CN103373840A - 多尺度纤维增强的高性能水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多尺度纤维增强的高性能水泥基复合材料的制备方法，属于纤维增强水泥基复合材料制备技术领域。该纤维增强水泥基材料包括基体和多尺度纤维体系。基体包括水泥和砂；多尺度纤维体系包括钢纤维、聚乙烯醇纤维（PVA纤维）和碳酸钙晶须，其用量为纤维增强水泥基材料体积百分比的2.4~5.6 vol.%。其中，钢纤维：PVA纤维：碳酸钙晶须的体积比为1：0.1~1.2：0.3~5.3。本发明生产工艺简单，不需要专用设备，与普通水泥基材料等基本一致，材料来源广泛，成品价格低，可以实现产业化生产。可以通过调整配比来获得不同性能的本发明所述的多尺度纤维增强水泥基材料。用本产品可做现浇结构及围护材料，也可以预制成制品。
Description
技术领域
本发明属于纤维增强水泥基复合材料制备技术领域，涉及一种多尺度纤维增强的高性能水泥基复合材料及其制备方法。
背景技术
水泥基材料具有明显的脆性，传统的纤维增强水泥基复合材料（FRCC）虽然有效地改善了水泥基材料固有的高脆性并提高了其整体的韧性，却有明显的应***化行为和单缝或少缝开裂模式，而应***化和多缝开裂是高性能纤维增强水泥基复合材料所追求的目标。
水泥基材料的多尺度特征决定着其微观、细观以及宏观的性能，并反映在其多尺度的破坏过程中。单一品种和类型的宏观纤维会在材料的宏观开裂阶段发挥明显的桥联作用，但却无法有效地限制微裂纹的发展。因此，针对材料的多尺度破坏过程进行多尺度纤维的多尺度阻裂设计是必要的，是提高水泥基材料整体性能的有效手段之一。
本领域，国内外学者开展的研究集中在不同尺度纤维增强水泥基复合材料的探索。其中国际上具有代表性的是E. Parant和P. Rossi，二人曾提出“多尺度纤维增强水泥基材料（MSFRCC）”的概念，并使用三种不同长度的钢纤维配制出了高性能的多尺度纤维增强水泥基材料，研究了其疲劳破坏行为、在极端环境中且负荷状态下的耐久性以及冲击和疲劳作用下的破坏机理，该MSFRCC材料表现出了优秀的静态、动态力学性能以及耐久性，相关文献如下：
文献1：Edouard P, Pierre R, Claude B. Fatigue behavior of a multi-scale cement composite [J]. Cement and Concrete Research, 2007, 37: 264-269
文献2：Edouard P, Pierre R, Fabrice LM. Durability of a multiscale fibre reinforced cement composite in aggressive environment under service load [J]. Cement and Concrete Research, 2007, 37: 1106-1114
文献3：Pierre R, Edouard P. Damage mechanisms analysis of a multi-scale fibre reinforced cement-based composite subjected to impact and fatigue loading conditions [J]. Cement and Concrete Research, 2008, 38: 4134-4121
由于直径越小的纤维对微裂纹的控制越有利，仅从纤维长度变化来设计多尺度纤维增强水泥基材料，技术上需要进一步的完善。此外，钢纤维的总掺量已经达到了858 kg/m3 （体积掺量约为11%），材料的经济性亦有待斟酌；试验所用水胶比低至0.16，并有大量的硅灰引入，这必然导致拌合过程中更大剂量的高效减水剂和超塑化剂的使用，不仅抬高生产成本，也使拌合工艺和拌合质量变得更加复杂和难以控制。
