一种高延性水泥基复合材料及其制备方法

本发明属于建筑材料，特别涉及一种高延性水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、高延性水泥基复合材料(ecc)，是一种基于微观力学理论设计的，以胶凝材料、细骨料和强化纤维为主要原材料的水泥基复合材料，具有优异的延展性能、独特的应变硬化行为和多重开裂的特性。ecc在首次开裂后会出现应变硬化的现象，随后在微裂缝发展的情况下仍能保持承载能力，且微裂缝宽度通常低于200μm，应变达到3％-5％，是普通混凝土的300-500倍。因此，ecc在建筑物补强加固、自复位抗震结构、桥梁工程、水工结构等领域有广阔的应用前景。目前，ecc的制备通常以微硅砂作为细骨料。然而，微硅砂的平均粒径在110μm左右，最大粒径在250μm左右。极小的粒径使得以其为原材料的ecc配合比中胶砂比较低，由此会对ecc的收缩变形和弹性模量产生负面影响。此外，微硅砂产地和产量有限，生产和运输过程会增加碳排放和经济成本。微硅砂对于ecc性能和生产成本，以及生态环境的不利影响制约了ecc在工程中的广泛应用。因此，利用资源储备量大、易于取材的细骨料制备出ecc是促进其可持续生产的重要技术手段。

2、申请号为cn202310356014.6的中国专利申请公开了一种抗碱骨料反应海工混凝土、制备方法及应用，包括：水泥150-200份、复合矿物掺合料250-300份、橡胶微粉20-40份、海砂600-700份、碎石930-1000份、高效减水剂15-30份和海水240-320份；其中，复合矿物掺合料由粉煤灰、粒化高炉矿渣粉和硅灰复合而成。该发明采用海砂替代微硅砂作为细骨料，节约了成本，缓解了河沙资源短缺的问题。但海砂的加入会对混凝土的新拌性能、水化反应造成影响，进而影响其力学性能和耐久性。因此，目前亟需研究出一种以海砂作为细骨料且不对材料的各项性能产生太大影响的水泥基复合材料。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种高延性水泥基复合材料及其制备方法，本发明的水泥基复合材料具有良好的力学性能、耐久性和抗渗透性。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明的目的之一在于提供一种高延性水泥基复合材料，由以下重量份的原料组成：水泥281-400份、粉煤灰888-914份、再生混凝土微粉66-136份、海砂450-490份、水320-348份、聚乙烯醇纤维24-27份、苯乙烯丙烯酸酯乳液20-30份、减水剂4-6份。

4、进一步地，所述苯乙烯丙烯酸酯乳液由以下重量份的原料组成：苯乙烯10-20份、丙烯酸丁酯2-10份、甲基丙烯酸甲酯10-30份、十二烷基磺酸钠0.5-1份、水20-40份、过硫酸铵0.1-0.5份。

5、进一步地，所述苯乙烯丙烯酸酯乳液的制备过程为：

6、s11：按设定比例将苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯混合，得到单体混合物，备用；

7、s12：将2/3的单体混合物与2/3的十二烷基磺酸钠、2/3的水混合，得到单体预乳化液，备用；

8、s13：在搅拌状态下，将剩余的1/3的单体混合物加入到剩余的1/3的十二烷基磺酸钠与1/3的水的混合溶液中，并加入1/3的过硫酸铵，升温至85℃，出现蓝光后，加入步骤s12所得单体预乳化液和剩余的2/3的过硫酸铵，反应1-2h，冷却至室温后，得到所述苯乙烯丙烯酸酯乳液。

9、进一步地，所述水泥为硅酸盐水泥p·o42.5。

10、进一步地，所述粉煤灰为一级粉煤灰，所述粉煤灰通过45μm方孔筛的筛余量≤15％，需水量比≤95％。

11、进一步地，所述再生混凝土微粉的制备过程为：

12、s11：去除废弃混凝土中的杂质；

13、s12：将经过步骤s11处理后的废弃混凝土加入到鄂式破碎机中进行破碎，得到粒径小于4.75mm的再生细骨料；

14、s13：将步骤s12所得的再生细骨料加入到试验小磨中进行粉磨，过50目筛，再次粉磨15min，并过100目筛，粉磨60min，过200目筛，得到再生混凝土微粉颗粒；

15、s14：将步骤s13所得再生混凝土微粉颗粒加入到600-800℃的马弗炉中煅烧3-5h，冷却至室温后，加入2-5％的ca(oh)2，得到所述再生混凝土微粉。

16、进一步地，所述海砂的细度模数为2.3-3.0。

17、进一步地，所述聚乙烯醇纤维长度为12mm，直径为40μm，抗拉强度为1600mpa，弹性模量为39gpa，干断裂伸度为14％-20％。

18、进一步地，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂粉，减水率为32％，含气量为2.8％。

