水泥基复合材料.ppt

,短纤维增强水泥基复合材料包括结构材料和非结构材料。结构材料大都用于建筑物墙体和构件的承重结构中，非结构材料则主要用做装饰性材料和非承重功能性材料。随着人们生活水平的提高和住宅环境的日益改善，人们对住宅的美观及诸多功能提出了更加苛刻的要求。因此，对非承重功能性材料进行改革将是现代建筑中墙体材料改革的大势所趋。世界上许多国家在二十世纪二、三十年代已着手墙体材料改革，逐步推进墙体材料的环保化，严格限制粘土砖（制品）的生产与使用，大力推广各种非粘土类制品及大尺寸的块材与板材。,第八章 纤维增强水泥基复合材料,8.1 概述,目前，西方发达国家的墙体材料正向纵深方向发展，提倡建筑节能，不断提高新型墙材的生产比例，综合利用工业废渣，节能降耗，使产品系列化与配套化。同时不断开发多功能的“绿色”材料。,我国墙体材料的革新工作虽已进行多年，但传统的实心粘土砖在整个墙体材料中所占的的比例仍然很大。由于实心粘土砖保温隔热性能差，生产能耗高，不符合现行建筑设计规范的建筑节能的要求，更为严重的是毁坏耕地的现象十分严重。所以，寻找具有生产能耗低、保温节能的高性能新型墙体材料来取代传统的实心粘土砖，已成为我国墙体材料改革的大势所趋。,8.1 概述,国务院99年72号文件已明确指出：“2001年在沿海城市和土地稀缺的城市禁止使用实心粘土砖；在其他地区框架结构建筑中也禁止使用实心粘土砖。到2003年在全国禁止生产、使用实心粘土砖。”以实现最终淘汰实心粘土砖的目的。针对上一指示精神，墙材革新与建筑节能是节约能源、改善建筑功能、促进住宅产业化的客观要求，是当今全球建筑业的共同选择，是关系实施可持续发展战略的重大问题。随着限期禁止使用粘土砖的“禁砖令”的下达，鼓励生产使用轻质、高强、保温、隔热、隔音的新型墙体材料，以代替“秦砖汉瓦”，推进建筑节能工作的开展，国家、省、市都制定了一系列政策和法规。现在，针对实心粘土砖为主要对象的墙体材料革新已成为历史的必然。,8.1 概述,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。,8.2 纤维增强水泥的历史,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（见表1）。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。,8.2 纤维增强水泥的历史,表1 几种纤维和水泥基体性能比较,8.2 纤维增强水泥的历史,纤维增强水泥的国内外动态,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。科学家和工程师对这些纤维增强水泥基材料进行了广泛的研究，取得了许多有意义的研究结果并且其中某些品种已经应用于工程建设中。,1、钢纤维增强水泥基材料2、石棉纤维增强水泥基材料3、天然纤维增强水泥基材料4、合成纤维增强水泥基材料5、玻璃纤维增强水泥基材料6、混杂纤维增强水泥板,8.3 纤维增强水泥的国内外动态,钢纤维增强水泥基材料,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。钢纤维加入到水泥基材料中后，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。另外，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。,8.3 纤维增强水泥的国内外动态,石棉纤维增强水泥基材料,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。,8.3 纤维增强水泥的国内外动态,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。