本發(fā)明屬于建筑材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其是涉及一種超高韌性纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥基復(fù)合材料及制備方法。
背景技術(shù)：
：1992年，ACE-MRL的美國(guó)密歇根大學(xué)教授VictorC.Li利用斷裂力學(xué)和微觀力學(xué)原理，首次對(duì)水泥基復(fù)合材料進(jìn)行系統(tǒng)地設(shè)計(jì)、調(diào)整和優(yōu)化，通過(guò)對(duì)穩(wěn)態(tài)開(kāi)裂和多縫開(kāi)裂的研究，從理論上論述了配制具有超高韌性的水泥基復(fù)合材料ECC——EngineeredCementitousComposite的可行性。最初的ECC只是一種泛指的提法，而發(fā)展至今天，由于其在韌性方面極為突出的性能，開(kāi)始被一些學(xué)者稱為“超高韌性水泥基復(fù)合材料”(UltraHighToughnessCementitiousComposites，UHTCC)，并定義為：使用短纖維增強(qiáng)，且纖維摻量不超過(guò)復(fù)合材料總體積的2.5％，硬化后的復(fù)合材料具有顯著的應(yīng)變硬化特征，在拉伸荷載作用下可產(chǎn)生多條細(xì)密裂縫，極限拉伸應(yīng)變可穩(wěn)定地達(dá)到3％以上。2005年日本北海道三原大橋，使用了鋼-ECC復(fù)合結(jié)構(gòu)，使該橋橋面板很薄。ECC超高的拉伸韌性和裂縫致密的特點(diǎn)，使得橋面板自重得以降低40％，預(yù)計(jì)壽命可達(dá)100年。而同在北海道的美原大橋，2005年在開(kāi)通后，大樁號(hào)側(cè)引橋左幅左輪跡處橋面相繼產(chǎn)生一些破壞，主要表現(xiàn)為唧漿，泛白以及開(kāi)裂等，通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)鋪裝內(nèi)積水，下層的ECC有壓碎現(xiàn)象，通過(guò)室內(nèi)加載試驗(yàn)，在有水的環(huán)境下，由于水壓力的影響，ECC結(jié)構(gòu)的疲勞壽命明顯低于干燥狀態(tài)下的壽命。上述美原大橋的實(shí)例，事實(shí)上宣布了這種所謂超高韌性水泥基復(fù)合材料作為超大跨徑鋼橋面鋪裝材料是不合適的。20世紀(jì)90年代以來(lái),超高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(UHPCC)或超高性能纖維增強(qiáng)混凝土(Ultra-HighPerformanceFibreReinforcedConcrete，簡(jiǎn)寫為UHPFRC)或簡(jiǎn)稱超高性能混凝土(Ultra-HighPerformanceConcrete，簡(jiǎn)寫為UHPC)，一直成為國(guó)際復(fù)合材料行業(yè)的高端研究熱點(diǎn)。這種材料具有超高性能,可以用到大跨薄壁結(jié)構(gòu)及對(duì)構(gòu)件重量、厚度和性能有苛刻要求的特種結(jié)構(gòu)上,如機(jī)場(chǎng)跑道、港口海洋工程、結(jié)構(gòu)抗震和核電站工程等。目前,這種材料在國(guó)外已從研發(fā)階段進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段,但國(guó)外少數(shù)公司(如丹麥Densit公司)的產(chǎn)品處于壟斷地位,不僅價(jià)格高,而且核心技術(shù)保密,如材料配方、成型與養(yǎng)護(hù)工藝等關(guān)鍵技術(shù)未有公開(kāi)文獻(xiàn)報(bào)道。最近幾年，陸續(xù)有文獻(xiàn)報(bào)道UHPFRC配比設(shè)計(jì)，其組成主要是含量較高(超過(guò)1000kg/m3)的粉料(水泥以及摻合料)，細(xì)度模數(shù)2.4左右的砂子，直徑0.2mm、長(zhǎng)度13mm左右的鋼纖維，直徑30μm、長(zhǎng)度8mm左右的高模量纖維(如聚乙烯醇纖維)。其中鋼纖維的體積摻量一般小于2.5％(195kg/m3)，聚乙烯醇纖維的體積摻量一般小于0.5％。超高性能混凝土以其優(yōu)良的性能，廣泛用于海洋工程、公路橋梁、國(guó)防工程等國(guó)計(jì)民生領(lǐng)域。