一种用于钢筋混凝土结构加固的纤维增强水泥基复合材料

摘要

本发明涉及一种用于恶劣环境下开裂钢筋混凝土结构加固的高性能纤维增强水泥基复合材料；属于建筑材料技术领域。该复合材料由水泥、硅粉、膨胀剂、减水剂、细砂、纤维和水混合而成，其中水泥、硅粉、膨胀剂、减水剂、细砂和纤维所占的总质量百分比为77.6％～88.0％，水占质量百分比为12.0％～22.4％。本发明所设计的复合材料具有较高弹性模量、较高拉伸强度与压缩强度、较强的自愈合能力以及低渗透性。本发明材料组分设计合理，施工、护养简单，便于大规模的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于恶劣环境下开裂钢筋混凝土结构加固的高性能纤维增强水泥基复合材料；属于建筑材料技术领域。

背景技术

普通钢筋混凝土结构开裂后，为平衡外荷载所需的变形，裂纹宽度将扩展至宏观可见水平，使得侵蚀介质(如水、空气、氯离子、硫酸根离子等)通过连通孔隙渗入到钢筋混凝土结构内部，不仅减小结构承载力，而且降低结构耐久性。因而，对于潮湿、温差较大、通风不佳等恶劣环境中的开裂钢筋混凝土结构，必须开发不但具有诸如高拉伸性能(抗拉强度、延性)与高抗压性能(抗压强度、极限压应变)等超高性能，而且具有低渗透性(透水性、透气性)与自愈合能力及弱中性化等表面保护功能的加固材料。

纤维增强水泥基复合材料因纤维架桥作用的存在，可有效限制开裂，且开裂后表现出多缝开裂特征，实现裂缝无害化分散，具有高延性及表面保护等优势。此外，纤维增强水泥基复合材料的基体可根据实际需求采用不同配比，使得基体材料致密，得到诸如较高拉伸强度与压缩强度等超高性能，低渗透性(透水性、透气性)与自愈合能力及弱中性化等表面保护功能。

现有纤维增强水泥基复合材料因水灰比较大等因素影响而出现弹性模量较低(小于20GPa)等不足之处，致使纤维增强水泥基复合材料加固钢筋混凝土结构的承载力与变形能力提高并不明显。进而使得现有纤维增强水泥基复合材料很难用于恶劣环境下开裂钢筋混凝土结构的加固；或者是使用效果不理想。

发明内容

本发明针对恶劣环境下开裂钢筋混凝土结构加固实际需求，提供了一种用于恶劣环境下开裂钢筋混凝土结构加固的高性能纤维增强水泥基复合材料。

本发明一种用于钢筋混凝土结构加固的纤维增强水泥基复合材料；所述复合材料以质量百分比包括下述组分：

水泥55％～67％，优选为56％～66％，进一步优选为57.0％～65.0％；

硅粉8.0％～13.5％，优选为8.5％～13.0％，进一步优选为9.0％～12.5％；

膨胀剂1.7％～2.4％，优选为2.0％～2.3％，进一步优选为1.9％～2.2％；

减水剂0.8％～1.0％；

细砂5.5％～9.0％；

纤维0.4％～1.1％，优选为0.5％～1.0％，进一步优选为0.6％～0.9％；

水12.0％～22.4％。

本发明一种用于钢筋混凝土结构加固的纤维增强水泥基复合材料；所述水泥为低热水泥优选为强度等级为42.5级的低热水泥。

本发明一种用于钢筋混凝土结构加固的纤维增强水泥基复合材料；所述硅粉的无定型SiO₂含量大于90％。其平均粒径度为0.1um。

本发明一种用于钢筋混凝土结构加固的纤维增强水泥基复合材料；所述膨胀剂为市售硫铝酸盐类混凝土膨胀剂。如UEA、明矾石膨胀剂EA—L型等。

本发明一种用于钢筋混凝土结构加固的纤维增强水泥基复合材料；所述减水剂为聚羧酸类高效减水剂或萘系高效减水剂。

本发明一种用于钢筋混凝土结构加固的纤维增强水泥基复合材料；所述细砂为直径小于等于0.5mm的石英砂，优选为0.1mm-0.5mm的石英砂，进一步优选为0.2-0.5mm的石英砂。

