爱华网××大学化学化工学院
复合材料考试论文
现代水泥基复合材料
姓名：×××
学号：×××××××××
专业：无机非金属材料工程
指导教师：张刚生
指导教师职称：教授
摘要
在现代生活中，什么材料性能最好，性价比最高？毫无疑问，是复合材料。两种或者两种以上不同化学性质或不同组织相的物质，以微观或宏观的形式组合而形成的材料，均可称为复合材料。在工程上所称的复合材料主要是指一种材料以人工均匀地分散在另一种材料中，以克服单一材料的某些弱点，具有综合性能的材料。
本论文根据作者所学的专业知识，再参考了一些专业论文，比较系统地阐述了现代水泥基复合材料的种类以及概论！鉴于作者的专业知识水平有限，所以本论文着重于对基础知识的阐述。
关键词：水泥基复合材料，纤维水泥基复合材料，纳米水泥基复合材料，水泥基复合吸波材料，聚合物水泥基复合材料
第一章 前言
随着1824年波特兰水泥的出现，在1830年前后出现了混凝土。1900年以后，混凝土科学技术和应用的发展非常迅速。因为混凝土具有原料丰富、价格低廉、抗压强度高、耐久性比较好、生产工艺简单、用途广泛、适应性强等众多优点，已使其成为世界范围内应用最广、用量最大，几乎随处可见的建筑材料。但是，普通混凝土也有许多自身难于克服的缺陷，如抗拉或抗折强度较低、脆性大、柔性低、凝结硬化较缓慢、干缩量大以及抗化学腐蚀能力不高等。因此，混凝土的性能现在急需提高，以适应现代社会的迅猛发展。要想提高混凝土的性能，就必需要改良水泥的性能。而改良水泥性能的最佳捷径，就是应用复合材料技术。可以毫不夸张地说，水泥基复合材料的发展，决定着全球建筑行业的技术水平。一旦水泥基复合材料有了突破性进展，那么全球建筑行业将会发生根本性改变！这就是真正的牵一发而动全身也！
现代水泥基复合材料经历了多次大的发展，如今己被广泛的应用于建筑、交通、国防等各个领域。水泥基复合材料具有制作、施工方便快捷，抗压强度高，性价比高，抗腐蚀性、耐久性能好等优点。同时，它也存在一些缺点，如：结构自重大、抗拉强度低和易于开裂等。因此，各国学者在改善水泥基材料的性能，开发它的新功能等方面进行了大量的研究工作，在水泥基复合材料的研究方面取得了重大进展[1]。而在我们中国，国土辽阔，人口众多，加强水泥基复合材料的研究，有利于我国建筑业的迅猛发展，这是一项为人民服务的民心工程。作为一名工程技术人员，我们不能什么赚钱就研究什么，而应该是，什么是人民最需要的，我们就研究什么！
第二章纤维水泥基复合材料
水泥基复合材料可分为水泥基和增强体两部分！目前比较热门的水泥基复合材料为：纤维水泥基复合材料。它通常是指以水泥净浆，砂浆或者混凝土为基体，以非连续的短纤维或连续的长纤维作增强材料所组成的水泥基复合材料，也叫纤维混凝土。
在混凝土中加入纤维，可以强化、韧化水泥砂浆，提高水泥基复合材料拉伸、弯曲以及冲击强度，控制裂纹的扩展，改善失效模式和未成型时材料的流动性，是改善其性能的最有效途径。
研究表明：纤维在水泥基体中至少有以下三个主要作用[2]：
1， 提高基体开裂的应力水平，即使水泥基体能承受更高的应力。
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。
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，阻碍了骨科的离析和分层，保证了早期均匀的泌水性，从而阻止沉降裂纹的产生。不定向分布的纤维有助于削弱砂浆或者混凝土塑性收缩及冻融时的张力，收缩的能量被分散到无数的具有高抗拉强度的纤维上，从而极为有效地增强了混凝土或砂浆的韧性，抑制了微细胞的产生和发展。
