一种高韧性水泥基复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及建筑材料，尤其是一种高韧性水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术：

自19世纪波兰特水泥诞生之后，混凝土性能以及应用有了飞跃式发展。至当今社会，混凝土已经成为最重要的建筑材料，在混凝土的广泛应用中就不得不提起钢筋与混凝土这一对“黄金搭档”，钢筋表现出良好的延性而混凝土则表现出良好的抗压能力，但在抗拉能力上却十分薄弱。在《建筑抗震设计规范》中指出钢筋的伸长率不应小于9%而对于混凝土属于脆性材料其应变一般在0.02%，这就意味着钢筋混凝土在受拉的工作环境中极易产生裂缝，带裂缝工作也是钢筋混凝土的常态，但是这种带裂缝对混凝土结构的耐久性有严重的不良影响。特别对于海港这种在海水侵蚀等恶劣环境下，混凝土的开裂更是致命的损伤除此之外在火灾中混凝土易发生爆裂，主要是因为水蒸气膨胀，失去了混凝土保护的钢筋容易受热软化，造成巨大灾难。混凝土本身抗拉能力低，它的破坏也不利于钢筋的机械锚固力和粘结力的发挥。

传统混凝土材料抗拉性能很低，往往是脆性破坏，一拉就断没有测量混凝土材料延性的必要，但是ecc高韧性水泥基复合材料的出现，使得水泥基复合材料的轴心拉伸试验变得十分重要，轴心拉伸实验相比较于抗弯或者抗折试验能更加直观的体现出ecc的抗拉能力以及延性。目前对于ecc直接拉伸实验所采用的试件有两种即板型试件和哑铃型试件，其抗拉性能测试段位于中央较窄处，又因为ecc试件会均匀开裂所以在测试段外也会发生开裂，所以在测试段应该加上位移计来测量位移应变。在混凝土轴心抗拉试验中，需要夹具来夹持试件。

但是，现有的夹具，自重较大，操作复杂，造价高，适用率低，因此需要设计新型的位移计夹具解决上述问题。

但是，现有的夹具，但是结构复杂、夹持不方便，因此需要设计新型的试验夹具解决受力过程容易出现受拉偏心距较大等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高韧性水泥基复合材料及其制备方法，高韧性水泥基复合材料具有高韧性、破坏时产生细密裂缝和耐久性良好的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高韧性水泥基复合材料，组分按质量比计为，水泥：粉煤灰：细砂：水：减水剂：增稠剂=1：0.8：1.15：0.5：（0.013-0.015）：（0-0.001），以所有组分混合均匀后的总体积为基数，pe纤维的掺量为9.7kg/m³，钢纤维的掺量为46.8-70.2kg/m³。

一种高韧性水泥基复合材料的制备方法，包括有以下步骤：步骤1：pe纤维的干拌分散；步骤2：水泥基材料的干拌分散；步骤3：减水剂的添加；步骤4：增稠剂的添加；步骤5：钢纤维的添加；步骤6：高韧性水泥基复合材料的制成；步骤7：利用位移计夹具对高韧性水泥基复合材料进行拉伸试验；步骤8：利用试验夹具对高韧性水泥基复合材料进行轴心拉伸试验。

本发明和现有技术相比，其优点在于：

（1-1）本高韧性水泥基复合材料的抗压强度为45-50mpa之间，极限拉伸应变达到5%，拉伸开裂强度在4mpa，极限拉伸强度在5mpa，在哑铃型标准拉伸试件80mm被测段中裂缝的数量为30条左右，是一种高延性和高抗拉性能的建筑材料。

（1-2）本发明具有良好的流动性以及粘结能力，具跳桌试验测试流动度可知，钢纤维的掺量为46.8-70.2kg/m³范围中流动度在175-195mm之间，良好的流动度便于建筑施工。

（1-3）本发明的高韧性水泥基材料采用了较高掺量的电厂废料粉煤灰，粉煤灰在所有胶凝材料中占比为40%，使本发明的高韧性水泥基材料成为一种绿色的建筑材料

（1-4）本发明的高韧性水泥基复合材料具有高韧性、极限拉伸应变大、抗变形能力好的特点，可以广泛用于桥梁工程、道路路面工程等大体积结构中，可以有效的避免结构在浇筑完成后发生收缩开裂以及在后续的使用中的受拉开裂。

