Transcript 纤维增强水泥基材料 - 湖南工学院精品课程

水泥基复合材料的研究与发展
主讲：胡汉祥
湖南工学院材化系
主要内容
复合材料
 水泥基复合材料
 水泥基复合材料的分类

定义
纤维的作用
纤维的分类
1.纤维增强水泥基复合材料
纤维的选用原则
纤维增强水泥基复合材料的主要研究方向
影响纤维增强效果的因素
纤维增强水泥基复合材料的成型工艺
纤维增强水泥基复合材料的应用
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定义
聚合物的选用要求
聚合物应用于水泥混凝土的三种方式
2.聚合物增强水泥基复合材料
聚合物在水泥基复合材料中的作用
聚合物对水泥石的增韧机理
聚合物改性水泥基复合材料的成型工艺
聚合物增强水泥基复合材料的应用
3.颗粒增强型水泥基复合材料
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材料分类：金属、无机非金属、有机高分子材料
各有千秋
扬长避短
克服单一材料的缺点
产生原来单一材料没有本身所没有的新性能
复合材料
什么是复合材料 (Composition Materials , Composite) ?
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复合材料的定义
复合材料应具有以下三个特点：
(1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通
过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明
显的界面。
(2)复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最
大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不
具备的优良持殊性能。
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(3) 复合材料具有可设计性，可以按使用要求的性能来
设计和制造新材料。
复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体；而
另一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，与连
续相相比，这种分散相的性能优越，故常称为增强体 (也称为
增强材料、增强相等)。增强材料不仅能提高复合材料的强度
和弹性模量等力学性能，而且能减低收缩率，提高热变形温
度，并在热、电、磁等方面赋予复合材料新的性能。
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材料的优缺点组合示意图
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水泥基复合材料
（1）传统的水泥基材料是以水泥为胶结剂，结合各种集料、
外加组分而形成的水硬性胶凝材料，它包括各类制品和混
凝土。
（2）先进水泥基复合材料是通过组成、结构优化设计，采
用先进技术制备而形成具有优异性能的新型水泥基复合
材料。
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（3）普通水泥基材料由于强度低，脆性大、耐久性差的突
出问题，其使用效能受到限制，也难以适应和满足当今社会
发展、科技进步对材料的新要求。
（4）与普通水泥基材料相比，先进水泥基复合材料具有强
度高、韧性好、耐久性好以及性能可设计的优点。
研究和开发新型高性能水泥基材料一直都是本领域科学研
究和创新的主要内容，先进水泥基复合材料正是当前本领域
研究的重点和技术应用的难点。
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水泥基复合材料分类
水泥基复合材料在工程材料方面有
纤维增强水泥基复合材料
聚合物增强水泥基复合材料
颗粒增强型水泥基复合材料
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
从广义上讲，有机-无机类建筑用复合材料的历史还可
以追溯到更远的年代。

大约在公元前5000年时，人类就开始在黏土中掺加一定
量的稻草建筑土墙，古代很多雄伟的建筑和发掘出来的
几千年的古墓材料中常有桐油石灰、糯料石灰三合土的
残骸；

现代建筑家们经常发现距今几百上千年的一些古代庙宇
和神殿是由黏土、石灰等无机基料中加入淀粉、动物胶
等天然聚合物而建成。
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纤维增强水泥基复合材料
1. 定义
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。
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在水泥基材料中掺入纤维是目前改善水泥基材料向轻质、
高强、高韧性等方向较为有效的方法之一，其逐渐成为一种
新型建筑材料——纤维增强水泥基材料（fiber reinforced
cement，FRC）在国内外得到了迅速发展与应用。
例如应用在矿山、隧道、铁道、公路路面、工业与民用建
筑、水利水电、防爆抗震和维修加固等工程。
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2.纤维的作用

