新型水泥基復(fù)合材料

1、第4章新型水泥基復(fù)合材料新型水泥基復(fù)合材料水泥混凝土的缺點(diǎn)水泥混凝土的缺點(diǎn)： 抗拉強(qiáng)度不足 收縮變形大 韌性差 抗裂性差復(fù)合材料定義定義： 兩個(gè)或兩個(gè)以上的獨(dú)立物相，包含基體和增強(qiáng)體以宏觀或微觀形式所組成的固體材料，并與其組成物質(zhì)有不同的性能。 特點(diǎn)特點(diǎn)：（1）發(fā)揮各種組成材料的優(yōu)點(diǎn)（2）可根據(jù)性能需求進(jìn)行材料的設(shè)計(jì)和制造（3）可制成所需的任意形狀分類(lèi)分類(lèi)：（1）基體類(lèi)型 金屬基、水泥基（2）增強(qiáng)體外形 不連續(xù)、連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、片狀增強(qiáng)復(fù)合材料4.1 纖維改性水泥基復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1.改善抗拉性能，提高抗折強(qiáng)度，韌性呈數(shù)量級(jí)增加 2.減少收縮和收縮裂紋 3.減小截面尺寸，使構(gòu)件輕型化一

2、、纖維的分類(lèi)1.彈性模量低彈性模量高彈性模量尼龍、聚乙烯、聚丙烯提高韌性、抗沖擊性能;鋼纖維、玻璃纖維和碳纖維改善強(qiáng)度和韌性;2.作用方式a短纖維b網(wǎng)狀纖維c異形化纖維d表面涂層改性纖維 影響纖維增韌增強(qiáng)的因素：1.纖維種類(lèi);2.纖維的表面性能;3.纖維與基體界面的粘結(jié)強(qiáng)度;缺點(diǎn)：價(jià)格高、分散性差、與基體粘結(jié)強(qiáng)度低等。4.纖維的摻量;二、常見(jiàn)的纖維增強(qiáng)水泥基材料1.鋼纖維鋼纖維水泥基復(fù)合材料（SFRC） 20世紀(jì)60年代應(yīng)用。 特點(diǎn)：抗裂、韌性和沖擊較好。 鋼纖維的類(lèi)型，可按鋼纖維的生產(chǎn)工藝、外形、截面形狀、材料品質(zhì)、抗拉強(qiáng)度及施工用途劃分。 1）按鋼纖維的生產(chǎn)工藝可分為： （a）鋼絲切斷型

3、（b）鋼板剪切型 （c）鋼錠銑削型 （d）熔抽型 這四種鋼纖維的基本特征見(jiàn)表 （2）按抗拉強(qiáng)度可分為以下三級(jí)（依據(jù)纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程CECS382004的規(guī)定）：a380級(jí)（抗拉強(qiáng)度380MPa，600MPa）；b600級(jí)（抗拉強(qiáng)度600MPa，1000MPa）；c1000級(jí)（抗拉強(qiáng)度1000MPa）。 鋼纖維在水泥基復(fù)合材料的應(yīng)用鋼纖維在水泥基復(fù)合材料的應(yīng)用 在各種纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料中，鋼纖維在提高水泥基復(fù)合材料的各項(xiàng)性能方面，效果最好。鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料已廣泛用于公路路面、機(jī)場(chǎng)道面、橋面、防水屋面、工業(yè)地坪，以及水工、港口、海洋工程、隧道、涵洞、建筑結(jié)構(gòu)、抗震及節(jié)點(diǎn)工程、國(guó)防

4、抗爆與彈道工程等。 實(shí)驗(yàn)研究和工程實(shí)踐表明，鋼纖維的長(zhǎng)度為2060 mm，直徑或等效直徑宜為0.30.9 mm，長(zhǎng)徑比在30100范圍內(nèi)選用，其增強(qiáng)效果和施工性能可滿(mǎn)足要求。如超出上述范圍，經(jīng)試驗(yàn)在增強(qiáng)效果和施工性能方面能滿(mǎn)足要求時(shí)，也可根據(jù)需要采用。根據(jù)國(guó)內(nèi)外工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)一般澆筑、抗震框架節(jié)點(diǎn)及鐵路軌枕等類(lèi)結(jié)構(gòu)的鋼纖維增強(qiáng)混凝土，常用鋼纖維幾何參數(shù)選用范圍如表 通常情況下，鋼纖維增強(qiáng)混凝土的鋼纖維體積率不宜小于0.5%，也不宜大于3%，以1%2%為宜。纖維間距理論纖維間距理論是1963年美國(guó)學(xué)者J.P.Romualdi和G.B.Baston在Griffith理論基礎(chǔ)上提出來(lái)的。Griff

