一种高强度高刚度高韧性的水泥基复合材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及建筑材料技术领域，特别涉及一种高强度高刚度高韧性的水泥基复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.混凝土属于一种脆性材料，能承受抗压但是不能承受抗拉，在里面添加纤维是克服混凝土脆性的一种有效方式，能够将其从一种脆性材料转变为一种延性材料。但是向普通混凝土中添加纤维，往往只能起到抑制其收缩裂缝等作用，在抗拉、抗折等力学性能指标的提升方面作用不明显，因此未经理论设计的纤维增强混凝土很难达到一个理想的效果。
3.目前现有的高韧性的水泥基复合材料(ecc)，抗压强度大约为30-50mpa，极限抗拉应变在5％，弹性模量约为20gpa，纤维采用pva纤维。在这种材料的基础上，我们通过微观力学对基体的原材料组合进行了设计，提出了几种理论上最合适的配比，并通过试验，找出性能最优的配比。我们研发的高强度高刚度和高延性的水泥基复合材料，通过对基体和纤维的改性优化，保持极限抗拉强度在5％以上的同时，抗压强度大幅上升到130mpa，刚度大幅提高到35gpa。通常认为高强度、高刚度这两者和高延性之间是矛盾的，但是新研发的这种材料，做到了三者的统一。
4.另一方面，ecc这种材料目前在实际工程中应用较少，除了价格较贵以外，另一个重要因素是从实验室走向量产以后，这种材料的质量和力学性能难以控制。因此，为了实现这种材料大规模的量产，我们对其最重要的坍落度指标进行了控制，按照gb/t 2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》测试，扩展度大于150mm。通过配比的优化以及工艺的优化，这种新材料不仅保证了大规模浇筑的便宜性，同时也实现了材料的品控，量产的这种新材料经过测试，弹模为35gpa以上，抗压强度为120mpa以上，初裂强度为7.6mpa以上，极限拉应变为5.5％以上。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高强度高刚度高韧性的水泥基复合材料及其制备方法。
6.为了实现上述目的，本发明提供一种高强度高刚度高韧性的水泥基复合材料，其特征在于，该水泥基复合材料的原料质量份数配比包括：胶凝材料1396-1543份、砂子274-303份、水266-294份、减水剂52-57份、纤维18-20份；所述胶凝材料选自水泥1330-1470份和硅灰70-78份的混合物，其中硅灰质量占胶凝材料的5％；所述水泥基复合材料的水灰比在0.2以下，砂率在0.4以下。
7.优选的，所述纤维设为pe纤维。
8.本发明还提供一种高强度高刚度高韧性的水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
9.步骤s1：首先对水泥基复合材料的原料进行称重，并把减水剂和水按重量均分成
3:1，将pe纤维按重量分成5:4:3:2:1；
10.步骤s2：在搅拌机内进行混合搅拌成浆体：将将重量占比为3的水和减水剂混合后，再加入水泥、硅灰、砂子搅拌3-5min，然后再加入剩下的重量占比为1的水和减水剂，搅拌2-2.5min，充分发挥减水剂的作用；
11.步骤s3：停止搅拌机，并用漏勺取出浆体，用马氏漏斗对其流动性进行测试；
12.步骤s4：测试合格后，然后通过纤维分散装置分批次加入5：4：3：2：1的pe纤维至搅拌机内，每次加入后搅拌1-1.5min，避免pe纤维结团；
13.步骤s5：搅拌完成后，用铲车装料，并取样进行水泥胶砂流动度测定。
14.优选的，包括如下步骤：所述步骤s3中用马氏漏斗测试出浆体通过时间小于40s。
15.优选的，所述纤维分散装置包括倾斜设置的滑料板、以及设置在滑料板上的栅栏；所述滑料板前宽后窄，滑料板的进料口的宽度大于滑料板的出料口；所述栅栏包括多个间隔设置的竖直块与楔形块，所述竖直块与楔形块之间设有间隙。
16.优选的，所述步骤s4中pe纤维进入搅拌机的具体过程为：pe纤维进入滑料板的进料口后，滑落至栅栏处进行分散后，再滑落至滑料板的出料口后，流入搅拌机内与浆体进行混合搅拌。
17.优选的，包括如下步骤：所述步骤s5中通过水泥胶砂流动度测定得出取样样本的扩展度大于150mm。
18.采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
19.1、解决普通混凝土脆性的问题；
20.2、解决目前ecc材料强度低、刚度低的问题；
21.3、解决目前ecc材料量产后品控困难的问题；
