《水泥基复合材料》PPT课件.ppt

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1、 短纤维增强水泥基复合材料包括结构材料和非结构 材料 。 结构材料大都用于建筑物墙体和构件的承重结构 中 ， 非结构材料则主要用做装饰性材料和非承重功能性 材料 。 随着人们生活水平的提高和住宅环境的日益改善 ， 人们对住宅的美观及诸多功能提出了更加苛刻的要求 。 因此 ， 对非承重功能性材料进行改革将是现代建筑中墙 体材料改革的大势所趋 。 世界上许多国家在二十世纪二 、 三十年代已着手墙体材料改革 ， 逐步推进墙体材料的环 保化 ， 严格限制粘土砖 （ 制品 ） 的生产与使用 ， 大力推 广各种非粘土类制品及大尺寸的块材与板材 。 第八章 纤维增强水泥基复合材料 8. 1 概 述 目前 ，

2、 西方发达国家的墙体材料正向纵深方向发 展 ， 提倡建筑节能 ， 不断提高新型墙材的生产比例 ， 综合利用工业废渣 ， 节能降耗 ， 使产品系列化与配套 化 。 同时不断开发多功能的 “ 绿色 ” 材料 。 我国墙体材料的革新工作虽已进行多年 ， 但传统 的实心粘土砖在整个墙体材料中所占的的比例仍然很 大 。 由于实心粘土砖保温隔热性能差 ， 生产能耗高 ， 不符合现行建筑设计规范的建筑节能的要求 ， 更为严 重的是毁坏耕地的现象十分严重 。 所以 ， 寻找具有生 产能耗低 、 保温节能的高性能新型墙体材料来取代传 统的实心粘土砖 ， 已成为我国墙体材料改革的大势所 趋 。 8. 1 概 述

3、国务院 99年 72号文件已明确指出： “ 2001年在沿海 城市和土地稀缺的城市禁止使用实心粘土砖；在其他地 区框架结构建筑中也禁止使用实心粘土砖 。 到 2003年在 全国禁止生产 、 使用实心粘土砖 。 ” 以实现最终淘汰实 心粘土砖的目的 。 针对上一指示精神 ， 墙材革新与建筑 节能是节约能源 、 改善建筑功能 、 促进住宅产业化的客 观要求 ， 是当今全球建筑业的共同选择 ， 是关系实施可 持续发展战略的重大问题 。 随着限期禁止使用粘土砖的 “ 禁砖令 ” 的下达 ， 鼓励生产使用轻质 、 高强 、 保温 、 隔热 、 隔音的新型墙体材料 ， 以代替 “ 秦砖汉瓦 ” ， 推 进

4、建筑节能工作的开展 ， 国家 、 省 、 市都制定了一系列 政策和法规 。 现在 ， 针对实心粘土砖为主要对象的墙体 材料革新已成为历史的必然 。 8. 1 概 述 纤维增强脆性材料的历史 ， 可以追溯到远古时代 。 当时人们把稻草等植物纤维掺到泥土中 ， 制备较为坚 固耐用的建筑材料 ， 这一原始的制造工艺 ， 至今在我 国的部分农村仍被采用 。 现代最早广为使用的纤维增 强复合材料是大约 1900年出现的石棉水泥板 。 其后 ， 其他各种纤维增强材料相继被研究开发出来 ， 如纤维 增强树脂 ， 纤维增强陶瓷和纤维增强水泥基材料等这 些纤维增强复合材料广泛应用于观代生活的许多领域 ， 已为人

5、类社会的发展做出了巨大的贡献 。 8. 2 纤 维 增 强 水 泥 的 历 史 纤维增强水泥基复合材料的基体 ， 通常是普通波 特兰水泥 ， 有时也采用高铝水泥和特种水泥 。 而用于 增强的纤维 ， 除最早广为使用的石棉纤维外还有钢纤 维 ， 玻璃纤维 ， 天然纤维 (如玉米秸 、 麦杆秸 、 黄麻 等 )， 合成纤维 (如高模量的碳纤维 ， 芳纶纤维和较低 模量的聚丙烯纤维等 )。 这些增强纤维的性能 ， 增强 效果和制造成本差别较大 （ 见表 1） 。 在纤维增强水 泥基材料中 ， 纤维的使用状态和分布是多种多样的： 既可以是长纤维的一维铺设 ， 也可以是长纤维或者织 物的二维分布 ， 还

6、可以是短纤维的二维或者三维不连 续的乱向分布 。 因此 ， 近些年来 ， 纤维增强水泥基复 合材料的研究比较活跃 ， 并取得了许多有意义的研究 结果 。 8. 2 纤 维 增 强 水 泥 的 历 史 表 1 几种纤维和水泥基体性能比较 纤维名称 纤维直径 /m 容积密度（ g/cm3） 抗拉强度 /MPa 弹性模量 (MPa) 极限延伸率 (%) 不锈钢纤维 10 330 7.8 2100 160 3.0 温石棉纤维 2.6 500 1800 150 170 2.0 3.0 青石棉纤维 0.1 20 3.4 700 2500 170 200 2.0 3.0 抗碱玻璃纤维 8 20 2.7 14

7、00 2500 70 80 2.0 3.5 中碱玻璃纤维 8 20 2.6 1000 2000 60 70 3.0 4.0 无碱玻璃纤维 8 20 2.54 3000 3500 72 77 3.6 4.8 高弹碳纤维 9 1.9 2600 230 1.0 聚丙烯单丝 0.9 400 5 8 18 Kevlar-29 12 1.44 2900 69 4.0 尼龙单丝 100 200 1.1 900 4 13.0 15.0 水泥净浆 2.0 2.2 3 6 10 25 0.01 0.05 水泥砂浆 2.2 2.3 2 4 25 35 0.005-0.015 水泥混凝土 2.3 2.45 1 4 3

