第4章纖維增強水泥基復(fù)合材料

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1、單擊此處編輯母版標題樣式,,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)用最廣的人造無機材料。中國的產(chǎn)量已經(jīng)躍居世界第一。,,水泥的,缺點,是結(jié)構(gòu)缺陷多，拉伸強度彎曲強度低，韌性低等，極大限制了水泥的應(yīng)用。,20,世紀,40,年代開始，研究,玻璃纖維,和,鋼纖維,增強的水泥基復(fù)合材料，此后各國對纖維增強的水泥基復(fù)合材料都極為重視。,4.2,纖維增強水泥復(fù)合材料分類：,鋼纖維增強水泥基復(fù)合材料。包括鋼纖維混凝土、鋼絲網(wǎng)增強水泥復(fù)合材料。,,無機纖維增強水

2、泥基復(fù)合材料。玻璃纖維、碳纖維增強水泥基復(fù)合材料。,,有機纖維增強水泥基復(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）增強水泥基復(fù)合材料。,鋼纖維增強水泥基復(fù)合材料,鋼纖維增強水泥基復(fù)合材料分類：,,鋼纖維增強水泥混凝土復(fù)合材料（鋼纖維混凝土）,,鋼絲網(wǎng)增強水泥砂漿復(fù)合材料（鋼絲網(wǎng)水泥）,20,世紀,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度和防止水泥固化中的收縮開裂，鋼纖維提高抗拉強度抗彎強度和沖擊韌性。,坍落度的測試方法：用一個上

3、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),（ % ）,抗拉強度,3.5MPa,5.39-7MPa,54-100,抗壓強度,31.2MPa,32.5-40MPa,4.4-28.2,極限抗彎強度,5.5MPa,9.18-13.75MPa,67-520,初裂抗彎強度,4.88MPa,7-8Mpa,43-100,初

4、裂強度,8.85N.m,23-53N.m,160-500,沖擊疲勞強度,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,混凝土，其抗拉強度和抗彎強度比普通混凝土高,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度關(guān)系圖,抗拉強度,抗彎強度,（,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、細集料（砂子）、粗集料（碎石子）、水、減水劑、

5、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,國家標準,,1,、硅酸鹽水泥的定義為：由硅酸鹽水泥熟料、,,0~5%,石灰石或?；郀t礦渣、適量石膏磨,,細制成的水硬膠凝材料稱為硅

6、酸鹽水泥。,,2,、由硅酸鹽水泥熟料、,6~15%,混合材料、適量,,石膏磨細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,,強度等級,,（水泥標號）,抗壓強度,/ MPa,,,抗折強度,/ 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,,3

7、2.5R,,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

8、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)

9、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)2~4h（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。在達到峰頂時本階段即告結(jié)束（4~8h），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（12~24h），水化作用逐漸受擴散速率控制。,,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

10、,max,/l,f,=1/2,時，纖維對混凝土的增強效果最好；,,D,max,/l,f,>1,時，纖維過于集中并填充于粗集料間的砂漿中，難于增強混凝土的強度，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度影響很大，但對于抗壓強度的提高則影響較小。,,,,σ為鋼纖維混凝土抗壓強度，,MPa,；,R,為水泥標號，,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,強制式攪拌機干拌,鋼纖

11、維,分散機,濕攪拌,出料運輸,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,:,,玻璃纖維增強水泥（,G.R.C,）是一種輕質(zhì)高強、不燃的一類新型材料，它克服了水泥制品拉抻強度低、沖擊韌性差的特點，具有容重及熱導(dǎo)率小的優(yōu)點，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水泥混凝土的研究，直到,1961,年被全國叫停。,1966,年英國公布了,Majumda

12、y,抗堿玻璃纖維專利，才使玻璃纖維增強水泥制品進入了一個新的發(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：,高強度玻璃纖維：,,玻璃纖維織物,（,2,）水泥基體材

13、料,,玻璃纖維增強的水泥復(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（,β,-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)過細磨制成的早期強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劑。,4.3.3,纖維增強水泥基復(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,（,1,）室溫自然養(yǎng)護。水泥基

14、復(fù)合材料的固化要求有足夠的水分，在養(yǎng)護過程中要不斷補充水分。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)護溫度要保持在,15,℃,以下。,（,2,）高溫低壓蒸汽養(yǎng)護?？煽s短水泥復(fù)合材料制品的生產(chǎn)周期。溫度為,40~100℃,，最佳溫度,65,~,80℃,。有資料報道，蒸汽養(yǎng)護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。溫度一般超過,100℃,（,160,~,210℃,），蒸汽壓力在,0.6,~,2MPa,。,4.4,碳纖維增強水泥基復(fù)合材料,纖維增韌、抗裂機理：,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,