先进水泥基复合材料PPT
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复合材料-第七章水泥基复合材料
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
优质的骨料 高流动性 （高效率）
养护
（温、湿度）
硬化混凝土
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。
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。
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。
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。
(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。
水泥基复合材料
纤维增强
纤维增强水泥基复合材料是由不连续的纤维均匀地分散于水泥混凝土基材中形成的复合材料.纤维与水泥浆基 材的黏结比较牢固形成了遍布结构全体的纤维网。当基本材料受拉力过高开裂时拉力可逐步转移到横跨裂纹的纤 维上增大了混凝土结构的变形能力。纤维的拉伸强度较高使混凝土结构的拉伸强度增大。复合材料的抗拉、抗弯、 抗裂、抗疲劳、抗振及抗冲击能力得到显著改善。纤维增强水泥基复合材料的主要性能特点：力学性能比普通混 凝土明显改善；新拌混凝土的坍落度值比未掺纤维时低；混凝土的抗渗性有明显的改善；搅拌工艺不当时易产生 纤维结团现象；运输及浇注中有时会出现分层。纤维增强混凝土的开发趋势为：钢纤维和玻璃纤维被公认为最有 前途的增强纤维；耐碱玻璃纤维将来可能成为石棉的的代用品；聚丙烯和尼龙等合成纤维对增加抗拉强度完全无 效，但抗冲击性能十分优良；碳纤维的抗弯强度介于纲纤维和耐碱玻璃纤维之间，在各种纤维中钢纤维对裂缝的 约束能力最好对于抗弯、拉伸强度也最有效。增强混凝土的韧性最好。
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简介
水泥基复合材料是指以硅酸盐水泥为基体，以耐碱玻璃纤维通用合成纤维、各种陶瓷纤维、碳和芳纶等高性 能纤维、金属丝以及天然植物和旷物纤维为增强体，加入填料、化学助剂和水经复合工艺构成的复合材料。
材料制备
基本上按所用的增强体品种划分，水泥基复合材料比一般混凝土性能有所提高。以短切的耐碱玻璃纤维约 3~10%含量的复合材料为例，其密度为1600~ 2500kg/m³，抗冲强度8.0~/mm²，压缩强度48~83MPa，热膨胀系数 为11-16X10¯⁶K¯ᴵ。性能随所用原材料、配比、工艺和养护条件而异。这种复台材料的成型工艺基本上有搅拌，喷 射、挤出缠绕和铺设等方法。成型后还需一定的养护过程使之不发生畸变和降低性能，水泥基复合材料基本上用 于制造建筑构件，如内、外墙板、天花板等。已试图将高性能纤维与树脂构成的复合材料代替传统的钢筋用于超 高层建筑的混凝士承重框架中 。
复合材料课件第七章 水泥基复合材料-2
湿养护有利于水泥的充分水化，以降低混 凝土的孔隙率和切断毛细孔的连续性，温 度养护可减少温度裂缝，从而提高混凝土 抗渗性。因此，混凝土浇筑完毕后，应根 据现场气温条件及时覆盖和洒水，混凝土 养护时间一般不少于14天。
切缝机
50
3、无宏观缺陷水泥
无宏观缺陷水泥（Macro Defect Free，简称 MDF）是20世纪80年代初英国帝国化学公 司实验室的Bitchall和牛津大学的Howard发 明的。
2、水泥混凝土路面
路基土组
粘性土
由各种水干泥湿混类凝型土面层与基层、垫中层湿和路基所构成的路面
22
1:1.5
行车道及 硬路肩路面 结构图示
18
20
土基E0=35MPa
