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工程材料论文课程名称 工程材料 专业无机非金属材料工程 班级 材本0901 学号 09701540138 姓名 周晓志 指导老师 罗建新 时间 2012年5月 水泥基复合材料简介摘要基于水泥基复合材料界面区水泥颗粒的分布特征,给出了界面区孔隙率分布函数和界面区的有效扩散系数; 将水泥基复合材料视为骨料、基体、界面区以及其均匀化后的等效介质相四相复合球模型,采用n层球夹杂理论,逐尺度地预测了氯离子在水泥基复合材料中的有效扩散系数.结果表明:预测的氯离子扩散系数与实测结果基本吻合; n层球夹杂理论适合于预测氯离子在水泥基复合材料中的有效扩散系数,其中氯离子在水泥基复合材料中的扩散系数由基体扩散系数、界面过渡区扩散系数、骨料以及界面过渡区的体积分数确定.一、水泥基复合材料基本概念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。 它比一般混凝土性能有所提高。以短切的耐碱玻璃纤维约310含量的复合材料为例，其密度为16002500kg/m3，抗冲强度8.024.5Nmm/mm2，压缩强度4883MPa，热膨胀系数为(1116)10-6K-1。性能随所用原材料、配比、工艺和养护条件而异。二、水泥基复合材料的种类及基本性能1.混凝土随着胶凝材料生产的发展，人们很早就使用了混凝土。它是由胶凝材料，水和粗、细集料按适当比例拌合均匀，经浇捣成型后硬化而成。按复合材料定义，它属于水泥基复合材料。如不用粗集料，即为砂浆。通常说的混凝土，是指以水泥，水、砂和石子所组成的普通混凝土，现代建筑工程最主要的建筑材料之一，在工业与民用建筑。给排水工程，水利以及地下工程，国防建筑等方面都广泛应用。配制混凝土是各种水泥最主要的用途。1900年，万国博览会上展示了钢筋混凝土在很多方面的使用，在建材领域引起了一场革命。法国工程师艾纳比克1867年在巴黎博览会上看到莫尼尔用铁丝网和混凝土制作的花盆、浴盆、和水箱后，受到启发，于是设法把这种材料应用于房屋建筑上。1879年，他开始制造钢筋混凝土楼板，以后发展为整套建筑使用由钢筋箍和纵向杆加固的混凝土结构梁。仅几年后，他在巴黎建造公寓大楼时采用了经过改善迄今仍普遍使用的钢筋混凝土主柱、横梁和楼板。1884年德国建筑公司购买了莫尼尔的专利，进行了第一批钢筋混凝土的科学实验，研究了钢筋混凝土的强度、耐火能力。钢筋与混凝土的粘结力。1887年德国工程师科伦首先发表了钢筋混凝土的计算方法；英国人威尔森申请了钢筋混凝土板专利；美国人海厄特对混凝土横梁进行了实验。1895年1900年，法国用钢筋混凝土建成了第一批桥梁和人行道。1918年艾布拉姆发表了著名的计算混凝土强度的水灰比理论。钢筋混凝土开始成为改变这个世界景观的重要材料。混凝土可以追溯到古老的年代，其所用的胶凝材料为粘土、石灰、石膏、火山灰等。自19世纪20年代出现波特兰水泥后，由于用它配制成的混凝土具有工程所需要的强度和耐久性，而且原料易得，造价较低，特别是能耗较低，因而用途极为广泛。20世纪初，有人发表了水灰比等学说，初步奠定了混凝土强度的理论基础。以后，相继出现了轻集料混凝土、加气混凝土及其他混凝土，各种混凝土外加剂也开始使用。60年代以来，广泛应用减水剂，并出现了高效减水剂和相应的流态混凝土；高分子材料进入混凝土材料领域，出现了聚合物混凝土；多种纤维被用于分散配筋的纤维混凝土。现代测试技术也越来越多地应用于混凝土材料科学的研究。混凝土的性质包括混凝土拌合物的和易性、混凝土强度、变形及耐久性等。和易性又称工作性，是指混凝土拌合物在一定的施工条件下，便于各种施工工序的操作，以保证获得均匀密实的混凝土的性能。和易性是一项综合技术指标，包括流动性（稠度）、粘聚性和保水性三个主要方面。强度是混凝土硬化后的主要力学性能，反映混凝土抵抗荷载的量化能力。混凝土强度包括抗压、抗拉、抗剪、抗弯、抗折及握裹强度。其中以抗压强度最大，抗拉强度最小。混凝土的变形包括非荷载作用下的变形和荷载作用下的变形。非荷载作用下的变形有化学收缩、干湿变形及温度变形等。