第4章 纤维增强水泥基复合材料

硅酸三钙的水化产物为C-S-H凝胶和氢氧化钙。其水化速 率很快，可分为五个阶段：诱导前期（15min)、诱导期、 加速期、衰退期、稳定期。
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诱导前期：加水后立即发生急剧化学反应，但持续时间较短，在 15min内结束。 诱导期：反应速率极其缓慢，持续2~4h（水泥浆体保持塑性）。初 凝时间基本相当于诱导期的结束。
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（2）高温低压蒸汽养护。可缩短水泥复合材料制品的生产周期。 温度为40~100℃，最佳温度65~80℃。有资料报道，蒸汽养护对水 泥制品的耐久性有不利的影响。 （3）高温高压蒸汽养护。温度一般超过100℃（160~210℃），蒸 汽压力在0.6~2MPa。
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4.4 碳纤维增强水泥基复合材料
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纤维增韧、抗裂机理：
湿搅拌
钢纤维混凝土混合料
水泥
出料运输
钢纤维
分散机 .
钢纤维混凝土的应用
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4.3 玻璃纤维增强水泥基复合材料
纤维无捻布
短. 切纤维
玻璃纤维生产工艺：
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4.3.1 概述:
玻璃纤维增强水泥（G.R.C）是一种轻质高强、不燃的一 类新型材料，它克服了水泥制品拉抻强度低、冲击韧性差的特点， 具有容重及热导率小的优点，很受人们欢迎。
能减少拌合用水
量的混凝土外加
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剂。
速凝剂：掺入混 凝土中能使混凝 土迅速凝结硬化 的外加剂。
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。
硅酸盐水泥
1.多缝开裂理论 2.纤维阻裂理论 3.符合力学理论
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作业：课下阅读文献
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② 钢纤维
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钢纤维在水泥基体中分布的均匀性随增大而下降。
①Dmax/lf=1/2时，纤维对混凝土的增强效果最好； ②Dmax/lf>1时，纤维过于集中并填充于粗集料间的砂浆中，难于增强混凝
土的强度，还影响纤维与基体的界面粘结；
③Dmax/lf<1/2时，可使混凝土的增韧效果明显，但因集料过小而难以发挥
第4章 纤维增强水泥基复合材料
程伟东 材料科学与工程学院
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4.1 概论
水泥是目前世界上产量最大、应用最广的人造无机材料。中国的产量已经跃 居世界第一。 水泥的缺点是结构缺陷多，拉伸强度弯曲强度低，韧性低等，极大限制了水 泥的应用。
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20世纪40年代开始，研究玻璃纤维和钢纤维增强的水泥基复合材料，此后各国对 纤维增强的水泥基复合材料都极为重视。
油井水泥、大坝水泥
百度文库
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快硬硅酸盐水泥、膨胀水泥
硅酸盐水泥
根据GB 175-2007国家标准
1、硅酸盐水泥的定义为：由硅酸盐水泥熟料、
0~5%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨
细制成的水硬胶凝材料称为硅酸盐水泥。
2、由硅酸盐水泥熟料、6~15%混合材料、适量
石膏磨细制成的水硬胶凝材料称为
普通硅酸盐水泥。
1983年，中国建筑材料研究院在国家科委、国家经委和国 家建材局支持下，研究了含锆抗碱玻璃纤维和低碱水泥，并取得了 成功，其强度半衰期为100年，其耐久性处于国际领先地位。
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4.3.2 玻璃纤维增强水泥基复合材料的原材料
（1）抗碱玻璃纤维
成分中的氧化锆（ZrO2）在碱液作用下，在纤维表面会转化 成含Zr(OH)4的胶状物，经脱水聚合在玻璃纤维表面形成保护膜， 减缓水泥中Ca(OH)2对玻璃纤维的侵蚀。
水泥浆固化后的水泥石、砂、石集料和钢纤维组成的三相复合材料。
砂和石集料提高拉压强度和防止水泥固化中的收缩开裂，钢纤维提
高抗拉强度抗弯强度和冲击韧性。
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（2）钢纤维混凝土的性能
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钢纤维混凝土井盖
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钢纤维混凝土是一种高强混凝土，其抗拉强度和 抗弯强度比普通混凝土高10倍，弯曲韧性高20倍，因而大 大改善水泥混凝土的脆性。
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玻璃纤维的分类：
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玻璃纤维的成分：
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高强度玻璃纤维：
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玻璃纤维织物
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（2）水泥基体材料
玻璃纤维增强的水泥复合材料的基体材料是硫铝酸盐水泥。 其 主 要 成 分 是 无 水 硫 铝 酸 钙 （ 3CaO3Al2O3CaSO4 ） 和 硅 酸 二 钙 （β-2CaOSiO2）为主要矿物成分的熟料，加入适量石膏和石灰石， 经过细磨制成的早期强度高的水硬性胶凝材料。
/ %
强
220
度
提
180
高
140
抗拉强度 抗弯强度
100
钢纤维掺量与钢纤维混凝土强度关系图 .