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。近几年来出于环境污染和制造成本的考虑，许多科学家开始系统研究天然纤维增强水泥基材料，并已发表了大量的研究论文和综述评论。天然纤维加入到水泥基材料中后，复合材料的强度和韧性都有明显的提高，提高的程度取决于纤维的用量和纤维的长度，纤维用量和纤维长度均有一最佳值。过多的纤维用量和过长的纤维长度，都会降低天然纤维增强水泥基材料的增强效果。,8.3 纤维增强水泥的国内外动态,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，其增强水泥基材料同样存在一个长久使用性问题。某些科学家采用天然纤维涂覆疏水保护剂和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显著，但最终结果仍不甚令人满意。因此，如何提高天然纤维的耐碱性，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。,8.3 纤维增强水泥的国内外动态,合成纤维增强水泥基材料,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。根据我国与国外对用维纶制造的无石棉纤维水泥板的耐久性的研究结果，认为此种制品即使暴露于大气中仍具有较高的强度，但其韧性随时间而有所下降。这主要是由于纤维与水泥基体界面的粘结不断提高所致。,8.3 纤维增强水泥的国内外动态,目前除我国外，英国、德国、瑞士、比利时、意大利等国均在抄取工艺线上用维纶生产无石棉纤维水泥板。国外有的用改性维纶或改性脂纶替代适量的高模量维纶。丹麦Eternit公司用改性丙纶替代全部石棉，并用纤维素纤维作辅助纤维在抄取工艺线上制造无石棉纤维水泥板。,8.3 纤维增强水泥的国内外动态,为充分发挥聚丙烯纤维对水泥基体的增强作用，英国萨里大学研究成功用经高倍拉伸制得的纤化聚丙烯薄膜以较高的体积率掺加于水泥基体中，在实验室内制成抗拉强度与变形能力均较高的薄壁纤维水泥板。意大利Fibronit公司根据英国此项技术的专利进行了商业性开发，设计并制作了专门生产纤化聚丙烯薄膜增强水泥板的装备，产品的商品名称为“Netcem”。根据10年大气暴露的试验结果，Netcem波板的耐久性是令人满意的，但尚需积累更长期的试验资料。英、美等国还研究了将编织聚丙烯纤维网格布以较高的体积率掺加于水泥基体中，也得到了较好的试验结果。,8.3 纤维增强水泥的国内外动态,玻璃纤维增强水泥基材料,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Biryukovich等人，我国科学家在1958年后也曾参与了早期研究工作。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Pilkington Brothers公司大量生产推广应用。,8.3 纤维增强水泥的国内外动态,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。,8.3 纤维增强水泥的国内外动态,(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、C2S含量高的波特兰水泥、矿渣与石膏组成)。根据国内外的经验，为降低GRC制品的干缩率，应使灰砂比控制在1：11：1.5之间。Biryukovich测定了单向抗拉的基本性能，他得到的E型玻璃纤维高铝水泥的应力应变曲线如图1.,8.3 纤维增强水泥的国内外动态,图1.