（2-1）本位移计夹具用于测量测试段的变形。本发明采用铝合金制成，重量轻，使用辅助工具少，徒手即可操作，操作简易，并且适用于不同尺寸试件以及不同种类和形状的位移计，适用面较广，有较高的使用价值。

（2-2）本位移计夹具自重轻，操作简单，造价低以及适用于哑铃型和板型两种形状的试件，固定螺栓可以固定住圆柱体或长方体形状的位移计，因此可以适用于直线式与拉线式两种位移计以及圆柱体、长方体等多种形状的位移计。

（2-3）本位移计夹具不但可以通过调节连接螺栓的位置来适应不同形状的试件形状，同时也可以通过固定螺栓来夹紧金属块或者去掉的金属块的方式来适用于直线式位移计或者拉线式位移计。连接螺栓徒手即可拧紧，使安装更加高效便捷。

（3-1）本试验夹具解决结构复杂、夹持不方便、容易出现受拉偏心距较大等问题，本发明结构简单、夹持方便、适用于哑铃型和板型两种受拉试件，且不会出现偏心拉伸破坏的情况。

（3-2）本发明结构简单、夹持方便，可以很好的固定试件且不发生脱落，方便与拉力机连接，不会出现偏心拉伸破坏的情况。

（3-3）本发明适用于哑铃型和板型两种受拉试件，适用范围更加广泛，具有较高的使用价值。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的高韧性水泥基复合材料制备方法示意图；

图2为本发明的哑铃型试件结构示意图；

图3为本发明的应力-延伸率曲线示意图；

图4是本发明位移计夹具的整体结构示意图；

图5是本发明位移计夹具的整体结构示意图；

图6是本发明的使用状态示意图；

图7是本发明的整体结构示意图；

图8是本发明的哑铃型试件轴心拉伸试验使用状态示意图；

图9是本发明的板型试件轴心拉伸试验使用状态示意图。

附图标记说明：1移计架；2连接螺栓；3固定螺栓；4调节孔；5螺母；6金属块；7哑铃型试件；8位移计；1-1、拉力机夹板，1-2、连接锁链，1-3、夹持部，1-4、连接柱，1-5、限位钢块，1-6、固定螺栓，1-7、夹持腔，1-8、锁紧螺栓，1-9、哑铃型试件，1-10、板型试件，1-11、通孔。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施例，这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。虽然附图中显示了本发明公开的示例性实施例，然而应当理解，本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。同时，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电性连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种高韧性水泥基复合材料，组分按质量比计为，水泥：粉煤灰：细砂：水：减水剂：增稠剂=1：0.8：1.15：0.5：（0.013-0.015）：（0-0.001），以所有组分混合均匀后的总体积为基数，pe纤维的掺量为9.7kg/m³，钢纤维的掺量为46.8-70.2kg/m³。

具体实施时，水泥为p.o.42.5硅酸盐水泥；粉煤灰为一级粉煤灰。增稠剂为粘度20万的羟丙基甲基纤维。细砂的种类可为河细砂、沙漠细砂或海细砂。沙漠细砂和海细砂的有效利用可以有效缓解当前社会标准细砂石材料短缺的情况。细砂的粒径为0.15mm-0.2mm；减水剂为液体减水剂或粉末减水剂；液体减水剂为减水率在16-22%的聚羧酸高效减水剂。

具体实施时，pe纤维的长度为18mm，直径25微米，弹性模量116gpa，抗拉强度2900mpa，断裂伸长率为2.4%。

具体实施时，钢纤维长度为13mm，直径为0.2mm，弹性模量210gpa，抗拉强度2750mpa。

一种高韧性水泥基复合材料的制备方法，如图1所示，包括有以下步骤：步骤1：pe纤维的干拌分散；步骤2：水泥基材料的干拌分散；步骤3：减水剂的添加；步骤4：增稠剂的添加；步骤5：钢纤维的添加；步骤6：高韧性水泥基复合材料的制成；步骤7：利用位移计夹具对高韧性水泥基复合材料进行拉伸试验；步骤8：利用试验夹具对高韧性水泥基复合材料进行轴心拉伸试验。

具体实施时，如图1所示，高韧性水泥基复合材料的制备方法，包括有以下步骤：

步骤1：pe纤维的干拌分散。

将pe纤维放入jj-5型水泥细砂浆搅拌机中干拌2min，将pe纤维充分分散；避免pe纤维加入水泥细砂浆基体后出现纠缠打结的现象；将充分分散的pe纤维从jj-5型水泥细砂浆搅拌机中取出，备用。