8、0 40 0.01 0.02 8. 2 纤 维 增 强 水 泥 的 历 史 纤维增强水泥的国内外动态 用于增强水泥基复合材料的纤维品种很多 ， 主要 有钢纤维 、 石棉纤维 、 天然纤维和合成纤维 、 玻璃纤 维 。 科学家和工程师对这些纤维增强水泥基材料进行 了广泛的研究 ， 取得了许多有意义的研究结果并且其 中某些品种已经应用于工程建设中 。 1、钢纤维增强水泥基材料 2、石棉纤维增强水泥基材料 3、天然纤维增强水泥基材料 4、合成纤维增强水泥基材料 5、玻璃纤维增强水泥基材料 6、混杂纤维增强水泥板 8. 3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态 钢纤维增强水泥基材料 钢纤维增

9、强水泥基材料是纤维增强水泥基材料理 论研究最早的一种 。 与其它增强纤维相比钢纤维增强 水泥基材料研究得最广泛最深入 。 目前 ， 钢纤维增强 水泥基材料在工程建设中应用最广 ， 钢纤维的消耗量 仅次于石棉纤维 。 钢纤维加入到水泥基材料中后 ， 改变了材料的破 坏方式 ， 提高了材料的强度 (包括热压强度 、 抗拉强度 和抗弯强度 ， 特别是大幅度提高了材料的韧性 。 另外 ， 复合材料的耐磨性 、 耐疲劳性 、 抗冲击性和冻融性等 也有不同程度的改善 。 钢纤维增强水泥基材料的用途 广泛 ， 主要应用于公路 、 飞机跑道 、 工厂地板 、 堤坝 桥墩 、 以及河流水库 、 隧道的内衬等 。

10、 8. 3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态 石棉纤维增强水泥基材料 石棉纤维增强水泥基材料是现代最早应用的纤维 增强水泥基材料 ， 也是用量最大的纤维增强水泥基材 料 ， 目前 ， 每年用于增强水泥材料的石棉纤维大约为 200万吨 。 石棉纤维来源丰富价格低廉 ， 具有很高的 强度和模量 ， 且纤维与水泥基体相互作用良好 ， 因此 是一种理想的水泥制品增强纤维 。 但是 ， 近年来的研 究发现石棉纤维对人身危害很大 ， 许多国家准备逐步 禁止使用石棉纤维作为水泥制品的增强纤维 ， 并正在 努力寻找石棉纤维的替代纤维 。 8. 3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态

11、天然纤维增强水泥基材料 天然纤维是自然界中最大品种的纤维 ， 取之不尽 ， 用之不竭 。 天然纤维增强水泥基材料的研究与开发 ， 具有重要的意义和广阔的前景 。 用于增强水泥基材料 的天然纤维很多 ， 目前主要有棉杆秸 、 玉米秸 、 黄麻 、 亚麻 、 剑麻 、 椰子壳 、 甘蔗渣 、 木纤维等 。 近几年来出于环境污染和制造成本的考虑 ， 许多 科学家开始系统研究天然纤维增强水泥基材料 ， 并已 发表了大量的研究论文和综述评论 。 天然纤维加入到水泥基材料中后 ， 复合材料的强 度和韧性都有明显的提高 ， 提高的程度取决于纤维的 用量和纤维的长度 ， 纤维用量和纤维长度均有一最佳 值 。

12、过多的纤维用量和过长的纤维长度 ， 都会降低天 然纤维增强水泥基材料的增强效果 。 8. 3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态 与玻璃纤维相似 ， 在碱性环境中 ， 天然纤维会发 生分子降解而失去力学性能 。 因此 ， 其增强水泥基材 料同样存在一个长久使用性问题 。 某些科学家采用天 然纤维涂覆疏水保护剂和或采用低碱性基体的方法 ， 来解决天然纤维增强水泥基材料的耐久性问题效果显 著 ， 但最终结果仍不甚令人满意 。 因此 ， 如何提高天 然纤维的耐碱性 ， 提高天然纤维增强水泥基材料的耐 久性将是未来研究的重要领域 。 8. 3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态

13、 合成纤维增强水泥基材料 迄今为止 ， 在国际上已被用以替代石棉制造纤维 水泥板的合成纤维主要有维纶 (聚乙烯醇纤维 )、 脂纶 (聚丙烯脂纤维 )、 丙纶 (聚丙烯纤维 )与乙纶 (聚乙烯纤 维 )。 芳纶 (芳族聚酰胺纤维 )虽具有较高的弹性模量 (可与石棉纤维的弹性模量相近 )， 但由于此种纤维的 价格太高 ， 尚难为纤维水泥工业所采用 。 根据我国与国外对用维纶制造的无石棉纤维水泥 板的耐久性的研究结果 ， 认为此种制品即使暴露于大 气中仍具有较高的强度 ， 但其韧性随时间而有所下降 。 这主要是由于纤维与水泥基体界面的粘结不断提高所 致 。 8. 3 纤 维 增 强 水 泥 的 国

14、内 外 动 态 目前除我国外 ， 英国 、 德国 、 瑞士 、 比利时 、 意 大利等国均在抄取工艺线上用维纶生产无石棉纤维水 泥板 。 国外有的用改性维纶或改性脂纶替代适量的高 模量维纶 。 丹麦 Eternit公司用改性丙纶替代全部石棉 ， 并用纤维素纤维作辅助纤维在抄取工艺线上制造无石 棉纤维水泥板 。 8. 3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态 为充分发挥聚丙烯纤维对水泥基体的增强作用 ， 英国萨里大学研究成功用经高倍拉伸制得的纤化聚丙 烯薄膜以较高的体积率掺加于水泥基体中 ， 在实验室 内制成抗拉强度与变形能力均较高的薄壁纤维水泥板 。 意大利 Fibronit公司根据

15、英国此项技术的专利进行了 商业性开发 ， 设计并制作了专门生产纤化聚丙烯薄膜 增强水泥板的装备 ， 产品的商品名称为 “ Netcem”。 根 据 10年大气暴露的试验结果 ， Netcem波板的耐久性是 令人满意的 ， 但尚需积累更长期的试验资料 。 英 、 美 等国还研究了将编织聚丙烯纤维网格布以较高的体积 率掺加于水泥基体中 ， 也得到了较好的试验结果 。 8. 3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态 玻璃纤维增强水泥基材料 玻璃纤维具有很高的强度和模量 ， 并且来源丰富 制造成本较低 ， 是复合材料增强纤维的主要品种之一 。 最早进行玻璃纤维增强水泥基材料研究的 ， 当属前