法國(guó)巴黎JEANBOUIN體育場(chǎng)，用3600塊的超高性能混凝土預(yù)制三角鏤空板(鑲嵌玻璃)鋪了23000平方米的屋頂。輕巧的材料(強(qiáng)度大促使重量變輕，同等強(qiáng)度其重量有原材料的1/4)使超大跨殼體同時(shí)實(shí)現(xiàn)了光線透射功能設(shè)計(jì)、藝術(shù)性設(shè)計(jì)和低自重設(shè)計(jì)的完美結(jié)合。此類工程還有卡塔爾新建國(guó)家博物館、日本東京的羽田機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建跑道等。羽田機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建跑道采用了UHPC預(yù)制板技術(shù)，利用它的超高強(qiáng)度大幅降低結(jié)構(gòu)自重，因此降低樁基礎(chǔ)的建設(shè)成本。與ECC相比，UHPC具有高得多的強(qiáng)度，前者抗壓強(qiáng)度一般在30～45MPa，后者抗壓強(qiáng)度一般大于100MPa，甚至高達(dá)200MPa。但是，UHPC和ECC一樣，其初裂應(yīng)變?nèi)匀环浅Ｐ。M管它們都表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特征，試樣斷裂前可以產(chǎn)生很大的應(yīng)變，但應(yīng)變都來(lái)自于試樣的多縫開(kāi)裂。彎曲試樣的初裂撓度并不隨纖維含量的增加而提高，盡管其抗彎強(qiáng)度和峰值荷載時(shí)的撓度以及裂縫開(kāi)口寬度(CMOD)隨纖維摻量增大幾乎是線性增大的。用鋼纖維和聚乙烯醇纖維混合增強(qiáng)的超高韌性水泥基復(fù)合材料(UHTCC)，極限應(yīng)變同樣來(lái)自于多縫開(kāi)裂?？梢?jiàn)，期望通過(guò)鋼纖維提高材料的模量，從而降低實(shí)際變形，減少開(kāi)裂引起的耐久性問(wèn)題，在變形小的應(yīng)用場(chǎng)合是可行的。但由于基體本身的脆性特點(diǎn)沒(méi)有變化，其初始開(kāi)裂應(yīng)變?nèi)匀恢挥?00～200微應(yīng)變左右，因而，可以預(yù)料，對(duì)于變形比較大的場(chǎng)合，例如鋼橋面鋪裝材料，其耐久性問(wèn)題與之前的ECC材料是相似的。鋼橋面鋪裝復(fù)合結(jié)構(gòu)的剛度以鋼板為主，鋪裝層主要追隨鋼板的變形，主要表現(xiàn)為應(yīng)變控制狀態(tài)。而應(yīng)變大小與材料的彈性模量關(guān)系密切。因此，在保持適當(dāng)強(qiáng)度的前提下，提高基體材料的韌性和初始開(kāi)裂應(yīng)變，才是解決鋼橋面鋪裝材料抗疲勞開(kāi)裂的辦法。根據(jù)這樣的認(rèn)識(shí)，中國(guó)專利公開(kāi)CN104944858A(申請(qǐng)?zhí)枺?015102779274)提出了一種高初裂應(yīng)變纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥復(fù)合材料及其制備方法，其用彎曲試驗(yàn)測(cè)得的初裂應(yīng)變達(dá)到了1000～1400微應(yīng)變。由于鋪裝層厚度往往比鋼橋面板更厚，接近10倍，因此要跟隨鋼橋面高達(dá)1000微應(yīng)變，鋪裝層必須具有超過(guò)10000微應(yīng)變初裂應(yīng)變，才能產(chǎn)生足夠大的撓度跟隨鋼橋面變形。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種具有超高的初裂應(yīng)變、較高的彎曲初裂應(yīng)力的超高韌性纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥基復(fù)合材料及制備方法。本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：超高韌性纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥基復(fù)合材料，由水泥、中砂、聚合物乳液、合成聚合物纖維、減水劑、消泡劑、增稠劑和水為原料制備得到，采用以下配方組成：組分重量份：水泥100、聚合物乳液(以固含量計(jì))25～35、中砂50、減水劑0.1～0.5、增稠劑0.1～0.5、水(包括乳液中所含的水)30～40，合成聚合物纖維占復(fù)合材料總體積的2.5％，消泡劑占聚合物乳液質(zhì)量的0.05～0.2％。