19、本发明的目的之二在于提供一种高延性水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

20、s21：将占比为1/4的减水剂加入到占比为1/4的水中，搅拌均匀，得到减水剂溶液，备用；

21、s22：按设定比例将水泥、粉煤灰、再生混凝土微粉、海砂、占比为3/4的减水剂加入到搅拌机中，搅拌1min，所述搅拌过程的转速为公转57-67r/min，自转135-145r/min；

22、s23：调低转速至公转为57-67r/min，自转为135-145r/min，缓慢加入占比为3/4的水，搅拌至混合物为流动态，并调高转速至公转为120-130r/min，自转为280-290r/min，搅拌2min；

23、s24：调低转速至公转为57-67r/min，自转为135-145r/min，缓慢加入占比为1/2的聚乙烯醇纤维，再调高转速至公转为120-130r/min，自转为280-290r/min，搅拌2min，再次调低转速，缓慢加入剩余的1/2聚乙烯醇纤维，调高转速搅拌2min；

24、s25：调低转速至公转为57-67r/min，自转为135-145r/min，快速加入步骤s21所得减水剂溶液，再调高转速至公转为120-130r/min，自转为280-290r/min，搅拌1min，得到所述高延性水泥基复合材料。

25、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

26、1、本发明提供的一种高延性水泥基复合材料，加入了苯乙烯丙烯酸酯乳液对水泥基复合材料进行了改性，苯乙烯丙烯酸酯乳液在水泥基复合材料中分散后，随着水分的蒸发和水泥的硬化，乳液中的聚合物颗粒会逐渐凝聚并形成连续的聚合物膜。这种聚合物膜可以填充水泥基体中的孔隙和微裂缝，增强材料内部的粘结力。苯乙烯丙烯酸酯乳液在水泥基体中形成的聚合物膜还能够有效填充水泥浆体中的孔隙，减少材料的孔隙率，从而提高水泥基复合材料的密实度。密实的结构能够有效阻止水分、气体等有害物质的侵入，提高材料的耐久性。通过填充孔隙和微裂缝，苯乙烯丙烯酸酯乳液能够显著提高水泥基复合材料的抗水渗透性能，减少水分在材料内部的传输，从而降低由于冻融循环、碳化、氯离子侵蚀等原因引起的材料劣化。

27、2、本发明中，采用水泥、粉煤灰、再生混凝土微粉组成胶凝材料体系，并采用大掺量粉煤灰代替水泥，再生混凝土微粉小掺量代替水泥。从性能提升方面，能够利用粉煤灰的火山灰活性，通过二次水化进一步提高高延性水泥基复合材料的密实度，再生混凝土微粉中含有较高的活性sio2和al2o3，同样能够与水泥水化产物ca(oh)2发生二次水化反应，生成c-s-h凝胶，促进强度的发展；从环境保护方面，本发明中的胶凝材料体系组成一方面能够减少水泥的使用量，从而减少水泥生产过程中的碳排放量；另一方面能够消纳燃煤电厂的副产品粉煤灰和废弃混凝土，进行资源化综合利用。

28、3、本发明中，采用海砂全取代微硅砂作为细骨料。从性能提升方面，与微硅砂相比，海砂最显著的特点是粒径大和携带cl-、so42-、mg2+等无机盐离子等特点。从ecc的设计原理来看，裂缝是从复合材料制备过程产生的初始缺陷中起裂的，并且其饱和多缝开裂的特性只有在足够多的大缺陷存在的情况下才能实现，而较大粒径的海砂恰好能够成为基体中预先存在的缺陷，提高拉伸极限应变和拉伸稳定性。此外，较大粒径的海砂还能够有效解决微硅砂制备ecc带来的收缩大、弹模低等问题。胶凝材料体系中的大掺量粉煤灰会导致ecc早期水化慢、早期强度发展慢，海砂中含量较高的cl-和so42-能够与水泥熟料中的c3a发生反应，分别生成friedel盐和钙矾石(aft)。friedel盐能够加快水泥基材料的水化，并且有利于材料早期强度的发展。aft具有膨胀性，能够在水化早期可以填充材料内部孔隙，优化孔隙结构，对水泥基材料的早期强度有一定促进作用。从经济成本方面，海砂产地广泛，取材便利，生产和运输成本较低，且海砂在使用前无需经过除盐淡化处理，有利于ecc的推广应用。

29、4、本发明在制备苯乙烯丙烯酸酯乳液的过程中采用了分次加入物料的方式，能够使聚合反应逐步进行，有助于形成粒径更均匀的聚合物颗粒。本发明减少了由于一次性加入过多单体导致的粒径不均匀、反应不完全的问题，提高了乳液的整体质量。

30、5、本发明提供的一种高延性水泥基复合材料的制备方法，针对材料特性和现有制备方法的局限性，通过预湿方法减少粉体材料的损耗率，通过分次加入纤维后加拌合水的方法提高纤维的分散性，提出了减少原材料损耗率和提高拌合物均匀性的制备方法。该制备方法无需对材料进行预处理，也无需使用搅拌机外的其他设备，工艺步骤简单，易于操作。