16、苏 联科学家 Biryukovich等人 ， 我国科学家在 1958年后也 曾参与了早期研究工作 。 普通玻璃纤维的耐碱性较差 ， 在水泥基体这样的 碱性环境中极易失去其强度和刚性 ， 因此在六十年代 ， 虽然玻璃纤维增强水泥基材料的研究已经比较深入系 统 ， 但其制品一直未被推广应用；直到七十年代初期 ， 英国建筑研究院向普通玻璃纤维中加入二氧化锆 ， 研 制成功了耐碱玻璃纤维后 ， 玻璃纤维增强水泥制品才 由英国的 Pilkington Brothers公司大量生产推广应用 。 8. 3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态 由于提高抗碱玻璃纤维的抗碱能力有一定限度 ， 为确保

17、GRC的长期耐久性 ， 应尽量降低水泥基体的碱度 。 迄今为止 ， 国际上采取的技术路线基本上有下列两条： (1)对普通水泥改性 :例如法国圣哥班公司在普通波特兰 水泥中同时掺加偏高岭土与丙烯酸酯乳液；德国海德堡 水泥公司使用高炉水泥 (高炉矿渣粉含量在 70 以上 )并 同时掺加偏高岭土或其它材料 。 8. 3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态 (2)使用专门制造的低碱度水泥 :例如中国建筑材料科 学研究院开发的硫铝酸盐型低碱度水泥 (由无水硫铝酸 钙 、 石灰石 、 无水石膏组成 )， 日本秩父水泥公司开发 的 CGC水泥 (由无水硫铝酸钙 、 C2S含量高的波特兰水泥 、

18、矿渣与石膏组成 )。 根据国内外的经验 ， 为降低 GRC制 品的干缩率 ， 应使灰砂比控制在 1： 11： 1.5之间 。 Biryukovich测定了单向抗拉的基本性能 ， 他得到的 E 型玻璃纤维高铝水泥的应力应变曲线如图 1. 8. 3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态 图 1.含有不同体积纤维高铝水泥应力应变曲线 8. 3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态 我国玻璃纤维增强水泥的发展前景 (1)、 玻璃纤维增强水泥材料的特性决定了其具有广阔 的发展前景 玻璃纤维增强水泥作为一种新型的无机复合材料具 有许多独特的优点 ， 首先它是轻质的 ， 一般以水泥砂浆

19、为基体的 GRC材料有低的干容重 ， 比普通混凝土约低 20 ；在抗弯破坏强度相当的条件下 ， GRC的容重可减低 50 ； GRC高的抗弯强度 、 抗拉强度和高的抗冲击强度 使得其能够以较薄的厚度获得所需力学性能；作为以水 泥为胶凝材料的复合材料 ， 它不仅不怕潮湿而且防火； 它的工艺性能好 ， 可任意模造出各种复杂的造型 ， 用 GRC材料不仅可制造出应用于各个领域的建筑制品 、 景 观制品 ， 还可用于制造仿古艺术品；它的可加工性能好 ， 可任意锯 、 钉 、 磨 、 钻 ， 便于安装施工；其价格较低 ， 符合我国国情 ， 可大量推广应用 。 8. 3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内

20、 外 动 态 (2)、 住宅产业化和大规模的住宅建设为 GRC产品提供 了发展机遇 根据国家住宅社会经济发展规划 ， 20012010年 间 ， 住宅年均建造量将达到 2.53.O亿 m2； 2000年全 国城镇年建成 2亿 m2的住宅 ， 还有 20亿 m2的城镇旧房需 要逐年改造；农村住房建设每年竣工量为 8亿 m2。 如此 宏大的建设规划和建筑市场 ， 以及建筑体系的多样化 和建筑风格的美观化 ， 为 GRC外墙板系列产品 、 GRC轻 质内隔墙板 、 GRC保温板和 GRC通风管道的发展和应用 提供了良好的机会 。 8. 3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态 (3)、 国

21、家墙体改革与建筑节能政策为 GRC产品提供了 用武之地 发展新型材料 、 使用新型材料是我国墙体材料革 新的重大举措 。 玻璃纤维增强水泥作为一种新型的建 筑材料 ， 其产品不仅可在使用功能上替代实心粘土砖 ， 而且在某些功能上更优于实心粘土砖 。 在一些产品中 还可掺入粉煤灰作填充材料 ， 达到利用废料保护环境 的目的 。 一方面我国是一个能源紧缺的国家 ， 另一方 面建筑能耗又很高 ， 与发达国家相比有很大的差距 ， 其主要表现在建筑保温上 。 8. 3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态 我国确定的 2000年实现建筑节能 50 的目标 ， 许多省市的墙体改革办公室都已制订了

22、本地区的墙 体改革措施和节能工作规划 ， 这就意味着建筑节能 市场将需要大量优质的 、 性能可靠的产品 。 以玻璃 纤维增强水泥为面层材料的保温板材经过几年的使 用 ， 证明可以满足这一要求 。 我国目前有不少厂家生产抗碱玻纤网格布增强 水泥膨胀珍珠岩多孔条板 ， 多数厂采用平模成型法 ， 极需解决机械化连续生产的技术与装备 ， 以大幅度 提高此类产品的产量和质量 。 不过 ， 即使改性后的 玻璃纤维 ， 其增强普通硅酸盐水泥基制品的长期使 用效果仍令人怀疑 ， 因此玻璃纤维增强水泥基材料 的耐久性问题仍将是该类材料研究的主要内容 。 8. 3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态