5、ith理論認(rèn)為，一些脆性材料（如混凝土）之所以為低應(yīng)變脆斷，原因在于材料微結(jié)構(gòu)的不均勻性和存在一定量的缺陷，如微裂紋或亞微裂紋及各種尺度的孔。當(dāng)受到應(yīng)力作用時(shí)，裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋迅速擴(kuò)展，裂紋的數(shù)量、長(zhǎng)度、開(kāi)度不斷增加，最終導(dǎo)致裂紋貫通，形成大的裂縫而使材料結(jié)構(gòu)發(fā)生崩潰破壞。 當(dāng)在脆性材料基體中摻入纖維后，材料受到應(yīng)力時(shí)，纖維的存在將會(huì)約束裂縫的引發(fā)和裂縫長(zhǎng)度及開(kāi)度的擴(kuò)展，從而起到增強(qiáng)作用。Romualdi用圖來(lái)說(shuō)明纖維的這種作用。圖表示連續(xù)纖維沿拉應(yīng)力作用方向分布在基體中間，纖維間距為S，半長(zhǎng)為a的裂縫存在于四根纖維所圍成的區(qū)域中心。材料在受到拉伸時(shí)，拉伸應(yīng)力在纖維上產(chǎn)生的粘結(jié)應(yīng)力分

6、布在裂縫端部附近，從而對(duì)裂縫尖端產(chǎn)生反向應(yīng)力場(chǎng)，降低了裂縫尖端的應(yīng)力集中程度，使裂縫的擴(kuò)展受到約束，裂縫端部的擴(kuò)展力減少，材料的強(qiáng)度特別是韌性得到增加。纖維的這種對(duì)裂紋擴(kuò)展的約束作用與纖維之間的間距和纖維的數(shù)量有密切關(guān)系。纖維間距越小，單位體積中的纖維數(shù)量越多，這種作用就越有效。 鋼纖維增強(qiáng)作用機(jī)理示意圖鋼纖維增強(qiáng)作用機(jī)理示意圖 鋼纖維混凝土攪拌試驗(yàn)鋼纖維混凝土攪拌試驗(yàn) 噴射試驗(yàn)噴射試驗(yàn)鋼纖維在橋墩工程應(yīng)用中鋼纖維在橋墩工程應(yīng)用中 鋼纖維在隧道中的應(yīng)用鋼纖維在隧道中的應(yīng)用 水利樞紐工程三峽大壩水利樞紐工程三峽大壩水利工程的面板水利工程的面板鋼纖維砼橋面大修施工鋼纖維砼橋面大修施工 2.2.玻璃

7、纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料玻璃纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(GFRC)(GFRC) GFRC廣泛應(yīng)用非承重或半承重制品，特別適用于包裹鋼結(jié)構(gòu)來(lái)提高其防火性能。 GFRC可抑制開(kāi)裂，配置在GFRC中的高強(qiáng)鋼筋，能夠有效地避免銹蝕，可用于受動(dòng)力作用的領(lǐng)域，如設(shè)備基礎(chǔ)、海上構(gòu)筑物等。 玻璃纖維以石英砂、石灰石、白云石、石蠟等組分并配以純堿、硼酸等，有時(shí)為簡(jiǎn)化工藝和獲得預(yù)期的性能還適當(dāng)摻入TiO2、ZrO2、Al2O3等氧化物來(lái)制備各種玻璃后，經(jīng)熔融窯熔化拉絲而成。 玻璃纖維是復(fù)合材料中目前使用量最大的一種纖維，是高新技術(shù)不可缺少的配套基礎(chǔ)材料。玻璃纖維具有原料易得、拉伸強(qiáng)度高、斷裂伸長(zhǎng)低、彈性模量高、防火、防

8、霉、耐熱、耐腐蝕和尺寸穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，是一種常用的性能優(yōu)良的增強(qiáng)材料。玻璃纖維最主要的缺點(diǎn)是脆性大和不耐磨、因此，它的復(fù)合材料制品也往往具有上述缺點(diǎn)。玻璃纖維的分類(lèi)玻璃纖維的分類(lèi) 玻璃纖維的品種很多，一般可按玻璃原料中的含堿量、單絲直徑、纖維外觀和纖維特性等方面進(jìn)行分類(lèi)。 （1）按玻璃原料中的含堿量可分為：有堿玻璃纖維（堿性氧化物含量12%，也稱(chēng)A-玻璃纖維）、中堿玻璃纖維（堿性氧化物含量6%12%）、低堿玻璃纖維（堿性氧化物含量2%6%）、無(wú)堿玻璃纖維（堿性氧化物含量2%，也稱(chēng)E-玻璃纖維）。 （2）按單絲直徑可分為：粗纖維（單絲直徑30 m）、初級(jí)纖維（單絲直徑20 m）、中級(jí)纖維（單絲直

