第8章 水泥基复合材料

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3、用聚合物作增强剂：在混凝土拌合过程中，聚 合物粒子吸附于水泥颗粒与纤维表面，在水泥水 化过程中聚合物失水并形成聚合物膜，在界面形 成连续相。聚合物的弹性模量较低，因而可钝化 界面区初始微裂纹尖端的应力集中，对改善界面 层内部的应力状态，限制裂纹产生和发展有着积 极的作用。纤维状聚合物粒子还可能跨越界面层 的微裂纹，起桥联和填充的作用。聚合物的掺入 对于减小界面区的厚度和弱谷与纤维表面的距离、 缩小界面层与基体的差异、增强界面粘结力有着 明显的作用。
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连续喷射脱水法示意图
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3、预混料浇铸法 预混料浇铸法就 是将水泥、沙子、 水、外加剂和适 当长的耐碱玻璃 短切纤维在搅拌 机中混合成预混 料，然后不断注 入到振动着的模 具里进行成型。 用这种方法可以 成型厚壁的制品， 在物性方面不如 喷射法。
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4、压力法 预混料注入到模具后，加压除去剩余水分， 及时脱模，可以提高生产率，并能获得良好的表面 精度。 5、离心成型法 在旋转的管状模具中喷入玻璃纤维和水泥浆， 利用离心力均匀成型。该法能够控制纤维的方向， 使它能有效地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。
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4、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 大，对纤维抗拔越有利。 2）表面凸凹不平的冷拔-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 部分组成，因而提高了抗拔力。


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纤维与基体在弹性模量上的匹配：当复合材料 的应变达到纤维或基体中比较小的那个应变时， 只有Ef Em ，纤维才可分担复合材料中更多 的负荷水平。所以要求选用的纤维具有较高的 弹性模量。
性能：纤维的掺入可显著地提高混凝土的极限 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。
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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。可分轻质混凝土、 防水混凝土、耐热混凝土和防辐射混凝土等。 混凝土拌和物可浇制成各种形状的构件；混 凝土与钢筋有良好的粘结力，可制成钢筋混凝土 和予应力钢筋混凝土。

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混凝土的构成
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8.2.2纤维增强水泥复合材料
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。
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将这一结构形成过程分为三个阶段。第一 阶段：聚合物颗粒均匀分布在水泥浆体中， 形成聚合物水泥浆体。随着水泥的水化， 水泥凝胶逐渐形成，并且液相中的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。第二阶段：随着水化的进一 步进行，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，粘结了骨料 颗粒的表面及水泥水化凝胶与水泥颗粒混 合物的表面。
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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。大部 分情况下是把聚合物单体与粗骨料拌和，通过单体 聚合把粗骨料结合在一起，形成整体，可用预制或 现浇的方法施工。这种混凝土有比普通混凝土无法 比拟的特殊性质，如速凝等，但价格昂贵，多用于 特殊用途，如抢修等。
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聚合物水泥混凝土：
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因此，混合物中的较大空隙被有粘结性的聚合物填充。在 这一阶段中聚合物颗粒与矿物的硅酸盐表面还可能发生化 学反应。第二阶段：由于水化的不断进行，凝聚在一起的 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，把水泥水化物联结在一起，因而改善了水 泥的结构形态。
增加了抵抗力，起到了提高抗弯及抗拉强度的作
用。
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8.3.3纤维增强水泥的成型工艺 1、直接喷射法
直接喷射法是目前最常用的成型方法。其关键是玻 璃纤维的均匀分布以及喷射砂浆的脱泡和厚度的均 匀性。 用这种方法，纤维在二维方向无规配向。因此，在 制造时制品的形状、大小、厚度等自由度最大，通 用性也最大，设备费用较便宜
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（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，诸界面层在基体水泥中将有双重界面随 机强化效应，只要纤维、沙粒空间随机间距小 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。
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（3）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。 纤维与基体在热膨胀系数上的匹配：利用纤维与基 体在热膨胀系数上的不同，如纤维的热膨胀系数大 于基体的热膨胀系数，复合材料在基体上产生一定 的压预应力，而纤维则处于张应力状态，这样则对 复合材料的性能是有好处的。
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8.3.2钢筋混凝土的成型工艺
钢筋混凝土结构提高了抗弯及拉伸强度。支撑更
大负荷的是钢筋，但混凝土自身的特性没有改善。
不改变混凝土的成分，可以用物理力来改善混凝 土自身的强度。基本做法是预先向混凝土硬化体 施加压缩力，储藏应变能。当使用过程中承受外 力时，只需用该应变能返回常态时的那分力，就
湿度，不要施加冲击及过度的负荷。
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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。
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8.2水泥复合材料 8.2.1混凝土
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直接喷射法示意图
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2、喷射脱水法
这种方法是将玻璃纤维增强水泥喷射到一个常有
减压装置的铺有滤布的开孔台上。喷射完后进行 减压，通过滤布将玻璃纤维增强水泥的剩余水分 脱掉。其制品比直接喷射制品强度高，但制品形 状仅限于板状或异性断面等的弯曲加工制造。喷
射脱水过程可通过机械化很容易进行连续操作。
在水泥混凝土成型过程中掺入一定量的聚合物，从 而改善混凝土的性能其优点是：抗折强度提高，抗 压强度提高，抗压强度/抗折强度的比值减小；刚 性或脆性降低，变形能力增大；耐久性与抗侵蚀能 力有一定程度的提高；有良好的粘结性，适于修补 工程；制备工艺不变，成本相对低。
艺 8.3.1混凝土的配合比设计及成型工艺控制 在组成材料已定的条件下，决定混凝土各项性能的 则主要是各组成材料之间的相对比例。 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。
第八章 水泥基复合材料