在纤维增强水泥基复合材料中，纤维和基体之间的界面并不是围绕增强纤维的一个理想薄层。其具体的显微结构与纤维材料、几何形状、表面处理、基体组分、以及复合材料的制作工艺密切相关。另外，纤维的形状、表面状态和截面形式对纤维增强水泥基复合材料性能也有重要的影响。
混凝土或砂浆中的纤维增强原理，在世界各国建筑业中早有应用，因此在混凝土（或砂浆）中掺加纤维以便改善其性能的想法甚至早于水泥混凝土的问世。20世纪50年代以来，世界上许多工业发达国家关于纤维水泥基复合材料的研究取得了明显的成就。20世纪60年代中期，Goldfein研究用合成纤维做水泥砂浆增强材的可能性，发现尼龙、聚丙稀与聚乙烯等纤维有助于提高纤维的抗冲击性。Zollo等的实验结果表明，若在混凝土中掺加体积率为0.1%～0.3％的聚丙稀纤维时，可使混凝土的塑性收缩减小12％～15％[3]。
现在的最新研究表明，强度、能量吸收能力在很大程度上是由水泥基体与增强组分之间的界面力学传递能力决定的。增强纤维的加入改变了外载作用下复合材料内部应力场的分布，阻碍了萌生于基体中的裂纹扩展，改善了水泥基复合材料断裂前行为，提高了水泥基复合材料的宏观强度，比如拉伸强度、剪切强度、冲击失效抗力等。研究表明，微纤维和宏纤维的增强机制有所区别，微纤维可以对微裂纹起桥联作用，阻止它们形成微裂纹带，提高材料的宏观强度。宏纤维对材料强度的提高不十分明显，然而，当微裂纹形成微裂纹带，进而合并成为宏观裂纹时，宏纤维的桥联作用会阻止或者延迟宏观裂纹的扩展，改善材料的韧性[4]。
第三章纳米水泥基复合材料
水泥是大众建材，用量大，人们还未充分重视使用纳米技术对其进行改性。其实，水泥硬化浆体(水泥石)是由众多的纳米级粒子(水化硅酸钙凝胶)和众多的纳米级孔和毛细孔(结构缺陷)以及尺寸较大的结晶型水化产物(大晶体对强度和韧性都不太有利)所组成的。借鉴当今纳米技术在陶瓷和聚合物领域内的研究和应用成果，应用纳米技术对水泥进行改性的研究，可望进一步改善水泥的微观结构，以提高其物理力学性能和耐久性。
最近，国内外许多学者利用纳米技术，用一定的纳米矿粉代替一部分普通混凝土掺合料，以提高混凝土材料的密实性，从而改善材料的性能。其内在机理是：纳米矿粉表面能高，表面缺陷多，易与水泥石中的水化产物产生化学键合，CSH凝胶可在纳米SiO2和纳米CaCO3表面形成键合；钙矾石可在纳米Al2O3或Fe2O3和CaCO3表面生成；Ca(OH)2更多的在纳米SiO2表面形成键合，并生成CSH凝胶。更重要的是在水泥硬化浆体原有网络结构的基础上又建立了一个新的网络，它以纳米矿粉为网络的结点，键合更多纳米级的CSH凝胶，并键合成三维网络结构，可大大的提高水泥硬化浆体的物理力学性能和耐久性。同时，纳米矿粉还能有效的填充大小在10～100nm的微孔。由于这类纳米矿粉多数是晶态的，它们的掺入提高了水泥石中的晶胶比，可降低水泥石的徐变。纳米矿粉的掺量一般为水泥质量的1%～3%时就有明显的效果[5]。
美国混凝土协会ACI2000委员会曾设想，今后美国常用混凝土的强度将为135MPa。如果需要，在技术上可使混凝土强度达到400MPa，将能建造出高度为600～900m的超高层建筑，以及跨度达到500～600m的桥梁。未来对混凝土的需求必然大大超过今天的规模。采用纳米技术改善水泥硬化浆体的结构，可望在纳米矿粉－超细矿粉－高效减水剂－水溶性聚合物－水泥系统中，制得性能优异的、高性能的水泥硬化浆体－纳米复合水泥结构材料，并广泛应用于高性能或超高性能的水泥基涂料、砂浆和混凝土材料中。在不远的将来，继超细矿粉之后，纳米矿粉将有可能成为超高性能混凝土材料的又一重要组分。这也是传统水泥材料的改进和又一次革命[6]。
