水泥基复合材料的研究与发展课件.ppt

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1、水泥基复合材料的研究与发展,复合材料水泥基复合材料水泥基复合材料的分类,定义纤维的作用纤维的分类纤维的选用原则纤维增强水泥基复合材料的主要研究方向影响纤维增强效果的因素纤维增强水泥基复合材料的成型工艺纤维增强水泥基复合材料的应用,1.纤维增强水泥基复合材料,主要内容,3.颗粒增强型水泥基复合材料,2.聚合物增强水泥基复合材料,定义聚合物的选用要求聚合物应用于水泥混凝土的三种方式聚合物在水泥基复合材料中的作用聚合物对水泥石的增韧机理聚合物改性水泥基复合材料的成型工艺聚合物增强水泥基复合材料的应用,材料分类：金属、无机非金属、有机高分子材料 各有千秋扬长避短 克服单一材料的缺点 产生原来单一材料没

2、有本身所没有的新性能复合材料,什么是复合材料 (Composition Materials , Composite) ?,复合材料应具有以下三个特点： (1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面。(2)复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良持殊性能。,复合材料的定义,(3)复合材料具有可设计性，可以按使用要求的性能来设计和制造新材料。 复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体；而另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连续相相比，这种分散相的

3、性能优越，故常称为增强体 (也称为增强材料、增强相等)。增强材料不仅能提高复合材料的强度和弹性模量等力学性能，而且能减低收缩率，提高热变形温度，并在热、电、磁等方面赋予复合材料新的性能。,材料的优缺点组合示意图,（1）传统的水泥基材料是以水泥为胶结剂，结合各种集料、外加组分而形成的水硬性胶凝材料，它包括各类制品和混凝土。（2）先进水泥基复合材料是通过组成、结构优化设计，采用先进技术制备而形成具有优异性能的新型水泥基复合材料。,水泥基复合材料,（3）普通水泥基材料由于强度低，脆性大、耐久性差的突出问题，其使用效能受到限制，也难以适应和满足当今社会发展、科技进步对材料的新要求。（4）与普通水泥基材

4、料相比，先进水泥基复合材料具有强度高、韧性好、耐久性好以及性能可设计的优点。 研究和开发新型高性能水泥基材料一直都是本领域科学研究和创新的主要内容，先进水泥基复合材料正是当前本领域研究的重点和技术应用的难点。,水泥基复合材料在工程材料方面有 纤维增强水泥基复合材料 聚合物增强水泥基复合材料 颗粒增强型水泥基复合材料,水泥基复合材料分类,从广义上讲，有机-无机类建筑用复合材料的历史还可以追溯到更远的年代。大约在公元前5000年时，人类就开始在黏土中掺加一定量的稻草建筑土墙，古代很多雄伟的建筑和发掘出来的几千年的古墓材料中常有桐油石灰、糯料石灰三合土的残骸；现代建筑家们经常发现距今几百上千年的一些

5、古代庙宇和神殿是由黏土、石灰等无机基料中加入淀粉、动物胶等天然聚合物而建成。,纤维增强水泥基复合材料,1. 定义 纤维增强水泥基复合材料是由水泥净浆、砂浆或水泥混凝土作基材，以非连续的短纤维或连续的长纤维作增强材料组合而成的一种复合材料。,在水泥基材料中掺入纤维是目前改善水泥基材料向轻质、高强、高韧性等方向较为有效的方法之一，其逐渐成为一种新型建筑材料纤维增强水泥基材料（fiber reinforced cement，FRC）在国内外得到了迅速发展与应用。 例如应用在矿山、隧道、铁道、公路路面、工业与民用建筑、水利水电、防爆抗震和维修加固等工程。,2.纤维的作用,纤维具有优良的阻裂、强化等作用

6、，不仅可以大大减少 水泥基材料内部原生裂缝，并能有效地阻止裂缝的引发 和 扩展，将脆性破坏转变为近似于延性断裂。 在受荷（拉、弯）初期，水泥基体与纤维共同承受外力 且前者是主要受力者；当基体发生开裂后，横跨裂缝的 纤维称为外力的主要承受着，即主要以纤维的桥联立抵抗 外力作用。,若纤维的体积掺量大于某一临界值,整个复合材 料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，以致复合材料破坏。,因此，纤维的加入明显改善水泥基材料的抗拉、抗弯等力学性能，以及抗裂、耐磨等长期力学性能 ，尤其是高弹性模量的纤维还可以大大增强水泥基材料的断裂韧性和抗冲击性能，显著提高水泥基材料抗疲劳性

