无机胶凝复合材料

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1、16 无机胶凝复合材料主要内容 概述 16.1 玻璃纤维增强水泥(GRC)16.1.1 GRC的生产工艺的生产工艺16.1.2 GF增强硅酸盐水泥复合材料的基本性增强硅酸盐水泥复合材料的基本性能能 16.2 钢纤维增强混凝土胶凝材料胶凝材料有机胶凝材料有机胶凝材料无机胶凝材料无机胶凝材料在一定条件下，经过自在一定条件下，经过自身的一系列物理、化学身的一系列物理、化学作用后，能将散粒或块作用后，能将散粒或块状材料粘结成为具有一状材料粘结成为具有一定强度的整体的材料。定强度的整体的材料。以天然或人工合以天然或人工合成高分子化合物成高分子化合物为基本组成为基本组成沥青、树脂、橡胶沥青、树脂、橡胶 当

2、其与水或水溶液拌合后当其与水或水溶液拌合后所形成的浆体，经过一系所形成的浆体，经过一系列的物理、化学作用后能列的物理、化学作用后能够逐渐硬化并形成具有一够逐渐硬化并形成具有一定强度的人造石。定强度的人造石。水泥、石灰、石膏、镁质胶凝材料等水泥、石灰、石膏、镁质胶凝材料等无机胶凝材料无机胶凝材料气硬性气硬性水硬性水硬性既能在空气中硬化，既能在空气中硬化，又能更好的在水中硬又能更好的在水中硬化，保持并继续发展化，保持并继续发展其强度。其强度。水泥水泥只能在空气中凝结硬只能在空气中凝结硬化，并保持和发展强化，并保持和发展强度的胶凝材料。度的胶凝材料。石灰、石膏、镁质胶凝材料等石灰、石膏、镁质胶凝材料

3、等无机胶凝材料特点无机胶凝材料特点 (1)(1)原料丰富，能就地取材，生产成本低；原料丰富，能就地取材，生产成本低；(2)(2)耐久性好，适应性强，可用于水中、海洋及炎耐久性好，适应性强，可用于水中、海洋及炎热、寒冷的环境；热、寒冷的环境；(3)(3)耐火性好；耐火性好；(4)(4)维修工作量小，折旧费用低；维修工作量小，折旧费用低；无机胶凝材料无机胶凝材料应用应用 工业与民用建筑、水工建筑和城市建设，轨枕、工业与民用建筑、水工建筑和城市建设，轨枕、电杆、坑木、压力管、水泥船以及海洋开发的各种电杆、坑木、压力管、水泥船以及海洋开发的各种构造物、国防工程等。构造物、国防工程等。玻璃纤维增强水泥玻

4、璃纤维增强水泥 钢纤维增强混凝土钢纤维增强混凝土 纤维增强石膏纤维增强石膏无机胶凝材料在应用中的问题无机胶凝材料在应用中的问题 固有的脆性破坏固有的脆性破坏 抗拉强度小，制品及构件容易产生应力开抗拉强度小，制品及构件容易产生应力开裂。在大型建筑施工和受力构件的应用尤裂。在大型建筑施工和受力构件的应用尤为明显。为明显。石膏制品的抗拉强度仅为抗压强度的石膏制品的抗拉强度仅为抗压强度的1/41/5 水泥及混凝土的抗拉强度仅为抗压强度的水泥及混凝土的抗拉强度仅为抗压强度的1/101/20 16.1 玻璃纤维增强水泥玻璃纤维增强水泥(GRC)基体基体 普通硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥 主要成分：主要成分：硅

5、酸三钙硅酸三钙(3CaOSiO2，简写为，简写为C3S，含量，含量37%60%)硅酸二钙硅酸二钙(2CaOSiO2，简写为，简写为C2S，含量，含量15%37%)铝酸钙铝酸钙C3A)，含量，含量7%15%铁相固溶体（铁相固溶体（C4AFC2F，主要是铁铝酸四钙，主要是铁铝酸四钙，含量含量1018%)硅酸盐水泥的水化、硬化硅酸盐水泥的水化、硬化 2(3CaO SiO2)6H2O3CaO 2SiO2 3H2O +3Ca(OH)2+C3S2H3CaOH2O2C2SH4+2(2CaO SiO2)4H2O3CaO 2SiO2 3H2O +Ca(OH)2+C3S2H3CaOH2O2C2SH4+3CaO A

