1、第4章新型水泥基复合材料新型水泥基复合材料水泥混凝土的缺点水泥混凝土的缺点： 抗拉强度不足 收缩变形大 韧性差 抗裂性差复合材料定义定义： 两个或两个以上的独立物相，包含基体和增强体以宏观或微观形式所组成的固体材料，并与其组成物质有不同的性能。 特点特点：（1）发挥各种组成材料的优点（2）可根据性能需求进行材料的设计和制造（3）可制成所需的任意形状分类分类：（1）基体类型 金属基、水泥基（2）增强体外形 不连续、连续纤维增强复合材料、片状增强复合材料4.1 纤维改性水泥基复合材料优点优点：1.改善抗拉性能，提高抗折强度，韧性呈数量级增加 2.减少收缩和收缩裂纹 3.减小截面尺寸，使构件轻型化一
2、、纤维的分类1.弹性模量低弹性模量高弹性模量尼龙、聚乙烯、聚丙烯提高韧性、抗冲击性能;钢纤维、玻璃纤维和碳纤维改善强度和韧性;2.作用方式a短纤维b网状纤维c异形化纤维d表面涂层改性纤维 影响纤维增韧增强的因素：1.纤维种类;2.纤维的表面性能;3.纤维与基体界面的粘结强度;缺点：价格高、分散性差、与基体粘结强度低等。4.纤维的掺量;二、常见的纤维增强水泥基材料1.钢纤维钢纤维水泥基复合材料（SFRC） 20世纪60年代应用。 特点：抗裂、韧性和冲击较好。 钢纤维的类型，可按钢纤维的生产工艺、外形、截面形状、材料品质、抗拉强度及施工用途划分。 1）按钢纤维的生产工艺可分为： （a）钢丝切断型
3、（b）钢板剪切型 （c）钢锭铣削型 （d）熔抽型 这四种钢纤维的基本特征见表 （2）按抗拉强度可分为以下三级（依据纤维混凝土结构技术规程CECS382004的规定）：a380级（抗拉强度380MPa，600MPa）；b600级（抗拉强度600MPa，1000MPa）；c1000级（抗拉强度1000MPa）。 钢纤维在水泥基复合材料的应用钢纤维在水泥基复合材料的应用 在各种纤维增强水泥基复合材料中，钢纤维在提高水泥基复合材料的各项性能方面，效果最好。钢纤维增强水泥基复合材料已广泛用于公路路面、机场道面、桥面、防水屋面、工业地坪，以及水工、港口、海洋工程、隧道、涵洞、建筑结构、抗震及节点工程、国防
4、抗爆与弹道工程等。 实验研究和工程实践表明，钢纤维的长度为2060 mm，直径或等效直径宜为0.30.9 mm，长径比在30100范围内选用，其增强效果和施工性能可满足要求。如超出上述范围，经试验在增强效果和施工性能方面能满足要求时，也可根据需要采用。根据国内外工程应用经验，对一般浇筑、抗震框架节点及铁路轨枕等类结构的钢纤维增强混凝土，常用钢纤维几何参数选用范围如表 通常情况下，钢纤维增强混凝土的钢纤维体积率不宜小于0.5%，也不宜大于3%，以1%2%为宜。纤维间距理论纤维间距理论是1963年美国学者J.P.Romualdi和G.B.Baston在Griffith理论基础上提出来的。Griff
5、ith理论认为，一些脆性材料（如混凝土）之所以为低应变脆断，原因在于材料微结构的不均匀性和存在一定量的缺陷，如微裂纹或亚微裂纹及各种尺度的孔。当受到应力作用时，裂纹尖端产生应力集中，裂纹迅速扩展，裂纹的数量、长度、开度不断增加，最终导致裂纹贯通，形成大的裂缝而使材料结构发生崩溃破坏。 当在脆性材料基体中掺入纤维后，材料受到应力时，纤维的存在将会约束裂缝的引发和裂缝长度及开度的扩展，从而起到增强作用。Romualdi用图来说明纤维的这种作用。图表示连续纤维沿拉应力作用方向分布在基体中间，纤维间距为S，半长为a的裂缝存在于四根纤维所围成的区域中心。材料在受到拉伸时，拉伸应力在纤维上产生的粘结应力分