7、能和耐久性。,目前的研究已表明，纤维在水泥基体中至少有以下三个主要的作用。（1）提高基体开裂的应力水平，即使水泥基体能够 承受更高的应力。（2）改善基体的应变能或延展性，从而增加它吸收 能量的能力或提高它的韧性。纤维对基体韧性 的 改善往往比较显著，甚至在它对基体的增强 作用小的情况下也是如此。,（3）能够阻止裂纹的扩展或改变裂纹前进的方向， 减少裂纹的宽度和平均断裂空间。 对于早期的水泥基材料来说，由于纤维的存在，阻碍了集料的离析和分层，保证了混凝土早期均匀的泌水性，从而阻止沉降裂纹的产生。,3.纤维的分类,用于水泥基复合材料的纤维种类繁多，按其材料可分为：金属材料：如不锈钢纤维和低碳钢纤维

8、；无机纤维：如石棉纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳纤维合成纤维：如尼龙纤维、聚酯纤维、聚丙烯等纤维；植物纤维：如竹纤维、麻纤维等。,按其弹性模量的大小可分为高弹模纤维，如钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等；低碳模纤维，如聚丙烯纤维、某些植物纤维等。 高弹性模量的纤维主要是提高复合材料的抗冲击性、抗热爆性能、抗拉强度、刚性和阻裂能力， 而低弹性模量的纤维主要是提高水泥复合材料的韧性、应变能力以及抗冲击性能等与韧性有关的性能。,按其长度可分为非连续的短纤维和连续的长纤维。目前用于配制纤维水泥基材料的纤维主要增强材料是短纤维，使用较普遍的有钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维和碳纤维。,4. 纤维选用原则,不论哪种纤维，

9、作为水泥基复合材料的增强材料，其必须遵循以下基本原则：（1）纤维的强度和弹性模量都要高于基体。（2）纤维与基体之间要有一定的黏结强度，两者之间 的结合要保证基体所受的应力能通过界面传递给 纤维。（3）纤维与基体的热膨胀系数比较接近，以保证两者 之间的黏结强度不会在热胀冷缩过程中被消弱。,（4）纤维与基体之间不能发生有害的化学反应，尤 其不能发生强烈的反应，否则会引起纤维性能的降低而失去强化作用。（5）纤维的体积率、尺寸和分布必须适宜。一般而言，基体中纤维的体积率越高，其增强效果越显著，但一定要考虑到纤维能否充分分散。,5.纤维增强水泥基复合材料的主要研究方向,钢纤维增强水泥基材料 石棉纤维增强

10、水泥基材料 天然纤维增强水泥基材料 合成纤维增强水泥基材料 玻璃纤维增强水泥基材料,石棉纤维增强水泥基材料是现代最早应用的纤维增强水泥基材料，也是用量最大的纤维增强水泥基材料，目前，每年用于增强水泥材料的石棉纤维大约为200万吨。石棉纤维来源丰富价格低廉，是唯一的天然矿物纤维，具有很高的强度和模量，且纤维与水泥基体相互作用良好，因此是一种理想的水泥制品增强纤维。近年来的研究发现石棉纤维对人身危害很大，许多国家准备逐步禁止使用石棉纤维作为水泥制品的增强纤维，并正在努力寻找石棉纤维的替代纤维。,石棉纤维增强水泥基材料,石棉纤维水泥压力板,石棉纤维水泥管,石棉纤维,玻璃纤维，就是纤维状的玻璃，具有很

11、高的强度和模量，来源丰富，制造成本较低，是复合材料增强纤维的主要品种之一。,玻璃纤维增强水泥基材料,玻璃纤维增强水泥雕塑,玻璃纤维增强水泥花盆,彩色玻璃纤维增强水泥板,普通玻璃纤维的耐碱性较差，在水泥基体这样的碱性环境中极易失去其强度和刚性，在六十年代，虽然玻璃纤维增强水泥基材料的研究已经比较深入系统，但其制品一直未被推广应用；七十年代初期，英国建筑研究院向普通玻璃纤维中加入二氧化锆，研制成功了耐碱玻璃纤维后，玻璃纤维增强水泥制品才由英国的公司大量生产推广应用。,但是提高抗碱玻璃纤维的抗碱能力有一定限度，为确保GRC 的长期耐久性，应尽量降低水泥基体的碱度。 迄今为止，国际上采取的技术路线基本

