专利名称：非金属纤维编织网短纤维联合增强水泥基复合材料的制作方法
技术领域：
本发明属于土木工程、水利工程、水电工程、公路工程和铁路工程技术领域，涉及一种纤维增强水泥基复合材料，它利用非金属纤维编织网和短纤维联合对水泥基基体进行增强，对应硬化后的复合材料具有超高的韧性和高承载能力，可以将混凝土裂缝进行无害化分散。
背景技术：
传统的钢筋混凝土结构会因为氯离子或二氧化碳和其它侵蚀性介质的侵入造成钢筋锈蚀，保护层剥落，从而降低结构的承载力，甚至造成整个结构的破坏，而这种混凝土结构的维修费用高昂，此项费用甚至可以达到其造价的几倍。据统计，世界一些国家的腐蚀损失，平均可占国民经济总产值的2％～4％；其中，被认为与钢筋腐蚀有关者约占40％，而国内外的有关混凝土规范通过限制裂缝宽度来控制因混凝土开裂而造成的钢筋加速腐蚀。当前的一些大跨度结构受自重的影响，其跨度的增加受到限制；而还有一些结构因为自重过大而发生事故，如法国的戴高乐机场。由于钢筋混凝土结构不能屏蔽磁场，在利用钢筋混凝土结构建造的医院中，处于磁场中的医疗设备会被磁化，结果将威胁到病人的生命安全。至今混凝土的开裂问题仍然没有很好的解决，尤其是大体积水工混凝土的开裂问题，直接威胁到水工建筑物的安全。与此同时，近年来我国一些学者试图利用纺织纤维编织网改善混凝土，由于其使用的纤维编织网的性能和增强技术上还存在着明显缺陷，远远不能满足实际工程应用的要求。主要表现为，所使用的纺织纤维编织网抗拉强度不足；用其增强的混凝土复合材料受力开裂瞬间对应的承载力下降偏大，开裂处基体不再传递荷载，裂缝附近的纤维编织网与基体界面因应力集中易出现脱粘现象，不利于发挥编织网的极限承载能力，对应构件在荷载作用下，虽然能够出现多条裂缝，但裂缝间距较大。
使用非金属纤维编织网短纤维联合增强水泥基复合材料替代钢筋增强混凝土和纤维编织网增强混凝土则可以更有效地限制开裂，实现裂缝无害化分散，同时还可获得更高的承载能力。纤维编织网为一种扁平的织物，裁剪方便，可以根据要求制成特定形状；同时短纤维增强水泥基基体具有良好的工作性，甚至可具备自密实性，因此非金属纤维编织网短纤维联合增强水泥基复合材料既可以现场浇筑，又可以在工厂里预制成型。非金属纤维编织网具有比强度高(尤其是碳纤维)、无腐蚀，不同于钢筋混凝土那样需要较大的保护层厚度，对应非金属纤维编织网短纤维联合增强水泥基复合材料仅要求其满足可有效传递粘结应力即可，所以对应构件可以做得更薄；与此同时金属纤维编织网还具有防磁化等优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种非金属纤维编织网短纤维联合增强水泥基复合材料，使其具有重量轻、无腐蚀、防磁化、超高韧性以及易施工等优点，使用这种材料能够更有效的实现对混凝土裂缝的无害化分散、解决钢筋混凝土因钢筋锈蚀而产生的耐久性问题、防止医疗器械被磁化、为高层和大跨度结构的建筑材料提供更多的选择、帮助解决高腐蚀性环境下钢筋混凝土结构的维修和加固等工程问题。
本发明的技术方案是利用无耐久性问题的短纤维增强水泥基材料作基体，然后再使用无耐久性问题的非金属纤维编织网进行定向增强，对应的水泥基复合材料具有超高韧性、高承载能力、无腐蚀、防磁化，具备将混凝土裂缝无害化分散的能力。制作这种复合材料需要的非金属纤维编织网，采用碳纤维、芳纶纤维、耐碱玻璃纤维、聚乙烯醇纤维编织、聚乙烯纤维或以上纤维混杂编织；非金属短纤维使用聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、碳纤维、纺轮纤维中的一种或几种。在非金属纤维编织网短纤维联合增强水泥基复合材料中，短纤维主要用来限制裂缝宽度并使基体材料具备受力条件下产生多条细密裂缝的能力，而非金属纤维编织网则作为主要受力加强筋，用来承受荷载，在受力条件下还可以使水泥基复合材料额外产生多条裂缝。
