一種高初裂應(yīng)變纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于建筑材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高初裂應(yīng)變纖維增強(qiáng)聚合物改性水 泥復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 1992年，ACE-MRL的美國(guó)密歇根大學(xué)教授Victor C. Li利用斷裂力學(xué)和微觀 力學(xué)原理，首次對(duì)水泥基復(fù)合材料進(jìn)行系統(tǒng)地設(shè)計(jì)、調(diào)整和優(yōu)化，通過對(duì)穩(wěn)態(tài)開裂和多縫 開裂的研宄，從理論上論述了配制具有超高韌性的水泥基復(fù)合材料ECC--Engineering Cementitous Composite的可行性。最初的ECC只是一種泛指的提法，而發(fā)展至今天，由于 其在韌性方面極為突出的性能，開始被一些學(xué)者稱為"超高韌性水泥基材料"（Ultra High Toughness Cementitious Composites，UHTCC)，并定義為：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，極限拉伸應(yīng)變可穩(wěn)定地達(dá)到3%以上。
[0003] 2005年日本北海道三原大橋，使用了鋼-ECC復(fù)合結(jié)構(gòu)，使該橋橋面板很薄。ECC 超高的拉伸韌性和裂縫致密的特點(diǎn)，使得橋面板自重得以降低40%，預(yù)計(jì)壽命可達(dá)100年
[i]。而同在北海道的美原大橋，2005年在開通后，大粧號(hào)側(cè)引橋左幅左輪跡處橋面相繼產(chǎn) 生一些破壞，主要表現(xiàn)為唧漿，泛白以及開裂等，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)鋪裝內(nèi)積水，下層的ECC有 壓碎現(xiàn)象，通過室內(nèi)加載試驗(yàn)，在有水的環(huán)境下，由于水壓力的影響，ECC結(jié)構(gòu)的疲勞壽命明 顯低于干燥狀態(tài)下的壽命。
[0004] 雖然ECC彈性模量高，力學(xué)性能不錯(cuò)，而且韌性好，施工也相對(duì)方便，但材料的極 限拉伸應(yīng)變是以裂縫的方式產(chǎn)生的，水泥基體本身的應(yīng)變非常小，也容易開裂，所以，在實(shí) 際應(yīng)用中，容易出現(xiàn)因?yàn)榱芽p導(dǎo)致的耐久性問題，上述美原大橋的實(shí)例，事實(shí)上宣布了這種 所謂超高韌性的水泥基復(fù)合材料的"死刑"。
[0005] 近年來，還有人采用鋼纖維制備所謂超高性能ECC材料，期望通過鋼纖維提高材 料的模量，從而降低實(shí)際變形，減少開裂引起的耐久性問題。但由于基體本身的脆性特點(diǎn)沒 有變化，其初始開裂應(yīng)變?nèi)匀恢挥?〇〇~200微應(yīng)變左右，因而，可以預(yù)料，其耐久性問題與 之前的ECC材料是相似的。
[0006] 因此，提尚基體的初性和初始開裂應(yīng)變，才是有效的辦法。
[0007]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提出一種高初裂應(yīng)變纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥復(fù)合材料及其 制備方法。
[0009] 本發(fā)明提出的高初裂應(yīng)變纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥復(fù)合材料，由水泥、砂、聚合物 乳液、合成聚合物纖維、消泡劑和水按一定配比組合而成。其原理是，當(dāng)一定模量的柔軟聚 合物微區(qū)分散在脆性的水泥材料中時(shí)，柔軟的聚合物因?yàn)槭艿綀?jiān)硬的水泥組分的約束而變 得更強(qiáng)的同時(shí)，賦予復(fù)合材料整體一定的變形能力。其關(guān)鍵之處是根據(jù)聚合物本身的模量 大小控制在水泥基體中的聚合物微區(qū)的尺寸，并通過適量的高模量纖維增強(qiáng)這種組合。