12、上有下列两条： （1）对普通水泥改性:例如法国圣哥班公司在普通波特兰 水泥中同时掺加偏高岭土与丙烯酸酯乳液；德国海德堡水泥 公司使用高炉水泥(高炉矿渣粉含量在70以上)并同时掺加偏 高岭土或其它材料。,（2）使用专门制造的低碱度水泥例如中国建筑材料科学研究院开发的硫铝酸盐型低碱度水泥(由无水硫铝酸钙、石灰石、无水石膏组成)，日本秩父水泥公司开发的CGC水泥(由无水硫铝酸钙、C2S含量高的波特兰水泥、矿渣与石膏组成)。根据国内外的经验，为降低GRC制品的干缩率，应使灰砂比控制在1：1-1：1.5之间。,玻璃纤维增强水泥作为一种新型的无机复合材料具有许多独特的优点： 轻质，一般以水泥砂浆为基体的G

13、RC材料有低的干容重， 比普通混凝土约低20；在抗弯破坏强度相当的条件下， GRC的容重可减低50；B. 高的抗弯强度、抗拉强度和高的抗冲击强度;C. 工艺性能好，可任意模造出各种复杂的造型，用GRC材料 不仅可制造出应用于各个领域的建筑制品、景观制品，还 可用于制造仿古艺术品；,D. 它的可加工性能好，可任意锯、钉、磨、钻，便 于安装施工；E. 其价格较低，符合我国国情，可大量推广应用。,我国目前有不少厂家生产抗碱玻纤网格布增强水 泥膨胀珍珠岩多孔条板，多数厂采用平模成型法， 极需解决机械化连续生产的技术与装备，以大幅度提高此类产品的产量和质量。 不过，即使改性后的玻璃纤维，其增强普通硅酸盐

14、水泥基制品的长期使用效果仍令人怀疑，因此玻璃纤维增强水泥基材料的耐久性问题仍将是该类材料研究的主要内容。,碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成的纤维状碳化物。是一种高强度、高弹性模量的材料，目前主要有两大系列：（1）一种是以聚丙烯晴为主要原料的碳纤维，称 聚丙烯晴基碳纤维；（2）另一种是以沥青为主要原料的碳纤维，称沥 青基碳纤维。,碳纤维增强水泥基材料,碳纤维不仅有很高的抗拉强度和弹性模量，而且与大多数物质不起化学反应，因此碳纤维增强水泥基材料具有高抗拉性、高抗弯性、高抗断裂性、高抗蚀性等优异性能。同时，由于其热膨胀系数小，熔点高，纤维表面具有类似石棉纤维的“纤化结构”，因此碳纤维增强水

15、泥基材料具有较好的耐热性和较小的温度形变。,碳纤维水泥基材料的特点：,邓家才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。,碳纤维在水泥基材料中的应用：,近几年来，一些研究者利用碳纤维水泥基材料与金属接触具有较低的电阻及良好的电磁屏效应的特点，拟通过研究将碳纤维增强水泥基材料开发成某种智能材料。,王建军等研究了碳纤维水泥基复合材料的压敏性能,研究结果显示, 智能材料在结构完整性监测方面可以发挥较好的作用。在水泥中掺人少量的短切碳纤维,极大地改善

16、它的导电性能,对变形有很高的电阻敏感性能,受拉时,电阻可逆地增加,受压时,电阻可逆地减小,对应变的灵敏系数可达到700,而普通电阻应变片灵敏系数仅为2。对结构材料而言, 智能结构材料无须埋设、粘贴传感器来监测,因为它本身就是传感器。,虽然碳纤维的造价相对较高，鉴于碳纤维增强水泥基材料上述种种优点，目前仍然应用较多，具有较好的发展前景。,钢纤维的材质一般为低碳钢，在一些特殊要求的工程也可用不锈钢。纤维直径一般为0.150.75mm。钢纤维增强水泥基材料是纤维增强水泥基材料理论研究最早的一种。与其它增强纤维相比钢纤维增强水泥基材料研究得最广泛最深入。目前，钢纤维增强水泥基材料在工程建设中应用最广，

