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1、第第4章章 新型水泥基复合材料新型水泥基复合材料 复合材料是由两个或两个以上独立的物相,包含粘结材料(基体)和颗粒、纤维或片状材料(增强体)以微观或宏观形式所组成的固体材料,并且具有与其组成物质不同的性能。复合材料可有多种分类方法:(1)(1)根根据据基基体体类类型型分分类类,分为金金属属基基复复合合材材料料、聚聚合合物物基基复复合合材材料料和和陶陶瓷瓷基基(含含水水泥泥基基)复复合合材材料料;(2)(2)根根据据增增强强体体外外形形分分类类,可可分分为为不不连连续续(颗颗粒粒或或短短纤纤维维)增增强强复复合合材材料料、连连续续纤纤维维增增强强复复合合材材料料和和纤纤维维编编织织物物或或片片材
2、材增增强强复复合合材材料料等等。此外也可根据增强体的类型、复合材料的功能等进行分类。4.1 纤维改性水泥基复合材料纤维改性水泥基复合材料4.1.1纤维的分类和作用纤维的分类和作用按照弹性模量可分为两大类:高弹性模量纤高弹性模量纤维维和和低低弹弹性性模模量量纤纤维维。低弹性模量纤维(如各种有机纤维、尼龙、聚丙烯、聚乙烯等)只能提高水泥基复合材料的韧性、抗冲击性能等与材料的塑性有关的物理性能;高弹性模量纤维(如钢纤维、玻璃纤维、碳纤维等)则能够改善水泥基复合材料的强度和刚性。纤维按作用方式又可分为:短短纤纤维维。改善纤维在水泥基复合材料中的分散性,通过传递应力吸收高能量;有效抗击冲击力和控制裂缝;
3、短短纤纤维维铺铺网网或或网网状状纤纤维维。增加纤维与基体的接触面积和接触力,有效降低水泥基复合材料固化过程中的塑性收缩,提高构件的耐冲击力,延长构件的使用寿命;异异形形化化纤纤维维。如如V形形纤纤维维、Y形形纤纤维维、带带钩钩形形纤纤维维等等,异形化能够增加纤维与基体的接触表面,加强两者之间的有效粘结,提高增强、增韧效果;表表面面涂涂层层改改性性纤纤维维。利用有机或无机化合物处理或涂层,改善纤维在混合过程中的分散性,提高纤维与基体材料的粘结力。4.1.2、常见的纤维增强水泥基材料1.钢纤维增强水泥基复合材料(钢纤维增强水泥基复合材料(SFRC)1)钢纤维的外形钢纤维的外形平直形弯钩形波形扭曲形
4、大头形2)钢纤维的几何参数与体积率)钢纤维的几何参数与体积率钢纤维钢纤维长度 l=15-60mm,直径 d=0.3-1.2mm,l/d=30-100,体积率的选用范围一般以0.5%为最小体积率,超过2%和易性变差,施工困难。3)钢纤维混凝土的应用)钢纤维混凝土的应用1.隧洞衬砌和矿井隧洞衬砌和矿井A.水工隧洞衬砌;B.矿井工程:加固采矿巷道;加固溜井;加固巷道冒顶区。B.铁路隧道衬砌2.建筑工程建筑工程A.悬挑结构,转换层大梁B.预制桩工程C.框架节点 D.屋面防水E .地下防水3.管道工程管道工程离心管;振动和挤压成型圆管;泵管;钢衬钢纤维混凝土压力管道4.公路桥梁工程公路桥梁工程箱形拱桥拱
5、圈:例如广西静兰大桥;三峡莲沱特大桥连续梁桥和吊拉组合索桥湖南月湖桥;黄华立交桥;南华渡大桥钢纤维混凝土桥面:北京安慧立交桥和马草河桥广西静兰大桥广西静兰大桥三峡莲沱特大桥三峡莲沱特大桥月湖桥月湖桥5.公路路面及机场跑道道面工程公路路面及机场跑道道面工程6.铁路工程:铁路轨枕铁路工程:铁路轨枕上海虹桥机场高架车道钢纤维混凝土道面7.内河航道工程内河航道工程8.水利水电工程:高速水流冲刷磨损的部位闸水利水电工程:高速水流冲刷磨损的部位闸门,闸槽及门槽,渡槽、大坝防渗面板门,闸槽及门槽,渡槽、大坝防渗面板9.防爆防爆10.维修加固工程维修加固工程2.玻璃纤维增强水泥基复合材料玻璃纤维增强水泥基复合