22.4、相比普通混凝土和普通ecc，实现了性能的大幅提升，在水泥基材料中同时实现高强、高刚度和高韧性；
23.5、能够实现ecc这种材料的规模化量产，同时保证规模化量产以后的品质；
24.6、通过微观力学对基体的原材料组合进行了设计，提出了几种理论上最合适的配比，并通过试验，找出性能最优的配比；我们研发的高强度高刚度和高延性的水泥基复合材料，通过对基体和纤维的改性优化，保持极限抗拉强度在2％以上的同时，抗压强度大幅上升到130mpa，刚度大幅提高到35gpa；通常认为高强度、高刚度这两者和高延性之间是矛盾的，但是新研发的这种材料，做到了三者的统一；
25.7、为了实现这种材料大规模的量产，我们对其最重要的坍落度指标进行了控制，按照gb/t 2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》测试，扩展度大于150mm，通过配比的优化以及工艺的优化，这种新材料不仅保证了大规模浇筑的便宜性，同时也实现了材料的品控，量产的这种新材料经过测试，弹模为35gpa以上，抗压强度为120mpa以上，初裂强度为7.6mpa以上，极限拉应变为5.5％以上。
附图说明
26.图1为本发明pe纤维进入纤维分散装置的示意图。
具体实施方式
27.以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。
28.实施例1：
29.本发明还提供一种高强度高刚度高韧性的水泥基复合材料，该水泥基复合材料的原料质量份数配比包括：胶凝材料1470份、砂子289份、水280份、减水剂55份、纤维19份；所述胶凝材料选自水泥1400份和硅灰74份的混合物，其中硅灰质量占胶凝材料的5％；所述水泥基复合材料的水灰比在0.2以下，砂率在0.4以下。所述纤维设为pe纤维。
30.上述配比根据微观力学的理论(ecc这种材料的设计理论)进行设计：
31.(1)能量准则：
[0032][0033]
(2)强度准则：
[0034]
σc≤σ0[0035]
当前这种配比的边际余量最大，配比最优。
[0036]
本发明还提供一种高强度高刚度高韧性的水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0037]
步骤s1：首先对水泥基复合材料的原料进行称重，并把减水剂和水按重量均分成3:1，将pe纤维按重量分成5:4:3:2:1；
[0038]
步骤s2：在搅拌机内进行混合搅拌成浆体：将按重量占比为3的水和减水剂混合后，再加入水泥、硅灰、砂子，搅拌3-5min，然后再加入剩下按重量占比为1的水和减水剂，搅拌2min，充分发挥减水剂的作用；
[0039]
步骤s3：停止搅拌机，并用漏勺取出浆体，用马氏漏斗对其流动性进行测试；所述步骤s3中用马氏漏斗测试出浆体通过时间小于40s；
[0040]
步骤s4：测试合格后，然后通过纤维分散装置分批次加入5：4：3：2：1的pe纤维至搅拌机内，每次加入后搅拌1min，避免pe纤维结团；
[0041]
步骤s5：搅拌完成后，用铲车装料，并取样进行水泥胶砂流动度测定(mini cone test)；所述步骤s5中通过mini cone test得出取样样本的扩展度大于150mm。
[0042]
参照图1，所述纤维分散装置包括倾斜设置的滑料板1、以及设置在滑料板1上的栅栏2；所述滑料板1前宽后窄，滑料板1的进料口101的宽度大于滑料板1的出料口102；所述栅栏2包括多个间隔设置的竖直块201与楔形块202，所述竖直块201与楔形块202之间设有间隙，用于pe纤维通过，其中楔形块202非固定，它可以按照“前—上—后—下”的轨迹往返运动，不断将pe纤维往前运送；所述步骤s4中pe纤维进入搅拌机的具体过程为：pe纤维进入滑料板1的进料口101后，滑落至栅栏2处进行分散后(pe纤维能够起到分散的作用，变得更加蓬松)，再滑落至滑料板1的出料口102后，流入搅拌机内与浆体进行混合搅拌。
[0043]
对比例1：
[0044]
本对比例1中公开了一种水泥基复合材料，包括，水泥300份，砂450份，粉煤灰950份，水310份，减水剂4份，pva纤维26份。
[0045]
对实施例1与对比例1的性能进行检测:如下表1。
[0046][0047]
该由上表1可知，本技术文件的水泥基复合材料抗压强度、初裂强度、极限拉应变均得到大幅提高。
[0048]
由上述实施例1可知，本发明解决普通混凝土脆性的问题；解决目前ecc材料强度低、刚度低的问题；解决目前ecc材料量产后品控困难的问题；相比普通混凝土和普通ecc，实现了性能的大幅提升，在水泥基材料中同时实现高强、高刚度和高韧性；能够实现ecc这种材料的规模化量产，同时保证规模化量产以后的品质；
