水泥基复合材料

水泥基复合材料是以硅酸盐水泥为基体，以耐碱玻璃纤维、通用合成纤维、各种陶瓷纤维、碳和芳纶等高性能纤维、金属丝以及天然植物纤维和矿物纤维为增强体，加入填料、化学助剂和水经复合工艺构成的复合材料。

水泥基复合材料可以分为水泥基和增强体两部分，目前比较热门的水泥基复合材料是纤维水泥基复合材料，它通常是指以水泥净浆，砂浆为基体，以非连续短纤维或连续长纤维为增强材料所组成的复合材料，也叫纤维混泥土。

在混泥土中加入纤维，可以强化水泥砂浆，提高水泥基复合材料拉伸、弯曲及冲击强度，控制裂纹的扩展，改善失效模式和成型时材料的流动性，是改善其性能的最有效途径。

纤维在水泥基体中至少有以下三个主要的作用：1，提高基体开裂的应力水平，即使水泥基体能承受更高的应力；2，改善基体的应变能力或延展性，从而增加它吸收能量的能力或提高它的韧性，纤维对基体韧性的改善往往比较显著，甚至在它对基体的增强作用小的情况下也是如此；3，能够阻止裂纹的扩展或改变裂纹前进的方向，减少裂纹的宽度和平均断裂空间。

其次纳米水泥基复合材料，水泥硬化浆体是由众多的纳米级粒子和众多的纳米级孔和毛细孔以及尺寸较大的结晶型水化产物所组成的。采用纳米技术改善水泥硬化浆体的结构，可望在纳米矿粉---超细矿粉---高效减水剂---水溶性聚合物---水泥系统中，制的性能优异，高性能的水泥硬化--纳米复合水泥结构材料，并广泛应用于高性能或超高性能的水泥基涂料、砂浆和混泥土材料中，在不远的将来，继超细矿粉之后，纳米矿粉将有可能成为高性能混泥土材料的又一重要组分，这也是传统水泥材料的改进和又一次革命。

水泥基复合吸波材料，隐形技术是一种通过控制和降低武器系统和其他军事目标的特征信号，使其难以发现、识别、跟踪和攻击的综合性技术，通过对水泥基复合材料进行改性，使其能够吸收电磁波，从而达到对雷达的隐身性能，既得到所谓的水泥基复合吸波材料。水泥基吸波材料是在水泥或混泥土中移入吸波剂而具有吸收电磁波功能的一类新型材料。

聚合物水泥基复合材料，有机物，特别是高分子聚合物，其优异的韧性，抗冲击性，以及良好的抗渗性和单位体积重量小等等优势，是众所周知的。这正好弥补了普通水泥基材料的缺陷，大量的工程实践证明，高分子聚合物在水泥基材料中有效的改进了性能，若把水泥基材料视为水泥浆体粘结剂和集料两种组分构成的复合材料时，则聚合物可以从几个方面改变水泥基材料的性能。

1，提高粘结剂本身的强度；

2，增强粘结剂和集料界面的粘结力；

3，提高集料的强度；

4，填充空隙。

就此改性效果而言，目前应用在工程的聚合物水泥基材料可分为三个类别：用聚合物做粘结剂以粘结集料称为树脂混泥土；在已硬化的普通水泥混泥土中浸渍聚合物，或有机单体在硬化体内聚合填充空隙，称为聚合物浸渍混泥土；用水泥和聚合物两种粘结剂集料，称为聚合物水泥混泥土。

一般的水泥基复合材料主要是由未水化的水泥熟料颗粒、水泥的水泥结晶矿物和凝胶体、水和少量的空气组成，因此它是一个固---液---气多相多气孔，其材料的强度也就受着这些因素的制约和影响。聚合物的加入改变了这些因素的变化关系，从而影响强度的提高。

水泥基复合材料已由普通性能发展到高性能， 并向功能化方向发展。 经过复合技术， 混凝土已不再是一种单 纯抗压强度高的结构材料 ， 而是具有高强度、 高韧性、 高耐久性、 高工作性 、 高功能化的复合材料 。

一，高性能混泥土： 自 1 9 9 0年提出高性能混凝土以来 ，高性能混 凝土的内涵已经过一个不断完善和发展的过程 。 美 国人十分强调高强度和高耐久性 ； 日本学者更关注 施工性。我国吴中伟院士…则综合了各种论点提出 了较为全面的高性能混凝土的定义， 他认为高性能 混凝土是一种新型的高技术 昆凝土， 是在大幅度提 高常规混凝土性能的基础上 ，采用现代 昆 凝 土技

术 ， 选用优质原材料 ， 在妥善的质量控制下制成 的 具有耐久性高、 工作性良好、 适用性强、 体积稳定性 好 以及经济合理的水泥基复合材料。

 高强混泥土： 高强混凝土按强度可分为三个阶段 ： 加压震捣 高强混凝土 ； 超塑化高强混凝土 ； 超塑化硅灰高强 昆 凝土。挪威的 O d d E ． G j O F V 用天然的高质量矿物 集料配制混凝土 ， 抗 压强度达 2 3 0 MP a ； 有人用“ 普 通水泥+ 高强骨料+ 高效减水剂+ 硅灰+ 蒸压养护+ 聚合物浸渍”的技术路线得到 2 o 0 MP a ~ 2 8 0 MP a的 超高强混凝土 ； 2 0世纪 8 O年代 中丹麦 A a l b o r g 公 司以水泥 、 硅灰为主要原料 ， 加入纤维用 0 ． 1的水 灰比、 3 0 MP a的成型压力得到 DS P材料，抗压强度 高达 1 8 0 MP a ～ 3 0 0 MP a ， 抗弯强度达 1 5 MP a ～ 4 0 MP a；掺加硅灰或用溶胶一 凝胶法制得 的超细粉末 ，在更 高压力( 2 0 0 MP a - 3 O O MP a )

