一种超高韧性水泥基复合材料及其制备方法与流程

本发明属于材料学领域，涉及一种建筑用复合材料，具体来说是一种超高韧性水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术：

混凝土作为重要的土木工程材料，凭借取材简便、工艺简便、造价低、适应性强、抗压强度高等诸多优点，应用量越来越大，应用范围也越来越广泛。但是，由于混凝土自身的抗拉强度低、自重大、脆性大等固有弱点，加上混凝土结构在建设和使用过程中易出现不同程度和不同形式的裂缝，且混凝土自身控制裂缝的能力较差等问题，制约着混凝土这种建筑材料的应用。

为了满足现代工程要求，克服混凝土材料脆性大，裂缝控制能力差等缺点，国内外学者开始借助微观力学、细观力学、断裂力学的理论研究具有典型应变硬化特性的水泥基复合材料。美国密西根大学Victor Li教授和麻省理工大学Christopher Leung教授于1992年在美国ASCE Journal of Engineering Mechanics发表的论文建立了纤维水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites，通常称为ECC)的微观力学基础及设计准则，其后世界各地研究学者对ECC材料及其应用展开了深入的研究。此后，不含粗骨料的各种高韧性水泥基复合材料已成为水泥混凝土之外的一个新的重要分支。通过各种细集料和粉料作为原材料，采用相应工艺加工后，得到各种韧性好，应变能力强，并且具有多缝开裂性质的高韧性水泥基复合材料不断涌现。但是，传统的各类建筑用复合材料均是以大量的粉煤灰作为原料，原料的单一限制了该类材料在工程中的应用；此外，现有大量的工业废渣包括钢渣、矿粉、粉煤灰等利用率较低，占用土地，浪费资源，且对环境造成严重的污染，制约着我国自然资源，环境保护和建设环境友好型社会的可持续发展的目标的达成。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种超高韧性水泥基复合材料及其制备方法，所述的这种超高韧性水泥基复合材料及其制备方法要解决现有技术中的混凝土抗拉强度低、自重大、脆性大、控制裂缝的能力较差的技术问题。

本发明提供了一种超高韧性水泥基复合材料，由水泥、固体废弃物、石英砂、水、减水剂、增稠剂和聚乙烯醇纤维组成，各组份的重量份数如下：

水泥 200~250份；

固体废弃物 500~550份；

石英砂 200~250份；

水 200~250份；

减水剂 6.5~8份；

增稠剂 0.8~1.2份；

聚乙烯醇纤维 15~20份；

所述的固体废弃物由粉煤灰与矿粉组成，其中粉煤灰占固体废弃物的重量百分比为50%~55%，矿粉占固体废弃物的重量百分比为45%~50%。

进一步的，所述的水泥为强度等级52.5级的硅酸盐水泥。

进一步的，所述的粉煤灰为一级粉煤灰，中位径(D50)为19.45µm。

进一步的，所述的矿粉为一级矿粉，中位径(D50)为4.732µm。

进一步的，所述的减水剂为聚羧酸系高性能减水剂。

进一步的，所述的增稠剂为甲基纤维素醚。

进一步的，所述的石英砂为30~100目的石英砂，最大粒径不超过0.6mm。

进一步的，所述的聚乙烯醇纤维长度为12mm，直径为39μm，抗拉强度为1620MPa，弹性模量为42.8GPa。

本发明还提供了上述的一种超高韧性水泥基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)按照重量份数称取各反应物质，

2)将水泥、粉煤灰，矿粉、石英砂和增稠剂加入到搅拌锅中，在公转62±5r/min，自转140±5r/min的条件下干搅2~4分钟至均匀。

3)将水和减水剂加入到搅拌锅中，在公转125±10r/min，自转285±10r/min的条件下搅拌3~5分钟，直至浆体流动性达到要求；

4)加入聚乙烯醇纤维，再搅拌5~8分钟，直至聚乙烯醇纤维分散均匀，即得到超高韧性水泥基复合材料。

本发明更优选的一种方案中，所述的固体废弃物按重量百分比计，由45%的矿粉和55%的粉煤灰组成。

本发明更优选的另一种方案中，所述的固体废弃物按重量百分比计，由48%的矿粉和52%的粉煤灰组成。

本发明更优选的再一种方案中，所述的固体废弃物按重量百分比计，由50%的矿粉和50%的粉煤灰组成。

进一步的，所述的减水剂优选聚羧酸系高性能减水剂或萘系高效减水剂，进一步优选为聚羧酸系高性能减水剂。

进一步的，所述的增稠剂优选甲基纤维素醚或羟丙基甲基纤维素醚，进一步优选为甲基纤维素醚。

本发明将废弃的工业废渣粉煤灰与矿粉在高韧性水泥基复合材料领域进行再利用，消耗了工业废渣，有效的降低了能源的消耗，充分发挥工业废渣作用解决粉煤灰和矿粉对环境污染的问题，同时增加了超高韧性水泥基复合材料原料的来源，以便于更好地推广应用，减少环境污染以及提高工业废渣的利用率。

本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明的超高韧性水泥基复合材料具有以下有益效果：

1.材料性能好:

本发明的3天材料性能为：抗拉强度：2.62MPa，极限应变：5.6%；7天材料性能为：抗拉强度：3.76MPa，极限应变：3.1%；28天材料性能为：抗拉强度：5.5MPa，极限应变为2.3%。

2.制备工艺简单，新拌材料工作性能好:

本发明的制备工艺简单，普通的混凝土搅拌设备即可满足制备的需要，整个搅拌过程用时仅为10~17分钟。新拌材料的工作性能好，流动性指标为14~16cm。

3.成本低:

本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明的一种粉煤灰与矿粉复掺的超高韧性水泥基复合材料，结合了传统高韧性的纤维增强水泥基复合材料的优点，在原料中添加了大量廉价的粉煤灰和矿粉，一方面能够减弱基体材料的强度，优化基体材料与聚乙烯醇纤维的接触面，保证了材料的高韧性，另一方面粉煤灰和矿粉来源更加广泛，降低了原材料的价格。实验证明，本发明的一种粉煤灰与矿粉复掺的超高韧性水泥基复合材料具有超高韧性和强度。

附图说明

图1是实例3的粉煤灰与矿粉复掺的超高韧性水泥基复合材料的应力-应变与龄期关系对比示意图。

图2是实例1-3的粉煤灰与矿粉复掺的超高韧性水泥基复合材料与传统ECC的应力-应变对比示意图。

图3是实例3的粉煤灰与矿粉复掺的超高韧性水泥基复合材料拉伸后的多缝开裂图。

具体实施方式

实施例1：

水泥、固体废弃物、细骨料、水、减水剂、增稠剂和纤维的重量份数为：225份、525份、225份、225份、7份、1份、18份。该配合比使用一级粉煤灰和一级矿粉，矿粉和粉煤灰的重量比为：45%：55%。将相应重量份数的水泥、粉煤灰，矿粉、砂和增稠剂加入到搅拌锅中，慢速干搅3分钟至均匀。将按所述的份数的减水剂溶于水加入搅拌锅，快搅5分钟，直至浆体流动性达到要求。加入所述份数的纤维，再搅拌6分钟，直至聚乙烯醇纤维分散均匀，即得到所述的超高韧性水泥基复合材料。

所述的水泥为52.5级硅酸盐水泥；所述的细骨料由石英砂筛分而成，最大粒径不超过0.6mm。所述的减水剂为聚羧酸系高性能减水剂；所述的增稠剂为甲基纤维素醚增稠剂。

3天材料性能如下：抗拉强度为3.97MPa,极限应变为4.6%；7天材料性能如下：抗拉强度为4.26MPa，极限应变为4.1%；28天材料的性能如下：抗拉强度为5.87MPa，极限应变为2.2%。其流动性指标为14cm。

实施例2：

水泥、固体废弃物、细骨料、水、减水剂、增稠剂和纤维的重量份数为：225份、525份、225份、225份、7份、1份、18份。该配合比使用一级粉煤灰和一级矿粉，矿粉和粉煤灰的重量比为：48 %：52%。将相应重量份数的水泥、粉煤灰，矿粉、砂和增稠剂加入到搅拌锅中，慢速干搅3分钟至均匀。将按所述的份数的减水剂溶于水加入搅拌锅，快搅5分钟，直至浆体流动性达到要求。加入所述份数的纤维，再搅拌6分钟，直至聚乙烯醇纤维分散均匀，即得到所述的超高韧性水泥基复合材料。

所述的水泥为52.5级硅酸盐水泥；所述的细骨料由石英砂筛分而成，最大粒径不超过0.6mm。所述的减水剂为聚羧酸系高性能减水剂；所述的增稠剂为甲基纤维素醚增稠剂。

3天材料的性能如下：抗拉强度为3.11MPa，极限应变为4.5%；7天材料的性能如下：抗拉强度为3.89MPa，极限应变为2.9%；28天材料的性能如下：抗拉强度为4.76MPa，极限应变为2.3%。其流动性指标为15cm。

实施例3：

水泥、固体废弃物、细骨料、水、减水剂、增稠剂和纤维的重量份数为：225份、525份、225份、225份、7份、1份、18份。该配合比使用一级粉煤灰和一级矿粉，矿粉和粉煤灰的重量比为：50%：50%。将相应重量份数的水泥、粉煤灰，矿粉、砂和增稠剂加入到搅拌锅中，慢速干搅3分钟至均匀。将按所述的份数的减水剂溶于水加入搅拌锅，快搅6分钟，直至浆体流动性达到要求。加入所述份数的纤维，再搅拌8分钟，直至聚乙烯醇纤维分散均匀，即得到所述的超高韧性水泥基复合材料。

所述的水泥为52.5级硅酸盐水泥；所述的细骨料由石英砂筛分而成，最大粒径不超过0.6mm。所述的减水剂为聚羧酸系高性能减水剂；所述的增稠剂为甲基纤维素醚增稠剂。

3天材料的性能如下：抗拉强度为2.82MPa，极限应变为5.3%；7天材料的性能如下：抗拉强度为3.76MPa，极限应变为3.1%；28天材料的性能如下：抗拉强度为5.5MPa，极限应变为2.2%。其流动性指标为15.7cm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。