6、布在裂缝端部附近，从而对裂缝尖端产生反向应力场，降低了裂缝尖端的应力集中程度，使裂缝的扩展受到约束，裂缝端部的扩展力减少，材料的强度特别是韧性得到增加。纤维的这种对裂纹扩展的约束作用与纤维之间的间距和纤维的数量有密切关系。纤维间距越小，单位体积中的纤维数量越多，这种作用就越有效。 钢纤维增强作用机理示意图钢纤维增强作用机理示意图 钢纤维混凝土搅拌试验钢纤维混凝土搅拌试验 喷射试验喷射试验钢纤维在桥墩工程应用中钢纤维在桥墩工程应用中 钢纤维在隧道中的应用钢纤维在隧道中的应用 水利枢纽工程三峡大坝水利枢纽工程三峡大坝水利工程的面板水利工程的面板钢纤维砼桥面大修施工钢纤维砼桥面大修施工 2.2.玻璃
7、纤维增强水泥基复合材料玻璃纤维增强水泥基复合材料(GFRC)(GFRC) GFRC广泛应用非承重或半承重制品，特别适用于包裹钢结构来提高其防火性能。 GFRC可抑制开裂，配置在GFRC中的高强钢筋，能够有效地避免锈蚀，可用于受动力作用的领域，如设备基础、海上构筑物等。 玻璃纤维以石英砂、石灰石、白云石、石蜡等组分并配以纯碱、硼酸等，有时为简化工艺和获得预期的性能还适当掺入TiO2、ZrO2、Al2O3等氧化物来制备各种玻璃后，经熔融窑熔化拉丝而成。 玻璃纤维是复合材料中目前使用量最大的一种纤维，是高新技术不可缺少的配套基础材料。玻璃纤维具有原料易得、拉伸强度高、断裂伸长低、弹性模量高、防火、防
8、霉、耐热、耐腐蚀和尺寸稳定性好的优点，是一种常用的性能优良的增强材料。玻璃纤维最主要的缺点是脆性大和不耐磨、因此，它的复合材料制品也往往具有上述缺点。玻璃纤维的分类玻璃纤维的分类 玻璃纤维的品种很多，一般可按玻璃原料中的含碱量、单丝直径、纤维外观和纤维特性等方面进行分类。 （1）按玻璃原料中的含碱量可分为：有碱玻璃纤维（碱性氧化物含量12%，也称A-玻璃纤维）、中碱玻璃纤维（碱性氧化物含量6%12%）、低碱玻璃纤维（碱性氧化物含量2%6%）、无碱玻璃纤维（碱性氧化物含量2%，也称E-玻璃纤维）。 （2）按单丝直径可分为：粗纤维（单丝直径30 m）、初级纤维（单丝直径20 m）、中级纤维（单丝直
9、径1020 m）、高级纤维（单丝直径39 m，也叫纺织纤维）。 （3）按纤维外观可分为：连续长纤维（其中有无捻粗纱和有捻粗纱）、短切纤维、空心纤维和卷曲纤维等。 （4）按纤维特性可分为：高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、耐高温玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维、普通玻璃纤维（指无碱和中碱玻璃纤维）。玻璃纤维的用途玻璃纤维的用途 玻璃纤维可以制成各种制品，如无捻粗纱、玻璃纤维毡、短切原丝和磨碎纤维以及玻璃布等。连续玻璃纤维加纺织型浸润剂经过退绕、加捻、并股、络纱可制成有捻纱；有捻纱再经过并捻、织造加工进一步得到纤维绳、布和带。若加入增强型浸润剂，并经过并股、络纱可制成无捻纱，由此可进一步加工成粗纱
