一种高强度高延性高耐水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高强度高延性高耐水性水泥基复合材料及其制备方法，该材料包括以下组分：改性聚乙烯醇纤维、砂子、水泥、硅灰、稠度调节剂、粉煤灰、矿渣、硅灰分散改性剂、水和减水剂；其制备方法如下：1)按比例称取硅灰分散改性剂、减水剂溶于水中，配制成混合溶液；2)将硅灰加入混合溶液中，搅拌得到混合浆体Ⅰ；3)向混合浆体Ⅰ中依次加入水泥、稠度调节剂、粉煤灰、矿渣、砂子，搅拌得到混合浆体Ⅱ；4)向混合浆体Ⅱ中加入改性聚乙烯醇纤维，搅拌得到混合浆体Ⅲ；5)将混合浆体Ⅲ注模振动成型，静置脱模，养护。本发明专利技术实现了纤维与高密实基体界面之间的完美匹配，为那些对强度和延性均有极高要求的建筑结构提供了一种新的材料。

Cement based composite material with high strength, high ductility and high water resistance and preparation method thereof

The present invention discloses a kind of high strength and high ductility and high water resistance of cement based composite material and a preparation method thereof. The material comprises the following components: modified polyvinyl alcohol fiber, sand, cement, silica fume, viscosity regulator, fly ash, slag, silica fume, water dispersion modifying agent and water reducing agent; preparation the method is as follows: 1) according to the proportion of the dispersion of silica fume modified agent, water reducing agent is dissolved in water, preparing mixed solution; 2) will join wollastonite in the mixed solution, stirring to obtain mixed slurry of 1; 3) to the mixed slurry of sequentially adding cement, consistency regulator, fly ash, slag, sand, stirring to obtain mixed slurry II; 4) is added to the mixed slurry of Modified PVA fiber, stirring to obtain mixed slurry III; 5) the mixed slurry injection molding of static vibration molding, demoulding, curing. The invention realizes the perfect match between the fiber and the high dense matrix interface, and provides a new material for the building structure which has extremely high requirement for the strength and ductility.

【技术实现步骤摘要】
一种高强度高延性高耐水性水泥基复合材料及其制备方法
本专利技术涉及一种高强度高延性高耐水性水泥基复合材料及其制备方法，属于高强度高延性高耐水性建筑材料

