水泥基复合材料结构与性能的关系的研究

摘要：由于高层建筑出现，要求结构材料高强度、高耐久性和高工作性，原只强调高强度的概念已呈局限性。工程用水泥基复合材料以微观力学与断裂力学为理论支撑，达到超高韧性、阻裂、抗冲击、耐疲劳等普通水泥基材料不具备的特性。本文对不同钢纤维含量的水泥基复合材料进行抗弯试验，测试了其力学特性。本文试图通过较全面地阐述水泥基复合材料的结构与性能的关系，寻找改善材料性能的方法，以获得具有较奸综合性能的水泥基复合材料。

关键词：水泥基复合材料；材料结构；材料性能

工程用水泥基复合材料于上世纪90年代问世，具有应变硬化特性和多缝开裂特征的一种新型的工程用水泥基复合材料。复合材料性能不但取决于原材料的性能，还与原材料配备和复合材料制作过程而形成的材料结构有关。因此，可将该材料应用于金属的腐蚀防护，制成长效的隔离型防腐材料。文中将聚合物水泥基复合材料涂覆至金属铁板上，探讨了该材料的防腐效果和耐腐蚀性能，为其在防腐领域的应用提供实验依据。

1.水泥基复合材料性能与结构的关系

水泥基复合材料基本力学性能和材料特性关系密切，需要通过几个方面来进行解读。水泥基复合材料的性能主要体现在强度、抗渗性、抗冻性、抗蚀性和抗碳化这五个方面。其中混凝土与钢筋之间的粘结性能是保证二者协调变形、共同受力的基础，是影响钢筋混凝土结构使用性能的重要因素，是其强度性能的主要体现，直接拉伸试验是验证水泥基材料是否具有应变硬化特征的有效方法。硬化过程的收缩主要是由水泥胶体的凝缩和水分蒸发导致的，因此提高养护湿度和尽可能减少水泥用量、砂浆厚度，可减少水泥砂浆的收缩量，有助于减缓材料的硬化速度，保证材料的性能。除此之外，水泥基复合材料具有较高的受压韧性和塑性变形性能以及开裂后的荷载承受能力，在冲击荷载作用下损伤小，整体性好，能量耗散力强。因此材料本身具有可靠性和安全性，可以用在锚杆锚固端、预留孔等应力集中部位，能够避免传统水泥基材料脆性破坏的发生，是一项突破性的性能。材料的收缩和抗裂性与结构的耐久性能密切相关，因此在保温方面远优于混凝土和砂浆。这就是水泥基复合材料之所以能在国际上广泛应用的几个重要因素。

2.孔隙的形成及其对水泥基复合材料性能的影响

水泥基复合材料的孔结构与其宏观物理力学性能密切相关。孔结构的研究对掌握水泥基复合材料的本质具有重要的价值，并可为设计新一代水泥基复合材料提供理论依据。多孔固体材料的强度与耐久性等物理性能主要取决于孔结构，因此评估多孔材料的孔结构特征对于准确地了解材料的性能相当重要。孔按成因可分为凝胶孔、毛细孔、沉降缝隙、水隙、收缩孔、气泡、余留孔七个方面。其中沉降缝隙、水隙、收缩孔、余留孔均位于骨料与砂浆界面的过渡区；从微观角度讲，毛细孔、水隙和收缩孔对水泥基复合材料性能较为不利。为解决这问题，应着手于改善过渡区的结构状况，减少拌合料用水量和提高拌合料保水能力。抗渗性主要取决于渗水通道多寡和顺畅与否，即材料的孔隙体积、孔径大小、孔的连通和水通过的流畅程度，故减少孔径对提高材料的抗渗性更为有效。由此我们得出结论，孔结构及防水处理对孔结构的影响十分重要，并且孔连通性对液体传输性能也有很大影响。孔的体积、孔的特征和孔周的强度甚至影响了水泥基复合材料的抗冻性。当孔为小孔时，能保护材料不会因结冰膨胀而破坏；当孔的间距小时，被结冻膨胀挤压或在热平衡、化学平衡作用而发生迁移的水就可由邻近的孔承受。材料内部存在的孔隙，只要孔间距小，而非密闭孔又是以小孔为主时，就会有较高的抗冻性。其次孔隙率和孔结构也影响材料的性能，孔隙率越大、大孔径孔越多，材料的性能尤其是抗压性能越差。碳纳米管水泥复合材料的孔隙率和大孔径孔的含量低，因而其抗压性能好；而碳纤维水泥复合材料的孔隙率和大孔径孔的含量多，因此其抗压强度低。国内外已对水泥基复合材料结构与性能之间的关系作了大量研究。研究结果表明，总孔隙率、孔分布和抗压强度之间存在较好的相关关系。水泥基复合材料的抗压、抗折强度均随总孔隙率的增加而降低，强度和孔隙率之间存在较好的线性关系。同时也要考虑超细骨料较大的比表面积导致的总孔隙率的增加，及其对材料抗渗能力的不利影响。孔径分布和孔的形状对材料的强度有一定影响表现在孔径越小，抗压强度越高。但有关孔形状、孔界面分形维数对强度的影响以及孔结构对抗折强度的影响极少有研究报导。