6、l2O3 6H2O3CaO Al2O3 6H2O +4CaO Al2O3 Fe2O3 +7H2O3CaO Al2O3 6H2O +CaO Fe2O3 H2O (1)(1)(2)(2)(3)(3)(4)(4)(5)(5)3CaO Al2O3 6H2O +3(CaSO4 2H2O)+19H2O3CaO Al2O3 3CaSO4 32H2O 采用火山灰质材料采用火山灰质材料(如粉煤灰如粉煤灰)或细砂代替部分水泥或细砂代替部分水泥用量：用量：(1)大大提高了基体的体积稳定性；大大提高了基体的体积稳定性；(2)减少了减少了GF的碱性侵蚀，提高了的碱性侵蚀，提高了GF的增强效果的增强效果和复合材料的基本性

7、能和复合材料的基本性能:由于砂或粉煤灰可以吸收由于砂或粉煤灰可以吸收硅酸盐水泥水化释放出来的硅酸盐水泥水化释放出来的Ca(OH)2，生成水化，生成水化硅酸钙；硅酸钙；(3)降低成本。降低成本。GF种类种类A-玻璃：高碱纤维，碱金属氧化物含量较高玻璃：高碱纤维，碱金属氧化物含量较高E-玻璃：无碱玻璃纤维；玻璃：无碱玻璃纤维；氧化锆玻璃：具有较好的抗碱性腐蚀能力氧化锆玻璃：具有较好的抗碱性腐蚀能力成分成分E-玻璃质量玻璃质量%A-玻璃质量玻璃质量%SiO255.271.8Al2O314.81.0B2O37.3MgO3.33.8CaO18.78.8Na2O0.313.6K2O0.20.6Fe2O30

8、.30.5F20.3玻璃纤维是一种铝硼硅酸盐玻璃玻璃纤维是一种铝硼硅酸盐玻璃 A含高碱性，耐化学品，价廉。含高碱性，耐化学品，价廉。GF增强水泥复合材料与水泥相比具有的特点：增强水泥复合材料与水泥相比具有的特点：(1)能生产薄板，在未硬化时可弯曲及模制；能生产薄板，在未硬化时可弯曲及模制；(2)形状复杂的制品能用喷涂法生产或将预拌材料形状复杂的制品能用喷涂法生产或将预拌材料压制、注塑或挤出成型来制得；压制、注塑或挤出成型来制得；(3)初期具有较高的抗挠强度及抗冲强度，便于制初期具有较高的抗挠强度及抗冲强度，便于制品或构件的制造及在非承重状态下的运输及安装；品或构件的制造及在非承重状态下的运输及

9、安装；(4)耐火性能好。耐火性能好。GF掺量掺量：水泥基体质量的：水泥基体质量的5%左右左右(3%6%)在水泥基体中，在水泥基体中，GF的主要功能是止裂作用，即的主要功能是止裂作用，即抑制水泥基体在拉应力和冲击载荷下的开裂，复抑制水泥基体在拉应力和冲击载荷下的开裂，复合材料的强度和模量合材料的强度和模量(除抗拉强度外除抗拉强度外)主要由水泥主要由水泥基体提供；较高的纤维掺量将会给纤维水泥的预基体提供；较高的纤维掺量将会给纤维水泥的预拌和捣实带来困难。拌和捣实带来困难。16.1.1 GRC的生产工艺的生产工艺1.重力成型法重力成型法 将将GF增强的预拌料在开口模或双边模中进行浇灌成型增强的预拌料