6、材料(GFRC)用低碱水泥与抗碱玻纤制得的GFRC耐久性达到并超过了一般水泥基复合材料构筑物的寿命(50年)。随着GFRC技术的成熟,GFRC广泛用于非承重或半承重制品,如内墙板、外墙板、活动地板、波瓦、通风道、输水与排污管道、快速车道挡土墙、吸音壁等。与金属材料相比,其强度和刚度低的缺点可以用肋加强或者做成复合结构来增强。与钢筋混凝土相比,在运输和安装期间,重量轻是一大优点。GFRC特别适用于包裹钢结构来提高其防火性能。3.碳纤维增强水泥基复合材料碳纤维增强水泥基复合材料(CFRC)具有以下特点:抗碱性能好、质量轻、耐高温、耐磨损、导电和导热性能好、优良的生物稳定性。在水泥、水泥基复合材料中
7、掺加碳纤维可起到阻裂增韧作用,制得高性能水泥基复合材料。CFRC具有高抗拉强度和弯曲强度、较高的韧性和延性、高抗冲击性和抗裂性、好的耐磨性、尺寸稳定性和抗静电性等。选择适宜的碳纤维,当体积掺量为23(4.5m3)时,CFRC的抗折强度比普通水泥可提高4倍(1621MPa),韧性提高20倍,CFRC材料以其优越的性能,受到人们越来越明显的关注。至今CFRC材料在高层建筑、大桥、码头、河坝、耐火、防震、静电屏蔽、导电以及波吸收等方面得到了日益广泛的应用。4.聚丙烯纤维增强水泥基复合材料聚丙烯纤维增强水泥基复合材料大部分水泥基材料龟裂出现在浇筑后的24h之内,这时水泥基材料对振动、塑性收缩和沉陷开裂
8、最为敏感,聚丙烯纤维的加入大大防止了这类裂缝的产生和发展。同时,还显著减少了水泥基材料的渗透性,当加入593g m3纤维时,渗透性减少了44,而加入1187gm3纤维时,渗透性改善达79。这样,钢筋水泥基材料中钢筋的锈蚀问题就可得到改善。聚丙烯纤维的加入可使水泥基复合材料的耐磨性提高一倍以上,冲击应力可提高10,可用在易受车船、设备和集装箱冲撞摩擦的码头、港口等处,还特别适合应用在地震多发区等环境下.5.天然纤维增强水泥基复合材料天然纤维增强水泥基复合材料稻草、牧草、芦苇、棕榈叶、竹子等均可用于水泥基材料中。6.纤维增强塑料纤维增强塑料(FRP)纤维增强塑料(FRP)是一种复合纤维材料,由合成
9、或有机高强纤维构成,是水泥基复合材料结构中一种新型复合材料。FRP主要由高性能纤维、聚酯基、乙烯基或环氧树脂组成,典型的FRP大约有60-65的纤维,其余是基体。单丝经过浸润树脂、拉拔、缠绕、粘结而形成片材、板材、绳索、棒材、短纤维或格状材料。玻璃纤维增强塑料电缆保护管玻璃纤维增强塑料电缆保护管FRP可用于新建结构、补强加固旧建筑物、构筑物、预应力结构、路面结构、桥梁工程、海岸和近海工程中。7.智能水泥基复合材料智能水泥基复合材料在传统水泥基复合材料基础上复合智能型组分,如把传感器、驱动器和微处理器等置入水泥基复合材料中,使水泥基复合材料成为既能承受荷载又具有自感知和记忆、自适应、自修复等特定
10、功能的多功能材料。损伤自诊断水泥基复合材料、温度自监控水泥基复合材料、具有反射电磁波功能的导航水泥基复合材料、调湿性水泥基复合材料以及仿生自愈合水泥基复合材料等。4.2活性粉末水泥基材料活性粉末水泥基材料4.2.1活性粉末水泥基材料的基本原理活性粉末水泥基材料的基本原理 活性粉末水泥基材料是一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高性能材料。它的基本原理是:材料含有的微裂缝和孔隙等缺陷最少,可以获得由其组成材料所决定的最大承载能力,并具有特别好的耐久性。根据这个原理,其所采用的原材料平均颗粒尺寸在0.1um到1mm之间,目的是尽量减小材料的孔间距,从而更加密实。活性粉末水泥基材料的制备采取了以下措施:
11、1.提高匀质性提高匀质性2.增大堆积密度3.通过凝固后热养护改善结构4.掺钢纤维增加韧性4.2.2活性粉末水泥基材料的制备、配合比及活性粉末水泥基材料的制备、配合比及特性特性1.材料和制备工艺材料和制备工艺(1)材料水泥细石英砂硅灰磨细石英粉高效减水剂钢纤维(2)制备 拌和浇注加压成型养护2.活性粉末水泥基材料的配合比活性粉末水泥基材料的配合比3.活性粉末水泥基材料的性能活性粉末水泥基材料的性能以活性粉末水泥基材料RPC200为例,其材料抗压强度达170230MPa,是高性能混凝土的2.4倍;其抗折强度为3060MPa,是高性能混凝土的46倍;掺入纤维后拉压比可达14左右,弹性模量为4060G
