水泥基复合材料论文

水泥基复合材料

定义：

水泥基复合材料是指以水泥为基体与其它材料组合而得到的具有新性能的材料。按所掺材料的分子质量来划分，可分为聚合物水泥基复合材料和小分子水泥基复合材料，其中聚合物包括纤维、乳液等，而矿物质包括砂、石子、钢铁等。

分类：

水泥基复合材料分为水泥基和增强体两部分！它通常是指以水泥净浆，砂浆或者混凝土为基体，以非连续的短纤维或连续 的长纤维作增强材料所组成的水泥基复合材料，也叫纤维混凝土。在混凝土中加入纤维，可以强化、韧化水泥砂浆，提高水泥基复合材料拉伸、弯曲以及冲击 强度，控制裂纹的扩展，改善失效模式和未成型时材料的流动性，是改善其性能的最有效途径。

水泥混凝土制品具有高的抗压缩强度和好热性能,但抗拉伸能力差、破坏前的许用应变小。为克服这些缺点，采用的方法之一是掺入纤维材料。另一方面，作为总体材料可用硅酸盐水泥，调凝水泥及高铝矿渣水泥等，用砂或粉煤灰之类的质料来代替部分水泥可大大地提高基体的体积稳定性，而且也有可能提高纤维增强水泥基复合材料的耐气候性。 影响纤维增强水泥基复合材料的因素：

基体的性能，在纤维增强水泥基复合材料中，所用纤维大都是短纤维，并且是乱向分布，水泥基体所起的作用不仅仅是传递应力，而是作为受力的主体。因此，在纤维增强水泥基复合材料中，水泥基体的力学行为对复合材料的性能影响很大，要获得高性能的纤维增强水泥基复合材料，除了选用合适的增强纤维外，还必须要有高性能的水泥基体。

在纤维增强水泥基复合材料中．当纤维间距离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性状，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，由于界面层间互相交错、搭接，产生叠加效应，不同程度地引起界面层弱谷变浅，对界面层产生强化效应。

纤维间距改变对界面层的影响与纤维—集料间距改变对界面层的影响具有一致的规律性和同类性，诸界面层在水泥基材中将有双重界面随机强化效应，只要纤维、砂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。

纤维间距改变对界面层性状的影响与对界面力学行为的影响具有相同的规律性。只要纤维间距小于两倍界面层厚度，则界面粘结强度，界面粘结刚度，纤维脱粘与拔出时所做的功等力学行为均有不同程度的提高。而当纤维间距大于两倍界面厚度时，对诸界面力学行为均无明显影响。

纤维增强水泥基复合材料的主要研究方向： 一、钢纤维混凝土韧性的研究

随着混凝土强度越来越高，它的脆性也表现得愈来愈明显，这使得高强混凝土不适合作结构材料。因此，必须采取有效措施来提高混凝土的韧性，克服其脆性。对钢纤维混凝土的韧性；已有的工作多集中于韧性的计算方法、钢纤维混凝土的各种变形韧性的试验研究、钢纤维混凝土的增韧机理研究、钢纤维混凝土应力一应变全曲线的研究等方面。

二、钢纤维混凝土基本性能的研究

由于钢纤维的几何形状、力学性能、加工方法、体积率与基体混凝土的配合比、原材树、力学性能、掺合料与外加剂的使用等均对钢纤维混凝土基本性能不同程度地产生影响，所以研究者们对各种不同的钢纤维混凝土的性能作了大量的试验研究。

三、中、高含量高强钢纤维混凝土的研究

由于普通长度的短钢纤维(纤维长度为25—32mm)易搅拌成团，故通常采用较低的含量(体积率0.5—2％)，因而对混凝士增强效果有限，不能大幅度提高混凝土的强度，应用的主要目的是增韧。为了使混凝土强度有大幅度地提高，近年来一些研究者应用了很短很细的钢纤维，并将其含量增加到3％以上，从而获得了超高强钢纤维混凝土。