在国内，梁宁惠等人研究了不同直径、不同长度的聚丙烯纤维混杂增强混凝土材料的单轴拉伸性能以及抗裂性能，发现相比于其他混杂方式，多尺度聚丙烯纤维增强混凝土的抗拉韧性是最佳的，并且实现了混凝土材 料的阶段抗裂、层次抗裂。相关文献如下：
文献4：梁宁慧，刘新荣 等. 多尺度聚丙烯纤维混凝土单轴拉伸试验 [J]. 重庆大学学报, 2012, 35: 80-84
文献5： 梁宁慧，刘新荣 等. 多尺度聚丙烯纤维混凝土抗裂性能的试验研究 [J]. 煤炭学报, 2012, 37: 1304-1309
但是，上述技术对于多尺度纤维的选取，并未考虑水泥基材料结构及破坏过程的多尺度特性；而且所选用聚丙烯纤维低强度、低弹模、高延伸率的特点，并不利于通过纤维桥联裂缝传递应力实现对微裂纹、宏观裂缝的控制以及对水泥基材料的有效增强，因此，其多尺度聚丙烯纤维对于混凝土材料的增强效果十分有限。
显然，这是由于对于水泥基材料多尺度结构特征和多尺度破坏过程的认识不足，缺乏相应的设计方法和分析手段，没有寻求到经济、适用的多尺度纤维材料体系，更缺乏对于纤维增强水泥基复合材料优化设计的理解和方法理论支持。
本发明从水泥基材料的结构多尺度特征出发，以其多尺度破坏过程为切入点，通过合理选取纤维、构建多尺度纤维体系、进行材料微观结构设计和界面优化，最终实现对材料整体性能的显著改善。本发明，为我国缩短与该领域国际先进水平的差距提供契机，而且对提高我国高性能水泥基复合材料制造技术的自主创新能力、满足我国建筑领域重大需求也具有一定的现实意义。
发明内容
本发明基于水泥基材料结构特征及破坏过程的多尺度特性，通过对纤维进行多尺度组合优化设计，制备一种由钢纤维、聚乙烯醇纤维（PVA）以及碳酸钙晶须构成的多尺度纤维***增强的高性能水泥基复合材料（MSFRC）。
本发明的技术方案如下：
一种多尺度纤维增强的水泥基复合材料，该纤维增强水泥基材料包括基体和多尺度纤维体系，基体包括水泥和砂，水泥：水：砂的比例为1：0.3~0.5：0.3~0.7。多尺度纤维体系包括钢纤维、聚乙烯醇纤维（PVA纤维）和碳酸钙晶须，其用量为纤维增强水泥基材料的体积百分比2.4~5.6vol.%，钢纤维：PVA纤维：碳酸钙晶须的体积比为1：0.1~1.2：0.3~5.3。
所述的水泥可采用普通硅酸盐水泥。
所述的砂可采用中砂或具有相似特征的细骨料。
进一步特征，所述的钢纤维为纤维混凝土通用的钢纤维，长度10-35mm，直径0.2-0.55mm，，抗拉强度不低于2000MPa；聚乙烯醇短切纤维（PVA纤维），长度3-18mm，直径30-40μm，抗拉强度不低于1100MPa，弹性模量不低于41GPa；碳酸钙晶须长度20-30μm，直径0.5-2μm，长径比15-60，抗拉强度3-6GPa，弹性模量410-710GPa。
进一步特征，使用减水剂，减水剂与水泥的质量百分比为0.2-0.4%，减水剂可以为萘系高效减水剂或聚羧酸系高效减水剂，可以采用粉剂或水剂的方式加入。加入粉剂减水剂时，粉剂减水剂与水泥混合一起加入；加入水剂减水剂时，水剂减水剂与水混合一起加入。
本发明的制备方法包括以下步骤：
（1）将水泥、砂和碳酸钙晶须混合搅拌均匀；
（2）将水加入搅拌机和步骤（1）得到的拌合物一起搅拌均匀；
（3）将聚乙烯醇纤维加入搅拌机中一起搅拌均匀；
（4）将钢纤维加入搅拌机中一起搅拌均匀；
（5）浇筑成型：将搅拌均匀后的物料注入模具，在振动台上振动60s；
（6）脱模养护：先养护至脱模后，继续养护至28d以上，成为最终产品。
在上述制备方法的基础上，使用减水剂时，加入粉剂减水剂时，粉剂减水剂与水泥混合一起加入；加入水剂减水剂时，水剂减水剂与水混合一起加入。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）多尺度纤维可显著改善了水泥基材料的韧性，基体材料的强度和韧性均得到了显著提高；有利于改善材料在受荷状态下的耐久性表现，提高使用安全性。
（2）MSFRC材料在弯曲荷载作用下表现出了硬化行为和多缝开裂模式；多尺度纤维在水泥基复合材料破坏过程中的发挥多尺度阻裂作用。
