水泥基复合材料

发展趋势
轻质高强 节能环保
智能化 生态化
上海的金茂大厦
设计高度：421m
大跨度桥梁
核电站
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以水泥净浆、砂浆或
混凝土做基体，以非连续的短纤维或连续的
长纤维做增强材所组成的复合材料的总称。
水泥基复合材料的种类
增强材料
基体
钢 玻 有 碳玄
序号 1 2 3
按纤维体积率分类
低纤维体积率纤维增强水泥基 复合材料
中纤维体积率纤维增强水泥基 复合材料
高纤维体积率纤维增强水泥基 复合材料
纤维体积率（%） 范围 0.1-1.0
＞1.0-5.0
＞5.0-20.0
典型的纤维增强水泥基复合材料 品种
（1）维纶纤维增强混凝土 （2）低掺率丙纶纤维增强混凝土 （3）尼龙纤维增强混凝土 （4）低掺率腈纶纤维增强混凝土 （5 ）Vf=0.5%-1% 的钢纤 维增强 混凝土
（1）Vf=1.5%-2.5%的钢纤维增强 混凝土
（2）抗碱玻璃纤维增强水泥 （3）维纶纤维增强水泥 （4）碳纤维增强水泥 （5）RPC （1）石棉水泥 （2）石棉增强硅酸钙 （3）压蒸木浆纤维增强水泥 （4）木浆纤维增强硅酸钙 （5）若干混杂纤维增强水泥基复 合材料
（6）注浆（钢）纤维混凝土 （SIFCON）
内容提纲
7.1 7.1概述 7.2水泥基复合材料的种类与性能 7.3纤维增强水泥基复合材料 7.4聚合物混凝土复合材料 7.5水泥基复合材料的应用
水泥
1 水泥的定义：
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。
用两种或两种以上不同类别纤维制得的纤维增强水泥 基复合材料
Байду номын сангаас
（1）石棉-维纶纤维水泥 （2）石棉-纤维素纤维水泥 （3）钢纤维-乙纶纤维增强混凝土 （4）钢纤维-丙纶纤维增强混凝土 （5）纤化聚丙烯薄膜-玻璃纤维增强水泥 （6）抗碱玻璃纤维-合成纤维增强水泥 （7）碳纤维-丙纶纤维增强混凝土
表7-3纤维增强水泥基复合材料按纤维体积率范围分类
按纤维大类 天然无机纤维增强 水泥基复合材料
人造无机纤维增强 水泥基复合材料
天然有机纤维增强 水泥基复合材料
人造有机纤维增强 水泥基复合材料
混杂纤维增强水泥 基复合材料
表7-1 纤维增强水泥基复合材料胺纤维类别分类
按纤维小类
典型的纤维增强水泥复合材料品种
矿物纤维增强水泥基复合材料
（1）石棉水泥 （2）石棉硅酸钙
2.5~3.6 任意 15~20 0.4~0.8
维尼纶
1.3
1200~1600 30~40
5~17
6~12 12~39
7~8
丙纶 0.9~0.91 300~660
3.5~4.8
15~20 19~50 26~62
1~2
碳纤维 1.3~1.9 1400~3500 230~300
0.40
任意 7~10
优点 水硬性
和易性
耐久性 较高强度
比较 与钢材相比，不易生锈 与木材相比，不易腐朽 与塑料相比，不易老化
2 水泥在国民经济中的作用
3.水泥的制造方法和主要成分
普通波特兰水泥的主要化合物及其含率
化合物
含有率%
硅酸钙
3 CaO •SiO 2（硅酸三钙石）
50
化合物
2
CaO
•SiO
（二钙硅酸盐）
2
25
3 CaO •Al2O3（铝酸盐相）
9
孔隙相物质 4CaO •Al2O3•Fe2O3（铁酸盐相）
9
其它：石膏（CaSO4•2H2O）
3-4
水泥的水化过程
矿物种类
缩写 含量（%） 水化速度
水化热 强度
抗腐蚀性 收缩
硅酸三钙
C3S 37-60
快 多 高 好 中
硅酸二钙
C2S 15-37
慢 少
早低后高
纤 璃 机 纤武
维 纤 纤 维岩
维维
纤
维
水
水
混
泥
泥
凝
净
砂
土
浆
浆
水泥的基本性能
优点
压缩强度 热性能
缺点
抗拉强度差 收缩变形大
韧性差 抗裂性差
普通混凝土抗拉、抗弯曲强度低，导致墙体桥梁的断裂和倒塌
纤维增强水泥的优点
• 改善抗拉性能，提高抗折强度，韧
1
性呈数量级增加
2 • 减少收缩和收缩裂纹
3 • 减小截面尺寸，使构件轻型化
当今在水泥中应用最广的几种纤维
纤维品种 钢纤维
密度 7.8
抗拉强度 (MPa)
380~2000
弹性模量 (GPa)
200~210
极限延伸率 长度
(%)
(mm)
直径
价格
(µm) (万元/吨)
3.5~4.0 14~35 150~500 0.5~1.8
抗碱玻纤 2.7~2.78 1950~2480 71~80
陶瓷纤维增强水泥基复合材料 木浆纤维增强水泥基复合材料 非木浆植物纤维增强水泥基复合材料
合成纤维增强水泥基复合材料
碳化硅纤维增强MDF水泥
（1）木浆纤维增强水泥 （2）压蒸木浆纤维增强水泥 （3）木浆纤维增强硅酸钙 （1）剑麻纤维增强水泥 （2）椰壳纤维增强水泥 （1）纤化聚丙烯薄膜增强水泥砂浆 （2）丙纶纤维增强混凝土 （3）维纶纤维增强水泥 （4）维纶纤维增强混凝土 （5）腈纶纤维增强混凝土 （6）尼龙纤维增强混凝土 （7）压蒸芳纶纤维增强水泥
金属纤维增强水泥基复合材料
（1）钢纤维增强混凝土 （2）注浆（钢）纤维混凝土（SIFCON） （3）注浆（钢）网混凝土（SIMCON） （4）金属玻璃纤维增强混凝土
人造矿物纤维增强水泥基复合材料
（1）抗碱玻璃纤维增强低碱度水泥 （2）抗碱玻璃纤维增强改性波特兰水泥
碳纤维增强水泥基复合材料
（1）PAN基碳纤维增强水泥 （2）沥青基碳纤维增强水泥
好 较大
铝酸三钙
C3A 7-15 最快 最多 低 差 大
铁铝酸四钙
C4AF 10-18
快 较多
低 极好
小
水泥硬化的条件
a 原料配比：水灰比（W / C） b 搅拌 c 养护
水泥强化
➢水泥浆自身强度；
降低W/C比、提高流动性、聚合物浸渍和结合等
➢骨料与水泥浆界面的强化； ➢最佳骨料的选择。
选择高强度骨料、小粒径骨料和纤维补强
纤维增强水泥复合材料历史
• 1900年，奥匈帝国发明石棉纤维增强水泥板 • 20世纪40年代，意大利的Nervi发明钢丝网水泥 • 20世纪70年代纤维补强混凝土最早的实用化产品为钢纤维补强
混凝土（SFRC） • 20世纪70年代后半期，玻璃纤维及抗碱玻璃纤维补强混凝土
（GFRC） • 20世纪80年代初期，合成纤维补强混凝土的实用化。