[0049]
通过微观力学对基体的原材料组合进行了设计，提出了几种理论上最合适的配比，并通过试验，找出性能最优的配比；我们研发的高强度高刚度和高延性的水泥基复合材料，通过对基体和纤维的改性优化，保持极限抗拉强度在2％以上的同时，抗压强度大幅上升到130mpa，刚度大幅提高到35gpa；通常认为高强度、高刚度这两者和高延性之间是矛盾的，但是新研发的这种材料，做到了三者的统一；
[0050]
为了实现这种材料大规模的量产，我们对其最重要的坍落度指标进行了控制，按照gb/t 2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》测试，扩展度大于150mm，通过配比的优化以及工艺的优化，这种新材料不仅保证了大规模浇筑的便宜性，同时也实现了材料的品控，量产的这种新材料经过测试，弹模为35gpa以上，抗压强度为120mpa以上，初裂强度为7.6mpa以上，极限拉应变为5.5％以上。
[0051]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种高强度高刚度高韧性的水泥基复合材料，其特征在于，该水泥基复合材料的原料质量份数配比包括：胶凝材料1396-1543份、砂子274-303份、水266-294份、减水剂52-57份、纤维18-20份；所述胶凝材料选自水泥1330-1470份和硅灰70-78份的混合物，其中硅灰质量占胶凝材料的5％；所述水泥基复合材料的水灰比在0.2以下，砂率在0.4以下。2.根据权利要求1所述的高强度高刚度高韧性的水泥基复合材料水泥基复合材料，其特征在于，所述纤维为pe纤维。3.根据权利要求2所述的高强度高刚度高韧性的水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1：首先对水泥基复合材料的原料进行称重，并把减水剂和水按重量均分成3:1，将pe纤维按重量分成5:4:3:2:1；步骤s2：在搅拌机内进行混合搅拌成浆体：将重量占比为3的水和减水剂混合后，再加入水泥、硅灰、砂子搅拌3-5min，然后再加入剩下的重量占比为1的水和减水剂，搅拌2-2.5min，充分发挥减水剂的作用；步骤s3：停止搅拌机，并用漏勺取出浆体，用马氏漏斗对其流动性进行测试；步骤s4：测试合格后，然后通过纤维分散装置分批次加入5：4：3：2：1的pe纤维至搅拌机内，每次加入后搅拌1-1.5min，避免pe纤维结团；步骤s5：搅拌完成后，用铲车装料，并取样进行水泥胶砂流动度测定。4.根据权利要求3所述的高强度高刚度高韧性的水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：所述步骤s3中用马氏漏斗测试出浆体通过时间小于40s。5.根据权利要求3所述的高强度高刚度高韧性的水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，所述纤维分散装置包括倾斜设置的滑料板、以及设置在滑料板上的栅栏；所述滑料板前宽后窄，滑料板的进料口的宽度大于滑料板的出料口；所述栅栏包括多个间隔设置的竖直块与楔形块，所述竖直块与楔形块之间设有间隙。6.根据权利要求5所述的高强度高刚度高韧性的水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中pe纤维进入搅拌机的具体过程为：pe纤维进入滑料板的进料口后，滑落至栅栏处进行分散后，再滑落至滑料板的出料口后，流入搅拌机内与浆体进行混合搅拌。7.根据权利要求3所述的高强度高刚度高韧性的水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：所述步骤s5中通过水泥胶砂流动度测定得出取样样本的扩展度大于150mm。

技术总结
本发明公开一种高强度高刚度高韧性的水泥基复合材料，该水泥基复合材料的原料质量份数配比包括：胶凝材料1396－1543份、砂子274－303份、水266－294份、减水剂52－57份、纤维18－20份；所述胶凝材料选自水泥1330－1470份和硅灰70－78份的混合物，其中硅灰质量占胶凝材料的5％；所述水泥基复合材料的水灰比在0.2以下，砂率在0.4以下。本发明解决普通混凝土脆性的问题；解决目前ECC材料强度低、刚度低的问题；解决目前ECC材料量产后品控困难的问题。解决目前ECC材料量产后品控困难的问题。解决目前ECC材料量产后品控困难的问题。


技术研发人员：姚杰 黄明洋 曾正祥 吴琛 曾维来 徐鑫 谭鹏 丁桃
受保护的技术使用者：广东海龙建筑科技有限公司
技术研发日：2023.03.02
技术公布日：2023/7/26