[发明专利]一种仿生多功能水泥-水凝胶复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种仿生多功能水泥‑水凝胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：将胶凝材料和水拌合，得到水泥浆体；根据冰模板原理冷冻处理水泥浆体，利用双向冷冻梯度使水泥浆体中的水定向凝固形成冰层，随后进行低温贮存，获得具有定向孔隙和层状结构的水泥坯体；将所述水泥坯体置于水泥养护环境下养护后脱模，浸入水凝胶溶液中，使水凝胶溶液填充水泥坯体的层间孔隙，随后进行冻融循环制备水凝胶，制得。本发明的方法简单、成本低、性能可控且效果理想；得到的复合材料对水泥基材料的韧性和延展性有明显改善，还具有轻质高强的特征，比强度高；兼具优异的隔热、吸声性能和水凝胶带来的内养护、自愈合特征。

技术领域

本发明涉及一种水泥基复合材料的制备方法，尤其涉及一种仿生多功能水泥-水凝胶复合材料的制备方法。

背景技术

水泥基材料作为国内外使用最为广泛的建筑材料，具有取材容易、成本低、适用范围广等诸多优点。但传统的水泥基材料自身的抗拉强度低、韧性差、易开裂，往往在长期使用和恶劣环境的服役条件下会出现多样的裂纹扩展最终导致基体失效，特别是在承受弯曲荷载的条件下，脆性和低抗弯强度极大限制了水泥基材料的应用。此外，随着社会的进步与发展，高层、大型、复杂化的建筑设计对材料提出的需求更加多样化，除了要求建筑材料不断提高强度指标和服役时间外，轻质、保温隔热、隔声、透水、抗裂等性能也逐渐成为研究热点。

已有多项研究表明，添加不同类型、不同掺量的纤维能够有效提高水泥基体的抗拉强度。然而，由于纤维自身易团聚的性质，难以实现纤维在水泥基体中的均匀分布，同时纤维加入后水泥浆体的流动性下降，容易导致局部缺陷的产生，反而带来综合性能的损失。

生物学中贝壳珍珠层的“砖-泥”结构同样能够起到裂纹偏转的作用进而阻碍裂纹扩展，且这一结构兼具优异的塑韧性和极高的强硬度。“砖-泥”结构中有序排列的高强度无机“砖”可由水泥水化产物代替，冰模板技术是制备仿生“砖”的有效方案。利用特殊的模具设计实现双向冷冻梯度，既能使水泥颗粒定向排布并随着冰层融化持续水化，又能因为冰凝固体积膨胀产生的驱动力压实水泥颗粒，减少颗粒层的孔隙率。待冰层完全融化后，水泥颗粒基本水化完全，冰层遗留下的层间缝隙可通过添加合适的“泥”以巩固综合性能。

水凝胶是一类具有优异的柔韧性且和水泥基材料复合良好的材料，可用作填充水泥基层间缝隙的“泥”。水泥-水凝胶复合材料相比传统的水泥基材料，能够有效提高材料的力学性能，在一定限度内牺牲抗压强度的同时减少了水泥基材料的自重，提高了比强度，具有轻质高强的特征；水凝胶在正常养护或使用条件下脱去的游离水则能进一步促进水泥颗粒的水化，对裂纹的萌生和扩展能起到有效的阻碍和修补作用，具有内养护和自愈合的特征。目前已制备出接近10MPa的抗弯强度和超过20％的极限应变的水泥-水凝胶复合材料，且具有显著的多缝开裂的特点。根据水凝胶的特殊性质，该类复合材料仍有继续提高综合性能的潜质。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种具备仿生结构及多功能性的仿生多功能水泥-水凝胶复合材料的制备方法。

技术方案：本发明所述的仿生多功能水泥-水凝胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将胶凝材料和水拌合，得到水泥浆体；

(2)根据冰模板原理冷冻处理水泥浆体，利用双向冷冻梯度使水泥浆体中的水定向凝固形成冰层，随后进行低温贮存，获得具有定向孔隙和层状结构的水泥坯体；

(3)将所述水泥坯体置于水泥养护环境下进行养护一段时间后脱模，浸入水凝胶溶液中，使水凝胶溶液填充水泥坯体的层间孔隙，随后进行冻融循环制备水凝胶，得到所述仿生多功能水泥-水凝胶复合材料。

其中，步骤(1)中，所述水泥浆体中水胶比为0.4～1.5，更优选为0.4～0.8；胶凝材料选择普通硅酸盐水泥和硅灰，优选含有10wt％掺量的硅灰。