8.1水泥概述
1、水泥的定义和分类： 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。 通用水泥：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水 泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥。 专用水泥：油井水泥、砌筑水泥。 特性水泥：快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、抗硫 酸盐硅酸盐水泥、膨胀硫酸铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥、 铝酸盐水泥、硫铝盐水泥、氟铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等。
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6、抄造法 大多数石棉板几乎都是用圆网抄造法 （以发明者命名的）制造的。 现用玻璃纤维代替石棉以避免公害。在使用 这种方法时，一般将耐碱玻璃纤维混合到原 料浆液中。因仅有玻璃纤维过滤太快，过滤 水流失了很多水泥粒子，所以通常使用一定 程度的砂浆和石棉作为内部过滤材料。 这 种方法适合于成型较厚的板状制品。
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2、水泥的制造方法和主要成分
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3、水泥的强度和硬化

向水泥中加水充分搅拌后，逐渐凝固的过程叫做凝结。再
经一段时间凝固就更加强固，该过程叫做硬化。 普通水泥凝结过程是几个小时，而硬化过程180天后还在 继续着。 水泥颗粒之间的水与水泥发生水化反应生成水化物，水化物


占据了硬化物的主体。
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2 、影响材料性能的因素：
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。 纤维与基体水泥间的相互作用： （1）当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，不因纤维间距改变而变；当纤维间距小于两 倍界面层厚度时，由于界面层相互交错、搭接， 产生叠加效应，不同程度地引起界面层弱谷变浅， 对界面产生强化效应。
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8.4（钢筋混凝土）纤维 / 基体的界面
一般来讲，钢筋混凝土中纤维 / 基体的界面具有比基 体大的水灰比，易形成较厚的水膜层，即界面薄弱层。

改善界面性能的途径：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。 1、降低水灰比和使用减水剂：这是减小水膜层的厚度， 改善过渡环的主要措施。 2、掺入硅灰：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移动，界 面层厚度变小。

水泥的强度是由这些水化物不留间隙地充填了空隙而增强的 水泥硬化的条件：

原料配比：最重要的是水与水泥（W / C）比。
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标准水泥的原料配比
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2）搅拌：
3)养生：凝结、硬化的过程中，在达到某种程 度的强度期间，促进水化反应，保护混凝土不 受来自外部的有害影响所做的工作叫养生。其 基本做法是在适当的温度范围内，给予充分的
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8.3.4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地 分布在水泥混凝土中。形成水泥基的复合材料。 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。随着水分的不断减少，聚合物在水泥中形 成结构。