一种基于纤维-基体界面强弱处理的高性能纤维增强水泥基复合板材及其制备方法

1.本发明属于结构防护技术领域，特别涉及一种基于纤维-基体界面强弱处理的高性能纤维增强水泥基复合板材及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，随着我国经济的快速发展，基础设施的建设也越来越多。目前，大量民用建筑已有较长的使用年限，很多建筑物和构筑物因为环境破坏、自然灾害等原因出现了使用功能下降、甚至倒塌等状况，使得建筑物在安全、使用和抗震等方面不能满足现有规范的规定。因此，需要对建筑物进行加固以确保其正常使用。对已有房屋建筑进行加固改造是投资少、影响小、见效快的一种有效恢复建筑物使用功能的手段。在建筑加固防护领域中，纤维增强水泥基复合板材的应用越来越广泛。目前常见的纤维增强复合材料可分为两种，一种为短切纤维增强的工程水泥基复合材料，工程水泥基复合材料具有延性好、裂缝窄等优点，但短切纤维对强度的提升不明显。另一种为纤维编织物增强混凝土，纤维编织物增强混凝土具有强重比大、强度高等优点，但是其延性差，达到极限承载力时通常会发生脆性破坏。而在实际工程应用中，往往需要同时提升混凝土的强度、应变硬化性能、韧性，一种解决思路是通过混杂纤维编织网和短切纤维来增强混凝土的性能。
3.纤维杂化虽然能结合多种纤维的优点，但也存在一些问题没有解决。第一、多种纤维之间的相互作用会影响纤维性能的发挥，纤维体积分数过大会导致界面结合劣化以及基体性能的下降。第二、短切纤维和纤维编织网对水泥基体的成分和配比要求不同，将用于制作工程水泥基复合材料的短切纤维直接添加在纤维编织网增强混凝土中，这将会影响纤维性能的发挥。例如，增稠剂常用来增加工程水泥基复合材料的粘性，但是其在基体内引入的微气孔会降低材料的强度。另外，在制备纤维编织网增强混凝土基体的过程中通常需要加入适量硅灰提高基体的早期强度来增强纤维织物与基体之间的界面粘结性能。而为了保证工程水泥基复合材料基体中短切纤维被拔出而不是被拉断，充分发挥其变形能力，工程水泥基复合材料基体中不宜加入硅灰，甚至需要在短切纤维上涂油来降低纤维与基体之间的粘结。
4.申请号cn202111412258.9的中国专利公布了一种再生玻璃钢-聚乙烯醇混杂纤维高性能混凝土，通过提高再生玻璃钢纤维在混凝土中的粘结力和改善pva纤维的分散性来提高性能，采用氧化剂对再生玻璃钢纤维表面氧化处理，在纤维表面发生刻蚀作用，与混凝土接触表面形成力学啮合，分散剂分子链中有亲水性基团，当纤维浸泡分散剂水溶液中，有助于水对纤维的湿润，提高分散。氧化剂在纤维表面发生刻蚀作用虽然提高了纤维与混凝土的界面粘结，但是同时对纤维造成了损伤，降低了纤维的力学性能，并且短纤维对混凝土的提升作用没有纤维编织网的作用大。申请号cn 202111001510.7的中国专利公布了一种高抗裂性能水泥基复合材料及其制备方法，该材料结合了短切pva纤维和碳纤维编织网，改善了传统的水泥基材料(混凝土等)抗裂性能差、抗拉强度低且韧性性能不足的问题。但是
短切纤维和纤维编织网对水泥基体的成分和配比要求不同，该发明将pva纤维与碳纤维放置在同一种基体中，使得纤维的利用率较低。


技术实现要素：