含有不同体积纤维高铝水泥应力应变曲线,8.3 纤维增强水泥的国内外动态,我国玻璃纤维增强水泥的发展前景,(1)、玻璃纤维增强水泥材料的特性决定了其具有广阔的发展前景 玻璃纤维增强水泥作为一种新型的无机复合材料具有许多独特的优点，首先它是轻质的，一般以水泥砂浆为基体的GRC材料有低的干容重，比普通混凝土约低20；在抗弯破坏强度相当的条件下，GRC的容重可减低50；GRC高的抗弯强度、抗拉强度和高的抗冲击强度使得其能够以较薄的厚度获得所需力学性能；作为以水泥为胶凝材料的复合材料，它不仅不怕潮湿而且防火；它的工艺性能好，可任意模造出各种复杂的造型，用GRC材料不仅可制造出应用于各个领域的建筑制品、景观制品，还可用于制造仿古艺术品；它的可加工性能好，可任意锯、钉、磨、钻，便于安装施工；其价格较低，符合我国国情，可大量推广应用。,8.3 纤维增强水泥的国内外动态,(2)、住宅产业化和大规模的住宅建设为GRC产品提供了发展机遇 根据国家住宅社会经济发展规划，20012010年间，住宅年均建造量将达到2.53.O亿m2；2000年全国城镇年建成2亿m2的住宅，还有20亿m2的城镇旧房需要逐年改造；农村住房建设每年竣工量为8亿m2。如此宏大的建设规划和建筑市场，以及建筑体系的多样化和建筑风格的美观化，为GRC外墙板系列产品、GRC轻质内隔墙板、GRC保温板和GRC通风管道的发展和应用提供了良好的机会。,8.3 纤维增强水泥的国内外动态,(3)、国家墙体改革与建筑节能政策为GRC产品提供了用武之地 发展新型材料、使用新型材料是我国墙体材料革新的重大举措。玻璃纤维增强水泥作为一种新型的建筑材料，其产品不仅可在使用功能上替代实心粘土砖，而且在某些功能上更优于实心粘土砖。在一些产品中还可掺入粉煤灰作填充材料，达到利用废料保护环境的目的。一方面我国是一个能源紧缺的国家，另一方面建筑能耗又很高，与发达国家相比有很大的差距，其主要表现在建筑保温上。,8.3 纤维增强水泥的国内外动态,我国确定的2000年实现建筑节能50的目标，许多省市的墙体改革办公室都已制订了本地区的墙体改革措施和节能工作规划，这就意味着建筑节能市场将需要大量优质的、性能可靠的产品。以玻璃纤维增强水泥为面层材料的保温板材经过几年的使用，证明可以满足这一要求。我国目前有不少厂家生产抗碱玻纤网格布增强水泥膨胀珍珠岩多孔条板，多数厂采用平模成型法，极需解决机械化连续生产的技术与装备，以大幅度提高此类产品的产量和质量。不过，即使改性后的玻璃纤维，其增强普通硅酸盐水泥基制品的长期使用效果仍令人怀疑，因此玻璃纤维增强水泥基材料的耐久性问题仍将是该类材料研究的主要内容。,8.3 纤维增强水泥的国内外动态,混杂纤维增强水泥板,混杂纤维增强水泥板是采用两种或两种以上不同材质、不同性能的纤维作为增强材料制成的。由于这些纤维相互取长补短，因而有可能使制品获得较优异的性能。例如意大利Fibronit公司在90年代采取了用纤化聚丙烯薄膜、抗碱玻璃纤维无捻粗纱与抗碱玻璃纤维短切原丝混杂增强的措施，开发了商品名称为Retiver的新型纤维水泥复合材料，其力学行为既优于纤化聚丙烯薄膜增强水泥，又优于GRC。如德国Flugurit公司在抄取法制造压蒸无石棉纤维水泥平板时，同时掺加木浆纤维与聚丙烯纤维，日本松下电工公司在挤出法制造压蒸无石棉纤维水泥多孔条板时，也同时掺加纸纤维与聚丙烯纤维。混杂纤维增强水泥板将是今后的一个研究热点。作业：写出纤维增强水泥基复合材料的种类？,8.3 纤维增强水泥的国内外动态,短纤维增强水泥的制造工艺,最广泛的GRC制品制造工艺是由英国建筑科研所于六十年代后期试验成功并推广出来的“预混法”和“喷射法”。在预混法工艺中，首先将各种组分混合成浆料，然后采用一些常规的技术(如浇铸或压力模压)使之成型制品；喷射法工艺则是从玻璃钢工业中演变而来的，在这种工艺中，水泥砂浆和现场切割的玻璃纤维束被同时喷射到适当的模具或成型面上，从而成型制品，其它一些在玻璃钢工业中常用的制造工艺(如纤维缠绕或手糊铺层工艺)同样也适用于GRC制品的制造，但目前的应用范围还很有限。