9、徑1020 m）、高級(jí)纖維（單絲直徑39 m，也叫紡織纖維）。 （3）按纖維外觀可分為：連續(xù)長(zhǎng)纖維（其中有無(wú)捻粗紗和有捻粗紗）、短切纖維、空心纖維和卷曲纖維等。 （4）按纖維特性可分為：高強(qiáng)玻璃纖維、高模量玻璃纖維、耐高溫玻璃纖維、耐堿玻璃纖維、耐酸玻璃纖維、普通玻璃纖維（指無(wú)堿和中堿玻璃纖維）。玻璃纖維的用途玻璃纖維的用途 玻璃纖維可以制成各種制品，如無(wú)捻粗紗、玻璃纖維氈、短切原絲和磨碎纖維以及玻璃布等。連續(xù)玻璃纖維加紡織型浸潤(rùn)劑經(jīng)過(guò)退繞、加捻、并股、絡(luò)紗可制成有捻紗；有捻紗再經(jīng)過(guò)并捻、織造加工進(jìn)一步得到纖維繩、布和帶。若加入增強(qiáng)型浸潤(rùn)劑，并經(jīng)過(guò)并股、絡(luò)紗可制成無(wú)捻紗，由此可進(jìn)一步加工成粗紗

10、布、短切纖維氈和表面氈。 無(wú)捻粗紗是由平行原絲或平行單絲集束而成的。無(wú)捻粗紗按玻璃成分可劃分為：無(wú)堿玻璃無(wú)捻粗紗和中堿玻璃無(wú)捻粗紗。無(wú)捻粗紗可以直接用于某些復(fù)合材料工藝成型方法中，如噴射用無(wú)捻粗紗、SMC（片狀模塑料）用無(wú)捻粗紗、纏繞用無(wú)捻粗紗、拉擠用無(wú)捻粗紗、織造用無(wú)捻粗紗、預(yù)型體用無(wú)捻粗紗等。也可制成無(wú)捻粗紗織物（方格布），在某些用途中還將無(wú)捻粗紗短切。 玻璃纖維氈有連續(xù)纖維氈、短切纖維氈及表面氈。連續(xù)纖維氈加工簡(jiǎn)單，氈的力學(xué)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量均勻，適用于各種手糊制品及大型儲(chǔ)罐，故其對(duì)復(fù)合材料的增強(qiáng)效果較短切氈好，主要用在拉擠法、RTM法、壓力袋法及玻璃氈增強(qiáng)熱塑料（GMT）等工藝中

11、。 短切纖維氈主要用于手糊、連續(xù)制板和對(duì)模模壓和SMC工藝中。表面纖維氈表面纖維氈因其由富樹(shù)脂制成，通常用于玻璃鋼制品中。這類(lèi)氈由于采用中堿玻璃（C）制成，故賦予玻璃鋼耐化學(xué)性特別是耐酸性，同時(shí)因?yàn)闅直　⒉＠w直徑較細(xì)之故，還可吸收較多樹(shù)脂形成富樹(shù)脂層，遮住了玻璃纖維增強(qiáng)材料（如方格布）的紋路，起到表面修飾作用。 短切原絲主要用于玻璃鋼中，可分為增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂用短切原絲和增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂用短切原絲兩大類(lèi)。對(duì)增強(qiáng)熱塑性塑料用短切原絲的要求是用無(wú)堿玻璃纖維，強(qiáng)度高及電絕緣性好，短切原絲集束性好、流動(dòng)性好、白度較高。增強(qiáng)熱固性塑料短切原絲要求集束性好，易為樹(shù)脂很快浸透，具有很好的機(jī)械強(qiáng)度及電氣性能。 磨

12、碎纖維是由錘磨機(jī)或球磨機(jī)將短切纖維磨碎而成，長(zhǎng)度從0.080.20 mm不等。磨碎纖維主要在增強(qiáng)反應(yīng)注射工藝（RRIM）中用作增強(qiáng)材料，在制造澆鑄制品、模具等制品時(shí)用作樹(shù)脂的填料用以改善表面裂紋現(xiàn)象，降低模塑收縮率，也可用作增強(qiáng)材料。 玻璃布可分為無(wú)堿和中堿兩類(lèi)。主要用于生產(chǎn)各種電絕緣層壓板、印刷線(xiàn)路板、各種車(chē)輛車(chē)體、儲(chǔ)罐、船艇、模具等，有時(shí)還用于生產(chǎn)涂塑包布以及耐腐蝕的場(chǎng)合。玻璃帶則常用在制造高強(qiáng)度、電性能好的電器設(shè)備零部件中。耐堿網(wǎng)格布外墻保溫作用耐堿網(wǎng)格布外墻保溫作用玻璃纖維網(wǎng)格布在保溫系統(tǒng)中起著重要的結(jié)構(gòu)作用，玻璃纖維網(wǎng)格布在保溫系統(tǒng)中起著重要的結(jié)構(gòu)作用，主要防止裂縫的產(chǎn)生主要防止裂縫