5.基于以上背景，本发明提出一种基于纤维-基体界面强弱处理的高性能纤维增强水泥基复合板材。将pva纤维经过涂油处理后，加入到特定的基体中形成pva纤维增强水泥基复合材料。弱化界面粘结的处理方法使纤维能够更好地发挥出“桥联作用”，能够提高纤维复合材料的变形能力，但是降低了其强度。碳纤维编织网在水泥基体中可以按预期主应力方向连续嵌入高性能纤维，比短切纤维在提高强度方面更具有优势。本发明通过环氧树脂和细砂处理碳纤维编织网表面的方法加强碳纤维编织网的界面结合能力，并将钢纤维布置在碳纤维编织网的孔洞中发挥“抗剪销栓”的作用，两种纤维形成三维网状结构极大地提高了纤维增强复合材料的强度。将pva纤维与碳纤维编织网分别加入到不同的基体中，再将两种水泥基材料分层浇筑形成一种分层复合板材，解决了强弱界面处理的冲突，能够有效的提高纤维增强水泥基复合材料的强度和韧性。
6.本发明所采取的技术方案如下：
7.一种基于纤维-基体界面强弱处理的高性能纤维增强水泥基复合板材，由强度层和延性层组成，强度层采用强界面结合的碳纤维编织网/钢纤维共同增强水泥基材料，延性层采用弱界面结合的pva纤维增强水泥基材料，强度层和延性层通过分层浇筑的方式粘结在一起形成一种高性能的纤维增强水泥基复合板材。
8.进一步地，所述强度层与延性层界面处的处理，为了防止两层基体材料相互混合，应在浇筑完延性层2～3个小时后再浇筑强度层。
9.进一步地，所述强度层与延性层的厚度比为1～2.5，优选地，强度层与延性层厚度比为2时，复合板材具有优异的强度和韧性。
10.进一步地，所述碳纤维编织网/钢纤维共同增强水泥基材料的组分为水泥、粉煤灰、细砂、硅灰、水、减水剂、钢纤维、碳纤维编织网，其中水胶比为0.3～0.4，钢纤维的体积含量为0.5％-1.5％，碳纤维编织网层数不少于2层，各层纤维网之间的距离为3～5mm；所述pva纤维增强水泥基材料的组分为水泥、粉煤灰、细砂、水、减水剂、增稠剂、pva纤维，其中水胶比为0.3～0.4，pva纤维的体积含量为2％～3％。
11.进一步地，采用强界面结合的碳纤维编织网/钢纤维共同增强的水泥层中，所述钢纤维形状为弯钩形，长度为12～15mm，均匀布置在碳纤维编织网的孔洞中，且应穿插在各层碳纤维编织网之间，与碳纤维编织网勾连形成三维网状结构；所述碳纤维编织网用环氧树脂胶浸渍，并在环氧树脂胶干硬之前均匀撒上细砂。
12.进一步地，采用弱界面结合的pva纤维增强的水泥层中，具体特征为，所述pva纤维长度为8～12mm，表面经过涂油处理，具体方式为：将油与水以1：15的比例加入容器中搅拌5min，之后将pva纤维加入到容器中浸泡30min，随后将pva纤维放置于内部压强为200kpa的密闭容器中10min，最后将处理过的纤维在120℃的烘箱中干燥25min。
13.进一步地，采用强界面结合的碳纤维编织网/钢纤维共同增强的水泥层中，经过表面处理的碳纤维编织网与基体的粘结应力应不小于7.5mpa；采用弱界面结合的pva纤维增强的水泥基材料层中，经过表面处理的pva纤维与基体的粘结应力为1.7～2.4mpa。
14.一种基于纤维-基体界面强弱处理高性能的纤维增强水泥基复合板材的制备方法，具体步骤如下：
15.(1)纤维表面处理：
16.碳纤维编织网用环氧树脂胶浸渍，并在环氧树脂胶干硬之前均匀撒上细砂，撒完细砂之后放置于通风处让其自然风干；pva纤维表面经过涂油处理，具体方式为：将油与水以1：15的比例加入容器中搅拌5min，之后将pva纤维加入到容器中浸泡30min，随后将pva纤维放置于内部压强为200kpa的密闭容器中10min，最后将处理过的纤维在120℃的烘箱中干燥25分钟。
