CN103274653B - 一种高韧性低干缩纤维增强水泥基复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑材料技术领域，特别涉及一种高韧性低干缩纤维增强水泥基复合材料。该复合材料由水泥、粉煤灰、硅粉、石膏、膨胀剂、减水剂、减缩剂、消泡剂、增稠剂、细砂、纤维和水混合而成，其中水泥、粉煤灰、硅粉、石膏、膨胀剂、减水剂、减缩剂、消泡剂、增稠剂、细砂和纤维所占的总质量百分比为77%～85%，水占质量百分比为15%～23%。本发明纤维增强水泥基复合材料具有干缩低、韧性高、裂纹宽度小、快凝早强的性能特点，同时也具有较高的抗压强度、与其他材料的良好协同工作性。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，特别涉及一种高韧性低干缩纤维增强水泥基复合材料。
背景技术
混凝土是一种典型的脆性材料，其在受荷达到峰值荷载以后承载力急剧下降，且变形集中发生在初裂裂纹处。因此普通混凝土结构物在应力超过混凝土的抗拉强度以后即出现裂纹。为平衡机械、环境荷载所需的变形，裂纹宽度将扩展至宏观可见水平。开裂不仅降低结构物的承载力，而且使水分和有害化学物质穿透保护层直接接触钢筋，最终导致结构物耐久性的降低。
解决混凝土的长期耐久问题，在提高混凝土材料非开裂状态下的抗渗透性能的同时，还要控制结构在复杂环境下开裂后的裂缝宽度。1993年第10卷第2期的Journal of JSCE中公开了一篇由Victor C.Li发表的名为“Frommicromechanics to structural engineering-the design of cementitious composites forcivil engineering application”的学术论文，其阐释了一种经过细观力学设计的高韧性纤维增强水泥基复合材料。该材料宏观极限抗拉应变可达3%～5%，其机理为在材料受拉过程中形成多条微裂纹（单个裂纹宽度为80μm左右，裂纹间距10mm左右）。宏观抗拉应力-应变关系的特点为随拉应变的增大抗拉应力不降低，即通常讲的应***化现象。拉伸过程中多条微细裂纹的形成使材料的宏观拉应变增大百余倍。由于裂纹间纤维的桥接作用，材料整体的传力性能并没有因细微裂纹的形成而被削弱。由于优良的应力-应变性能及裂缝宽度控制功能，该材料未来在土木工程中的应用已引起国内外学者的广泛关注。
高延性纤维增强水泥基复合材料存在较大缺陷，即其基材干燥收缩过大（28天干缩达1500～2000微应变）。尽管开裂后裂纹宽度得到了控制，但由于材料干缩过大，其开裂风险增加，且与其它材料的协同工作性明显变差（普通混凝土28天干缩应变通常在400～800微应变）。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种高韧性低干缩纤维增强水泥基复合材料。
一种高韧性低干缩纤维增强水泥基复合材料，该复合材料由水泥、粉煤灰、硅粉、石膏、膨胀剂、减水剂、减缩剂、消泡剂、增稠剂、细砂、纤维和水混合而成，其中水泥、粉煤灰、硅粉、石膏、膨胀剂、减水剂、减缩剂、消泡剂、增稠剂、细砂和纤维所占的总质量百分比为77%～85%，水占质量百分比为15%～23%。
所述水泥、粉煤灰、硅粉、石膏、膨胀剂、减水剂、减缩剂、消泡剂、增稠剂、细砂和纤维的具体质量百分比如下：
水泥 20%～26%；
粉煤灰 6.6%～8.7%；
硅粉 1.7%～2.2%；
石膏 1.7%～2.2%；
膨胀剂 3.3%～4.3%；
减水剂 0.3%～0.7%；
减缩剂 0.7%～0.9%；
消泡剂 0.06%～0.08%；
增稠剂 0.010%～0.014%；
细砂 33%～48%；
纤维 0.8%～1.0%。
所述水泥为强度等级为42.5级的硫铝酸盐水泥。
所述粉煤灰为一级低钙粉煤灰。
所述硅粉的无定型SiO2含量大于90%。
所述石膏为高强建筑石膏粉。
所述膨胀剂为市售硫铝酸盐类混凝土膨胀剂；所述减缩剂为市售混凝土减缩剂；所述消泡剂为市售混凝土消泡剂；所述增稠剂为市售混凝土保水增稠剂。
