[發(fā)明專利]一種高強度高延性高耐水性水泥基復合材料及其制備方法

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• 申請日: 2017-06-12
• 公開（公告）號: CN107382180A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發(fā)明（設計）人: 郭麗萍;雷東移
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: C04B28/04
• 分類號: C04B28/04;C04B20/02;C04B16/06
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發(fā)明涉及一種高強度高延性高耐水性水泥基復合材料及其制備方法，屬于高強度高延性高耐水性建筑材料技術領域。

背景技術

混凝土作為應用最廣的建筑材料，在日常生活和國民經濟建設中的地位可謂是舉足輕重。為克服混凝土固有脆性高、收縮大、易開裂的缺陷，不同種類的纖維增強混凝土應用而生，其中最具代表性的、同時也是應用最廣的則是超高性能纖維增強水泥基復合材料(Ultra High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composite，UHPFRCC)和高延性水泥基復合材料(Engineered Cementitious Composites，ECC)，分別對應于鋼纖維增強與有機合成纖維增強，合成纖維中又以聚乙烯醇(PVA)纖維最具代表性。聚乙烯醇纖維是由含有多羥基、強氫鍵的乙烯醇系高分子聚合物所組成，分子結構式如式1所示：

PVA纖維作為少數結晶性的水溶性高分子材料，具有優(yōu)異的親水性、成纖性、表面特性、耐酸堿性和力學性能。不論在我國還是歐美等發(fā)達國家，纖維增強混凝土已得到了廣泛應用，并且我國、美國、歐盟、日本等國家或地區(qū)均出臺了專門的纖維增強混凝土設計規(guī)范。

盡管鋼纖維也有很好的增強增韌效果，但它并沒有改變混凝土的脆性本質，裂縫數量少，應變硬化效果差，拉伸荷載下的極限延性很少能超過0.5％。為從根本上克服混凝土延性差的缺陷，美國密歇根大學的Victor Li等以PVA纖維為增強材料，制備了一種ECC，并提出了該材料的設計理論。該材料的應變硬化拉伸延性達到3％以上，裂縫寬度小于100μm，該材料彌補了水泥基材料無法實現大應變的缺陷，在建筑材料領域具有里程碑式的意義，并且該材料在橋梁、高層建筑等一些對延性和撓度有很高要求的工程結構部分已經取得了良好的使用效果。ECC設計理論指出：在受力過程中，纖維與基體作為一個整體共同承受荷載，當ECC內部的微裂縫張開寬度達到臨界寬度或者裂縫尖端的應力強度達到混凝土基體極限斷裂韌度時，裂縫將開始不穩(wěn)定擴展，通過對纖維-基體界面粘結性能的有效調控，可使纖維在脫粘后的拔出過程中仍能有效的傳遞和承受荷載，并且在此過程中新裂縫不斷生成，從而實現了應力不斷提高的應變硬化效果。纖維的加入不僅很好抑制了混凝土的開裂，提高了彎拉強度和延性，而且減緩了裂后(post-cracking)應力下降速度。除此之外，ECC的抗疲勞、熱負荷、抗沖擊、能量吸收、工程安全系數等特性均顯著提高。纖維的加入有效抑制了微裂縫的形成并阻擋了裂紋的擴展，從而起到了很好的抗裂作用并吸收了大量能量。普通素混凝土一旦超出極限彎拉強度則迅速損毀，對ECC而言，硬化后漿體所握裹的高強纖維絲對裂縫有搭接作用，對分離的硬化塊體有牽連作用，使混凝土裂而不斷，并能進一步承受荷載，即便荷載超過ECC所能承受的極限荷載時也不會發(fā)生爆裂性損壞，安全系數顯著提高。盡管ECC具有很多獨特的優(yōu)點，但現存的ECC均存在抗壓強度偏低的缺陷，其抗壓強度幾乎沒有超過100MPa的，對于那些對強度和延性均有極高要求的建筑結構來講，現有的ECC仍無法滿足結構要求。同時現有ECC也存在著防水性不足的缺點，一旦有裂縫產生，夾雜著不同有害物質的外部水分就會快速滲透到ECC所包覆的鋼筋部分，加速鋼筋銹，使用壽命縮短。因此，在保持ECC高延性的同時，如何提高其強度和耐水性成為近年來的研究熱點。