而对于大批量的GRC薄板生产来讲，还可以采用标准的石棉水泥生产方法；如Hatschek工艺或Magnani工艺。,8.4 短纤维增强水泥的制造工艺,原材料 制造GRC制品的最基本的材料是玻璃纤维、水泥、砂子和水，有时还加入粉煤灰、火山灰之类的添加剂，而且添加剂的应用有日益扩大的趋势。目前，还普遍加入分散剂和工艺助剂(如甲基纤维素)或加气剂(如磺化木质素)。为获得适当的工艺过程，有时需采用阻聚剂或促进剂。现在，国外推荐加入少量合适的聚合物分散体(如丙烯酸类树脂)。如果出于美观的原因而要求GRC制品具有特殊的色彩，则可在砂浆中加入粉状或液状颜料。所用的玻璃纤维通常是耐碱玻纤无捻粗纱或者短切原丝。典型的无捻粗纱由40股原丝组成，每股原丝中含有200根左右的直径为1020m的单丝。,8.4 短纤维增强水泥的制造工艺,无捻粗纱在切割过程中通常会全部分散成原丝，而原丝再分散成单丝的程度则可通过改变单丝表面的涂覆层(浸润剂)成份而使其在很大的范围内变化。“软涂覆剂”使原丝在与水混合时易于分散成单丝；而“硬涂覆剂”则正好相反，它使原丝在与水混合的过程中趋向于保持完整。在GRC制品的制造过程中，粗纱和原丝分别分散成原丝和单丝的程度是个非常重要的因素，它对GRC制品的强度具有很大的影响，而且对生产工艺亦有一定影响。作业：短纤维增强水泥复合材料的制造工艺有哪些？,8.4 短纤维增强水泥的制造工艺,喷射法,在喷射法工艺中，短切纤维和水泥砂浆通常由各自的喷嘴喷射到模具上，两者在模具表面混合。水泥砂浆需先经粗筛滤去其中的结块料，然后经计量泵喂料至喷枪，并用压缩空气雾化。为获得易干加工的混合料，水和水泥之比值必须足够高，但也必须注意要避免对制品强区产生过多的影响。当为了获得所需的工艺性而采用很高的水和水泥比值时，在喷射结束后需将过量的水分除去。玻璃纤维以粗纱形式送入切割喂料机。切割机与喷枪相连，它将玻璃纤维切割成所需的长度，并送入水泥砂浆流中，使之逐渐在模具上形成由纤维和砂浆组成的毡。由喷射法制造的GRC制品中的玻璃纤维含量通常是5(重量比)。,8.4 短纤维增强水泥的制造工艺,手工喷射法,在手工喷射法工艺中，由内操作人员操纵喷枪在模具上方作前后往复移动，并使原材制的喷射流尽可能地垂直于模具表面，直至到达到所需厚度。当喷射料层达到所需厚度后，还需进行辊压处理，以排除裹入的空气，并使玻璃纤维能被水泥浆完全浸透。辊压处理对于保证制品获得模具的表面形状及提高复合材料的密度也很有益。最后可对经辊压处理后的制品表面进行修整并进行手工压型，从而获得装饰的效果。用这种工艺制好的GRC制品，其一侧表面则为经过辊压，另一侧表而则为经过辊修、修整或装饰后的表面。,8.4 短纤维增强水泥的制造工艺,机械喷射法,上述的手工喷射法可进行机械化操作，用于制造平直的或浅型材。在机械化喷射工艺中，模具一般保持静止，喷枪则按预定的方式移动。从而保证喷射料沉积均匀以及纤维在复合材料中分布合理。机械化喷射法的生产效率比手工法高得多，通常可以达到25-30公斤产品/分钟。,8.4 短纤维增强水泥的制造工艺,喷射脱水法,喷射脱水法最早是由英国建筑科研所作为手工喷射法的一种改进工艺研究成功的，随后又进行了机械化改进，并用于GRC薄板的全机械化生产。,为了使水分易于滤去，用于成型薄板的水平模具的底部必须是多孔结构，并覆盖一层湿态强度很高的滤纸或多孔塑性材料作为过滤层。当GRC料层沉积到适当厚度时，从模具下方抽吸空气，在负压作用下使沉积料层中的水脱去。用这种方法可以使砂浆中水和水泥的比例由通常的0.55降到，从而使制品的初始强度得到相应提高。所制薄板的上表面可进行修整或修饰，而下表面则与过滤材料的纹理一致。,8.4 短纤维增强水泥的制造工艺,预混法,将短切纤维原丝与水泥、砂子、水和添加剂混合后进行浇铸成型制品的工艺称为预混法。该工艺顾名思义分为两步：制备可使纤维均匀混入的砂浆，以及使纤维在砂浆中均匀混合。