水泥用量过多，在混凝土的内部易产生化学收缩而引起微细裂缝。混凝土耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素作用，长期保持强度和外观完整性的能力。包括混凝土的抗冻性、抗渗性、抗蚀性及抗碳化能力等。混凝土是土木工程中用途最广、用量最大的一种建筑材料。按预定性能设计和制作混凝土，研制轻质，高强度，多功能的混凝土新品种。利用现代新技术、大力发展新工艺、新设备；广泛利用工业废渣作原材料等，都是今后需要不断解决的课题。 2、纤维增强水泥基复合材料 纤维增强水泥基复合材料是由水泥净浆、砂浆或水泥混凝土作基材,以非连续的短纤维或连续的长纤维作增强材料组合而成的一种复合材料。近年来,使用价格相对低廉的天然植物纤维的研究和应用愈来愈受到世界各国特别是发展中国家的重视。研究开发植物纤维增强水泥基复合材料不仅能够降低造价,而且有利于环保和可持续发展,具有深远的意义。 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，已为人类社会的发展做出了巨大的贡献。 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。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。 钢纤维增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。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。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。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。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，当属前苏联科学家，我国科学家在1958年后也曾参与了早期研究工作。 由上面的叙述中可以看出，纤维增强水泥基复合材料中，纤维的掺入，可显著提高混凝土的极限变形能力（抗弯强度）和韧性，从而大大改善水泥浆体的抗裂性和抗冲击能力。使用分散纤维的增强效果要比连续纤维的效果差，但因施工较为方便，应用较多。3、聚合物改性混凝土 聚合物水泥混凝土，也称聚合物改性混凝土（polymer modified concrete，PMC）；聚合物水泥混凝土，是在普通水泥混凝土拌和物中，再加入一种聚合物，以聚合物与水泥共同作胶结料黏结骨料配制而成。由于聚合物混凝土配制工艺比较简单，利用现有普通混凝土的生产设备即能生产，因而成本较低，实际应用较广。 最早使用聚合物改性混凝土的是法国一个名不见经传的泥瓦匠点，他在水泥中掺加了一些牛和羊的血，用于粉刷地面防水。1923年cresson使用天然胶乳改性道路材料因而获得第一个这个方面的专利，1924年lefebure用配合比的方法设计天然胶乳改性的水泥混合料。美国在20世纪50年代开始了聚合物混凝土的商业应用，最初是用于生产人造大理石，接着用于生产建筑墙面板。20世纪70年代中期聚合物用于修复混凝土构件。1971年美国混凝土协会下成立了一个混凝土中的聚合物委员会，美国塑料工业协会（SPI）下也有一个聚合物混凝土委员会，从事混凝土聚合物复合材料方面的组织工作。1975年在英国召开了首届混凝土中的聚合物国际会议，以后每隔3年召开一次，其中1990年第6届会议在我国同济大学举行。1994年年中、日、韩、3国倡导组织了东亚混凝土中的聚合物国际会议，并于2000年正式改名为亚洲混凝土中的聚合物国际会议。我国对聚合物在混凝土中应用的研究主要开始于70年代，随后的研究工作与国际同步。 聚合物改性混凝土的发展已经有多年的历史，当前国际上最终获得改性的混凝土主要有3种，即：聚合物浸渍混凝土，聚合混凝土，聚合物改性混凝土。目前研究方向主要在聚合物改性混凝土方面，聚合物大多以乳液和直接添加的两种方式进行。混凝土经聚合物改性后具有优良的性能。聚合物改性混凝土学科的发展前景广阔。