所述增稠剂为甲基纤维素醚或羟丙基甲基纤维素醚。
所述减水剂为聚羧酸类减水剂或萘系-氨基磺酸盐复合减水剂。
所述细砂为100～200目石英砂。
所述纤维为聚乙烯醇纤维，所述纤维长度为12mm，纤维直径为39μm。
本发明的有益效果为：
本发明纤维增强水泥基复合材料具有干缩低、韧性高、裂纹宽度小、快凝早强的性能特点，同时也具有较高的抗压强度、与其他材料的良好协同工作性，具体为：
1.低干缩性
为达到高韧性纤维增强水泥基材料的低干缩性，在原料中加入膨胀剂。其机理为：在水泥的早期硬化过程时，加入的膨胀剂与水泥的水化产物反应生成具有微膨胀效能的钙钒石，使高韧性材料的基材（砂浆）适度膨胀，补偿各类收缩变形。
试验表明，经过材料补偿处理后的水泥基复合材料与传统高韧性纤维增强水泥基复合材料相比，28d的收缩值由1500微应变降低至200微应变，降低了87%。且收缩值低于普通混凝土，意味着在普通混凝土不开裂的结构中高韧性低干缩纤维增强水泥基复合材料也不会开裂，极大的降低了传统高韧性纤维增强水泥基材料的开裂风险。
2.高韧性
为实现材料的高韧性，纤维、基材（砂浆）和纤维-基材界面特性须经由合理的细观力学设计。本发明选用的聚乙烯醇纤维的弹性模量与基材相当、强度较高、与基材的粘结性能良好。通过调整水胶比来实现基材性能（强度、断裂韧性等）与该种纤维的良好匹配。这样设计出的水泥基材料除了具有低干缩性还可实现高韧性、微细裂纹宽度。
该材料宏观极限抗拉应变可达3%-5%，其机理为在材料受拉过程中形成多条微裂纹（单个裂纹宽度为80μm左右，裂纹间距10mm左右）。宏观抗拉应力-应变关系的特点为随拉应变的增大抗拉应力不降低，即通常讲的应***化现象。拉伸过程中多条微细裂纹的形成使材料的宏观拉应变增大百余倍。由于裂纹间纤维的桥接作用，材料整体的传力性能并没有因细微裂纹的形成而被削弱。
3.良好抗压性能
作为一种结构工程材料，本发明涉及的高韧性低干缩纤维增强水泥基复合材料除了具有高韧性、低干缩的特性以外，还应具有良好的抗压性能。由于选用水泥砂浆作为材料的基材，加之纤维对原生裂纹、扩展裂纹的桥接作用，该材料可获得良好的抗压性能。通过调整水胶比，材料的28d抗压强度可达20～30MPa，对应的极限抗压应变可达0.3%以上。
具体实施方式
本发明提供了一种高韧性低干缩纤维增强水泥基复合材料，下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
一种高韧性低干缩纤维增强水泥基复合材料，它由水泥、粉煤灰、硅粉、石膏、膨胀剂、减水剂、减缩剂、消泡剂、增稠剂、细砂、纤维和水混合而成，其中水泥、粉煤灰、硅粉、石膏、膨胀剂、减水剂、减缩剂、消泡剂、增稠剂、细砂和纤维所占总质量百分比为80.5%，水占质量百分比为19.5%。
水泥为强度等级42.5级的快硬硫铝酸盐水泥；粉煤灰为一级低钙粉煤灰；硅粉的甘肃三远硅材料有限公司生产的微硅粉；石膏为高强建筑石膏粉；膨胀剂为市售ZY复合型混凝土膨胀剂；减水剂为聚羧酸高效减水剂；减缩剂为市售混凝土减缩剂；消泡剂为上海巴斯夫应用化工有限公司生产的Lumiten EL型消泡剂；增稠剂为市售混凝土保水增稠剂，其组分为羟丙基甲基纤维素醚；细砂为100～200目石英砂；纤维为日本Kuraray公司生产的聚乙烯醇纤维。上述各组分的质量百分比如下：
快硬硫铝酸盐水泥26%；粉煤灰8.7%；硅粉2.2%；石膏粉2.2%；膨胀剂4.3%；聚羧酸高效减水剂0.4%；减缩剂0.87%；消泡剂0.08%；保水增稠剂0.01%；100～200目石英砂35%；聚乙烯醇纤维1%。
上述一种高韧性低干缩纤维增强水泥基复合材料的制备：将水泥、粉煤灰、硅粉、石膏、膨胀剂、减水剂、减缩剂、消泡剂、增稠剂、细砂、纤维和水混合搅拌，得产品。
本实施例获得产品的各项性能的试验结果列于表1。其中，力学试验所用试块在24小时脱模后，放入标准养护室进行水养护（温度为20±2℃），28天后在力学试验机上进行抗拉、抗压试验；干缩试验采用水泥胶砂膨胀测量仪进行，试块在标准试验条件下放置24小时后拆模，然后测量其在各龄期下的收缩值。