17、钢纤维的消耗量仅次于石棉纤维。,钢纤维增强水泥基材料,钢纤维混凝土盖板专用钢纤,端钩型钢纤维,钢纤维增强水泥井盖,钢纤维加入到水泥基材料中后，改变了材料的破坏方式，提高了材料的强度(包括热压强度、抗拉强度和抗弯强度，特别是大幅度提高了材料的韧性。另外，复合材料的耐磨性、耐疲劳性、抗冲击性和冻融性等也有不同程度的改善。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。,用于水泥基材料增强的合成纤维有聚丙烯纤维尼龙纤维聚氨酯纤维芳纶纤维。,合成纤维增强水泥基复合材料,1）聚丙烯纤维聚丙烯纤维是由丙烯聚合物或共聚物制成的烯烃类纤维。聚丙烯

18、材料的优点是强度较高，比重比一般聚合物低， 完全不吸水，为中性材料，与酸碱不起作用，而且经济性好，这些特点使它特别适用于掺加在混凝土中。,混凝土用聚丙烯纤维,有机仿钢纤维增韧型聚丙烯纤维,2）尼龙纤维尼龙纤维是最早用于纤维增强水泥基复合材料的聚合物纤维之一，但由于价格昂贵，因此使用量不大。尼龙纤维增强水泥基材料具有很强的抗冲击能力和很高的抗折强度，但由于水泥基材料增强的尼龙纤维长度不宜过短，一般长度应大于或等于5mm。尼龙纤维具有很强的耐蚀能力，可以用包括硅酸盐系列水泥在内的所有水泥做胶结料。但是尼龙纤维耐热性较差，温度达到130时就会发生明显变形。,玻璃纤维增强尼龙纤维,3）聚氨酯纤维和芳纶

19、纤维聚氨酯纤维和芳纶纤维是聚合物纤维中抗拉强度和弹性模量都较高的纤维，而且韧性还高于玻璃纤维和碳纤维，与尼龙纤维相比，具有更好的耐温性（可达200），而其耐碱蚀能力则比尼龙纤维差，但高于玻璃纤维和碳纤维。,经过表面处理的纤维（如用环氧树脂浸渍），可以改善纤维与水泥硬化浆体界面的黏结，进一步提高它们的增强效应，同时改善纤维的耐蚀能力。聚氨酯纤维和芳纶纤维增强水泥基材料主要用于薄壳结构和一些板材，纤维体积率一般为3%5%，水泥选用强度等级大于或等于42.5MPa的普通硅酸盐水泥或其他硅酸系列的水泥，也可掺合适量的减水剂及超细混合材。,聚氨酯纤维罗马柱,聚氨酯纤维水泥外墙板,植物纤维用于水泥基材料则

20、是近几十年的事，所用的植物纤维大都是强度较高的纤维，如茎类纤维、叶类纤维、表层类纤维和木质纤维。这些纤维作水泥基材料的增强材料成本低，且属于绿色环保材料。在某些工程范围内具有一定的发展前景。但由于植物纤维在水泥基材料搅拌工程中往往会渗出一些可能影响水泥凝结等性能的有机物，从而使植物纤维增强水泥基材料的应用受到了一定限制。,其他纤维：植物纤维,6. 影响纤维增强效果的因素,纤维增强水泥基复合材料的增强效果的影响因素有：纤维性能参数，水泥基体性能参数（水泥、 配合比等）及外界环境介质等，其中以纤维性能 参数对黏结强度的影响最大。,近三十年来，国内外的学者从试验测试和利用计算机树脂模拟技术建立界面力

21、学模型两个方面对此进行了大量的研究，得出纤维增强效果的表达式为：,主要体现在纤维的弹性模量的差异上，高弹性模量的纤维，如碳纤维、芳族聚酰胺纤维等，因其与基体有着较高的弹性模量比值，当纤维与水泥基体联合受力时，有利于应力从基体向纤维的传递，从而有效地拟制裂缝的扩展，增大黏结强度.,（1）纤维种类的影响,同时高弹性模量的纤维一般又都有较小的泊松比，在拔出过程中，纤维不易发生伸长变形，而且水泥基体中也有紧缩的趋势，则增大了纤维拔出阻力，体现出比低弹性模量合成纤维如聚丙烯纤维、尼龙纤维等具有更好的黏结性能.,使用连续的长纤维时，因纤维与水泥基体的黏结较好，故可充分发挥纤维的增强作用。使用短纤维时，长径