技术介绍
混凝土作为应用最广的建筑材料，在日常生活和国民经济建设中的地位可谓是举足轻重。为克服混凝土固有脆性高、收缩大、易开裂的缺陷，不同种类的纤维增强混凝土应用而生，其中最具代表性的、同时也是应用最广的则是超高性能纤维增强水泥基复合材料(UltraHighPerformanceFiberReinforcedCementitiousComposite，UHPFRCC)和高延性水泥基复合材料(EngineeredCementitiousComposites，ECC)，分别对应于钢纤维增强与有机合成纤维增强，合成纤维中又以聚乙烯醇(PVA)纤维最具代表性。聚乙烯醇纤维是由含有多羟基、强氢键的乙烯醇系高分子聚合物所组成，分子结构式如式1所示：PVA纤维作为少数结晶性的水溶性高分子材料，具有优异的亲水性、成纤性、表面特性、耐酸碱性和力学性能。不论在我国还是欧美等发达国家，纤维增强混凝土已得到了广泛应用，并且我国、美国、欧盟、日本等国家或地区均出台了专门的纤维增强混凝土设计规范。尽管钢纤维也有很好的增强增韧效果，但它并没有改变混凝土的脆性本质，裂缝数量少，应变硬化效果差，拉伸荷载下的极限延性很少能超过0.5％。为从根本上克服混凝土延性差的缺陷，美国密歇根大学的VictorLi等以PVA纤维为增强材料，制备了一种ECC，并提出了该材料的设计理论。该材料的应变硬化拉伸延性达到3％以上，裂缝宽度小于100μm，该材料弥补了水泥基材料无法实现大应变的缺陷，在建筑材料领域具有里程碑式的意义，并且该材料在桥梁、高层建筑等一些对延性和挠度有很高要求的工程结构部分已经取得了良好的使用效果。ECC设计理论指出：在受力过程中，纤维与基体作为一个整体共同承受荷载，当ECC内部的微裂缝张开宽度达到临界宽度或者裂缝尖端的应力强度达到混凝土基体极限断裂韧度时，裂缝将开始不稳定扩展，通过对纤维-基体界面粘结性能的有效调控，可使纤维在脱粘后的拔出过程中仍能有效的传递和承受荷载，并且在此过程中新裂缝不断生成，从而实现了应力不断提高的应变硬化效果。纤维的加入不仅很好抑制了混凝土的开裂，提高了弯拉强度和延性，而且减缓了裂后(post-cracking)应力下降速度。除此之外，ECC的抗疲劳、热负荷、抗冲击、能量吸收、工程安全系数等特性均显著提高。纤维的加入有效抑制了微裂缝的形成并阻挡了裂纹的扩展，从而起到了很好的抗裂作用并吸收了大量能量。普通素混凝土一旦超出极限弯拉强度则迅速损毁，对ECC而言，硬化后浆体所握裹的高强纤维丝对裂缝有搭接作用，对分离的硬化块体有牵连作用，使混凝土裂而不断，并能进一步承受荷载，即便荷载超过ECC所能承受的极限荷载时也不会发生爆裂性损坏，安全系数显著提高。尽管ECC具有很多独特的优点，但现存的ECC均存在抗压强度偏低的缺陷，其抗压强度几乎没有超过100MPa的，对于那些对强度和延性均有极高要求的建筑结构来讲，现有的ECC仍无法满足结构要求。同时现有ECC也存在着防水性不足的缺点，一旦有裂缝产生，夹杂着不同有害物质的外部水分就会快速渗透到ECC所包覆的钢筋部分，加速钢筋锈，使用寿命缩短。因此，在保持ECC高延性的同时，如何提高其强度和耐水性成为近年来的研究热点。ECC设计理论的核心是要求在保证纤维均匀分散的情况下，对纤维-基体界面的粘结性能进行有效调控，使纤维、基体、界面三者之间的性能相匹配，从而实现应变硬化。界面粘结强度支配着ECC的整体强度、延展性、能量吸收性能等许多重要的复合特性。纤维-基体的界面应力分为化学粘结应力和界面摩擦应力。为获得良好的纤维--基体界面粘结性能，大部分学者致力于如何增加纤维表面的亲水性(化学改性方法)和增加纤维的表面积(物理改性方法)，从而提高纤维与基体之间的界面粘结强度和兼容性。化学的改性方法如，利用等离子体处理将极性基团引至纤维表面以增加纤维的反应性和润湿性，以及不同种类的可以增加纤维表面亲水性的表面改性剂的使用等；物理的改性方法如，对纤维进行扭曲、压纹卷边、粗糙化和向纤维中引入端钩等改变纤维表观形貌以提高纤维与基体之间的机械性粘结性能的三维形状处理方式。但是对纤维本身进行的物理或化学处理改性方法一般只适用于低强度等级ECC的制备，因为过高的界面粘结强度可能导致纤维脱粘耗能较大，纤维可能未拔出就已遭受严重损伤，部分纤维可能直接被拉断，大大降低了纤维在拔出过程中传递和承受荷载的能力，结果反而导致ECC的延性大打折扣。而且这些改性方法均是通过改变纤维自身的表面状态来增加纤维与基体之间的粘结强度，而忽略了是否可以通过增加基体的密实度以增加粘结强度的研究思路。在纤维可承受的极限抗拉强度范围内，增加基体密实度不仅可以提高基体与纤维的接触面积从而提高界面机械摩擦应力，而且还可以有效的提高ECC的复合抗压强度。但是如果只是一味地提高基体的密实度，反而可能造成密实度过高，纤维所受握裹里力过高，纤维不易拔出，尽管抗压强度提高了，延性反而下降。现有技术中专利201210468413.3提供了一种高抗裂混凝土的制备方法，但该专利是通过在PVA纤维表面涂覆有机油剂以提高纤维表面的亲水性，进而增强纤维与水泥基体的界面粘结性能，此方法所制备材料的28d抗压强度最高也只有35MPa，最大拉伸延性不超过100个微应变也就是0.01％。不论是改性机理，还是材料性能，专利201210468413.3与本专利技术都截然不同。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是提供一种高强度高延性高耐水性水泥基复合材料及其制备方法，解决现有高延性水泥基复合材料强度偏低，耐水性差的缺陷。技术方案：本专利技术提供了一种高强度高延性高耐水性水泥基复合材料，该水泥基复合材料包括以下组分：改性聚乙烯醇纤维、水泥、硅灰、稠度调节剂、粉煤灰、矿渣、砂子、硅灰分散改性剂、水和减水剂，各组分的质量百分含量如下：其中：所述高强度高延性高耐水性水泥基复合材料的抗压强度≧100MPa，单轴拉伸荷载下的延性≧3％，平均裂缝宽度低＜100μm。所述的改性聚乙烯醇纤维是通过将聚乙烯醇纤维浸入物质的量浓度为0.02～0.04mol/L的硅烷偶联剂溶液中2～4h，之后取出冷却晾干制得，所述的硅烷偶联剂溶液的温度为50℃～70℃。所述的聚乙烯醇纤维的长度为6mm～12mm，直径为12～38μm，弹性模量≧35GPa，极限抗拉强度≧1400MPa，断裂伸长率3～7％。所述的硅烷偶联剂为烷基硅烷、氨基硅烷、环氧基硅烷、乙烯基硅烷、苯基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷、异氰酸基硅烷或氟硅烷中的一种或多种的混合溶液。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的质量含量大于92％；所述的矿渣为市售优质矿渣；所述的稠度调节剂为市售优质稠度调节剂。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1200μm；所述的减水剂为聚羧酸系减水剂，其固含量≥40％，减水率≥40％。所述的硅灰分散改性剂为市售优质硅灰分散改性剂。本专利技术还提供了一种高强度高延性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强度高延性高耐水性水泥基复合材料，其特征在于：该水泥基复合材料包括以下组分：改性聚乙烯醇纤维、水泥、硅灰、稠度调节剂、粉煤灰、矿渣、砂子、硅灰分散改性剂、水和减水剂，各组分的质量百分含量如下：