10、布、短切纤维毡和表面毡。 无捻粗纱是由平行原丝或平行单丝集束而成的。无捻粗纱按玻璃成分可划分为：无碱玻璃无捻粗纱和中碱玻璃无捻粗纱。无捻粗纱可以直接用于某些复合材料工艺成型方法中，如喷射用无捻粗纱、SMC（片状模塑料）用无捻粗纱、缠绕用无捻粗纱、拉挤用无捻粗纱、织造用无捻粗纱、预型体用无捻粗纱等。也可制成无捻粗纱织物（方格布），在某些用途中还将无捻粗纱短切。 玻璃纤维毡有连续纤维毡、短切纤维毡及表面毡。连续纤维毡加工简单，毡的力学强度大，生产效率高，质量均匀，适用于各种手糊制品及大型储罐，故其对复合材料的增强效果较短切毡好，主要用在拉挤法、RTM法、压力袋法及玻璃毡增强热塑料（GMT）等工艺中
11、。 短切纤维毡主要用于手糊、连续制板和对模模压和SMC工艺中。表面纤维毡表面纤维毡因其由富树脂制成，通常用于玻璃钢制品中。这类毡由于采用中碱玻璃（C）制成，故赋予玻璃钢耐化学性特别是耐酸性，同时因为毡薄、玻纤直径较细之故，还可吸收较多树脂形成富树脂层，遮住了玻璃纤维增强材料（如方格布）的纹路，起到表面修饰作用。 短切原丝主要用于玻璃钢中，可分为增强热固性树脂用短切原丝和增强热塑性树脂用短切原丝两大类。对增强热塑性塑料用短切原丝的要求是用无碱玻璃纤维，强度高及电绝缘性好，短切原丝集束性好、流动性好、白度较高。增强热固性塑料短切原丝要求集束性好，易为树脂很快浸透，具有很好的机械强度及电气性能。 磨
12、碎纤维是由锤磨机或球磨机将短切纤维磨碎而成，长度从0.080.20 mm不等。磨碎纤维主要在增强反应注射工艺（RRIM）中用作增强材料，在制造浇铸制品、模具等制品时用作树脂的填料用以改善表面裂纹现象，降低模塑收缩率，也可用作增强材料。 玻璃布可分为无碱和中碱两类。主要用于生产各种电绝缘层压板、印刷线路板、各种车辆车体、储罐、船艇、模具等，有时还用于生产涂塑包布以及耐腐蚀的场合。玻璃带则常用在制造高强度、电性能好的电器设备零部件中。耐碱网格布外墙保温作用耐碱网格布外墙保温作用玻璃纤维网格布在保温系统中起着重要的结构作用，玻璃纤维网格布在保温系统中起着重要的结构作用，主要防止裂缝的产生主要防止裂缝
13、的产生 ，在保温系统中起到，在保温系统中起到“软钢筋软钢筋”的的作用作用 。3.3.碳纤维增强水泥基复合材料碳纤维增强水泥基复合材料(CFRC)(CFRC)特点特点： 抗碱性能好、质量轻、耐高温、耐磨损、导电和导热性好、优良的生物稳定性。应用应用： 高层建筑、大桥、码头、河坝、耐火、防震、静电屏蔽、导电以及波吸收等。 碳纤维是由碳元素（C）组成的无机非金属纤维，含碳量按质量计不低于90%。其中含量高于99%的称为石墨化纤维。碳纤维与其他纤维相比，主要特点在于密度小，沿纤维轴向有很高的抗拉强度与杨氏模量，因而比强度与比模量均较高，同时还具有碳素材料的特性，诸如耐高温、耐腐蚀、耐磨与导电等特性。
14、碳纤维的分类碳纤维的分类 （1）按原料不同分为粘胶纤维基、聚丙烯腈基、沥青基、酚醛基碳纤维； （2）按制造方法不同分为有机前驱体碳（石墨）纤维和气相生长碳（石墨）纤维两大类； （3）按热处理温度和气氛介质不同分为碳纤维（8001600 ；N2，H2），石墨纤维（20003000 ；N2或Ar）和活性碳纤维（7001000 ；水蒸气或CO+ N2，水蒸气+O2或CO2） （4）按力学性能不同，分为通用级（GP，拉伸强度低于1.4 GPa，模量小于140 GPa）和高性能（HP）两大类；其中高性能有分为中强型（MT）、高强型（HT）、高模型（HM）、超高强型（UHT）和超高模型（UHM）等品种。
