复合材料-第七章水泥基复合材料

1、混凝土
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。
水和水泥形成 水泥浆，起胶 结作用；
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% 。
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。
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。
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
(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。
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
（低水灰比）
浇筑捣实
养护
（温、湿度）
硬化混凝土
优质的骨料
高流动性
（高效率）
超细矿粉 掺合料 高效减水剂
坍落度损 失的控制
强度
耐久性
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。
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。
（2）水泥用量400~500 kg/m3 ,对于80MPa以上
混凝土可达500kg/m3，更高强度时也不宜超过
550 kg/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.
水泥特点：
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 。 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。
§7-2 水泥基复合材料的种类及基本性能
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 按照增强体的种类分类：
混凝土、 纤维增强水泥基复合材料、 聚合物水泥基复合材料。
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
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
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
水泥及水泥基复合材料常用符号
CaO:C Al2O3:A
SiO2:S Fe2O3:F H2O: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。
§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；
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。
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
聚合物浸渍混凝土 聚合物混凝土 聚合物水泥混凝土
(1)聚合物浸渍混凝土
§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
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。
（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。
应用实例： 黄石长江大桥
红水河大桥（广西）
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。
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。


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.
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。
对原材料的基本要求：
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。
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。
§7-3 水泥基复合材料的成型工艺
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。
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Байду номын сангаас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。