一种超高强超高延性水泥基复合材料及其制备方法 |
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| 申请号 | CN201611046487.2 | 申请日 | 2016-11-23 | 公开(公告)号 | CN106747055A | 公开(公告)日 | 2017-05-31 |
| 申请人 | 东南大学; | 发明人 | 郭丽萍; 雷东移; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种超高强超高延性 水 泥基 复合材料 及其制备方法，该 水泥 基复合材料的抗压强度超过150MPa，单轴拉伸荷载下的延性超过5％。组成为：拌合水用量用水灰比表示为0.17～0.23， 纤维 的体积百分含量为2.0～2.5％，其它组份由以下 质量 百分含量的组分组成：水泥36％～57％， 硅 灰11％～21％，稠度调节剂5％～13％， 粉 煤 灰 5％～15％，砂子19～26％，硅灰分散改性剂0.021～0.043％， 减水剂 2.957％～2.979％。本发明突破了ECC强度很难超过100MPa的 瓶颈 ，为制备强度更高的ECC提供了有 力 证据和新的研究思路，而且同时又能满足一些重要工程对水泥基材料强度和延性的双重要求。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种超高强超高延性水泥基复合材料，其特征在于：该水泥基复合材料的抗压强度超过150MPa，单轴拉伸荷载下的延性超过5％。 |
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| 说明书全文 | 一种超高强超高延性水泥基复合材料及其制备方法技术领域背景技术[0002] 尽管水泥混凝土在建筑材料领域具有诸多优势，却仍存在着抗拉强度低、韧性差等不足。应力作用下，当混凝土产生第一条裂缝后即可迅速发生裂缝连通扩展，导致混凝土发生脆性破坏。目前各种纤维混凝土的研究和应用已经取得了丰硕的成果，在较大程度上解决了混凝土的开裂问题。为提高传统纤维混凝土性能，满足纤维混凝土对应变硬化能力的需求，近几十年来国内外对于新型纤维增强水泥基复合材料的研究进展十分迅速，也促使研究人员对于现代纤维混凝土的概念有了新的认识。美国密歇根大学的Victor C.Li教授和麻省理工大学的Leung教授于1992年提出了高延性水泥基复合材料(ECC)的设计理论并成功制备出可应变硬化和多缝开裂的ECC。该理论基于微观力学和断裂力学基本原理，通过微观力学的性能驱动设计方法，以乱向短纤维增强水泥基复合材料的纤维桥接法作为研究理论基础，考虑纤维特性、基体特性和纤维/基体的界面特性及其之间的相互影响，建立了获得材料准应变--硬化特性所需满足的强度准则和能量准则。 [0003] 近年来，随着ECC理论研究和试验研究的不断发展，以及工程应用实践的不断增多，发现ECC材料的性能只有当其拉应变能力稳定达到3％以上时其应变硬化性能才是稳定的，在变形增长的过程中才能稳定地伴有多条细密裂缝的产生，当前每每提及ECC材料时都会表述其拉应变能力超过3％，对应为普通混凝土的150～300倍，普通纤维混凝土的30～300倍。综上所述，最初的ECC是一种广义的提法，而发展至今天的ECC材料仅指其中极限拉应变能力稳定地超过3％的超高延性水泥基复合材料。其具体定义为：使用短纤维增强，且纤维掺量不超过复合材料总体积的2.5％，硬化后的复合材料应具有显著的应变硬化特征，在拉伸荷载作用下可产生多条细密裂缝，极限拉应变可稳定地达到3％以上。 [0004] 已有大量的研究表明，混凝土结构性能劣化的快慢很大程度上取决于水、二氧化碳及氯离子等有害离子向混凝土内部侵入的速度。在距今20多年的研究中，国内外学者，针对ECC的基本力学性能和耐久性开展了大量的研究工作，在国内，大连理工大学的徐世烺教授科研团队和清华大学的张君教授研究团队就高延性水泥基复合材料做了大量的研究工作，并取得了丰硕的科研成果。ECC在受力过程中，由于开裂处纤维的桥联作用以及纤维与基体间传递应力时裂缝能够稳定扩展，使得ECC表现出明显的多缝开裂特性和应变硬化行为，最大裂缝宽度甚至可以控制在0.1mm以内，在干湿循环的状况下，在水的作用下，裂缝会自我修复重新愈合，可有效防止外界有害物质的侵入，ECC具有更好的力学性能和耐久性。因此，相对于传统的纤维增强水泥基复合材料，ECC具有更高的延性、韧性、抗震、抗冲击、抗疲劳、自修复、耐久性等优势。ECC材料的使用可大大提高建筑物的使用寿命、降低建筑物在服务年限内的总造价，产生可观的经济效益。尤其在混凝土修补中,高延性水泥基复合材料的使用可大大降低由于修补材料收缩而导致的开裂及其引起的耐久性问题。 [0005] 基于ECC优越的性能，该材料在美国、日本和欧洲已有很多工程应用实例，如桥面板修补、水坝维修加固、铁路高架桥维修、无伸缩缝桥面板、苏黎世火车总站扩建工程、钢混杂结构等。