纤维在砂浆混好后加入，从而可使纤维的损伤降低到最低程度。,早期的研究表明，玻璃纤维在混料机中的缠绕结成团导致纤维在基材中的分散性很差，以及混合料的加工和配置困难。同时由于纤维的存在，基体中的水分易于沿着纤维游离到材料表面，因此，即使施加很低的压力，也会导致分凝和失水。,8.4 短纤维增强水泥的制造工艺,解决这些问题的方法是在混合料中加入少量的聚合物如聚环氧乙烯和甲基纤维素以改进湿态混合料的性能。在玻璃纤维加入混合料进行混合之前，应先将纤维在聚合物溶液中浸湿，使纤维具有一定的润滑度，从而提高其水相粘度，这种方法可使纤维在混合料中的分布更好，并有助于保持水分。,预混法GRC混合料的配方随所制制品而定，通常砂子的含量为水泥重量的50%。在水与水泥之比值较低时（最好不超过0.35），加入添加剂可获得良好的加工性能。预混法GRC制品中玻璃纤维的含量（重量比）在4%以上，长度为12-25mm。,8.4 短纤维增强水泥的制造工艺,缠绕工艺,纤维缠绕工艺广泛应用于玻璃钢工业中，特别是用于制造高技术产品。在GRC工业中，这种方法目前使用得还很少，主要原因是成本比较高。,玻璃纤维无捻粗纱或原丝在水泥和砂浆中通过并被浸渍（有时以散丝的形式通过搅拌好的水泥浆槽），随后将此经浸渍的粗纱或原丝缠绕到以适当形式旋转的成型模具或者心轴上，同时向该构架上喷射其余的砂浆及短纤维原丝，然后利用压实辊或采用抽吸真空的方法将多余的砂浆和水分除去，即可制成密实度相当好的GRC制品。玻璃纤维原丝通常需保持一定的微张力，从而保证原丝在制品中的平直和排列。,8.4 短纤维增强水泥的制造工艺,手糊工艺,这种工艺也是从玻璃钢工艺中借用而来的，当用这种工艺制造GRC制品时，可采用多种玻璃纤维制品作为增强材料，如无捻粗纱、短切纤维毡或玻纤织物。采用适当的模具或成型面，可成型各种形状和尺寸的制品。由于纤维增强材料很难直接被水泥浆润湿，因此，最好预先使纤维被水泥浆润湿。将经润湿的增强材料铺放在模具内或成型面上，用特制的刷辊糊上余量的水泥糊，并施加压力使之压实并成型适当的形状。有时通过外部振动也能达到压实的目的。超过需要的多余水分可通过抽滤或压力使之脱去。,8.4 短纤维增强水泥的制造工艺,养护(固化),通常情况下，由水凝水泥制成的GRC制品均需经过精心控制的养护，在任何给定的时间内，水泥的性能反映了其水合的程度，而后者又是由养护工艺所决定。由于在大部分GRC制品中，水泥和砂子(以及火山灰)占固含量的95甚至更多，因此适当的养护非常重要。如果能严格执行正确的养护制度，GRC中的水泥基材将能全部均匀水合，从而保证制品某些特定性能良好的重现性。许多GRC制品的厚度均很薄，因而很重要的一点是必须在潮湿的气氛中养护，从而尽可能地减少制品的早期收缩。只有经过适当养护的GRC制品才具备足够的强度、刚度和硬度以保证脱模后加工的安全。,8.4 短纤维增强水泥的制造工艺,纤维水泥的增强机理,纤维起加强作用的机理涉及到应力通过界面的剪切或者如果纤维表面变形，通过纤维与基体之间的相互连接，从基体传到纤维。纤维和基体共同承受拉力直到基体裂损，然后总的力都转移到纤维上。这种损坏机理上的变化，使下述各方面的性能得到重大改善：柔韧性、坚固性、抗冲击性、受拉性、抗挠强度、疲劳寿命、抗磨损、收缩性、耐久性和抗气蚀作用,8.5 纤维水泥的增强机理,玻璃纤维增强水泥材料中，玻纤配筋方式绝大多数是乱向短纤维配筋。对于带状、网格布作配筋，一般都配在主应力方向上。关于估计纤维增强水泥材料初裂强度或比例极限的增强机理有两种观点。一种是纤维间距机理，理论依据是纤维的阻裂作用和浅弹性断裂力学，它与纤维的问题有关；另一种是复合材料机理，理论依据是复合材料的混合律，它与纤维的体积率、取向和长径比有关。假定复合材料是均质的、连续的，纤维同水泥基材之间的粘结力相同，根据混合律法则，复合材料的弹性模量E。