本發(fā)明涉及建筑材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超高強超高延性水泥基復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)：

盡管水泥混凝土在建筑材料領(lǐng)域具有諸多優(yōu)勢，卻仍存在著抗拉強度低、韌性差等不足。應(yīng)力作用下，當(dāng)混凝土產(chǎn)生第一條裂縫后即可迅速發(fā)生裂縫連通擴展，導(dǎo)致混凝土發(fā)生脆性破壞。目前各種纖維混凝土的研究和應(yīng)用已經(jīng)取得了豐碩的成果，在較大程度上解決了混凝土的開裂問題。為提高傳統(tǒng)纖維混凝土性能，滿足纖維混凝土對應(yīng)變硬化能力的需求，近幾十年來國內(nèi)外對于新型纖維增強水泥基復(fù)合材料的研究進展十分迅速，也促使研究人員對于現(xiàn)代纖維混凝土的概念有了新的認(rèn)識。美國密歇根大學(xué)的Victor C.Li教授和麻省理工大學(xué)的Leung教授于1992年提出了高延性水泥基復(fù)合材料(ECC)的設(shè)計理論并成功制備出可應(yīng)變硬化和多縫開裂的ECC。該理論基于微觀力學(xué)和斷裂力學(xué)基本原理，通過微觀力學(xué)的性能驅(qū)動設(shè)計方法，以亂向短纖維增強水泥基復(fù)合材料的纖維橋接法作為研究理論基礎(chǔ)，考慮纖維特性、基體特性和纖維/基體的界面特性及其之間的相互影響，建立了獲得材料準(zhǔn)應(yīng)變--硬化特性所需滿足的強度準(zhǔn)則和能量準(zhǔn)則。

近年來，隨著ECC理論研究和試驗研究的不斷發(fā)展，以及工程應(yīng)用實踐的不斷增多，發(fā)現(xiàn)ECC材料的性能只有當(dāng)其拉應(yīng)變能力穩(wěn)定達到3％以上時其應(yīng)變硬化性能才是穩(wěn)定的，在變形增長的過程中才能穩(wěn)定地伴有多條細(xì)密裂縫的產(chǎn)生，當(dāng)前每每提及ECC材料時都會表述其拉應(yīng)變能力超過3％，對應(yīng)為普通混凝土的150～300倍，普通纖維混凝土的30～300倍。綜上所述，最初的ECC是一種廣義的提法，而發(fā)展至今天的ECC材料僅指其中極限拉應(yīng)變能力穩(wěn)定地超過3％的超高延性水泥基復(fù)合材料。其具體定義為：使用短纖維增強，且纖維摻量不超過復(fù)合材料總體積的2.5％，硬化后的復(fù)合材料應(yīng)具有顯著的應(yīng)變硬化特征，在拉伸荷載作用下可產(chǎn)生多條細(xì)密裂縫，極限拉應(yīng)變可穩(wěn)定地達到3％以上。

已有大量的研究表明，混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化的快慢很大程度上取決于水、二氧化碳及氯離子等有害離子向混凝土內(nèi)部侵入的速度。在距今20多年的研究中，國內(nèi)外學(xué)者，針對ECC的基本力學(xué)性能和耐久性開展了大量的研究工作，在國內(nèi)，大連理工大學(xué)的徐世烺教授科研團隊和清華大學(xué)的張君教授研究團隊就高延性水泥基復(fù)合材料做了大量的研究工作，并取得了豐碩的科研成果。ECC在受力過程中，由于開裂處纖維的橋聯(lián)作用以及纖維與基體間傳遞應(yīng)力時裂縫能夠穩(wěn)定擴展，使得ECC表現(xiàn)出明顯的多縫開裂特性和應(yīng)變硬化行為，最大裂縫寬度甚至可以控制在0.1mm以內(nèi)，在干濕循環(huán)的狀況下，在水的作用下，裂縫會自我修復(fù)重新愈合，可有效防止外界有害物質(zhì)的侵入，ECC具有更好的力學(xué)性能和耐久性。因此，相對于傳統(tǒng)的纖維增強水泥基復(fù)合材料，ECC具有更高的延性、韌性、抗震、抗沖擊、抗疲勞、自修復(fù)、耐久性等優(yōu)勢。ECC材料的使用可大大提高建筑物的使用壽命、降低建筑物在服務(wù)年限內(nèi)的總造價，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。尤其在混凝土修補中,高延性水泥基復(fù)合材料的使用可大大降低由于修補材料收縮而導(dǎo)致的開裂及其引起的耐久性問題。