尽管已经很多类型ECC被开发和利用，但上述的ECC几乎没有抗压强度超过100MPa的，对于一些需要高强度称重的建筑结构中，现有的ECC材料仍无法满足结构要求。 尽管ECC的极限拉伸应变可达3％～7％，但相对于高强混凝土来讲，目前仍存在抗压强度较低的缺陷。因此，在保持ECC高延性的同时，如何提高其强度成为近年来的研究热点。纽约州立大学布法罗分校的Ravi Ranade博士将ECC基本理论运用于高强混凝土，成功制备出高强-高延ECC，其平均抗压强度和极限拉应变分别为160MPa和3.5％。而且在国内，目前该领域的研究尚属空白，能否就地取材成功研发出满足国内市场需求的超高强超高延性水泥基复合材料迫在眉睫。 [0006] 本发明成功解决了上述问题，本课题组综合利用微观力学、断裂力学和统计学的研究方法，经过大量的实验研究，成功制备出强度超过150MPa、延性达到5％的超高强超高延性水泥基复合材料，以满足一些重要工程对水泥基材料强度和延性的双重要求。 [0007] 专利CN103664090A公开了“一种纤维复掺的高延性水泥基复合材料及其制备方法”，尽管该材料也具有较高延性，但该专利所列出的实施例的强度最高也只有78.6MPa，本专利所制备出的材料的抗压强度均超过150MPa，本专利从设计理论、原材料选取到制备工艺等方面均和上述专利存在重大差别，根本无法通过上述专利所述方法进行推演或实验来制备本方法中的材料，本发明具有显著的创新性。 发明内容[0008] 本发明的目的在于提供一种超高强超高延性水泥基复合材料的制备方法，所制材料具有超高强度、超高延性、良好的抗冻性、低收缩、低吸水率等特点。 [0009] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为： [0010] 一种超高强超高延性水泥基复合材料，该水泥基复合材料的抗压强度超过150MPa，单轴拉伸荷载下的延性超过5％。 [0011] 该材料组成为：拌合水用量用水灰比表示为0.17～0.23，纤维的体积百分含量为2.0～2.5％，其它组份由以下质量百分含量的组分组成：水泥36％～57％，硅灰11％～ 21％，稠度调节剂5％～13％，粉煤灰5％～15％，砂子19～26％，硅灰分散改性剂0.021～ 0.043％，减水剂2.957％～2.979％。 [0013] 所述的硅灰为市售普通硅灰，其SiO2含量大于92％。 [0014] 所述的稠度调节剂为市售优质稠度调剂。 [0015] 所述的粉煤灰为优质F类I级低钙粉煤灰，其中游离CaO的质量含量<1％。 [0016] 所述的砂子为普通河沙，最大粒径不大于600μm。 [0017] 所述的纤维为聚乙烯纤维，纤维长度为6mm～12mm，直径为12～39μm，弹性模量≧100GPa，极限抗拉强度≧2500MPa，断裂伸长率2～6％。 [0018] 所述的硅灰分散改性剂为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)中的一种。 [0019] 所述的减水剂为聚羧酸系高效减水剂，其固含量≥40％，减水率≥40％。 [0020] 一种制备上述的超高强超高延性水泥基复合材料的方法，包括如下步骤： [0021] 首先将按预定配合比称量好的硅灰分散改性剂和减水剂与水混合，配制成溶液，然后将按预定配比称量好的硅灰与上述步骤配置好的溶液在水泥砂浆搅拌机中混合，以140r/min的转速慢搅1-2分钟；然后依次加入按预定配比称量好的水泥、稠度调节剂、粉煤灰、砂子，以140r/min的转速慢搅1-2分钟，再以285r/min的转速快搅2-4分钟；然后加入预先称量好的纤维，以140r/min的转速慢搅1-2分钟，再以285r/min的转速快搅4-6分钟；然后取规格尺寸的模具，浇注振动成型，然后用抹子将其表面抹平，静置12～24h后脱模，20℃标准养护28天或60℃～90℃蒸汽养护3天，即得超高强超高延性水泥基复合材料。 [0022] 有益效果：本发明就地取材，成功制备出抗压强度超过150MPa，延性超过5％的超高强超高延性水泥基复合材料，突破了ECC强度很难超过100MPa的瓶颈，为制备强度更高的ECC提供了有力证据和新的研究思路，而且作为一种新材料，同时又可以满足一些重要工程对水泥基材料强度和延性的双重要求。相对于普通的ECC来讲，本发明意义重大，弥补了国内超高强超高延性水泥基复合材料领域的空白。附图说明 [0023] 图1为实施例1的单轴拉伸测试结果示意图； [0024] 图2为实施例2的单轴拉伸测试结果示意图； [0025] 图3为实施例3的单轴拉伸测试结果示意图； [0026] 图4为实施例4的单轴拉伸测试结果示意图； [0027] 图5为实施例5的单轴拉伸测试结果示意图。 具体实施方式[0028] 下面通过实施例进一步说明本发明。 [0029] 单轴拉伸、抗压强度、抗折强度测试：参照《高延性纤维增强水泥基复合材料性能试验方法(草案)》中的相关测试方法进行测定。 [0030] 线性收缩率、吸水率、抗冻性测定：参照JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》中的相关测试方法进行测定。 [0031] 实施例1 [0032] 一种超高强超高延性水泥基复合材料，该材料的组成为：拌合水用量用水灰比表示为0.17，纤维的体积百分含量为2.5％，其它组份由以下质量百分含量的组分组成：水泥为57％，硅灰为11％，稠度调节剂为5％，粉煤灰为5％，砂子19％，硅灰分散改性剂为0.021％，减水剂为2.979％。 [0033] 其中，水泥为标号为52.5级硅酸盐水泥；硅灰为市售普通硅灰，其SiO2含量大于92％；稠度调节剂为市售优质稠度调节剂；本发明所述的粉煤灰为优质F类I级低钙粉煤灰，其中游离CaO的质量含量<1％；本发明所述的砂子为普通河沙，最大粒径不大于600μm；纤维为高强高模PE(聚乙烯)纤维，纤维长度为6mm～12mm，直径为12～39μm，弹性模量≧100GPa，极限抗拉强度≧2500MPa，断裂伸长率2～6％；硅灰分散改性剂采用KH551(3-氨丙基三甲氧基硅烷)；减水剂为聚羧酸系高效减水剂，其固含量≥40％，减水率≥40％。 [0034] 实施例2 [0035] 一种超高强超高延性水泥基复合材料，该材料的组成为：拌合水用量用水灰比表示为0.20，纤维的体积百分含量为2.3％，其它组份由以下质量百分含量的组分组成：水泥为39％，硅灰为12％，稠度调节剂为9％，粉煤灰为14％，砂子23％，硅灰分散改性剂为0.031％，减水剂为2.969％。 [0036] 其中，硅灰分散改性剂采用KH792(N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷)，其他组分所采用的原料同实施例1。 [0037] 实施例3 [0038] 一种超高强超高延性水泥基复合材料，该材料的组成为：拌合水用量用水灰比表示为0.21，纤维的体积百分含量为2.4％，其它组份由以下质量百分含量的组分组成：水泥为36％，硅灰为19％，稠度调节剂为13％，粉煤灰为7％，砂子22％，硅灰分散改性剂为0.039％，减水剂为2.961％。 [0039] 其中，硅灰分散改性剂采用KH902(3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷)，其他组分所采用的原料同实施例1。 [0040] 实施例4 [0041] 一种超高强超高延性水泥基复合材料，该材料的组成为：拌合水用量用水灰比表示为0.23，纤维的体积百分含量为2.0％，其它组份由以下质量百分含量的组分组成：水泥为36％，硅灰为21％，稠度调节剂为8％，粉煤灰为10％，砂子20％，硅灰分散改性剂为0.043％，减水剂为2.957％。 [0042] 其中，硅灰分散改性剂采用KH791(N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷)，其他组分所采用的原料同实施例1。 [0043] 实施例5 [0044] 一种超高强超高延性水泥基复合材料，该材料的组成为：拌合水用量用水灰比表示为0.19，纤维的体积百分含量为2.2％，其它组份由以下质量百分含量的组分组成：水泥为36％，硅灰为12％，稠度调节剂为6％，粉煤灰为15％，砂子26％，硅灰分散改性剂为0.037％，减水剂为2.963％。 [0045] 其中，硅灰分散改性剂采用KH602(N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷)，其他组分所采用的原料同实施例1。 [0046] 实施例1-实施例5所述的超高强超高延性水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤： [0047] 首先将按预定配合比称量好的硅灰分散改性剂和减水剂与水混合，然后将按预定配比称量好的硅灰与配置好的溶液在水泥砂浆搅拌机中混合，以140r/min的转速慢搅1-2分钟；然后依次加入按预定配比称量好的水泥、稠度调节剂、粉煤灰、砂子，以140r/min的转速慢搅1-2分钟，以285r/min的转速快搅2-4分钟；然后加入预先称量好的纤维，以140r/min的转速慢搅1-2分钟，以285r/min的转速快搅4-6分钟。然后取规格尺寸的模具，浇注振动成型，然后用抹子将其表面抹平，静置12～24h后脱模，20℃标准养护28天或60℃～90℃蒸汽养护3天，即得超高强超高延性水泥基复合材料。相关参数测试结果如表1、图1-图5所示： [0048] 表1 [0049] [0050] 表1所测的结果显示，本发明制备的超高强超高延性水泥基复合材料各项性能优良，强度超过150MPa，延性达到5％以上，弥补了国内超高强超高延性水泥基复合材料领域的空白。 [0051] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。 |
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