水泥基復合材料

高性能水泥基復合材料的研究與發(fā)展狀況Z09016139翟景林提要高性能水泥基復合材料既是在近代科技成就的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，又將在高新技術(shù)工程領(lǐng)域中開發(fā)應(yīng)用。本文對近年來出現(xiàn)的幾種高性能水泥基復合材料進行了初步闡述。關(guān)鍵詞高性能水泥基復合材料研究發(fā)展狀況1.何謂APCC8O年代以來，在水泥基復臺材料領(lǐng)域先后出現(xiàn)了MDF、DSP、HPC和CBC等一系列新型水泥基復合材料，我們將這些材料統(tǒng)稱為高性能水泥基復合材料(AdvancedPerformanceCement—basedComposites，簡稱APCC)。2幾種APCC溉述自1981年Birchall等人制備出用MDF材料做成的彈簧以來，APCC材料受到了水泥基材料科學界的廣泛關(guān)注，并得到了較大的發(fā)展。2.1MDF材料本世紀80年代初，牛津大學的Birehall第一次發(fā)表了關(guān)干MDF材料的論文，并用它制備出了世界上第一根水泥彈簧，在水泥基材料學術(shù)界引起了極大地震動。所謂MDF即無宏觀缺陷材料。在該材料領(lǐng)域，我國也開展了不少工作湖南省建材研究設(shè)計院王卉等人利用鋁酸鹽水泥，摻雜有機聚合物制備出了抗折強度達70?120MPa的彈性水泥材料。并已用于制造抗靜電地板。MDF材料由于其抗彎強度、斷裂韌性、不易燃、良好的電性能、低溫性能和聲學性能而有別于其他工程材料。在聲學領(lǐng)域，該材料有可能被用來制作揚聲器的機殼、唱盤和高保真原件。在低溫方面可作為低溫液體容器；在電性能方面，由于其良好的放電起始電壓和耐電壓強度、抗電弧和合適的表面阻抗，有可能用來制造電弧隔板和保險絲管；在防護用品方面，正在廣泛開發(fā)的是用怍人員和交通工具的護甲、建筑隔板和高危地區(qū)的殺傷保護裝置。然而，MDF材料在其潛在應(yīng)用范圍不斷擴大的同時，也存在著亟待解決的一些問題：MDF材料中的聚合物在水中或潮濕環(huán)境中吸水溶解而發(fā)生軟化。導致材料的強度和彈性摸量降低。例如，以高鋁水泥和聚乙烯醇配制的MDF材料在相對濕度為0%的環(huán)境中會失水，而在相對濕度為58%的環(huán)境中則會吸收水分，吸水量隨著聚乙烯醇的含量增加而提高。材料體內(nèi)仍有相當?shù)乃嗍炝系V物沒有發(fā)生水化反應(yīng)，這些未水化的水泥熟料顆粒是導致MDF材料耐久性不良的潛在因素。2.2DSP材料1982年Bache等人第一次報道了DSP材料，它的全稱為高致密水泥基均勻體系。該材料為70?80%水泥和20?30%平均尺寸只有0。1?0.2um的超細材料組成的致密和高強的

膠結(jié)材料。應(yīng)用高效分散劑使超細顆粒材料在水泥顆粒間的孔隙中均勻分布，從而保證了水泥緊密的堆積DSP材料的抗壓強度可達到345MPa超細材料d超細材料d=0-Iprn由水泥與超細材料組成的高強材料結(jié)枸據(jù)報道，DSP材料在許多國家申請了很多應(yīng)用性專利，該材料及其制品正被丹麥的DensitA/S和美國的Elhorg制造公司(TechnologyCo.^步推向市場。該材料最早用作水泥基材料在腐蝕介質(zhì)中的表面保護層。隨后，材料又被嘗試用于更為尖端的領(lǐng)域。這種新的復臺材料基本上可以很好地用來替代鑄石、橡膠和鋼材用作襯里材料。這種材料甚至已被成功地用于工業(yè)化生產(chǎn)工程零件，如螺絲刀、水泥磨的勺式喂料裝置和生產(chǎn)車床的沖壓模具等。