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1可編輯課件PPT4.1概論水泥是目前世界上產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的人造無(wú)機(jī)材料。中國(guó)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。2可編輯課件PPT20世紀(jì)40年代開(kāi)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(guó)對(duì)纖維增強(qiáng)的水泥基復(fù)合材料都極為重視。3可編輯課件PPT4.2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(wú)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。4可編輯課件PPT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）5可編輯課件PPT20世紀(jì)50年代研究開(kāi)發(fā)的鋼絲網(wǎng)水泥板和鋼絲網(wǎng)水泥船6可編輯課件PPT（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(kāi)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(cè)試方法：用一個(gè)上口100mm、下口200mm、高300mm喇叭狀的塌落度桶，灌入混凝土后搗實(shí)，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。7可編輯課件PPT8可編輯課件PPT9可編輯課件PPT（2）鋼纖維混凝土的性能10可編輯課件PPT鋼纖維混凝土井蓋11可編輯課件PPT

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/%0.1122.5100140180220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12可編輯課件PPT13可編輯課件PPT14可編輯課件PPT（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。15可編輯課件PPT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16可編輯課件PPT硅酸鹽水泥根據(jù)GB175-2007國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1、硅酸鹽水泥的定義為：由硅酸鹽水泥熟料、0~5%石灰石或粒化高爐礦渣、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、6~15%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。17可編輯課件PPT硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的技術(shù)性能18可編輯課件PPT水泥的礦物組成：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。19可編輯課件PPT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(gè)階段：誘導(dǎo)前期（15min)、誘導(dǎo)期、加速期、衰退期、穩(wěn)定期。20可編輯課件PPT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(shí)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(shí)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(shí)間而增大，出現(xiàn)第二個(gè)放熱峰。在達(dá)到峰頂時(shí)本階段即告結(jié)束（4~8h），此時(shí)終凝時(shí)間已過(guò)，水泥石開(kāi)始硬化。減速期：水化衰減期，反應(yīng)速率隨時(shí)間下降的階段（12~24h），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(guò)程基本趨于穩(wěn)定，水化完全受擴(kuò)散速率控制。21可編輯課件PPT22可編輯課件PPT鋼纖維23可編輯課件PPT鋼纖維在水泥基體中分布的均勻性隨增大而下降。Dmax/lf=1/2時(shí)，纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)效果最好；Dmax/lf>1時(shí)，纖維過(guò)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)；Dmax/lf<1/2時(shí)，可使混凝土的增韌效果明顯，但因集料過(guò)小而難以發(fā)揮骨架作用。24可編輯課件PPT鋼纖維混凝土配比：水灰比（W/C）鋼纖維含量和纖維的長(zhǎng)徑比對(duì)于鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度影響很大，但對(duì)于抗壓強(qiáng)度的提高則影響較小。σ為鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa；R為水泥標(biāo)號(hào)，MPa；A、B為設(shè)計(jì)常數(shù)。25可編輯課件PPT（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26可編輯課件PPT鋼纖維混凝土的應(yīng)用27可編輯課件PPT4.3玻璃纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料短切纖維纖維無(wú)捻布28可編輯課件PPT玻璃纖維生產(chǎn)工藝：29可編輯課件PPT4.3.1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(guó)各研究單位和高等院校都開(kāi)始了玻璃纖維增強(qiáng)水泥混凝土的研究，直到1961年被全國(guó)叫停。30可編輯課件PPT1966年英國(guó)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(gè)新的發(fā)展時(shí)期。1983年，中國(guó)建筑材料研究院在國(guó)家科委、國(guó)家經(jīng)委和國(guó)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(guó)際領(lǐng)先地位。31可編輯課件PPT4.3.2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（ZrO2）在堿液作用下，在纖維表面會(huì)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(duì)玻璃纖維的侵蝕。32可編輯課件PPT玻璃纖維的分類：33可編輯課件PPT玻璃纖維的成分：34可編輯課件PPT高強(qiáng)度玻璃纖維：35可編輯課件PPT玻璃纖維織物36可編輯課件PPT37可編輯課件PPT（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(wú)水硫鋁酸鈣（3CaO3Al2O3CaSO4）和硅酸二鈣（β-2CaOSiO2）為主要礦物成分的熟料，加入適量石膏和石灰石，經(jīng)過(guò)細(xì)磨制成的早期強(qiáng)度高的水硬性膠凝材料。38可編輯課件PPT39可編輯課件PPT（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%。40可編輯課件PPT（4）外加劑外加劑主要有減水劑和早強(qiáng)劑。41可編輯課件PPT4.3.3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42可編輯課件PPT43可編輯課件PPT44可編輯課件PPT雙槍式和單槍式噴槍45可編輯課件PPT4.3.3.2GRC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(guò)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。46可編輯課件PPT（2）高溫低壓蒸汽養(yǎng)護(hù)?？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(bào)道，蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)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(guò)100℃（160~210℃），蒸汽壓力在0.