随后单体在混凝土内部进行聚合生成的复合材半斗。聚合物浸渍混凝土有良好的力学性能、耐久性及侵蚀能力。用于浸渍混凝土的聚合物单体主要育丙烯酸或甲基丙烯酸酯、苯乙烯、环氧刘脂、不饱和聚酯树脂、丙烯脯等。聚合物浸渍混凝土因其实际撵作和催化复杂目前多用于重娶工程，实际应用也很少。33 聚合物改性混凝 聚合物改性混凝土是将水泥和骨科混合与分敝在水中或者可以在水中分散的有机聚台物材料结合所生成的复台材料。目前聚合物改性混凝土的方式主要有两种，一是先将聚台物用水分散后以乳液或聚合物水溶液的彤式加八，聚合物胶乳在混凝土水化过程中影响混凝土水化过程及混凝土的结构，从而对水泥砂浆或混凝土的性能起到改善作用。另一种是先将聚合物与水泥或其他分散介质进行预分散，以干拌砂浆的形式使用。混合料与水拌和时。聚合物遇水变为乳液，在混凝土凝结硬化过程中，乳液脱水，形成聚合物固体结构。此外聚合物还可以纤维或者纤维增强塑料的形式，或者起外加剂的作用在混凝土中获得了应用聚合物改性混凝土由于操作简单改性效果明显，因而在实际应用中得到了广泛的应用 聚合物改性混凝土具有优良的工程性, 已经在一些工程得到了应用。虽然目前理论依据方面还不是很全面，且受到聚合物的种类和价位的限制，但是随着理论的完善和聚合物的种类的丰富以及聚合物的产业化使其成本降低，必将使聚合物改性混凝土这一边缘学科得到更大的发展。在聚合物改性混凝土的研究领域内将优先对改性的机理，聚合物进行改性、合理选择和使用聚合物材料以及聚合物在混凝土的使用方法做进一步深入研究。三、国内外发展状况及其展望自1990年提出高性能混凝土以来，高性能混凝土的内涵已经有了一个不断完善和发展的过程。美国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时一种新型的高技术混凝土，是在大幅度提高常规混凝土性能的基础上，采用现代混凝土技术，选用优质原材料，在妥善的质量控制制成的具有耐久性高、抗阻裂能力强、工作性良好、实用性强、提及稳定性好以及经济合理的水泥基复合材料。邓家才等用压缩韧性指数衡量了碳纤维对水泥基复合材料韧性的增强作用，发现碳纤维水泥基复合材料的压缩韧性指数明显大于基准水泥基复合材料（增加59%110%），并且随着碳纤维掺量的增加，变形能力和承载能力增强。罗建林，段中东以改性巴基管（CNTs）为增强材料，制成了巴基管水泥基材料。2006年大连理工大学徐世烺科研团队的高淑龄博士配制得到了拉应变能力为07的PVA纤维水泥基复合材料。 超高韧性水泥基复合材料早期的英文名称为“Engineered Cementitious Composite”。缩写为ECC。最早由密歇根大学的“教授和麻省理工的Leung教授采用细观力学和断裂力学基本原理提出了该材料的基本设计理念。Li等为提高纤维在基体中的摩擦黏结强度，利用等离子体技术对PE纤维进行表面处理，结果对水泥基材料的极限抗拉强度和极限应变能力都得到了显著提高。 混凝土用得最多的胶凝材料是硅酸盐水泥系列。氧化钙、二氧化硅、三氧化铝、三氧化二铁体系的水泥为人类发展起到很大的作用，但随着资源、能源的匮乏，尤其是用于烧水泥的石灰石的储量日渐减少，有报道说目前我国已探明的，可用于水泥生产的石灰石矿物储存量约为450亿吨，现每年生产水泥要消耗大约6亿吨石灰石，照此发展下去，今后几十年内就会出现优质石灰石能源枯竭，因此研究开发新型的胶凝体系是非常必要的，清华大学孙恒虎教授根据火山灰成岩原理、地球化学理论以及岩矿物理论，遵循相容性原理以及配位规则，获得能够在常温常压下聚合而成类天然岩石材料-凝石。他的研究表明：凝石的性能优于现在的52.5级普通水泥，并且具有普通水泥所具有的固土、固砂的特性和耐久性。至于凝石材料的发展前景，不敢说一定会成为传统水泥替代产品，但至少为研究新的胶凝体系提供一种思路，为建筑业可持续发展提出新的方向。参考文献【1】 王荣国，武卫立的主编.复合材料概论.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004【2】 刘雄亚，谢怀勤.复合材料工艺及设备.武汉：武汉工业大学出版社，1994【