這種復合材料的抗壓強度約為結(jié)構(gòu)鋼材的一半，抗彎強度約為其抗壓強度的十分之一，強度與密度的比值要比鋼材大很多，這種材料將有可能用來建造今后的橋梁和塔體。DSP材料目前所存在的主要問題是該材料的高脆性，這將會使該材料從基層材料上剝離。另外，DSP材料中也存在著大量未水化的水泥熟料顆粒，雖然該材料具有很高的抗?jié)B性，可以防止水分的進入，而且這些未水化熟料顆粒還可起到集料填充作用，但還是為其耐久性造成了潛在的威脅。2.3HPC材料1990年5月在美國馬里蘭州，由美國國家標準與工藝研究院(NIST)與美國混凝土學會(ACI)主辦的討論會上，HPC(HighPerfomanceConcrete)材料，即高性能混凝土材料被定義為具有所要求的性能和勻質(zhì)性的水泥基材料。HPC材料要求具有高的強度、好的和易性與優(yōu)異的耐久性。HPC材料的強度和耐久性等性能可細分為：早強、高彈模、高抗壓、高抗拉，單位重量的強度高(即輕質(zhì)高強)、高耐久性、低滲透性、抗沖耐磨、體積穩(wěn)定、護筋抗銹、抗化學侵蝕、粘附力強、好的韌性和斷裂能量。具有以上多種性能優(yōu)勢或突出某種特性，就有可能在重要工程或特種用途上發(fā)揮作用。根據(jù)實際工程的要求，不同的學派對HPC材料的看法有所不同：以Mehta為代表的美國與加拿大學派，強調(diào)的是硬化后混凝土材料的性質(zhì)。Mehta認為對于近來建造的暴露于腐蝕性環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)物，其受腐蝕的速率之快表明，抗壓強度指標已不足以保證其長期耐久性，而耐久性應(yīng)放在HPC材料性能的首位。以岡村為代表的一部分日本學派認為高流態(tài)、免振自密實的混凝土材料就是HPC材料。也就是說他們強調(diào)的是新拌混凝土的性質(zhì)。大多數(shù)學者及工業(yè)界強調(diào)的仍然是高強、超高強與高流態(tài)混凝土。日本建設(shè)省綜合技術(shù)開發(fā)計劃“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物的超輕量與超高層技術(shù)的開發(fā)”(簡稱新RC總計劃)，從1988年開始為期五年的工作，其結(jié)果受到了人們的普遍關(guān)注。日本三菱材料株式會社開發(fā)了一種超高強、耐磨的混凝土，使用硅灰、高性能減水劑、特殊的天然骨料，成型后蒸養(yǎng)16小時脫模、混凝土脫模強度述140MPa。按照ASTMC666方法進行抗凍試驗，重量損失小于0.2%，耐久性系數(shù)97；此外耐磨耗性明顯地提高，按雷氏磨耗試驗法測定.耐磨性比普通的混凝土提高1O倍。HPC材料相對其它水泥基材料來說，水灰比低，漿體粘度大，流動慢，且坍落度相同時振動搗實所需時間長。因其水泥用量大，水化熱大，混凝土材料的絕熱溫度升高，初期溫度高會使長期強度偏低.需加深對不同早期溫度和長期性能關(guān)系的了解。HPC材料由于其高強、高流動性和優(yōu)異的耐久性，將被廣泛地使用于超高層建筑、橋梁、隧道、大壩電站、海洋港1：3工程等重大混凝土工程建設(shè)中。但是，由于HPC材料制備工藝比較復雜，難于操作，同時其造價較高，因此目前在我國并未大量推廣。2.4CBC材料所謂CBC材料，即化學結(jié)合陶瓷(ChemicalLyBondedCeramics)材料，就是在相對較低的溫度條件下采用適當?shù)墓に嚕ㄟ^化學反應(yīng)得到的具有與陶瓷相近似性能的一種高性能水泥基復合材料。