13、的產(chǎn)生 ，在保溫系統(tǒng)中起到，在保溫系統(tǒng)中起到“軟鋼筋軟鋼筋”的的作用作用 。3.3.碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(CFRC)(CFRC)特點(diǎn)特點(diǎn)： 抗堿性能好、質(zhì)量輕、耐高溫、耐磨損、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好、優(yōu)良的生物穩(wěn)定性。應(yīng)用應(yīng)用： 高層建筑、大橋、碼頭、河壩、耐火、防震、靜電屏蔽、導(dǎo)電以及波吸收等。 碳纖維是由碳元素（C）組成的無(wú)機(jī)非金屬纖維，含碳量按質(zhì)量計(jì)不低于90%。其中含量高于99%的稱(chēng)為石墨化纖維。碳纖維與其他纖維相比，主要特點(diǎn)在于密度小，沿纖維軸向有很高的抗拉強(qiáng)度與楊氏模量，因而比強(qiáng)度與比模量均較高，同時(shí)還具有碳素材料的特性，諸如耐高溫、耐腐蝕、耐磨與導(dǎo)電等特性。

14、碳纖維的分類(lèi)碳纖維的分類(lèi) （1）按原料不同分為粘膠纖維基、聚丙烯腈基、瀝青基、酚醛基碳纖維； （2）按制造方法不同分為有機(jī)前驅(qū)體碳（石墨）纖維和氣相生長(zhǎng)碳（石墨）纖維兩大類(lèi)； （3）按熱處理溫度和氣氛介質(zhì)不同分為碳纖維（8001600 ；N2，H2），石墨纖維（20003000 ；N2或Ar）和活性碳纖維（7001000 ；水蒸氣或CO+ N2，水蒸氣+O2或CO2） （4）按力學(xué)性能不同，分為通用級(jí)（GP，拉伸強(qiáng)度低于1.4 GPa，模量小于140 GPa）和高性能（HP）兩大類(lèi)；其中高性能有分為中強(qiáng)型（MT）、高強(qiáng)型（HT）、高模型（HM）、超高強(qiáng)型（UHT）和超高模型（UHM）等品種。

15、（5）按功能不同，分為結(jié)構(gòu)用碳纖維和功能用碳纖維（耐磨、導(dǎo)電、潤(rùn)滑等）； （6）按制品可分為超細(xì)短纖維（晶須），長(zhǎng)絲（含不同K數(shù)的束絲和單紗），束絲短切纖維，織物（布、帶、繩）、編織品（三向及多向織物，圓筒管等）以及無(wú)紡布（無(wú)緯布、氈、紙）等多種形態(tài)的碳（石墨）纖維增強(qiáng)體。碳纖維的制造方法碳纖維的制造方法 碳纖維的制造方法分為有機(jī)纖維法和氣相生長(zhǎng)法兩大類(lèi)。有機(jī)纖維法 有機(jī)纖維法主要采用有機(jī)纖維為原料，迄今為止，制備碳纖維用的原料纖維主要有三種，即粘膠纖維、聚丙烯腈纖維與瀝青纖維。氣相生長(zhǎng)法 氣相生長(zhǎng)碳纖維（Vapor Grown Carbon Fibers，VGCF）是以低碳烴類(lèi)為碳源，過(guò)渡金

16、屬等超細(xì)粒子為催化劑，在氫氣還原性氣氛中使其烴類(lèi)熱解（1100左右）成碳而制得纖維狀產(chǎn)物。氣相生長(zhǎng)碳纖維時(shí)，碳源主要采用苯、甲烷等有機(jī)化合物，催化劑主要采用過(guò)渡金屬鐵、鈷、鎳等及其它們的合金、化合物等，反應(yīng)在還原性氣氛中進(jìn)行，反應(yīng)溫度為10001100 。 碳纖維的性能碳纖維的性能 碳纖維具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、低電阻、高熱導(dǎo)、低熱膨脹、耐化學(xué)輻射等優(yōu)良特性。此外，其還具有纖維的柔曲性和可編織性，比強(qiáng)度和比模量?jī)?yōu)于其他纖維增強(qiáng)材料。 碳纖維的應(yīng)用碳纖維的應(yīng)用 碳纖維的主要用途是作為新型復(fù)合材料的增強(qiáng)材料。由于其優(yōu)良的綜合性能，如低密度、耐熱、耐化學(xué)腐蝕、耐摩擦、耐熱沖擊