23、混杂纤维增强水泥板 混杂纤维增强水泥板是采用两种或两种以上不同 材质 、 不同性能的纤维作为增强材料制成的 。 由于这 些纤维相互取长补短 ， 因而有可能使制品获得较优异 的性能 。 例如意大利 Fibronit公司在 90年代采取了用 纤化聚丙烯薄膜 、 抗碱玻璃纤维无捻粗纱与抗碱玻璃 纤维短切原丝混杂增强的措施 ， 开发了商品名称为 Retiver的新型纤维水泥复合材料 ， 其力学行为既优于 纤化聚丙烯薄膜增强水泥 ， 又优于 GRC。 如德国 Flugurit公司在抄取法制造压蒸无石棉纤维水泥平板 时 ， 同时掺加木浆纤维与聚丙烯纤维 ， 日本松下电工 公司在挤出法制造压蒸无石棉纤维水泥

24、多孔条板时 ， 也同时掺加纸纤维与聚丙烯纤维 。 混杂纤维增强水泥 板将是今后的一个研究热点 。 作业： 写出纤维增强水泥基复合材料的种类 ？ 8. 3 纤 维 增 强 水 泥 的 国 内 外 动 态 短纤维增强水泥的制造工艺 最广泛的 GRC制品制造工艺是由英国建筑科研所 于六十年代后期试验成功并推广出来的 “ 预混法 ” 和 “ 喷射法 ” 。 在预混法工艺中 ， 首先将各种组分混合 成浆料 ， 然后采用一些常规的技术 (如浇铸或压力模 压 )使之成型制品；喷射法工艺则是从玻璃钢工业中 演变而来的 ， 在这种工艺中 ， 水泥砂浆和现场切割的 玻璃纤维束被同时喷射到适当的模具或成型面上 ，

25、从 而成型制品 ， 其它一些在玻璃钢工业中常用的制造工 艺 (如纤维缠绕或手糊铺层工艺 )同样也适用于 GRC制 品的制造 ， 但目前的应用范围还很有限 。 而对于大批 量的 GRC薄板生产来讲 ， 还可以采用标准的石棉水泥 生产方法；如 Hatschek工艺或 Magnani工艺 。 8. 4 短 纤 维 增 强 水 泥 的 制 造 工 艺 原材料 制造 GRC制品的最基本的材料是玻璃纤维 、 水泥 、 砂子和水 ， 有时还加入粉煤灰 、 火山灰之类的添加剂 ， 而且添加剂的应用有日益扩大的趋势 。 目前 ， 还普遍 加入分散剂和工艺助剂 (如甲基纤维素 )或加气剂 (如 磺化木质素 )。

26、为获得适当的工艺过程 ， 有时需采用 阻聚剂或促进剂 。 现在 ， 国外推荐加入少量合适的聚 合物分散体 (如丙烯酸类树脂 )。 如果出于美观的原因 而要求 GRC制品具有特殊的色彩 ， 则可在砂浆中加入 粉状或液状颜料 。 所用的玻璃纤维通常是耐碱玻纤无 捻粗纱或者短切原丝 。 典型的无捻粗纱由 40股原丝组 成 ， 每股原丝中含有 200根左右的直径为 1020m 的 单丝 。 8. 4 短 纤 维 增 强 水 泥 的 制 造 工 艺 无捻粗纱在切割过程中通常会全部分散成原丝 ， 而原丝再分散成单丝的程度则可通过改变单丝表面的 涂覆层 (浸润剂 )成份而使其在很大的范围内变化 。 “ 软涂

27、覆剂 ” 使原丝在与水混合时易于分散成单丝； 而 “ 硬涂覆剂 ” 则正好相反 ， 它使原丝在与水混合的 过程中趋向于保持完整 。 在 GRC制品的制造过程中 ， 粗 纱和原丝分别分散成原丝和单丝的程度是个非常重要 的因素 ， 它对 GRC制品的强度具有很大的影响 ， 而且对 生产工艺亦有一定影响 。 作业： 短纤维增强水泥复合材料的制造工艺有哪些 ？ 8. 4 短 纤 维 增 强 水 泥 的 制 造 工 艺 喷射法 在喷射法工艺中 ， 短切纤维和水泥砂浆通常由 各自的喷嘴喷射到模具上 ， 两者在模具表面混合 。 水泥砂浆需先经粗筛滤去其中的结块料 ， 然后经计 量泵喂料至喷枪 ， 并用压缩空

28、气雾化 。 为获得易干 加工的混合料 ， 水和水泥之比值必须足够高 ， 但也 必须注意要避免对制品强区产生过多的影响 。 当为 了获得所需的工艺性而采用很高的水和水泥比值时 ， 在喷射结束后需将过量的水分除去 。 玻璃纤维以粗 纱形式送入切割喂料机 。 切割机与喷枪相连 ， 它将 玻璃纤维切割成所需的长度 ， 并送入水泥砂浆流中 ， 使之逐渐在模具上形成由纤维和砂浆组成的毡 。 由 喷射法制造的 GRC制品中的玻璃纤维含量通常是 5 (重量比 )。 8. 4 短 纤 维 增 强 水 泥 的 制 造 工 艺 手工喷射法 在手工喷射法工艺中 ， 由内操作人员操纵喷枪 在模具上方作前后往复移动 ，

29、并使原材制的喷射流 尽可能地垂直于模具表面 ， 直至到达到所需厚度 。 当喷射料层达到所需厚度后 ， 还需进行辊压处理 ， 以排除裹入的空气 ， 并使玻璃纤维能被水泥浆完全 浸透 。 辊压处理对于保证制品获得模具的表面形状 及提高复合材料的密度也很有益 。 最后可对经辊压 处理后的制品表面进行修整并进行手工压型 ， 从而 获得装饰的效果 。 用这种工艺制好的 GRC制品 ， 其一 侧表面则为经过辊压 ， 另一侧表而则为经过辊修 、 修整或装饰后的表面 。 8. 4 短 纤 维 增 强 水 泥 的 制 造 工 艺 机械喷射法 上述的手工喷射法可进行机械化操作 ， 用于制造 平直的或浅型材 。 在

