一種補償收縮高延性水泥基複合材料的製作方法

2023-06-10 16:38:11 3

本發明屬於混凝土材料技術領域，特別涉及一種補償收縮高延性水泥基複合材料，可廣泛應用於道路交通工程中承受複雜荷載作用以及特殊環境作用下的新建結構，也可用於既有結構的加固、修復和改擴建工程。

背景技術：

混凝土材料屬於準脆性材料，抗壓不抗拉，在土木與交通工程通領域的實際使用過程中，尤其是在某些承受複雜荷載以及環境作條件下的特定結構部位中的應用(如伸縮縫、溼接縫、橋面鋪裝以及隧道襯砌等)，往往由於混凝土材料的抗彎拉強度低，極限應變低、抗衝擊性能不足以及適應交變荷載作用的能力較差，而使結構或部件容易產生破壞，嚴重影響構築物的使用安全和耐久性。

目前，雖然廣泛的採用纖維來對混凝土的基體進行阻裂、增韌，可以產生一定的效果，但是其在加載達到初裂強度時，由於初裂的形成，裂縫會迅速擴展，材料瞬間散失承載能力，故而結構的破壞依然表現出明顯的脆性特性。

自1992年以來，美國密西根大學的Victor C.Li教授採用結構與材料相結合的設計理念，開發而成了ECC(Engineering Cementitious Composites)，該材料在受荷時的變形性能要遠高於傳統的混凝土(或纖維混凝土)，尤其是在進行單軸拉伸試驗時所表現出的穩定的應變硬化和多裂縫開裂的能力，很大程度上改變了混凝土材料的準脆性特性。隨後各國學者對該種類型的材料開展了廣泛而又深入的研究，以清華大學的張君教授和浙江大學的徐世烺教授為例，他們對ECC的研究領也取得了豐碩的研究成果。但是由於目前ECC相關研究成果中，為了突出材料受荷時的變形能力，普遍以進口的PVA和PE纖維作原材料，使得材料的造價十分高昂；而且由於ECC不使用粗骨料，細骨料採用70～140目(或更高目數)的機制石英砂，在較大質量膠凝材料摻比的情況下，使得ECC水化硬化過程幹縮較大，在進行加固、修復和改擴建工程時適應性受到一定限制，制約了該材料在工程中的推廣應用。

本發明針對交通工程實際需求，製備出了一種能普遍適用於道路交通工程各領域中的一種補償收縮高延性水泥及複合材料。該材料與前人的研究成果相比區別在於：①根據大量的重複試驗對材料的配比進行調整，使得不同配比的基體能適應不同種類及不同摻量的纖維。②細骨料經過篩分並適配，使得水化硬化後的水泥基複合材料的強度和抗收縮能力要普遍高於ECC材料。③根據不同的纖維種類和摻量，採用與之相適應的一種或多種礦物摻合料對基體的性能進行改善，細化了材料孔體結構，改善了纖維與基體的界面性能，減少了結構的缺陷，在一定程度上使得材料的強度和耐久性得到進一步的提高。④通過採用膨脹劑，利用其與膠凝材料的水化產物發生二次水化反應生成具有體積膨脹性的物質進行補償收縮，進一步降低了水泥基複合材料的幹縮。

技術實現要素：

本發明改善了傳統混凝土材料的準脆性特性，其材料成本和抗收縮性能上也要優於ECC材料，且本發明所涉及的一種補償收縮延性水泥基複合材料的同時具有高延性、較高的強度以及低收縮特性，能滿足交通工程領域不同使用功能的需求。

為了實現上述技術目標，本發明是通過以下技術方案來實現的：一種補償收縮高延性水泥基複合材料，其特徵在於它是由水泥，複合礦物摻合料，特定粒徑規格的人級配砂，大摻量纖維，外加劑，以及拌和用水組成。纖維按體積率記為0.5～2.5％；除纖維外的其它組分按重量份數記為：水泥50～75份，複合礦物摻合料40～65份，外加劑7～10.5份，砂40～50份，水30～35份。材料的組成和配比可以通過具體的實際工程進行調整。

本發明所涉及的一種補償收縮高延性水泥基複合材料，其特徵在於同時具有較高的延性破壞的能力和較低的收縮性，其在標準條件下製作並養護28d的試件的抗壓強度能達到60～75MPa，抗折強度能達到7～25MPa。

