1、16 無機膠凝復合材料主要內容 概述 16.1 玻璃纖維增強水泥(grc)16.1.1 grc的生產工藝的生產工藝16.1.2 gf增強硅酸鹽水泥復合材料的基本性增強硅酸鹽水泥復合材料的基本性能能 16.2 鋼纖維增強混凝土膠凝材料膠凝材料有機膠凝材料有機膠凝材料無機膠凝材料無機膠凝材料在一定條件下，經過自在一定條件下，經過自身的一系列物理、化學身的一系列物理、化學作用后，能將散粒或塊作用后，能將散粒或塊狀材料粘結成為具有一狀材料粘結成為具有一定強度的整體的材料。定強度的整體的材料。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為基本組成為基本組成瀝青、樹脂、橡膠瀝青、樹脂、橡膠 當

2、其與水或水溶液拌合后當其與水或水溶液拌合后所形成的漿體，經過一系所形成的漿體，經過一系列的物理、化學作用后能列的物理、化學作用后能夠逐漸硬化并形成具有一夠逐漸硬化并形成具有一定強度的人造石。定強度的人造石。水泥、石灰、石膏、鎂質膠凝材料等水泥、石灰、石膏、鎂質膠凝材料等無機膠凝材料無機膠凝材料氣硬性氣硬性水硬性水硬性既能在空氣中硬化，既能在空氣中硬化，又能更好的在水中硬又能更好的在水中硬化，保持并繼續發展化，保持并繼續發展其強度。其強度。水泥水泥只能在空氣中凝結硬只能在空氣中凝結硬化，并保持和發展強化，并保持和發展強度的膠凝材料。度的膠凝材料。石灰、石膏、鎂質膠凝材料等石灰、石膏、鎂質膠凝材料

3、等無機膠凝材料特點無機膠凝材料特點 (1) (1) 原料豐富，能就地取材，生產成本低；原料豐富，能就地取材，生產成本低；(2) (2) 耐久性好，適應性強，可用于水中、海洋及炎耐久性好，適應性強，可用于水中、海洋及炎熱、寒冷的環境；熱、寒冷的環境；(3) (3) 耐火性好；耐火性好；(4) (4) 維修工作量小，折舊費用低；維修工作量小，折舊費用低；無機膠凝材料無機膠凝材料應用應用 工業與民用建筑、水工建筑和城市建設，軌枕、工業與民用建筑、水工建筑和城市建設，軌枕、電桿、坑木、壓力管、水泥船以及海洋開發的各種電桿、坑木、壓力管、水泥船以及海洋開發的各種構造物、國防工程等。構造物、國防工程等。玻

4、璃纖維增強水泥玻璃纖維增強水泥 鋼纖維增強混凝土鋼纖維增強混凝土 纖維增強石膏纖維增強石膏無機膠凝材料在應用中的問題無機膠凝材料在應用中的問題 固有的脆性破壞固有的脆性破壞 抗拉強度小，制品及構件容易產生應力開抗拉強度小，制品及構件容易產生應力開裂。在大型建筑施工和受力構件的應用尤裂。在大型建筑施工和受力構件的應用尤為明顯。為明顯。 石膏制品的抗拉強度僅為抗壓強度的石膏制品的抗拉強度僅為抗壓強度的1/41/5 水泥及混凝土的抗拉強度僅為抗壓強度的水泥及混凝土的抗拉強度僅為抗壓強度的1/101/20 16.1 玻璃纖維增強水泥玻璃纖維增強水泥(grc) 基體基體 普通硅酸鹽水泥普通硅酸鹽水泥 主

5、要成分：主要成分： 硅酸三鈣硅酸三鈣(3caosio2，簡寫為，簡寫為c3s，含量，含量37%60%) 硅酸二鈣硅酸二鈣(2caosio2，簡寫為，簡寫為c2s，含量，含量15%37%) 鋁酸鈣鋁酸鈣c3a)，含量，含量7%15% 鐵相固溶體（鐵相固溶體（c4afc2f，主要是鐵鋁酸四鈣，主要是鐵鋁酸四鈣，含量含量1018%)硅酸鹽水泥的水化、硬化硅酸鹽水泥的水化、硬化 2(3cao sio2) 6h2o3cao 2sio2 3h2o +3ca(oh)2+c3s2h3caoh2o2c2sh4+2(2cao sio2) 4h2o3cao 2sio2 3h2o +ca(oh)2+c3s2h3cao