22、比大的纤维增强增韧以及阻裂效果较为明显，这主要是因为在同样的黏结强度下，长径比大的纤维与基体接触面积也大，从而提高黏结性能。,(2) 纤维长度和长径比的影响,在工程应用中应选择合适的长径比，长径比太小，由于黏结面积小，易于从基体中拔出而破坏；长径比太大，易导致纤维拌和不均匀，而且拌和工作性下降，影响工程质量。,(3) 纤维体积率的影响,体积率表示在单位体积的纤维增强水泥基复合材料中纤维所占有的体积分数;用各种纤维制成的纤维增强水泥基复合材料有一临界纤维体积率，当纤维的实际体积率大于临界体积率时，复合材料的抗拉强度才得以提高。,(4) 纤维形状与表面状况的影响,纤维形状不同指纤维截面形状和表面形

23、状不同，此时纤维与基体的接触面积不同，界面黏结强度也不同。例如，截面长宽比为5的矩形纤维表面积却是相同体积正方形截面的1.35倍，则理论上讲界面粘结力也应是正方形截面的1.35倍。,纤维的外形、表面粗糙度及表面质量对黏结性能的影响也很大。表面光滑，与基体黏结强度差，可通过改变其外形以增加粘结强度。例如当纤维表面凹凸不平，纤维与基体界面形成较强的机械咬合力。,除了纤维性能参数对纤维与水泥基体界面黏结性能有重要的影响外，其他诸如水泥基体性能、外界环境介质也会对界面黏结性能产生十分明显的影响。,7. 纤维增强水泥基复合材料的成型工艺,纤维增强水泥基复合材料，无论在用途上，还是制作方法上，都是处于开发

24、的新材料。这里以玻璃纤维为例来介绍纤维增强水泥的成型工艺。,玻璃纤维增强水泥的成型工艺有：1.直接喷射法2.喷射脱水法3.预混料浇铸法4.压力法5.离心成型法,（1）直接喷射法,把细骨料和水泥以及若干量的外加剂以一定比例进行混合，制成水泥砂浆，经泵压送，用喷枪喷到模具上。同时，操作者手持喷射设备一边用粗纱切割器把耐碱玻璃纤维精纱切成规定的长度(纤维的长度一般为1250mm，含量为35)，一边重复水泥砂浆的喷吹途径直接将玻璃纤维喷射到模具上而成型的。这种成型方法的关键是玻璃纤维的均匀分散，以及喷射砂浆的脱泡和厚度的均匀性。这是最常用的成型方法。,直接喷射法流程,直接喷射法示意图,（2）喷射脱水法

25、,砂浆和玻璃纤维同时往模具上喷射的机理与直接喷射法相同。但它是把坡璃纤维增强水泥喷射到一个带有减压装置的开孔台上，开孔台铺有滤布。喷射完后，进行减压，通过滤纸或滤布，把玻璃纤维增强水泥中的剩余水分脱掉。这种方法是成型水灰比低的高强度板状玻璃纤维增强水泥的方法。,喷射脱水法的流程,用喷射脱水法制作的制品，比直接喷射制品强度高，但制品形状仅限于以板状或异形断面等的弯曲加工制造。喷射脱水过程可通过机械化很容易进行连续操作。,水泥、砂子、水、外加剂和切成适当长度的耐碱玻璃纤维(短切纤维)在搅拌机中混合成预混料，然后不断地注入到振动着的模具里进行成型。用这种方法可以成型厚壁的制品。但耐碱玻璃纤维在搅拌机

26、中容易损伤，而且由于纤维的配向是三维无规的，因此，增强效果下降，在物性方面不如喷射法的制品。在实际应用中，主要用于制造不太要求强度的小件异形制品。连续预混料浇铸法目前也在开发中。,（3）预混料浇铸法,预混料浇铸工序,（4）压力法,预混料注入到模具里后，加压除去剩余水分，及时脱模可以提高生产率，并能获得良好的表面尺寸精度。这种方法的要点是在加压时，根据玻璃纤维增强水泥预混料的配比来选定流动性和剩余水的脱水方法。使用这种方法制造的制品，因形状和强度的原因，使用范围有限。,（5）离心成型法,与混凝土管的离心成型相同，在旋转的管状模具中喷入玻璃纤维和水泥浆。该法能够控制纤维的方向性，使它有效地作用到管

