《复合材料教学课件》8水泥基复合材料

化合物
含有率，%
硅酸钙化合物
3 CaO •SiO2（硅酸三钙） 2 CaO •SiO 2（硅酸二钙）
孔隙相物质
3 CaO •Al2O3（铝酸盐相） 4CaO •Al2O3•Fe2O3（铁酸盐相）
其它：石膏（CaSO4•2H2O）
30 25 9 9 3~4
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3、水泥的强度和硬化 向水泥中加水充分搅拌后，逐渐凝
4、聚合物改性混凝土的成型工艺
四、（钢筋混凝土.）纤维/基体的界面
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一、水泥 1、水泥的定义和分类： 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。
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通用水泥：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水 泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水 泥、粉煤灰硅酸盐水泥。
第十二章 水泥复合材料
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水泥复合材料
一、水泥
1、 水泥的定义和分类
2、水泥的制造方法和主要成分
3、水泥的强度和硬化
二、水泥复合材料
1、混凝土
2、纤维增强水泥复合材料
3、聚合物改性混凝土
三、水泥复合材料的成型工艺
1、混凝土的配合比设计及成型工艺控制
2、钢筋混凝土的成型工艺
3、纤维增强水泥复合材料的成型工艺
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图12-3 水泥的水化过程
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水泥硬化的条件：
1）原料配比：最重要的是水与水泥
（W / C）比。
2）搅拌：
3）养生：凝结、硬化的过程中，在达到某种
程度的强度期间，促进水化反应，保护混凝土
不受来自外部的有害影响所做的工作叫养生。
其基本做法是在适当的温度范围内，给予充分
的湿度，不要施加冲击及过度的负荷。
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图12-4 标准水泥的原料配比
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水泥强化的方法： 1）改善水泥浆自身强度；尽量缩小空隙， 包括降低W/C比、提高流动性、聚合物 浸渍和结合等。 2）骨料与水泥浆界面的强化； 3）最佳骨料的选择。包括选择高强度骨 料、小粒径骨料和短纤维补强等。
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二、水泥复合材料混凝土 1、纤维增强水泥复合材料 2、聚合物改性混凝土
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1、混凝土 由胶凝材料、水和粗细骨料按适当比例
拌和均匀，经浇捣成型后硬化而成（图125）。可分轻质混凝土、防水混凝土、耐热 混凝土和防辐射混凝土等。
混凝土拌和物可浇制成各种形状的沟； 混凝土与钢筋有良好的粘结力，可制成钢筋 混凝土和予应力钢筋混凝土。
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图12-5 混凝土的构成
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2、纤维增强水泥复合材料 2-1 复合材料的组成：
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聚合物混凝土： 以聚合物为结合料与砂石等骨料形成混
凝土。大部分情况下是把聚合物单体与粗骨 料拌和，通过单体聚合把粗骨料结合在一起， 形成整体，可用预制或现浇的方法施工。这 种混凝土有比普通混凝土无法比拟的特殊性 质，如速凝等，但价格昂贵，多用于特殊用 途，如抢修等。
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（3）纤维间距改变对界面层性状的影 响与对界面力学性能的影响具有相同的 规律性 。当纤维间距小于两倍界面层厚 度时，界面诸力学性能均有不同程度的 提高。
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3）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。
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4）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。
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5）增强体性能：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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专用水泥：油井水泥、砌筑水泥。
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特种水泥：快硬硅酸盐水泥、低热矿渣 硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、膨 胀硫酸铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥、 铝酸盐水泥、硫铝盐水泥、氟铝酸盐水 泥、铁铝酸盐水泥等。
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2、水泥的制造方法和主要成分
图12-1 水泥制造工艺流程率
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2）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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（2）纤维间距对界面层的影响与纤维/骨 料间距改变对界面层的影响具有一致的规 律性和同类性，诸界面层在基体水泥中将 有双重界面随机强化效应，只要纤维、沙 粒空间随机间距小于两倍界面层厚度，混 合料工作性又能满足要求，界面层，尤其 是界面最薄弱层的强化效应就会发生。
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3、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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聚合物浸渍混凝土： 把成型的混凝土构件通过干燥及抽真
空的方法排除混凝土结构空隙中的水分和 空气，然后将构件浸入聚合物单体溶液中， 使得聚合物单体溶液进入结构空隙中，通 过加热等方法使得单体聚合成聚合物结构。 这样聚合物就填充了混凝土的结构空隙， 改善了微观结构，从而使其性能得到了改 善。
固的过程叫做凝结。再经一段时间凝固就 更加强固，该过程叫做硬化。普通水泥凝 结过程是几个小时，而硬化过程180天后 还在继续着（图12-2）。
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图12-2 压缩强度与硬化时间（材龄）
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水泥颗粒之间的水与水泥发生水化反应生 成水化物，水化物占据了硬化物的主体。 水泥的强度是由这些水化物不留间隙地充 填了空隙而增强的（图12-3）。
增强剂 — 短纤维； 基体— 硅酸盐水泥、调凝水泥
及高铝矿渣水泥等； 填料 — 沙、粉煤灰等。
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2-2 影响材料性能的因素： 1）基体的性能： 2）纤维与基体水泥间的相互作用： 3）纤维与基体在热膨胀系数上的匹配： 4）纤维与基体在弹性模量上的匹配： 5）增强体性能：
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1) 基体的性能：水泥基体不仅是传 递应力载荷，而且是受力的主体。