6、h2o2c2sh4+3cao al2o3 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 采用火山灰質材料采用火山灰質材料(如粉煤灰如粉煤灰)或細砂代替部分水泥或細砂代替部分水泥用量：用量：(1) 大大提高了基體的體積穩定性；大大提高了基體的體積穩定性；(2) 減少了減少了gf的堿性侵蝕，提高了的堿性侵蝕，提

7、高了gf的增強效果的增強效果和復合材料的基本性能和復合材料的基本性能:由于砂或粉煤灰可以吸收由于砂或粉煤灰可以吸收硅酸鹽水泥水化釋放出來的硅酸鹽水泥水化釋放出來的ca(oh)2，生成水化，生成水化硅酸鈣；硅酸鈣；(3) 降低成本。降低成本。gf種類種類a-玻璃：高堿纖維，堿金屬氧化物含量較高玻璃：高堿纖維，堿金屬氧化物含量較高e-玻璃：無堿玻璃纖維；玻璃：無堿玻璃纖維； 氧化鋯玻璃：具有較好的抗堿性腐蝕能力氧化鋯玻璃：具有較好的抗堿性腐蝕能力成分成分e-玻璃質量玻璃質量%a-玻璃質量玻璃質量%sio255.271.8al2o314.81.0b2o37.3mgo3.33.8cao18.78.8n

8、a2o0.313.6k2o0.20.6fe2o30.30.5f20.3玻璃纖維是一種鋁硼硅酸鹽玻璃玻璃纖維是一種鋁硼硅酸鹽玻璃 a含高堿性，耐化學品，價廉。含高堿性，耐化學品，價廉。gf增強水泥復合材料與水泥相比具有的特點：增強水泥復合材料與水泥相比具有的特點：(1) 能生產薄板，在未硬化時可彎曲及模制；能生產薄板，在未硬化時可彎曲及模制；(2)形狀復雜的制品能用噴涂法生產或將預拌材料形狀復雜的制品能用噴涂法生產或將預拌材料壓制、注塑或擠出成型來制得；壓制、注塑或擠出成型來制得；(3)初期具有較高的抗撓強度及抗沖強度，便于制初期具有較高的抗撓強度及抗沖強度，便于制品或構件的制造及在非承重狀態下

9、的運輸及安裝；品或構件的制造及在非承重狀態下的運輸及安裝；(4)耐火性能好。耐火性能好。 gf摻量摻量：水泥基體質量的：水泥基體質量的5%左右左右(3%6%)在水泥基體中，在水泥基體中，gf的主要功能是止裂作用，即的主要功能是止裂作用，即抑制水泥基體在拉應力和沖擊載荷下的開裂，復抑制水泥基體在拉應力和沖擊載荷下的開裂，復合材料的強度和模量合材料的強度和模量(除抗拉強度外除抗拉強度外)主要由水泥主要由水泥基體提供；較高的纖維摻量將會給纖維水泥的預基體提供；較高的纖維摻量將會給纖維水泥的預拌和搗實帶來困難。拌和搗實帶來困難。16.1.1 grc的生產工藝的生產工藝1. 重力成型法重力成型法 將將g

10、f增強的預拌料在開口模或雙邊模中進行澆灌成型增強的預拌料在開口模或雙邊模中進行澆灌成型特點：能得到斷面很薄的制品特點：能得到斷面很薄的制品2. 壓制成型法壓制成型法 預拌料在模板內加壓成型，以提高產品的致密度和表面光預拌料在模板內加壓成型，以提高產品的致密度和表面光潔度。主要用以生產形狀簡單且表面裝飾性好的薄板制品。潔度。主要用以生產形狀簡單且表面裝飾性好的薄板制品。3. 注模成型法注模成型法 將含有增稠劑及將含有增稠劑及5%gf的預拌料用泵注入密閉模內的成型的預拌料用泵注入密閉模內的成型方法。方法。4. 擠壓成型擠壓成型5. 噴涂法噴涂法 把連續粗紗引送到由空氣壓縮機操作的噴槍，將粗紗切成把

11、連續粗紗引送到由空氣壓縮機操作的噴槍，將粗紗切成10mm50mm長，并同時與水泥漿高速噴至有濾板的成型表面。長，并同時與水泥漿高速噴至有濾板的成型表面。多余的水靠真空吸走。多余的水靠真空吸走。6. 纏繞法纏繞法 連續的連續的gf無捻紗在水泥槽內用水泥漿浸漬，按預定的角度無捻紗在水泥槽內用水泥漿浸漬，按預定的角度和螺距繞在卷筒上，在纏繞過程中將水泥漿及短纖維噴在卷筒和螺距繞在卷筒上，在纏繞過程中將水泥漿及短纖維噴在卷筒上，然后用輥壓機碾壓，并靠抽吸除去多余的水泥漿及水。上，然后用輥壓機碾壓，并靠抽吸除去多余的水泥漿及水。7. 層壓法層壓法 將經過浸漬的連續無捻紗、玻璃纖維氈或連續纖維織物，將經過

