水泥基复合材料

水泥基复合材料

1. 混凝土概述

水泥基复合材料指以水泥与水发生水化、硬化后 形成的硬化水泥浆体作为基体与其他各种无机、金属、有机材料组合而得到的具有新性能的材料。

混凝土材料发生了几次重大变革,其中三次最为突出。

1. 19世纪中叶法国首先出现了钢筋混凝土

2. 1928年法国发明了预应力钢筋混凝土

3.近30年来聚合物复合混凝土及混凝土外加剂的出现

混凝土材料按胶结材料分类：无机胶结材料混凝土，有机胶结材料混凝土，无机与有机复合胶结材料混凝土。按容重分类：特重混凝土，重混凝土，轻混凝土，特轻混凝土。按混凝土结构分类：普通结构混凝土，细粒混凝土，大孔混凝土，多孔混凝土。按用途分类结构用混凝土，隔热混凝土，装饰混凝土，耐酸混凝土等 。

混凝土的性质：混凝土混合料必须具有良好的和易性以保证获得良好的浇灌质量。①流动性：指混合料在本身自重或在机械振捣的外力作用下产生流动或坍落能均匀密实地填满模板的性质。②黏聚性：指混合料具有一定的黏聚力在运输或浇筑过程中不致出现分层离析使混凝土保持整体均匀的性能。③保水性：指混合料在施工过程中具有保水能力保水性好的混料不易产生严重泌水现象。

2. 高性能混凝土

混凝土：由胶结材料水泥和粗细集料石子和沙按适当比例拌和均匀经搅拌振捣成型在一定条件下养护而成的复合材料。

高强混凝土（high-strength concrete,HSC)与高性能混凝土(high-performance concrete)的首要区别是后者强调耐久性。高性能混凝土不仅要具备高的强度而且应具备高密实性和高体积稳定性。

高性能混凝土在微观结构方面的特点：由于存在大量未水化的水泥颗粒浆体所占比例降低浆料的总孔隙率小，孔径尺寸较小，仅最小的孔为水饱和浆体-集料界面与浆体本体无明 显区别消除了薄弱区游离氧化钙含量低。

高性能混凝土的特性： 有自密实性；体积稳定性好；强度高，其抗压强度已有超过200MPa；水灰比较低，水化反应终止得较早，水化热总量相应降低；在较长的持续期后，高性能混凝土的总收缩应变量与其强度成反比，早期收缩率随着强度的提高而增大；徐变变形显著低于普通混凝土；Cl-渗透率低于普通水泥更符合环保要求；具有较高的密实性和抗渗性抗化学腐蚀性显著优于普通强度混凝土；高温作用下会产生爆裂、剥落。

3. 纤维增强水泥基复合材料

纤维增强水泥基复合材料是由不连续的纤维均匀地分散于水泥混凝土基材中形成的复合材料. 纤维与水泥浆基材的黏结比较牢固形成了遍布结构全体的纤维网。当基本材料受拉力过高开裂时拉力可逐步转移到横跨裂纹的纤维上增大了混凝土结构的变形能力。纤维的拉伸强度较高使混凝土结构的拉伸强度增大。复合材料的抗拉、抗弯、抗裂、抗疲劳、

抗振及抗冲击能力得到显著改善。

纤维增强水泥基复合材料的主要性能特点：力学性能比普通混凝土明显改善；新拌混凝土的坍落度值比未掺纤维时低；混凝土的抗渗性有明显的改善；搅拌工艺不当时易产生纤维结团现象；运输及浇注中有时会出现分层。

纤维增强混凝土的开发趋势为：钢纤维和玻璃纤维被公认为最有前途的增强纤维；耐碱玻璃纤维将来可能成为石棉的的代用品；聚丙烯和尼龙等合成纤维对增加抗拉强度完全无效， 但抗冲击性能十分优良；碳纤维的抗弯强度介于纲纤维和耐碱玻璃纤维之间，在各种纤维中钢纤维对裂缝的约束能力最好对于抗弯、拉伸强度也最有效。增强混凝土的韧性最好。

4. 聚合物水泥基复合材料

聚合物水泥混凝土是在水泥混凝土成型过程中掺入一定量的聚合物提高其使用品质使其满足工程的特殊需要。

混凝土的性能特点:刚性大、柔性小、抗压强度远大 于拉伸强度。 聚合物在水泥基体中有增韧、增塑、填孔和固化作用。与普通混凝土相比性能的改善： 抗压强度、拉伸强度可提高3倍抗破裂模量可增加 近3倍；弹性模量可提高1倍、抗折弹性模量增加近50%；弹性变形减少10倍硬度增加超过70%；渗水性几乎为0吸水率可降低83~95%。

混凝土特性：力学性能得到了改善，抗折强度提高，抗压强度降低；刚度降低，变形能力增大；耐久性和抗侵蚀能力提高；黏结性良好适合于破损水泥混凝土的修补工程；完全适应现有水泥混凝土的制造工艺过程；成本相对较低。

聚合物水泥基复合材料两种主要形式：聚合物浸渍混凝土；聚合物水泥混凝土。

聚合物水泥基复合材料应用：聚合物浸渍混凝土由于良好的力学性能、耐久性及抗腐蚀能力主要用于受力的混凝土及钢筋混凝土结构构件。因浸渍工艺复杂、成本较高混凝土构件需要预制并且尺寸受到限制因而主要在特殊情况下使用。聚合物水泥混凝土综合性能不如聚合物浸渍混凝土但其工艺简单、使用方便、成本低，得到了越来越多的广泛应用。如应用于地面和道路工程，应用于结构工程