10、在开口模或双边模中进行浇灌成型特点：能得到断面很薄的制品特点：能得到断面很薄的制品2.压制成型法压制成型法 预拌料在模板内加压成型，以提高产品的致密度和表面光预拌料在模板内加压成型，以提高产品的致密度和表面光洁度。主要用以生产形状简单且表面装饰性好的薄板制品。洁度。主要用以生产形状简单且表面装饰性好的薄板制品。3.注模成型法注模成型法 将含有增稠剂及将含有增稠剂及5%GF的预拌料用泵注入密闭模内的成型的预拌料用泵注入密闭模内的成型方法。方法。4.挤压成型挤压成型5.喷涂法喷涂法 把连续粗纱引送到由空气压缩机操作的喷枪，将粗纱切成把连续粗纱引送到由空气压缩机操作的喷枪，将粗纱切成10mm50mm

11、长，并同时与水泥浆高速喷至有滤板的成型表面。长，并同时与水泥浆高速喷至有滤板的成型表面。多余的水靠真空吸走。多余的水靠真空吸走。6.缠绕法缠绕法 连续的连续的GF无捻纱在水泥槽内用水泥浆浸渍，按预定的角度无捻纱在水泥槽内用水泥浆浸渍，按预定的角度和螺距绕在卷筒上，在缠绕过程中将水泥浆及短纤维喷在卷筒和螺距绕在卷筒上，在缠绕过程中将水泥浆及短纤维喷在卷筒上，然后用辊压机碾压，并靠抽吸除去多余的水泥浆及水。上，然后用辊压机碾压，并靠抽吸除去多余的水泥浆及水。7.层压法层压法 将经过浸渍的连续无捻纱、玻璃纤维毡或连续纤维织物，将经过浸渍的连续无捻纱、玻璃纤维毡或连续纤维织物，放入窗框模子或其他类似的

12、模具中，然后靠碾动或加压来促使放入窗框模子或其他类似的模具中，然后靠碾动或加压来促使水泥浆的渗透作用。水泥浆的渗透作用。各种不同纤维长度的玻璃纤维水泥在各种不同纤维长度的玻璃纤维水泥在28d时的抗拉强度与纤时的抗拉强度与纤维体积率关系曲线。维体积率关系曲线。(a)贮存于空气中；贮存于空气中；(b)贮存于水中贮存于水中16.1.2 GF增强硅酸盐水泥复合材料的基本性能增强硅酸盐水泥复合材料的基本性能(1)强度强度纤维的增强作用：抗拉强度、抗弯强度、抗冲击强度、断纤维的增强作用：抗拉强度、抗弯强度、抗冲击强度、断裂韧性均有不同程度的改进。裂韧性均有不同程度的改进。各种不同纤维长度的玻璃纤维水泥在各

13、种不同纤维长度的玻璃纤维水泥在28d时的断裂模量与纤时的断裂模量与纤维体积率关系曲线维体积率关系曲线。(a)贮存于空气中；贮存于空气中；(b)贮存于水中贮存于水中 GRC存在一个纤维含量极限值，在比例极限范存在一个纤维含量极限值，在比例极限范围内的应力随围内的应力随Vf增大而增大，当达到这一极限含量，增大而增大，当达到这一极限含量，GRC的强度或模量将不随纤维含量的增加而增加，的强度或模量将不随纤维含量的增加而增加，甚至出现明显下降。甚至出现明显下降。原因原因：在掺入大量增强纤维时，需要提高拌合：在掺入大量增强纤维时，需要提高拌合水的加入量，材料孔隙率增大，导致了材料的强度水的加入量，材料孔隙

14、率增大，导致了材料的强度或模量降低。或模量降低。2.杨氏模量杨氏模量 水泥基体中掺入少量纤维，复合材料刚度有所水泥基体中掺入少量纤维，复合材料刚度有所提高，但提高有限。提高，但提高有限。储存条件对材料的杨氏模量有较大的影响，养储存条件对材料的杨氏模量有较大的影响，养护在水中的护在水中的GRC具有较高的刚度；随龄期的增长，具有较高的刚度；随龄期的增长，各类各类GRC的杨氏模量均有不同程度的降低。的杨氏模量均有不同程度的降低。3.耐久性耐久性 耐久性：长龄气的硬化复合材料在保持其原始机械强度性能耐久性：长龄气的硬化复合材料在保持其原始机械强度性能方面所达到的程度。方面所达到的程度。GRC的各项强度