30、机械化喷射工艺中 ， 模具一般保 持静止 ， 喷枪则按预定的方式移动 。 从而保证喷射料 沉积均匀以及纤维在复合材料中分布合理 。 机械化喷 射法的生产效率比手工法高得多 ， 通常可以达到 25- 30公斤产品 /分钟 。 8. 4 短 纤 维 增 强 水 泥 的 制 造 工 艺 喷射脱水法 喷射脱水法最早是由英国建筑科研所作为手工 喷射法的一种改进工艺研究成功的 ， 随后又进行了 机械化改进 ， 并用于 GRC薄板的全机械化生产 。 为了使水分易于滤去 ， 用于成型薄板的水平模具 的底部必须是多孔结构 ， 并覆盖一层湿态强度很高的 滤纸或多孔塑性材料作为过滤层 。 当 GRC料层沉积到 适当

31、厚度时 ， 从模具下方抽吸空气 ， 在负压作用下使 沉积料层中的水脱去 。 用这种方法可以使砂浆中水和 水泥的比例由通常的 0.55降到 0.25-0.30， 从而使制 品的初始强度得到相应提高 。 所制薄板的上表面可进 行修整或修饰 ， 而下表面则与过滤材料的纹理一致 。 8. 4 短 纤 维 增 强 水 泥 的 制 造 工 艺 预混法 将短切纤维原丝与水泥 、 砂子 、 水和添加剂混合 后进行浇铸成型制品的工艺称为预混法 。 该工艺顾名 思义分为两步：制备可使纤维均匀混入的砂浆 ， 以及 使纤维在砂浆中均匀混合 。 纤维在砂浆混好后加入 ， 从而可使纤维的损伤降低到最低程度 。 早期的研究

32、表明 ， 玻璃纤维在混料机中的缠绕结 成团导致纤维在基材中的分散性很差 ， 以及混合料的 加工和配臵困难 。 同时由于纤维的存在 ， 基体中的水 分易于沿着纤维游离到材料表面 ， 因此 ， 即使施加很 低的压力 ， 也会导致分凝和失水 。 8. 4 短 纤 维 增 强 水 泥 的 制 造 工 艺 解决这些问题的方法是在混合料中加入少量的聚 合物如聚环氧乙烯和甲基纤维素以改进湿态混合料的 性能 。 在玻璃纤维加入混合料进行混合之前 ， 应先将 纤维在聚合物溶液中浸湿 ， 使纤维具有一定的润滑度 ， 从而提高其水相粘度 ， 这种方法可使纤维在混合料中 的分布更好 ， 并有助于保持水分 。 预混法

33、GRC混合料的配方随所制制品而定 ， 通常 砂子的含量为水泥重量的 50%。 在水与水泥之比值较 低时 （ 最好不超过 0.35） ， 加入添加剂可获得良好 的加工性能 。 预混法 GRC制品中玻璃纤维的含量 （ 重 量比 ） 在 4%以上 ， 长度为 12-25mm。 8. 4 短 纤 维 增 强 水 泥 的 制 造 工 艺 缠绕工艺 纤维缠绕工艺广泛应用于玻璃钢工业中 ， 特别是 用于制造高技术产品 。 在 GRC工业中 ， 这种方法目前 使用得还很少 ， 主要原因是成本比较高 。 玻璃纤维无捻粗纱或原丝在水泥和砂浆中通过并 被浸渍 （ 有时以散丝的形式通过搅拌好的水泥浆槽 ） ， 随后将

34、此经浸渍的粗纱或原丝缠绕到以适当形式旋转 的成型模具或者心轴上 ， 同时向该构架上喷射其余的 砂浆及短纤维原丝 ， 然后利用压实辊或采用抽吸真空 的方法将多余的砂浆和水分除去 ， 即可制成密实度相 当好的 GRC制品 。 玻璃纤维原丝通常需保持一定的微 张力 ， 从而保证原丝在制品中的平直和排列 。 8. 4 短 纤 维 增 强 水 泥 的 制 造 工 艺 手糊工艺 这种工艺也是从玻璃钢工艺中借用而来的 ， 当用 这种工艺制造 GRC制品时 ， 可采用多种玻璃纤维制品 作为增强材料 ， 如无捻粗纱 、 短切纤维毡或玻纤织物 。 采用适当的模具或成型面 ， 可成型各种形状和尺寸的 制品 。 由于

35、纤维增强材料很难直接被水泥浆润湿 ， 因 此 ， 最好预先使纤维被水泥浆润湿 。 将经润湿的增强 材料铺放在模具内或成型面上 ， 用特制的刷辊糊上余 量的水泥糊 ， 并施加压力使之压实并成型适当的形状 。 有时通过外部振动也能达到压实的目的 。 超过需要的 多余水分可通过抽滤或压力使之脱去 。 8. 4 短 纤 维 增 强 水 泥 的 制 造 工 艺 养护 (固化 ) 通常情况下 ， 由水凝水泥制成的 GRC制品均需经 过精心控制的养护 ， 在任何给定的时间内 ， 水泥的性 能反映了其水合的程度 ， 而后者又是由养护工艺所决 定 。 由于在大部分 GRC制品中 ， 水泥和砂子 (以及火山 灰

36、)占固含量的 95 甚至更多 ， 因此适当的养护非常重 要 。 如果能严格执行正确的养护制度 ， GRC中的水泥基 材将能全部均匀水合 ， 从而保证制品某些特定性能良 好的重现性 。 许多 GRC制品的厚度均很薄 ， 因而很重要 的一点是必须在潮湿的气氛中养护 ， 从而尽可能地减 少制品的早期收缩 。 只有经过适当养护的 GRC制品才具 备足够的强度 、 刚度和硬度以保证脱模后加工的安全 。 8. 4 短 纤 维 增 强 水 泥 的 制 造 工 艺 纤维水泥的增强机理 纤维起加强作用的机理涉及到应力通过界面的剪 切或者如果纤维表面变形 ， 通过纤维与基体之间的相 互连接 ， 从基体传到纤维 。

