水泥基复合材料是以水泥为胶结剂,结合各种集料、外加组分而形成的水硬性胶凝材料,它包括各类水泥制品和混凝土。先进水泥基复合材料(advanced cement based composite,ACBC)是通过组成、结构优化设计,采用先进技术制备而成的具有优异性能的新型高技术水泥基材料。普通水泥基材料由于强度低,脆性大、耐久性差的突出问题,其使用效能受到限制,也难以适应和满足当今社会发展、科技进步对材料的新要求。与普通水泥基材料相比,先进水泥基复合材料具有强度高、韧性好、耐久性好以及性能可设计的优点。研究和开发新型高性能水泥基材料一直都是本领域科学研究和创新的主要内容,先进水泥基复合材料正是当前本领域研究的重点和技术应用的难点。 先进水泥基复合材料按制备特点和应用方式可分为两大类:一类可称之为制品材料,如无宏观缺陷水泥(MDF)、活性粉末混凝土(RPC)、均布超细粒致密体(DSP)、化学结合陶瓷(CBC)等,它们大都是在实验室或车间里制备,主要用做水泥和混凝土的预制成品,目前该类材料大多尚处于研究和试验阶段,这类材料的制备工艺较复杂,成本高,实际的应用还比较困难;另一类可称之为工程材料,如纤维水泥混凝土(FC)、聚合物水泥与混凝土(PC)、密实配筋混凝土复合材料(CRC)以及各种功能型水泥混凝土材料等,这类材料可根据设计要求和工程条件,在现场进行材料的制备和工程施工。这类材料虽然有一些应用报道,但因其技术难度大,材料性能不稳定,目前在大规模应用上还有一定困难。 近些年来一些发达国家已竞相开展先进水泥基复合材料的研究,提出了许多新概念和新方法。但目前大多数工作仍停留在理论研究和试验阶段,所开发的材料也没能在工程上得到有效应用。其原因主要是制备工艺比较复杂或在性能上存在以下不足:①聚合物增强水泥基材料有耐水性差和容易老化等问题,且其成本昂贵;②纤维增强水泥基材料有纤维和水泥两相不相容、结构不均匀和制备困难问题;③宏观无缺陷(MDF)水泥基材料存在强度倒缩和制备工艺复杂问题;④DSP水泥基等材料采用超细粉和压力成型,虽可提高强度,但脆性问题更加突出。先进水泥基复合材料的主要技术难点和需要解决的技术关键是:①材料设计、制备和应用缺乏相关系统的理论指导;②材料的强度和韧性尚需显著提高;③材料后期性能稳定和耐久性问题应得到根本解决;④制备及施工工艺应具有可行性和明显的性价比优势。 本书是作者团队近二十年来开展先进水泥基复合材料系统研究与实践的成果总结。作者围绕材料的设计与制备原理、材料的增强机理、工程应用技术的难点和关键进行了深入系统的研究,取得了一系列理论和技术的创新性成果:①在研究方法上取得创新,运用先进测试技术与分析方法,研究证实了先进水泥基复合材料的增强机理、优异的复合结构与性能;②研究提出先进水泥基复合材料界面增强机理,确立了聚合物的选择原则,为材料组成设计提供理论依据;③研究确定了聚合物在复合材料中的多重作用机理,实现聚合物用量(含富余用量)的精确控制;④掌握增强纤维的参数优化等材料性能和结构优化设计技术,开发出增强纤维的表面处理以及与基体的结合技术方法;⑤发现并证实多相互穿网络结构,提出空间结构优化的设计原则与方法;⑥提出通过有效提高材料韧性和稳定性,根本解决材料的耐久性的技术方法;⑦开展了相应的制备工艺研究,进行了大量工程应用的技术推广工作,在材料性能和实际工程应用上取得了重大突破,取得了显著的经济和社会效益。 先进水泥基复合材料,由于实现其性能的可设计性,除主要作为性能优异的建筑材料外,还可在更广泛的工程领域应用,例如,用于制作价格低、能耗低和性能好的功能制品材料。目前这方面的应用研究工作正在进行中,可望在不久的将来取得更大的突破,这必将大大提高传统水泥及其制品材料的使用效率,拓宽其应用范围,该材料和技术具有极大的推广、开发潜力。 本项目的研究和应用成果,已在Cement and Concrete Research、Advances in Cement Research、Cement and Concrete Composites、Materials and Structures、Journal of Wuhan University of Technology、《硅酸盐学报》、《水泥与混凝土制品》、《建筑材料学报》等国内外著名学术刊物和国际学术会议上公开发表研究论文百余篇,其中六十余篇被SCI和EI收录。 本书所介绍成果已在较大范围内进行了实际工程应用。包括重点工程的桥面结构、柔性桥面材料设计、桥面铺装层材料设计与制备、高速公路路面修复、水泥混凝土构件修补以及特种高性能混凝土和高技术水泥制品的研制开发,并取得了显著的经济效益和社会效益。 本项目已获得国家科技进步二等奖(高性能水泥基复合材料研究及其工程应用开发,2001)、湖北省科技进步一等奖(高性能结构轻集料混凝土的研究及其工程应用,2007)、中国建筑材料协会——硅酸盐学会技术发明一等奖(大跨度拱桥结构钢管高强膨胀混凝土制备技术及应用,2006)、湖北省科技进步奖二等奖(纤维增强新型聚合物水泥基复合材料研究,2000)、国家建材部级科技进步二等奖(聚合物水泥基复合材料及其界面研究,1998),已获相关国家发明专利授权二十多项。