图
例
普通水泥 水泥稳定级配 级配碎石
混凝土面板 碎石基层 底基层
交通等级与混凝土抗折强度（抗压强度） 之间的关系
交通等级
抗折强度
抗碱玻璃纤维 8－20
2.7 1400－2500 70－80
2.0－3.5
中碱玻璃纤维 8－20
2.6 1000－2000 60－70
3.0－4.0
无碱玻璃纤维 8－20
2.54 3000－3500
高弹碳纤维 聚丙烯单丝 Kevlar-29 尼龙单丝 水泥净浆
9 ―――
12 100－200
―――
1.9 0.9 1.44 1.1 2.0－2.2
工艺路线：将水泥加少量的水、水溶性聚 合物、甘油经高效剪切搅拌后，在较低的 温度下压制成型，得到一种抗压强度可达 到200MPa，抗折强度可达到60-70MPa的新 型水泥基材料。
4、超细粒子均匀排列密实填充体系
超细粒子均匀排列密实填充体系（Densitif ied system contain ing homogeneously arranged u ltrafine particles， DSP）是丹麦A alborg波特兰水泥混凝土实验室的Bache 等在20世纪70年代末首先研制出来的一种水泥基高强 材料。
纤维强化水泥基复合材料的发展现状及应用PPT课件
(1)外部振动 (2)内部振动
2)射成型工艺
(1)钢纤维混凝土喷射成型方式 (2)混凝土成型质量
3)挤压成型工艺 4)钢纤维棍凝土的灌浆浸渍成型工艺
4、发展现状
目前，常用于增强水泥基复合材料的纤 维，主要包括钢纤维、碳纤维、玻璃纤维 等。有关纤维的物理性能数据见表 1。
4.1 PVA纤维增强水泥基复合材料
二、纤维强化水泥基复合材料的力学性能
在纤维增强水泥基复合材料中， 纤维的主要作用在于阻止微裂缝的 扩展，具体表现在提高复合材料的 抗拉、抗裂、抗渗及抗冲击、抗冻 性等。
2.1 抗拉强度
内部缺陷是水泥基复合材料破坏的主要 因素，任意分布的短切纤维在复合材料硬 化过程中改变了其内部结构，减少了内部 缺陷，提高了材料的连续性。在水泥基复 合材料受力过程中纤维与基体共同受力变 形，纤维的牵连作用使基体裂而不断并能 进一步承受载荷，可使水泥基材的抗拉强 度得到充分保证；当所用纤维的力学性能、 几何尺寸与掺量等合适时，可使复合材料 的抗拉强度有明显的提高。
4.2 刚纤维增强水泥基复合材料
钢纤维是发展最早的一种增强用水泥基复合材料纤维。
早在 1910 年美国 Porter 就提出了把钢纤维均匀地撒入混凝 土中以强化材料的设想，随后俄国学者伏·波·涅克拉索夫首 先提出了钢纤维增强混凝土的概念。1963 年美国 Romuldi 等发表了一系列研究成果，从理论上阐述了钢纤维对水泥基 复合材料的增强机理。我国对钢纤维的应用研究相对于其它 几种纤维也比较早。赵国藩等人出版的《钢纤维混凝土结构》 中，对组成材料与工艺特性、基本性能、结构强度计算、抗 剪承载力计算、复杂应力下钢纤维混凝土的性能和计算、正 常使用极限状态验算方法以及其应用施工等内容都作了较完 整的说明。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。
2)射成型工艺
(1)钢纤维混凝土喷射成型方式 (2)混凝土成型质量
3)挤压成型工艺 4)钢纤维棍凝土的灌浆浸渍成型工艺
4、发展现状
目前，常用于增强水泥基复合材料的纤 维，主要包括钢纤维、碳纤维、玻璃纤维 等。有关纤维的物理性能数据见表 1。
4.1 PVA纤维增强水泥基复合材料
二、纤维强化水泥基复合材料的力学性能
在纤维增强水泥基复合材料中， 纤维的主要作用在于阻止微裂缝的 扩展，具体表现在提高复合材料的 抗拉、抗裂、抗渗及抗冲击、抗冻 性等。
2.1 抗拉强度