纤维具有优良的阻裂、强化等作用，不仅可以大大减少
水泥基材料内部原生裂缝，并能有效地阻止裂缝的引发
和 扩展，将脆性破坏转变为近似于延性断裂。

在受荷（拉、弯）初期，水泥基体与纤维共同承受外力
且前者是主要受力者；当基体发生开裂后，横跨裂缝的
纤维称为外力的主要承受着，即主要以纤维的桥联立抵抗
外力作用。
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
若纤维的体积掺量大于某一临界值,整个复合材
料可继续承受较高的荷载，并产生较大的变形，
直至纤维被拉断或从基体中拔出，以致复合材
料破坏。
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
因此，纤维的加入明显改善水泥基材料的抗拉、
抗弯等力学性能，以及抗裂、耐磨等长期力学性
能 ，尤其是高弹性模量的纤维还可以大大增强水
泥基材料的断裂韧性和抗冲击性能，显著提高水
泥基材料抗疲劳性能和耐久性。
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目前的研究已表明，纤维在水泥基体中至少有
以下三个主要的作用。
（1）提高基体开裂的应力水平，即使水泥基体能够
承受更高的应力。
（2）改善基体的应变能或延展性，从而增加它吸收
能量的能力或提高它的韧性。纤维对基体韧性
的 改善往往比较显著，甚至在它对基体的增强
作用小的情况下也是如此。
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（3）能够阻止裂纹的扩展或改变裂纹前进的方
向，
减少裂纹的宽度和平均断裂空间。
对于早期的水泥基材料来说，由于纤维的
存在，阻碍了集料的离析和分层，保证了
混凝土早期均匀的泌水性，从而阻止沉降
裂纹的产生。
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3.纤维的分类
用于水泥基复合材料的纤维种类繁多，按其材料
可分为：
金属材料：如不锈钢纤维和低碳钢纤维；
无机纤维：如石棉纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳纤维
合成纤维：如尼龙纤维、聚酯纤维、聚丙烯等纤维；
植物纤维：如竹纤维、麻纤维等。
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按其弹性模量的大小可分为
高弹模纤维，如钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等；
低碳模纤维，如聚丙烯纤维、某些植物纤维等。
高弹性模量的纤维主要是提高复合材料的抗冲击性、抗热爆
性能、抗拉强度、刚性和阻裂能力，
而低弹性模量的纤维主要是提高水泥复合材料的韧性、应变
能力以及抗冲击性能等与韧性有关的性能。
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按其长度可分为非连续的短纤维和连续的长纤维。
目前用于配制纤维水泥基材料的纤维主要增强材料
是短纤维，使用较普遍的有钢纤维、玻璃纤维、聚
丙烯纤维和碳纤维。
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4. 纤维选用原则
不论哪种纤维，作为水泥基复合材料的增强材料，其
必须遵循以下基本原则：
（1）纤维的强度和弹性模量都要高于基体。
（2）纤维与基体之间要有一定的黏结强度，两者之间
的结合要保证基体所受的应力能通过界面传递给
纤维。
（3）纤维与基体的热膨胀系数比较接近，以保证两者
之间的黏结强度不会在热胀冷缩过程中被消弱。
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（4）纤维与基体之间不能发生有害的化学反应，尤
其不能发生强烈的反应，否则会引起纤维性能
的降低而失去强化作用。
（5）纤维的体积率、尺寸和分布必须适宜。一般而
言，基体中纤维的体积率越高，其增强效果越
显著，但一定要考虑到纤维能否充分分散。
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5.纤维增强水泥基复合材料的主要研究方向

钢纤维增强水泥基材料

石棉纤维增强水泥基材料

天然纤维增强水泥基材料

合成纤维增强水泥基材料

玻璃纤维增强水泥基材料
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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，是唯一的天然矿物纤维，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。

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。
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石棉纤维
石棉纤维水泥管
石棉纤维水泥压力板
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玻璃纤维增强水泥基材料
玻璃纤维，就是纤维状的玻璃，具有很高的强度和模量，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。
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彩色玻璃纤维增强水泥板
玻璃纤维增强水泥雕塑
玻璃纤维增强水泥花盆
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
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，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；