17、性能和導(dǎo)電、導(dǎo)熱、抗輻射、良好的阻尼、減震、減噪、可編織等，碳纖維及其復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防等軍事尖端領(lǐng)域以及交通運(yùn)輸、土木建筑、運(yùn)動(dòng)醫(yī)療器材、汽車(chē)工業(yè)等民用領(lǐng)域，正起著越來(lái)越大的作用。碳纖維及其復(fù)合材料在工業(yè)中的應(yīng)用和特性如表9-7所示。 （1）用作導(dǎo)彈防熱及結(jié)構(gòu)材料如火箭噴管、鼻錐、大面積防熱層；衛(wèi)星構(gòu)架、天線(xiàn)、太陽(yáng)能翼片底板、衛(wèi)星-火箭結(jié)合部件；航天飛機(jī)機(jī)頭、機(jī)翼前緣和艙門(mén)等制件；哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的測(cè)量構(gòu)架，太陽(yáng)能電池板和無(wú)限點(diǎn)點(diǎn)像。用作主承力結(jié)構(gòu)材料，如主翼、尾翼盒機(jī)體；次承力構(gòu)件，如方向舵、起落架、副翼、擾流板、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、整流罩及座板等。此外還有C-C剎車(chē)片。 （2）交通

18、運(yùn)輸。用作汽車(chē)傳動(dòng)軸、板簧、構(gòu)架和剎車(chē)片等制件；船舶和海洋工程用作制作漁船、魚(yú)雷快艇和巡邏艇以及賽艇的桅桿、航桿、殼體及劃水漿；海底電纜、潛水艇、雷達(dá)罩、深海有天的升降器和管道。 （3）運(yùn)動(dòng)器材。用作網(wǎng)球、羽毛球和壁球拍及桿、棒球、曲棍球和高爾夫球桿、自行車(chē)、賽艇、釣竿、滑雪板、雪車(chē)等。 （4）土木建筑。用作幕墻、嵌板、間隔壁板、強(qiáng)梁、架設(shè)跨度大的管線(xiàn)、海水和水輪結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)筋、底板、窗框、管道、海洋浮桿、抗震救災(zāi)用補(bǔ)強(qiáng)材料等。 （5）其他工業(yè)。用作化工用的防腐泵、閥、槽、罐；催化劑、吸附劑和密封制品等。在生體和醫(yī)療器材方面用作如人造骨骼、牙齒、韌帶、調(diào)光機(jī)的床板和膠卷盒。用作紡織機(jī)用的劍竿頭和

19、劍竿、防靜電刷。在電磁屏蔽、電極、音響、減磨及防靜電等材料也已獲得廣泛應(yīng)用。4.4.聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料大量聚丙烯纖維各方向均勻分布，形成一個(gè)纖維網(wǎng)；阻止了微裂縫的發(fā)展，控制了硬化狀態(tài)下出現(xiàn)的裂縫的寬度和長(zhǎng)度；增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗?jié)B性；提高耐磨性和抗沖擊能力；沒(méi)有表面泌水和離析現(xiàn)象聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料應(yīng)應(yīng) 用用無(wú)筋水泥混凝土；鋼筋混凝土；加氣水泥混凝土；噴射水泥混凝土；l碼頭、防波堤橋墩的維護(hù)和修復(fù)；閘墩施工中正在澆注摻聚丙烯纖維混凝土閘墩施工中正在澆注摻聚丙烯纖維混凝土 應(yīng)用摻聚丙烯纖維混凝土技術(shù)建造的某工程雄姿應(yīng)用摻

20、聚丙烯纖維混凝土技術(shù)建造的某工程雄姿 由纖維和基體組成形狀：片材、板材、繩索、棒材或格狀材料碳纖維（CFRP）、玻璃纖維（GFRP）、芳綸纖維（AFRP）特點(diǎn)：強(qiáng)度高、易于施工、剪裁方便5.5.纖維增強(qiáng)塑料（纖維增強(qiáng)塑料（FRPFRP） 普通鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（普通鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa）種類(lèi)符 號(hào)fyfy熱軋鋼筋 HPB 235（Q235） 210210 HRB 335（20MnSi） 300300 HRB 400（20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi） 360360 RRB 400（K20MnSi） 360360R鋼筋彈性模量約為鋼筋彈性模量約為2.1105MPa混凝土性模量約為混凝

21、土性模量約為0.220.38105MPa碳纖維加固碳纖維加固 芳綸纖維在橋梁加固工程中的應(yīng)用芳綸纖維在橋梁加固工程中的應(yīng)用 芳綸纖維在隧道加固工程中的應(yīng)用芳綸纖維在隧道加固工程中的應(yīng)用 定義： 在傳統(tǒng)水泥基復(fù)合材料的基礎(chǔ)上復(fù)合智能型組分，如把傳感器、驅(qū)動(dòng)器和微處理器等置入水泥基復(fù)合材料中，使水泥基復(fù)合材料成為既承受荷載又具有自感知和記憶、自適應(yīng)、自修復(fù)等特定功能的多功能材料。6.6.智能水泥基復(fù)合材料智能水泥基復(fù)合材料損傷自診斷損傷自診斷水泥基復(fù)合材料溫度自監(jiān)控溫度自監(jiān)控水泥基復(fù)合材料導(dǎo)航導(dǎo)航水泥基復(fù)合材料調(diào)濕性調(diào)濕性水泥基復(fù)合材料自修復(fù)自修復(fù)水泥基復(fù)合材料主要智能水泥基復(fù)合材料主要智能水泥基