（3）本发明不仅得到一种高性能的水泥基复合材料，而且实现了利用廉价的碳酸钙晶须适量取代价格较高的钢纤维和PVA纤维的目的，降低了高性能纤维增强水泥基材料的生产成本。
（4）本发明的高性能的水泥基复合材料生产工艺简单，不需要专用设备，与普通水泥基材料等基本一致，材料来源广泛，成品价格低，可以实现产业化生产。本领域的技术人员可以通过调整配比来获得不同性能的本发明所述的多尺度纤维增强水泥基材料。
（5）用本产品可做现浇结构及围护材料，也可以预制成制品。
附图说明
图1是实施例2弯曲试验跨中区域裂缝形态与分布情况。
图2是实施例3弯曲试验跨中区域裂缝形态与分布情况。
图3是对照样弯曲试验跨中区域裂缝形态与分布情况。
具体实施方式
下面结合技术方案和表1及附图详细叙述本发明的实施例。
实施例1
本实施例中，采用水灰比为0.3，砂灰比为0.5。多尺度纤维体系总量为2.45 Vol. %，其构成为钢纤维：PVA纤维：碳酸钙晶须=1：0.11：0.30。
采用钢纤维无端部弯钩，长度13mm，直径0.2mm，长径比65，抗拉强度2400MPa；聚乙烯醇纤维（PVA纤维）长度6mm，直径31μm，抗拉强度1100MPa，弹性模量为41GPa；碳酸钙晶须长度20-30μm，直径 0.5-2μm，长径比15-60，抗拉强度3-6GPa，弹性模量410-710GPa。
按如下工艺进行制备：
（1）将水泥、砂和碳酸钙晶须混合搅拌均匀（30s）；
（2）将水加入搅拌机和（1）的拌合物一起搅拌均匀（60s）；
（3）将聚乙烯醇纤维加入搅拌机中一起搅拌均匀（90s）；
（4）将钢纤维加入搅拌机中一起搅拌均匀（90s）；
（5）浇筑成型：将搅拌均匀后的物料注入模具，在振动台上振动60s；
（6）脱模养护：先养护至脱模后，继续养护至28d以上，成为最终产品。
对本实施例制得的材料进行基本力学性能测试，结果如表1所示。
表1 抗压强度、抗弯强度、弯曲韧性测试结果
| 实施例 | 抗压强度/MPa | 弯曲强度 /MPa | 弯曲韧性/(N·m)(Up to 3mm deflection) |
| 1 | 98.6 | 18.10 | 19.824 |
| 2 | 95.1 | 20.21 | 21.010 |
| 3 | 89.3 | 19.92 | 21.407 |
| 4 | 87.4 | 16.02 | 15.923 |
| 5 | 90.75 | 13.94 | 13.063 |
| 对照样 | 80.5 | 8.71 | 0.37 |
实施例2
本实施例中，采用水灰比为0.3，砂灰比为0.5。多尺度纤维体系总量为2.9Vol. %，其构成为钢纤维：PVA纤维：碳酸钙晶须=1：0.27：0.67。水剂高效减水剂用量是0.25%
采用钢纤维无端部弯钩，长度13mm，直径0.2mm，长径比65，抗拉强度2400MPa；聚乙烯醇纤维（PVA纤维）长度6mm，直径31μm，抗拉强度1100MPa，弹性模量为41GPa；碳酸钙晶须长度20-30μm，直径0.5-2μm，长径比15-60，抗拉强度3-6GPa，弹性模量410-710GPa。
按如下工艺进行制备：
（1）将水泥、砂和碳酸钙晶须混合搅拌均匀（30s）；
（2）将水和水剂高效减水剂加入搅拌机和（1）的拌合物一起搅拌均匀（60s）；
（3）将聚乙烯醇纤维加入搅拌机中一起搅拌均匀（90s）；
（4）将钢纤维加入搅拌机中一起搅拌均匀（90s）；
（5）浇筑成型：将搅拌均匀后的物料注入模具，在振动台上振动60s；
（6）脱模养护：先养护至脱模后，继续养护至28d以上，成为最终产品。
对本实施例制得的材料进行基本力学性能测试，结果如表1附图1所示。
实施例3
本实施例中，采用水灰比为0.3，砂灰比为0.5。多尺度纤维体系总量为3.8Vol. %，其构成为钢纤维：PVA纤维：碳酸钙晶须=1：0.44：1.6。粉剂高效减水剂用量是0.35%。