本发明的效果益处是可利用非金属纤维编织网短纤维联合增强水泥基复合材料对混凝土裂缝进行无害化分散，是对应产生的裂缝宽度可以控制在很小的范围内，并且其自身没有腐蚀问题，具有超高的韧性和较高的承载能力，这无论对于解决水工混凝土结构的开裂问题还是解决高腐蚀环境下的钢筋混凝土结构维修和加固问题，还是高腐蚀环境下的永久性模板都尤为关键；利用非金属纤维编织网短纤维联合增强水泥基复合材料建造医院的局部结构，有效解决了医疗器械的防磁化问题，从而确保医疗器械的正常使用和病人的生命安全；其超高的韧性和高承载能力，使其在大跨度薄壳结构中得到应用，如建造大型体育场馆、大型剧院等公共建筑，此外还可用于建设U型薄壳渡槽；用其制作建筑外墙板可减轻建筑物自重，降低建筑成本；此外，非金属纤维编织网短纤维联合增强水泥基复合材料还在抗震工程等领域有着广阔的应用前景。
具体实施例方式
以下结合技术方案详细叙述本发明的实施例。
使用碳纤维编织网和PVA纤维联合增强水泥基复合材料制作10mm厚薄板实验测试实例PVA纤维(聚乙烯醇纤维)在基体中的体积掺率为2％，基体砂浆配比为水泥∶沙∶粉煤灰∶水∶减水剂＝1∶0.8∶1.2∶0.56∶0.032；其中PVA纤维为Kuralon K-II型，它在水泥基体中具有良好的分散性，亲水性适中，与水泥基体粘结良好；此外，水泥类型为PII42.5R，沙子最大粒径为0.15mm，粉煤灰为I级粉煤灰，减水剂为聚羧酸盐类减水剂。非金属纤维编织网采用的是碳纤维编织网。
加工过程首先制作PVA纤维增强砂浆-基体材料，先将水泥、粉煤灰和沙子用搅拌机搅拌均匀，关掉搅拌机后取出其中的四分之一拌合料，随后重新启动搅拌机，并加入搅拌水，然后加入减水剂，搅拌半分钟后，再加入先前取出的那四分之一拌合料，此后再搅拌1分钟，这时向搅拌机中缓慢加入PVA纤维，纤维完全加入后再搅拌4分钟，这时PVA纤维增强砂浆制作完成。浇注试件时，在放置碳纤维编织网前，首先在模板中浇注一层5mm厚的基体材料，刮平后铺设碳纤维编织网，然后安装模板在纤维网上面的5mm部分，浇注上部基体材料，浇注完成后，放到振动台上振捣1分钟。
浇注完成24小时后拆模，随后放置在标准养护室中蒸汽养护(湿度90％以上，温度20±2℃)，七天龄期后取出，待其表面干燥后进行测试，通过对应边长为70.7mm的立方体抗压试件测定的抗压强度为54MPa，通过厚10mm，宽为100mm，长度为400mm，跨度为300mm的碳纤维编织网和PVA纤维联合增强水泥基复合材料厚薄板，测定的抗弯强度为27MPa，跨中挠度为23mm。
权利要求
1.一种非金属纤维编织网短纤维联合增强水泥基复合材料，其特征在于使用纤维编织网和短纤维联合增强，制作这种材料使用的纤维编织网和短纤维有(1)非金属纤维编织网采用碳纤维编织网、芳纶纤维编织网、耐碱玻璃纤维编织网、聚乙烯醇纤维编织网、聚乙烯纤维编织网或以上纤维的混杂编织网；(2)非金属短纤维采用聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种或几种。
全文摘要
非金属纤维编织网短纤维联合增强水泥基复合材料，它利用非金属纤维编织网和短纤维联合增强。本发明的特征是具有超高韧性、无腐蚀、防磁化、高承载能力和能将混凝土裂缝无害化分散的能力。制作需要的非金属纤维编织网，应采用碳纤维、芳纶纤维、耐碱玻璃纤维、聚乙烯醇纤维编织、聚乙烯纤维或以上纤维混杂编织；非金属短纤维应使用聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种或几种。本发明的效果和益处是解决了水工混凝土结构的开裂问题、腐蚀环境下的钢筋混凝土结构维修和加固问题、解决了医疗器械的防磁化问题，这种材料可用于制作永久性模板、大跨度薄壳结构、U型薄壳渡槽，制作建筑外墙板可减轻建筑物自重，降低建筑总成本。
文档编号C04B16/06GK1736941SQ200510046878
公开日2006年2月22日 申请日期2005年7月12日 优先权日2005年7月12日
发明者徐世烺, 李贺东, 张秀芳, 李庆华 申请人:大连理工大学