内部缺陷是水泥基复合材料破坏的主要 因素，任意分布的短切纤维在复合材料硬 化过程中改变了其内部结构，减少了内部 缺陷，提高了材料的连续性。在水泥基复 合材料受力过程中纤维与基体共同受力变 形，纤维的牵连作用使基体裂而不断并能 进一步承受载荷，可使水泥基材的抗拉强 度得到充分保证；当所用纤维的力学性能、 几何尺寸与掺量等合适时，可使复合材料 的抗拉强度有明显的提高。
4.2 刚纤维增强水泥基复合材料
钢纤维是发展最早的一种增强用水泥基复合材料纤维。
早在 1910 年美国 Porter 就提出了把钢纤维均匀地撒入混凝 土中以强化材料的设想，随后俄国学者伏·波·涅克拉索夫首 先提出了钢纤维增强混凝土的概念。1963 年美国 Romuldi 等发表了一系列研究成果，从理论上阐述了钢纤维对水泥基 复合材料的增强机理。我国对钢纤维的应用研究相对于其它 几种纤维也比较早。赵国藩等人出版的《钢纤维混凝土结构》 中，对组成材料与工艺特性、基本性能、结构强度计算、抗 剪承载力计算、复杂应力下钢纤维混凝土的性能和计算、正 常使用极限状态验算方法以及其应用施工等内容都作了较完 整的说明。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。
第4章 纤维增强水泥基复合材料ppt课件
/ %
强
220
度
提
180
高
140
抗拉强度 抗弯强度
100
0.1 1
2 2.5
钢纤维掺量与钢纤维混凝土强度关系p图pt精选版
钢纤维含量 / %
12
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13
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14
（3）钢纤维混凝土的原材料
钢纤维混凝土的生产原料主要有水泥、细集料（砂 子）、粗集料（碎石子）、水、减水剂、速凝剂和 钢纤维等。
加速期：反应重新加快，反应速率随时间而增大，出现第二个放热 峰。在达到峰顶时本阶段即告结束（4~8h），此时终凝时间已过， 水泥石开始硬化。
减速期：水化衰减期，反应速率随时间下降的阶段（12~24h），水 化作用逐渐受扩散速率控制。
稳定期：反应速率很低，反应过程基本趋于稳定，水化完全受扩散 速率控制。
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44
双枪式和单枪式喷枪
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4.3.3.2 GRC复合材料的养护
（1）室温自然养护。水泥基复合材料的固化要求有足够的水分， 在养护过程中要不断补充水分。供水方法多采用蓄水、喷水和洒水 等方法，大多数企业在制品上铺层麻袋或草袋，不断向麻袋和草袋 上浇水。自然或室温的养护温度要保持在15℃以下。
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减水剂是一种在 维持混凝土坍落 度不变的条件下， 能减少拌合用水 量的混凝土外加 剂。
速凝
15
① 水泥
水泥是一种人造矿物质粉状胶凝材料，加水形成 塑性浆体，在空气和水中都可固化，固化的水泥能将砂、 石、钢纤维牢固胶结在一起，是一种水硬性胶凝材料。 水泥可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类。
普通硅酸盐水泥。
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水泥基复合材料PPT(共34页)
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。
12
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。
1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。