這是一種借用陶瓷的生產(chǎn)方法進行水泥的化學反應(yīng)所得到的水泥基材料，它的出現(xiàn)是對傳統(tǒng)的水泥混凝土生產(chǎn)工藝的一種挑戰(zhàn)。CBC材料是通過其內(nèi)部固相間在較低溫度，如300至400攝氏度時產(chǎn)生化學反應(yīng)形成新的化學鍵來制各的，不象普通陶瓷制品那樣須在高溫時發(fā)生熱擴散或部分熔融。在高技術(shù)電子陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷材料領(lǐng)域，人們正在不斷努勻通過溶膠一凝膠過程來合成細粉，以期獲得比傳統(tǒng)的制各陶瓷方法具有更低結(jié)晶溫度和更為致密的陶瓷結(jié)構(gòu)D.M.Roy等首次制備高活性的Ca2SO4。粉料用于合成CBC材料。隨后，T.Na-gira等通過金屬有機物的分解在700度的煅燒溫度下臺成了比表面積大于50m2/g的CaO—SiO2系統(tǒng)的粉末材料所制備的粉料具有較高的水化活性.在60°C下通過對粉料單軸向施壓可制備致密高強的CBC材料。c.H.Page等經(jīng)過更進一步的研究，開發(fā)出了一種使用溶膠一凝膠技術(shù)生產(chǎn)水泥基復合材料的工藝。廣義的CBC材料是一類水泥基材料的總稱除上述用常規(guī)技術(shù)和溶膠一凝膠技術(shù)制備的CBC材料外，磷酸鹽膠凝材料、堿鹽激發(fā)礦渣或銅渣水泥材料、氯氧鎂水泥材料、鈣磯石基水泥材料等都屬此類。CBC材料中的磷酸鎂氧水泥材料長期接觸大量水時會出現(xiàn)強度倒縮的現(xiàn)象，現(xiàn)階段該材料只在小范圍內(nèi)使用。氯氧鎂水泥材料也存在著類似的問題。磷酸鎂氧水泥材料還存在水化熱大和水化時放出H2S、NH3氣體兩大缺陷。3APCC研究發(fā)展動態(tài)隨著高性能水泥基復合材料研制的啟動，世界各國紛紛投入人力、物力和財力參與了這場高技術(shù)的競爭，特別是一些工業(yè)發(fā)達國家，在這場高技術(shù)競爭中走到了前面。美國國家科學基金會早在1989年就首批投資1000萬美元建立了“高級水泥基材料科技中心(CenterofscienceTechnologyofAdvancedCement—basedMaterials，簡稱ACBM。這是美國國家科學基金會所確定撥款建立的11個科技中心之一，該中心將綜合運用土木工程、材料科學、力學、化學、物理、物理化學、應(yīng)用數(shù)學、地質(zhì)學、土壤學等多學科的專業(yè)技術(shù)，來開發(fā)研究具有高性能的新一代水泥基復合材料。此類新開發(fā)的水泥基復合材料將具有更高的強度和更輕的自重，而且成本低廉，能源效率高。既可用于新建的工程，也可用于現(xiàn)有工程結(jié)構(gòu)的修復與修補如公路、橋梁、電站和廢物處理系統(tǒng)等。在美國今后的20年，用于修復這些以水泥基復合材料建造的工程結(jié)構(gòu)，其費用估計將達數(shù)萬億美元。因此，美國國家科學基金會認為對高性能水泥基復合材料進行綜合的基礎(chǔ)的研究是非常必要的。據(jù)有關(guān)資料報道，在今后的數(shù)年間，美國政府還將投資近2.16億美元，其中1.74億美元用于高性能混凝土(HPC)材料的研究，另外0.42億美元用于HPC材料的技術(shù)轉(zhuǎn)化。在加拿大，高性能水泥基復合材料的研究和開發(fā)也得到異常重視。