所述的水泥為普通硅酸鹽水泥。所述的聚合物乳液為水泥砂漿改性用乳液，包括固含量為47％～57％的苯丙乳液、丁苯乳液或純丙乳液。所述的合成聚合物纖維為聚乙烯醇纖維。優(yōu)選地，聚乙烯醇纖維的纖維長(zhǎng)度為10～15mm，直徑15～25μm，拉伸強(qiáng)度為1200～1500MPa，彈性模量為30～50GPa。所述的減水劑為聚羧酸鹽減水劑。所述的消泡劑為乳液類消泡劑。所述的增稠劑為纖維素醚。超高韌性纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥基復(fù)合材料的制備方法，采用以下步驟：(1)按原料配比稱量各組分，將液體組分包括聚合物乳液、減水劑(溶液或先配成溶液)、增稠劑(若可能應(yīng)先配成溶液，否則作為固體組分加入)和水倒入攪拌鍋中，攪拌均勻；(2)將固體組分包括水泥、減水劑(固體粉末)、增稠劑(固體粉末)和砂子混合攪拌均勻；(3)將(1)所得液體混合物加入(2)中混合攪拌均勻，，攪拌速度不高于140r/min，慢速攪拌100-120s；(4)向步驟(3)所得產(chǎn)物中加入合成聚合物纖維，攪拌速度不高于140r/min慢速攪拌100-120s，攪拌結(jié)束前滴加消泡劑，即得超高韌性纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥基復(fù)合材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，環(huán)氧瀝青混合料在15℃時(shí)的最大彎曲應(yīng)變?yōu)?.37×10-3，即0.637％，本發(fā)明得到的超高韌性纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥基復(fù)合材料在彎曲應(yīng)變高達(dá)2～5％時(shí)還不會(huì)開(kāi)裂，此時(shí)彎曲應(yīng)力則高達(dá)7～13MPa，具有以下優(yōu)點(diǎn)：具有如下的優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明的水泥復(fù)合材料具有超高的彎曲初裂應(yīng)變、較高的彎曲初裂應(yīng)力。2、本產(chǎn)品加入大量聚合物，在水泥水化產(chǎn)物間形成連續(xù)薄膜，使脆性的水泥水化產(chǎn)物間出現(xiàn)大量的聚合物薄膜“伸縮縫”，基體變形能力因而得以大大改善，即大量的聚合物加入使水泥基體從脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝圆牧稀?、本產(chǎn)品加入的纖維，主要是通過(guò)橋接效應(yīng)有效傳遞應(yīng)力，使產(chǎn)品的彎曲強(qiáng)度保持在較高水平，保證復(fù)合材料中的聚合物薄膜能充分變形，使產(chǎn)品在彎曲強(qiáng)度下的應(yīng)變大大提高。4、本產(chǎn)品是聚合物與纖維復(fù)合改性水泥基材料，材料彎拉時(shí)出現(xiàn)明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，彎曲強(qiáng)度超過(guò)7.5MPa，對(duì)應(yīng)彎曲應(yīng)變超過(guò)2％，且材料不會(huì)開(kāi)裂，比普通水泥基材料彎曲初裂應(yīng)變提高了100倍以上。5、由于本發(fā)明的原材料全部采用大量生產(chǎn)的市售成品，所以原材料易得，適合于廣泛應(yīng)用。附圖說(shuō)明圖1為產(chǎn)品的特征應(yīng)力應(yīng)變曲線。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1-4及比照例原材料及規(guī)格見(jiàn)表1。材料配比見(jiàn)表2。產(chǎn)品性能見(jiàn)表3。產(chǎn)品的特征應(yīng)力應(yīng)變曲線見(jiàn)圖1。本產(chǎn)品的主要特點(diǎn)是受拉時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，即伴隨應(yīng)變的增大，材料的應(yīng)力緩慢上升。