3.水泥基复合材料性能的改善

目前广泛使用的水泥基复合材料有其明显的缺点：抗弯、抗拉、抗震和抗冲击强度均较低，耐久性差。通过提高原材料质量来改善复合材料的性能，一般而言是可行的。但通过改变材料结构往往更为合理和有效。自 20 世纪 60 年代纤维混凝土问世以来，科学家们通过加入钢纤维、聚丙烯纤维、聚合物等提高了其延性，与普通混凝土相比大大提高了其抗裂性能和断裂韧性，水泥基复合材料基于这些纤维本身的延性不高，直接拉伸强度提高幅度也效果甚微，其极限拉伸应变只能达到 0.02%D0.03%。为了满足实际结构性能对所需材料特性的要求，科学家着手研究超高韧性水泥基复合材料。通过对裂缝宽度的控制可以明显提高混凝土结构的耐久性，远高于普通混凝土的抗冻能力，对于我国南方湿热地区具有良好的应用前景。超高韧性材料在结构中的应用领域主要是利用其超强变形能力、裂缝无害化分散能力和卓越的能量耗散能力。具有各种不同功能特点的超高韧性水泥基复合材料更易满足不同工程的需要，硬化状态下的高延性、施工的方便灵活性使其具有广泛的应用前景。最近几年，该材料在日本、美国、欧洲、韩国开始获得了较为广泛的工程应用，在应用中逐步展示了该材料的诸多优越性和应用优势。国内外学者主要围绕该材料的基本力学特性、耐久性和结构应用开展了较为深入的研究工作。随着超高韧性水泥基复合材料在国际上的广泛应用，我国也进一步借鉴并逐步推广使用，超高韧性水泥基复合材料在我国工程应用前景和还需要进一步开展研究工作。大致方向为广泛应用于混凝土重力坝和拱坝，碾压混凝土重力坝与拱坝河面板堆石坝的防裂防渗层，根据大坝混凝土体积大的特点，应进行功能梯度大体积功能复合结构的专门研究。在长大隧洞的衬砌结构也需要开展相应的研究工作。将水泥基复合材料和钢网架结合可制作大跨薄壳结构，即可提高钢网架耐腐蚀能力和防火能力又可以克服传统钢筋混凝土壳体自重过大的问题，可谓是一举两得。因此，我国应该加快水泥基复合材料在我国的推广和应用。

4.结语

界面性能对水泥基复合材料的性能特别是力学性能起着至关重要的作用。对于复合材料必须进行更加深入的研究，并且通过专家的努力，改善后的复合材料应更加适合于广泛应用于实际。使用复合材料对我国来说有重大的意义，其不仅将极大提高我国基础设施的使用寿命，甚至会开创节约能源，减少环境污染，带动节能降耗是我先河。建议国家科技部及其他专业部委科技主管部门给与必要的重视和推动。

参考文献

[1]田砾，张洪源，赵铁军，张玉娥，高 昆.防水处理对应变硬化水泥基复合材料孔结构的影响[J].理论研究.2012，（1）：1-9.

[2]李庆华，徐世R.超高韧性水泥基复合材料基本性能和结构应用研究进展[J].工程 力学.2013，26（2）：23-49.