0.1 1
2 2.5
钢纤维含量 / %
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（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。
减水剂是一种在
维持混凝土坍落
度不变的条件下，
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4.2 纤维增强水泥复合材料分类：
1. 钢纤维增强水泥基复合材料。包括钢纤维混凝土、钢丝网增强 水泥复合材料。
2. 无机纤维增强水泥基复合材料。玻璃纤维、碳纤维增强水泥基 复合材料。
3. 有机纤维增强水泥基复合材料。天然纤维（木纤维、竹丝）和 人工合成纤维（尼龙纤维、芳纶纤维）增强水泥基复合材料。
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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（3）填料
GRC的主要填料是砂子，最大直径为2mm，含泥量不大于0.3%。
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（4）外加剂
外加剂主要有减水剂和早强剂。
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4.3.3 纤维增强水泥基复合材料的成型工艺
4.3.3.1 喷射法
双枪式喷射成型
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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。
南京某建筑公司早在1957年就应用了玻璃纤维增强的混凝 土楼板，短期效果较好。但一年后即被破坏。
1958年后，全国各研究单位和高等院校都开始了玻璃纤维 增强水泥混凝土的研究，直到1961年被全国叫停。
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1966年英国公布了Majumday抗碱玻璃纤维专利，才使玻璃 纤维增强水泥制品进入了一个新的发展时期。
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硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的技术性能
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水泥的矿物组成：
由熟料磨细的水泥矿物组成主要是硅酸三钙、硅酸二钙、 铝酸三钙和亚铁铝酸四钙。
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主要矿物成分的水化反应
硅酸三钙的水化反应：
3 C S 2 a n i2 O O H x S C 2 ｙ i H 2 O a O ( 3 x ) C ( O ) 2 a
骨架作用。
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钢纤维混凝土配比：水灰比（W/C）
钢纤维含量和纤维的长径比对于钢纤维混凝土的抗折强度 影响很大，但对于抗压强度的提高则影响较小。
AR C B
W
σ为钢纤维混凝土抗压强度，MPa；R为水泥标号，MPa； A、B为设计常数。
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（4）钢纤维混凝土的配置工艺
水、外加剂 砂子
石子
强制式搅拌机干拌
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钢纤维增强水泥基复合材料
钢纤维增强水泥基复合材料分类： A. 钢纤维增强水泥混凝土复合材料（钢纤维混凝土） B. 钢丝网增强水泥砂浆复合材料（钢丝网水泥）
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20世纪50年代研究开发的钢丝网水泥板和钢丝网水 泥船
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（1）钢纤维混凝土的定义
坍落度的测试方法：用一个上口100mm、 下口200mm、高300mm喇叭状的塌落度桶， 灌入混凝土后捣实，然后拔起桶，混凝土 因自重产生塌落现象，用桶高(300mm)减去 塌落后混凝土最高点的高度，称为塌落度。 如果差值为10mm，则塌落度为10。