37、 纤维和基体共同承受拉力 直到基体裂损 ， 然后总的力都转移到纤维上 。 这种损 坏机理上的变化 ， 使下述各方面的性能得到重大改善： 柔韧性 、 坚固性 、 抗冲击性 、 受拉性 、 抗挠强度 、 疲 劳寿命 、 抗磨损 、 收缩性 、 耐久性和抗气蚀作用 8. 5 纤 维 水 泥 的 增 强 机 理 玻璃纤维增强水泥材料中 ， 玻纤配筋方式绝大 多数是乱向短纤维配筋 。 对于带状 、 网格布作配筋 ， 一般都配在主应力方向上 。 关于估计纤维增强水泥 材料初裂强度或比例极限的增强机理有两种观点 。 一种是纤维间距机理 ， 理论依据是纤维的阻裂作用 和浅弹性断裂力学 ， 它与纤维的问题有关；

38、另一种 是复合材料机理 ， 理论依据是复合材料的混合律 ， 它与纤维的体积率 、 取向和长径比有关 。 假定复合 材料是均质的 、 连续的 ， 纤维同水泥基材之间的粘 结力相同 ， 根据混合律法则 ， 复合材料的弹性模量 E。 和抗拉力初裂强度 cr分别为： 8. 5 纤 维 水 泥 的 增 强 机 理 Ec Em1+Vf(CFn 1)， (1) cr mu1+Vf(CFn 1)， (2) 、 按最有利假定 ， 靠掺入纤维来增大刚度或者增 大抗裂应力 ， 这些开裂前的性能不可能得到很大改 进 。 掺入纤维的优点在于基体发生开裂后纤维的承 载能力 。 8. 5 纤 维 水 泥 的 增 强 机 理

39、 关于纤维的增强机理 ， 现已提出了精密的理论分 析 ， 但在这种水泥基复合材料中 ， 基体的破坏应变比 纤维小很多 ， 纤维体积很少超过 8 ， 纤维的分布多 半界于二维或乱向三维之间 ， 而且纤维很短 ， 粘结力 弱 ， 采用的成型工艺可能引起纤维间的较大磨损 ， 从 而使纤维强度受到较大损失 。 实践中纤维增强基体的 效率要比理想应力应变曲线计算过程中的假设差得 多 ， 妨碍准确预测复合材料性能的其它因素是那些随 时间而变化的参数 。 这些关键性参数随基体的不断水 化而变化 ， 某一时间的精确强度 ， 一般只是推测而巳 。 尽管如此 ， 为了能预测基体可能改善的 “ 程度 ” ， 还 是

40、值得研究简化理论 。 8. 5 纤 维 水 泥 的 增 强 机 理 水泥对玻璃纤维的微观侵蚀机理 化学侵蚀 人们通过放射性示踪钙离子被玻璃纤维的吸附 ， 测出了钙离子一天之内就很快地 、 物理地吸附在玻璃 表面上 ， 3天之内即呈现化学吸附的生质 。 然后用 x射 线分析 、 差热分析及化学分析测出玻璃纤维在水泥中 被侵蚀的主要因素 ， 是由于水泥在水化反映过程中析 出的氢氧化钙与玻璃纤维中的硅氧骨架相互作用生成 了一种新的物质 水化硅酸钙凝胶 。 这是一种不可 逆的化学反应 ， 它对玻璃纤维产生强烈的侵蚀 ， 并在 其表面造成较大的缺陷 ， 引起局部应力集中 ， 从而破 坏了纤维的结构 ，

41、最终导致玻璃纤维强度迅速下降 ， 脆性显著增大 。 8. 6 侵 蚀 机 理 分 析 物理侵蚀 通过反复的分析研究 ， 人们发现玻璃纤维不只 受 OH的侵蚀 ， 还可能在玻璃纤维表面因水泥水化物 的结晶生长使表面裂纹发生扩展 ， 加上水泥水化时 水化物晶体的楔入作用 ， 温度和湿度变化引起水泥 石线型的和体积的变化等 ， 促使玻璃纤维产生横向 裂纹 ， 其抗冲击强度随着时间而降低 。 另外，经过试验分析，可以肯定地指出，含有 二维乱向短纤维的复合材料若放在水中存放，其折 裂模数至少在 2年内会不断减小，其抗挠强度显著下 降。 8. 6 侵 蚀 机 理 分 析 当然 ， 抗冲击强度及折裂模数随时

42、间而降低的现 象 ， 不一定表示玻璃纤维的强度在下降 还有其它复 杂因素在发生作用 。 如粘结强度的变化 ， 水泥浆与纤 维界面上的微观结构的变化 ， 以及复合材料延性的变 化 ， 都会影响材料的弯曲性能 。 总之 ， 复合材料能否 耐久性是十分重要的 。 此外 ， 也有人提出所谓亲核腐蚀和亲电腐蚀 ， 以 硅酸盐为网络的玻璃纤维在碱性介质中其性能是不稳 定的 ， 在硅氧骨架上带有负电荷的离子受亲电腐蚀 ， 带有正电荷的离子受亲核腐蚀 ， H+等为亲电腐蚀剂 ， OH等为亲核腐蚀剂 ， 使 SiO骨架发生破坏 ， 从而降 低了玻璃纤维的强度性能 。 8. 6 侵 蚀 机 理 分 析 由此看出

43、， 水泥水化产物对玻璃纤维的侵蚀包 括化学侵蚀与物理侵蚀两个方面 。 前者导致硅氧骨 架的破坏 ， 后者引起纤维表面缺陷的扩展 。 两者相 互作用使玻璃纤维的抗拉等强度性能大幅度地降低 直至完全丧失 。 所以 ， 玻璃纤维能否耐水泥的物理化学两个主 要方面的侵蚀 ， 这是 GRC材料强度提高的技术关键 。 水泥水化产物对玻璃纤维的侵蚀包括哪几个方面 ， 各起什么作用 ？ 8. 6 侵 蚀 机 理 分 析 防止侵蚀途径 为了改进和提高水泥 、 玻璃纤维这两种材料的理 化性能 ， 现在国内外主要从以下三个方面着手： 降低水泥碱度 在搅拌水泥砂浆时可掺入降低碱性的掺合料或外 加剂 ， 例如在硅酸盐水

