一种用于抗渗加固的超高延性水泥基复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种用于抗渗加固的超高延性水泥基复合材料及其制备方法，该水泥基复合材料由100份水泥、200–400份粉煤灰、60–200份细砂、1–40份憎水骨料、3–10份减水剂、5–12份合成纤维和70–140份水组成，先将水泥、粉煤灰、细砂和憎水骨料混合均匀，减水剂加入到水中完全溶解后与上述干料混合均匀，边搅拌边加入合成纤维使其均匀分布在拌合物中。本发明中粉煤灰占比大，可有效提升材料的极限应变能力，开裂时裂缝宽度明显小于普通纤维增强水泥基材料，同时憎水骨料可对渗入裂缝中的水起到排斥作用来减小细密裂缝渗透率，保证该水泥基复合材料在大变形下保持较低的渗透率，具有出色的抗渗加固作用。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种用于抗渗加固的超高延性水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术

混凝土是应用最为广泛的建筑材料，研究表明未开裂的混凝土具有较好的抗渗性能，即使在抗渗要求较高时也能通过聚合物砂浆、防水卷材等措施满足抗渗要求。然而，混凝土存在延性差、脆性大的缺点，易导致裂缝的产生且裂缝宽度难以控制。当混凝土开裂时，其渗透率会呈指数增长，导致严重的渗水，一方面对建筑的使用性能产生不利影响，另一方面导致钢筋锈蚀造成结构承载力下降，对建筑的安全性造成威胁。在混凝土发生变形开裂时，聚合物砂浆易和混凝土共同变形开裂，防水卷材与混凝土粘结面易出现脱粘，现有抗渗方法均难以解决开裂后混凝土的渗漏问题。

高延性水泥基复合材料(Engineering Cementitious Composite，ECC)是美国密歇根大学的Victor Li等于1998年提出的新型建筑材料，其极限抗拉应变可达3％以上，有效克服了混凝土的脆性开裂问题。与普通混凝土的开裂即断裂不同，首条裂缝出现后，由于纤维的牵拉作用，ECC并不会直接断裂，而是随应力增长持续出现新裂缝，在断裂前形成一系列致密的裂缝，Victor Li教授等对ECC的渗透性研究证明，变形后ECC的渗透性小于普通混凝土。此外，东南大学钱吮智教授等研究使用ECC作为桥面、路面材料的优势，验证了ECC具有高延性、低渗透性和更为明显的自愈合特性；2003年日本一公司在广岛地区的Mitaka水坝上喷射一层30mm厚的ECC材料，后续调查也表明ECC加固层有效起到抗渗作用。

现有技术中，专利号为ZL200910187472.1的发明专利公开了一种高韧性控裂防渗纤维混凝土，使用中等掺量短纤维增强混凝土控制混凝土的裂缝宽度，但仅聚焦于材料力学性能方面的优势，并不含具有憎水性的骨料，也没有针对渗透性能进行配比与制备方法的优化；专利号为ZL201610826803.1的发明专利公开了一种超高韧性纤维增强聚合物改性水泥基复合材料及其制备方法，该复合材料具有超高的初裂应变、较高的弯曲初裂应力等优点，但开裂后的裂缝宽度较大，在大变形作用下难以有效起到控制渗漏的作用。

发明内容

为解决混凝土在变形作用下的开裂渗漏问题，本发明的主要目的是提供一种用于抗渗加固的超高延性水泥基复合材料，在具有优越力学性能的同时可有效降低裂缝宽度，并通过添加憎水骨料降低单条裂缝的渗透率，起到防止混凝土结构开裂渗漏的作用。

本发明的另一目的是提供上述超高延性水泥基复合材料的制备方法，工艺简单且适于大规模产业化生产。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种用于抗渗加固的超高延性纤维增强水泥基复合材料，以100份水泥计，由水泥100份、粉煤灰200–400份、细砂60–200份、憎水骨料1–40份、减水剂3–10份、合成纤维5–12份和水70–140份组成。