采用钢纤维无端部弯钩，长度13mm，直径0.2mm，长径比65，抗拉强度2400MPa；聚乙烯醇纤维（PVA纤维）长度6mm，直径31μm，抗拉强度1100MPa，弹性模量为41GPa；碳酸钙晶须长度20-30μm，直径0.5-2μm，长径比15-60，抗拉强度3-6GPa，弹性模量410-710GPa。
按如下工艺进行制备：
（1）将水泥、砂、粉剂高效减水剂和碳酸钙晶须混合搅拌均匀（30s）；
（2）将水加入搅拌机和（1）的拌合物一起搅拌均匀（60s）；
（3）将聚乙烯醇纤维加入搅拌机中一起搅拌均匀（90s）；
（4）将钢纤维加入搅拌机中一起搅拌均匀（90s）；
（5）浇筑成型：将搅拌均匀后的物料注入模具，在振动台上振动60s；
（6）脱模养护：先养护至脱模后，继续养护至28d以上，成为最终产品。
对本实施例制得的材料进行基本力学性能测试，结果如表1和附图2所示。
实施例4
本实施例中，采用水灰比为0.3，砂灰比为0.5。多尺度纤维体系总量为4.7Vol. %，其构成为钢纤维：PVA纤维：碳酸钙晶须=1：0.7：3.0。粉剂高效减水剂用量是0.4%。
采用钢纤维无端部弯钩，长度13mm，直径0.2mm，长径比65，抗拉强度2400MPa；聚乙烯醇纤维（PVA纤维）长度6mm，直径31μm，抗拉强度1100MPa，弹性模量为41GPa；碳酸钙晶须长度20-30μm，直径0.5-2μm，长径比15-60，抗拉强度3-6GPa，弹性模量410-710GPa。
按如下工艺进行制备：
（1）将水泥、砂、粉剂高效减水剂和碳酸钙晶须混合搅拌均匀（30s）；
（2）将水加入搅拌机和（1）的拌合物一起搅拌均匀（60s）；
（3）将聚乙烯醇纤维加入搅拌机中一起搅拌均匀（90s）；
（4）将钢纤维加入搅拌机中一起搅拌均匀（90s）；
（5）浇筑成型：将搅拌均匀后的物料注入模具，在振动台上振动60s；
（6）脱模养护：先养护至脱模后，继续养护至28d以上，成为最终产品。
对本实施例制得的材料进行基本力学性能测试，结果如表1所示。
实施例5
本实施例中，采用水灰比为0.3，砂灰比为0.5。多尺度纤维体系总量为5.6Vol. %，其构成为钢纤维：PVA纤维：碳酸钙晶须=1：1.1：5.3。水剂高效减水剂用量是0.4%。
采用钢纤维无端部弯钩，长度13mm，直径0.2mm，长径比65，抗拉强度2400MPa；聚乙烯醇纤维（PVA纤维）长度6mm，直径31μm，抗拉强度1100MPa，弹性模量为41GPa；碳酸钙晶须长度20-30μm，直径0.5-2μm，长径比15-60，抗拉强度3-6GPa，弹性模量410-710GPa。
按如下工艺进行制备：
（1）将水泥、砂和碳酸钙晶须混合搅拌均匀（30s）；
（2）将水和水剂高效减水剂加入搅拌机和（1）的拌合物一起搅拌均匀（60s）；
（3）将聚乙烯醇纤维加入搅拌机中一起搅拌均匀（90s）；
（4）将钢纤维加入搅拌机中一起搅拌均匀（90s）；
（5）浇筑成型：将搅拌均匀后的物料注入模具，在振动台上振动60s；
（6）脱模养护：先养护至脱模后，继续养护至28d以上，成为最终产品。
对本实施例制得的材料进行基本力学性能测试，结果如表1所示。
表1中对照样为只掺加体积百分比为2%的钢纤维的样品，即采用水灰比为0.3，砂灰比为0.5，掺加体积百分比为2%的钢纤维制备的材料。对照表中数据，多尺度纤维的引入显著提高了材料的抗压及抗弯强度，其中实施例2和实施例3分别提高近130%和120%。对照组试件的弯曲韧性仅为0.37N·m，多尺度纤维试件的弯曲韧性远远高出，实施例3效果最显著。
图1-3分别是实施例2、实施例3和对照样在弯曲试验中跨中区域（40*40 mm2）的裂缝形态与分布情况。可见，对照样表现出单缝开裂模式。而实施例2和3的试件表现出明显的硬化现象，显示出典型的多缝开裂模式，证明了多尺度纤维在水泥基材料多尺度破坏过程中的多尺度增强效果。
Claims (9)