18
8.3.2钢筋混凝土的成型工艺
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。
13
聚合物改性混凝土 对混凝土最基本力学性能的改善要借助于向混凝土
中掺加外掺剂，在大多数情况下是掺加聚合物。 主要有三种形式： 一是聚合物浸渍混凝土； 二是聚合物混凝土； 三是聚合物水泥混凝土。
19
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
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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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。
1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。
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8.3.2钢筋混凝土的成型工艺
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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聚合物改性混凝土 对混凝土最基本力学性能的改善要借助于向混凝土
中掺加外掺剂，在大多数情况下是掺加聚合物。 主要有三种形式： 一是聚合物浸渍混凝土； 二是聚合物混凝土； 三是聚合物水泥混凝土。
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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
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。
水泥基复合材料讲义
水泥基复合材料讲义绪论一、简述混凝土的应用随着社会经济的发展，土木建筑事业也迅速发展，对混凝土的需求也日益增大。
目前，混凝土的应用已从一般的工业与民用建筑、港口码头、道路桥梁、水利工程等领域扩展到了海上浮动领域、海底建筑、地下城市建筑、高压储罐、核电站等领域，已成为世界上用量最大的人造石才。
二、混凝土的定义由胶结材(无机的、有机的或无机有机复合的)、颗粒状材料以及必要时加入化学外加剂和矿物掺合料等组分合理组成的混合料经硬化后形成具有堆聚结构的复合材料称为混凝土（这类混凝土的组织结构类似干某些天然岩石，故又称为人造石）。
三、混凝土的分类(一)按胶结材分1．无机胶结材混凝土(1)水泥混凝土：各种水泥为胶结材(2)石灰—硅质胶结材混凝土：石灰和各种合硅原料(砂及工业废渣等)以水热合成方法来产生水化矿物胶凝物质(3)石膏混凝土：以各种仓膏为胶结材制成(4)水玻璃—氟硅酸钠混凝土：木玻璃为胶结材，以氟硅酸钠为促硬剂制成2．有机胶结材混凝土(1)沥青混凝土：以沥青为胶结材制成，主要用于道路工程(2)聚合物胶结混凝土：以纯聚合物为胶结材制成3．无机有机复合胶结材混凝土(1)聚合物水泥混凝土：在水泥混凝土混合料中掺入聚合物或者用掺有聚合物的水泥制成(2)聚合物浸渍混凝：以水泥混凝土为基材，用有机单体液浸谈和聚合制成(二)按混凝土的结构分1．普通结构混凝土：它由粗、细集料和胶结材制成。
（碎石或卵石、砂和水泥制成者，即是普通混凝土。
）2．细粒混凝土：细集料和胶结材制成3．大孔混凝土：仅由粗集料和胶结材制成4．多孔混凝土：既无粗集料、也无细集料全由磨细的胶结材和其他粉料加水拌成的料浆用机械方法或化学方法位之形成许多微小的气泡后再经硬化制成(三)按容重分1．特重混凝土2．重混凝土3．轻混凝土4．特轻混凝土(四)按用途分结构用混凝土、隔热瘟凝土、装饰混凝土、耐酸混凝土、耐碱混凝土、耐火混凝土、道路混凝土、大坝混凝土、收缩补偿混凝土、海洋混凝土、防护混凝土等等。