优选地，所述水泥为P·O 42.5级硅酸盐水泥。

优选地，所述粉煤灰为I级粉煤灰，且粉煤灰占胶体的质量分数不低于66.7％。

优选地，所述细砂为粒径不大于0.2mm细石英砂。

优选地，所述憎水骨料为目数不小于80目且粒径不大于0.2mm的粉末状憎水骨料。

更优选地，所述粉末状憎水骨料为橡胶粉末。

优选地，所述减水剂为聚羧酸盐类高效减水剂。

优选地，所述合成纤维为聚乙烯醇纤维。

更优选地，所述聚乙烯醇纤维的长度为10–15mm、直径为30–40μm和极限延伸率为5％–7％，抗拉强度为1400–1700Mpa，且表面经过憎水处理，以减小纤维与胶体的粘结强度，提升材料延性。

上述用于抗渗加固的超高延性水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)根据原料配比称量各组分；

(2)将水泥、粉煤灰、细砂和憎水骨料混合，使用强制式搅拌机搅拌1–5min，使干料充分混合均匀，得到固体混合物；

(3)将减水剂加入到水中，使用搅拌机搅拌5–20s使其完全溶解，得到液体混合物；

(4)将步骤(3)中液体混合物加入到步骤(2)中固体混合物，使用强制式搅拌机搅拌1–5min，混合均匀，得到拌合物；

(5)将合成纤维边搅拌边加入到步骤(4)中拌合物，在2min内加入所有合成纤维，再继续搅拌2min，使纤维均匀分布在拌合物中，即得。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明的胶体中粉煤灰占比大，可有效提升材料的极限应变能力，开裂时的裂缝宽度明显小于普通纤维增强水泥基材料。

(2)由于粗骨料内部孔隙率较高，使用粗骨料会导致渗透率的增加，本发明不使用粗骨料，使用的细骨料粒径小，既保证材料的高延性又有效提升材料在未开裂状态下的抗渗性能。

(3)本发明使用具有憎水性的骨料可对渗入裂缝中的水起到排斥作用，具有减小细密裂缝渗透率的作用，与不添加憎水骨料的水泥基复合材料相比可使细小裂缝的渗透率降低60％以上。

(4)本发明使用的粉煤灰可来自发电厂产生的废料，用作憎水骨料的橡胶粉末可由废弃橡胶轮胎制得，既减少对环境的污染，又降低超高延性水泥基复合材料的成本。

附图说明

图1为实施例1中试件的拉伸应力-应变曲线。

图2为实施例2中试件的拉伸应力-应变曲线。

图3为实施例1和2中试件在1％应变下的裂缝分布直方图。

图4为实施例1和2中试件在不同应变下的渗透率-应变关系。

图5为实施例中超高延性水泥基复合材料的渗透率与橡胶粉末体积分数关系。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将通过较佳的实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

以下实施例中通过以下步骤制备用于抗渗加固的超高延性水泥基复合材料，具体如下：

(1)根据原料配比称量各组分；

(2)将水泥、粉煤灰、细砂、憎水骨料混合，使用强制式搅拌机搅拌2min左右，使干料充分混合均匀；

(3)将减水剂加入水中，使用搅拌机搅拌10s左右使减水剂完全溶解；

(4)将(3)中所得液体混合物加入(2)中所得固体混合物，使用强制式搅拌机搅拌2min左右，使干料与溶有减水剂的水混合均匀；

(5)将纤维缓缓加入(4)中所得拌和物，边加入边搅拌，在2min内加入所有纤维，然后再继续搅拌2min，使纤维均匀分布在拌和物中。

实施例1

一种用于抗渗加固的超高延性水泥基复合材料，配比如下：水泥100份、粉煤灰200份、细砂86份、橡胶粉末21份、减水剂3.4份、水75份、合成纤维6.4份，其中采用的聚乙烯醇纤维纤维直径为39μm、长度为12mm，极限延伸率为6.5％，抗拉强度为1560MPa，粉煤灰来自发电厂产生的废料，用作憎水骨料的橡胶粉末由废弃橡胶轮胎制得。

