一种具有低干燥收缩性能的高韧性水泥基复合材料及其制备方法

摘要

本发明是一种具有低干燥收缩性能的高韧性水泥基复合材料。该复合材料是由水、胶凝材料、石英砂、膨胀剂、减缩剂、减水剂和纤维组成的组合物，其中，质量比为水:胶凝材料:石英砂:膨胀剂:减缩剂:减水剂:纤维=1:4:1.32‑1.8:0.36:0.16:0.018:0.08，胶凝材料为水泥和粉煤灰，粉煤灰占胶凝材料总质量的55%‑75%。本发明水泥基复合材料可以明显减少PVA‑ECC的收缩，避免PVA‑ECC自身出现的开裂，保证其有良好的耐久性以及体积的稳定。

说明书

技术领域

本发明的技术方案涉及一种高韧性水泥基复合材料，具体地说是一种具有低干燥收缩性能的高韧性水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术

聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(Polyvinyl alcohol engineered cementitious composites),简称PVA-ECC,具有抗拉性能强、高韧性、高耐久性的优点，可以很好的弥补混凝土韧性低，抗裂性能差等缺点，已经被越来越多的采用，但是因为PVA-ECC的低水胶比和无粗骨料，在常温下会表现出较大的收缩。经过试验得到传统PVA-ECC的28d收缩应变可达到1200με，而Li,M.and Li,V C(Li,M.and Li,V C.Behavior Of ECC/Concrete Layer Repair System Under Drying Shrinkage Conditions[J].Proceedings of ConMat’05,Vancouver,Canada,August 22-24)经过研究也发现PVA-ECC在养护15天后，收缩应变可达到1700με左右，而同样养护条件下，普通混凝土在养护15天后的收缩应变仅为700με。PVA-ECC的干燥收缩过大会严重影响其使用效果，无法充分发挥PVA-ECC本身的优点，而且由于干燥收缩过大，PVA-ECC构件表面会出现大量裂缝，导致水或其他化学物沿裂缝侵入，严重影响结构的耐久性。

虽然经过研究往PVA-ECC中加入外加剂(减水剂、减缩剂)能够减少PVA-ECC的收缩，例如质量配合比为水：水泥：石英砂：减缩剂：减水剂：纤维＝1:2.85:1-1.5:0.057:0.014:0.052的PVA-ECC的干燥收缩达到660με；质量配合比为水：水泥：粉煤灰：石英砂：减缩剂：纤维＝1:1.1:1.6:1.2-1.45:0.23:0.015:0.06的PVA-ECC的干燥收缩达到710με。但是这个收缩量依然过大，是否能够进一步优化配合比以及同时加入膨胀剂和减缩剂使得收缩量能够进一步减小依然需要探索。所以收缩过大仍然是是限制PVA-ECC材料使用的“瓶颈”问题，也是影响PVA-ECC材料进一步推广使用的关键问题。

发明内容

本发明的目的为针对当前技术中存在的不足，提供一种具有低干燥收缩性能的高韧性水泥基复合材料及其制备方法。该材料的干燥收缩大幅减小，避免构件表面出现裂缝，从而解决PVA-ECC的干燥收缩过大，导致PVA-ECC无法发挥其应有作用的问题。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：

一种具有低干燥收缩性能的高韧性水泥基复合材料，该复合材料是由水、胶凝材料、石英砂、膨胀剂、减缩剂、减水剂和纤维组成的组合物，其中，质量比为水:胶凝材料:石英砂:膨胀剂:减缩剂:减水剂:纤维＝1:4:1.32-1.8:0.36:0.16:0.018:0.08，胶凝材料为水泥和粉煤灰，粉煤灰占胶凝材料总质量的55％-75％。

所述的膨胀剂为低碱型混凝土膨胀剂，优选为JM_Ⅲ(C)低碱型混凝土膨胀剂；

所述的减缩剂为混凝土减缩剂，优选为SRA(I)混凝土减缩剂；

所述的减水剂为聚羧酸类高效减水剂，优选为SIKA-325系列聚羧酸类高效减水剂；

所述的纤维为聚乙烯醇系列纤维。优选为日本KURALON K-Ⅱ新型聚乙烯醇系列纤维。

所述的水泥为普通硅酸盐水泥；所述的石英砂为精制80-100目石英砂；所述的粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰。