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
才由英国的公司大量生产推广应用。
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
但是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：
（1）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。
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
（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1：1-1：1.5之间。
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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：
A. 轻质，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％；
B. 高的抗弯强度、抗拉强度和高的抗冲击强度;
C. 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；
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D. 它的可加工性能好，可任意锯、钉、磨、钻，便
于安装施工；
E. 其价格较低，符合我国国情，可大量推广应用。
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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。
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碳纤维增强水泥基材料
碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成
的纤维状碳化物。是一种高强度、高弹性模量的
材料，目前主要有两大系列：
（1）一种是以聚丙烯晴为主要原料的碳纤维，称
聚丙烯晴基碳纤维；
（2）另一种是以沥青为主要原料的碳纤维，称沥
青基碳纤维。
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碳纤维水泥基材料的特点：
碳纤维不仅有很高的抗拉强度和弹性模量，而且与大
多数物质不起化学反应，因此碳纤维增强水泥基材料
具有高抗拉性、高抗弯性、高抗断裂性、高抗蚀性等
优异性能。
同时，由于其热膨胀系数小，熔点高，纤维表面具有
类似石棉纤维的“纤化结构”，因此碳纤维增强水泥基
材料具有较好的耐热性和较小的温度形变。
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碳纤维在水泥基材料中的应用：

邓家才等用压缩韧性指数衡量了碳纤维对水
泥基复合材料韧性的增强作用，发现碳纤维
水泥基复合材料的压缩韧性指数明显大于基
准水泥基复合材料（增加59%~110%），并
且随着碳纤维掺量的增加，变形能力和承载
能力增强。
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
近几年来，一些研究者利用碳纤维水泥基材料与
金属接触具有较低的电阻及良好的电磁屏效应的特
点，拟通过研究将碳纤维增强水泥基材料开发成某
种智能材料。
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王建军等研究了碳纤维水泥基复合材料的压敏性能,研究结果
显示, 智能材料在结构完整性监测方面可以发挥较好的作用。
在水泥中掺人少量的短切碳纤维,极大地改善它的导电性能,对
变形有很高的电阻敏感性能,受拉时,电阻可逆地增加,受压时,
电阻可逆地减小,对应变的灵敏系数可达到700,而普通电阻应
变片灵敏系数仅为2。对结构材料而言, 智能结构材料无须埋
设、粘贴传感器来监测,因为它本身就是传感器。
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 虽然碳纤维的造价相对较高，鉴于碳纤
维增强水泥基材料上述种种优点，目前
仍然应用较多，具有较好的发展前景。
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钢纤维增强水泥基材料
钢纤维的材质一般为低碳钢，在一些特殊要求的工程也可用
不锈钢。纤维直径一般为0.15~0.75mm。
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。
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端钩型钢纤维
钢纤维混凝土盖板专用钢纤
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钢纤维增强水泥井盖
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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。
目前，钢纤维水泥基复合材料因其具有高抗拉强度和弹性
模量而得到广泛应用，但其价格较贵、比重大且在基体中
不易于分散。
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合成纤维增强水泥基复合材料
用于水泥基材料增强的合成纤维有

聚丙烯纤维

尼龙纤维

聚氨酯纤维

芳纶纤维。
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
1）聚丙烯纤维

聚丙烯纤维是由丙烯聚合物或共聚物制成的烯烃类纤维。
聚丙烯材料的优点是强度较高，比重比一般聚合物低，
完全不吸水，为中性材料，与酸碱不起作用，而且经济性
好，这些特点使它特别适用于掺加在混凝土中。
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混凝土用聚丙烯纤维
有机仿钢纤维——增韧型聚丙烯纤维
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
2）尼龙纤维

尼龙纤维是最早用于纤维增强水泥基复合材料的聚合物纤维
之一，但由于价格昂贵，因此使用量不大。

尼龙纤维增强水泥基材料具有很强的抗冲击能力和很高的抗
折强度，但由于水泥基材料增强的尼龙纤维长度不宜过短，
一般长度应大于或等于5mm。

尼龙纤维具有很强的耐蚀能力，可以用包括硅酸盐系列水泥
在内的所有水泥做胶结料。但是尼龙纤维耐热性较差，温度
达到130℃时就会发生明显变形。
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玻璃纤维增强尼龙纤维
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
3）聚氨酯纤维和芳纶纤维

聚氨酯纤维和芳纶纤维是聚合物纤维中抗拉强度和
弹性模量都较高的纤维，而且韧性还高于玻璃纤维
和碳纤维，与尼龙纤维相比，具有更好的耐温性
（可达200℃），而其耐碱蚀能力则比尼龙纤维差，
但高于玻璃纤维和碳纤维。
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
经过表面处理的纤维（如用环氧树脂浸渍），可以改善纤维
与水泥硬化浆体界面的黏结，进一步提高它们的增强效应，
同时改善纤维的耐蚀能力。

