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.

摘要 The distribution characteristics of cement-based composite material interface based on the cement particle, gives the effective diffusion coefficient and porosity distribution function interface in interface zone; the cement-based composite materials as aggregate, matrix, interface and homogenization effective medium phase four phase composite sphere model, using N sphere inclusion theory the multi-scale prediction of effective diffusion coefficient of chloride ion in cement-based composite materials. The results show that the prediction of the chloride ion diffusion coefficient are in good agreement with experimental results; n sphere inclusion theory suitable for predicting the effective chloride diffusion coefficient in cement based composite material, the chloride ions in cement based composite materials the diffusion coefficient by matrix diffusion coefficient, diffusion coefficient, interfacial transition zone of aggregate and the interfacial transition zone volume fraction was determined.

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3％～10％含量的复合材料为例，其密度为1600～2500kg/m3，抗冲强度8.0～24.5N·mm/mm2，压缩强度48～83MPa，热膨胀系数为(11～16)×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）；