水泥基复合材料
水泥基复合材料
水泥基复合材料是一种由水泥、骨料、掺合料和添加剂等原材料组成的新型建
筑材料，具有优异的力学性能、耐久性和耐腐蚀性能。
它是在水泥基体中加入特定的骨料和掺合料，经过一定的工艺方法制成的一种新型复合材料。
水泥基复合材料具有优良的抗压、抗弯、抗冻融和耐化学腐蚀等性能，广泛应用于建筑工程、道路工程、水利工程等领域。
首先，水泥基复合材料具有优异的力学性能。
由于在水泥基体中加入了特定的
骨料和掺合料，使得水泥基复合材料的力学性能得到了显著提高。
其抗压强度、抗折强度和抗冻融性能均远远优于传统的混凝土材料，可以满足各种工程的使用要求。
其次，水泥基复合材料具有优异的耐久性能。
水泥基复合材料在制备过程中，
采用了特殊的配比和工艺方法，使得其具有良好的耐久性能。
在各种恶劣的环境下，如潮湿、高温、酸碱等条件下，水泥基复合材料都能够保持稳定的性能，不易受到外界环境的影响。
此外，水泥基复合材料还具有良好的耐腐蚀性能。
传统的混凝土材料在受到化
学腐蚀时往往会出现表面起砂、龟裂等现象，影响使用寿命。
而水泥基复合材料由于添加了特定的掺合料和添加剂，使得其具有较强的抗化学腐蚀能力，能够在酸碱环境下长期稳定使用。
总的来说，水泥基复合材料作为一种新型的建筑材料，具有优异的力学性能、
耐久性和耐腐蚀性能，广泛应用于建筑工程、道路工程、水利工程等领域。
随着科技的不断进步和材料工艺的不断改进，相信水泥基复合材料将会在未来得到更广泛的应用和推广，为各种工程提供更加可靠、耐久的建筑材料。
第四章 新型水泥基复合材料
玻璃纤维修补路面网裂
碳纤维增强水泥基复合材料（CFRC）
70年代英国首先用聚丙烯腈基（PAN）、碳纤维 研制碳纤维增强水泥基材料CFRC（Carbon Fiber Reinforced Cement Based Composites）板材，使 用于伊拉克A1-Shakeed纪念馆，开创了CFRC研究与 应用的先例。迄今为止，国际上已有多幢高层建筑 应用了CFRC板材，取得了好的效果。由于它是高弹 模高强度纤维增强的水泥基，具有高抗拉、高抗弯、 高断裂能、低干缩率、低热膨胀系数、高耐高温与 阻燃能力、高耐久、耐大气老化、抗腐蚀、高抗渗、 与老混凝土、金属的接触电阻低和有良好的电磁屏 蔽效应而且能减轻自重，故CFRC有可能制成智能材 料。近几年来沥青基碳纤维增强水泥基材料发展迅 速。
纤维对于混凝土性能改善的机理
1.在混凝土凝结硬化初期，纤维可以限制混凝土的各种早 期收缩，有效地抑制混凝土早期干缩微裂纹及离析裂纹的 产生和发展，可以大大增强混凝土的抗裂抗渗能力。 2.当混凝土结构承受外力作用时，纤维能与基体共同承受 外力。在受外力初期，基体是主要承受外力者，当基体产 生开裂趋势后，横跨裂缝的纤维就会阻碍其开裂的扩展， 并承担部分荷载，从而提高了混凝土基体材料的抗荷载能 力。此外，随着外力的不断增大，适当体积掺量的纤维可 继续承受较高的荷载并产生较大的变形，直至纤维被拉断 或从基体中拔出而破坏，从而使其受力破坏过程中表现出 更高的韧性。
玻璃纤维增强水泥基复合材料（GFRC） 玻璃纤维增强水泥GFRC（Glass Fiber Reinforced Cement）具有强度高、韧性好、壁薄 质轻以及设计自由度大等特点，目前世界上不少国 家均已相继建立规模不等的GFRC工业，并已遍及了 五大洲。在制备技术、性能和应用等方面均不断有 新进展。
新型水泥基复合材料
1.钢纤维水泥基复合材料（SFRC） 20世纪60年代应用。 特点：抗裂、韧性和冲击较好。 钢纤维的类型，可按钢纤维的生产工
艺、外形、截面形状、材料品质、抗拉 强度及施工用途划分。