按上述方法制备拌合物，将其浇筑至模具中。浇筑完成后在高频振动台上振捣30s，排出浆体中的气泡，将试件静置24小时至其成型，然后拆模并标准养护至28天龄期。

对该水泥基复合材料试件的基本性能进行测试，结果如下：

(1)拉伸性能

试件尺寸：330mm×60mm×13mm狗骨形试件

测试方法：单轴拉伸试验

抗拉强度：4.67MPa；

极限抗拉应变：4.4％。

(2)抗压性能

试件尺寸：50mm×50mm×50mm立方体试件

测试方法：立方体单轴压缩试验

抗压强度：31.3MPa。

(3)开裂后渗透性能

试件尺寸：与拉伸性能试验相同

测试方法：恒定水头水压试验

1％应变下的渗透率：1.12×10

3％应变下的渗透率：2.31×10

上述试验结果表明，本发明的超高延性水泥基复合材料具有优秀的延性，即使在1％的大应变水平下渗透率也能达到0.2mm宽度裂缝的水平，符合抗渗规范要求。

实施例2

一种用于抗渗加固的超高延性水泥基复合材料，配比如下：水泥100份、粉煤灰400份、细砂180份、减水剂6.2份、水125份、合成纤维10.7份，其中采用的聚乙烯醇纤维直径为39μm、长度为12mm，极限延伸率为6.5％，抗拉强度为1560MPa。

按上述方法制备拌合物，将其浇筑至模具中。浇筑完成后在高频振动台上振捣30s，排出浆体中的气泡，将试件静置24小时至其成型，然后拆模并标准养护至28天龄期。

对该水泥基复合材料试件的基本性能进行测试，结果如下：

(1)拉伸性能

试件尺寸：330mm×60mm×13mm狗骨形试件

测试方法：单轴拉伸试验

抗拉强度：3.31MPa；

极限抗拉应变：4.5％。

(2)抗压性能

试件尺寸：50mm×50mm×50mm立方体试件

测试方法：立方体单轴压缩试验

抗压强度：29.7MPa。

(3)开裂后渗透性能

试件尺寸：与拉伸性能试验相同

测试方法：恒定水头水压试验

1％应变下的渗透率：2.44×10

3％应变下的渗透率：4.36×10

实施例3

一种用于抗渗加固的超高延性水泥基复合材料，配比如下：水泥100份、粉煤灰200份、细砂94份、橡胶粉末14份、减水剂3.4份、水75份、合成纤维6.4份，其中采用的聚乙烯醇纤维纤维直径为39μm、长度为12mm，极限延伸率为6.5％，抗拉强度为1560MPa，粉煤灰来自发电厂产生的废料，用作憎水骨料的橡胶粉末由废弃橡胶轮胎制得。

按上述方法制备拌合物，将其浇筑至模具中。浇筑完成后在高频振动台上振捣30s，排出浆体中的气泡，将试件静置24小时至其成型，然后拆模并标准养护至28天龄期。

对该水泥基复合材料试件的基本性能进行测试，结果如下：

(1)拉伸性能

试件尺寸：330mm×60mm×13mm狗骨形试件

测试方法：单轴拉伸试验

抗拉强度：4.50MPa；

极限抗拉应变：3.1％。

(2)抗压性能

试件尺寸：50mm×50mm×50mm立方体试件

测试方法：立方体单轴压缩试验

抗压强度：28.3MPa。

(3)开裂后渗透性能

试件尺寸：与拉伸性能试验相同

测试方法：恒定水头水压试验

1％应变下的渗透率：5.86×10

实施例4

一种用于抗渗加固的超高延性水泥基复合材料，配比如下：水泥100份、粉煤灰200份、细砂100份、橡胶粉末8份、减水剂3.4份、水75份、合成纤维6.4份，其中采用的聚乙烯醇纤维纤维直径为39μm、长度为12mm，极限延伸率为6.5％，抗拉强度为1560MPa，粉煤灰来自发电厂产生的废料，用作憎水骨料的橡胶粉末由废弃橡胶轮胎制得。

按上述方法制备拌合物，将其浇筑至模具中。浇筑完成后在高频振动台上振捣30s，排出浆体中的气泡，将试件静置24小时至其成型，然后拆模并标准养护至28天龄期。

对该水泥基复合材料试件的基本性能进行测试，结果如下：

(1)拉伸性能

试件尺寸：330mm×60mm×13mm狗骨形试件

测试方法：单轴拉伸试验

抗拉强度：5.02MPa；

极限抗拉应变：1.7％。

(2)抗压性能

试件尺寸：50mm×50mm×50mm立方体试件

测试方法：立方体单轴压缩试验

抗压强度：38.1MPa。

(3)开裂后渗透性能

试件尺寸：与拉伸性能试验相同

测试方法：恒定水头水压试验

1％应变下的渗透率：1.07×10

根据以上实施例可以看出，本发明中用于抗渗加固的超高延性水泥基复合材料可在大变形下保持较低的渗透率，起到出色的抗渗加固作用。