基于ECC優(yōu)越的性能，該材料在美國、日本和歐洲已有很多工程應(yīng)用實例，如橋面板修補、水壩維修加固、鐵路高架橋維修、無伸縮縫橋面板、蘇黎世火車總站擴建工程、鋼混雜結(jié)構(gòu)等。盡管已經(jīng)很多類型ECC被開發(fā)和利用，但上述的ECC幾乎沒有抗壓強度超過100MPa的，對于一些需要高強度稱重的建筑結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)有的ECC材料仍無法滿足結(jié)構(gòu)要求。盡管ECC的極限拉伸應(yīng)變可達3％～7％，但相對于高強混凝土來講，目前仍存在抗壓強度較低的缺陷。因此，在保持ECC高延性的同時，如何提高其強度成為近年來的研究熱點。紐約州立大學(xué)布法羅分校的Ravi Ranade博士將ECC基本理論運用于高強混凝土，成功制備出高強-高延ECC，其平均抗壓強度和極限拉應(yīng)變分別為160MPa和3.5％。而且在國內(nèi)，目前該領(lǐng)域的研究尚屬空白，能否就地取材成功研發(fā)出滿足國內(nèi)市場需求的超高強超高延性水泥基復(fù)合材料迫在眉睫。

本發(fā)明成功解決了上述問題，本課題組綜合利用微觀力學(xué)、斷裂力學(xué)和統(tǒng)計學(xué)的研究方法，經(jīng)過大量的實驗研究，成功制備出強度超過150MPa、延性達到5％的超高強超高延性水泥基復(fù)合材料，以滿足一些重要工程對水泥基材料強度和延性的雙重要求。

專利CN103664090A公開了“一種纖維復(fù)摻的高延性水泥基復(fù)合材料及其制備方法”，盡管該材料也具有較高延性，但該專利所列出的實施例的強度最高也只有78.6MPa，本專利所制備出的材料的抗壓強度均超過150MPa，本專利從設(shè)計理論、原材料選取到制備工藝等方面均和上述專利存在重大差別，根本無法通過上述專利所述方法進行推演或?qū)嶒瀬碇苽浔痉椒ㄖ械牟牧希景l(fā)明具有顯著的創(chuàng)新性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種超高強超高延性水泥基復(fù)合材料的制備方法，所制材料具有超高強度、超高延性、良好的抗凍性、低收縮、低吸水率等特點。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種超高強超高延性水泥基復(fù)合材料，該水泥基復(fù)合材料的抗壓強度超過150MPa，單軸拉伸荷載下的延性超過5％。

該材料組成為：拌合水用量用水灰比表示為0.17～0.23，纖維的體積百分含量為2.0～2.5％，其它組份由以下質(zhì)量百分含量的組分組成：水泥36％～57％，硅灰11％～21％，稠度調(diào)節(jié)劑5％～13％，粉煤灰5％～15％，砂子19～26％，硅灰分散改性劑0.021～0.043％，減水劑2.957％～2.979％。

所述的水泥為標(biāo)號為52.5級硅酸鹽水泥。

所述的硅灰為市售普通硅灰，其SiO₂含量大于92％。

所述的稠度調(diào)節(jié)劑為市售優(yōu)質(zhì)稠度調(diào)劑。

所述的粉煤灰為優(yōu)質(zhì)F類I級低鈣粉煤灰，其中游離CaO的質(zhì)量含量<1％。

所述的砂子為普通河沙，最大粒徑不大于600μm。

所述的纖維為聚乙烯纖維，纖維長度為6mm～12mm，直徑為12～39μm，彈性模量≧100GPa，極限抗拉強度≧2500MPa，斷裂伸長率2～6％。

所述的硅灰分散改性劑為KH551(3-氨丙基三甲氧基硅烷)、KH902(3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷)、KH792(N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷)、KH791(N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷)、KH602(N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷)中的一種。