12、Pa,断裂韧性高达2000040000Jm2,是普通混凝土的250多倍,可与金属媲美。活性粉末水泥基材料比高性能混凝土具有更好的耐久性。4.3地质聚合物水泥基材料地质聚合物水泥基材料地质聚合物的概念地质聚合物的概念地质聚合物(Geopolymer)的概念在上个世纪70年代末首先由工Davidovits提出。该材料是近年来新发展起来的,有可能在许多场合代替水泥,并有着比水泥更优异性能的新型材料。地 质 聚 合 物 被 认 为 是 由 地 球 化 学 作 用(geochemistry)或 人 工 模 仿 地 质 合 成 作 用(geosynthesis)而制造出的以无机聚合物为基体的坚硬的人造岩石
13、。这种人造岩石具有天然岩石一样的硬度、耐久性和热稳定性。4.3.1地质聚合物的性质地质聚合物的性质1.地质聚合物具有良好的早强特征,一般24小时强度可达到1530MPa,28天强度可达到3060MPa。如果养护适当,其强度还会随着龄期的延长继续增长,其增长幅度大于一般水泥基材料的增长幅度。由于地质聚合物与一般矿物颗粒或废弃物颗粒具有良好的界面亲和性(大多情况下是化学键结合,并具有过度层结构),因此这类材料的抗折强度较高。与水泥基材料相比,当抗压强度相同时,地质聚合物材料具有更高的抗折强度。碳纤维增强地质聚合物的抗折强度可达245MPa,抗拉强度可达327MPa。地质聚合物为非晶质至半晶质的铝硅
14、酸盐 体系,与常见的天然矿物颗粒和许多工业废渣都具有很好的结合性。在掺加比例适宜时,掺有矿物颗粒或工业废渣颗粒的地质聚合物材料要比聚合物基体本身具有更高的强度。2.地质聚合物具有良好的耐酸性,其在5硫酸溶液中的分解率只有硅酸盐水泥的113;在5盐酸溶液中的分解率只有硅酸盐水泥的112。由于地质聚合物制备时都要加入大量活性的铝硅酸盐细粉(如轻烧高岭土、粉煤灰、高炉水渣等),地质聚合物形成后能够吸纳大量的碱金属离子,这种吸纳过程只要活性成分还没有被耗尽就可以不断地进行下去,因此在很大程度上弱化了碱骨料反应。再加上地质聚合物具有很高的抗拉强度和弹性模量,因此从理论上说可以避免碱骨料反应。这一点已被很
15、多的实验所证实。3.地地质质聚聚合合物物在在凝凝结结硬硬化化和和使使用用过过程程中中具具有有良良好好的的体体积积稳稳定定性性,其7天线收缩率只有普通水泥的l517,28天的线收缩率只有普通水泥的l8l9。地质聚合物与普通水泥相比具有极好的高温体积稳定性,其400下的线收缩率为0.2 1,800下的线收缩率为0.22,可以保持60以上的原始强度。地质聚合物具有比水泥更好的抗冻融性。4.3.2地质聚合物的应用地质聚合物的应用(1)建筑用地质聚合物块体材料(2)地质聚合物混凝土路面(3)地质聚合物灌浆材料(4)地质聚合物固结矿山尾矿、粉煤灰和用于固沙工程(5)地质聚合物板材(6)具有良好的耐久性和耐
16、磨性的高强结构材料及耐高温注模材料(7)地质聚合物密封固结材料(8)其它工程材料利用地质聚合物良好的抗酸、碱能力可将其用于修建存储酸、碱废水的堤坝、水池和管道。也可以用地质聚合物修建垃圾填埋场的密封层。利用地质聚合物快硬、高强和不用湿养护的特点,将其用于固结土壤、黄土、河泥、沙漠砂等修筑野战军用工事,抢修被敌人破坏的工事、道路、桥梁及其他军用设施等。4.4轻骨料混凝土骨料混凝土1.表表观密度小。密度小。轻混凝土与普通混凝土相比,其表观密度一般可减小1/43/4,使上部结构的自重明显减轻,从而显著地减少地基处理费用,并且可减小柱子的截面尺寸。又由于构件自重产生的恒载减小,因此可减少梁板的钢筋用量