聚氨酯纤维和芳纶纤维增强水泥基材料主要用于薄壳结构和
一些板材，纤维体积率一般为3%~5%，水泥选用强度等级
大于或等于42.5MPa的普通硅酸盐水泥或其他硅酸系列的水
泥，也可掺合适量的减水剂及超细混合材。
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聚氨酯纤维罗马柱
聚氨酯纤维水泥外墙板
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其他纤维：植物纤维

植物纤维用于水泥基材料则是近几十年的事，所用的植物纤
维大都是强度较高的纤维，如茎类纤维、叶类纤维、表层类
纤维和木质纤维。这些纤维作水泥基材料的增强材料成本低，
且属于绿色环保材料。在某些工程范围内具有一定的发展前
景。但由于植物纤维在水泥基材料搅拌工程中往往会渗出一
些可能影响水泥凝结等性能的有机物，从而使植物纤维增强
水泥基材料的应用受到了一定限制。
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6. 影响纤维增强效果的因素

纤维增强水泥基复合材料的增强效果的影响因素有：
纤维性能参数，水泥基体性能参数（水泥、
配合比等）及外界环境介质等，其中以纤维性能
参数对黏结强度的影响最大。
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
近三十年来，国内外的学者从试验测试和利
用计算机树脂模拟技术建立界面力学模型两
个方面对此进行了大量的研究，得出纤维增
强效果的表达式为：
σ ftm
l
 σ tm (1  α Vf )
d
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σ ftm
l
 σ tm (1  α Vf )
d
σ ftm
表示纤维增强水泥基材料的抗折强度
σ tm
表示基体水泥基材料的抗折强度
Vf
表示纤维的体积率
l / d 表示纤维的长径比
α 表示纤维对抗折强度的综合影响系数
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（1）纤维种类的影响

主要体现在纤维的弹性模量的差异上，高弹性模量的纤
维，如碳纤维、芳族聚酰胺纤维等，因其与基体有着较
高的弹性模量比值，当纤维与水泥基体联合受力时，有
利于应力从基体向纤维的传递，从而有效地拟制裂缝的
扩展，增大黏结强度.
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
同时高弹性模量的纤维一般又都有较小的泊松比，
在拔出过程中，纤维不易发生伸长变形，而且水
泥基体中也有紧缩的趋势，则增大了纤维拔出阻
力，体现出比低弹性模量合成纤维如聚丙烯纤维、
尼龙纤维等具有更好的黏结性能.
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(2) 纤维长度和长径比的影响

使用连续的长纤维时，因纤维与水泥基体的黏结较
好，故可充分发挥纤维的增强作用。

使用短纤维时，长径比大的纤维增强增韧以及阻裂
效果较为明显，这主要是因为在同样的黏结强度下，
长径比大的纤维与基体接触面积也大，从而提高黏
结性能。
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
在工程应用中应选择合适的长径比，长径比太小，
由于黏结面积小，易于从基体中拔出而破坏；长
径比太大，易导致纤维拌和不均匀，而且拌和工
作性下降，影响工程质量。
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(3) 纤维体积率的影响

体积率表示在单位体积的纤维增强水泥基复合材
料中纤维所占有的体积分数;

用各种纤维制成的纤维增强水泥基复合材料有一
临界纤维体积率，当纤维的实际体积率大于临界
体积率时，复合材料的抗拉强度才得以提高。
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(4) 纤维形状与表面状况的影响

纤维形状不同指纤维截面形状和表面形状不同，
此时纤维与基体的接触面积不同，界面黏结强度
也不同。

例如，截面长宽比为5的矩形纤维表面积却是相
同体积正方形截面的1.35倍，则理论上讲界面粘
结力也应是正方形截面的1.35倍。
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
纤维的外形、表面粗糙度及表面质量对黏结性
能的影响也很大。表面光滑，与基体黏结强度
差，可通过改变其外形以增加粘结强度。

例如当纤维表面凹凸不平，纤维与基体界面形
成较强的机械咬合力。
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
除了纤维性能参数对纤维与水泥基体界面
黏结性能有重要的影响外，其他诸如水泥
基体性能、外界环境介质也会对界面黏结
性能产生十分明显的影响。
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7. 纤维增强水泥基复合材料的成型工艺