17.(2)浇筑pva纤维增强水泥基材料：
18.将水泥、粉煤灰、细砂等基体材料按配比加入搅拌锅中，干拌2～3min后加入水、减水剂和增稠剂并继续搅拌3～5min；在水泥基体获得较好的流动性后再加入用油处理过的pva纤维慢搅2min后高速搅拌1min，以制备pva纤维增强水泥基材料，将制作好的pva纤维增强水泥基材料均匀铺在模具上并进行振捣，然后抹平形成相应厚度的薄板。
19.(3)布设碳纤维编织网与钢纤维形成三位网状结构：
20.将碳纤维编织网固定于模具的张拉装置上，将钢纤维插入碳纤维编织网孔洞，并与上下层碳纤维编织网勾连，保证每层碳纤维编织网的受力纤维对齐。
21.(4)浇筑碳纤维编织网/钢纤维共同增强水泥基体：
22.将水泥、粉煤灰、矿粉、细砂等基体材料按配比加入搅拌锅中，干拌2～3min后加入水和减水剂并继续搅拌3～5min，以制备碳纤维编织网/钢纤维共同增强复合材料基体；在浇筑完pva纤维增强水泥基材料层3小时后，浇筑相应厚度的碳纤维编织网/钢纤维共同增强复合材料基体并振捣密实。
23.本发明的有益效果：本发明的制作方法解决了不同纤维要协同工作时基体冲突所带来的纤维特性无法发挥的问题；有效地提高了纤维增强复合材料的韧性和强度；采用该分层复合材料加固的结构构件，能够有效地提高构件的承载力、刚度以及抗震性能，达到良好的加固防护效果。
附图说明
24.图1为一种基于纤维-基体界面强弱处理的高性能纤维增强水泥基复合板材(布置三层碳纤维编织网时)的剖面图。
25.图2为一种基于纤维-基体界面强弱处理的高性能纤维增强水泥基复合板材制备工艺流程图。
26.图3为是三点弯曲试验得到的三种相同厚度板材的荷载-挠度曲线，曲线1为本发明基于纤维-基体界面强弱处理的高性能纤维增强水泥基复合板材的荷载-挠度曲线，曲线2为pva纤维增强水泥基材料板材的荷载-挠度曲线，曲线3为碳纤维编织网/钢纤维共同增强水泥基材料板材的荷载-挠度曲线。
具体实施方式
27.为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
28.实施例1
29.(1)碳纤维编织网用环氧树脂胶浸渍，并在环氧树脂胶干硬之前均匀撒上细砂，撒完细砂之后放置于通风处让其自然风干；pva纤维表面经过涂油处理，具体方式为：将油与水以1：15的比例加入容器中搅拌5min，之后将pva纤维加入到容器中浸泡30min，随后将pva纤维放置于内部压强为200kpa的密闭容器中10min，最后将处理过的纤维在120℃的烘箱中干燥25分钟。
30.(2)pva纤维增强水泥基材料的配比为：普通硅酸盐水泥：粉煤灰：细砂：水：减水剂：增稠剂＝1：1.2：0.8：0.8：0.014：0.0007，pva纤维体积分数为2％，pva纤维长度为12mm，将水泥、粉煤灰、细砂等基体材料按配比加入搅拌锅中，干拌3min后加入水、减水剂和增稠剂并继续搅拌5min；在水泥基体获得较好的流动性后再加入用油处理过的pva纤维慢搅2min后高速搅拌1min，以制备pva纤维增强水泥基材料；将制作好的pva纤维增强水泥基材料均匀铺在模具上并进行振捣，然后抹平形成厚度为6mm的薄板。
31.(3)将三层碳纤维编织网固定于模具的张拉装置上，将钢纤维插入碳纤维编织网孔洞，并与上下层碳纤维编织网勾连，保证每层碳纤维编织网的受力纤维对齐。
