水泥基复合材料

Z09016139 翟景林

提要 高性能水泥基复合材料既是在近代科技成就的基础上发展起来的，又将在高新技术工程领域中开发应用。本文对近年来出现的几种高性能水泥基复合材料进行了初步阐述。

关键词 高性能水泥基复合材料 研究 发展 状况

1.何谓APCC

8O年代以来，在水泥基复台材料领域先后出现了MDF、DSP、HPC和CBC等一系列新型水泥基复合材料，我们将这些材料统称为高性能水泥基复合材料(AdvancedPerformanceCement—basedComposites，简称APCC)。

2几种APCC溉述自1981年Birchall等人制备出用MDF材料做成的弹簧以来，APCC材料受到了水泥基材料科学界的广泛关注，并得到了较大的发展。

2.1MDF材料

本世纪80年代初，牛津大学的Birehall第一次发表了关干MDF材料的论文，并用它制备出了世界上第一根水泥弹簧，在水泥基材料学术界引起了极大地震动。所谓MDF即无宏观缺陷材料。

在该材料领域，我国也开展了不少工作湖南省建材研究设计院王卉等人利用铝酸盐水

泥，掺杂有机聚合物制备出了抗折强度达70~120MPa的弹性水泥材料。并已用于制造抗静电地板。

MDF材料由于其抗弯强度、断裂韧性、不易燃、良好的电性能、低温性能和声学性能而有别于其他工程材料。在声学领域，该材料有可能被用来制作扬声器的机壳、唱盘和高保真原件。在低温方面可作为低温液体容器；在电性能方面，由于其良好的放电起始电压和耐电压强度、抗电弧和合适的表面阻抗，有可能用来制造电弧隔板和保险丝管；在防护用品方面，正在广泛开发的是用怍人员和交通工具的护甲、建筑隔板和高危地区的杀伤保护装置。

然而，MDF材料在其潜在应用范围不断扩大的同时，也存在着亟待解决的一些问题：

(1)MDF材料中的聚合物在水中或潮湿环境中吸水溶解而发生软化。导致材料的强度和弹性摸量降低。例如，以高铝水泥和聚乙烯醇配制的MDF材料在相对湿度为0%的环境中会失水，而在相对湿度为58%的环境中则会吸收水分，吸水量随着聚乙烯醇的含量增加而提高。

(2)材料体内仍有相当的水泥熟料矿物没有发生水化反应，这些未水化的水泥熟料颗粒是导致MDF材料耐久性不良的潜在因素。

2．2DSP材料

1982年Bache等人第一次报道了DSP材料，它的全称为高致密水泥基均匀体系。该材料为70～80%水泥和20～30%平均尺寸只有0。1～0．2um的超细材料组成的致密和高强的胶结材料。应用高效分散剂使超细颗粒材料在水泥颗粒间的孔隙中均匀分布，从而

保证了水泥紧密的堆积DSP材料的抗压强度可达到

345MPa

据报道，DSP材料在许多国家申请了很多应用性专利，该材料及其制品正被丹麦的DensitA／S和美国的Elhorg制造公司(TechnologyCo.)逐步推向市场。该材料最早用作水泥基材料在腐蚀介质中的表面保护层。随后，材料又被尝试用于更为尖端的领域。这种新的复台材料基本上可以很好地用来替代铸石、橡胶和钢材用作衬里材料。这种材料甚至已被成功地用于工业化生产工程零件，如螺丝刀、水泥磨的勺式喂料装置和生产车床的冲压模具等。这种复合材料的抗压强度约为结构钢材的一半，抗弯强度约为其抗压强度的十分之一，强度与密度的比值要比钢材大很多，这种材料将有可能用来建造今后的桥梁和塔体。DSP材料目前所存在的主要问题是该材料的高脆性，这将会使该材料从基层材料上剥离。另外，DSP材料中也存在着大量未水化的水泥熟料颗粒，虽然该材料具有很高的抗渗性，可以防止水分的进入，而且这些未水化熟料颗粒还可起到集料填充作用，但还是为其耐久性造成了潜在的威胁。