和抗拉力初裂强度cr分别为：,8.5 纤维水泥的增强机理,EcEm1+Vf(CFn1)，(1),crmu1+Vf(CFn1)，(2),、,按最有利假定，靠掺入纤维来增大刚度或者增大抗裂应力，这些开裂前的性能不可能得到很大改进。掺入纤维的优点在于基体发生开裂后纤维的承载能力。,8.5 纤维水泥的增强机理,关于纤维的增强机理，现已提出了精密的理论分析，但在这种水泥基复合材料中，基体的破坏应变比纤维小很多，纤维体积很少超过8，纤维的分布多半界于二维或乱向三维之间，而且纤维很短，粘结力弱，采用的成型工艺可能引起纤维间的较大磨损，从而使纤维强度受到较大损失。实践中纤维增强基体的效率要比理想应力应变曲线计算过程中的假设差得多，妨碍准确预测复合材料性能的其它因素是那些随时间而变化的参数。这些关键性参数随基体的不断水化而变化，某一时间的精确强度，一般只是推测而巳。尽管如此，为了能预测基体可能改善的“程度”，还是值得研究简化理论。,8.5 纤维水泥的增强机理,水泥对玻璃纤维的微观侵蚀机理,化学侵蚀 人们通过放射性示踪钙离子被玻璃纤维的吸附，测出了钙离子一天之内就很快地、物理地吸附在玻璃表面上，3天之内即呈现化学吸附的生质。然后用x射线分析、差热分析及化学分析测出玻璃纤维在水泥中被侵蚀的主要因素，是由于水泥在水化反映过程中析出的氢氧化钙与玻璃纤维中的硅氧骨架相互作用生成了一种新的物质水化硅酸钙凝胶。这是一种不可逆的化学反应，它对玻璃纤维产生强烈的侵蚀，并在其表面造成较大的缺陷，引起局部应力集中，从而破坏了纤维的结构，最终导致玻璃纤维强度迅速下降，脆性显著增大。,8.6 侵蚀机理分析,物理侵蚀 通过反复的分析研究，人们发现玻璃纤维不只受OH的侵蚀，还可能在玻璃纤维表面因水泥水化物的结晶生长使表面裂纹发生扩展，加上水泥水化时水化物晶体的楔入作用，温度和湿度变化引起水泥石线型的和体积的变化等，促使玻璃纤维产生横向裂纹，其抗冲击强度随着时间而降低。另外，经过试验分析，可以肯定地指出，含有二维乱向短纤维的复合材料若放在水中存放，其折裂模数至少在2年内会不断减小，其抗挠强度显著下降。,8.6 侵蚀机理分析,当然，抗冲击强度及折裂模数随时间而降低的现象，不一定表示玻璃纤维的强度在下降还有其它复杂因素在发生作用。如粘结强度的变化，水泥浆与纤维界面上的微观结构的变化，以及复合材料延性的变化，都会影响材料的弯曲性能。总之，复合材料能否耐久性是十分重要的。此外，也有人提出所谓亲核腐蚀和亲电腐蚀，以硅酸盐为网络的玻璃纤维在碱性介质中其性能是不稳定的，在硅氧骨架上带有负电荷的离子受亲电腐蚀，带有正电荷的离子受亲核腐蚀，H+等为亲电腐蚀剂，OH等为亲核腐蚀剂，使SiO骨架发生破坏，从而降低了玻璃纤维的强度性能。,8.6 侵蚀机理分析,由此看出，水泥水化产物对玻璃纤维的侵蚀包括化学侵蚀与物理侵蚀两个方面。前者导致硅氧骨架的破坏，后者引起纤维表面缺陷的扩展。两者相互作用使玻璃纤维的抗拉等强度性能大幅度地降低直至完全丧失。所以，玻璃纤维能否耐水泥的物理化学两个主要方面的侵蚀，这是GRC材料强度提高的技术关键。水泥水化产物对玻璃纤维的侵蚀包括哪几个方面，各起什么作用？,8.6 侵蚀机理分析,防止侵蚀途径 为了改进和提高水泥、玻璃纤维这两种材料的理化性能，现在国内外主要从以下三个方面着手：,降低水泥碱度 在搅拌水泥砂浆时可掺入降低碱性的掺合料或外加剂，例如在硅酸盐水泥中掺入40左右的粉煤灰，以降低水泥水化过程中析出的碱性物质对玻璃纤维的腐蚀。,8.6 侵蚀机理分析,提高玻璃纤维抗碱性能 采用化工工艺方法对玻璃纤维进行被覆处理，在其表面涂覆环氧树脂、呋喃树脂及其它无机盐等耐碱物质，使之在玻璃纤维表面形成一层保护膜，以抵挡侵蚀。70年代中期，英国Majumdar和Pilkington共同合作并进行了2年的耐久性试验，最终成功地用工业化方法制造了以“赛姆菲尔”(Cemfil)为名称的抗碱玻璃纤维，由于该纤维属于Na2OZrO2SiO2系统，其氧化锆含量高达16，所以抗碱性能很好。