所述的具有低干燥收缩性能的高韧性水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按以上比例称量原料；

2)将水泥、粉煤灰、石英砂和膨胀剂混合，20-40转/分钟速度下干拌1.5-2.5分钟；

3)再加入减缩剂与水，40-70转/分钟速度下湿拌0.5-1.5分钟，然后加减水剂，继续搅拌2.5-3.5分钟，得到基材；

4)将基材继续以20-40转/分钟的速度搅拌，沿搅拌机转动方向手工加入纤维，再搅拌8～12分钟，得到具有低干燥收缩性能的高韧性水泥基复合材料。

上述具有低干燥收缩性能的高韧性水泥基复合材料及其制备方法，所用的原料均通过商购或其他公知途径获得，所涉及的工艺均是本技术领域的技术人员熟知并能掌握的。

本发明的有益效果是：

本发明水泥基复合材料可以明显减少PVA-ECC的收缩，避免PVA-ECC自身出现的开裂，保证其有良好的耐久性以及体积的稳定，例如实施例1中，具有低干燥收缩性能的高韧性水泥基复合材料的28d的收缩应变为262.41με，相比传统PVA-ECC的收缩(1700με左右)大幅度降低，甚至低于混凝土；收缩应变的减少降低了PVA-ECC的开裂，使其能用于对已有混凝土结构的加固、维修，能够很好的延长结构的使用寿命；可以更好的发挥材料高韧性、高耐久性的优势，有利于高韧性水泥基复合材料的推广。

具体实施方式

下面结合实施例进一步叙述本发明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明具有低干燥收缩性能的高韧性水泥基复合材料的制备方法(简称方法)，具体步骤是：

1)按以下比例称量原料，各材料的具体组成质量比为水：胶凝材料：石英砂：膨胀剂：减缩剂：减水剂：纤维＝1:4:1.32-1.8:0.36:0.16:0.018:0.08，其中胶凝材料为水泥+粉煤灰，粉煤灰占胶凝材料总量的55％-75％；

2)将水泥、粉煤灰、石英砂和膨胀剂等基体混合，20-40转/分钟速度下干拌1.5-2.5分钟；

3)再加入减缩剂与水，40-70转/分钟速度下湿拌0.5-1.5分钟，然后加减水剂，继续搅拌2.5-3.5分钟，得到基材；

4)将基材继续以20-40转/分钟的速度搅拌，沿搅拌机转动方向手工加入纤维，再搅拌8～12分钟，得到具有低干燥收缩性能的高韧性水泥基复合材料。

所述减水剂为聚羧酸类高效减水剂；水泥为普通硅酸盐水泥，石英砂的粒径目数为80-100目。

实施例1

本实施例具有低干燥收缩性能的高韧性水泥基复合材料的制备方法，具体步骤是：

1)按以下比例称量原料，各材料的具体组成质量比为水：水泥：粉煤灰：石英砂：膨胀剂：减缩剂：减水剂：纤维＝1:1:3:1.8:0.36:0.16:0.018:0.08；

2)将水泥、粉煤灰和石英砂和膨胀剂等基体混合，低速干拌2分钟，搅拌速度为30转/分钟；

3)缓缓加入减缩剂与水，湿拌1分钟，搅拌速度为60转/分钟，再加减水剂，继续搅拌3分钟，得到均匀流动的基材。在此过程中要保证搅拌锅底部的混合料得到充分搅拌；

4)在低速搅拌的同时，沿搅拌机转动方向手工均匀缓慢的加入纤维，再搅拌10分钟左右，得到具有低干燥收缩性能的高韧性水泥基复合材料(试样)；

本实例所用原材料如下：(1)水泥：P.O 42.5普通硅酸盐水泥；(2)砂：精制80-100目石英砂；(3)粉煤灰：Ⅰ级粉煤灰；(4)膨胀剂：SBTJM_Ⅲ(C)低碱型混凝土膨胀剂：(5)减缩剂：-SRA(I)混凝土减缩剂(无减水)：(6)减水剂：SIKA-325系列聚羧酸类高效减水剂；(7)纤维：日本KURALON K-Ⅱ新型聚乙烯醇系列纤维，其具体参数见下表2，其他实施例同：

