[发明专利]一种纤维复掺的高延性水泥基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种水泥基复合材料，更具体地涉及一种纤维增强水泥基复合材料，及其制备方法。

背景技术

高延性水泥基复合材料是一种纤维增强水泥基复合材料，在拉伸、弯曲、剪切荷载下，呈现出高延性，极限延伸率高达3%，是普通混凝土和纤维混凝土的上百倍，它的发明和应用改变了“水泥基材料为准脆性材料”的传统观念。与普通混凝土和纤维混凝土相比，高延性水泥基复合材料在抗地震荷载、抗冲击荷载、抗剪切荷载、抗疲劳荷载及耐久性等方面有较大的优势，它将为解决因混凝土的抗拉性能差、韧性低带来的结构承载力低和耐久性差等问题和提高混凝土建（构）筑物的安全性和可靠性提供技术支持和材料保障。

高延性水泥基复合材料在单轴拉伸荷载下呈现出应变硬化（stain-hardening）和多缝开裂（multiple-cracking）。此外，高延性水泥基复合材料裂缝宽度小，平均裂缝宽度100μm以下，且不会随应变增加而增加。高延性水泥基复合材料裂缝宽度控制是材料的自身特性，与是否配筋以及配筋率大小无关；而普通混凝土的裂缝宽度无法控制，即使在配筋的情况下，裂缝宽度也高达几百微米甚至几毫米。由于纤维的贡献，纤维混凝土的裂缝控制得到了一定程度的提高，但裂缝宽度一般也达几百微米。

目前，高延性水泥基复合材料主要使用高强高弹模纤维，如聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维和芳香族聚酰胺纤维，该类纤维的抗拉强度高，为1000～3500MPa，弹性模量高，为30～150GPa。美国密歇根大学Victor Li教授团队[1LI VC.On engineered cementitious composites(ECC)[J],Journal of Advanced Concrete Technology2003,1(3):215-230]和清华大学张君教授团队[2张君、居贤春、高原，“高延性低收缩纤维增强水泥基符合材料特性及应用”，混凝土与标准化，2011年第三期，11-20页]主要使用日本Kuraray产聚乙烯醇纤维，获得的高延性水泥基复合材料的28天抗拉强度一般为4MPa～6MPa，极限延伸率一般为1.5%～4%，抗压强度一般为20～60MPa。徐世烺[3徐世烺，一种高韧性控裂防渗纤维混凝土，发明专利CN101665342A]也是采用了高强高弹性模量的纤维（聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维和芳香族聚酰胺纤维）来制备高韧性控裂防渗纤维混凝土。高强高弹模的聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维和芳香族聚酰胺纤维价格昂贵，导致材料总成本非常高。高昂的材料造价是制约高延性水泥基复合材料工程应用的主要瓶颈，降低材料造价已成为该项技术研究的首要任务。

聚丙烯纤维是一种低强低弹模纤维，抗拉强度低，为300～800MPa，弹性模量低，为5～10GPa，但纤维成本低，如果用于制备高延性水泥基复合材料可大大降低材料成本。沈阳建筑大学俞家欢博士近期研发出一种聚丙烯纤维增强高延性水泥基复合材料[4俞家欢，一种强韧性聚丙烯纤维增强水泥基复合材料，发明专利CN101891417A]。该材料制备工艺耗时、耗能，搅拌时间长达80～120分钟，这大大降低材料的制备效率，增加了材料生产能耗。此外，由于聚丙烯纤维强度低、弹模低，单一使用聚丙烯纤维制备的高延性水泥基复合材料的抗压强度不超过50MPa。

鉴于上述现有技术中存在的局限性，有必要研发一种抗压强度高且成本低的高延性水泥基复合材料，以提高高延性水泥基复合材料的综合品质。

发明内容

本发明采用低强低弹模的聚丙烯纤维与一种或多种高强高弹模纤维（如聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维和玻璃纤维）复掺的技术手段对材料性能进行优化，制备出抗压强度高、成本低的高延性水泥基复合材料，并通过优化材料制备工艺，缩短制备时间，提高生产效率。

为解决上述技术问题和实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

提供一种高延性水泥基复合材料，它由以下重量份的原料制备而成：71.8～85份的基材、12.9～25.2份的水、0.89～2.67份的纤维和0.11～1.23份的外加剂。

本发明所述的纤维可以使用国产建筑纤维，优选由聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维或玻璃纤维中的两种以上组成，其中各纤维占纤维总重量的比例分别为：15%～89.5%、0%～68.4%、0%～75.6%、0%～73.5%、0%～56.4%。

本发明优选的方案中，所述的纤维中聚丙烯纤维占纤维总重量的45%～65%。