2．3HPC材料

1990年5月在美国马里兰州，由美国国家标准与工艺研究院(NIST)与美国混凝土学会(ACI)主办的讨论会上，HPC(HighPerfomanceConcrete)材料，即高性能混凝土材料被定义为具有所要求的性能和匀质性的水泥基材料。HPC材料要求具有高的强度、好的和易性与优异的耐久性。HPC材料的强度和耐久性等性能可细分为：早强、高弹模、高抗压、高抗拉，单位重量的强度高(即轻质高强)、高耐久性、低渗透性、抗冲耐磨、体积稳定、护筋抗锈、抗化学侵蚀、粘附力强、好的韧性和断裂能量。具有以上多种性能优势或突出某种特性，就有可能在重要工程或特种用途上发挥作用。根据实际工程的要求，不同的学派对HPC材料的看法有所不同：

(1)以Mehta为代表的美国与加拿大学派，强调的是硬化后混凝土材料的性质。Mehta认为对于近来建造的暴露于腐蚀性环境中的混凝土结构物，其受腐蚀的速率之快表明，抗压强度指标已不足以保证其长期耐久性，而耐久性应放在HPC材料性能

的首位。

(2)以冈村为代表的一部分日本学派认为高流态、免振自密实的混凝土材料就是HPC材料。也就是说他们强调的是新拌混凝土的性质。

(3)大多数学者及工业界强调的仍然是高强、超高强与高流态混凝土。日本建设省综合技术开发计划“钢筋混凝土结构建筑物的超轻量与超高层技术的开发”(简称新RC总计划)，从l988年开始为期五年的工作，其结果受到了人们的普遍关注。

日本三菱材料株式会社开发了一种超高强、耐磨的混凝土，使用硅灰、高性能减水剂、

特殊的天然骨料，成型后蒸养16小时脱模、混凝土脱模强度述140MPa。按照ASTMC666方法进行抗冻试验，重量损失小于0．2%，耐久性系数97；此外耐磨耗性明显地提高，按雷氏磨耗试验法测定．耐磨性比普通的混凝土提高1O倍。

HPC材料相对其它水泥基材料来说，水灰比低，浆体粘度大，流动慢，且坍落度相同时振动捣实所需时间长。因其水泥用量大，水化热大，混凝土材料的绝热温度升高，初期温度高会使长期强度偏低．需加深对不同早期温度和长期性能关系的了解。

HPC材料由于其高强、高流动性和优异的耐久性，将被广泛地使用于超高层建筑、桥梁、隧道、大坝电站、海洋港1：3工程等重大混凝土工程建设中。但是，由于HPC材料制备工艺比较复杂，难于操作，同时其造价较高，因此目前在我国并未大量推广。

2.4CBC材料

所谓CBC材料，即化学结合陶瓷(ChemicalLyBondedCeramics)材料，就是在相对较低的温度条件下采用适当的工艺，通过化学反应得到的具有与陶瓷相近似性能的一种高性能水泥基复合材料。这是一种借用陶瓷的生产方法进行水泥的化学反应所得到的水泥基材料，它的出现是对传统的水泥混凝土生产工艺的一种挑战。CBC材料是通过其内部固相间在较低温度，如300至400摄氏度时产生化学反应形成新的化学键来制各的，不象普通陶瓷制品那样须在高温时发生热扩散或部分熔融。

在高技术电子陶瓷和结构陶瓷材料领域，人们正在不断努匀通过溶胶一凝胶过程来合成细粉，以期获得比传统的制各陶瓷方法具有更低结晶温度和更为致密的陶瓷结构D．M．Roy等首次制备高活性的Ca2SO4。粉料用于合成CBC材料。随后，T．Na—gira等通过金属有机物的分解在700度的煅烧温度下台成了比表面积大于50m2／g的CaO—

SiO2系统的粉末材料所制备的粉料具有较高的水化活性．在60℃下通过对粉料单轴向施压可制备致密高强的CBC材料。c．H．Page等经过更进一步的研究，开发出了一种使用溶胶一凝胶技术生产水泥基复合材料的工艺。

