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文档简介

1,11.水泥基复合材料,2,一、水泥的定义凡细磨成粉末状,加入适量水后成为塑性浆体,既能在空气中硬化,又能在水中硬化,并能将砂、石等散粒或纤维材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料,通称为水泥。,11.1水泥,3,水泥发展应用历史原始意义的水泥:罗马时期(万神庙)使用的石灰和火山灰的混合物,哈德良皇帝于公元120年公元124年在意大利罗马兴建了万神庙,作为奉祀诸神的神殿。万神庙穹顶直径43米的记录直到现在还未被打破。,4,现代意义的水泥:1824年英国人J.阿斯普丁用石灰石和粘土烧制成水泥,硬化后的颜色与英格兰岛上波特兰地方用于建筑的石头相似,被命名为波特兰水泥(1824,PortlandCement),并取得了专利权。当代水泥:多品种、多用途,水泥发展应用历史,5,二、水泥的制造方法和主要成分,6,江西亚东水泥厂鸟瞰,7,浙江尖峰水泥厂鸟瞰,8,水泥使用经过两个过程:凝结硬化凝结硬化的概念:具有流动性的浆体失去塑性的过程称凝结;失去塑性的浆体逐渐具有强度的过程称硬化。,三、水泥的强度和硬化,9,水泥水水泥浆水化产物失去塑性强度(搅拌)(水化)(凝结)(硬化)水泥石,初凝和终凝初凝状态:水泥加水至水泥浆刚刚失去可塑性所需的时间初凝时间终凝状态:水泥加水至水泥浆完全失去可塑性所需的时间终凝时间,凝结硬化过程:,10,水泥的初凝时间不宜过早,以便施工时有充分时间搅拌、运输、浇注和砌筑等操作;否则在施工前已失去流动性和塑性而无法施工。水泥的终凝不宜过迟,以便施工完毕后尽快硬化,达到一定的强度,以利于下一步施工工艺的进行;否则将延长施工进度和模板的周转率。指标:初凝时间不得早于45min,终凝不得迟于390min,工程意义,11,普通水泥凝结过程是几个小时,而硬化过程经180天后还在继续着。水泥颗粒之间的水与水泥发生水化反应生成水化物,水化物为硬化物的主体。水泥的强度是由这些水化物不留间隙地充填了空隙而得到增强。需要注意的是如果有多余水份,则蒸发会产生空隙。,凝结与硬化,12,一、混凝土由胶凝材料、水和粗细骨料按适当比例拌和均匀,经浇捣成型后硬化而成。不加特指,一般即认为是水泥混凝土,即以水泥石为基体,以砂石等散粒材料为增强材料的复合材料(水泥基复合材料)。,11.2水泥复合材料,13,混凝土的构成,混凝土可以认为是一种宏观堆聚结构,各组分形成多级分散体系。,石子分散于硬化砂浆、砂分散于水泥石、未水化水泥颗粒分散于水泥水化产物中、晶体分散于凝胶体中。,14,二、纤维增强水泥复合材料,1、复合材料的组成:增强剂短纤维基体硅酸盐水泥、调凝水泥及高铝矿渣水泥等填料沙、粉煤灰等。,15,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。,钢纤维增强水泥基材料石棉纤维增强水泥基材料天然纤维增强水泥基材料合成纤维增强水泥基材料玻璃纤维增强水泥基材料混杂纤维增强水泥板,16,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。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。钢纤维的加入,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)。同时,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。,17,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,用量最大。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,石棉纤维对人身危害很大,许多国家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。,18,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。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。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,其增强水泥基材料存在长久使用性问题。,19,将天然纤维涂覆疏水保护剂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有一定的改善,但最终结果仍不甚令人满意。因此,如何提高天然纤维耐碱性,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。