本發明中所採用的水泥為強度等級不低於42.5的矽酸鹽水泥或普通矽酸鹽水泥。

本發明採用一種或多種礦物摻合料對基體的性能進行改性，降低了大摻量纖維條件下纖維與基體界面過渡區的缺陷，細化了材料的孔體結構，對材料的強度、延性和耐久性都有很大程度的提高。具體的礦物摻合料可採用但不僅僅限於使用矽灰、粉煤灰、納米SiO2以及磨細礦渣。

本發明採用特定粒徑規格的人級配砂，具體是指將砂進行篩分並嚴格控制砂的含泥量和含水量，砂經篩分後的最大粒徑不超過2mm，此外還需對篩分後不同粒組的砂進行復配，使其級配良好，而砂的種類可採用天然河砂或機制石英砂。

本發明中所採用的纖維是指金屬纖維、有機纖維和無機纖維，同時還可以採用混雜纖維的形式，針對不同的纖維種類形式，要通過適配試驗對原材料的配比進行調整。

本發明中所述的外加劑是指減水劑和、膨脹劑和防鏽劑中的一種或多種。

為了降低施工成本，根據具體的實際工程，本發明所涉及的一種補償收縮高延性水泥基複合材料可根據實際工況進行現場拌和或預先製成幹拌料。其中現場拌和是指將水泥、特定規格的人工級配砂、複合礦物摻合料、纖維、外加劑以及拌和用水按照配比所確定的質量進行現場稱重並進行拌和；而幹拌料中是指將水泥、特定規格的人工級配砂、複合礦物摻合料、纖維以及外加劑中的兩種或多種按配比稱量後進行幹拌形成幹拌料，而具體的實際施工時，再將包裝好的幹拌料、拌和用水以及幹拌料中沒有混合的其他材料按配比進行稱重並進行現場施工拌和。

本發明區別於其它水泥基複合材料，其優點在於：

(1)纖維採用金屬纖維、有機纖維和無機纖維，纖維種類多樣。

(2)針對不同種類纖維以及不同纖維摻量條件下的補償收縮水泥基複合材料，通過採用不同的配合比，來改善硬化水泥基複合材料的各項性能指標。

(3)由於大摻量纖維導致的纖維與基體界面過渡區性能的劣化，以及纖維拌和時分布不均勻所導致的硬化水泥基複合材料內部的缺陷和孔隙的增加，同時針對不同種類纖維和不同體積摻量的具體實際情況，採用單摻或復摻不同種類和配比的礦物摻合料，對大摻量纖維條件下材料的耐久性和內部孔體結構得到進一步的改善。

(4)為了使得本發明所涉及到的一種補償收縮水泥基複合材料，其強度、抗幹縮以及抗滲能力得到進一步提高，除了上述改善配比，單摻或復摻不同種類活性礦物摻合料、以及採用外加劑以外，從集料角度出發，採用最大粒徑不超過2mm的砂，並對砂的級配進行人工適配，使得其能適應不同配比條件以及實際工程條件下所能達到的使用要求。

(5)為了進一步降低硬化水泥基複合材料的收縮，通過添加適量膨脹劑使之與膠凝材料水化產生的產物發生二次水化反應，生成具有體積膨脹性的AFt來補償收縮，以達到減縮、提高結構密實性和增強、抗滲等的目的。

(6)由於AFt和Ca(OH)2晶體的生長以及取向成度對硬化水泥基材料的耐久性有不利的影響，而復摻礦物摻合料會細化並降低晶體的取向程度，從而提高材料的耐久性。

附圖說明

附圖是本發明材料與素混凝土進行抗折試驗時的荷載-撓度關係曲線。

具體實施方式

結合具體的實施方式對本發明進行進一步說明，而具體的實施方式僅用於對本發明進行說明而不對本發明進行限制。

實施例1：聚酯類纖維的體積率為0.9％，除纖維外的其它組分按重量比記為水泥60份，矽灰10份，粉煤灰40份，膨脹劑7份，減水劑0.4份，砂50份，水35份。

實施例2：鋼纖維的體積率為1.8％，除纖維外的其它組分按重量比記為水泥58份，矽灰5份，粉煤灰50份，膨脹劑8份，減水劑0.3份，砂45份，水33份。

實施例3：聚酯纖維的體積率為1.2％，除纖維外的其它組分按重量比記為水泥58份，粉煤灰50份，膨脹劑8份，減水劑0.3份，砂48份，水30份。