15、（5）按功能不同，分为结构用碳纤维和功能用碳纤维（耐磨、导电、润滑等）； （6）按制品可分为超细短纤维（晶须），长丝（含不同K数的束丝和单纱），束丝短切纤维，织物（布、带、绳）、编织品（三向及多向织物，圆筒管等）以及无纺布（无纬布、毡、纸）等多种形态的碳（石墨）纤维增强体。碳纤维的制造方法碳纤维的制造方法 碳纤维的制造方法分为有机纤维法和气相生长法两大类。有机纤维法 有机纤维法主要采用有机纤维为原料，迄今为止，制备碳纤维用的原料纤维主要有三种，即粘胶纤维、聚丙烯腈纤维与沥青纤维。气相生长法 气相生长碳纤维（Vapor Grown Carbon Fibers，VGCF）是以低碳烃类为碳源，过渡金
16、属等超细粒子为催化剂，在氢气还原性气氛中使其烃类热解（1100左右）成碳而制得纤维状产物。气相生长碳纤维时，碳源主要采用苯、甲烷等有机化合物，催化剂主要采用过渡金属铁、钴、镍等及其它们的合金、化合物等，反应在还原性气氛中进行，反应温度为10001100 。 碳纤维的性能碳纤维的性能 碳纤维具有低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高热导、低热膨胀、耐化学辐射等优良特性。此外，其还具有纤维的柔曲性和可编织性，比强度和比模量优于其他纤维增强材料。 碳纤维的应用碳纤维的应用 碳纤维的主要用途是作为新型复合材料的增强材料。由于其优良的综合性能，如低密度、耐热、耐化学腐蚀、耐摩擦、耐热冲击
17、性能和导电、导热、抗辐射、良好的阻尼、减震、减噪、可编织等，碳纤维及其复合材料已经广泛应用于航空航天、国防等军事尖端领域以及交通运输、土木建筑、运动医疗器材、汽车工业等民用领域，正起着越来越大的作用。碳纤维及其复合材料在工业中的应用和特性如表9-7所示。 （1）用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层；卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件；航天飞机机头、机翼前缘和舱门等制件；哈勃太空望远镜的测量构架，太阳能电池板和无限点点像。用作主承力结构材料，如主翼、尾翼盒机体；次承力构件，如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等。此外还有C-C刹车片。 （2）交通
18、运输。用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件；船舶和海洋工程用作制作渔船、鱼雷快艇和巡逻艇以及赛艇的桅杆、航杆、壳体及划水浆；海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海有天的升降器和管道。 （3）运动器材。用作网球、羽毛球和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫球杆、自行车、赛艇、钓竿、滑雪板、雪车等。 （4）土木建筑。用作幕墙、嵌板、间隔壁板、强梁、架设跨度大的管线、海水和水轮结构的增强筋、底板、窗框、管道、海洋浮杆、抗震救灾用补强材料等。 （5）其他工业。用作化工用的防腐泵、阀、槽、罐；催化剂、吸附剂和密封制品等。在生体和医疗器材方面用作如人造骨骼、牙齿、韧带、调光机的床板和胶卷盒。用作纺织机用的剑竿头和