,8.6 侵蚀机理分析,国家建筑材料科学研究院研制成的含有ZrO2、TiO2等抗碱氧化物的玻璃纤维，其作用是在受碱侵蚀时，玻璃纤维表面能够迅速生成一种含锆的薄膜，以此来防止对玻璃纤维的侵蚀。与此同时又相继研制成硫铝酸盐低碱水泥，该水泥是以硫铝酸盐熟料为基础掺入硬石膏(或无水石膏)、矿渣等研制成的低碱度水泥。,玻纤的被覆处理。,8.6 侵蚀机理分析,普通玻纤经抗碱被覆处理+波特兰水泥中掺活性混合材 用抗碱性好的树脂对普通玻纤进行被覆处理以防止波特兰水泥的水化物的侵蚀。国外主要使用E玻纤，国内则使用A玻纤。经被覆后的玻纤纱对水泥液的耐蚀性不亚于含锆的抗碱玻纤纱。若在普通的硅酸盐水泥中掺加适量的粉煤灰，有助于提高此种被覆玻纤筋在80水泥滤液中的强力保留率,8.6 脆化机理分析,效果显著的主要原因：其一，掺有活性材的普硅水泥氧化钙含量降低，水泥水化液碱度比普硅水泥低。其二，活性材是一种由活性氧化硅、氧化铝等组成的玻璃体，它可以同水泥水化产物氢氧化钙起反应，生成水化硅酸钙，并具有增强作用。同时该反应消耗了水化产物中的OH-含量，两者的共同作用，减缓了水泥水化产物对被覆玻纤筋的侵蚀。作业：在玻璃纤维增强水泥基复合材料中，为改善水泥水化物对玻璃纤维的腐蚀，一般采取哪些措施？,8.6 脆化机理分析,纤维增强水泥在控制耐久性上的界面规律,纤维增强水泥的耐久性一直是人们关心的话题，如果能找出耐久性在界面上的一般规律，这无疑将是一个重大的发现。Aron.Bentur认为，水泥基体中，随着时间的推移，在纤维附近会发生微观结构的变化，这将导致界面转移区域结合力和硬度的增加，同时也可使复合材料的机械性能下降。这种过程的微观机理模型暗示着这种随时间变化的趋势只可能发生在微观纤维增强水泥中，而不是在宏观纤维增强水泥中。仅仅当所有物质粘结不好的情况下，尤其是在密实基体中存在易脆微观纤维，复合材料的机械性能才会降低。其微观反应如下,8.8 界面规律,8.8 界面规律,因此，在新型水泥复合材料的发展上，这种界面影响应该考虑进来。因为这种机理随着时间的推移能被实践所证明。所以，仅仅通过考虑在碱性水泥基体中的化学稳定性去评估水泥复合材料的耐久性是远远不够的。这也为今后研究耐久性问题提供了可靠的依据。图2为玻璃纤维水泥在干燥空气、自然气候及水中存放的各种不同龄期的抗拉破坏应变。,8.8 界面规律,纤维增强水泥中界面厚度和硬度及孔对应力分布的影响,纤维水泥界面的不同微观结构可能导致不同的失效机理。纤维增强水泥基复合材料中强度和韧性的提高取决于它们界面的厚度和硬度。当纤维和水泥基体之间没有孔界面引入时，最大应力发生在水泥基体中，导致脆裂失败。然而如果孔界面存在时，最大半径应力发生在孔界面和水泥基体之间的界面上。结果，微裂纹可以各种龄期的抗拉破坏应变。沿着孔界面产生和发展，在纤维增强水泥基复合材料中表现出一个高的裂变韧度。在孔界面附近，最大半径应力是随着界面厚度的增加而减小，但是随着界面硬度的减小而减小。,8.9 界面厚度和硬度与孔的关系,然而，最大环绕应力随着界面厚度的增加而增加，但随着界面硬度的减小而增加。依据最理想的界面厚度和硬度，在孔界面和水泥基体之间的界面上，最大半径应力减小了，但是它仍然比水泥基体内最大环绕应力高。这已经被包括钢纤维、碳纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维在内的不同增强水泥所证实。一旦水泥基体的粘着力强度和孔界面与基体之间的粘附强度被理解后，理论结果能被用作去决定是否界面结合和纤维拔出的失效机理可能发生。,8.9 界面厚度和硬度与孔的关系,但也应该注意到，不同直径的孔及其分布对于水泥石的其它性质是很重要的，甚至对它们起决定性作用。