留言反馈

  • 联系QQ:
  • 咨询QQ:845979977 咨询QQ:845979977
  • 电话:
  • 0872-6529000
  • 邮箱:
  • ypsnzp@sina.com
  • 地址:
  • 云南省大理州永平县龙门乡石家村

水泥基复合材料的脆性与增韧

来源:本站   发布时间:2015-08-04 14:38:30}   浏览量:
字号:T|T
自八十年代美国将混凝土定义为水泥基复合材料以来,这个称法已逐渐地被各国学者认同。该定义赋予了水泥更多科技内涵,也为水泥研究提供了新的方法,将复合材料的研究方法引入水泥领域,将大大推动水泥科学的发展。


复合材料是指由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合形成的新型材料,一般由基体组元与增强体或功能组元所组成。最早的水泥基复合材料即目前大家所熟知的混凝土,混凝土中水泥将砂、石等增强体胶结,而此为颗粒增强的手段之一。混凝土韧性较差,所以后来出现了钢筋混凝土,钢筋混凝土中钢筋主要承受拉应力,而混凝土则承受压应力,钢筋混凝土实际上是在低技术层面上对水泥进行纤维增强。


由于水泥具有高抗压强度、低廉的价格、使用方便、耐久性良好等优点,故水泥是目前地球上使用最广泛、最大宗的结构材料,但其脆性是制约水泥无限应用的致命弱点,如何通过复合改性提高水泥的韧性成为水泥基复合材料研究的重要方向之一。


一定程度上硬度(抗压强度)与韧性(抗拉强度)是一对矛盾体,某一方的增强将必然导致另一方的减弱,所以水泥拥有较好的抗压强度的同时有着较差的抗拉的强度。脆性一般是指材料破坏过程中能量的消耗值,是和韧性相对的指标。其实质是断裂临界点以前材料内部积累起来的最大弹性能快速地的转化为主要裂纹断裂表面能的能量转化过程。断裂表面能起着抵抗裂纹扩展、抑制材料断裂的作用,是材料脆性大小的一种量度,其值取决于材料的组成、结构等特性参数。因此,降低材料的脆性,应从提高材料的断裂能入手。由于原材料、工艺等方面的限制,水泥基复合材料内部存在大量的微裂缝及不均匀性,内部结构极端复杂,从而使降低水泥基复合材料的脆性也变得相对困难。水泥的脆性用脆性系数来表征,脆性系数=抗压强度/抗拉强度,水泥的脆性是制约水泥应用的致命弱点。


人们很早就开始利用材料复合的方式来解决水泥基材料的脆性问题,钢筋混凝土就是很好的例子,钢筋混凝土已具备现代材料复合工艺的雏形。大体看来,水泥基复合材料的增韧措施主要可以分为三大类:一是对水泥自身进行调节来增强水泥基体的韧性,这类方法主要有加入聚合物,制得聚合物水泥,调节水泥的矿物组成,减少脆性矿相含量,加入外加剂来改善界面、提高抗拉强度等;另一类是引入高抗拉强度的增强体,如引入钢筋、秸杆、纤维等,这类方法能显著改善水泥基复合材料的韧性,这也是目前研究的热点;还有一类就是通过适当工艺处理来增强水泥基复合材料的韧性,用的较多的就是预应力法;各种方法相互渗透,在实际工程中往往是多种方法同时使用以达到最佳的增韧效果。


纤维增强是目前水泥基复合材料中研究最多的,同时也是最有效的增强方法,四十多年来我院在纤维增强水泥(Fibre Reinforced Cement 缩写FRC)的新材料与新产品研制与开发方面取得了一系列具有国际水平的成果,并获得过多项国家级与部级科技进步奖。目前使用较多的有钢纤维、玻璃纤维、碳纤维和各种有机纤维。其中钢纤维增强法已经大规模地在一些设施中使用,如首都机场跑道即用掺入钢纤维的混凝土浇注而成,钢纤维增韧的缺点是钢筋易锈蚀,经研究发现暴露于混凝土表面或在裂缝宽度超过0.25mm时,跨接在裂缝处的钢纤维易发生腐蚀现象。玻璃纤维混凝土(GRC)中玻璃纤维增韧具有成本较低、增韧效果好的优点,但是碱含量高的水泥易使玻璃纤维脆断,导致其强度在一定时间后急剧下降,因此如何使玻璃纤维不被碱破坏成为其研究的方向之一,具体防护措施包括采用低碱水泥和对玻璃纤维进行保护。碳纤维是目前世界上已知的工程材料中比强度最高的,特别突出的是具有极高的抗拉强度和弹性模量,碳纤维复合材料的弹性模量略高于普通钢材,碳纤维布制成复合材料后的比重降低至钢铁的五分之一,是非常轻质的材料,用碳纤维增强的水泥具有价格低廉、耐火、耐热、耐蚀、压缩强度高等特点,因此在土木建筑、海洋工程方面被大量使用。碳纤维增强水泥复合材料,在承受负荷时表面不再产生肉眼可见的龟裂,其拉伸强度和弯曲强度、弯曲韧性比不增强的高几倍到十几倍。各种有机纤维(如尼龙、聚丙烯、聚乙烯等)只能提高材料的韧性、抗冲击性能力等与材料的塑性有关的物理性能,而不能改善材料的强度和刚性。


水泥基复合材料的脆性根源在于其共价键结构和多相组成,共价键具有严格的方向性,孔隙、界面对其脆性的影响均与共价键结构有关,多相组成造成的内应力也会降低其韧性。因此可在对水泥基复合材料脆性进行分析的基础上通过改善界面、降低孔隙率、改变作用力的方向等来实现其增韧,优化各方面性能,进而拓展其应用范围。在科技高速发展,与时俱进的今天,我院必将在水泥基复合材料领域取得更大的成就。
华彩彩票 |公司简介 |产品中心 |公司新闻 |在线咨询 |联系我们