1）按钢纤维的生产工艺可分为： （a）钢丝切断型 （b）钢板剪切型 （c）钢锭铣削型 （d）熔抽型 这四种钢纤维的基本特征见表
玻璃纤维的分类
玻璃纤维的品种很多，一般可按玻璃原料中的含 碱量、单丝直径、纤维外观和纤维特性等方面进行分类。
（1）按玻璃原料中的含碱量可分为：有碱玻璃纤维 （碱性氧化物含量＞12%，也称A-玻璃纤维）、中碱玻 璃纤维（碱性氧化物含量6%～12%）、低碱玻璃纤维 （碱性氧化物含量2%～6%）、无碱玻璃纤维（碱性氧 化物含量＜2%，也称E-玻璃纤维）。
（2）按单丝直径可分为：粗纤维（单丝直径30 μm）、 初级纤维（单丝直径20 μm）、中级纤维（单丝直径 10～20 μm）、高级纤维（单丝直径3～9 μm，也叫纺织 纤维）。
（3）按纤维外观可分为：连续长纤维（其中有无捻粗 纱和有捻粗纱）、短切纤维、空心纤维和卷曲纤维等。
（4）按纤维特性可分为：高强玻璃纤维、高模量玻璃 纤维、耐高温玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维、 普通玻璃纤维（指无碱和中碱玻璃纤维）。
实验研究和工程实践表明，钢纤维的长度 为20～60 mm，直径或等效直径宜为0.3～0.9 mm，长径比在30～100范围内选用，其增强 效果和施工性能可满足要求。如超出上述范围， 经试验在增强效果和施工性能方面能满足要求 时，也可根据需要采用。根据国内外工程应用 经验，对一般浇筑、抗震框架节点及铁路轨枕 等类结构的钢纤维增强混凝土，常用钢纤维几 何参数选用范围如表
聚丙烯
击性能;
高弹性模量
艺、外形、截面形状、材料品质、抗拉 强度及施工用途划分。
1）按钢纤维的生产工艺可分为： （a）钢丝切断型 （b）钢板剪切型 （c）钢锭铣削型 （d）熔抽型 这四种钢纤维的基本特征见表
玻璃纤维的分类
玻璃纤维的品种很多，一般可按玻璃原料中的含 碱量、单丝直径、纤维外观和纤维特性等方面进行分类。
（1）按玻璃原料中的含碱量可分为：有碱玻璃纤维 （碱性氧化物含量＞12%，也称A-玻璃纤维）、中碱玻 璃纤维（碱性氧化物含量6%～12%）、低碱玻璃纤维 （碱性氧化物含量2%～6%）、无碱玻璃纤维（碱性氧 化物含量＜2%，也称E-玻璃纤维）。
（2）按单丝直径可分为：粗纤维（单丝直径30 μm）、 初级纤维（单丝直径20 μm）、中级纤维（单丝直径 10～20 μm）、高级纤维（单丝直径3～9 μm，也叫纺织 纤维）。
（3）按纤维外观可分为：连续长纤维（其中有无捻粗 纱和有捻粗纱）、短切纤维、空心纤维和卷曲纤维等。
（4）按纤维特性可分为：高强玻璃纤维、高模量玻璃 纤维、耐高温玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维、 普通玻璃纤维（指无碱和中碱玻璃纤维）。
实验研究和工程实践表明，钢纤维的长度 为20～60 mm，直径或等效直径宜为0.3～0.9 mm，长径比在30～100范围内选用，其增强 效果和施工性能可满足要求。如超出上述范围， 经试验在增强效果和施工性能方面能满足要求 时，也可根据需要采用。根据国内外工程应用 经验，对一般浇筑、抗震框架节点及铁路轨枕 等类结构的钢纤维增强混凝土，常用钢纤维几 何参数选用范围如表
聚丙烯
击性能;
高弹性模量
短纤维增强水泥基复合材料课件
的 续的乱向分布。因此，近些年来，纤维增强水泥基复
历 史
合材料的研究比较活跃，并取得了许多有意义的研究 结果。
第14章 无机基复合材料
14.2
纤维名称
不锈钢纤维 温石棉纤维
课件 表1 几种纤维和水泥基体性能比较
纤维直径/μm
容积密度 （g/cm3）
抗拉强度/MPa 弹性模量(MPa)
10－330
7.8
维 维。科学家和工程师对这些纤维增强水泥基材料进行
增 了广泛的研究，取得了许多有意义的研究结果并且其
强 中某些品种已经应用于工程建设中。
水
泥 的 国 内
