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(qiáng)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(shì)，卻仍存在著抗拉強(qiáng)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(kuò)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(duì)應(yīng)變硬化能力的需求，近幾十年來國(guó)內(nèi)外對(duì)于新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的研究進(jìn)展十分迅速，也促使研究人員對(duì)于現(xiàn)代纖維混凝土的概念有了新的認(rèn)識(shí)。美國(guó)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(jì)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(dòng)設(shè)計(jì)方法，以亂向短纖維增強(qiáng)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(qiáng)度準(zhǔn)則和能量準(zhǔn)則。

近年來，隨著ECC理論研究和試驗(yàn)研究的不斷發(fā)展，以及工程應(yīng)用實(shí)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(dá)到3％以上時(shí)其應(yīng)變硬化性能才是穩(wěn)定的，在變形增長(zhǎng)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(shí)都會(huì)表述其拉應(yīng)變能力超過3％，對(duì)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(qiáng)，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(dá)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(guó)內(nèi)外學(xué)者，針對(duì)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(guó)內(nèi)，大連理工大學(xué)的徐世烺教授科研團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)的張君教授研究團(tuán)隊(duì)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(shí)裂縫能夠穩(wěn)定擴(kuò)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(huì)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(duì)于傳統(tǒng)的纖維增強(qiáng)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(shì)。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(jià)，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。尤其在混凝土修補(bǔ)中,高延性水泥基復(fù)合材料的使用可大大降低由于修補(bǔ)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(guó)、日本和歐洲已有很多工程應(yīng)用實(shí)例，如橋面板修補(bǔ)、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(kuò)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(qiáng)度超過100MPa的，對(duì)于一些需要高強(qiáng)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(dá)3％～7％，但相對(duì)于高強(qiáng)混凝土來講，目前仍存在抗壓強(qiáng)度較低的缺陷。因此，在保持ECC高延性的同時(shí)，如何提高其強(qiáng)度成為近年來的研究熱點(diǎn)。紐約州立大學(xué)布法羅分校的Ravi Ranade博士將ECC基本理論運(yùn)用于高強(qiáng)混凝土，成功制備出高強(qiáng)-高延ECC，其平均抗壓強(qiáng)度和極限拉應(yīng)變分別為160MPa和3.5％。而且在國(guó)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求的超高強(qiáng)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(jì)學(xué)的研究方法，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究，成功制備出強(qiáng)度超過150MPa、延性達(dá)到5％的超高強(qiáng)超高延性水泥基復(fù)合材料，以滿足一些重要工程對(duì)水泥基材料強(qiáng)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(shí)施例的強(qiáng)度最高也只有78.6MPa，本專利所制備出的材料的抗壓強(qiáng)度均超過150MPa，本專利從設(shè)計(jì)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(jìn)行推演或?qū)嶒?yàn)來制備本方法中的材料，本發(fā)明具有顯著的創(chuàng)新性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種超高強(qiáng)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(qiáng)度、超高延性、良好的抗凍性、低收縮、低吸水率等特點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種超高強(qiáng)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(qiáng)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(hào)為52.5級(jí)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(jí)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(zhǎng)度為6mm～12mm，直徑為12～39μm，彈性模量≧100GPa，極限抗拉強(qiáng)度≧2500MPa，斷裂伸長(zhǎng)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(qiáng)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(jī)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(dòng)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(hù)28天或60℃～90℃蒸汽養(yǎng)護(hù)3天，即得超高強(qiáng)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(qiáng)度超過150MPa，延性超過5％的超高強(qiáng)超高延性水泥基復(fù)合材料，突破了ECC強(qiáng)度很難超過100MPa的瓶頸，為制備強(qiáng)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(shí)又可以滿足一些重要工程對(duì)水泥基材料強(qiáng)度和延性的雙重要求。相對(duì)于普通的ECC來講，本發(fā)明意義重大，彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)超高強(qiáng)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(shí)施例1的單軸拉伸測(cè)試結(jié)果示意圖；

圖2為實(shí)施例2的單軸拉伸測(cè)試結(jié)果示意圖；

圖3為實(shí)施例3的單軸拉伸測(cè)試結(jié)果示意圖；

圖4為實(shí)施例4的單軸拉伸測(cè)試結(jié)果示意圖；

圖5為實(shí)施例5的單軸拉伸測(cè)試結(jié)果示意圖。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。

單軸拉伸、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度測(cè)試：參照《高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料性能試驗(yàn)方法(草案)》中的相關(guān)測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)定。

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

實(shí)施例1

一種超高強(qiáng)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(hào)為52.5級(jí)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(jí)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(qiáng)高模PE(聚乙烯)纖維，纖維長(zhǎng)度為6mm～12mm，直徑為12～39μm，彈性模量≧100GPa，極限抗拉強(qiáng)度≧2500MPa，斷裂伸長(zhǎng)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(shí)施例2

一種超高強(qiáng)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(shí)施例1。

實(shí)施例3

一種超高強(qiáng)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(shí)施例1。

實(shí)施例4

一種超高強(qiáng)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(shí)施例1。

實(shí)施例5

一種超高強(qiáng)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(shí)施例1。

實(shí)施例1-實(shí)施例5所述的超高強(qiáng)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(jī)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(dòng)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(hù)28天或60℃～90℃蒸汽養(yǎng)護(hù)3天，即得超高強(qiáng)超高延性水泥基復(fù)合材料。相關(guān)參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表1、圖1-圖5所示：

表1

表1所測(cè)的結(jié)果顯示，本發(fā)明制備的超高強(qiáng)超高延性水泥基復(fù)合材料各項(xiàng)性能優(yōu)良，強(qiáng)度超過150MPa，延性達(dá)到5％以上，彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)超高強(qiáng)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(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)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(dòng)想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所限定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。