纤维增强水泥基复合材料，无论在用途上，
还是制作方法上，都是处于开发的新材料。
这里以玻璃纤维为例来介绍纤维增强水泥
的成型工艺。
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
玻璃纤维增强水泥的成型工艺有：

1.直接喷射法

2.喷射脱水法

3.预混料浇铸法

4.压力法

5.离心成型法
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（1）直接喷射法

把细骨料和水泥以及若干量的外加剂以一定比例进行混合，
制成水泥砂浆，经泵压送，用喷枪喷到模具上。

同时，操作者手持喷射设备一边用粗纱切割器把耐碱玻璃纤
维精纱切成规定的长度(纤维的长度一般为12—50mm，含量
为3％—5％)，一边重复水泥砂浆的喷吹途径直接将玻璃纤
维喷射到模具上而成型的。

这种成型方法的关键是玻璃纤维的均匀分散，以及喷射砂浆
的脱泡和厚度的均匀性。这是最常用的成型方法。
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直接喷射法示意图
直接喷射
法流程
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（2）喷射脱水法

砂浆和玻璃纤维同时往模具上喷射的机理与直接喷射法相同。
但它是把坡璃纤维增强水泥喷射到一个带有减压装置的开孔
台上，开孔台铺有滤布。喷射完后，进行减压，通过滤纸或
滤布，把玻璃纤维增强水泥中的剩余水分脱掉。这种方法是
成型水灰比低的高强度板状玻璃纤维增强水泥的方法。
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喷射脱水法的流程
用喷射脱水法制作的制品，比直接喷射制品强度高，但制品
形状仅限于以板状或异形断面等的弯曲加工制造。喷射—脱
水过程可通过机械化很容易进行连续操作。
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（3）预混料浇铸法

水泥、砂子、水、外加剂和切成适当长度的耐碱玻璃纤维
(短切纤维)在搅拌机中混合成预混料，然后不断地注入到振
动着的模具里进行成型。

用这种方法可以成型厚壁的制品。但耐碱玻璃纤维在搅拌机
中容易损伤，而且由于纤维的配向是三维无规的，因此，增
强效果下降，在物性方面不如喷射法的制品。

在实际应用中，主要用于制造不太要求强度的小件异形制品。
连续预混料浇铸法目前也在开发中。
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预混料浇铸工序
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（4）压力法

预混料注入到模具里后，加压除去剩余水分，及时脱
模．可以提高生产率，并能获得良好的表面尺寸精度。
这种方法的要点是在加压时，根据玻璃纤维增强水泥预
混料的配比来选定流动性和剩余水的脱水方法。

使用这种方法制造的制品，因形状和强度的原因，使用
范围有限。
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（5）离心成型法

与混凝土管的离心成型相同，在旋转的管状模
具中喷入玻璃纤维和水泥浆。该法能够控制纤
维的方向性，使它有效地作用到管子的结构强
度上、而且在厚度方向上可以改变纤维量。
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8.纤维增强水泥基复合材料的应用

（1）轻质桥面混凝土的应用

大量的桥梁需要维修、加宽，甚至需要提高承载等级。使用
轻质混凝土进行桥面铺装可降低桥梁静载，同时为了获得更
好的性能，如较小的体积收缩、抗裂性好，高的耐久性和高
抗渗性。

2001年采用LC40泵送纤维增强轻集料混凝土在国家重点工
程京珠高速公路汉江大桥的桥面工程建设中进行了应用。纤
维在这种轻质混凝土中主要是可以显著降低混泥土的收缩，
提高轻集料混凝土的断裂韧性，高韧性，从而提高了桥面混
凝土的耐久性。
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国家重点工程——京珠高速公路汉江大桥
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（2）纤维增强MDF水泥材料的研究

无宏观缺陷水泥（MDF水泥）是在20世纪80年代由英国
帝国化学公司和牛津大学推出的一种新型的高强水泥材料。

这种材料的制作工艺是将某些聚合物按一定比例加入到水
泥与水的系统中进行混合，随后通过高效剪切搅拌而获得
一种塑性的、黏着的混合物，将这种混合物通过挤压或者
其他成型技术制成制品。