,20,玻璃纤维增强水泥基材料,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(GRC)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PilkingtonBrothers公司大量生产推广应用。,21,由于提高抗碱玻璃纤维的抗碱能力有一定限度,为确保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:,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。,22,(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、波特兰水泥、矿渣与石膏组成)。,23,(1)基体的性能水泥基体不仅是传递应力载荷,而且是受力的主体。(2)纤维与基体水泥间的相互作用弹性模量匹配,热膨胀系数,界面反应,纤维之间的间距,2、影响纤维增强水泥复合材料性能的因素,1)当纤维间距大于或等于两倍界面层厚度时,各纤维的界面层将保持自身形状,互无干扰和影响,不因纤维间距改变而变;2)当纤维间距小于两倍界面层厚度时,由于界面层相互交错、搭接,产生叠加效应,不同程度地引起界面层弱谷变浅,对界面产生强化效应;3)当纤维间距小于两倍界面层厚度时,界面诸力学性能均有不同程度的提高。,24,三、纤维增强水泥的成型工艺,1、直接喷射法直接喷射法是目前最常用的成型方法。其关键是玻璃纤维的均匀分布以及喷射砂浆的脱泡和厚度的均匀性。,直接喷射法示意图,砂浆配比:W/C=0.30.4S/C=0.51耐碱短切纤维:1250mm含量约35%,25,用这种方法,纤维在二维方向无规配向。因此,在制造时制品的形状、大小、厚度等自由度最大,通用性也最大,设备费用较便宜。,1、直接喷射法,26,连续喷射脱水法示意图,2、喷射脱水法,这种方法是将玻璃纤维增强水泥喷射到一个带有减压装置的铺有滤布的开孔台上。喷射完后进行减压,通过滤布将玻璃纤维增强水泥的剩余水分脱掉。,27,其制品比直接喷射制品强度高,但制品形状仅限于板状或异性断面等的弯曲加工制造。喷射脱水过程可通过机械化很容易进行连续操作。,2、喷射脱水法,28,就是将水泥、沙子、水、外加剂和耐碱玻璃短切纤维在搅拌机中混合成预混料,然后不断注入到振动着的模具里进行成型。,3、预混料浇铸法,29,纤维的配向是三维无规的,用这种方法可以成型厚壁的制品,在物理性质方面不如喷射法。,3、预混料浇铸法,30,4、离心成型法,适合于回转体构件,纤维可进行表面集中增强。,离心成型+脱水,在旋转的管状模具中喷入玻璃纤维和水泥浆,利用离心力均匀成型。该法能够控制纤维的方向,使它能有效地作用到管子的结构强度上,而且在厚度方向上可以改变纤维量。,31,5、压力法,预混料注入到模具后,加压除去剩余水分,及时脱模,可以提高生产率,并能获得良好的表面精度。,预混料铸模后,加压脱水,32,地震来袭,房屋倒塌,人类的生命财产损失严重,33,普通混凝土抗拉、抗弯曲强度低,导致墙体桥梁的断裂和倒塌。,34,世界第八大奇迹中国长城,35,11.3聚合物改性混凝土,聚合物改性混凝土对混凝土最基本力学性能的改善要借助于向混凝土中掺加外掺剂,在大多数情况下是掺加聚合物。主要有三种形式:一是聚合物浸渍混凝土;二是聚合物混凝土(树脂混凝土);三是聚合物水泥混凝土。,36,聚合物混凝土发展历史,最初应用于混凝土的聚合物是天然的聚合物,如岩石中的沥青,主要用来胶结砖、防水坝体等。在波特兰水泥混凝土中最早使用聚合物乳液是1909年美国的专利(L.H.Backland)。1923年,英国人Cresson获得的专利中,天然胶乳被用作改性道路材料,其中水泥作为填料使用。60年代以后,除将合成胶乳用于对水泥混凝土进行改性外,人们开始研究把多种聚合物,例如聚苯乙烯、聚丙烯酸脂、聚氯乙烯等用于水泥砂浆及混凝土改性。自1971年美国混凝土学会(ACI)成立了聚合物混凝土委员会。,80年代至今,世界对这一领域研究开发的兴趣与日俱增。到20世纪90年代,聚合物混凝土已经成为一种重要的建筑材料。,37,破坏比较,普通混凝土,聚合物混凝土,38,一、聚合物浸渍混凝土,将成型的混凝土构件通过干燥及抽真空的方法排除混凝土结构空隙中的水分和空气;然后将构件浸入聚合物单体溶液中,使得聚合物单体溶液进入结构空隙中;通过加热等方法使得单体聚合成聚合物结构;这样聚合物就填充了混凝土的结构空隙,改善了微观结构,从而使其性能得到了改善。,39,特点是:聚合物填充了水泥混凝土内部的孔隙和微裂缝提高了水泥石与骨料间的黏结强度;减少了应力集中;使聚合物浸渍混凝土具有高强、密实、防腐、抗渗、耐磨、抗冲击等优良的力学性能。,一、聚合物浸渍混凝土,40,性能:其抗压强度可提高24倍,一般为100150Mpa,最高可达到260Mpa以上,抗拉强度可以提高到1020Mpa,最高能达到240Mpa以上。用途:要求高强度,高耐久性的特殊结构工程,如高压输气管、高压输液管、高压容器、海洋构筑物、原子能反应堆等工程,41,二、聚合物混凝土(树脂混凝土),以聚合物为结合料与砂石等骨料形成混凝土;大部分情况下是把聚合物单体与粗骨料拌和,通过单体聚合把粗骨料结合在一起,形成整体,可用预制或现浇的方法施工。