下成型 ， 使 固相间凭化学 反应来黏结 ， 吴 中伟教授圜 将这类高强水泥基材料 划归为化学结合陶瓷( c h e mi c a l l y b o n d e d c e r a mi c s ) 。

 再 生骨料 混凝 土 ： 回收的混凝土骨料经过水洗后 ， 可代替天然骨 料 ， 其强度是天然骨料的 8 0 ％~ 1 0 0 ％， 变形性能 比 石子作骨料的混凝土差 。 一般用 1 0 0 ％的再生骨料 ， 混凝土构件的尺寸增大 1 0 ％；用 2 0 ％的再生骨料 代替天然骨料 ， 混凝土的性能并不降低 ， 其强度最 高可达 6 5 MP a 。 再生骨料孔隙率较高 、 吸水率高 、 收 缩大 、 徐变大 、 成本高， 因此限制其大量使用 。目前 混凝土用的天然骨料 日渐短缺 ， 而建筑垃圾对环境 污染 日渐严重 ， 大力研究开发优质 、 低成本的再生 骨料是一项功在当代 ， 利在千秋的大事。

二，功能混凝土：用作结构材料的混凝土 ，由于经常受到交变荷 载的作用 ，可能发生疲劳破损 ；处于腐蚀介质中的混凝土，破损和损伤更加剧烈 ， 遇到 自然灾害等对 混凝土结构的破坏更是无法预测 。1994年1月l 7 日美国 N o r t h b r i d g e大桥倒塌 ； 2001年11月四川宜 宾大桥的跨塌 ，造成多人死亡。这些惨痛的教训提 醒科学家研究 出能对大桥、大坝、核 电站等重要建筑 、重大工程实施在线监测、自感知、自诊断、自修复的智能化混凝土。

 导 电混凝 土：20世纪30年代国外就开始研究导电混凝土的性能， 我国于上世纪八九十年代开始研究。沈刚等在混凝土中加入粒度为 1微米～ 0 ． 5毫米的鳞片石墨和直径为 0．6 mm- O．7 mm、长度 3 0 mm- 4 0 mm长径比 4 O ～ 7 O的剪切波浪型钢纤维制得导电混凝土。结果表 明： 随着导电相材料的增加，混凝土的电阻率呈下降趋势，最佳电阻率为 0．6 3 Qm； 但在石墨与钢纤维总体含量不变的情况下 ， 减少石墨的含量增加钢纤维 的含量( O ． 5 ％- 1．O ％) ，混凝 土的电阻将减少 3 5 ％左右 ，提高 了混凝土的导电性。但继续增加钢纤维 的含量( 1．5 ％～ 2． 0 ％) ，电

阻将会升 高 2 0 ％左右。郑立霞等在混凝土中加入碳纤维后，发现混凝土在拉压荷载作用下的变形与混凝土的电阻率有很好的相关性，这为混凝土作为自感知机敏材料提供保障。目前， 导电? 昆 凝土广泛用于屏蔽无线电的干扰、防御电磁波、电阻器、建筑采暖地面、金属防腐 阴极保护技术、高速公路的自动监控、运动中的重量称量以及道路、机场的冰雪融化等方面，工程上利用电阻变化监测 大型结构或设施的微裂纹发展状况。

 光纤机敏混凝土：光纤机敏混凝土是在混凝土 中或结构 的关键部位埋入光纤传感器或其阵列，利用光纤周围混凝土 的力及热分布状态变化对光纤光强、相位、波长或偏振态的影响来探测混凝土在浇注、凝 固及使用过程中内部应力 、应变、 温度等的变化，并对材料或结构 由于外力、疲劳等产生的变形、裂纹、蠕变等损伤进行实时监测 ，各种被测量及损伤的定位 ，除 了传统 的光时域 反射计 ( O T D R)和光频域 反射计f O F D R ) 技术外，鉴于光纤传感阵列输 出信号为大面积并行分布式信号， 近来更趋于人工神经网络技术 。

三，混凝 土发展展望： 1，大力发 展绿色凝土所谓“ 绿色混凝土”，按照吴中伟院士的定义就是在配制与使用混凝土时，要保证节约能源与资源；不破坏环境，更应有利于环境；可持续发展，保证人类后代能健康、幸福地生存下去 。 具体来说，就是通过开发无毒、无污染的高效减水剂 ，减少单方混凝土的水泥用量，相应减少生产水泥而消耗的大量优质石灰石，减少排放 C O 、 S O 、 NOx等威胁人类生存环境的有害气体，同时减少能耗 。通过向混凝土中添加粉煤灰 、矿渣 、煤矸石等工业废渣 ，一方面充分利用工业废渣 的潜在活性， 保证混凝土的质量不下降，降低单方混凝土的水泥用量；另一方面消耗大量的废渣 ，可以减少因堆放而产生的环境污染和占用宝贵的耕地。通过研究和使用人造骨料、海砂 、再生骨料 ，保护自然环境。 2 ，加强混凝土耐久性的研究目前混凝土耐久性的研究取得很多成果 。但是 ，对钢筋锈蚀的机理、碱集料反应引起的破坏、高强混凝土冻融破坏机理 、延迟钙矾石反应对混凝土破坏的影响、 碳硫硅钙石生成在硫酸盐

侵蚀中的机理以及破坏能力等方面还有很大的争议 ， 加强对这 些争议 的研究是必要的，而如何预防这些 因素对混 凝土的破坏无疑是至关重要的。另外 ，应加快混凝 土耐久性设计规范的颁布与实施，使混凝土结构的 寿命设计有章可循。

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