19、剑竿、防静电刷。在电磁屏蔽、电极、音响、减磨及防静电等材料也已获得广泛应用。4.4.聚丙烯纤维增强水泥基复合材料聚丙烯纤维增强水泥基复合材料大量聚丙烯纤维各方向均匀分布，形成一个纤维网；阻止了微裂缝的发展，控制了硬化状态下出现的裂缝的宽度和长度；增强水泥基复合材料的抗渗性；提高耐磨性和抗冲击能力；没有表面泌水和离析现象聚丙烯纤维增强水泥基复合材料聚丙烯纤维增强水泥基复合材料应应 用用无筋水泥混凝土；钢筋混凝土；加气水泥混凝土；喷射水泥混凝土；l码头、防波堤桥墩的维护和修复；闸墩施工中正在浇注掺聚丙烯纤维混凝土闸墩施工中正在浇注掺聚丙烯纤维混凝土 应用掺聚丙烯纤维混凝土技术建造的某工程雄姿应用掺
20、聚丙烯纤维混凝土技术建造的某工程雄姿 由纤维和基体组成形状：片材、板材、绳索、棒材或格状材料碳纤维（CFRP）、玻璃纤维（GFRP）、芳纶纤维（AFRP）特点：强度高、易于施工、剪裁方便5.5.纤维增强塑料（纤维增强塑料（FRPFRP） 普通钢筋强度设计值（普通钢筋强度设计值（MPa）种类符 号fyfy热轧钢筋 HPB 235（Q235） 210210 HRB 335（20MnSi） 300300 HRB 400（20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi） 360360 RRB 400（K20MnSi） 360360R钢筋弹性模量约为钢筋弹性模量约为2.1105MPa混凝土性模量约为混凝
21、土性模量约为0.220.38105MPa碳纤维加固碳纤维加固 芳纶纤维在桥梁加固工程中的应用芳纶纤维在桥梁加固工程中的应用 芳纶纤维在隧道加固工程中的应用芳纶纤维在隧道加固工程中的应用 定义： 在传统水泥基复合材料的基础上复合智能型组分，如把传感器、驱动器和微处理器等置入水泥基复合材料中，使水泥基复合材料成为既承受荷载又具有自感知和记忆、自适应、自修复等特定功能的多功能材料。6.6.智能水泥基复合材料智能水泥基复合材料损伤自诊断损伤自诊断水泥基复合材料温度自监控温度自监控水泥基复合材料导航导航水泥基复合材料调湿性调湿性水泥基复合材料自修复自修复水泥基复合材料主要智能水泥基复合材料主要智能水泥基
22、复合材料(1)(1)损伤自诊断损伤自诊断水泥基复合材料定义定义：将一定形状、尺寸和掺量的短碳纤维掺入到水泥基复合材料中，使水泥基复合材料具有感知内部应力、应变和损伤程度的功能。 压敏性压敏性：碳纤维水泥基复合材料的电阻率随着压应力的变化而变化。应应 用用对结构的工作状态在线监测；监测弹塑性变形及损伤；用于路面结构，监控交通流量和车辆荷载；碳纤维水泥基复合材料的温敏性。(2)(2)温度自监控温度自监控水泥基复合材料热电效应热电效应温差和温差电动势有良好稳定的线性关系对结构内部及环境的温度分布及变化进行监控电热效应电热效应施加电场时，水泥基复合材料温度升高机场跑道、桥梁路面的自动融雪和除冰 汽车上
23、的电磁波发射器向车道两侧的导航标记发射电磁波，经过反射，由汽车上的电磁波接收器接收，再通过汽车上的电脑系统进行处理，即可判断汽车的行驶路线。(3)(3)导航导航水泥基复合材料能够对环境湿度进行监测和调控把沸石粉作为调湿组分加入水泥基复合材料就可满足要求特点：优先吸附水分，水蒸气压力大的地方，其吸湿容量大；吸放湿与温度有关，温度上升时放湿，温度下降时吸湿。应用：在日本已用于实际工程中 此外，还可以在水泥基材料中加入驱动器材料，如形状记忆合金和电流变体。(4)(4)自调节自调节水泥基复合材料东京摄影美术馆定义定义：在水泥基复合材料中掺入某些特殊组分，如内含粘结剂的空心胶囊、空心玻璃纤维和液芯光纤，