【技术特征摘要】
1.一种高强度高延性高耐水性水泥基复合材料，其特征在于：该水泥基复合材料包括以下组分：改性聚乙烯醇纤维、水泥、硅灰、稠度调节剂、粉煤灰、矿渣、砂子、硅灰分散改性剂、水和减水剂，各组分的质量百分含量如下：2.如权利要求1所述的一种高强度高延性高耐水性水泥基复合材料，其特征在于：所述高强度高延性高耐水性水泥基复合材料的抗压强度≧100MPa，单轴拉伸荷载下的延性≧3％，平均裂缝宽度低＜100μm。3.如权利要求1所述的一种高强度高延性高耐水性水泥基复合材料，其特征在于：所述的改性聚乙烯醇纤维是通过将聚乙烯醇纤维浸入物质的量浓度为0.02～0.04mol/L的硅烷偶联剂溶液中2～4h，之后取出冷却晾干制得，所述的硅烷偶联剂溶液的温度为50℃～70℃。4.如权利要求3所述的一种高强度高延性高耐水性水泥基复合材料，其特征在于：所述的聚乙烯醇纤维的长度为6mm～12mm，直径为12～38μm，弹性模量≧35GPa，极限抗拉强度≧1400MPa，断裂伸长率3～7％。5.如权利要求3所述的一种高强度高延性高耐水性水泥基复合材料，其特征在于：所述的硅烷偶联剂为烷基硅烷、氨基硅烷、环氧基硅烷、乙烯基硅烷、苯基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷、异氰酸基硅烷或氟硅烷中的一种或多种的混合溶液。6.如权利要求1所述的一种高强度高延性高耐水性水泥基复合材料，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的质量含量大于92％；所述的矿渣为市售优质矿渣；所述的稠度调节剂为市售优质稠度调节剂。7.如权利要求1所述的一种高强度高延性高耐水性水泥基复合材料，其特征在于：所述...

【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