广义的CBC材料是一类水泥基材料的总称除上述用常规技术和溶胶一凝胶技术制备的CBC材料外，磷酸盐胶凝材料、碱盐激发矿渣或铜渣水泥材料、氯氧镁水泥材料、钙矾石基水泥材料等都属此类。CBC材料中的磷酸镁氧水泥材料长期接触大量水时会出现强度倒缩的现象，现阶段该材料只在小范围内使用。氯氧镁水泥材料也存在着类似的问题。磷酸镁氧水泥材料还存在水化热大和水化时放出H2S、NH3气体两大缺陷。

3APCC研究发展动态

随着高性能水泥基复合材料研制的启动，世界各国纷纷投入人力、物力和财力参与了这场高技术的竞争，特别是一些工业发达国家，在这场高技术竞争中走到了前面。美国国家科学基金会早在19年就首批投资1000万美元建立了“高级水泥基材料科技中心(Center of science Technology of Advanced Cement—based Materials，简称ACBM。这是美国国家科学基金会所确定拨款建立的11个科技中心之一，该中心将综合运用土木工程、材料科学、力学、化学、物理、物理化学、应用数学、地质学、土壤学等多学科的专业技术，来开发研究具有高性能的新一代水泥基复合材料。此类新开发的水泥基复合材料将具有更高的强度和更轻的自重，而且成本低廉，能源效率高。既可用于新建的工程，也可用于现有工程结构的修复与修补如公路、桥梁、电站和废物处理系统等。在美国今后的20年，用于修复这些以水泥基复合材料建造的工程结构，其费用估计将达数万亿美元。因此，美国国家科学基金会认为对高性能水泥基复合材料进行综合的基础的研究是非常必要的。据有关资料报道，在今后的数年间，美国还将投资近2．16亿美元，其中1．74亿美元用于高性能混凝土(HPC)材料的研究，另外0．42亿美元用于HPC材料的技术转化。

在加拿大，高性能水泥基复合材料的研究和开发也得到异常重视。由加拿大投资2．4亿加币(约合

2

亿美元)，成立了“优质混凝土科研网(Net—

workofCentreofExcellence0nHigh-PerformanceConcrete)该科研阿隶属于加拿大国家自然科学技术基金委员会，它集中了目内七所大学和两家公司的科研力量，旨在研究和开发优质混凝土材料及其应用技术。据最新消息表明，在1994～l998年由国家自然学技术基金委员会确定的十大科研网的第二阶段追加投资计划中，加又投入550万美元用于该项目的研究与开发继续工作。日本口也投入了大量人力和财力对高性能水泥基复合材料领域进行着非常活跃的研究。目前，他们正致力于“新型增强混凝土(NewReinforcedConcrete)”计划项目。据报道，在日本已开发出高性能混凝土材抖的制备系统。据称日本已开发研制出耐久性可达500年以上的高性能水泥基复合材料；。挪威已投资500万美元，用于高性能水泥基复合材料的研究，该项为期四年的项目研究领域主要涉及下述四个方面65～l05MPa的水泥基材料的性能；混合材的组成对水泥基材料性能的影响；水泥基材料测试方法的研究；研究成果向建筑工业的技术转化在瑞典，正在进行着一项为期六年(1992～1998年)的研究计划，该计划将包括水泥基复台材料的三个研究领域的至少18个项目。与此同时，法国也正在制定一个“混凝土新方向(NewDirectionsinConcrete)”研究计划。欧洲经济共同体(EEC)有一个被称为“Brite”的高性能水泥基复合材料研究项目．该项目将以丹麦为中心，形成一个包括其它EEC成员国研究人员的大规模科研协作网。

4结语

水泥材料应用广，需要量大，其传统工艺易于掌握，已成为当代最大宗的人造材料。但由于数十年来技术进步较慢，水泥材料一直被视为低技术材料。近年来建筑工程对水泥材料提出了愈来愈高的要求，水泥材料为了满足这些要求，在性能方面有了很大提高。但是，由于这些材料本身的高度复杂性和建筑工程等不断提出更高的要求，进一步的研究开

发工作必须紧密依靠当代高科技成就，并将在高科技领域中找到更多应用，发挥更大作用。

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