22、復(fù)合材料(1)(1)損傷自診斷損傷自診斷水泥基復(fù)合材料定義定義：將一定形狀、尺寸和摻量的短碳纖維摻入到水泥基復(fù)合材料中，使水泥基復(fù)合材料具有感知內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變和損傷程度的功能。 壓敏性壓敏性：碳纖維水泥基復(fù)合材料的電阻率隨著壓應(yīng)力的變化而變化。應(yīng)應(yīng) 用用對(duì)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)彈塑性變形及損傷；用于路面結(jié)構(gòu)，監(jiān)控交通流量和車(chē)輛荷載；碳纖維水泥基復(fù)合材料的溫敏性。(2)(2)溫度自監(jiān)控溫度自監(jiān)控水泥基復(fù)合材料熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)溫差和溫差電動(dòng)勢(shì)有良好穩(wěn)定的線(xiàn)性關(guān)系對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部及環(huán)境的溫度分布及變化進(jìn)行監(jiān)控電熱效應(yīng)電熱效應(yīng)施加電場(chǎng)時(shí)，水泥基復(fù)合材料溫度升高機(jī)場(chǎng)跑道、橋梁路面的自動(dòng)融雪和除冰 汽車(chē)上

23、的電磁波發(fā)射器向車(chē)道兩側(cè)的導(dǎo)航標(biāo)記發(fā)射電磁波，經(jīng)過(guò)反射，由汽車(chē)上的電磁波接收器接收，再通過(guò)汽車(chē)上的電腦系統(tǒng)進(jìn)行處理，即可判斷汽車(chē)的行駛路線(xiàn)。(3)(3)導(dǎo)航導(dǎo)航水泥基復(fù)合材料能夠?qū)Νh(huán)境濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)控把沸石粉作為調(diào)濕組分加入水泥基復(fù)合材料就可滿(mǎn)足要求特點(diǎn)：優(yōu)先吸附水分，水蒸氣壓力大的地方，其吸濕容量大；吸放濕與溫度有關(guān)，溫度上升時(shí)放濕，溫度下降時(shí)吸濕。應(yīng)用：在日本已用于實(shí)際工程中 此外，還可以在水泥基材料中加入驅(qū)動(dòng)器材料，如形狀記憶合金和電流變體。(4)(4)自調(diào)節(jié)自調(diào)節(jié)水泥基復(fù)合材料東京攝影美術(shù)館定義定義：在水泥基復(fù)合材料中摻入某些特殊組分，如內(nèi)含粘結(jié)劑的空心膠囊、空心玻璃纖維和液芯光纖，

24、使水泥基復(fù)合材料在受到損傷時(shí)部分空心膠囊、空心玻璃纖維和液芯光纖破裂，粘結(jié)劑流到損傷處，使水泥基復(fù)合材料重新愈合。(5)(5)自修復(fù)自修復(fù)水泥基復(fù)合材料健康監(jiān)測(cè)健康監(jiān)測(cè)智能混凝土的研究現(xiàn)狀 智能混凝土最早可追溯到 20 世紀(jì) 60 年代當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)學(xué)者嘗試以碳黑石墨作為導(dǎo)電組分制備水泥基導(dǎo)電復(fù)合材料。20 世紀(jì) 80 年代末，日本土木工程界的研究人員設(shè)想并著手開(kāi)發(fā)構(gòu)筑高智能結(jié)構(gòu)的所謂“對(duì)環(huán)境變化具有感知和控制功能”智能建筑材料，1993 年在國(guó)家自然科學(xué)基金支持下，美國(guó)開(kāi)辦了與土木建筑有關(guān)的智能材料與智能結(jié)構(gòu)的工廠。自 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土在智能化方面作了一些有益的探討，并取

25、得了一些階段性的成果。相繼出現(xiàn)了損傷自診斷智能混凝土、自適應(yīng)自調(diào)節(jié)智能混凝土混凝土、自修復(fù)智能混凝土、具有反射和吸收電磁波功能的智能混凝土、溫度自監(jiān)控智能混凝土等。 1 損傷自診斷智能混凝土 混凝土本身并不具備自感知能力，但是在其中復(fù)合部分的導(dǎo)電成分，就可以使混凝土具備自診斷和感知的能力。所謂自診斷，是指混凝土能夠通過(guò)自身物性的變化，來(lái)反應(yīng)外界環(huán)境對(duì)自身的作用情況，并能作出材料安全與否的判斷。這種判斷通常是通過(guò)顏色變化、電學(xué)信號(hào)和聲學(xué)信號(hào)的變化來(lái)反映出來(lái)。目前常用的導(dǎo)電材料有：聚合物、碳類(lèi)和金屬類(lèi)。其中最常用的是碳類(lèi)和金屬類(lèi)。金屬類(lèi)導(dǎo)電組分包括金屬微粉末、金屬纖維、金屬網(wǎng)、金屬片等；常用的碳類(lèi)

