第4章纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料

單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,第,4,章 纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料,程偉東,材料科學(xué)與工程學(xué)院,4.1,概論,水泥是目前世界上產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的人造無機(jī)材料。中國的產(chǎn)量已經(jīng)躍居世界第一。,水泥的,缺點(diǎn),是結(jié)構(gòu)缺陷多，拉伸強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度低，韌性低等，極大限制了水泥的應(yīng)用。,20,世紀(jì),40,年代開始，研究,玻璃纖維,和,鋼纖維,增強(qiáng)的水泥基復(fù)合材料，此后各國對纖維增強(qiáng)的水泥基復(fù)合材料都極為重視。,4.2,纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料分類：,鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。包括鋼纖維混凝土、鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)水泥復(fù)合材料。,無機(jī)纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。玻璃纖維、碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。,有機(jī)纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。天然纖維（木纖維、竹絲）和人工合成纖維（尼龍纖維、芳綸纖維）增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。,鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料,鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料分類：,鋼纖維增強(qiáng)水泥混凝土復(fù)合材料（鋼纖維混凝土）,鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)水泥砂漿復(fù)合材料（鋼絲網(wǎng)水泥）,20,世紀(jì),50,年代研究開發(fā)的,鋼絲網(wǎng)水泥板,和,鋼絲網(wǎng)水泥船,（,1,）,鋼纖維混凝土的定義,水泥,漿固化后的,水泥石、,砂、石集料,和,鋼纖維,組成的三相復(fù)合材料。砂和石集料提高拉壓強(qiáng)度和防止水泥固化中的收縮開裂，鋼纖維提高抗拉強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性。,坍落度的測試方法：用一個上口100mm、下口200mm、高300mm喇叭狀的塌落度桶，灌入混凝土后搗實，然后拔起桶，混凝土因自重產(chǎn)生塌落現(xiàn)象，用桶高(300mm)減去塌落后混凝土最高點(diǎn)的高度，稱為塌落度。如果差值為10mm，則塌落度為10。,（,2,）鋼纖維混凝土的性能,項目名稱,同級普通混凝土,鋼纖維混凝土,增長率,C30(RC),C30(SFRC),（ % ）,抗拉強(qiáng)度,3.5MPa,5.39-7MPa,54-100,抗壓強(qiáng)度,31.2MPa,32.5-40MPa,4.4-28.2,極限抗彎強(qiáng)度,5.5MPa,9.18-13.75MPa,67-520,初裂抗彎強(qiáng)度,4.88MPa,7-8Mpa,43-100,初裂強(qiáng)度,8.85N.m,23-53N.m,160-500,沖擊疲勞強(qiáng)度,5.96/cm,2,53.3-91/m,2,8-15 倍,抗?jié)B等級,P4,P6-P12,0.5 2.5 倍,鋼纖維混凝土井蓋,鋼纖維混凝土是一種,高強(qiáng),混凝土，其抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度比普通混凝土高,10,倍，彎曲韌性高,20,倍，因而大大改善水泥混凝土的脆性。