若将超高性能混凝土材料大量应用于军事用途，比如用于建造地下皇宫，以躲避敌军的“斩首”行动！或者用于建造洲际导弹发射井，以确保我军的二次核打击能力！即使遭遇到敌军的钻地式核导弹的袭击，有超高性能混凝土材料顶着，也未必就能够击穿！这应该是我们的军事科学家们所不得不思考的问题！
第四章水泥基复合吸波材料
隐身技术是一种通过控制和降低武器系统和其它军事目标的特征信号，使其难以发现、识别、跟踪和攻击的综合性技术。因而它广泛应用于运动军事目标，如飞机、导弹、坦克、潜艇等，同时也可用于非运动军事目标，如雷达站、军用机场、军事掩体等。
通过对水泥基复合材料进行改性，使它能够吸收电磁波，从而达到对雷达的隐身性能，即得到所谓的水泥基复合吸波材料。水泥基吸波材料是在水泥或混凝土中掺入吸波剂而具有吸收电磁波功能的一类新型材料。在民用方面，它即可以用来屏蔽电磁波对人体的辐射，达到净化电磁波污染环境的目的；还可以用来防止计算机中心的数据泄密，起到保密作用；在军事上，水泥基复合吸波材料可以起到干扰雷达探测目标，减弱回波信号，使雷达无法探测到地面固定目标或探测精度明显降低，避免敌方的军事打击。目前国外一般采用伪装网来覆盖地面军事目标，改变目标及其阴影的形状，以对付地面和空中的各种侦查手段。
作者参考了杨海燕等人关于这方面的研究。该研究为：用直径在0.7～1.0mm、长度分别为2mm、5mm和8mm的钢纤维掺入到水泥砂浆中制成180mmx180mmx3lmm的试样，钢纤维的掺量分别为0.5%、1.4%、3.4%、4.3%和6.0%，在2～18GHz频率范围内，水泥砂浆试样具有一定的吸波效果，吸收率为4dB的带宽可达15.28GHz，最大吸收率为9.8dB，且在X波段其吸收性能比较稳定[7]。
假如把纳米技术和吸波技术应用在一起，研究出纳米超高性能水泥基复合吸波材料，应用于军事方面，这样就可以做到，你既发现不了我，即使你技术足够先进，发现了我，那么你也没有办法摧毁我。如果我国能够研究出这种材料，一定可以在未来未知的局部冲突中占据上风，尽量减少我方人员和设备的损失，极大地提高我国的军事实力，让美国等欧美发达国家不敢小看我们中国，连和我们说句话都要心平气和的了，不像以前那样咄咄逼人！有人说，21世纪是科技和人才的竞争，但我可以大胆地说，水泥基复合材料的竞争占到很大的作用。谁占领了水泥基复合材料这块宝地，谁就可以在21世纪的激烈竞争中抢得先机！
第五章聚合物水泥基复合材料
有机物，特别是高分子聚合物，其优异的柔韧性，抗冲击性，以及良好的抗渗性和单位体积重量小等等固有的优势，是众所周知的。这正好弥补了普通水泥基材料的缺陷。大量的工程实践证明，高分子聚合物在水泥基材料中有效地改进了其性能。若把水泥基材料视为由水泥浆休粘结剂和集料两种结构组分构成的复合材料时，则聚合物可从儿个方面来改善水泥基材料的性能。
(I)提高粘结剂本身强度；
(2)增强粘结剂和集料界面间的粘结力；
(3)提高集料的强度；
(4)填充空隙；
(5)上述综合效果。
就此改性效果而言，目前应用在工程中的聚合物水泥基材料可分为三个类别：
(1) 用聚合物作粘结剂以粘结集料称为树脂混凝土(PC)，如人造大理石等。
(2)在已硬化的普通水泥混凝土中浸渍聚合物，或有机单体在硬化体内聚合填充孔隙，称为聚合物浸渍混凝土(PIC)，如防渗墙面板，隧道衬壁等。