44、泥中掺入 40 左右的粉煤灰 ， 以降低水泥水化过程中析出的碱性物质对玻璃纤维的 腐蚀 。 8. 6 侵 蚀 机 理 分 析 提高玻璃纤维抗碱性能 采用化工工艺方法对玻璃纤维进行被覆处理 ， 在 其表面涂覆环氧树脂 、 呋喃树脂及其它无机盐等耐碱 物质 ， 使之在玻璃纤维表面形成一层保护膜 ， 以抵挡 侵蚀 。 70年代中期 ， 英国 Majumdar和 Pilkington共同合 作并进行了 2年的耐久性试验 ， 最终成功地用工业化 方法制造了以 “ 赛姆菲尔 ” (Cemfil)为名称的抗碱 玻璃纤维 ， 由于该纤维属于 Na2OZrO2SiO2系统 ， 其氧化锆含量高达 16 ， 所以抗

45、碱性能很好 。 8. 6 侵 蚀 机 理 分 析 国家建筑材料科学研究院研制成的含有 ZrO2、 TiO2等抗碱氧化物的玻璃纤维 ， 其作用是在受碱侵 蚀时 ， 玻璃纤维表面能够迅速生成一种含锆的薄膜 ， 以此来防止对玻璃纤维的侵蚀 。 与此同时又相继研 制成硫铝酸盐低碱水泥 ， 该水泥是以硫铝酸盐熟料 为基础掺入硬石膏 (或无水石膏 )、 矿渣等研制成的 低碱度水泥 。 玻纤的被覆处理 。 8. 6 侵 蚀 机 理 分 析 普通玻纤经抗碱被覆处理 +波特兰水泥中掺活性混合 材 用抗碱性好的树脂对普通玻纤进行被覆处理以 防止波特兰水泥的水化物的侵蚀 。 国外主要使用 E 玻纤 ， 国内则使用

46、A玻纤 。 经被覆后的玻纤纱对水 泥液的耐蚀性不亚于含锆的抗碱玻纤纱 。 若在普通 的硅酸盐水泥中掺加适量的粉煤灰 ， 有助于提高此 种被覆玻纤筋在 80 水泥滤液中的强力保留率 8. 6 脆 化 机 理 分 析 效果显著的主要原因： 其一 ， 掺有活性材的普硅水泥 氧化钙含量降低 ， 水泥水化液碱度比普硅水泥低 。 其 二 ， 活性材是一种由活性氧化硅 、 氧化铝等组成的玻 璃体 ， 它可以同水泥水化产物氢氧化钙起反应 ， 生成 水化硅酸钙 ， 并具有增强作用 。 同时该反应消耗了水 化产物中的 OH-含量 ， 两者的共同作用 ， 减缓了水泥 水化产物对被覆玻纤筋的侵蚀 。 作业： 在玻璃纤

47、维增强水泥基复合材料中 ， 为改善水 泥水化物对玻璃纤维的腐蚀 ， 一般采取哪些措施 ？ 8. 6 脆 化 机 理 分 析 纤维增强水泥在控制耐久性上的界面规律 纤维增强水泥的耐久性一直是人们关心的话题 ， 如果能找出耐久性在界面上的一般规律 ， 这无疑将是 一个重大的发现 。 Aron. Bentur认为 ， 水泥基体中 ， 随着时间的推移 ， 在纤维附近会发生微观结构的变化 ， 这将导致界面转移区域结合力和硬度的增加 ， 同时也 可使复合材料的机械性能下降 。 这种过程的微观机理 模型暗示着这种随时间变化的趋势只可能发生在微观 纤维增强水泥中 ， 而不是在宏观纤维增强水泥中 。 仅 仅当所

48、有物质粘结不好的情况下 ， 尤其是在密实基体 中存在易脆微观纤维 ， 复合材料的机械性能才会降低 。 其微观反应如下 8. 8 界 面 规 律 8. 8 界 面 规 律 因此 ， 在新型水泥复合材料的发展上 ， 这种界面 影响应该考虑进来 。 因为这种机理随着时间的推移能 被实践所证明 。 所以 ， 仅仅通过考虑在碱性水泥基体 中的化学稳定性去评估水泥复合材料的耐久性是远远 不够的 。 这也为今后研究耐久性问题提供了可靠的依 据 。 图 2为玻璃纤维水泥在干燥空气 、 自然气候及水 中存放的各种不同龄期的抗拉破坏应变 。 8. 8 界 面 规 律 纤维增强水泥中界面厚度和硬度及孔对应力分布的影

49、 响 纤维水泥界面的不同微观结构可能导致不同的 失效机理 。 纤维增强水泥基复合材料中强度和韧性的 提高取决于它们界面的厚度和硬度 。 当纤维和水泥基 体之间没有孔界面引入时 ， 最大应力发生在水泥基体 中 ， 导致脆裂失败 。 然而如果孔界面存在时 ， 最大半 径应力发生在孔界面和水泥基体之间的界面上 。 结果 ， 微裂纹可以各种龄期的抗拉破坏应变 。 沿着孔界面产 生和发展 ， 在纤维增强水泥基复合材料中表现出一个 高的裂变韧度 。 在孔界面附近 ， 最大半径应力是随着 界面厚度的增加而减小 ， 但是随着界面硬度的减小而 减小 。 8. 9 界 面 厚 度 和 硬 度 与 孔 的 关 系