15、及模量均会随时间而降低。的各项强度及模量均会随时间而降低。E型玻璃纤维及耐碱玻璃纤维高铝水泥的抗冲击强度随时间的变化型玻璃纤维及耐碱玻璃纤维高铝水泥的抗冲击强度随时间的变化1耐碱玻璃纤维耐碱玻璃纤维+高铝水泥；高铝水泥；2E-型玻璃纤维型玻璃纤维+高铝水泥高铝水泥碱性介质对碱性介质对GF的侵蚀是的侵蚀是造成造成GRC强度下降的重强度下降的重要原因，因此，要原因，因此，GRC的的耐久性很大程度上取决耐久性很大程度上取决于于GF的耐碱性。的耐碱性。提高提高GF耐碱性的措施：耐碱性的措施：(1)研制耐碱玻璃纤维；研制耐碱玻璃纤维；(2)将玻璃纤维进行高分子涂层；将玻璃纤维进行高分子涂层；(3)采用低

16、碱水泥采用低碱水泥16.2 钢纤维增强混凝土钢纤维增强混凝土 纤维增强混凝土纤维增强混凝土简称纤维混凝土。是由水泥混凝简称纤维混凝土。是由水泥混凝土为基材与不连续而分散的纤维为增强材料所组成的土为基材与不连续而分散的纤维为增强材料所组成的一种复合材料。常作为增强材料的纤维有钢纤维、玻一种复合材料。常作为增强材料的纤维有钢纤维、玻璃纤维、合成纤维和天然纤维等。璃纤维、合成纤维和天然纤维等。纤维均匀分布在各个方向上，能承受各方面的应纤维均匀分布在各个方向上，能承受各方面的应力，阻碍裂纹的发展，从而大大提高了混凝土的韧性、力，阻碍裂纹的发展，从而大大提高了混凝土的韧性、抗裂性、抗冲击性。抗裂性、抗冲

17、击性。在各类纤维混凝土中，钢纤维对抑制混凝土裂纹在各类纤维混凝土中，钢纤维对抑制混凝土裂纹的形成和扩展，提高混凝土的抗拉及抗弯强度，增加的形成和扩展，提高混凝土的抗拉及抗弯强度，增加韧性，效果最好。韧性，效果最好。1.钢纤维混凝土的构造与性能钢纤维混凝土的构造与性能 钢纤维混凝土用钢纤维，主要是采用碳钢加工制成钢纤维混凝土用钢纤维，主要是采用碳钢加工制成的纤维，对长期处于受潮条件的混凝土，亦有采用的纤维，对长期处于受潮条件的混凝土，亦有采用不锈钢加工制成的纤维。不锈钢加工制成的纤维。钢纤维的尺寸主要由强化效果和施工难易性决定。钢纤维的尺寸主要由强化效果和施工难易性决定。钢纤维太粗或太短，其强化

18、效果较差；如过长或过钢纤维太粗或太短，其强化效果较差；如过长或过细，施工时不易拌和、易结团。为了增加钢纤维和细，施工时不易拌和、易结团。为了增加钢纤维和混凝土之间的粘结力，可用增加纤维表面积的方法，混凝土之间的粘结力，可用增加纤维表面积的方法，将其加工为异形纤维，如波形、哑铃形、端部带弯将其加工为异形纤维，如波形、哑铃形、端部带弯钩等形状。钩等形状。钢纤维的几何特征，通常用长径比表示，即纤维的钢纤维的几何特征，通常用长径比表示，即纤维的长度与截面当量直径之比。一般纤维的长径比约在长度与截面当量直径之比。一般纤维的长径比约在30150的范围内。钢纤维一般直径为的范围内。钢纤维一般直径为0.250