24、使水泥基复合材料在受到损伤时部分空心胶囊、空心玻璃纤维和液芯光纤破裂，粘结剂流到损伤处，使水泥基复合材料重新愈合。(5)(5)自修复自修复水泥基复合材料健康监测健康监测智能混凝土的研究现状 智能混凝土最早可追溯到 20 世纪 60 年代当时苏联学者尝试以碳黑石墨作为导电组分制备水泥基导电复合材料。20 世纪 80 年代末，日本土木工程界的研究人员设想并着手开发构筑高智能结构的所谓“对环境变化具有感知和控制功能”智能建筑材料，1993 年在国家自然科学基金支持下，美国开办了与土木建筑有关的智能材料与智能结构的工厂。自 20 世纪 90 年代以来，国内外对混凝土在智能化方面作了一些有益的探讨，并取
25、得了一些阶段性的成果。相继出现了损伤自诊断智能混凝土、自适应自调节智能混凝土混凝土、自修复智能混凝土、具有反射和吸收电磁波功能的智能混凝土、温度自监控智能混凝土等。 1 损伤自诊断智能混凝土 混凝土本身并不具备自感知能力，但是在其中复合部分的导电成分，就可以使混凝土具备自诊断和感知的能力。所谓自诊断，是指混凝土能够通过自身物性的变化，来反应外界环境对自身的作用情况，并能作出材料安全与否的判断。这种判断通常是通过颜色变化、电学信号和声学信号的变化来反映出来。目前常用的导电材料有：聚合物、碳类和金属类。其中最常用的是碳类和金属类。金属类导电组分包括金属微粉末、金属纤维、金属网、金属片等；常用的碳类
26、导电组分有石墨、碳纤维和碳黑。其中国内外对于碳纤维智能混凝土的研究比较多，且取得了一系列的成果。比如在 1989 年，美国的D. D. L. Chung 发现将一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入到混凝土材料中，可以使混凝土材料具有自感知内部应力、应变和损伤程度的功能。 通过对材料的宏观行为和微观结构进行观测，发现材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的，如可逆电阻率的变化对应着材料结构的弹性变形，电阻率的不可逆变化对应着结构材料的非弹性变形甚至断裂破坏。据此，可通过碳纤维混凝土电阻率的变化来确定其处于安全、损伤或破坏的哪一阶段通过与碳纤维相连的计算机可直接反映所在结构部位混凝土的工作状态，实
27、现结构工作状态的在线监测。当结构内部应力接近损伤区或破坏区时，可自动报警。同时利用复合材料的敏感性可有效地监测拉、弯、压等情况以及在静态或动态荷载作用下材料的内部情况。比如当在水泥净浆中掺加0.5体积分数的碳纤维时，它作为应变传感器的灵敏度可达 00，远远高于一般的电阻应变片。 2 自适应自调节智能混凝土 混凝土结构除了正常负荷外，人们还希望它 在受到台风、地震等自然灾害期间，能够调整承载 能力和减缓结构振动。混凝土本身是惰性材料，要 达到自调节的能力，就需要在混凝土中复合具有驱 动功能的组合材料。常见的驱动功能的材料有形状 记忆合金SMA）和电流变体（ER）等。 20 世纪 90 年代初，日