四、钢纤维混凝土结构构件的结构试验研究

为使钢纤维混凝土应用于结构工程，必须对结构构件的力学性能进行试验研究。

五、钢纤维混凝土增强、增韧机理的研究

近年来的研究表明，将硅灰与钢纤维复合掺入混凝土中能充分发挥以硅灰增强混凝土抗压强度以及混凝土与钢纤维之间的粘结强度，以提高钢纤维混凝土的抗拉与抗冲击性能和韧性。 研究表明，钢纤维与硅灰对高强混凝土改性的主要原因是由于硅灰的掺入有效地产生了纤维与水泥基材的双重界面强化效应，改善了界面结构与性能。掺量适当的硅灰消除了界面层与基材间的差异，使界面和整体裂缝源尺度变小、数量减少，纤维增强、硅灰微粒增强及其协同效应得到充分发挥，是钢纤维硅灰高强混凝土产生优异性能的关键。

大量的研究表明，普通短钢纤维对混凝土抗压强度的增强作用相当有限；而超短钢纤维能大幅度地提高混凝土的抗压强度。

六、钢纤维部分或局部增强混凝土结构构件的研究

尽管钢纤维高强与超高强混凝土的研究日趋活跃，但由于这种材料造价较贵，所以整个构件使用这种材料还不是一件易事。因而一些研究者对用钢纤维部分或局部增强混凝土构件的课题进行了研究。

混凝土基纤维复合材料的组成材料——纤维

作为现代复合材料的纤维水泥和纤维混凝土所用的纤维种类繁多，按其材料可分为：金属纤维，如不锈钢纤维和低碳钢纤维；无机纤维，如玻璃纤维，硼纤维，碳纤维等；合成纤维，如尼龙、聚脂、聚丙烯等纤维；植物纤维，如竹纤维，麻纤维等。通常以钢纤维，玻璃纤维，聚丙烯纤维使用较普遍。由于钢纤维能有效地提高混凝土的韧性与强度，能成批生产，价格也较便宜，施工较方便，故近些年来研究相应用发展相当快。

钢纤维的长度对混凝土基复合材料的施工工艺和材料力学性能有着决定性的影响。按长度钢纤维可分为三种；亚短钢纤维，短钢纤维和超短钢纤维。

(1)亚短钢纤维：长度约为40～60mm。由于长度较长，故掺入混凝土中搅拌时极易成团，因而一般用于注浆法或分层灌浆法施工。前者是将流动性砂浆注入预先放置于模板中的钢纤维骨架中，要求纤维的放置位置准确，施工较复杂费时；后者则是在振动台上一边振动，一边分层放置钢纤维，即分层浇灌砂浆。

(2)短钢纤维，长度为20～35mm，可用全掺入法施工。体积率一般不超过2％，否则容易发生纤维离析和结团，从而使得搅拌困难，工作性下降，造成混凝土不密实，含有较多的空隙。虽可使混凝土的物理力学性能获得一定改善，但改善的程度有限。若施工工艺不当．造成孔隙过多，甚至会使得混凝土强度下降。

(3)超短钢纤维：长度在15mm以下。在研究中出现过的类型有两种：一种为表面镀铜的圆形截面钢纤维，另一种是剪切法生产的矩形截面钢纤维，这种钢纤维能克服一般短钢纤维搅拌易结团的缺点，提高纤维含量，可用于获得高强和超高强钢纤维混凝土。

水泥基复合材料的成型工艺

混凝土的配合比设计及成型工艺的控制

混凝土的性能决定于诸多因素，如：水泥熟料的组成和岩相结构、水泥的细度和粒径分布、水泥浆体的流变性能和孔隙率、集料的化学、矿物组成、粒形和表面情况等，都会影响到混凝土拌合物和易性以及混凝土硬化后的孔隙率、强度、耐久性以及其他的物理力学性能。而在组成材料已定的条件下，决定混凝土各项性能的则主要是各组成材料之间的相对比例。所谓混凝土的配合比，是指混凝土内各种组成材料的数量比例，通常有两种表示方法。一种是以每立方米混凝土中各项材料的质量表示，例如，水泥346kg，水180kg。另一种是以各项材料间的质量比例表示，如上例经换算后为：水泥：砂：石＝1：1.61：3.75，水灰比为0.52。