,42,优点强度高、化学稳定性好、耐磨性高、抗冻性好、绝缘性能好、几乎不吸水、易于黏结应用于耐腐蚀的化工结构和高强度接头。速凝、而且早期强度高,较广泛用于建筑结构和道路的修补。但价格昂贵,多用于特殊用途,如抢修等。另外,由于树脂混凝土外表美观,也可用做饰面构件,如窗台等。,二、聚合物混凝土(树脂混凝土),43,性能:与普通混凝土相比,树脂混凝土具有强度高,耐化学腐蚀、耐磨、抗冻性好等有点,但硬化时收缩大,耐久性差。用途:由于树脂成本高,目前仅用于特殊工程,如耐腐蚀性工程,修补混凝土构件及堵漏材料等(抢修)。此外树脂混凝土因其美观的外表,又称人造大理石,可以制成桌面、地面砖、浴缸等。,44,常见聚合物混凝土的力学性能,45,聚合物混凝土的生产工艺,46,三、聚合物水泥混凝土,在水泥混凝土成型过程中掺入一定量的聚合物,从而改善混凝土的性能。与水泥混凝土相比,其优点是:具有较好的粘结性、耐久性、耐磨性,有较高的抗弯性能,减少收缩,提高不透水性、耐腐蚀性和耐冲击性。主要用于:地面、路面、桥面和船舶的内外板面,尤其是更适用于有洒落化学物质的楼地面,也可用做衬砌材料、喷射混凝土和新旧混凝土的接头。聚合物水泥砂浆和混凝土在旧混凝土结构的修补和维护方面用量也较大,制备工艺不变,成本相对低。,47,聚合物的加入,使得混凝土的密实度有所提高;水泥石与骨料的粘结有所加强;其强度远不及浸渍混凝土那样显著;但与普通混凝土相比,在耐腐蚀性、耐磨性、耐冲击性等方面均有一定程度的改善。,性质:,48,聚合物混凝土和普通混合物的物理力学性能比较表,49,11.4聚合物改性水泥混凝土的成型工艺,聚合物以乳液形式掺加到水泥混凝土中,在水泥混凝土搅拌均匀后,聚合物乳液颗粒会相当均匀地分布在水泥混凝土中,形成水泥基的复合材料。随着水泥的水化,体系中的水不断地被水化水泥所结合,乳液中的聚合物颗粒会相互融合连接在一起。随着水分的不断减少,聚合物在水泥中形成结构。,聚合物改性水泥中聚合物结构的形成分为三个阶段。,50,水泥,聚合物颗粒,骨料,与水拌和,将这一结构形成过程分为三个阶段,聚合物结构(Ohama),51,聚合物颗粒均匀分布在水泥浆体中,形成聚合物水泥浆体。随着水泥的水化,水泥凝胶逐渐形成,并且液相中的Ca(OH)2达到饱和状态。同时聚合物颗粒沉积在凝胶颗粒表面。,第一阶段:,52,第二阶段:,随着水化的进一步,聚合物颗粒絮凝在一起。水化凝胶的表面形成聚合物密封层,粘结了骨料颗粒的表面及水泥水化凝胶与水泥颗粒混合物的表面。因此,混合物中的较大空隙被有粘结性的聚合物填充。在这一阶段中聚合物颗粒与矿物的硅酸盐表面还可能发生化学反应。,53,第三阶段:,由于水化的不断进行,凝聚在一起的聚合物颗粒之间的水分逐渐被全部吸收到水化过程的化学结合水中最终聚合物颗粒完全融化在一起,形成连续的聚合物网状结构,把水泥水化物联结在一起,因而改善了水泥的结构形态。,(硬化后的结构),54,SBS改性沥青路面材料,55,湖北国创高新材料股份有限公司武汉青山沥青材料生产基地,SBS改性沥青路面材料,56,2004年获湖北省科技进步一等奖,获奖者:高庆寿(公司董事长),解孝林,高涛,周永恒,印世明,武汉生产的具有我国自主知识产权的改性沥青问世后,进口改性沥青的价格由8000元/吨下降至3000元/吨左右,公司于2010年3月在深圳证券交易所上市,57,SBS改性沥青的特性1.温差较大的地区有很好的耐高温、抗低温能力2.有较好的抗车辙能力,其弹性和韧性好3.提高了路面的抗疲劳能力,特别是在大流量、超载严重的公路上具有良好的应变能力,可减少路面的永久变形4.粘结能力特别强,能明显改善路面遇水后的抗拉能力,并极大地改善了沥青的水稳定性5.提高了路面的抗滑能力6.增强了路面的承载能力7.减少路面因紫外线辐射而导致的沥青老化现象8.减少因车辆渗漏柴油、机油和汽油而造成的破坏,58,加入塑料、橡胶、废橡胶粉等热塑性弹性体SBS改性是最主要、最有效的方法现场生产:效率低下,施工环境恶劣工厂化生产:集中生产、高温贮存,分批运输、使用提高了设备利用率和生产效率满足了大批量生产的需求满足了环保、质量监控的要求。问题:1)提高SBS改性沥青的高温存贮稳定性2)开发与工艺配套的高效率生产设备,SBS改性沥青路面材料,59,关键技术及创新点,SBS分散状态的变化,1)选用四臂星型结构的SBS代替原用的线型结构的SBS,采用动态硫化技术与高效分散设备,克服了其难分散的问题,发挥了其高温稳定性好、耐老化的作用。,60,研制了高性能稳定剂“安特析”:,61,应用实例:100多项工程,京珠高速公路湖南湖北段(2001-2002),武汉长江大桥维修(2002),浦东机场高速公路(1999),老京津塘高速公路改造(2000)北京一、二、三、六环城路(2000-2003)广西南宁至越南友谊关高速公路

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