12、浸漬的連續無捻紗、玻璃纖維氈或連續纖維織物，放入窗框模子或其他類似的模具中，然后靠碾動或加壓來促使放入窗框模子或其他類似的模具中，然后靠碾動或加壓來促使水泥漿的滲透作用。水泥漿的滲透作用。各種不同纖維長度的玻璃纖維水泥在各種不同纖維長度的玻璃纖維水泥在28d時的抗拉強度與纖時的抗拉強度與纖維體積率關系曲線。維體積率關系曲線。(a)貯存于空氣中；貯存于空氣中；(b)貯存于水中貯存于水中16.1.2 gf增強硅酸鹽水泥復合材料的基本性能增強硅酸鹽水泥復合材料的基本性能(1)強度強度纖維的增強作用：抗拉強度、抗彎強度、抗沖擊強度、斷纖維的增強作用：抗拉強度、抗彎強度、抗沖擊強度、斷裂韌性均有不同程度

13、的改進。裂韌性均有不同程度的改進。各種不同纖維長度的玻璃纖維水泥在各種不同纖維長度的玻璃纖維水泥在28d時的斷裂模量與纖時的斷裂模量與纖維體積率關系曲線維體積率關系曲線。(a)貯存于空氣中；貯存于空氣中；(b)貯存于水中貯存于水中 grc存在一個纖維含量極限值，在比例極限范存在一個纖維含量極限值，在比例極限范圍內的應力隨圍內的應力隨vf增大而增大，當達到這一極限含量，增大而增大，當達到這一極限含量，grc的強度或模量將不隨纖維含量的增加而增加，的強度或模量將不隨纖維含量的增加而增加，甚至出現明顯下降。甚至出現明顯下降。 原因原因：在摻入大量增強纖維時，需要提高拌合：在摻入大量增強纖維時，需要提

14、高拌合水的加入量，材料孔隙率增大，導致了材料的強度水的加入量，材料孔隙率增大，導致了材料的強度或模量降低。或模量降低。2. 楊氏模量楊氏模量 水泥基體中摻入少量纖維，復合材料剛度有所水泥基體中摻入少量纖維，復合材料剛度有所提高，但提高有限。提高，但提高有限。 儲存條件對材料的楊氏模量有較大的影響，養儲存條件對材料的楊氏模量有較大的影響，養護在水中的護在水中的grc具有較高的剛度；隨齡期的增長，具有較高的剛度；隨齡期的增長，各類各類grc的楊氏模量均有不同程度的降低。的楊氏模量均有不同程度的降低。3. 耐久性耐久性 耐久性：長齡氣的硬化復合材料在保持其原始機械強度性能耐久性：長齡氣的硬化復合材料

15、在保持其原始機械強度性能方面所達到的程度。方面所達到的程度。grc的各項強度及模量均會隨時間而降低。的各項強度及模量均會隨時間而降低。e型玻璃纖維及耐堿玻璃纖維高鋁水泥的抗沖擊強度隨時間的變化型玻璃纖維及耐堿玻璃纖維高鋁水泥的抗沖擊強度隨時間的變化1耐堿玻璃纖維耐堿玻璃纖維+高鋁水泥；高鋁水泥；2e-型玻璃纖維型玻璃纖維+高鋁水泥高鋁水泥堿性介質對堿性介質對gf的侵蝕是的侵蝕是造成造成grc強度下降的重強度下降的重要原因，因此，要原因，因此，grc的的耐久性很大程度上取決耐久性很大程度上取決于于gf的耐堿性。的耐堿性。提高提高gf耐堿性的措施：耐堿性的措施：(1) 研制耐堿玻璃纖維；研制耐堿玻

16、璃纖維；(2)將玻璃纖維進行高分子涂層；將玻璃纖維進行高分子涂層；(3)采用低堿水泥采用低堿水泥16.2 鋼纖維增強混凝土鋼纖維增強混凝土 纖維增強混凝土纖維增強混凝土簡稱纖維混凝土。是由水泥混凝簡稱纖維混凝土。是由水泥混凝土為基材與不連續而分散的纖維為增強材料所組成的土為基材與不連續而分散的纖維為增強材料所組成的一種復合材料。常作為增強材料的纖維有鋼纖維、玻一種復合材料。常作為增強材料的纖維有鋼纖維、玻璃纖維、合成纖維和天然纖維等。璃纖維、合成纖維和天然纖維等。 纖維均勻分布在各個方向上，能承受各方面的應纖維均勻分布在各個方向上，能承受各方面的應力，阻礙裂紋的發展，從而大大提高了混凝土的韌性