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，ECC材料或者UHTCC材料受拉時(shí)，出現(xiàn)的應(yīng)變硬化時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線是具有明顯的波動(dòng)的，代表的是材料的多縫開(kāi)裂，且測(cè)試期間或測(cè)試后即可看到試樣表面一系列裂紋，而本產(chǎn)品受拉出現(xiàn)應(yīng)變硬化時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線是圓滑曲線，沒(méi)有波動(dòng)，且在測(cè)試時(shí)與測(cè)試后皆無(wú)裂縫產(chǎn)生。在同樣的大變形下，本產(chǎn)品不產(chǎn)生裂縫，則本產(chǎn)品的抗?jié)B性不會(huì)出現(xiàn)明顯下降，耐久性必然比多縫開(kāi)裂的ECC材料或UHTCC材料要明顯更好，同時(shí)，本產(chǎn)品仍保持較高的抗彎拉應(yīng)力。聚合物乳液能明顯提高水泥基材料的變形能力，但摻量過(guò)大時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致水泥基材料的抗折強(qiáng)度出現(xiàn)大幅下降，而高強(qiáng)度高彈性模量的纖維往往能提高水泥基材料的抗折強(qiáng)度，而當(dāng)兩者復(fù)合使用時(shí)，兩者優(yōu)點(diǎn)往往不能充分發(fā)揮，即聚合物對(duì)水泥基材料的變形性能增強(qiáng)效果有所削弱，而纖維對(duì)水泥基材料抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)效果明顯下降，且最重要的初裂應(yīng)力相對(duì)于不加纖維時(shí)，同樣下降明顯。本產(chǎn)品最重要的創(chuàng)新點(diǎn)，在于通過(guò)聚合物乳液與聚合物纖維種類的選擇與相互的匹配，充分發(fā)揮聚合物乳液與聚合物纖維的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到本產(chǎn)品所要求的超高韌性、較高的彎曲強(qiáng)度且不開(kāi)裂，關(guān)鍵是要，而且相互之間的性能有很好的匹配。這必須對(duì)聚合物乳液與聚合物纖維復(fù)合改性水泥基體系的性能與規(guī)律理論上，能用于水泥改性的乳液皆能用于制備本產(chǎn)品，但不同乳液具有不同的特性，因此必須根據(jù)乳液本身的特點(diǎn)，調(diào)節(jié)配方。如乳液所成薄膜斷裂伸長(zhǎng)率較低，則必須提高其摻量，如丁苯623乳液與純丙968乳液；若乳液所成薄膜斷裂伸長(zhǎng)率很高，但拉伸強(qiáng)度較低，則可以稍微降低其摻量，如苯丙400乳液，總的來(lái)說(shuō)，拉伸強(qiáng)度高，斷裂應(yīng)變大的乳液，最終得到的改性砂漿的綜合性能最好，如苯丙608乳液。乳液所成薄膜的拉伸性能一般與其玻璃化溫度Tg有關(guān)，一般Tg高的乳液所成薄膜拉伸強(qiáng)度會(huì)更高，但斷裂應(yīng)變會(huì)較低。由于乳液摻量高，因此乳液固含量決定了改姓砂漿水灰比的下限，而水灰比越低，越有利于聚合物薄膜在復(fù)合體系內(nèi)的力學(xué)表現(xiàn)，因此固含量過(guò)低的乳液不適合本產(chǎn)品的制備。理論上，所有的纖維皆能用于制備本產(chǎn)品。但不同纖維具有不同的力學(xué)性能，因此必須根據(jù)不同纖維本身的特點(diǎn)，確定纖維的尺寸與調(diào)節(jié)纖維的摻量。本產(chǎn)品所選的PVA纖維尺寸為長(zhǎng)12mm，直徑15～25μm，拉伸強(qiáng)度為1200～1500MPa，彈性模量約為40GPa。原則上改性用的纖維直徑不能過(guò)大，過(guò)大的直徑會(huì)導(dǎo)致纖維與基體的摩擦力變小，使纖維的應(yīng)力傳導(dǎo)效率降低，會(huì)導(dǎo)致基體出現(xiàn)裂縫。這與ECC設(shè)計(jì)原理恰好相反，ECC要求纖維直徑足夠大，使得纖維與水泥基體之間摩擦?xí)r不至于斷裂，并引發(fā)水泥基體產(chǎn)生新裂紋。當(dāng)選用的纖維強(qiáng)度比PVA高，則纖維尺寸可以相應(yīng)調(diào)整，如延長(zhǎng)纖維長(zhǎng)度，或降低纖維直徑，此時(shí)纖維摻量可以相應(yīng)降低。由于本產(chǎn)品加入了大量的纖維，會(huì)嚴(yán)重影響其加工性能，因此加入適量的減水劑以提高其漿體的流動(dòng)性，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致漿體的泌水，因此必須加入適量的增稠劑抑制其泌水，增稠劑與聚合物乳液的加入也提高漿體的粘度，導(dǎo)致漿體的含氣率上升，因此必須加入消泡劑消泡。