外 动
1、钢纤维增强水泥基材料 2、石棉纤维增强水泥基材料 3、天然纤维增强水泥基材料 4、合成纤维增强水泥基材料 5、玻璃纤维增强水泥基材料 6、混杂纤维增强水泥板
纤 维 增 强
当时人们把稻草等植物纤维掺到泥土中，制备较为坚 固耐用的建筑材料，这一原始的制造工艺，至今在我 国的部分农村仍被采用。现代最早广为使用的纤维增 强复合材料是大约1900年出现的石棉水泥板。其后，
水 其他各种纤维增强材料相继被研究开发出来，如纤维
泥 增强树脂，纤维增强陶瓷和纤维增强水泥基材料等这
强
无碱玻璃纤维
8－20
水
高弹碳纤维
9
泥
聚丙烯单丝
―――
的
Kevlar-29
12
2.54
3000－3500
72－77
1.9
2600
230
0.9
400
5－8
1.44
2900
69
3.6－4.8
1.0 18 4.0
历
尼龙单丝
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五 界面改性与偶联剂作用
5.4 偶联剂作用机理 5.4.1化学键理论 水泥表面处理所用偶联剂的一端能以化学 键与水泥表面结合（M—O—Si或M—O— Ti—键），另一端可溶解扩散于界面区域的 聚合物，在其中与其大分子链发生交联反 应或相互缠绕，形成憎水的互穿聚合物网 络（IPN）。
五 界面改性与偶联剂作用
要获得高性能的混凝土材料，就必须深入研究水 泥基复合材料的界面结构、组成及其改性，通过 对其结构和性能的研究，建立合理的理论体系和 试验方法，采取适当的措施，提高混凝土材料的 性能。
二 水泥基复合材料界面研究
2.1水泥基材料界面的定义 水泥基复合材料是由硬化水泥石、增强骨料等以 及水泥石/骨料界面组成的多相复合材料。
5.4.2 用界面化学反应模型来解释硅烷和钛 酸酯两类偶联剂对聚合物水泥基复合材料 的增强和提高抗湿性的作用机理
五 界面改性与偶联剂作用
5.5 聚合物改性水泥基材料的微观结构
最著名的是20世纪 80 年代的 Ohama模型 [28 ]和Konietzko模型[29]。 Konietzko结构模型认为聚合物和水泥浆体 相互贯穿形成互穿网络结构， Ohama模型认为水泥硬化浆体包裹在聚合 物网膜中间。
四 影响纤维与水泥基体界面粘结性能的因素
4.8.3 机械密实 采用圆筒对纤维进行机械密实加工，增大 纤维的弹性模量同时使纤维表面粗糙，从 而提高纤维与水泥基界面粘结性能。
4.8.4 其他方法 提高基体性能来提高纤维与水泥基体界面 粘结性能，如掺矿物掺合料、外加剂等。
五 界面改性与偶联剂作用
博士研究生课程论文
《先进水泥基复合材料》
水泥基复合材料的界面组成、结构及其改性
水泥基复合材料的界面组成、结构及其改性
一 研究背景及意义 二 水泥基复合材料界面研究 三 纤维增强水泥基复合材料界面特性 四 影响纤维与水泥基体界面粘结性能的 因素 五 界面改性与偶联剂作用
一 研究背景及意义
四 影响纤维与水泥基体界面粘结性能的因素
4.8 改善合成纤维—基体粘结性能的措施
4.8.1 宏观处理、 改善纤维表面形状，加大纤维与基体的接 触面积，增大摩擦力，增强纤维与基体的 界面的粘结性能。
四 影响纤维与水泥基体界面粘结性能的因素
4.8.2 微观处理 对纤维表面进行离子处理，比表面积和粗 糙度，改善纤维的可湿性和化学性质，增 大摩擦力和促进纤维与基体的化学反应使 纤维与基体界面的粘结强度大幅度提高 。
5.1 偶联剂的概念
偶联剂
与有机分子反 应官能团可
与无机物表面 的吸附水反应
五 界面改性与偶联剂作用
5.2 偶联剂的分类（四大类）
有机铬络合物 硅烷类 钛酸酯类 铝酸化合物
五 界面改性与偶联剂作用
5.3 偶联剂的作用
偶联剂在复合材料中的作用在于它既能与增强材料表面的 某些基团反应，又能与基体反应，在增强材料与基体之间 形成一个界面层，界面层能传递应力，从而增强了增强材 料与基体之间的粘合强度，提高了复合材料的性能，同时 还可以防止其它介质向界面渗透，改善了界面状态，有利 于制品的耐老化性能。
