水泥基复合材料

一、选题的意义及国内的研究概况（选题的意义包括课题的来源和课题意义）：
1.课题来源：
教师假拟
2.课题意义:
P.K.Mehta 在评述水泥基材料时指出,水泥基材料既不像钢材那样坚固，也不像钢材那样坚韧，而成为应用最广泛的材料的三个主要原因是其具有很好的耐水性、优异的可加工性和显著的经济性]1[。

因此，水泥基材料仍然是当今应用最为广泛的建筑材料。

然而，水泥基材料属于脆性材料，它的的抗拉、抗弯强度低，极限应变小，抗冲强度差，脆性大，易开裂，存在着严重的耐久性问题，往往引发突发性的且难以控制的建筑物的破坏，造成了巨大的经济损失，并严重污染环境，因此，作为一种结构材料在应用中受到很大限制]2[。

通过纤维增强水泥和纤维增强混凝土复合材料，是强化与韧化的水泥和混凝土、进一步提高了其阻裂能力和耐久性，是获得高性能水泥和混凝土的有效途径。

3.国内外发展概况
自1990年提出高性能混凝土以来，高性能混凝土的内涵已经有了一个不断完善和发展的过程。

美国十分强调高强度和高耐久性；日本学者更关注施工性。

我国吴中伟院士]3[则综合了各种论点提出了较为全面的高性能混凝土的定义，他认为高性能混凝土时一种新型的高技术混凝土，是在大幅度提高常规混凝土性能的基础上，采用现代混凝土技术，选用优质原材料，在妥善的质量控制制成的具有耐久性高、抗阻裂能力强、工作性良好、实用性强、提及稳定性好以及经济合理的水泥基复合材料。

邓家才]4[等用压缩韧性指数衡量了碳纤维对水泥基复合材料韧性的增强作用，发现碳纤维水泥基复合材料的压缩韧性指数明显大于基准水泥基复合材料（增加59%～110%），并且随着碳纤维掺量的增加，变形能力和承载能力增强。

罗建林，段中东]5[以改性
巴基管（CNTs）为增强材料，制成了巴基管水泥基材料。

2006年大连理工大学徐世烺]6[科研团队的高淑龄博士配制得到了拉应变能力为0．7％的PVA纤维水泥基复合材料。

超高韧性水泥基复合材料早期的英文名称为“Engineered Cementitious Composite”。

缩写为ECC。

最早由密歇根大学的“教授和麻省理工的Leung教授采用细观力学和断裂力学基本原理提出了该材料的基本设计理念]7[。

Li等]8[为提高
纤维在基体中的摩擦黏结强度，利用等离子体技术对PE纤维进行表面处理，结果对水泥基材料的极限抗拉强度和极限应变能力都得到了显著提高。

4.一些新型的高韧性水泥基复合材料
（一）碳纳米管水泥基复合材料
碳纳米管是日本科学家在1991年发现的一种碳纳米晶体纤维材料]9[。

碳纳米管具有许多异常的、十分优异的力学、电磁学和化学性能。

碳纳米管无论是强度还是韧性，都远远优于任何纤维。

将碳纳米管作为复合材料增强体，表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性。

由于碳纳米管在水泥砂浆中能起到侨联作用，因此碳纳米管可提高水泥的抗折强度。

由于碳纳米管的掺入显著降低砂浆的孔隙率，改善砂浆的孔隙结构，并且碳纳米管与水泥石粘结紧密，因此碳纳米管的掺入能显著提高水泥砂浆的抗压强度和抗折强度]10[。

（二）掺PVA纤维水泥基复合材料
高强度PVA纤维与水泥基质间有良好的界面键合力，是由于该纤维的非环形和不规则截面有助于扩大PVA与水泥基质的成键;PVA纤维的分子结构式为（—CH2—CHOH—）其中—C—OH基团可与水泥水化物中的—OH基团形成牢固的氢桥]11[。

PVA纤维的抗拉强度和弹性模量都较高，且与波特兰水泥有良好的化学相容性，亲水性好，能使PVA均匀分散在水泥基中，另外PVA耐酸碱性好，适用于各种等级的水泥，能保证复合材料的耐久性。

PVA纤维增强水泥基复合材料的极限啦应变最大可达到0.7%，是普通混凝土的70倍]12[。

(三）掺纳米碳黑水泥基复合材料
近年来，随着填料粒子的表面处理技术，特别是填料粒子超微细化的开发和利用，使得水泥基材料填充改性和界面改性的研究日益受到人们的青睐。

掺入一定量的纳米碳黑可以使水泥基复合材料的抗压、抗折强度明显提高。

用扫描电镜对水泥基复合材料进行微观结构分析，结果表明，纳米碳黑的尺寸小，能较均匀地分散在水泥基材料中，对水泥基材料的孔隙具有填充用，并且能与水泥水化物紧密结合。

因此，掺入适量的纳米碳黑改善了材料的微观孔结构，减少了微观缺陷，使水泥基复合材料结构更加致密，强度提高]13[。

5.高韧性水泥基复合材料的应用
高韧性水泥基复合材料具有几百倍于混凝土的拉应变能力，无论是在拉伸还是弯曲荷载作用下都具有显著的应变硬化特性，即使是在剪切荷载作用下也可表现出明显的韧性特征，在压力荷载作用下具有较混凝土高的变形能力，它具有优异的裂缝控制能力，通过产生稳定的多条细密裂缝将裂缝宽度控制在很细的范围内，它具有非常高的断裂能，具有对缺口的不敏感性，具有与钢筋的变形协调性；高韧性水泥基复合材料的加工工艺灵活多变，可工厂预制，可现场浇筑，可挤压成型，可自密实，亦可喷射。