表1实施例1高韧性低干缩纤维增强水泥基复合材料测试结果表（28天）
| 抗拉强度/MPa | 4.84 |
| 极限拉应变/% | 1.49 |
| 抗压强度/MPa | 27.54 |
| 极限压应变/% | 0.55 |
| 收缩值/με | 109 |
实施例2
一种高韧性低干缩纤维增强水泥基复合材料，它由水泥、粉煤灰、硅粉、石膏、膨胀剂、减水剂、减缩剂、消泡剂、增稠剂、细砂、纤维和水混合而成，其中水泥、粉煤灰、硅粉、石膏、膨胀剂、减水剂、减缩剂、消泡剂、增稠剂、细砂和纤维所占质量百分比为79%，水占质量百分比为21%。
水泥为强度等级42.5级的快硬硫铝酸盐水泥；粉煤灰为一级低钙粉煤灰；硅粉的甘肃三远硅材料有限公司生产的微硅粉；石膏为高强建筑石膏粉；膨胀剂为市售ZY复合型混凝土膨胀剂；减水剂为萘系-氨基磺酸盐复合高效减水剂；减缩剂为市售混凝土减缩剂；消泡剂为上海巴斯夫应用化工有限公司生产的Lumiten EL型消泡剂；增稠剂为市售混凝土保水增稠剂，其组分为羟丙基甲基纤维素醚；细砂为100～200目石英砂；纤维为日本Kuraray公司生产的聚乙烯醇纤维。上述各组分的质量百分比如下：
快硬硫铝酸盐水泥25.5%；粉煤灰8.55%；硅粉2.2%；石膏粉2.2%；膨胀剂4.2%；聚羧酸高效减水剂0.4%；减缩剂0.85%；消泡剂0.08%；保水增稠剂0.02%；100～200目石英砂34%；聚乙烯醇纤维1%。
上述一种高韧性低干缩纤维增强水泥基复合材料的制备：将水泥、粉煤灰、硅粉、石膏、膨胀剂、减水剂、减缩剂、消泡剂、增稠剂、细砂、纤维和水混合搅拌，得产品。
本实施例获得产品的各项性能的试验结果列于表2。其中，力学试验所用试块在24小时脱模后，放入标准养护室进行水养护（温度为20±2℃），28天后在力学试验机上进行抗拉、抗压试验；干缩试验采用水泥胶砂膨胀测量仪进行，试块在标准试验条件下放置24小时后拆模，然后测量其在各龄期下的收缩值。
表2实施例2高韧性低干缩纤维增强水泥基复合材料测试结果（28天）
| 抗拉强度/MPa | 4.03 |
| 极限拉应变/% | 1.24 |
| 抗压强度/MPa | 20.94 |
| 极限压应变/% | 0.45 |
| 收缩值/με | 202 |
Claims (7)
1.一种高韧性低干缩纤维增强水泥基复合材料，其特征在于：该复合材料由水泥、粉煤灰、硅粉、石膏、膨胀剂、减水剂、减缩剂、消泡剂、增稠剂、细砂、纤维和水混合而成，其中水泥、粉煤灰、硅粉、石膏、膨胀剂、减水剂、减缩剂、消泡剂、增稠剂、细砂和纤维所占的总质量百分比为77％～85％，水占质量百分比为15％～23％；
所述水泥、粉煤灰、硅粉、石膏、膨胀剂、减水剂、减缩剂、消泡剂、增稠剂、细砂和纤维的具体质量百分比如下：
所述水泥为强度等级为42.5级的硫铝酸盐水泥；
所述细砂为100～200目石英砂；
所述纤维为聚乙烯醇纤维，所述纤维长度为12mm，纤维直径为39μm。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述粉煤灰为一级低钙粉煤灰。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述硅粉的无定型SiO2含量大于90％。
4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述石膏为高强建筑石膏粉。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述膨胀剂为市售硫铝酸盐类混凝土膨胀剂；所述减缩剂为市售混凝土减缩剂；所述消泡剂为市售混凝土消泡剂；所述增稠剂为市售混凝土保水增稠剂。
6.根据权利要求5所述的复合材料，其特征在于：所述增稠剂为甲基纤维素醚或羟丙基甲基纤维素醚。
7.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸类减水剂或萘系-氨基磺酸盐复合减水剂。
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