17、、力，阻礙裂紋的發展，從而大大提高了混凝土的韌性、抗裂性、抗沖擊性。抗裂性、抗沖擊性。 在各類纖維混凝土中，鋼纖維對抑制混凝土裂紋在各類纖維混凝土中，鋼纖維對抑制混凝土裂紋的形成和擴展，提高混凝土的抗拉及抗彎強度，增加的形成和擴展，提高混凝土的抗拉及抗彎強度，增加韌性，效果最好。韌性，效果最好。1. 鋼纖維混凝土的構造與性能鋼纖維混凝土的構造與性能 鋼纖維混凝土用鋼纖維，主要是采用碳鋼加工制成鋼纖維混凝土用鋼纖維，主要是采用碳鋼加工制成的纖維，對長期處于受潮條件的混凝土，亦有采用的纖維，對長期處于受潮條件的混凝土，亦有采用不銹鋼加工制成的纖維。不銹鋼加工制成的纖維。 鋼纖維的尺寸主要由強化效果

18、和施工難易性決定。鋼纖維的尺寸主要由強化效果和施工難易性決定。鋼纖維太粗或太短，其強化效果較差；如過長或過鋼纖維太粗或太短，其強化效果較差；如過長或過細，施工時不易拌和、易結團。為了增加鋼纖維和細，施工時不易拌和、易結團。為了增加鋼纖維和混凝土之間的粘結力，可用增加纖維表面積的方法，混凝土之間的粘結力，可用增加纖維表面積的方法，將其加工為異形纖維，如波形、啞鈴形、端部帶彎將其加工為異形纖維，如波形、啞鈴形、端部帶彎鉤等形狀。鉤等形狀。 鋼纖維的幾何特征，通常用長徑比表示，即纖維的鋼纖維的幾何特征，通常用長徑比表示，即纖維的長度與截面當量直徑之比。一般纖維的長徑比約在長度與截面當量直徑之比。一般

19、纖維的長徑比約在30150的范圍內。鋼纖維一般直徑為的范圍內。鋼纖維一般直徑為0.250.75mm，長度約為長度約為2060mm。 2. 鋼纖維混凝土的性能鋼纖維混凝土的性能 鋼纖維對混凝土的最大貢獻是它的止裂作用：鋼纖維對混凝土的最大貢獻是它的止裂作用：(1) 在撓曲載荷作用下，提高了材料形成可見裂在撓曲載荷作用下，提高了材料形成可見裂縫時的承載能力；縫時的承載能力；(2) 抑制混凝土的收縮開裂或限制公路面層開裂；抑制混凝土的收縮開裂或限制公路面層開裂；(3) 阻止疲勞載荷作用下的裂紋擴展；阻止疲勞載荷作用下的裂紋擴展；(4) 防止沖擊載荷作用下的開裂。防止沖擊載荷作用下的開裂。 鋼纖維的摻

20、量以纖維體積率表示。當鋼纖維的形狀和尺寸鋼纖維的摻量以纖維體積率表示。當鋼纖維的形狀和尺寸在適合范圍內，鋼纖維混凝土的強度，隨纖維體積率和長細比在適合范圍內，鋼纖維混凝土的強度，隨纖維體積率和長細比增加而增加。鋼纖維體積率通常為增加而增加。鋼纖維體積率通常為0.52.0。例如圓形截面。例如圓形截面鋼纖維，其直徑為鋼纖維，其直徑為0.30.6mm，長度為，長度為2040mm，摻量為，摻量為2的鋼纖維混凝土與普通混凝土比較。的鋼纖維混凝土與普通混凝土比較。 16.3 纖維增強石膏纖維增強石膏石膏系由單一礦物組成的氣硬性無機膠凝材料，其最大的不石膏系由單一礦物組成的氣硬性無機膠凝材料，其最大的不足是脆性大、強度低、抗水性差。足是脆性大、強度低、抗水性差。石膏基體：石膏基體：半水石膏半水石膏(高強石膏高強石膏)，半水石膏結晶比較完整，常呈短柱，半水石膏結晶比較完整，常呈短柱狀，晶粒較粗大，聚集體的內比表面積較小，致密，有一定狀，晶粒較粗大，聚集體的內比表面積較小，致密，有一定的結晶形狀。拌合料需水少，密度和強度較高；的結晶形狀。拌合料需水少，密度和強度較高；半水石膏半水石膏(建筑石膏建筑石膏)，結晶