本发明一种用于钢筋混凝土结构加固的纤维增强水泥基复合材料；所述纤维为聚乙烯纤维和/或聚乙烯醇纤维。

本发明一种用于钢筋混凝土结构加固的纤维增强水泥基复合材料；所述聚乙烯纤维的弹性模量为25GPa～40Gpa、拉伸强度为880MPa～1800MPa。

本发明一种用于钢筋混凝土结构加固的纤维增强水泥基复合材料；所述聚乙烯纤维的平均长度为4mm～8mm、平均直径为10μm～14μm。

本发明一种用于钢筋混凝土结构加固的纤维增强水泥基复合材料；所述聚乙烯醇纤维的弹性模量为88GPa～120Gpa、拉伸强度为880MPa～1800MPa。

本发明一种用于钢筋混凝土结构加固的纤维增强水泥基复合材料；所述聚乙烯醇纤维的平均长度为10mm～14mm、平均直径为37μm～41μm。

本发明一种用于钢筋混凝土结构加固的纤维增强水泥基复合材料；该纤维增强水泥基复合材料的极限拉应变大于等于0.85％、优选为0.85％～2.5％、进一步优选为1.8-2.5％，最终拉伸强度大于等于5.3MPa。

本发明一种用于钢筋混凝土结构加固的纤维增强水泥基复合材料；所述复合材料28d抗压强度在70MPa以上，优选为90-100MPa，对应的极限抗压应变0.40％左右。

有益效果

本发明采用充分分散的超细硅灰颗粒，填充于水泥颗粒堆积体系的空隙中，实现颗粒堆积致密化，再通过高效减水剂形成高密实度颗粒堆积体系，使得纤维增强水泥基复合材料具有较高弹性模量、较高拉伸强度与压缩强度等超高性能、较强的自愈合能力以及低渗透性。同时本发明所设计的复合材料成品的中性化能力(氯离子迁移能力)显著弱于普通混凝土，因而材料的耐腐蚀性能较高，进而减少了材料内部钢筋的腐蚀。

本发明选用的聚乙烯纤维和/或聚乙烯醇纤维弹性模量较高，通过其与适量的水泥、硅粉、膨胀剂、减水剂、细砂、水的协同作用得到了性能优越的水泥基复合材料；如所得成品具有高拉伸性能(抗拉强度、延性)与高抗压性能(抗压强度、极限压应变)等超高性能，同时也具有低渗透性(透水性、透气性)与自愈合能力、弱中性化等表面保护功能。

本发明所得成品具备高拉伸性能的原因可能为：

本发明选用的聚乙烯纤维和/或聚乙烯醇纤维弹性模量较高，通过其与适量的水泥、硅粉、膨胀剂、减水剂、细砂、水的协同作用，使得所得成品在产生较高延性过程中，纤维与基体产生滑移但极少纤维断裂，且材料所产生的裂缝宽度极为细小并实现无害化分散。

本发明所得成品具备高抗压性能的原因可能为：

由于各组分搭配合理，使得材料的基体十分致密，在纤维的架桥作用，该材料可获得高抗压强度。通过调整水胶质量比(水胶质量比的最佳范围0.18至0.30)，28d抗压强度在70MPa以上，对应的极限抗压应变0.40％左右。

本发明所得成品具备低渗透性及自愈合能力的原因可能为：

由于材料的基体十分致密、材料所产生的裂缝宽度极为细小并实现无害化分散，本发明涉及的高性能纤维增强水泥基复合材料渗透性(透水性、透气性)明显低于普通混凝土(低于混凝土的1/10)，且材料开裂处的生成物使得细小裂缝闭塞，材料具有自愈合能力。

本发明由于各组分以及组分用量使用得当，使得所得成品的中性化能力(氯离子迁移能力)显著弱于普通混凝土，因而材料的耐腐蚀性能较高，且材料内部钢筋的抗腐蚀能力得到极大提高。

附图说明

附图1为用于开裂钢筋混凝土结构加固的纤维增强水泥基复合材料的性能示意图；

图1中，横坐标为材料的极限拉应变，纵坐标为抗拉强度；1号曲线为现有成本极高的超高强度纤维增强混凝土的极限拉应变与抗拉强度的关系图；2号曲线为本发明实施例1所得成品的极限拉应变与抗拉强度的关系图；3号曲线为现有普通纤维增强水泥基复合材料的极限拉应变与抗拉强度的关系图。从图中可以看出：现有成本极高的超高强度纤维增强混凝土的抗拉强度较高，但其极限拉应变明显不足，导致其应用范围受到很大的限制；现有普通纤维增强水泥基复合材料尽管极限拉应变较大，但抗拉强度严重不足，因此也导致其应用范围受到很大的限制。本发明所制备的复合材料具有优异的拉伸与压缩强度、硬化应变。

具体实施方式

本发明提供了一种用于恶劣环境下开裂钢筋混凝土结构加固的高性能纤维增强水泥基复合材料，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