[0010] 本發(fā)明提出的高初裂應(yīng)變纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥復(fù)合材料，其特征在于由水 泥、中砂、聚合物乳液、合成聚合物纖維、消泡劑和水組成，其組份配比如下： 組分 質(zhì)量份 水泥 100 聚合物乳液（固體質(zhì)量） 15~20 砂 50~150 聚合物乳液中的水和水 30 其中：合成聚合物纖維的加入量為復(fù)合材料總體積的1~2%， 所述聚合物乳液為苯丙乳液，其固含量為50%。
[0011] 本發(fā)明中，所述水泥為普通硅酸鹽水泥。
[0012] 本發(fā)明中，所述砂為中砂。
[0013] 本發(fā)明中，所述合成聚合物纖維為油性表面處理PVA纖維。
[0014] 本發(fā)明提出的高初裂應(yīng)變纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥復(fù)合材料的制備方法，具體步 驟如下： (1) 按原料配比稱量各組分，將聚合物乳液和水倒入攪拌鍋中； (2) 向鍋中加入水泥，攪拌30s (3) 向步驟（2)所得產(chǎn)物中加入砂，攪拌30s ; (4) 向步驟（3)所得產(chǎn)物中加入合成聚合物纖維，攪拌2min，即得所需混合物，將其澆 筑成型，養(yǎng)護(hù)，得到所述復(fù)合材料。
[0015] 本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)： 1、本發(fā)明的水泥復(fù)合材料具有較高的初裂應(yīng)變、初裂抗彎應(yīng)力和抗彎彈性模量。
[0016] 2、本產(chǎn)品加入聚合物，使基體韌性提高，復(fù)合材料初裂前的應(yīng)變超過1000微應(yīng) 變，是普通水泥材料的5倍以上。
[0017] 3、本產(chǎn)品加入的纖維，主要是提高復(fù)合材料的模量、減少柔軟的聚合物使基體剛 性降低的程度，同時(shí)，并不影響復(fù)合材料的初裂應(yīng)變。
[0018] 4、由于本發(fā)明的原材料全部采用大量生產(chǎn)的市售成品，所以原材料易得，適合于 廣泛應(yīng)用。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
[0020] 實(shí)施例1-4:原材料及規(guī)格見表1。材料配比見表2。產(chǎn)品性能見表3。
[0021] 表1原材料及規(guī)格
表2材料配比
聚合物乳液的加入能提高產(chǎn)品的應(yīng)變和降低其彈性模量，當(dāng)乳液摻量為15%時(shí)，如實(shí) 施例1，復(fù)合材料的抗彎彈性模量為15. 71GPa，初裂應(yīng)變?yōu)?201微應(yīng)變，若乳液摻量低于 15%時(shí)，復(fù)合材料彈性模量會(huì)提高，但初裂應(yīng)變會(huì)明顯下降，低于1000微應(yīng)變，因此乳液摻 量不能少于15% ;當(dāng)摻量達(dá)到20%的時(shí)候，即實(shí)施例2,產(chǎn)品初裂應(yīng)變超過1000微應(yīng)變，抗彎 彈性模量會(huì)為9. 81GPa，四舍五入即為lOGPa，當(dāng)聚合物摻量超過20%時(shí)，復(fù)合材料的抗彎彈 性模量必然低于lOGPa，因此聚合物摻量不能超過20%。
[0022] 砂子的摻量提高會(huì)間接降低復(fù)合材料內(nèi)聚合物乳液的體積摻量，會(huì)使復(fù)合材料的 彈性模量提高，應(yīng)變變小。如實(shí)施例3,相對(duì)于實(shí)施例2,砂子摻量從50%提高到150%，抗彎 彈性模量提高到12GPa，而初裂應(yīng)變則下降到1080微應(yīng)變，若砂子摻量繼續(xù)提高，復(fù)合材料 初裂應(yīng)變必然會(huì)下降到1000微應(yīng)變以下，因此復(fù)合材料的砂子摻量不能超過150%。
[0023] 纖維的摻入主要影響復(fù)合材料的彈性模量和復(fù)合材料斷裂后的性能，纖維摻量越 高，復(fù)合材料的抗彎彈性模量就越高，復(fù)合材料斷裂后的延性就越好。纖維摻量的上限2%， 見實(shí)施例4,纖維摻量的下限1%，見實(shí)施例3,兩個(gè)實(shí)施例性能皆能達(dá)到抗彎彈性模量IOGPa 以上和抗彎初裂應(yīng)變達(dá)到1000微應(yīng)變以上。當(dāng)纖維摻量超過上限后，復(fù)合材料加工的難度 增大，而纖維摻量低于下限后，纖維對(duì)復(fù)合材料的增強(qiáng)效果會(huì)大大降低，彈性模量有可能下 降到IOGPa以下。