27、子的结构强度上、而且在厚度方向上可以改变纤维量。,8.纤维增强水泥基复合材料的应用,（1）轻质桥面混凝土的应用大量的桥梁需要维修、加宽，甚至需要提高承载等级。使用轻质混凝土进行桥面铺装可降低桥梁静载，同时为了获得更好的性能，如较小的体积收缩、抗裂性好，高的耐久性和高抗渗性。2001年采用LC40泵送纤维增强轻集料混凝土在国家重点工程京珠高速公路汉江大桥的桥面工程建设中进行了应用。纤维在这种轻质混凝土中主要是可以显著降低混泥土的收缩，提高轻集料混凝土的断裂韧性，高韧性，从而提高了桥面混凝土的耐久性。,国家重点工程京珠高速公路汉江大桥,（2）纤维增强MDF水泥材料的研究无宏观缺陷水泥（MDF水泥）

28、是在20世纪80年代由英国帝国化学公司和牛津大学推出的一种新型的高强水泥材料。这种材料的制作工艺是将某些聚合物按一定比例加入到水泥与水的系统中进行混合，随后通过高效剪切搅拌而获得一种塑性的、黏着的混合物，将这种混合物通过挤压或者其他成型技术制成制品。MDF水泥材料的成功之处在于它大幅度提高了抗折、抗弯强度，有效克服了原有的致命弱点。,但是这种水泥中存在一定数量未完全水化的水泥和易吸水溶胀的聚合物，当它浸入水中或在潮湿的空气中时，部分未水化的水泥就会继续水化，聚合物吸水溶胀，致使材料的体积变形和强度大幅度降低，使此种水泥基复合材料的推广与应用受到了很大的限制。,而在MDF水泥中掺入纤维，均匀分布

29、的纤维能降低材料内部裂缝尖端的应力集中，拟制裂缝的产生和扩展，提高MDF水泥的抗压、抗弯强度和韧性的同时，还可以阻止聚合物吸水溶胀和溶出，并限制MDF水泥中未水化水泥颗粒水化产生的膨胀，减少因体积膨胀而引发的微裂纹，缩小其尺度，进而提高材料的体积稳定性和耐水性不良的问题。,聚合物增强水泥基复合材料,聚合物增强水泥基复合材料是在水泥浆体中加入聚合物，引起一系列从材料加工特性、水化过程到水泥性能的变化，从而获得优异性能的一种复合材料。,1.定义,对用于水泥基材料的聚合物的基本要求是：（1）应有良好的预加工性能，以便于使用；（ 2）对水泥水化不产生负面影响；（3）对水泥水化过程中所产生的钙离子和铝离

30、子等有高的稳 定性；（4）应有很好的机械稳定性，避免储存、运输和搅拌时在高 剪切作用之下的破乳现象；（5）在水泥石硬化后能形成与水化产物和集料有良好粘结力的 膜层，且其成膜温度要低；（6）在水化硬化后应有较好的耐水性、耐碱性和耐候性。,2.聚合物选用的要求,3.聚合物应用于水泥混凝土主要有三种方式：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,（1）聚合物浸渍混凝土 把成型的混凝土的构件通过干燥及抽真空排除混凝土结构空隙中的水分及空气，然后把混凝土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孔隙中。通过加热使得单体在混泥土结构孔隙中聚合形成聚合物结构。聚合物就填充了混凝土的

31、结构扎隙，并改善了混凝土的微观结构，从而使其使用性能得到改善。,聚合物浸渍混凝土与普通混凝土相比，抗压强度可提高3倍；抗拉强度提高近3倍；弹性模量可提高1倍；抗破裂模量可增加近3倍；抗折弹性模量增加近50：弹性变形减少10倍；硬度增加超过70；渗水性几乎变为0；吸水性大大降低。,聚合物浸渍混凝土由于其良好的力学件能耐久性及抗侵蚀能力，主要用于受力的混凝土及钢筋混凝土结构构件和对耐久件及抗侵蚀有较高要求的地方。如混凝土船体近海钻井混凝土平台等。虽然聚合物浸渍混凝土有良好的力学件能，但由于聚合物浸渍工艺复杂，成本较高，混凝土构件需预制并且构件尺寸受到限制，因而主要是特殊情况下使用。,（2）聚合物混