17、。此外,还可降低材料运输费用,加快施工进度。2.保温性能良好。保温性能良好。材料的表观密度是决定其导热系数的最主要因素,因此轻混凝土通常具有良好的保温性能,降低建筑物使用能耗。3.耐火性能良好耐火性能良好。轻混凝土具有保温性能好、热膨胀系数小等特点,遇火强度损失小,故特别适用于耐火等级要求高的高层建筑和工业建筑。4.力学性能良好。力学性能良好。轻混凝土的弹性模量较小、受力变形较大,抗裂性较好,能有效吸收地震能,提高建筑物的抗震能力,故适用于有抗震要求的建筑。5.易于加工。易于加工。轻混凝土中,尤其是多孔混凝土,易于打入钉子和进行锯切加工。这对于施工中固定门窗框、安装管道和电线等带来很大方便。4
18、.4.1轻骨料的分类轻骨料的分类1.工工业业废废料料轻轻骨骨料料:以工业废料为原料,经加工而成的轻骨料,如粉煤灰陶粒,膨胀矿渣珠,自燃煤矸石、煤渣等。2.天天然然轻轻骨骨料料:以天然形成的多孔岩石经加工而成的轻骨料,如浮石,火山渣,多孔凝灰岩等。3.人人工工轻轻骨骨料料:以地方材料(如页岩、粘土等)为原料;经加工而成的轻骨料,如页岩陶粒、粘土陶粒,膨胀珍珠岩等。浮石浮石凝灰岩4.4.2质量标准质量标准(1)天然轻骨料天然轻骨料 A、天然轻粗骨料分为以下四个粒级天然轻粗骨料分为以下四个粒级510mm 1020mm 2030mm 3040mm。B、轻砂分为:轻砂分为:粗砂(细度模数为4.03.1)
19、,中砂(细度模数为3.02.3),细砂(细度模数为2.21.5)。4.4.3 轻骨料的质量标准和试验方法。轻骨料的质量标准和试验方法。GB/T17431.1-1998 轻集料GB/T17431.2-1998 轻集料试验方法轻骨料粉煤灰烧结超强陶粒圆球型高强陶粒4.4.4粗轻集料的性质粗轻集料的性质筒压强度颗粒级配松散容重和堆积密度吸水率软化系数空隙率坚固性抗冻性(1)松堆密度:)松堆密度:轻骨料的表现密度直接影响所配制的轻骨料混凝土的表观密度和性能,轻粗骨料按松堆密度划分为8个等级:300、400、500、600、700、800、900、1000kg/m3。轻砂的松堆密度为4101200kg/
20、m3。(2)强度:度:轻粗骨料的强度,通常采用“筒压法”测定其筒压强度。筒压强度是间接反映轻骨料颗粒强度的一项指标,对相同品种的轻骨料,筒压强度与堆积密度常呈线性关系。但筒压强度不能反映轻骨料在混凝土中的真实强度,因此,技术规程中还规定采用强度标号来评定轻粗骨料的强度。“筒压法”和强度标号测试方法可参考有关规范。(3(3)吸吸水水率率:轻骨料的吸水率一般都比普通砂石料大,因此将显著影响混凝土拌合物的和易性、水灰比和强度的发展。在设计轻骨料混凝土配合比时,必须根据轻骨料的一小时吸水率计算附加用水量。国家标准中关于轻骨料一小时吸水率的规定是:轻砂和天然轻粗骨料吸水率不作规定,其他轻粗骨料的吸水率不
21、应大于22%。(4)最最大大粒粒径径与与颗粒粒级配配:保温及结构保温轻骨料混凝土用的轻骨料,其最大粒径不宜大于40mm。结构轻骨料混凝土的轻骨料不宜大于20mm。4.4.54.4.5轻集料混凝土的技术性质轻集料混凝土的技术性质按立方体抗压强度分为CL5.0、CL7.5、CL10、CL15、CL20、CL25、CL30、CL35、CL40、CL45、CL50中低强度等级轻集料混凝土轻集料混凝土的抗拉强度与普通混凝土接近,强度等级高时,抗拉强度降低。应变值比普通混凝土大;保温性能好4.4.6用途用途保温轻骨料混凝土保温轻骨料混凝土 主要用于保温的围护结构或热工构筑物 CL5.0 密度等级 800结构保温轻骨料混凝土结构保温轻骨料混凝土 主要用于既承重又保温的围护结构 CL5.0CL15 密度等级8001400 结构轻骨料混凝土结构轻骨料混凝土 主要用作承重构件或构筑物 CL15CL50 密度等级14001900
限制150内