水灰比为0.35和水泥/砂=1：1的浆体在28天后，其总共的孔为0.0458cm2/g，它们的直径大约有80%小于1000，一年以后，孔的直径在1000附近的将超过90%。已经总结了影响孔直径的一般规则。他认为，不可渗透性和其它一些性质是和r紧密相关的。当孔直径小于r时，不可渗透性是良好的，r可通过测试而得，但不同的实验者可能得到不同的数据。当孔直径大于1320时是有害的。,8.9 界面厚度和硬度与孔的关系,GRC 制品的应用及研究方向应用,雕塑,门窗,角花,罗马柱,线条,花盆,品种（1)、GRC轻质空心隔墙板 GRC轻质空心隔墙板是以低碱度水泥为胶凝材料，膨胀珍珠岩为集料，抗碱玻璃纤维织造成的网格布为增强材料，采用台座法和机组流水法等工艺成型方法制成。具有重量轻、强度高、防火性好、防水、防潮性好，抗震性好，缩变形小，制作简便、安装快捷等特点。在建筑工程中适用于非承重的墙体部位。主要用于多层居住建筑的分室、分户墙、厨房、卫生间及阳台分户墙，公共建筑的内隔墙、工业厂房的内隔墙、工业建筑的围护外墙等。,GRC复合外墙板是由带肋的GRC板为内外面层，中间填充保温隔热材料，经成型、养护而成。具有墙体薄、重量轻、强度高、韧性好以及保温、防水、耐久、抗裂、加工简易、造型丰富、施工方便等特点。目前，我国的开发的GRC复合外墙板品种较多，按墙体大小分，有单开间墙板和双开间墙壁板；按保温层材料分，有水泥珍珠岩芯层和岩棉芯层，也可用其他保温材料制成的各种墙材。这种复合墙板适用于多层和高层建筑的非承重建筑外墙。,(2)、GRC复合外墙,GRC网架屋面板系用GRC为面板与预应力混凝土肋复合而成。该板具有自重轻、强度高、耐高冲击、防水、防火、施工安装方便等优点。采用这种屋面板的有明显节约钢材，缩短吊装周期的效果。如与同规格的钢筋混凝土网架屋面相比，每平方米可节约钢筋2-2.5kg，可缩短吊装周期，节省工时13。如北新建材（集团）公司生产的GRC大跨度屋面板（长5.5m，宽1.2m）应用于海南凤凰国际机场楼，获得了良好的技术经济效益。,(3)、GRC网架面板,(4)、S-GRC轻质平板 轻质玻璃纤维增强水泥板（简称S-GRC板）。这种板材的物理性能与日本的轻质GRC板（HONBAN）相当。它与普通GRC板材相比，除保持了强度较高、耐水不燃等特点外，还兼有密度低，易加工，可锯、可刨、可钉便于施工等优点。这种板材特别适用于作建筑的内隔墙和吊顶材料。如卫生间、地下室的内隔墙和吊顶，也适用于电梯井、通道、管道等部位。(5)、其它形式的GRC装饰材料,（6）轻质隔热夹芯板屋面 轻质隔热夹芯板以其外形美观，色泽鲜艳，结构新颖、轻质高强、安装快捷，应用广泛的特殊优点，令人瞩目，成为当代国际流行的新型复合材料，被誉为“浮在水面上的”、“夹心饼干似的”新型材料。夹芯板由内外两层材料粘合而成，外层是高强度材料（如镀锌彩色钢板、铝板、不锈钢板或装饰板等），内层轻质隔热材料（阻燃性聚苯乙烯）通过自动成型机，用高强度粘结剂将两者粘合，经加压、修边、开槽、落料而成板材。夹芯板既具有良好的隔热、隔音和防潮等物理性能，又具备较好的抗弯和抗剪的力学性能，因而成为当代备受欢迎的新型建筑板材。,特点：重量轻：每平方米板自重10-14千克，仅为砖混建筑的1/30。隔热保温性能好；导热系数=0.032-0.035千卡/米.时。还具有良好的隔音、阻燃、防潮性能。强度好、省材、使用寿命长：可作墙板、屋面板，既是承重结构，又是维护结构，一般房屋不用梁柱、无须表面装饰。安装灵活快捷；板块可灵活拼装组合，不需吊装机械，可多次拆装，重复使用。可按客户要求的品种、规格、颜色等定尺生产。用途广泛。,彩色涂层刚压型板图,（7）PU单面隔热板 构成高品质彩色金属钢板，进口聚氨脂，进口阻燃性聚氯乙烯压花膜。特性kg/平方米隔热隔音=0.0178kcal/平方米h坚固美观,易于安装.适用范围最宜用于厂房,仓库屋面系统。价格性能比高。,石狮市海洋世界,福建石狮市建设银行,闽南黄金海岸大观园,