,鋼纖維含量,/ %,強(qiáng)度提高,/ %,0.1,1,2,2.5,100,140,180,220,鋼纖維摻量與鋼纖維混凝土強(qiáng)度關(guān)系圖,抗拉強(qiáng)度,抗彎強(qiáng)度,（,3,）鋼纖維混凝土的原材料,鋼纖維混凝土的生產(chǎn)原料主要有水泥、細(xì)集料（砂子）、粗集料（碎石子）、水、減水劑、速凝劑和鋼纖維等。,減水劑是一種在維持混凝土坍落度不變的條件下，能減少拌合用水量的混凝土外加劑。,速凝劑：摻入混凝土中能使混凝土迅速凝結(jié)硬化的外加劑。,水泥,水泥是一種人造礦物質(zhì)粉狀膠凝材料，加水形成塑性漿體，在空氣和水中都可固化，固化的水泥能將砂、石、鋼纖維牢固膠結(jié)在一起，是一種水硬性膠凝材料。,水泥可分為,通用水泥,、,專用水泥,和,特性水泥,三大類。,硅酸鹽水泥,油井水泥、大壩水泥,快硬硅酸鹽水泥、膨脹水泥,硅酸鹽水泥,根據(jù),GB 175-2007,國家標(biāo)準(zhǔn),1,、硅酸鹽水泥的定義為：由硅酸鹽水泥熟料、,05%,石灰石或?；郀t礦渣、適量石膏磨,細(xì)制成的水硬膠凝材料稱為硅酸鹽水泥。,2,、由硅酸鹽水泥熟料、,615%,混合材料、適量,石膏磨細(xì)制成的水硬膠凝材料稱為,普通硅酸鹽水泥。,硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的技術(shù)性能,品種,強(qiáng)度等級,（水泥標(biāo)號）,抗壓強(qiáng)度,/ MPa,抗折強(qiáng)度,/ MPa,3,天,28,天,3,天,28,天,硅酸鹽水泥,42.5,45.5R,52.5,52.5R,62.5,62.5R,17,22,23,7,28,32,42.5,45.5,52.5,52.5,62.5,62.5,3.5,4,4,5,5,5.5,6.5,6.5,7,7,8,8,普通硅酸鹽水泥,32.5,32.5R,42.5,45.5R,52.5,52.5R,11,16,16,21,22,26.5,32.5,32.5,42.5,45.5,52.5,52.5,2.5,3.5,3.5,4,4,5,5.5,5.5,6.5,6.5,7,7,細(xì)度,硅酸鹽水泥比表面積大于,300m2/kg,；普通硅酸鹽水泥,80um,方孔篩篩余量不大于,10%,凝結(jié)時間,硅酸鹽水泥初凝時間不早于,45min,，終凝時間不遲于,6.5h,；普通,硅酸鹽水泥初凝時間不早于,45min,，終凝時間不遲于,10h,；,體積安定性,用沸水煮法檢驗必須合格,水泥的礦物組成：,名稱,化學(xué)式,化學(xué)簡式,最高含量,%,最低含量,%,硅酸三鈣,硅酸二鈣,鋁酸三鈣,亞鐵鋁酸四鈣,Ca,3,SiO,2,Ca,2,SiO,2,Ca,3,Al,2,O,3,Ca,4,Al,2,O,3,Fe,2,O,3,C3S,C2S,C3A,C4AF,65.9,37.2,15.6,17.5,38.5,7.2,2.1,5.7,由熟料磨細(xì)的水泥礦物組成主要是,硅酸三鈣,、,硅酸二鈣,、,鋁酸三鈣,和,亞鐵鋁酸四鈣,。,主要礦物成分的水化反應(yīng),硅酸三鈣的水化反應(yīng)：,硅酸三鈣的水化產(chǎn)物為,C-S-H,凝膠和氫氧化鈣。其水化速率很快，可分為五個階段：,誘導(dǎo)前期（15min)、誘導(dǎo)期、加速期、衰退期、穩(wěn)定期。,誘導(dǎo)前期：,加水后立即發(fā)生急劇化學(xué)反應(yīng)，但持續(xù)時間較短，在15min內(nèi)結(jié)束。,誘導(dǎo)期：,反應(yīng)速率極其緩慢，持續(xù)24h（水泥漿體保持塑性）。初凝時間基本相當(dāng)于誘導(dǎo)期的結(jié)束。,加速期：,反應(yīng)重新加快，反應(yīng)速率隨時間而增大，出現(xiàn)第二個放熱峰。在達(dá)到峰頂時本階段即告結(jié)束（48h），此時終凝時間已過，水泥石開始硬化。,減速期：,水化衰減期，反應(yīng)速率隨時間下降的階段（1224h），水化作用逐漸受擴(kuò)散速率控制。,穩(wěn)定期：,反應(yīng)速率很低，反應(yīng)過程基本趨于穩(wěn)定，水化完全受擴(kuò)散速率控制。,鋼纖維,鋼纖維在水泥基體中分布的均勻性隨增大而下降。,D,max,/l,f,=1/2,時，纖維對混凝土的增強(qiáng)效果最好；,D,max,/l,f,>1,時，纖維過于集中并填充于粗集料間的砂漿中，難于增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度，還影響纖維與基體的界面粘結(jié)；,D,max,/l,f,<1/2,時,，可使混凝土的增韌效果明顯，但因集料過小而難以發(fā)揮骨架作用。