28、本建筑省建筑研究所曾 与美国国家科学基金会合作研制了具有调整建筑. 结构承载能力的自调节混凝土材料。其方法是在混凝土中埋入形状记忆合金，利用形状记忆合金对温 度的敏感性和不同温度下恢复相应形状的功能，在混凝土结构受到异常荷载干扰时，通过记忆合金形 状的变化，使混凝土结构内部应力重分布并产生一 定的预应力，从而提高混凝土结构的承载力。 近年来，同济大学混凝土材料研究国家重点试 验室尝试在混凝土中复合电流变体，利用电流变体的流变特性（对电场的敏感性，即在外界电场的作用下，电流变体可于 0.1ms 级时间内组合成链状或网状结构的固凝胶，其黏度随电场增加而变稠到完全固化；当外界电场拆除时，仍可恢复其流
29、变状 态），当混凝土结构受到台风、地震袭击时调整其内 部的流变特性，改变结构的自振频率、阻尼特性以达到减缓结构振动的目的。 3 自修复智能混凝土 混凝土结构在使用阶段，由于受到各种荷载及作用的共同作用下，不可避免的发生各种各样的损伤，因此对混凝土的修复就成为大家重视的一个研究方向。模仿生物组织对受创伤部位能自动分泌某种物质，从而使受创伤部位愈合的机理，混凝土研究人员研制了自修复智能混凝土。自修复智能混凝土是在混凝土中加入某些特殊的成分，如内含粘结剂的空心胶囊、空心玻璃纤维或液芯光纤，使混凝土材料在受到损伤时部分空心胶囊、空心玻璃纤维或液芯光纤破裂，粘结剂流到损伤处，从而弥补混 凝土内部的缺陷，
30、使混凝土的裂缝重新愈合。 常用的修复剂有两种：一种修复剂是本身就具有粘结基体材料的功能。比如 Day C M 将装人化学药品的多孔玻璃纤维放置在混凝土中，如果混凝土因地震或其它应力而发生破裂，空心玻璃纤维就会破裂，释放出一种粘结剂阻止进一步的破裂。日本学者将内含粘结剂的空心胶囊掺入混凝土材料中，一旦混凝土材料在外力作用下发生开裂，部分空心胶囊就会破裂，粘结剂流向开裂处，可使混凝土裂缝重新愈合。 在 1994 年，美国伊利诺伊斯大学的 Carolyn Dry 将内注有缩醛高分子溶液作为粘结剂的空心玻璃纤维埋入混凝土中，使混凝土产生了自愈合效果。一种是修复剂本身不具备粘结基材的功能，但是当其与另外
31、的物质相遇时，能够发生化学反应，生成就有粘结功能的物质，从而具有粘 结基材的功能，实现混凝土裂缝的修复。 比如美国 学者采用采用磷酸钙水泥为基体材料，在其中加人 多孔编织纤维网，在水泥水化和硬化过程中，多孔 纤维释放出引发剂，引发剂与单聚物发生聚合反应生成高聚物。这样，在多孔纤维网的表面形成了大量有机及无机物质，它们互相穿插粘结，最终形成了与动物骨骼结构相类似的复合材料，具有优异的强度和延展性、柔韧性等性能。在混凝土材料使用 过程中，如果发生损伤，多孔纤维就会释放高聚物， 自动愈合损伤。4 具有反射与吸收电磁波功能的智能混凝土 随着电子信息时代的到来，各种电器电子设备的数量爆炸式地增长，导致电
32、磁泄露问题越来越严 重，而且电磁泄露场的频率分布极宽，从超低频(ultra low frequency 简称 ULF)到毫米波，它可能干 扰正常的通信、 导航，甚至危害人体健康。因此电磁 污染是影响我国城市化可持续发展的灾害之一。 在普通混凝土中加入导电增强介质诸如短切 碳纤维、钢纤维制成的智能混凝土能够反射和吸收电磁辐射，利用智能混凝土的这种特性可以研制 EMI 防护罩。在当今社会，电磁辐射已经成为社会污染的一个严重问题， 防护罩的重要性已经是 EMI显而易见的。在混凝土中掺入体积含量为 1.5、 直 径为 0.1 的短切碳纤维，其对 1GHz 电磁波的反射 强度为 40dB，要比普通混凝土