纤维增强水泥的成型工艺

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 6.抄造法 水泥基复合材料的应用

水泥基复合材料具有很多优点，价格低廉，使用当地材料即可制得，用途广泛，适应性强，并能做成几乎任何形状和表面，因此是一种理想的多用途的复合材料。水泥基复合材料的品种很多，其主要用于建筑材料混凝土上，构成混凝土的材料不同，其应用也就不同。

1.轻集料混凝土的应用

(1)保温轻集料混凝土，主要于用房屋建筑的外墙体或屋面结构。此类轻集料混凝土的表现密度为300--800kg/m3，强度等级为CL0.5—5.0，一般用此种全轻混凝土制作非承重保温制品。

(2)结构保温轻集料混凝土，主要用于既承重又保温的房屋建筑外墙体及其他热工构筑物。此种混凝土的表观密度为800—1400kg／m3，强度等级CL5/0—l5，可用浮石、火山渣及陶

粒为轻集料配制。

(3)结构轻集料混凝土，主要用于承重钢筋混凝土结构或构件，其表观密度为1400--1950kg／m3，强度等级为CLl5—CL50。常用的表观密度为1700—1800km／m3，强度等级为CL20、CL25级以上的可用作预应力钢筋混凝土结构。在我国此类混凝土主要用于有抗震要求或建于软土地基上要求减轻结构自重的房屋建筑，用其制作梁、板、柱等承重构件或现浇结构件、少量用于热工构筑物。

2.粉煤灰混凝土的应用

渗入粉煤灰的混凝土或用粉煤灰水泥为胶结料的混凝土被称为粉煤灰混凝土。

粉煤灰混凝土特别适用于下列情况。

(1)节约水泥和改善混凝土拌合物和易性的现浇混凝土，特别是泵道混凝土工程；

(2)房屋道路地基与坝体的低水泥用量，高粉煤灰掺量的碾压混凝土(用Ⅲ级灰)(3)C80级以下大流动度混泥土（用优质粉煤灰）；(4)受海水等硫酸盐作用的海工，水工混泥土工程；(5)需降低水化热的大体积混泥土工程；(6)需抑制碱骨料反应的混泥土工程。

3.高强混凝土的应用

高强混凝土是指强度等级为C60以上的混凝上。高强混凝土的应用范围归为以下几个方面：

(1)预应力钢筋混凝土轨枕、管桩；(2)抗爆结构的防护门；(3)高层、超高层建筑的底层柱子、承重墙及剪力墙；(4)高层建筑下部框架的柱子及主梁等；(5)海上采油平台结构；(6)大跨桥梁结构的箱形粱及桥墩等；(7)高速公路的路面；(8)隧道，矿井工程的衬砌、支架与护板等。

参考文献

1.《超高性能水泥基复合材料弯拉作用下虚拟应变硬化机制分析》 吴香国 韩相默 徐世烺 《复合材料学报》

2.《高韧性纤维增强水泥基复合材料的抗拉性能》 公成旭 张君 知先信息

3.《水泥基复合材料科学研究中的辩证思维》 吴中伟 廉慧珍 《混凝土》

4.《水镁石纤维／水泥基复合材料的试验研究》 刘开平 周敬恩 《混凝土与水泥制品》

5.《水泥基复合材料界面对材料宏观性能的影响》 陈惠苏 孙伟 《建筑材料学报》

6.《碳纤维水泥基复合材料电性能的若干研究》 杨元霞 刘宝举 《建筑材料学报》

7.《新型水泥基复合材料的研究与应用》 陈兵 张东 《新型建筑材料》

8.《水泥基复合材料的吸波性能》 熊国宣 邓敏 徐玲玲 唐明述 《硅酸盐学报》

9.《陶瓷—尼龙纤维水泥基复合材料力性能研究》 马一平 李昊 《建筑材料学报》

10.《碳纤维水泥基复合材料中纤维分散性的研究》 杨元霞 沈大荣 《建筑材料学报》

11.《聚丙烯纤维水泥基复合材料物理力学性能研究》 姚武 马一平 《建筑材料学报》

12.《短纤维水泥基复合材料的拉伸数值分析》 姜弘道 《岩石力学与工程学报》

13.《超高性能水泥基复合材料的抗爆炸性能》 张云升 张文华 《爆炸与冲击》

14.《新型纤维增强水泥基复合材料》 马学春 墙材革新与建筑节能