣性強度高、化學穩(wěn)定性好、耐磨性高、抗凍性好、絕緣性能好、幾乎不吸水、易于黏結(jié)能好、幾乎不吸水、易于黏結(jié)應(yīng)用于應(yīng)用于 耐腐蝕的化工結(jié)構(gòu)和高強度接頭。耐腐蝕的化工結(jié)構(gòu)和高強度接頭。速凝、而且速凝、而且早期強度高，較廣泛用于建筑結(jié)構(gòu)和道路的早期強度高，較廣泛用于建筑結(jié)構(gòu)和道路的修補。修補。但價格昂貴，多用于特殊用途，如搶修等但價格昂貴，多用于特殊用途，如搶修等。 另外，由于樹脂混凝土外表美觀，也可用做飾面構(gòu)件，另

17、外，由于樹脂混凝土外表美觀，也可用做飾面構(gòu)件，如窗臺等。如窗臺等。2、聚合物混凝土（樹脂混凝土）、聚合物混凝土（樹脂混凝土）40u性能性能：與普通混凝土相比，樹脂混凝土具有強度高，耐化學腐蝕、耐磨、抗凍性好等有點，但硬化時收縮大，耐久性差。u用途用途：由于樹脂成本高，目前僅用于特殊工程，如耐腐蝕性工程，修補混凝土構(gòu)件及堵漏材料等（搶修搶修）。此外樹脂混凝土因其美觀的外表，又稱人造大理石，可以制成桌面、地面磚、浴缸等。413、聚合物水泥混凝土、聚合物水泥混凝土p在水泥混凝土成型過程中摻入一定量的聚合物，從而改善混凝土的在水泥混凝土成型過程中摻入一定量的聚合物，從而改善混凝土的性能。性能。p與水泥

18、混凝土相比，其優(yōu)點是：與水泥混凝土相比，其優(yōu)點是：具有較好的粘結(jié)性、耐久性、耐磨性，有較高的抗彎性能，減少具有較好的粘結(jié)性、耐久性、耐磨性，有較高的抗彎性能，減少收縮，提高不透水性、耐腐蝕性和耐沖擊性。收縮，提高不透水性、耐腐蝕性和耐沖擊性。p主要用于：主要用于：地面、路面、橋面和船舶的內(nèi)外板面，尤其是更適用于有灑落地面、路面、橋面和船舶的內(nèi)外板面，尤其是更適用于有灑落化學物質(zhì)的樓地面，也可用做襯砌材料、噴射混凝土和新舊混化學物質(zhì)的樓地面，也可用做襯砌材料、噴射混凝土和新舊混凝土的接頭。凝土的接頭。聚合物水泥砂漿和混凝土在舊混凝土結(jié)構(gòu)的修補和維護方面用聚合物水泥砂漿和混凝土在舊混凝土結(jié)構(gòu)的修補和維護方面用量也較大，制備工藝不變，成本相對低。量也較大，制備工藝不變，成本相對低。42u聚合物的加入，使得混凝土聚合物的加入，使得混凝土的密實度的密實度有所提高；有所提高；u水泥石與骨料的粘結(jié)有所加強；水泥石與骨料的粘結(jié)有所加強；u其強度遠不及浸漬混凝土那樣顯著；其強度遠不及浸漬混凝土那樣顯著；u但與普通混凝土相比，在耐腐蝕性、耐磨性、耐沖擊性等方面