所述的減水劑為聚羧酸系高效減水劑，其固含量≥40％，減水率≥40％。

一種制備上述的超高強超高延性水泥基復(fù)合材料的方法，包括如下步驟：

首先將按預(yù)定配合比稱量好的硅灰分散改性劑和減水劑與水混合，配制成溶液，然后將按預(yù)定配比稱量好的硅灰與上述步驟配置好的溶液在水泥砂漿攪拌機中混合，以140r/min的轉(zhuǎn)速慢攪1-2分鐘；然后依次加入按預(yù)定配比稱量好的水泥、稠度調(diào)節(jié)劑、粉煤灰、砂子，以140r/min的轉(zhuǎn)速慢攪1-2分鐘，再以285r/min的轉(zhuǎn)速快攪2-4分鐘；然后加入預(yù)先稱量好的纖維，以140r/min的轉(zhuǎn)速慢攪1-2分鐘，再以285r/min的轉(zhuǎn)速快攪4-6分鐘；然后取規(guī)格尺寸的模具，澆注振動成型，然后用抹子將其表面抹平，靜置12～24h后脫模，20℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28天或60℃～90℃蒸汽養(yǎng)護3天，即得超高強超高延性水泥基復(fù)合材料。

有益效果：本發(fā)明就地取材，成功制備出抗壓強度超過150MPa，延性超過5％的超高強超高延性水泥基復(fù)合材料，突破了ECC強度很難超過100MPa的瓶頸，為制備強度更高的ECC提供了有力證據(jù)和新的研究思路，而且作為一種新材料，同時又可以滿足一些重要工程對水泥基材料強度和延性的雙重要求。相對于普通的ECC來講，本發(fā)明意義重大，彌補了國內(nèi)超高強超高延性水泥基復(fù)合材料領(lǐng)域的空白。

附圖說明

圖1為實施例1的單軸拉伸測試結(jié)果示意圖；

圖2為實施例2的單軸拉伸測試結(jié)果示意圖；

圖3為實施例3的單軸拉伸測試結(jié)果示意圖；

圖4為實施例4的單軸拉伸測試結(jié)果示意圖；

圖5為實施例5的單軸拉伸測試結(jié)果示意圖。

具體實施方式

下面通過實施例進一步說明本發(fā)明。

單軸拉伸、抗壓強度、抗折強度測試：參照《高延性纖維增強水泥基復(fù)合材料性能試驗方法(草案)》中的相關(guān)測試方法進行測定。

線性收縮率、吸水率、抗凍性測定：參照J(rèn)GJ/T 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)測試方法進行測定。

實施例1

一種超高強超高延性水泥基復(fù)合材料，該材料的組成為：拌合水用量用水灰比表示為0.17，纖維的體積百分含量為2.5％，其它組份由以下質(zhì)量百分含量的組分組成：水泥為57％，硅灰為11％，稠度調(diào)節(jié)劑為5％，粉煤灰為5％，砂子19％，硅灰分散改性劑為0.021％，減水劑為2.979％。

其中，水泥為標(biāo)號為52.5級硅酸鹽水泥；硅灰為市售普通硅灰，其SiO₂含量大于92％；稠度調(diào)節(jié)劑為市售優(yōu)質(zhì)稠度調(diào)節(jié)劑；本發(fā)明所述的粉煤灰為優(yōu)質(zhì)F類I級低鈣粉煤灰，其中游離CaO的質(zhì)量含量<1％；本發(fā)明所述的砂子為普通河沙，最大粒徑不大于600μm；纖維為高強高模PE(聚乙烯)纖維，纖維長度為6mm～12mm，直徑為12～39μm，彈性模量≧100GPa，極限抗拉強度≧2500MPa，斷裂伸長率2～6％；硅灰分散改性劑采用KH551(3-氨丙基三甲氧基硅烷)；減水劑為聚羧酸系高效減水劑，其固含量≥40％，減水率≥40％。