MDF水泥材料的成功之处在于它大幅度提高了抗折、抗弯
强度，有效克服了原有的致命弱点。
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
但是这种水泥中存在一定数量未完全水化的水泥和
易吸水溶胀的聚合物，当它浸入水中或在潮湿的空
气中时，部分未水化的水泥就会继续水化，聚合物
吸水溶胀，致使材料的体积变形和强度大幅度降低，
使此种水泥基复合材料的推广与应用受到了很大的
限制。
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
而在MDF水泥中掺入纤维，均匀分布的纤维能降低材料
内部裂缝尖端的应力集中，拟制裂缝的产生和扩展，提
高MDF水泥的抗压、抗弯强度和韧性的同时，还可以阻
止聚合物吸水溶胀和溶出，并限制MDF水泥中未水化水
泥颗粒水化产生的膨胀，减少因体积膨胀而引发的微裂
纹，缩小其尺度，进而提高材料的体积稳定性和耐水性
不良的问题。
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聚合物增强水泥基复合材料
1.定义
聚合物增强水泥基复合材料是在水泥浆体中加入
聚合物，引起一系列从材料加工特性、水化过程
到水泥性能的变化，从而获得优异性能的一种复
合材料。
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2.聚合物选用的要求
对用于水泥基材料的聚合物的基本要求是：
（1）应有良好的预加工性能，以便于使用；
（ 2）对水泥水化不产生负面影响；
（3）对水泥水化过程中所产生的钙离子和铝离子等有高的稳
定性；
（4）应有很好的机械稳定性，避免储存、运输和搅拌时在高
剪切作用之下的破乳现象；
（5）在水泥石硬化后能形成与水化产物和集料有良好粘结力的
膜层，且其成膜温度要低；
（6）在水化硬化后应有较好的耐水性、耐碱性和耐候性。
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3.聚合物应用于水泥混凝土主要有三种方式：

一是聚合物浸渍混凝土

二是聚合物混凝土

三是聚合物水泥混凝土
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
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（1）聚合物浸渍混凝土
把成型的混凝土的构件通过干燥及抽真空排除混凝
土结构空隙中的水分及空气，然后把混凝土构件浸入聚
合物单体溶液中，使得聚合物单体溶液进入结构孔隙中。
通过加热使得单体在混泥土结构孔隙中聚合形成聚合物
结构。聚合物就填充了混凝土的结构扎隙，并改善了混
凝土的微观结构，从而使其使用性能得到改善。
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
聚合物浸渍混凝土与普通混凝土相比，抗压强度
可提高3倍；抗拉强度提高近3倍；弹性模量可提
高1倍；抗破裂模量可增加近3倍；抗折弹性模量
增加近50％：弹性变形减少10倍；硬度增加超
过70％；渗水性几乎变为0；吸水性大大降低。
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聚合物浸渍混凝土由于其良好的力学件能．耐久性及抗侵蚀
能力，主要用于受力的混凝土及钢筋混凝土结构构件和对耐
久件及抗侵蚀有较高要求的地方。

如混凝土船体．近海钻井混凝土平台等。虽然聚合物浸渍混
凝土有良好的力学件能，但由于聚合物浸渍工艺复杂，成本
较高，混凝土构件需预制并且构件尺寸受到限制，因而主要
是特殊情况下使用。
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（2）聚合物混凝土

是以聚合物为结合料与沙石等骨料形成混凝土。大部分
情况下是把聚合物单体与粗骨料拌和，通过单体聚合把
粗骨料结合在一起，形成整体，聚合物混凝土可用预制
成现浇的方法施工，由于聚合物混泥土有良好的力学性
能、耐久性及普通混凝土无法比拟的某些特殊性质，如
速凝等，所以大部分情况下用于抢修等特殊用途，也可
用于喷射混凝土。
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聚合物混凝土所用的聚合物有环氧树脂、脲醛树
脂、糖醛树脂，聚合链上接有苯乙烯的聚脂等。