26、導(dǎo)電組分有石墨、碳纖維和碳黑。其中國(guó)內(nèi)外對(duì)于碳纖維智能混凝土的研究比較多，且取得了一系列的成果。比如在 1989 年，美國(guó)的D. D. L. Chung 發(fā)現(xiàn)將一定形狀、尺寸和摻量的短切碳纖維摻入到混凝土材料中，可以使混凝土材料具有自感知內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變和損傷程度的功能。 通過(guò)對(duì)材料的宏觀行為和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)材料的電阻變化與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化是相對(duì)應(yīng)的，如可逆電阻率的變化對(duì)應(yīng)著材料結(jié)構(gòu)的彈性變形，電阻率的不可逆變化對(duì)應(yīng)著結(jié)構(gòu)材料的非彈性變形甚至斷裂破壞。據(jù)此，可通過(guò)碳纖維混凝土電阻率的變化來(lái)確定其處于安全、損傷或破壞的哪一階段通過(guò)與碳纖維相連的計(jì)算機(jī)可直接反映所在結(jié)構(gòu)部位混凝土的工作狀態(tài)，實(shí)

27、現(xiàn)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力接近損傷區(qū)或破壞區(qū)時(shí)，可自動(dòng)報(bào)警。同時(shí)利用復(fù)合材料的敏感性可有效地監(jiān)測(cè)拉、彎、壓等情況以及在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)荷載作用下材料的內(nèi)部情況。比如當(dāng)在水泥凈漿中摻加0.5體積分?jǐn)?shù)的碳纖維時(shí)，它作為應(yīng)變傳感器的靈敏度可達(dá) 00，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的電阻應(yīng)變片。 2 自適應(yīng)自調(diào)節(jié)智能混凝土 混凝土結(jié)構(gòu)除了正常負(fù)荷外，人們還希望它 在受到臺(tái)風(fēng)、地震等自然災(zāi)害期間，能夠調(diào)整承載 能力和減緩結(jié)構(gòu)振動(dòng)。混凝土本身是惰性材料，要 達(dá)到自調(diào)節(jié)的能力，就需要在混凝土中復(fù)合具有驅(qū) 動(dòng)功能的組合材料。常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)功能的材料有形狀 記憶合金SMA）和電流變體（ER）等。 20 世紀(jì) 90 年代初，日

28、本建筑省建筑研究所曾 與美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)合作研制了具有調(diào)整建筑. 結(jié)構(gòu)承載能力的自調(diào)節(jié)混凝土材料。其方法是在混凝土中埋入形狀記憶合金，利用形狀記憶合金對(duì)溫 度的敏感性和不同溫度下恢復(fù)相應(yīng)形狀的功能，在混凝土結(jié)構(gòu)受到異常荷載干擾時(shí)，通過(guò)記憶合金形 狀的變化，使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力重分布并產(chǎn)生一 定的預(yù)應(yīng)力，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載力。 近年來(lái)，同濟(jì)大學(xué)混凝土材料研究國(guó)家重點(diǎn)試 驗(yàn)室嘗試在混凝土中復(fù)合電流變體，利用電流變體的流變特性（對(duì)電場(chǎng)的敏感性，即在外界電場(chǎng)的作用下，電流變體可于 0.1ms 級(jí)時(shí)間內(nèi)組合成鏈狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固凝膠，其黏度隨電場(chǎng)增加而變稠到完全固化；當(dāng)外界電場(chǎng)拆除時(shí)，仍可恢復(fù)其流

29、變狀 態(tài)），當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)受到臺(tái)風(fēng)、地震襲擊時(shí)調(diào)整其內(nèi) 部的流變特性，改變結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼特性以達(dá)到減緩結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。 3 自修復(fù)智能混凝土 混凝土結(jié)構(gòu)在使用階段，由于受到各種荷載及作用的共同作用下，不可避免的發(fā)生各種各樣的損傷，因此對(duì)混凝土的修復(fù)就成為大家重視的一個(gè)研究方向。模仿生物組織對(duì)受創(chuàng)傷部位能自動(dòng)分泌某種物質(zhì)，從而使受創(chuàng)傷部位愈合的機(jī)理，混凝土研究人員研制了自修復(fù)智能混凝土。自修復(fù)智能混凝土是在混凝土中加入某些特殊的成分，如內(nèi)含粘結(jié)劑的空心膠囊、空心玻璃纖維或液芯光纖，使混凝土材料在受到損傷時(shí)部分空心膠囊、空心玻璃纖維或液芯光纖破裂，粘結(jié)劑流到損傷處，從而彌補(bǔ)混 凝土內(nèi)部的缺陷，