由加拿大政府投資2.4億加幣(約合2億美元)，成立了“優(yōu)質(zhì)混凝土科研網(wǎng)(Net—workofCentreofExcellence0nHigh-PerformanceConcrete)該科研阿隸屬于加拿大國家自然科學技術(shù)基金委員會，它集中了目內(nèi)七所大學和兩家公司的科研力量，旨在研究和開發(fā)優(yōu)質(zhì)混凝土材料及其應(yīng)用技術(shù)。據(jù)最新消息表明，在1994?l998年由國家自然學技術(shù)基金委員會確定的十大科研網(wǎng)的第二階段追加投資計劃中，加政府又投入550萬美元用于該項目的研究與開發(fā)繼續(xù)工作。日本口也投入了大量人力和財力對高性能水泥基復合材料領(lǐng)域進行著非?；钴S的研究。目前，他們正致力于“新型增強混凝土(NewReinforcedConcrete)”計劃項目。據(jù)報道，在日本已開發(fā)出高性能混凝土材抖的制備系統(tǒng)。據(jù)稱日本已開發(fā)研制出耐久性可達500年以上的高性能水泥基復合材料；。挪威政府已投資500萬美元，用于高性能水泥基復合材料的研究，該項為期四年的項目研究領(lǐng)域主要涉及下述四個方面65?l05MPa的水泥基材料的性能;混合材的組成對水泥基材料性能的影響；水泥基材料測試方法的研究；研究成果向建筑工業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)化在瑞典，正在進行著一項為期六年(1992?1998年)的研究計劃，該計劃將包括水泥基復臺材料的三個研究領(lǐng)域的至少18個項目。與此同時，法國也正在制定一個“混凝土新方向(NewDirectionsinConcrete)”研究計劃。歐洲經(jīng)濟共同體(EEC)有一個被稱為“Brite”的高性能水泥基復合材料研究項目.該項目將以丹麥為中心，形成一個包括其它EEC成員國研究人員的大規(guī)?？蒲袇f(xié)作網(wǎng)。4結(jié)語水泥材料應(yīng)用廣，需要量大，其傳統(tǒng)工藝易于掌握，已成為當代最大宗的人造材料。但由于數(shù)十年來技術(shù)進步較慢，水泥材料一直被視為低技術(shù)材料。近年來建筑工程對水泥材料提出了愈來愈高的要求，水泥材料為了滿足這些要求，在性能方面有了很大提高。但是，由于這些材料本身的高度復雜性和建筑工程等不斷提出更高的要求，進一步的研究開發(fā)工作必須緊密依靠當代高科技成就，并將在高科技領(lǐng)域中找到更多應(yīng)用，發(fā)揮更大作用。參考文獻1朱逢吾，職任濤.MDF水泥研究概況和應(yīng)用前景材料導報，1993；(2)64—682陸平.水掘材料科學導論上海：同擠大學出版社，1991；2352633職任濤，朱逢吾，肖紀美.無宏觀缺陷的啦泥基復臺材料材料科學進展.1991；(2)1774王卉等.彈性水泥鑒定資料.胡南省建材研究設(shè)計院.：987(內(nèi)部資料)5許仲梓，低孔隙率水泥材料的組成、結(jié)構(gòu)和力學性能的關(guān)系及其改性研究.博士學位論文，南京：南京化工學院.19876胡曙光.聚臺物水泥基復合材料其界面增強的機理研究.博士學位論文，武漢；武漢工業(yè)大學.19927BirchallJD，HawardJandKendallKNature，L981；289；3888南京化工學院材料科學與工程系編譯.第九屆國際水泥化學會議綜合報告譯文集，南京，1992；122BacheHH.2endInternationalConferenceonSuperPlasticizerConcrete.Canada，198lBaeheHH.Densified