1.一种多尺度纤维增强的高性能水泥基复合材料，其特征在于，该纤维增强的水泥基复合材料包括基体和多尺度纤维体系，基体包括水泥和砂，水泥：水：砂的比例为1：0.3~0.5：0.3~0.7。多尺度纤维体系包括钢纤维、聚乙烯醇纤维和碳酸钙晶须，其用量为纤维增强水泥基材料体积百分比的2.4~5.6 vol.%，钢纤维：PVA纤维：碳酸钙晶须的体积比为1：0.1~1.2：0.3~5.3。
2.根据权利要求1所述的纤维增强的水泥基复合材料，其特征在于，所述的水泥采用普通硅酸盐水泥；所述的砂采用中砂或具有相似特征的细骨料。
3.根据权利要求1或2所述的纤维增强的水泥基复合材料，其特征在于，所述的钢纤维为纤维混凝土通用的钢纤维，长度10-35mm，直径0.2-0.55mm，抗拉强度不低于2000MPa；所述的聚乙烯醇短切纤维，长度3-18mm，直径30-40μm，抗拉强度不低于1100MPa，弹性模量不低于41GPa；所述的碳酸钙晶须长度20-30μm，直径0.5-2μm，长径比15-60，抗拉强度3-6GPa，弹性模量410-710GPa。
4.根据权利要求1或2所述的纤维增强的水泥基复合材料，其特征在于，上述的纤维增强的水泥基复合材料还包括减水剂，减水剂与水泥的质量百分比为0.2-0.4%；所述的减水剂是萘系高效减水剂或是聚羧酸系高效减水剂。
5.根据权利要求3所述的纤维增强的水泥基复合材料，其特征在于，上述的纤维增强的水泥基复合材料还包括减水剂，减水剂与水泥的质量百分比为0.2-0.4%；所述的减水剂是萘系高效减水剂或是聚羧酸系高效减水剂。
6.权利要求1或2任一所述的纤维增强的水泥基复合材料的制备方法，其特征包括以下步骤：
（1）将水泥、砂和碳酸钙晶须混合搅拌均匀；
（2）将水加入搅拌机和步骤（1）得到的拌合物一起搅拌均匀；
（3）将聚乙烯醇纤维加入搅拌机中一起搅拌均匀；
（4）将钢纤维加入搅拌机中一起搅拌均匀；
（5）浇筑成型：将搅拌均匀后的物料注入模具，在振动台上振动60s；
（6）脱模养护：先养护至脱模后，继续养护至28d以上，成为最终产品。
7.权利要求3所述的纤维增强的水泥基复合材料的制备方法，其特征包括以下步骤：
（1）将水泥、砂和碳酸钙晶须混合搅拌均匀；
（2）将水加入搅拌机和步骤（1）得到的拌合物一起搅拌均匀；
（3）将聚乙烯醇纤维加入搅拌机中一起搅拌均匀；
（4）将钢纤维加入搅拌机中一起搅拌均匀；
（5）浇筑成型：将搅拌均匀后的物料注入模具，在振动台上振动60s；
（6）脱模养护：先养护至脱模后，继续养护至28d以上，成为最终产品。
8.权利要求4所述的纤维增强的水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，
（1）将水泥、砂和碳酸钙晶须混合搅拌均匀；
（2）将水和减水剂加入搅拌机和步骤（1）得到的拌合物一起搅拌均匀；减水剂采用粉剂或水剂的方式加入：加入粉剂减水剂时，粉剂减水剂与水泥混合一起加入；加入水剂减水剂时，水剂减水剂与水混合一起加入；
（3）将聚乙烯醇纤维加入搅拌机中一起搅拌均匀；
（4）将钢纤维加入搅拌机中一起搅拌均匀；
（5）浇筑成型：将搅拌均匀后的物料注入模具，在振动台上振动60s。
9.权利要求5所述的纤维增强的水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，
（1）将水泥、砂和碳酸钙晶须混合搅拌均匀；
（2）将水和减水剂加入搅拌机和步骤（1）得到的拌合物一起搅拌均匀；减水剂采用粉剂或水剂的方式加入：加入粉剂减水剂时，粉剂减水剂与水泥混合一起加入；加入水剂减水剂时，水剂减水剂与水混合一起加入；
（3）将聚乙烯醇纤维加入搅拌机中一起搅拌均匀；
（4）将钢纤维加入搅拌机中一起搅拌均匀；
（5）浇筑成型：将搅拌均匀后的物料注入模具，在振动台上振动60s。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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