實施例2

一種超高強超高延性水泥基復(fù)合材料，該材料的組成為：拌合水用量用水灰比表示為0.20，纖維的體積百分含量為2.3％，其它組份由以下質(zhì)量百分含量的組分組成：水泥為39％，硅灰為12％，稠度調(diào)節(jié)劑為9％，粉煤灰為14％，砂子23％，硅灰分散改性劑為0.031％，減水劑為2.969％。

其中，硅灰分散改性劑采用KH792(N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷)，其他組分所采用的原料同實施例1。

實施例3

一種超高強超高延性水泥基復(fù)合材料，該材料的組成為：拌合水用量用水灰比表示為0.21，纖維的體積百分含量為2.4％，其它組份由以下質(zhì)量百分含量的組分組成：水泥為36％，硅灰為19％，稠度調(diào)節(jié)劑為13％，粉煤灰為7％，砂子22％，硅灰分散改性劑為0.039％，減水劑為2.961％。

其中，硅灰分散改性劑采用KH902(3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷)，其他組分所采用的原料同實施例1。

實施例4

一種超高強超高延性水泥基復(fù)合材料，該材料的組成為：拌合水用量用水灰比表示為0.23，纖維的體積百分含量為2.0％，其它組份由以下質(zhì)量百分含量的組分組成：水泥為36％，硅灰為21％，稠度調(diào)節(jié)劑為8％，粉煤灰為10％，砂子20％，硅灰分散改性劑為0.043％，減水劑為2.957％。

其中，硅灰分散改性劑采用KH791(N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷)，其他組分所采用的原料同實施例1。

實施例5

一種超高強超高延性水泥基復(fù)合材料，該材料的組成為：拌合水用量用水灰比表示為0.19，纖維的體積百分含量為2.2％，其它組份由以下質(zhì)量百分含量的組分組成：水泥為36％，硅灰為12％，稠度調(diào)節(jié)劑為6％，粉煤灰為15％，砂子26％，硅灰分散改性劑為0.037％，減水劑為2.963％。

其中，硅灰分散改性劑采用KH602(N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷)，其他組分所采用的原料同實施例1。

實施例1-實施例5所述的超高強超高延性水泥基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

首先將按預(yù)定配合比稱量好的硅灰分散改性劑和減水劑與水混合，然后將按預(yù)定配比稱量好的硅灰與配置好的溶液在水泥砂漿攪拌機中混合，以140r/min的轉(zhuǎn)速慢攪1-2分鐘；然后依次加入按預(yù)定配比稱量好的水泥、稠度調(diào)節(jié)劑、粉煤灰、砂子，以140r/min的轉(zhuǎn)速慢攪1-2分鐘，以285r/min的轉(zhuǎn)速快攪2-4分鐘；然后加入預(yù)先稱量好的纖維，以140r/min的轉(zhuǎn)速慢攪1-2分鐘，以285r/min的轉(zhuǎn)速快攪4-6分鐘。然后取規(guī)格尺寸的模具，澆注振動成型，然后用抹子將其表面抹平，靜置12～24h后脫模，20℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28天或60℃～90℃蒸汽養(yǎng)護3天，即得超高強超高延性水泥基復(fù)合材料。相關(guān)參數(shù)測試結(jié)果如表1、圖1-圖5所示：

表1

表1所測的結(jié)果顯示，本發(fā)明制備的超高強超高延性水泥基復(fù)合材料各項性能優(yōu)良，強度超過150MPa，延性達到5％以上，彌補了國內(nèi)超高強超高延性水泥基復(fù)合材料領(lǐng)域的空白。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所限定的保護范圍為準(zhǔn)。