(3) 用水泥和聚合物两种粘结剂粘结集料，称为聚合物水泥混凝土 (PCC)。如聚合物修补砂浆，高等级公路、桥面等[8]。
一般的水泥基复合材料主要是由未水化的水泥熟料颗粒、水泥的水化结晶矿物和凝胶体、水和少量的空气组成。因此它是一个固一液一气多相多孔体。其材料的强度也就受着这些因素的制约和影响。聚合物的加入改变了这些因素的变化关系，从而影响强度的提高。
罗杰(Rodger)等人曾对加入不同掺量有机高聚物的MDF水泥进行各种测定，发现在低掺入量时，聚乙烯醇(PVA)对高铝水泥的MDF材料的凝结起阻滞作用(例如加1.6%PVA可使水化放热峰推迟到40小时左右)，但是当聚合物掺量增加时，一方面量热计第一峰出现时用XRD鉴别并无CAH10和C2AH3等水化产物出现；另一方面，如果用惰性的砂子替代高铝水泥则不出现第一放热峰。这就说明在高聚物和高铝水泥之间可能发生了某种化学反应。用红外光谱进行测定后发现，高铝水泥中铝羚基化离子AL(OH)4可能如同硼离子[B (OH)4]相同，能与聚乙烯醇(PVA)反应形成复杂的玻璃质交错联接的聚合物相[9]。
因此，MDF水泥材料中实质上发生上述聚合物凝胶化和金属离子水解两种反应的竞争。由这一竞争反应可见选用合适的有机物对制备MDF水泥是十分重要的。
综上所述，聚合物水泥基复合材料之所以具有超高强度，特别是超高剪切强度，消除体内大缺陷仅是因素之一，而更重要的是低孔率下有机物与无机材料起络合反应，进而凝胶化，提高了材料的综合力学性能。
第六章 结论
（1）普通水泥有许多自身难于克服的缺陷，采用复合材料技术，是未来水泥发展的必然趋势。
（2）在许多特殊领域，比如军事、大跨度桥梁、超高层建筑等，如果仅靠普通水泥，是不能胜任的，这时，就不得不要应用到水泥基复合材料技术。
（3）由于向水泥中加入不同的混合物或者混合物的颗粒半径不同，则可以得到不同性能的水泥基复合材料。因此，水泥基复合材料的应用领域是非常广泛的。
（4）在建筑行业需要大量使用水泥，因此，水泥基复合材料的前途还是非常美好的。
（5）作为一名工程技术人员，我们应该学好科学技术，将来去研究祖国和人民最需要的技术，而不是去研究最赚钱的技术。
参考文献
[1]：陕西省土木建筑学会建筑材料科学技术委员会编，《1999 年陕西省高强性能混凝土学术研讨会论文集》，1999年
[2]：俞乔珍，熊杰。纤维水泥基复合材料研究的若干问题探讨。浙江工程学院学报，2002.19（4）：254～259
[3]：沈荣熹。纤维混凝土。北京：中国建筑工业出版社，1995：881～927
[4]：刘文彦。水泥基复合材料在冲击载荷下的力学响应和纤维的桥联行为研究：[博士论文]。合肥：中国科学技术大学，1999
[5]：中国建筑科学研究院混凝土研究所主编，《混凝土实用手册》，中国建筑工业出版社，1987年
[6]：陈小峰。100Mpa高强水泥基复合材料的试验研究。西安：西北工业大学硕士学位论文，2004
[7]：杨海燕，李劲，叶齐政等。钢纤维混凝土的吸波性能研究[J]。功能材料，2002，33(3)：341～343。
[8]：张庆兴。聚合物特种水泥基复合材料的研究[D]。天津：天津轻工业学院硕士学位论文，2000。
[9]：S.A.Rodger 'Reactions in the setting of highStrengrhCementPastes'Mat.Res.Soc.symp.Proc.Vol42.P45~51