实施例1

一种用于恶劣环境下开裂钢筋混凝土结构加固的高性能纤维增强水泥基复合材料，该复合材料由水泥、硅粉、膨胀剂、高效减水剂、细砂、纤维和水混合而成，其中水泥、硅粉、膨胀剂、高效减水剂、细砂和纤维所占的总质量百分比为77.6％，水占质量百分比为22.4％。

水泥为强度等级为42.5级的低热水泥，硅粉为挪威Elkem公司生产的微硅粉(其平均粒径度为0.1um)，膨胀剂为市售硫铝酸盐类混凝土膨胀剂，减水剂为聚羧酸类高效减水剂，细砂为直径小于0.5mm的石英砂，纤维为日本Toyobo公司生产的高强度聚乙烯纤维。上述各组分分别占所述复合材料总质量的质量百分比如下：低热水泥55.0％；硅粉13.5％；膨胀剂1.7％；高效减水剂0.8％；细砂5.5％；纤维1.1％。

上述一种用于恶劣环境下开裂钢筋混凝土结构加固的高性能纤维增强水泥基复合材料的制备：将水泥、硅粉、膨胀剂、高效减水剂、细砂和纤维和水混合搅拌，得到产品。

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标准养护室进行28天水养护(温度为20±2℃)，其后在力学试验机上进行强度试验。此外，采用电泳试验测定氯离子侵入深度，参照日本混凝土工学协会建议的透水系数测定方法测定透水系数，通过Torrent透气试验测定透气系数。

表1实施例1纤维增强水泥基复合材料测试结果(28天)

实施例2

一种用于恶劣环境下开裂钢筋混凝土结构加固的高性能纤维增强水泥基复合材料，该复合材料由水泥、硅粉、膨胀剂、高效减水剂、细砂、纤维和水混合而成，其中水泥、硅粉、膨胀剂、高效减水剂、细砂和纤维所占的总质量百分比为83.7％，水占质量百分比为16.3％。

水泥为强度等级为42.5级的低热水泥，硅粉为挪威Elkem公司生产的微硅粉，膨胀剂为市售硫铝酸盐类混凝土膨胀剂，减水剂为聚羧酸类高效减水剂，细砂为直径小于0.5mm的石英砂，纤维为日本Toyobo公司生产的高强度聚乙烯纤维。上述各组分分别占所述复合材料总质量的质量百分比如下：低热水泥61.5％；硅粉11.2％；膨胀剂1.9％；高效减水剂0.9％；细砂7.5％；纤维0.7％。

上述一种用于恶劣环境下开裂钢筋混凝土结构加固的高性能纤维增强水泥基复合材料的制备：将水泥、硅粉、膨胀剂、高效减水剂、细砂和纤维和水混合搅拌，得到产品。

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标准养护室进行28天水养护(温度为20±2℃)，其后在力学试验机上进行强度试验。此外，采用电泳试验测定氯离子侵入深度，参照日本混凝土工学协会建议的透水系数测定方法测定透水系数，通过Torrent透气试验测定透气系数。

表2实施例纤维增强水泥基复合材料测试结果(28天)

实施例3

一种用于恶劣环境下开裂钢筋混凝土结构加固的高性能纤维增强水泥基复合材料，该复合材料由水泥、硅粉、膨胀剂、高效减水剂、细砂、纤维和水混合而成，其中水泥、硅粉、膨胀剂、高效减水剂、细砂和纤维所占的总质量百分比为87.8％，水占质量百分比为12.2％。

水泥为强度等级为42.5级的低热水泥，硅粉为挪威Elkem公司生产的微硅粉，膨胀剂为市售硫铝酸盐类混凝土膨胀剂，减水剂为聚羧酸类高效减水剂，细砂为直径小于0.5mm的石英砂，纤维为日本Toyobo公司生产的高强度聚乙烯纤维。上述各组分分别占所述复合材料总质量的质量百分比如下：低热水泥67.0％；硅粉8.0％；膨胀剂2.4％；高效减水剂1.0％；细砂9.0％；纤维0.4％。

上述一种用于恶劣环境下开裂钢筋混凝土结构加固的高性能纤维增强水泥基复合材料的制备：将水泥、硅粉、膨胀剂、高效减水剂、细砂和纤维和水混合搅拌，得到产品。

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标准养护室进行28天水养护(温度为20±2℃)，其后在力学试验机上进行强度试验。此外，采用电泳试验测定氯离子侵入深度，参照日本混凝土工学协会建议的透水系数测定方法测定透水系数，通过Torrent透气试验测定透气系数。

表3实施例纤维增强水泥基复合材料测试结果(28天)