由于混凝土的结合完全靠聚合物，所以聚合物的
用量很大，一般多达整个混凝土重量的8％左右，
因此聚合物混凝土的价格昂贵，目前还不能用于
普通建筑工程，多用于特殊工程。
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（3）聚合物水泥混凝土
是在水泥混凝土成型过程中掺加一定量的聚合
物，从而改善混凝土的性能,使混凝土满足工程的
特殊需要。因此聚合物水泥混凝土更确切地应称为
聚合物改性水泥混凝土或高聚合物改性混凝土。聚
合物改性水泥混凝土与其它的水泥混凝土改性措施
(如加纤维水泥混凝土等)相比有明显的不同。
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
①水泥混凝土的力学性能得到了改善，尤其是抗折强度提高，
而抗压强度降低，抗压强度／抗折强度的比值减小；

②混凝土的刚性或者说脆性降低，变形能力增大，这对许多
工程很有利；

③混凝土的耐久性与抗侵蚀能力也有一定程度的提高；

④由于聚合物改性水泥混凝土良好的粘结性，特别适合于破
损水泥混凝土的修补工程；

⑤完全适应现有的水泥混凝土制造工艺过程；

⑥成本相对较低。
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
聚合物改性水泥混凝土的改性效果，尤其是对混凝
土力学性能的改善一般不如聚合物浸渍混凝土的改
性效果明显。但由于其工艺简单，使用方便，采用
预掺聚合物的方法来改性水泥混凝土得到了越来越
广泛的使用。
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4.聚合物在水泥基复合材料中的作用

（1）水溶性聚合物的塑化作用

塑化作用包括吸附-分散、润湿、润滑作用。
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A. 吸附-分散作用
水溶性聚合物中含有憎水和亲水的基团，憎水基团
定向吸附于水泥颗粒表面，而亲水基团指向水溶液，
构成了单分子吸附膜，不但能使水泥-水体系处于相
对稳定的悬浮状态，而且能使水泥在加水初期所形
成的絮凝状结构分散解体，从而将絮凝状凝聚体内
的游离水释放出来，达到吸附-分散的减水的目的。
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B.润湿、润滑作用
水溶性聚合物是带有极性亲水基团的表面有机活性物
质，这些吸附作用，使水泥颗粒表面的电性质改变，
在电性斥力的作用下，使水泥浆体中的水泥颗粒分散，
表面得以润湿，浆体黏度下降，颗粒相对滑动
较易进行，粒子间内摩擦阻力减小，浆体流动性质
得以改善，易于材料的制备。
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
(2)聚合物的减孔作用

聚合物作为塑化剂加入，可大大减低水泥浆体在实际制备过
程中的用水量，因此可有效减少这些多余水分可能形成的空
隙、空洞。同时，由于可塑性的增加，体系中原可能形成的
一些空隙也较易被排除。另一方面，聚合物本身具有很好的
可塑性，它也可以较容易地填充在一些无机基体的空隙中，
起到填充、封闭空隙的作用。而这种作用对于整体材料的性
能影响是极大的。
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5.聚合物对水泥的增韧机理

(1)聚合物吸收能量的作用

一般情况下，当材料受力产生应变时，会在其内部
产生许多很细的裂缝。而当复合材料中有聚合物时，
必然会有相当一部分聚合物横填跨在裂缝上，阻止
了裂缝的迅速发展。聚合物在形变过程中消耗了能
量，从而提高了材料的韧性。
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
(2)聚合物控制裂纹的作用

聚合物在复合材料体中有如一种应力集中剂，它能集中大
量的应力并产生大量裂纹，消耗大量能量。在复合材料体
中，聚合物既起引发裂纹作用，又能起控制裂纹发展的作
用。当裂纹遇到一个大的聚合物粒子时，裂纹的增长被终
止下来。其结果是出现大量的小裂纹，这正好与同一水泥
浆体中无聚合物存在时形成少量的大裂纹相反。
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6.聚合物改性水泥基复合材料的成型工艺

(1)水泥混凝土中聚合物结构形成过程

(2)聚合物改性水泥砂浆及水泥混凝土的设计
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
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(1)水泥混凝土中聚合物结构形成过程
以乳液形式掺合到水泥混凝土中的聚合物，在水泥混凝土
搅拌均匀后，聚合物乳液颗粒会相当均匀地分在水泥混凝
土体系中，形成水泥基复合材料。随着水泥的水化，体系
中的水不断地被水化水泥所结合，乳液中的聚合物颗粒会
相互融合连接在一起。随着水分的不断减少，聚合物在水
泥混凝土中形成结构。
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(2)聚合物改性水泥砂浆及水泥混凝土的设计