五 界面改性与偶联剂作用
5.5 聚合物改性水泥基材料的微观结构
Su等认为聚合物从两方面影响改性水泥浆 的结构: (1)混合后一部分聚合物粒子吸附 在水泥颗粒表面，形成薄膜； (2)另一部分 聚合物分散在孔中的液相中，当自由水完 全被水化和蒸发消耗掉后，形成薄膜。
三 纤维增强水泥基复合材料界面特性
3.1界面层（过渡区）的概念
界面区域示意图 界面是复合材料 极为重要的“微结构”
三 纤维增强水泥基复合材料界面特性
3.2 界面过渡层的形成
拌和 纤维、集料表面形成水膜层
纤维或集料表面水泥浓度 随距离增大而增大
水膜层中水 化产物形成
离子扩散进入 水膜层
水泥中的化合物溶 于水
2.3复合材料的界面粘着理论 吸附和浸润（物理吸引） 相互扩散 静电吸引 化学键结合（最重要） 机械粘着
三 纤维增强水泥基复合材料界面特性
3.1界面层（过渡区）的概念
从纤维表面到水泥浆体间逐层逐点研究与 测试发现，期间有薄弱的特殊区，即过渡 区，又称界面层。界面层是一个具有一定 厚度的体。 基体相同时，纤维—水泥基、普通集料— 水泥基的界面层组成、结构和形状是类同 的。
2.2界面研究背景 水泥材料界面的理论研究工作始于五十年代。法 国J.Farran首先提出在集料颗粒外存在Transition Ring （过渡环）的概念。 Barnes等人提出界面模型，Grandet和Olliver报告 了用X射线衍射法测定混合料试件断裂面的 Ca(OH)2晶体取向性。
二 水泥基复合材料界面研究
四 影响纤维与水泥基体界面粘结性能的因素
4.2 纤维对混凝土的增强效果 主要取决于纤维-混凝土基体的界面粘结性 能 4.3 纤维类型 光面纤维 压痕纤维
四 影响纤维与水泥基体界面粘结性能的因素
4.4两种代表性理论 4.4.1 “混合律” 将纤维混凝土看作复合材料，用复合材料 力学的“混合律”方法进行分析，复合材 料的各项性能为混凝土基体性能和纤维性 能的加权和。 4.4.2 纤维间距理论（或称阻裂理） 将纤维混凝土看作脆性材料，用断裂力学 方法进能的因素
4.7 影响粘结性能的因素 纤维性能参数，水泥基体及外界环境介质等，关键 在于界面粘结强度 4.7.1 纤维类型的影响 纤维的弹性模量 （高弹模纤维有利于抑制裂缝扩 展且具有跟好的粘结性能） 4.7.2 纤维长径比的影响 长径比大的纤维增强增韧以及阻裂效果较为明显 4.7.3 纤维形状（束状多丝、波浪形、两端加扣） 4.7.4 其他因素 外形、表面粗糙度以及表面质量
纤维---水泥 基界面层形 成
三 纤维增强水泥基复合材料界面特性
3.3 界面特性 界面层不是一个面，而是一个具有一定厚 度的体（几个到几十个微米） （MASO对集料—水泥基界面层形成机理的 假说） 界面层通常是复合材料中的薄弱区
四 影响纤维与水泥基体界面粘结性能的因素
4.1 纤维改善混凝土力学性能 草筋、石棉、玻璃纤维、碳纤维、钢纤维 等材料 阻止混凝土硬化收缩，增强抗裂抗渗能力 纤维能与水泥基体共同承受外力
四 影响纤维与水泥基体界面粘结性能的因素
4.5 纤维应力传递机理 （1） 混凝土中水泥胶凝体与纤维表面的化 学胶着力； （2）混凝土收缩时将纤维紧握而产生的摩 擦力； （3）纤维表面粗糙、凸凹不平与混凝土之 间的机械咬合作用力
四 影响纤维与水泥基体界面粘结性能的因素
4.6 纤维与混凝土的局部应力传递和局部滑 移关系
1.1 研究背景 1824年，英国人Jaspdin发明了波特兰水泥； 1861年，法国花匠J.Monier发明了制造钢筋 混凝土结构的方法； 1867年出现钢筋混凝土结构构件； 1940年开始采用了预应力混凝土技术 挑战：高性能、环保、生产、资源节约等。
一 研究背景及意义
1.2 研究意义