[發明專利]多尺度纖維增強的高性能水泥基復合材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201310225204.0
• 申請日: 2013-06-06
• 公開（公告）號: CN103373840A
• 公開（公告）日: 2013-10-30
• 發明（設計）人: 曹明莉;張聰;李勇
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C04B28/00
• 分類號: C04B28/00;C04B16/06
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李寶元;梅洪玉

技術領域

本發明屬于纖維增強水泥基復合材料制備技術領域，涉及一種多尺度纖維增強的高性能水泥基復合材料及其制備方法。?

背景技術

水泥基材料具有明顯的脆性，傳統的纖維增強水泥基復合材料（FRCC）雖然有效地改善了水泥基材料固有的高脆性并提高了其整體的韌性，卻有明顯的應變軟化行為和單縫或少縫開裂模式，而應變硬化和多縫開裂是高性能纖維增強水泥基復合材料所追求的目標。?

水泥基材料的多尺度特征決定著其微觀、細觀以及宏觀的性能，并反映在其多尺度的破壞過程中。單一品種和類型的宏觀纖維會在材料的宏觀開裂階段發揮明顯的橋聯作用，但卻無法有效地限制微裂紋的發展。因此，針對材料的多尺度破壞過程進行多尺度纖維的多尺度阻裂設計是必要的，是提高水泥基材料整體性能的有效手段之一。?

本領域，國內外學者開展的研究集中在不同尺度纖維增強水泥基復合材料的探索。其中國際上具有代表性的是E.?Parant和P.?Rossi，二人曾提出“多尺度纖維增強水泥基材料（MSFRCC）”的概念，并使用三種不同長度的鋼纖維配制出了高性能的多尺度纖維增強水泥基材料，研究了其疲勞破壞行為、在極端環境中且負荷狀態下的耐久性以及沖擊和疲勞作用下的破壞機理，該MSFRCC材料表現出了優秀的靜態、動態力學性能以及耐久性，相關文獻如下：?

文獻1：Edouard?P,?Pierre?R,?Claude?B.?Fatigue?behavior?of?a?multi-scale?cement?composite?[J].?Cement?and?Concrete?Research,?2007,?37:?264-269?

文獻2：Edouard?P,?Pierre?R,?Fabrice?LM.?Durability?of?a?multiscale?fibre?reinforced?cement?composite?in?aggressive?environment?under?service?load?[J].?Cement?and?Concrete?Research,?2007,?37:?1106-1114?

文獻3：Pierre?R,?Edouard?P.?Damage?mechanisms?analysis?of?a?multi-scale?fibre?reinforced?cement-based?composite?subjected?to?impact?and?fatigue?loading?conditions?[J].?Cement?and?Concrete?Research,?2008,?38:?4134-4121?

由于直徑越小的纖維對微裂紋的控制越有利，僅從纖維長度變化來設計多尺度纖維增強水泥基材料，技術上需要進一步的完善。此外，鋼纖維的總摻量已經達到了858?kg/m3?（體積摻量約為11%），材料的經濟性亦有待斟酌；試驗所用水膠比低至0.16，并有大量的硅灰引入，這必然導致拌合過程中更大劑量的高效減水劑和超塑化劑的使用，不僅抬高生產成本，也使拌合工藝和拌合質量變得更加復雜和難以控制。?

在國內，梁寧惠等人研究了不同直徑、不同長度的聚丙烯纖維混雜增強混凝土材料的單軸拉伸性能以及抗裂性能，發現相比于其他混雜方式，多尺度聚丙烯纖維增強混凝土的抗拉韌性是最佳的，并且實現了混凝土材?料的階段抗裂、層次抗裂。相關文獻如下：?

文獻4：梁寧慧，劉新榮?等.?多尺度聚丙烯纖維混凝土單軸拉伸試驗?[J].?重慶大學學報,?2012,?35:?80-84?

文獻5：?梁寧慧，劉新榮?等.?多尺度聚丙烯纖維混凝土抗裂性能的試驗研究?[J].?煤炭學報,?2012,?37:?1304-1309?

但是，上述技術對于多尺度纖維的選取，并未考慮水泥基材料結構及破壞過程的多尺度特性；而且所選用聚丙烯纖維低強度、低彈模、高延伸率的特點，并不利于通過纖維橋聯裂縫傳遞應力實現對微裂紋、宏觀裂縫的控制以及對水泥基材料的有效增強，因此，其多尺度聚丙烯纖維對于混凝土材料的增強效果十分有限。?

顯然，這是由于對于水泥基材料多尺度結構特征和多尺度破壞過程的認識不足，缺乏相應的設計方法和分析手段，沒有尋求到經濟、適用的多尺度纖維材料體系，更缺乏對于纖維增強水泥基復合材料優化設計的理解和方法理論支持。?