聚合物改性水泥砂浆及水泥混凝土的设计类似于
普通水泥砂浆或水泥混凝土的设计，根据要求的
工作性、强度、变形性、粘结力、不透水性及化
学稳定性等进行设计，所不同的是在设计过程中
应首先确定聚合物—水泥的比值。
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
聚合物改性水泥砂浆中水泥与砂的重量比在1:2
至1:3之间。聚合物水泥比值在5％--20％之间。
水灰比一般在30％--60％之间，根据所要求的
和易性而定。

聚合物改性混凝土的配比与改性砂浆的配比有
所不同。一般在改性混凝土中，聚合物水泥的
比例为5％--15％，水灰比为30％--50％
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7.聚合物增强水泥基复合材料的应用
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(1)地面和道路工程

(2)结构工程

(3)轻质混凝土

(4)修补工程

(5)其他方面的应用
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(1)地面和道路工程

聚合物改性水泥混凝土由于其良好的耐磨性及耐腐
蚀性，施工方法有：

A. 直接用聚合物浇铸地面

B. 聚合物混凝土形成地面板，然后铺砌

C. 在地面作一层聚合物水泥砂浆涂层
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
具体可用在船甲板铺面：用聚合物水泥制造船甲板铺面
可避免采用专用的木材，缩短施工工期，并可使造价减
少到原来的八分之一左右。

由于具有良好的防水性质，在桥梁道路路面面层得到了
大量的应用，如可避免常规施工过程中为粘结及防水所
必需的复杂的工艺过程，所以可用于高等级的刚性水泥
混凝土路面，降低水泥混凝土面层的厚度，减轻面层开
裂，从而延长使用寿命。
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(2)结构工程

聚合物外掺剂可提高结构的强度、重量、耐腐蚀性及耐久
性。在结构工程应用中最重要的是聚合物水泥混凝土预应
力结构。这种结构可用于化学工业生产中的承重和防护建
筑，也适用于水利、能源及交通行业中在干湿交替作用下
的工程结构，包括建造水中及水下结构物，以及隧道、地
下排水设施等。
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(3)轻质混凝土

为了减小构建的重量，在混凝土和砂浆中加入聚
合物外加剂可达到很好的效果。轻集料聚合物水
泥混凝土具有密度小，强度高的特点，抗压强度
通常高于无聚合物的混凝土。抗折及抗拉强度比
无聚合物提高30%~40%，断裂伸长率比普通水
泥混凝土提高5倍。
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(4)修补工程

普通混凝土或砂浆进行修补工程时，由于新拌混凝土与
旧混凝土之间不能很好地结合，经常发生修补的混凝土
脱落，不能起到修补作用。

用聚合物改性水泥混凝土后，由于聚合物可以渗透进入
旧有混凝土的空隙中，同时聚合物粘接力好，起到密封
作用，使得界面处的抗腐蚀能力提高，对保持新旧混凝
土之间连接强度有利。
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
一般选用聚苯烯-丁二烯乳液及聚丙烯酸酯
改性水泥混凝土，进行水泥混凝土的修补
可以取得良好的效果。
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(5）其他方面的作用

聚合物改性水泥混凝土还可用作建筑物装饰
材料、各种容器的保护涂层等
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颗粒增强水泥基复合材料

水泥基复合材料是典型的多孔材料，而多孔材料的性能与其
结构有着密切关系。一般随着孔隙率的降低，强度提高，相
应的其他性能，如耐久性、抗渗性等也得到改善。

降低孔隙率使材料密实有多种措施，如MDF水泥主要是借
助掺加水溶性聚合物和加压排除气泡，同时还掺入偶联剂以
改善界面的方法；而有些材料是通过掺加超细粉料和大量超
塑化剂来实现的。颗粒堆积的致密体系为高性能水泥基复合
材料的一个重要分支，该体系在采用低用水量的同时还能保
持良好的工作性能。
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
超细粉是粒度小于10um的粉体，其比表面积相
当于600m2/kg以上。常用的超细粉有硅粉、磨
细矿渣粉、天然沸石粉及偏高岭土粉等。在水泥
混凝土中掺入部分矿物质超细粉，将使混凝土具
有许多特殊的功能。
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谢 谢！
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