5. 功能型水泥基复合材料

⑴水泥基复合吸声材料

吸音混凝土具有连续、多孔的内部结构，具有较大的内表面积，与普通的、密实混凝土组成复合构造。 在吸音混凝土中胶结材料所起的作用很大，通过调整所用胶结材料的量可以提高吸音效果及其它性能。

近年来，水泥基复合材料在吸声降噪领域的应用研究进展迅速。采用物理成孔技术、掺杂技术、结构堆积技术和梯度层合技术等优化水泥基复合材料的表面和内部吸声结构，形成大量开口孔、孔结构细密且相互连通的水泥基复合吸声材料。主要有水泥基块体吸声材料和水泥基板状吸声材料两大类。

水泥基块体吸声材料通过砌筑直接形成声屏障，通过对其块型、结构、表面状态进行优化设计，使其吸声面具有良好的吸声性能。水泥基块体吸声材料背面可加工成各种装饰面（如劈离、凿毛等），提高声屏障的装饰性能。代表性产品有吸隔声砌块、单元式吸声砌块、轻质陶粒混凝土砌块、高效吸声装饰块等。由中国建材总院和武汉天博环保科技发展

有限公司联合研制的具有种植钵的环保型吸声墙体砌块，于2003年应用于襄樊高速公路武当山段声屏障工程，降噪量大于10dB,同时具有装饰和种植功能。

水泥基板状吸声材料在现场直接拼装形成声屏障，其迎声面形状、构造和表面状态均可按设计要求进行优化，从而具有良好的吸声性能。水泥基板状吸声材料质量较轻，施工方便，特别适用于各类桥梁声屏障工程。代表性产品有水泥珍珠岩吸声板、发泡陶粒混凝土吸声板、木材泡沫水泥吸声板等。由中国建材总院和北京泰科立高新技术有限公司联合研制的无机高效复合吸声板将应用于深圳轻轨吸声式疏散平台工程，目前正在施工。

（2）水泥基复合保温隔热材料

随着我国建筑节能工作的全面推进，对保温体系用保温隔热材料提出了新的需求，如热工性能好、性价比高、耐久性好、施工方便，水泥基复合保温隔热材料能满足这些要求，因此近年来研究与应用工作取得显著进展。通过内部成孔、掺加超轻集料、优化组成与配比等措施，降低水泥基复合材料密度，赋予其良好的保温隔热性能，同时保证基本使用性能和耐久性。主要有泡沫混凝土、保温砌筑砂浆、水泥-EPS复合保温材料等。

（3）高性能轻集料混凝土

轻质高强多功能和高工艺操作性研究永远是混凝土材料科学始终追求的目标。优质的高性能轻集料混凝土与传统混凝土相比，强度高，质量轻20%以上，而且更耐久（无碱-集料反应），在建造大跨度桥梁和超高层建筑时，结构自重会大幅度减轻，相应地材料用量会减少，基础荷载也会降低，建筑总造价降低5%-20%.从建筑节能方面看，在我国北方采用高性能轻集料混凝土作外墙，冬季较实心黏混合料不均匀拌合同样可以产生良好的装饰效果。日本的装饰混凝土砖和砌块研发工作处于世界领先地位，并广泛应用。近年来，通

过引进和消化吸收也取得进展，多功能装饰混凝土砌块已用于新农村建设。

（4）透水性混凝土

透水性混凝土是一类非封闭型多孔混凝土，采用特殊级配的集料、水泥、增强剂和化学外加剂等经特殊工艺制成。由于集料级配特殊，在混凝土中含有大量的孔隙，并且这些孔隙是连通的。降雨时，雨水将沿这些贯通的“路线”进入路基，渗入地下。与普通混凝土相比，透水性混凝土的基本特征是高透水性。透水性混凝土在道路工程中的应用有两种方式，即现浇透水性混凝土路面和制成透水性混凝土路面砖进行铺装。

在道路和地面工程中，德国、美国、日本等早已广泛使用透水性混凝土及制品，尤其是日本。上世纪90年代，中国建材总院率先研制透水性混凝土及制品，透水性混凝土在北京御京花园试用，透水性混凝土路面砖在北京月坛地区使用。研究成果《透水混凝土制品的研究与应用》于1998年通过原国家建材局组织的部级鉴定，技术先后在北京、江苏、内蒙古、山东等省市区推广应用。近年来，随着综合国力的增强和认识的提高，透水性混凝土及制品在我国得到广泛应用，正处于大发展阶段，研究工作更加深入。

（5）导电混凝土

用导电材料部分或者全部取代混凝土中的普通骨料凝结组成的特种混凝土，具有规定的电性能和一定的力学性能。应用：屏蔽无线电干扰、防御电磁波、避雷设备等。

水泥基磁性复合材料：采用特殊工艺将可磁化的粒子混入水泥基材中制成的磁性体。一类是铁氧体，另一类是稀土类磁性材料。

水泥基屏蔽电磁波复合材料：基本技术路线是在水泥中掺入导电粉末、纤维和絮片。

（6）水泥基复合智能材料

具有仿生命功能的材料融合于基体材料中使制成构件具有人们期望的智能功能。 如感知、辨识、寻优和控制驱动等。如感知内部应力、 应变和损伤程度；温度自测、仿生自愈合。