纤维增强水泥基复合材料.ppt

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1、第4章 纤维增强水泥基复合材料,程伟东 材料科学与工程学院,4.1 概论,水泥是目前世界上产量最大、应用最广的人造无机材料。中国的产量已经跃居世界第一。 水泥的缺点是结构缺陷多，拉伸强度弯曲强度低，韧性低等，极大限制了水泥的应用。,20世纪40年代开始，研究玻璃纤维和钢纤维增强的水泥基复合材料，此后各国对纤维增强的水泥基复合材料都极为重视。,4.2 纤维增强水泥复合材料分类：,钢纤维增强水泥基复合材料。包括钢纤维混凝土、钢丝网增强水泥复合材料。 无机纤维增强水泥基复合材料。玻璃纤维、碳纤维增强水泥基复合材料。 有机纤维增强水泥基复合材料。天然纤维（木纤维、竹丝）和人工合成纤维（尼龙纤维、芳纶纤

2、维）增强水泥基复合材料。,钢纤维增强水泥基复合材料,钢纤维增强水泥基复合材料分类： 钢纤维增强水泥混凝土复合材料（钢纤维混凝土） 钢丝网增强水泥砂浆复合材料（钢丝网水泥）,20世纪50年代研究开发的钢丝网水泥板和钢丝网水泥船,（1）钢纤维混凝土的定义,水泥浆固化后的水泥石、砂、石集料和钢纤维组成的三相复合材料。砂和石集料提高拉压强度和防止水泥固化中的收缩开裂，钢纤维提高抗拉强度抗弯强度和冲击韧性。,坍落度的测试方法：用一个上口100mm、下口200mm、高300mm喇叭状的塌落度桶，灌入混凝土后捣实，然后拔起桶，混凝土因自重产生塌落现象，用桶高(300mm)减去塌落后混凝土最高点的高度，称为塌

3、落度。如果差值为10mm，则塌落度为10。,（2）钢纤维混凝土的性能,钢纤维混凝土井盖,钢纤维混凝土是一种高强混凝土，其抗拉强度和抗弯强度比普通混凝土高10倍，弯曲韧性高20倍，因而大大改善水泥混凝土的脆性。,（3）钢纤维混凝土的原材料,钢纤维混凝土的生产原料主要有水泥、细集料（砂子）、粗集料（碎石子）、水、减水剂、速凝剂和钢纤维等。,减水剂是一种在维持混凝土坍落度不变的条件下，能减少拌合用水量的混凝土外加剂。,速凝剂：掺入混凝土中能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂。,水泥,水泥是一种人造矿物质粉状胶凝材料，加水形成塑性浆体，在空气和水中都可固化，固化的水泥能将砂、石、钢纤维牢固胶结在一起，是一种

4、水硬性胶凝材料。 水泥可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类。,硅酸盐水泥,油井水泥、大坝水泥,快硬硅酸盐水泥、膨胀水泥,硅酸盐水泥,根据GB 175-2007国家标准 1、硅酸盐水泥的定义为：由硅酸盐水泥熟料、 05%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨 细制成的水硬胶凝材料称为硅酸盐水泥。 2、由硅酸盐水泥熟料、615%混合材料、适量 石膏磨细制成的水硬胶凝材料称为 普通硅酸盐水泥。,硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的技术性能,水泥的矿物组成：,由熟料磨细的水泥矿物组成主要是硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和亚铁铝酸四钙。,主要矿物成分的水化反应,硅酸三钙的水化反应： 硅酸三钙的水化产物为C-S-H凝

5、胶和氢氧化钙。其水化速率很快，可分为五个阶段：诱导前期（15min)、诱导期、加速期、衰退期、稳定期。,诱导前期：加水后立即发生急剧化学反应，但持续时间较短，在15min内结束。 诱导期：反应速率极其缓慢，持续24h（水泥浆体保持塑性）。初凝时间基本相当于诱导期的结束。 加速期：反应重新加快，反应速率随时间而增大，出现第二个放热峰。在达到峰顶时本阶段即告结束（48h），此时终凝时间已过，水泥石开始硬化。 减速期：水化衰减期，反应速率随时间下降的阶段（1224h），水化作用逐渐受扩散速率控制。 稳定期：反应速率很低，反应过程基本趋于稳定，水化完全受扩散速率控制。,钢纤维,钢纤维在水泥基体中分布的