32、凝土是以聚合物为结合料与沙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，聚合物混凝土可用预制成现浇的方法施工，由于聚合物混泥土有良好的力学性能、耐久性及普通混凝土无法比拟的某些特殊性质，如速凝等，所以大部分情况下用于抢修等特殊用途，也可用于喷射混凝土。,聚合物混凝土所用的聚合物有环氧树脂、脲醛树脂、糖醛树脂，聚合链上接有苯乙烯的聚脂等。由于混凝土的结合完全靠聚合物，所以聚合物的用量很大，一般多达整个混凝土重量的8左右，因此聚合物混凝土的价格昂贵，目前还不能用于普通建筑工程，多用于特殊工程。,（3）聚合物水泥混凝土 是在水泥混凝土成型过程中

33、掺加一定量的聚合物，从而改善混凝土的性能,使混凝土满足工程的特殊需要。因此聚合物水泥混凝土更确切地应称为聚合物改性水泥混凝土或高聚合物改性混凝土。聚合物改性水泥混凝土与其它的水泥混凝土改性措施(如加纤维水泥混凝土等)相比有明显的不同。,水泥混凝土的力学性能得到了改善，尤其是抗折强度提高，而抗压强度降低，抗压强度抗折强度的比值减小；混凝土的刚性或者说脆性降低，变形能力增大，这对许多工程很有利；混凝土的耐久性与抗侵蚀能力也有一定程度的提高；由于聚合物改性水泥混凝土良好的粘结性，特别适合于破损水泥混凝土的修补工程；完全适应现有的水泥混凝土制造工艺过程；成本相对较低。,聚合物改性水泥混凝土的改性效果，

34、尤其是对混凝土力学性能的改善一般不如聚合物浸渍混凝土的改性效果明显。但由于其工艺简单，使用方便，采用预掺聚合物的方法来改性水泥混凝土得到了越来越广泛的使用。,4.聚合物在水泥基复合材料中的作用,（1）水溶性聚合物的塑化作用塑化作用包括吸附-分散、润湿、润滑作用。,A. 吸附-分散作用水溶性聚合物中含有憎水和亲水的基团，憎水基团定向吸附于水泥颗粒表面，而亲水基团指向水溶液，构成了单分子吸附膜，不但能使水泥-水体系处于相对稳定的悬浮状态，而且能使水泥在加水初期所形成的絮凝状结构分散解体，从而将絮凝状凝聚体内的游离水释放出来，达到吸附-分散的减水的目的。,B.润湿、润滑作用水溶性聚合物是带有极性亲水

35、基团的表面有机活性物质，这些吸附作用，使水泥颗粒表面的电性质改变，在电性斥力的作用下，使水泥浆体中的水泥颗粒分散，表面得以润湿，浆体黏度下降，颗粒相对滑动较易进行，粒子间内摩擦阻力减小，浆体流动性质得以改善，易于材料的制备。,(2)聚合物的减孔作用聚合物作为塑化剂加入，可大大减低水泥浆体在实际制备过程中的用水量，因此可有效减少这些多余水分可能形成的空隙、空洞。同时，由于可塑性的增加，体系中原可能形成的一些空隙也较易被排除。另一方面，聚合物本身具有很好的可塑性，它也可以较容易地填充在一些无机基体的空隙中，起到填充、封闭空隙的作用。而这种作用对于整体材料的性能影响是极大的。,5.聚合物对水泥的增韧

36、机理,(1)聚合物吸收能量的作用一般情况下，当材料受力产生应变时，会在其内部产生许多很细的裂缝。而当复合材料中有聚合物时，必然会有相当一部分聚合物横填跨在裂缝上，阻止了裂缝的迅速发展。聚合物在形变过程中消耗了能量，从而提高了材料的韧性。,(2)聚合物控制裂纹的作用聚合物在复合材料体中有如一种应力集中剂，它能集中大量的应力并产生大量裂纹，消耗大量能量。在复合材料体中，聚合物既起引发裂纹作用，又能起控制裂纹发展的作用。当裂纹遇到一个大的聚合物粒子时，裂纹的增长被终止下来。其结果是出现大量的小裂纹，这正好与同一水泥浆体中无聚合物存在时形成少量的大裂纹相反。,6.聚合物改性水泥基复合材料的成型工艺,(