此外，高韧性水泥基复合材料还具有优异的抗约束收缩性能、优异的抗冻融性能、良好的抗碳化性能和较低的氯离子渗透性等优异性能。

由此可见：超高韧性水泥基复合材料可以用来有效地解决混凝土大坝和输水渡槽等的防裂、抗渗问题；将其用作钢筋混凝土结构保护层可有效地对混凝土裂缝进行无害化分散，降低氯离子等有害介质的侵入，从而显著提高结构的耐久性。

1.高韧性水泥基复合材料（ECC）在输水渡槽维修中的应用]14[
2005年3月，日本一家公司使用PVA—ECC对滋贺县一处受损输水渡槽进行了修补，同时用来作对比的修补材料还有玻璃纤维增强聚合物砂浆。

工程完成一个月后，现场检测发现，在使用玻璃纤维增强聚合物砂浆段出现了数条很明显的宏观裂缝，而在PVA—ECC段仅有微观裂缝，且需要近距离细心观察才能发现。

2.无伸缩缝桥面板
2005年10月，ECC连接板示范工程在美国完成，为充分容纳桥面板的温
度变形，ECC连接板长度设计为桥跨度的5％，该桥共两跨，每跨长30 m，所以ECC连接板长度为3 m(每跨分布1.5 m)。

为容纳温度变形、收缩应变和荷载作用下的弯曲变形，在此基础上考虑一定的安全储备，通过简单计算估计，ECC连接板需要提供大约1.4％的拉伸变形能力，显然这远小于ECC实际拥有的变形能力(3％～5％)。

在实验室进行的足尺试验证明：ECC连接板的性能远优于混凝土连接板，前者在疲劳荷载作用下未见刚度损失，在经过了100,000次循环荷载作用后，裂缝宽度仍保持在0.050 mm水平；而对应混凝土连接板在经过100,000次循环荷载作用后，裂缝宽度达到了0.6 mm。

显然，ECC连接板技术的使用必将推动现有简支桥梁的改造。

3.ECC在铁路高架桥维修中的应用
日本的东海道新干线从1964年建成通车，现今已经有40多年的历史，它是日本最早投入使用的高速铁路。

2005年，日本一工程公司利用喷射ECC对这些高架桥进行了耐久性修补。

模型试验中，喷射了10 mm厚ECC的试件在相当于实际20年的疲劳荷载作用下10 mm厚的ECC层未出现分层和剥落现象，与对比梁相比挠度减小了20％，并且避免了裂缝进一步变宽的趋势，ECC的应用有效地分散了拉应力。

二、本课题研究的关键问题及解决的思路：
1、本课题设计内容及关键问题：
（1）水泥基复合材料的分类
（2）水泥基复合材料的性能
（3）水泥基复合材料的应用
关键问题：
（1）水泥基复合材料的性能
2、解决关键问题的思路：
（1）水泥基复合材料的性能
水泥基复合材料一般以提高混泥土耐久性及其抗裂性为目的，掺加纳米复合材料]15[以及短纤维材料（玻璃纤维]16[、通用合成纤维、各种陶瓷纤维、碳纤维]17[、金属丝以及天然植物纤维和矿物纤维）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。

它的性能相对于一般混凝土有较大改善，例如碳纤维体积掺量为3%的水泥基复合材料与基准水泥基复合材料相比，弹性模量增加2倍，拉伸强度增加5倍。

体积掺量0.05%的杜拉纤维水泥基复合材料抗裂能力提高近70%]18[。

其在水泥基复合材料中加入聚丙烯]19[、玻璃等纤维]20[的研究表明，纤维的加入，可作为一种有效的水泥基复合材料温差补偿抗裂手段。

性能随所用原材料、配比、工艺和养护条件而异。

所以了
解增强纤维的性能对水泥基复合材料的影响是解决水泥基复合材料性能的关键。

关于广义范围内的ECC，美国与日本等国家已经进行了大量的理论与试验研究工作，并已开始付诸实际工程应用。

国内现在虽然已经可以配制出拉应变能力稳定超过3％的超高韧性水泥基复合材料，但由于研究工作起步较晚，所以仍然有大量的研究工作急需开展。

(1)通过工程实际需要研制不同类型的纤维增强水泥基复合材料。

(2)通过高层建筑，大跨桥梁的耐久性，抗裂防水等问题的研究开发新型水泥基复合材料
(3)深入开展高韧性水泥基复合材料在工程环境条件下的耐久性能，包括抗震、抗渗、抗冻、抗冲耐磨，以及在日照、淡水、海水以及有害离子作用下的抗腐蚀性能和老化机理研究。