增稠劑、減水劑、消泡劑的具體用量與所選擇的乳液、及其摻量，纖維、及其摻量有關(guān)，同時(shí)也與外加劑本身性能有關(guān)，必須在生產(chǎn)前進(jìn)行試配才能確定。表1原材料及規(guī)格材料規(guī)格或牌號(hào)來(lái)源水泥PO42.5普硅硅酸鹽水泥海螺水泥砂中砂市售苯丙乳液PS608ap巴斯夫公司苯丙乳液S400ap巴斯夫公司丁苯乳液623巴斯夫公司純丙乳液968OL陶氏公司聚乙烯醇纖維MP-Ib博寧工程纖維上海博寧工程纖維材料有限公司消泡劑NXZ乳液消泡劑市售減水劑GTS-103聚羧酸系減水劑上海高鐵化學(xué)建材有限公司產(chǎn)品纖維素醚8681羥丙基甲基纖維素醚赫克力士化工公司產(chǎn)品表2材料配比表3產(chǎn)品性能注:實(shí)施例在彎曲強(qiáng)度時(shí)，仍未開(kāi)裂。實(shí)施例5超高韌性纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥基復(fù)合材料，由普通硅酸鹽水泥、中砂、聚合物乳液、合成聚合物纖維、減水劑、消泡劑、增稠劑和水為原料制備得到，采用以下重量份配方組成：普通硅酸鹽水泥100、聚合物乳液(以固含量計(jì))25、中砂50、減水劑0.1、增稠劑0.1、水(包括乳液中所含的水)30。其中，合成聚合物纖維占復(fù)合材料總體積的2.5％，消泡劑占聚合物乳液質(zhì)量的0.05％，本實(shí)施例中聚合物乳液為固含量為47％的苯丙乳液，合成聚合物纖維為聚乙烯醇纖維，長(zhǎng)度為10mm，直徑15μm，拉伸強(qiáng)度為1200MPa，彈性模量為30GPa，減水劑為聚羧酸鹽減水劑，消泡劑為乳液類消泡劑，增稠劑為纖維素醚。超高韌性纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥基復(fù)合材料的制備方法，采用以下步驟：(1)按原料配比稱量各組分，將液體組分包括聚合物乳液、減水劑(溶液或先配成溶液)、增稠劑(若可能應(yīng)先配成溶液，否則作為固體組分加入)和水倒入攪拌鍋中，攪拌均勻；(2)將固體組分包括水泥、減水劑(固體粉末)、增稠劑(固體粉末)和砂子混合攪拌均勻；(3)將(1)所得液體混合物加入(2)中混合攪拌均勻，，攪拌速度不高于140r/min，慢速攪拌100-120s；(4)向步驟(3)所得產(chǎn)物中加入合成聚合物纖維，攪拌速度不高于140r/min慢速攪拌100-120s，攪拌結(jié)束前滴加消泡劑，即得超高韌性纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥基復(fù)合材料。實(shí)施例6超高韌性纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥基復(fù)合材料，由水泥、中砂、聚合物乳液、合成聚合物纖維、減水劑、消泡劑、增稠劑和水為原料制備得到，采用以下重量份配方組成：普通硅酸鹽水泥100、聚合物乳液(以固含量計(jì))35、中砂50、減水劑0.5、增稠劑0.5、水40，合成聚合物纖維占復(fù)合材料總體積的2.5％，消泡劑占聚合物乳液質(zhì)量的0.05～0.2％。聚合物乳液為水泥砂漿改性用乳液，本實(shí)施例采用固含量為57％的S400苯丙乳液。合成聚合物纖維為聚乙烯醇纖維，長(zhǎng)度為15mm，直徑25μm，拉伸強(qiáng)度為1500MPa，彈性模量為50GPa。減水劑為聚羧酸鹽減水劑。消泡劑為乳液類消泡劑。增稠劑為纖維素醚。超高韌性纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥基復(fù)合材料的制備方法，采用以下步驟：(1)按原料配比稱量各組分，將液體組分包括聚合物乳液、減水劑(溶液或先配成溶液)、增稠劑(若可能應(yīng)先配成溶液，否則作為固體組分加入)和水倒入攪拌鍋中，攪拌均勻；(2)將固體組分包括水泥、減水劑(固體粉末)、增稠劑(固體粉末)和砂子混合攪拌均勻；(3)將(1)所得液體混合物加入(2)中混合攪拌均勻，，攪拌速度不高于140r/min，慢速攪拌100-120s；(4)向步驟(3)所得產(chǎn)物中加入合成聚合物纖維，攪拌速度不高于140r/min慢速攪拌100-120s，攪拌結(jié)束前滴加消泡劑，即得超高韌性纖維增強(qiáng)聚合物改性水泥基復(fù)合材料。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3