19、.75mm，长度约为长度约为2060mm。2.钢纤维混凝土的性能钢纤维混凝土的性能 钢纤维对混凝土的最大贡献是它的止裂作用：钢纤维对混凝土的最大贡献是它的止裂作用：(1)在挠曲载荷作用下，提高了材料形成可见裂在挠曲载荷作用下，提高了材料形成可见裂缝时的承载能力；缝时的承载能力；(2)抑制混凝土的收缩开裂或限制公路面层开裂；抑制混凝土的收缩开裂或限制公路面层开裂；(3)阻止疲劳载荷作用下的裂纹扩展；阻止疲劳载荷作用下的裂纹扩展；(4)防止冲击载荷作用下的开裂。防止冲击载荷作用下的开裂。钢纤维的掺量以纤维体积率表示。当钢纤维的形状和尺寸钢纤维的掺量以纤维体积率表示。当钢纤维的形状和尺寸在适合范围内

20、，钢纤维混凝土的强度，随纤维体积率和长细比在适合范围内，钢纤维混凝土的强度，随纤维体积率和长细比增加而增加。钢纤维体积率通常为增加而增加。钢纤维体积率通常为0.52.0。例如圆形截面。例如圆形截面钢纤维，其直径为钢纤维，其直径为0.30.6mm，长度为，长度为2040mm，掺量为，掺量为2的钢纤维混凝土与普通混凝土比较。的钢纤维混凝土与普通混凝土比较。16.3 纤维增强石膏纤维增强石膏石膏系由单一矿物组成的气硬性无机胶凝材料，其最大的不石膏系由单一矿物组成的气硬性无机胶凝材料，其最大的不足是脆性大、强度低、抗水性差。足是脆性大、强度低、抗水性差。石膏基体：石膏基体：半水石膏半水石膏(高强石膏高

21、强石膏)，半水石膏结晶比较完整，常呈短柱，半水石膏结晶比较完整，常呈短柱状，晶粒较粗大，聚集体的内比表面积较小，致密，有一定状，晶粒较粗大，聚集体的内比表面积较小，致密，有一定的结晶形状。拌合料需水少，密度和强度较高；的结晶形状。拌合料需水少，密度和强度较高；半水石膏半水石膏(建筑石膏建筑石膏)，结晶度较差，常为细小的纤维状或，结晶度较差，常为细小的纤维状或片状聚集体，内比表面积较大。半水石膏完全水化所需要的片状聚集体，内比表面积较大。半水石膏完全水化所需要的水只有水只有18.6%，多余的水蒸发后在石膏硬化体中留下大量的，多余的水蒸发后在石膏硬化体中留下大量的孔隙，因而其密实度和强度均大幅度降

22、低。孔隙，因而其密实度和强度均大幅度降低。玻璃纤维增强石膏的两个突出的性能：抗冲击强度及耐火性。玻璃纤维增强石膏的两个突出的性能：抗冲击强度及耐火性。抗冲击强度约为相同纤维体积的抗冲击强度约为相同纤维体积的GRC的的2倍。倍。耐火性好的原因耐火性好的原因：(1)18%的水与石膏晶体化合；的水与石膏晶体化合；(2)GF增强的结果：增强的结果：GF本身具有优良的耐火性，并能防止基本身具有优良的耐火性，并能防止基体散落在火中。体散落在火中。两种石膏基体有最佳的纤维掺量，超过最佳掺量会给两种石膏基体有最佳的纤维掺量，超过最佳掺量会给密实工艺带来困难，而使纤维的增强效果有所下降。密实工艺带来困难，而使纤维的增强效果有所下降。玻璃纤维石膏的弯曲模量与纤维含量的关系玻璃纤维石膏的弯曲模量与纤维含量的关系1半水石膏；半水石膏；2半水石膏半水石膏应用：纤维石膏板应用：纤维石膏板隔墙系统隔墙系统(内隔墙内隔墙)、吊顶、楼板构件以及油库、吊顶、楼板构件以及油库、仓库、电站缆道的防火隔层。仓库、电站缆道的防火隔层。作业 复合材料概论模拟试题及答案一、填空(每空1分，共20分)二、判断对错(每题1分，共12分)三、名词解释(每题3分，共18分)四、问答题(50分，至少5个问答题)