表2PVA纤维参数

收缩应变性能测试：

将制备好的试样倒入试模内，用ZT-96胶砂试体成型振实台振动10s，然后用金属刮刀清除多余部分，使材料完全充满模具并使表面平整。

本实例测量收缩应变的模具为本领域公知常用模具，为尺寸是b×h×l＝40mm×40mm×160mm的立方体。试模两个端面中心各开一个直径6.5mm的孔洞，用于放置收缩测头。收缩测头为黄铜加工而成。养护28天后测它的收缩量，收缩采用水泥胶砂膨胀测量仪测定，标准杆长度为176mm±1mm，测量精度为0.001mm。

本实施例所得到的具有低干燥收缩性能的高韧性水泥基复合材料的28天的收缩应变为262.41με，相比普通PVA-ECC的收缩(1700με左右)大幅度降低。

平板开裂试验测试：

本实例进行平板开裂试验的模具为本领域公知器件，其尺寸为b×h×l＝600mm×63mm×600mm，用于浇筑试件的模具。模具的四边用10/6.3不等边角钢制成，每个边的外侧焊有四条加劲肋，模具四边与底板通过螺栓固定在一起，以提高模具的刚度；在模具每个边上同时焊接(或用双螺帽固定)两排共14个Φ10×100mm螺栓(螺纹通长)伸向锚具内侧。两排螺栓相互交错，便于浇筑的ECC材料能填充密实。当浇筑后的平板试件发生收缩时，四周将受到这些螺栓的约束。在模具底板的表面铺有低摩阻的聚四氟乙烯板材。

试件浇筑、振捣、抹平后立即用塑料薄膜覆盖，2小时后取下薄膜，每个试件各用一台同功率电风扇吹试件表面，风向平行于试件表面，风速约6m/s。从浇筑起，记录裂缝宽度和长度，至24小时。

试件的开裂试验结果如下表所示，可以看出，本实施例所得到的具有低干燥收缩性能的高韧性水泥基复合材料抗开裂性能良好，干燥收缩小，很大程度上降低了裂缝出现的概率。

表4PVA-ECC平板开裂试验结果

实施例2：

其他步骤同实施例1，不同之处为各材料的具体组成质量比为水：水泥：粉煤灰：石英砂：膨胀剂：减缩剂：减水剂：纤维＝1:1:3:1.5:0.36:0.16:0.018:0.08。

收缩应变性能测试结果为：28天的收缩应变为268.13με；平板开裂试验测试结果同实施例1.

实施例3

其他步骤同实施例1，不同之处为步骤4)中的搅拌速度为90转/分钟，搅拌时间为20分钟，搅拌完毕后发现许多纤维已被损坏，得到的材料性能很差，28d的收缩应变达到612με。由此可以看出，试件搅拌过程应注意不能为了防止结团而搅拌时间过长速率过快，这样不能保证纤维的完整性，会使纤维受到损坏，起不到应变硬化的作用，在开裂后，纤维起不到作用而直接被拉断。

实施例4

采用同实施例1中同样的试验方式、试验步骤以及试验材料，不同之处为配制传统PVA-ECC，质量配合比为水：水泥：粉煤灰：石英砂：减水剂：纤维＝1:1.1:1.6:1.5:0.018:0.08。试件的开裂试验结果如下表5所示，可以看出，本实施例所得到的传统PVA-ECC相比实施例2中具有低干燥收缩性能的高韧性水泥基复合材料出现了大量裂缝，干燥收缩很大，导致裂缝出现的概率大大增加。

表5PVA-ECC平板开裂试验结果

实施例1、2和实施例3(对比例)的相关数据表明，本发明方法制得的高韧性水泥基复合材料相比传统PVA-ECC的收缩应变大幅度降低，这种高韧性水泥基复合材料具有非常好的低干燥收缩性能。

实施例1、2和实施例4(对比例)的相关数据表明，本发明方法制得的高韧性水泥基复合材料抗开裂性能良好，能大大减少裂缝出现的概率，具有非常好的低干燥收缩性能。

本发明具有低干燥收缩性能的高韧性水泥基复合材料的制备方法所用的原料均通过商购或其他公知途径获得，所涉及的工艺均是本技术领域的技术人员熟知并能掌握的。

本发明未述及之处适用于现有技术。