一种高韧性低干缩纤维增强水泥基复合材料

摘要

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。

说明书

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“From  micromechanics to structural engineering-the design of cementitious composites for  civil 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， 即通常讲的应变硬化现象。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，即通常讲的应变硬化现象。 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