一种超高强超高延性水泥基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术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％。本发明专利技术突破了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。

Ultra high strength super high ductility cement based composite material and preparation method thereof

The invention discloses a super high strength super high ductility cement base composite material and a preparation method thereof, wherein the compressive strength of the cement-based composite material is more than 150MPa, and the ductility under the uniaxial tensile load is more than 5%. Composition: mixing water content water cement ratio is expressed as 0.17 ~ 0.23, the volume fraction of fiber is 2 ~ 2.5%, the other group is composed of the following content components: cement 36% ~ 57%, 11% ~ 21% silica fume, consistency regulator 5% ~ 13%, 5% ~ 15% of fly ash, sand from 19 to 26%, dispersion of silica fume modifier 0.021 ~ 0.043%, 2.957% ~ 2.979% water reducer. The invention breaks through the ECC intensity is less than the 100MPa bottleneck, provide strong evidence and new research ideas for the preparation of high strength ECC, but also can meet the dual requirements of some important engineering materials based on cement strength and ductility.

【技术实现步骤摘要】
一种超高强超高延性水泥基复合材料及其制备方法
本专利技术涉及建筑材料
，尤其涉及一种超高强超高延性水泥基复合材料的制备方法。
技术介绍
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VictorC.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。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。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。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RaviRanade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。本专利技术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。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，本专利技术具有显著的创新性。
技术实现思路
本专利技术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。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：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％。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％。所述的水泥为标号为52.5级硅酸盐水泥。所述的硅灰为市售普通硅灰，其SiO2含量大于92％。所述的稠度调节剂为市售优质稠度调剂。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％。所述的砂子为普通河沙，最大粒径不大于600μm。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％。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。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％。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：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。有益效果：本文档来自技高网...

【技术保护点】
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％。

【技术特征摘要】
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％。2.根据权利要求1所述的超高强超高延性水泥基复合材料，其特征在于：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％。3.根据权利要求2所述的超高强超高延性水泥基复合材料，其特征在于：所述的水泥为标号为52.5级硅酸盐水泥；所述的硅灰为市售普通硅灰，其SiO2含量大于92％；所述的稠度调节剂为市售优质稠度调剂。4.根据权利要求2所述的超高强超高延性水泥基复合材料，其特征在于：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％。5.根据权利要求2所述的超高强超高延性水泥基复合材料，其特征在于：所述的砂子为普通河沙，最大粒径不大于600μm。6.根据权利要求2所述的超高强超高延性水泥基复合材料，其特征在于：所述的纤维为聚乙烯纤维，纤维长度为6mm～12mm，直径为12...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭丽萍，雷东移，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32