50、然而 ， 最大环绕应力随着界面厚度的增加而增加 ， 但随着界面硬度的减小而增加 。 依据最理想的界面厚 度和硬度 ， 在孔界面和水泥基体之间的界面上 ， 最大 半径应力减小了 ， 但是它仍然比水泥基体内最大环绕 应力高 。 这已经被包括钢纤维 、 碳纤维 、 玻璃纤维 、 聚丙烯纤维在内的不同增强水泥所证实 。 一旦水泥基 体的粘着力强度和孔界面与基体之间的粘附强度被理 解后 ， 理论结果能被用作去决定是否界面结合和纤维 拔出的失效机理可能发生 。 8. 9 界 面 厚 度 和 硬 度 与 孔 的 关 系 但也应该注意到 ， 不同直径的孔及其分布对于 水泥石的其它性质是很重要的 ， 甚至对它们

51、起决定 性作用 。 水灰比为 0.35和水泥 /砂 =1： 1的浆体在 28天后 ， 其总共的孔为 0.0458cm2/g， 它们的 直径大约有 80%小于 1000， 一年以后 ， 孔的直 径在 1000附近的将超过 90%。 J.F.Young 已经总结了影响孔直径的一般规则 。 他认为 ， 不可渗透性和其它一些性质是和 r紧密相 关的 。 当孔直径小于 r时 ， 不可渗透性是良好的 ， r可通过测试而得 ， 但不同的实验者可能得到不同 的数据 。 当孔直径大于 1320时是有害的 。 8. 9 界 面 厚 度 和 硬 度 与 孔 的 关 系 GRC 制品的应用 及研究方向 应用 雕塑 门

52、窗 角花 罗马柱 线条 花盆 品种 （ 1)、 GRC轻质空心隔墙板 GRC轻质空心隔墙板是以低碱度水泥为胶凝材 料，膨胀珍珠岩为集料，抗碱玻璃纤维织造成的网 格布为增强材料，采用台座法和机组流水法等工艺 成型方法制成。具有重量轻、强度高、防火性好、 防水、防潮性好，抗震性好，缩变形小，制作简便、 安装快捷等特点。在建筑工程中适用于非承重的墙 体部位。主要用于多层居住建筑的分室、分户墙、 厨房、卫生间及阳台分户墙，公共建筑的内隔墙、 工业厂房的内隔墙、工业建筑的围护外墙等。 GRC复合外墙板是由带肋的 GRC板为内外面层 ， 中间填充保温隔热材料 ， 经成型 、 养护而成 。 具有 墙体薄 、

53、 重量轻 、 强度高 、 韧性好以及保温 、 防水 、 耐久 、 抗裂 、 加工简易 、 造型丰富 、 施工方便等特 点 。 目前 ， 我国的开发的 GRC复合外墙板品种较多 ， 按墙体大小分 ， 有单开间墙板和双开间墙壁板；按 保温层材料分 ， 有水泥珍珠岩芯层和岩棉芯层 ， 也 可用其他保温材料制成的各种墙材 。 这种复合墙板 适用于多层和高层建筑的非承重建筑外墙 。 (2)、 GRC复合外墙 GRC网架屋面板系用 GRC为面板与预应力混凝土肋 复合而成。该板具有自重轻、强度高、耐高冲击、防 水、防火、施工安装方便等优点。采用这种屋面板的 有明显节约钢材，缩短吊装周期的效果。如与同规格 的

54、钢筋混凝土网架屋面相比，每平方米可节约钢筋 2- 2.5kg， 可缩短吊装周期，节省工时 13。如北新建材 （集团）公司生产的 GRC大跨度屋面板（长 5.5m， 宽 1.2m） 应用于海南凤凰国际机场楼，获得了良好的技 术经济效益。 (3)、 GRC网架面板 (4)、 S-GRC轻质平板 轻质玻璃纤维增强水泥板 （ 简称 S-GRC板 ） 。 这种 板材的物理性能与日本的轻质 GRC板 （ HONBAN） 相当 。 它与普通 GRC板材相比 ， 除保持了强度较高 、 耐水不燃 等特点外 ， 还兼有密度低 ， 易加工 ， 可锯 、 可刨 、 可 钉便于施工等优点 。 这种板材特别适用于作建筑的

55、内 隔墙和吊顶材料 。 如卫生间 、 地下室的内隔墙和吊顶 ， 也适用于电梯井 、 通道 、 管道等部位 。 (5)、 其它形式的 GRC装饰材料 （ 6）轻质隔热夹芯板屋面 轻质隔热夹芯板以其外形美观，色泽鲜艳，结构 新颖、轻质高强、安装快捷，应用广泛的特殊优点， 令人瞩目，成为当代国际流行的新型复合材料，被誉 为 “ 浮在水面上的 ” 、 “ 夹心饼干似的 ” 新型材料。 夹芯板由内外两层材料粘合而成，外层是高强度 材料（如镀锌彩色钢板、铝板、不锈钢板或装饰板 等），内层轻质隔热材料（阻燃性聚苯乙烯）通过自 动成型机，用高强度粘结剂将两者粘合，经加压、修 边、开槽、落料而成板材。 夹芯板既

56、具有良好的隔热、隔音和防潮等物理性 能，又具备较好的抗弯和抗剪的力学性能，因而成为 当代备受欢迎的新型建筑板材。 特点 ： 重量轻：每平方米板自重 10-14千克，仅为砖 混建筑的 1/30。 隔热保温性能好；导热系数 =0.032-0.035千卡 /米 .时 。还具有良好的隔音、阻燃、防潮性能。 强度好、省材、使用寿命长：可作墙板、屋面 板，既是承重结构，又是维护结构，一般房屋不用梁 柱、无须表面装饰。 安装灵活快捷；板块可灵活拼装组合，不需吊 装机械，可多次拆装，重复使用。 可按客户要求的品种、规格、颜色等定尺生产。 用途广泛。 彩色涂层刚压型板图 （ 7） PU单面隔热板 构成 高品质彩色金属钢板，进口聚氨脂，进口阻燃 性聚氯乙烯压花膜。 特性 重量轻： 6.5-7.5kg/平方米 隔热隔音 =0.0178kcal/平方米 h 坚固美观 ,易于安装 . 适用范围 最宜用于厂房 ,仓库屋面系统。价格性能比高。 石狮市海洋世界 福建石狮市建设银行 闽南黄金海岸大观园