6、均匀性随增大而下降。 Dmax/lf=1/2时，纤维对混凝土的增强效果最好； Dmax/lf1时，纤维过于集中并填充于粗集料间的砂浆中，难于增强混凝土的强度，还影响纤维与基体的界面粘结； Dmax/lf1/2时，可使混凝土的增韧效果明显，但因集料过小而难以发挥骨架作用。,钢纤维混凝土配比：水灰比（W/C）,钢纤维含量和纤维的长径比对于钢纤维混凝土的抗折强度影响很大，但对于抗压强度的提高则影响较小。 为钢纤维混凝土抗压强度，MPa；R为水泥标号，MPa； A、B为设计常数。,（4）钢纤维混凝土的配置工艺,钢纤维混凝土的应用,4.3 玻璃纤维增强水泥基复合材料,短切纤维,纤维无捻布,玻璃纤维生产工

7、艺：,4.3.1 概述:,玻璃纤维增强水泥（G.R.C）是一种轻质高强、不燃的一类新型材料，它克服了水泥制品拉抻强度低、冲击韧性差的特点，具有容重及热导率小的优点，很受人们欢迎。 南京某建筑公司早在1957年就应用了玻璃纤维增强的混凝土楼板，短期效果较好。但一年后即被破坏。 1958年后，全国各研究单位和高等院校都开始了玻璃纤维增强水泥混凝土的研究，直到1961年被全国叫停。,1966年英国公布了Majumday抗碱玻璃纤维专利，才使玻璃纤维增强水泥制品进入了一个新的发展时期。 1983年，中国建筑材料研究院在国家科委、国家经委和国家建材局支持下，研究了含锆抗碱玻璃纤维和低碱水泥，并取得了成功

8、，其强度半衰期为100年，其耐久性处于国际领先地位。,4.3.2 玻璃纤维增强水泥基复合材料的原材料,（1）抗碱玻璃纤维 成分中的氧化锆（ZrO2）在碱液作用下，在纤维表面会转化成含Zr(OH)4的胶状物，经脱水聚合在玻璃纤维表面形成保护膜，减缓水泥中Ca(OH)2对玻璃纤维的侵蚀。,玻璃纤维的分类：,玻璃纤维的成分：,高强度玻璃纤维：,玻璃纤维织物,（2）水泥基体材料,玻璃纤维增强的水泥复合材料的基体材料是硫铝酸盐水泥。其主要成分是无水硫铝酸钙（3CaO3Al2O3CaSO4）和硅酸二钙（-2CaOSiO2）为主要矿物成分的熟料，加入适量石膏和石灰石，经过细磨制成的早期强度高的水硬性胶凝材料

9、。,（3）填料,GRC的主要填料是砂子，最大直径为2mm，含泥量不大于0.3%。,（4）外加剂,外加剂主要有减水剂和早强剂。,4.3.3 纤维增强水泥基复合材料的成型工艺,4.3.3.1 喷射法,双枪式喷射成型,双枪式和单枪式喷枪,4.3.3.2 GRC复合材料的养护,（1）室温自然养护。水泥基复合材料的固化要求有足够的水分，在养护过程中要不断补充水分。供水方法多采用蓄水、喷水和洒水等方法，大多数企业在制品上铺层麻袋或草袋，不断向麻袋和草袋上浇水。自然或室温的养护温度要保持在15以下。,（2）高温低压蒸汽养护。可缩短水泥复合材料制品的生产周期。温度为40100，最佳温度6580。有资料报道，蒸汽养护对水泥制品的耐久性有不利的影响。 （3）高温高压蒸汽养护。温度一般超过100（160210），蒸汽压力在0.62MPa。,4.4 碳纤维增强水泥基复合材料,纤维增韧、抗裂机理：,多缝开裂理论 纤维阻裂理论 符合力学理论,作业：课下阅读文献,