33、对 1GHz 的电磁波的反射强度高 10dB，且其反射强度比透射强度高29dB，而普通混凝土反射强度比透射强度低 3-11dB。研究表明，对碳纤维微丝经臭氧处理后再掺入混凝土中，不但能提高混凝土反射电磁波的能力，而且能提高混凝土的抗拉强度。采用这种混凝土作为车道两侧导航标记，可实现自动化高速公路的导航。汽车上的电磁波发射器向车道两侧的导航标记发射电磁波，经过反射，由汽车上的电磁波接收器接收，再通过汽车上的电脑系统进行处理，即可判断并控制汽车的行驶线路。采用这种混凝土作导航标记，其成本低，可靠性好，准确度高。 5 温度自监控智能混凝土 混凝土结构在温度的作用下，容易发生膨胀收缩变形，产生内应力，
34、这对建筑结构造成很大危害。因此对于那些对温度要求比较严格的建筑结构，就 需要对温度进行实时监测。 碳纤维混凝土具有很好的温敏性。一方面，含 有碳纤维的混凝土会产生热电效应 (即 Seebeck 效 应)。李卓球等(1998)首次报道了碳纤维混凝土的塞 贝克效应，在最高温度为 700C、最大温差为 150C 的 范围内，温差电动势与温差T 之间具有良好稳定 的线性关系。当碳纤维掺量达到某一临界值时，其 温差电动势率有极大值，如在普通硅酸盐水泥中加 人碳纤维，其温差电动势率可达 18V，将微细钢纤 维混凝土和碳纤维混凝土联结形成的水泥基热电 偶，其敏感度可以达到70V/0C。因此可以利用这一 效应
35、可以把碳纤维智能混凝土土制成热电偶，埋入 混凝土结构中，实现对混凝土结构内部和建筑物周 围环境的温度分布及变化进行监控。4.2 活性粉末水泥基复合材料 法国人皮埃尔理查德，将粗骨料剔除，根据密实堆积原理，用最大粒径400um的石英砂为骨料，制备出强度和其它性能优异的活性粉末水泥基复合材料。申请了专利，于94年公开。特点高强度高韧性低孔隙率原材料平均粒径在0.1um到1mm之间基本原理（1）提高匀质性A. 去除粗骨料，而用细砂代替；B. 水泥砂浆的力学性能提高；C. 消除了骨料与水泥浆体的界面过渡区；（2）增大堆积密度优化粉末水泥基材料的颗粒级配；新拌混凝土凝结前和凝结期间施压； 消除和减少气孔
36、； 多余的水分；（3）通过凝固后热养护改善结构；（4）掺钢纤维增加韧性；材料水泥细石英砂硅灰磨细石英石粉高校减水剂钢纤维制备拌和浇注加压成型养护 应 用预制结构产品；预应力结构；抗震结构领域；钢管混凝土领域；其它；4.3 地聚合物水泥基复合材料 法国教授Davidovits发现，耐久性的古建筑物中有网络状的硅铝氧化物存在，与一些构成地壳的物质结构类似，被称为土壤聚合物。 地聚合物水泥基材料是一种集早强、环保、耐久等优点于一体的新型绿色胶凝材料。化学成分与矿物组成生产工艺地聚合物水泥基材料以离子键、共价键为主；普通硅酸盐水泥基材料以范德华力和氢键为主；力学性能好耐高温隔热效果好；耐水热作用；有较高的界面结合强度；较强的耐腐蚀性和耐久性水化热低；体积稳定性好，化学收缩小；低CO2排放；应应 用用建筑工程；交通及抢修工程；有毒废料及核废料处理；艺术及装饰材料；储藏设施；地质聚合物的研究与应用发展前景.caj4.4 环境友好水泥基复合材料既能减少对地球环境的负荷，同时又能与自然生态系统协调共生，为人类构造舒适环境的混凝土材料。生态种植水泥基材料；海洋生物适应型水泥基材料；人工海底山脉；光催化水泥基材料；透水性水泥基材料；声屏障 ；吸声类；反射类 其它环境友好水泥基复合材料伊朗称研制出“智能混凝土”能抵抗美钻地弹.flv