37、1)水泥混凝土中聚合物结构形成过程(2)聚合物改性水泥砂浆及水泥混凝土的设计,(1)水泥混凝土中聚合物结构形成过程,以乳液形式掺合到水泥混凝土中的聚合物，在水泥混凝土搅拌均匀后，聚合物乳液颗粒会相当均匀地分在水泥混凝土体系中，形成水泥基复合材料。随着水泥的水化，体系中的水不断地被水化水泥所结合，乳液中的聚合物颗粒会相互融合连接在一起。随着水分的不断减少，聚合物在水泥混凝土中形成结构。,(2)聚合物改性水泥砂浆及水泥混凝土的设计,聚合物改性水泥砂浆及水泥混凝土的设计类似于普通水泥砂浆或水泥混凝土的设计，根据要求的工作性、强度、变形性、粘结力、不透水性及化学稳定性等进行设计，所不同的是在设计过程中

38、应首先确定聚合物水泥的比值。,聚合物改性水泥砂浆中水泥与砂的重量比在1:2至1:3之间。聚合物水泥比值在5-20之间。水灰比一般在30-60之间，根据所要求的和易性而定。聚合物改性混凝土的配比与改性砂浆的配比有所不同。一般在改性混凝土中，聚合物水泥的比例为5-15，水灰比为30-50,7.聚合物增强水泥基复合材料的应用,(1)地面和道路工程(2)结构工程(3)轻质混凝土(4)修补工程(5)其他方面的应用,(1)地面和道路工程,聚合物改性水泥混凝土由于其良好的耐磨性及耐腐蚀性，施工方法有：A. 直接用聚合物浇铸地面B. 聚合物混凝土形成地面板，然后铺砌C. 在地面作一层聚合物水泥砂浆涂层,具体可

39、用在船甲板铺面：用聚合物水泥制造船甲板铺面可避免采用专用的木材，缩短施工工期，并可使造价减少到原来的八分之一左右。由于具有良好的防水性质，在桥梁道路路面面层得到了大量的应用，如可避免常规施工过程中为粘结及防水所必需的复杂的工艺过程，所以可用于高等级的刚性水泥混凝土路面，降低水泥混凝土面层的厚度，减轻面层开裂，从而延长使用寿命。,(2)结构工程,聚合物外掺剂可提高结构的强度、重量、耐腐蚀性及耐久性。在结构工程应用中最重要的是聚合物水泥混凝土预应力结构。这种结构可用于化学工业生产中的承重和防护建筑，也适用于水利、能源及交通行业中在干湿交替作用下的工程结构，包括建造水中及水下结构物，以及隧道、地下排

40、水设施等。,(3)轻质混凝土,为了减小构建的重量，在混凝土和砂浆中加入聚合物外加剂可达到很好的效果。轻集料聚合物水泥混凝土具有密度小，强度高的特点，抗压强度通常高于无聚合物的混凝土。抗折及抗拉强度比无聚合物提高30%40%，断裂伸长率比普通水泥混凝土提高5倍。,(4)修补工程,普通混凝土或砂浆进行修补工程时，由于新拌混凝土与旧混凝土之间不能很好地结合，经常发生修补的混凝土脱落，不能起到修补作用。用聚合物改性水泥混凝土后，由于聚合物可以渗透进入旧有混凝土的空隙中，同时聚合物粘接力好，起到密封作用，使得界面处的抗腐蚀能力提高，对保持新旧混凝土之间连接强度有利。,一般选用聚苯烯-丁二烯乳液及聚丙烯酸

41、酯改性水泥混凝土，进行水泥混凝土的修补可以取得良好的效果。,(5）其他方面的作用,聚合物改性水泥混凝土还可用作建筑物装饰材料、各种容器的保护涂层等,颗粒增强水泥基复合材料,水泥基复合材料是典型的多孔材料，而多孔材料的性能与其结构有着密切关系。一般随着孔隙率的降低，强度提高，相应的其他性能，如耐久性、抗渗性等也得到改善。降低孔隙率使材料密实有多种措施，如MDF水泥主要是借助掺加水溶性聚合物和加压排除气泡，同时还掺入偶联剂以改善界面的方法；而有些材料是通过掺加超细粉料和大量超塑化剂来实现的。颗粒堆积的致密体系为高性能水泥基复合材料的一个重要分支，该体系在采用低用水量的同时还能保持良好的工作性能。,超细粉是粒度小于10um的粉体，其比表面积相当于600m2/kg以上。常用的超细粉有硅粉、磨细矿渣粉、天然沸石粉及偏高岭土粉等。在水泥混凝土中掺入部分矿物质超细粉，将使混凝土具有许多特殊的功能。,谢 谢！,