32.(4)碳纤维编织网/钢纤维共同增强水泥基材料的配比为：普通硅酸盐水泥：粉煤灰：细砂：硅灰：水：减水剂＝1：0.36：2.92：0.074：0.57：0.007，碳纤维编织网层数为3层，各碳纤维编织网之间的间距为3mm，钢纤维体积分数为1.5％，钢纤维的长度为12mm，将水泥、粉煤灰、矿粉、细砂等基体材料按配比加入搅拌锅中，干拌3min后加入水和减水剂并继续搅拌5min，以制备碳纤维编织网/钢纤维共同增强复合材料基体；在浇筑完pva纤维增强水泥基材料层3小时后，浇筑厚度为12mm的碳纤维编织网/钢纤维共同增强复合材料基体并振捣密实。
33.(5)将制得的纤维增强水泥基复合板材在自然环境下放置24小时后拆模，然后在20℃、相对湿度95％的标准条件下养护28天后成型。
34.对比例1
35.pva纤维增强水泥基材料的配比为：普通硅酸盐水泥：粉煤灰：细砂：水：减水剂：增稠剂＝1：1.2：0.8：0.8：0.014：0.0007，pva纤维体积分数为2％，pva纤维长度为12mm，将水泥、粉煤灰、细砂等基体材料按配比加入搅拌锅中，干拌3min后加入水、减水剂和增稠剂并继续搅拌5min；在水泥基体获得较好的流动性后再加入用油处理过的pva纤维慢搅2min后高速搅拌1min，以制备pva纤维增强水泥基材料；将制作好的pva纤维增强水泥基材料均匀铺在模具上并进行振捣，然后抹平形成厚度为18mm的薄板。
36.对比例2
37.将五层碳纤维编织网固定于模具的张拉装置上，将钢纤维插入碳纤维编织网孔洞，并与上下层碳纤维编织网勾连，保证每层碳纤维编织网的受力纤维对齐。碳纤维编织网/钢纤维共同增强水泥基材料的配比为：普通硅酸盐水泥：粉煤灰：细砂：硅灰：水：减水剂＝1：0.36：2.92：0.074：0.57：0.007，碳纤维编织网层数为5层，各碳纤维编织网之间的间距为3mm，钢纤维体积分数为1.5％，钢纤维的长度为12mm，将水泥、粉煤灰、矿粉、细砂等基体材料按配比加入搅拌锅中，干拌3min后加入水和减水剂并继续搅拌5min，以制备碳纤维编织网/钢纤维共同增强复合材料基体；将制备好的碳纤维编织网/钢纤维共同增强复合材料基体浇筑在模具中并振捣密实。
38.实施例1以及对比例1、2在三点弯曲试验下的荷载-挠度曲线如图3，并计算得到三种板材的等效弯曲韧性如下表所示
[0039] 实施例1对比例1对比例2等效弯曲韧性883kj/m3240.57kj/m3754.81kj/m3[0040]
本发明基于纤维-基体界面强弱处理的高性能纤维增强水泥基复合板材与pva纤维增强水泥基材料相比提高了极限承载能力；与碳纤维编织网/钢纤维共同增强的水泥基材料相比提高了变形能力。碳纤维编织网/钢纤维共同增强的水泥基材料虽然同样具有很高的韧性与强度，但是其破坏模式为脆性破坏，即达到极限荷载之后突然断裂，这在结构中是不被允许的。而本发明的纤维-基体界面强弱处理的高性能纤维增强水泥基复合板材，达到极限荷载之后会进入软化阶段，即随着荷载的减小变形不断增大，是典型的延性破坏模式。由此可见，通过将强化碳纤维编织网与水泥基体的界面性能、弱化pva纤维与水泥基体的界面性能并通过分层浇筑的方法将两者结合在一起，能够得到兼具优异强度与变形能力的高性能水泥基复合材料。
[0041]
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，任何熟悉本项技艺者运用本创作所做的修饰、变化，皆属本创作主张的专利范围，而不限于实施例所揭示者。