,鋼纖維混凝土配比：水灰比（,W/C,）,鋼纖維含量和纖維的長徑比對于鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度影響很大，但對于抗壓強(qiáng)度的提高則影響較小。,為鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度，,MPa,；,R,為水泥標(biāo)號，,MPa,；,A,、,B,為設(shè)計常數(shù)。,（,4,）鋼纖維混凝土的配置工藝,砂子,水泥,石子,強(qiáng)制式攪拌機(jī)干拌,鋼纖維,分散機(jī),濕攪拌,出料運(yùn)輸,水、外加劑,鋼纖維混凝土混合料,鋼纖維混凝土的應(yīng)用,4.3,玻璃纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料,短切纖維,纖維無捻布,玻璃纖維生產(chǎn)工藝：,4.3.1,概述,:,玻璃纖維增強(qiáng)水泥（,G.R.C,）是一種輕質(zhì)高強(qiáng)、不燃的一類新型材料，它克服了水泥制品拉抻強(qiáng)度低、沖擊韌性差的特點(diǎn)，具有容重及熱導(dǎo)率小的優(yōu)點(diǎn)，很受人們歡迎。,南京某建筑公司早在,1957,年就應(yīng)用了玻璃纖維增強(qiáng)的混凝土樓板，短期效果較好。但,一年后即被破壞,。,1958,年后，全國各研究單位和高等院校都開始了玻璃纖維增強(qiáng)水泥混凝土的研究，直到,1961,年被全國叫停。,1966,年英國公布了,Majumday,抗堿玻璃纖維專利，才使玻璃纖維增強(qiáng)水泥制品進(jìn)入了一個新的發(fā)展時期。,1983,年，中國建筑材料研究院在國家科委、國家經(jīng)委和國家建材局支持下，研究了含鋯抗堿玻璃纖維和低堿水泥，并取得了成功，其強(qiáng)度半衰期為,100,年，其耐久性處于國際領(lǐng)先地位。,4.3.2,玻璃纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的,原材料,（,1,）抗堿玻璃纖維,成分中的氧化鋯（,ZrO,2,）在堿液作用下，在纖維表面會轉(zhuǎn)化成含,Zr(OH),4,的膠狀物，經(jīng)脫水聚合在玻璃纖維表面形成保護(hù)膜，減緩水泥中,Ca(OH),2,對玻璃纖維的侵蝕。,玻璃纖維的分類：,玻璃纖維的成分：,高強(qiáng)度玻璃纖維：,玻璃纖維織物,（,2,）水泥基體材料,玻璃纖維增強(qiáng)的水泥復(fù)合材料的基體材料是,硫鋁酸鹽水泥,。其主要成分是,無水硫鋁酸鈣（,3CaO,3Al,2,O,3,CaSO,4,）,和,硅酸二鈣（,-2CaO,SiO,2,）,為主要礦物成分的熟料，加入適量石膏和石灰石，經(jīng)過細(xì)磨制成的早期強(qiáng)度高的水硬性膠凝材料。,（,3,）填料,GRC,的主要填料是砂子，最大直徑為,2mm,，含泥量不大于,0.3%,。,（,4,）外加劑,外加劑主要有減水劑和早強(qiáng)劑。,4.3.3,纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的成型工藝,4.3.3.1,噴射法,雙槍式噴射成型,雙槍式和單槍式噴槍,4.3.3.2 GRC,復(fù)合材料的養(yǎng)護(hù),（,1,）室溫自然養(yǎng)護(hù)。水泥基復(fù)合材料的固化要求有足夠的水分，在養(yǎng)護(hù)過程中要不斷補(bǔ)充水分。供水方法多采用蓄水、噴水和灑水等方法，大多數(shù)企業(yè)在制品上鋪層麻袋或草袋，不斷向麻袋和草袋上澆水。自然或室溫的養(yǎng)護(hù)溫度要保持在,15,以下。,（,2,）高溫低壓蒸汽養(yǎng)護(hù)。可縮短水泥復(fù)合材料制品的生產(chǎn)周期。溫度為,40100,，最佳溫度,65,80,。有資料報道，蒸汽養(yǎng)護(hù)對水泥制品的耐久性有不利的影響。,（,3,）高溫高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)。溫度一般超過,100,（,160,210,），蒸汽壓力在,0.6,2MPa,。,4.4,碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料,纖維增韌、抗裂機(jī)理：,多縫開裂理論,纖維阻裂理論,符合力學(xué)理論,作業(yè)：課下閱讀文獻(xiàn),