30、使混凝土的裂縫重新愈合。 常用的修復(fù)劑有兩種：一種修復(fù)劑是本身就具有粘結(jié)基體材料的功能。比如 Day C M 將裝人化學(xué)藥品的多孔玻璃纖維放置在混凝土中，如果混凝土因地震或其它應(yīng)力而發(fā)生破裂，空心玻璃纖維就會(huì)破裂，釋放出一種粘結(jié)劑阻止進(jìn)一步的破裂。日本學(xué)者將內(nèi)含粘結(jié)劑的空心膠囊摻入混凝土材料中，一旦混凝土材料在外力作用下發(fā)生開(kāi)裂，部分空心膠囊就會(huì)破裂，粘結(jié)劑流向開(kāi)裂處，可使混凝土裂縫重新愈合。 在 1994 年，美國(guó)伊利諾伊斯大學(xué)的 Carolyn Dry 將內(nèi)注有縮醛高分子溶液作為粘結(jié)劑的空心玻璃纖維埋入混凝土中，使混凝土產(chǎn)生了自愈合效果。一種是修復(fù)劑本身不具備粘結(jié)基材的功能，但是當(dāng)其與另外

31、的物質(zhì)相遇時(shí)，能夠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成就有粘結(jié)功能的物質(zhì)，從而具有粘 結(jié)基材的功能，實(shí)現(xiàn)混凝土裂縫的修復(fù)。 比如美國(guó) 學(xué)者采用采用磷酸鈣水泥為基體材料，在其中加人 多孔編織纖維網(wǎng)，在水泥水化和硬化過(guò)程中，多孔 纖維釋放出引發(fā)劑，引發(fā)劑與單聚物發(fā)生聚合反應(yīng)生成高聚物。這樣，在多孔纖維網(wǎng)的表面形成了大量有機(jī)及無(wú)機(jī)物質(zhì)，它們互相穿插粘結(jié)，最終形成了與動(dòng)物骨骼結(jié)構(gòu)相類(lèi)似的復(fù)合材料，具有優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性、柔韌性等性能。在混凝土材料使用 過(guò)程中，如果發(fā)生損傷，多孔纖維就會(huì)釋放高聚物， 自動(dòng)愈合損傷。4 具有反射與吸收電磁波功能的智能混凝土 隨著電子信息時(shí)代的到來(lái)，各種電器電子設(shè)備的數(shù)量爆炸式地增長(zhǎng)，導(dǎo)致電

32、磁泄露問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán) 重，而且電磁泄露場(chǎng)的頻率分布極寬，從超低頻(ultra low frequency 簡(jiǎn)稱(chēng) ULF)到毫米波，它可能干 擾正常的通信、 導(dǎo)航，甚至危害人體健康。因此電磁 污染是影響我國(guó)城市化可持續(xù)發(fā)展的災(zāi)害之一。 在普通混凝土中加入導(dǎo)電增強(qiáng)介質(zhì)諸如短切 碳纖維、鋼纖維制成的智能混凝土能夠反射和吸收電磁輻射，利用智能混凝土的這種特性可以研制 EMI 防護(hù)罩。在當(dāng)今社會(huì)，電磁輻射已經(jīng)成為社會(huì)污染的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題， 防護(hù)罩的重要性已經(jīng)是 EMI顯而易見(jiàn)的。在混凝土中摻入體積含量為 1.5、 直 徑為 0.1 的短切碳纖維，其對(duì) 1GHz 電磁波的反射 強(qiáng)度為 40dB，要比普通混凝土

33、對(duì) 1GHz 的電磁波的反射強(qiáng)度高 10dB，且其反射強(qiáng)度比透射強(qiáng)度高29dB，而普通混凝土反射強(qiáng)度比透射強(qiáng)度低 3-11dB。研究表明，對(duì)碳纖維微絲經(jīng)臭氧處理后再摻入混凝土中，不但能提高混凝土反射電磁波的能力，而且能提高混凝土的抗拉強(qiáng)度。采用這種混凝土作為車(chē)道兩側(cè)導(dǎo)航標(biāo)記，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化高速公路的導(dǎo)航。汽車(chē)上的電磁波發(fā)射器向車(chē)道兩側(cè)的導(dǎo)航標(biāo)記發(fā)射電磁波，經(jīng)過(guò)反射，由汽車(chē)上的電磁波接收器接收，再通過(guò)汽車(chē)上的電腦系統(tǒng)進(jìn)行處理，即可判斷并控制汽車(chē)的行駛線(xiàn)路。采用這種混凝土作導(dǎo)航標(biāo)記，其成本低，可靠性好，準(zhǔn)確度高。 5 溫度自監(jiān)控智能混凝土 混凝土結(jié)構(gòu)在溫度的作用下，容易發(fā)生膨脹收縮變形，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，這對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成很大危害。因此對(duì)于那些對(duì)溫度要求比較嚴(yán)格的建筑結(jié)構(gòu)，就 需要對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 碳纖維混凝土具有很