[0024][0025] 本專利則是講宄原材料的選擇和配方的優(yōu)化，使增強(qiáng)相乳液聚合物相和聚合物纖 維相更有效地提高水泥基材料的初裂應(yīng)變和初裂強(qiáng)度，本產(chǎn)品著重描述的，是產(chǎn)品開裂前 的性能增強(qiáng)效果，同時(shí)能保證水泥基材料的彈性模量保持在較高水平，是一種超高韌性的 水泥基復(fù)合材料。適用于對(duì)材料韌性要求高且對(duì)開裂敏感的場(chǎng)合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高初裂應(yīng)變纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥復(fù)合材料，其特征在于由水泥、中砂、聚合 物乳液、合成聚合物纖維、消泡劑和水組成，其組份配比如下： 組分 質(zhì)量份 水泥 100 聚合物乳液（固體質(zhì)量） 15~20 砂 50~150 聚合物乳液中的水和水 30 其中：合成聚合物纖維的加入量為復(fù)合材料總體積的1~2%， 所述聚合物乳液為苯丙乳液，其固含量為50%。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高初裂應(yīng)變纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥復(fù)合材料，其特征在于 所述水泥為普通娃酸鹽水泥。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高初裂應(yīng)變纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥復(fù)合材料，其特征在于 所述砂為中砂。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高初裂應(yīng)變纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥復(fù)合材料，其特征在于 所述合成聚合物纖維為油性表面處理PVA纖維。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高初裂應(yīng)變纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥復(fù)合材料，其特征在于 所述消泡劑為乳液類消泡劑。6. -種如權(quán)利要求1所述的高初裂應(yīng)變纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥復(fù)合材料的制備方 法，其特征在于具體步驟如下： (1) 按原料配比稱量各組分，將聚合物乳液和水倒入攪拌鍋中； (2) 向鍋中加入水泥，攪拌30s (3) 向步驟（2)所得產(chǎn)物中加入砂，攪拌30s ; (4) 向步驟（3)所得產(chǎn)物中加入合成聚合物纖維，攪拌2min，即得所需混合物，將其澆 筑成型，養(yǎng)護(hù)，得到所述復(fù)合材料。
【專利摘要】本發(fā)明屬于建筑材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高初裂應(yīng)變纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥復(fù)合材料及其制備方法。由水泥、砂、聚合物乳液、合成聚合物纖維、消泡劑和水按一定配比組合而成。本發(fā)明是以聚合物乳液和高模量聚合物纖維復(fù)合改性，改善脆性水泥混凝土韌性和變形能力，在保持較高彈性模量的情況下，提高水泥混凝土的初裂應(yīng)變和初裂抗彎強(qiáng)度。
【IPC分類】C04B28/04, C04B16/06, C04B14/06, C04B24/24
【公開號(hào)】CN104944858
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510277927
【發(fā)明人】陳維燈, 鐘世云
【申請(qǐng)人】同濟(jì)大學(xué)
【公開日】2015年9月30日
【申請(qǐng)日】2015年5月28日