步骤2：水泥基材料的干拌分散。

然后按照细砂、硅灰、粉煤灰、水泥的顺序分别加入jj-5型水泥细砂浆搅拌机，慢速干拌3min，使各组分充分混合均匀；先加入细砂的目的在于避免搅拌机中有水的存在导致其他胶体组分提前反应，导致最终制成材料不均匀的情况。

步骤3：减水剂的添加。

步骤3-1：若采用液体减水剂，需要提前将聚羧酸减水剂和水混合均匀，分三次倒入，每次间隔时间1min，目的在于给减水剂充分反应时间。

步骤3-2：若采用粉末减水剂，可以将粉末减水剂在步骤2中和其他各组分同时加入jj-5型水泥细砂浆搅拌机，并充分搅拌均匀。

步骤4：增稠剂的添加。

加入水后jj-5型水泥细砂浆搅拌机转为快速搅拌2min，视具体的工程需要，可选择加0-0.001的增稠剂。

步骤5：钢纤维的添加。

jj-5型水泥细砂浆搅拌机转变为慢速搅拌，先加入钢纤维，加完钢纤维之后快速搅拌2min，至水泥细砂浆基体表面看不到钢纤维则为均匀，若先加入pe纤维会造成钢纤维在材料内分布不均匀的情况，钢纤维加入时应注意均匀散入，避免一下全部倒入。

步骤6：高韧性水泥基复合材料的制成。

将jj-5型水泥细砂浆搅拌机调为慢速，将步骤1中备用的pe纤维分多次均匀加入jj-5型水泥细砂浆搅拌机，转为快速搅拌2min，即可得到高韧性水泥基复合材料。

步骤7：利用位移计夹具对高韧性水泥基复合材料进行拉伸试验。

位移计夹具，如图4-6所示，包括移计架1；位移计架1采用铝合金制成。

其中，位移计架1成对设置，位移计架1一侧设置有两个调节孔4，调节孔4内部设置有连接螺栓2，连接螺栓2配有起锁紧作用的螺母5；调节孔4可以根据哑铃型试件7的宽度调节连接螺栓2的位置；哑铃型试件7通过连接螺栓2和螺母5固定在位移计架1的一侧；位移计架1另一侧设置有呈方形的通孔，通孔内部贯穿安装有位移计8或金属块6，位移计8或金属块6通过固定螺栓3固定于位移计架1上，固定螺栓3采用十字螺栓。

位移计8采用直线式位移计或者拉线式位移计。

本位移计夹具自重轻，操作简单，造价低以及适用于哑铃型和板型两种形状的试件，固定螺栓可以固定住圆柱体或长方体形状的位移计，因此可以适用于直线式与拉线式两种位移计以及圆柱体、长方体等多种形状的位移计。

本位移计夹具不但可以通过调节连接螺栓的位置来适应不同形状的试件形状，同时也可以通过固定螺栓来夹紧金属块或者去掉的金属块的方式来适用于直线式位移计或者拉线式位移计。连接螺栓徒手即可拧紧，使安装更加高效便捷。

步骤8：利用试验夹具对高韧性水泥基复合材料进行轴心拉伸试验。

试验夹具，如图7-9所示，包括拉力机夹板1-1、连接锁链1-2和夹持部1-3；其中，拉力机通过配套的拉力机夹具夹住拉力机夹板1-1，拉力机夹板1-1通过连接锁链1-2连接于夹持部1-3。连接锁链1-2具有万向旋转作用，使得哑铃型试件1-9板型试件1-10或始终保持竖直状态。

夹持部1-3包括顶部中心位置的连接柱1-4和底部四个呈爪型分布的限位钢块1-5，其中，连接柱1-4采用螺纹配合固定连接于连接锁链1-2的底部；限位钢块1-5的1/3处和2/3处均设置有锁紧条，锁紧条的两端通过固定螺栓1-6安装于限位钢块1-5上；呈爪型分布的限位钢块1-5内部形成的空间为夹持腔1-7，试件安装于夹持腔1-7内部，且通过锁紧条和固定螺栓1-6进行锁紧固定。

试件为哑铃型试件1-9时，夹持腔1-7形状与哑铃型试件1-9形状相同，且夹持腔1-7的上部为矩形、下部为斜面。在测试时，将哑铃型标准试件1-9两端分别放入夹持部1-3的夹持腔1-7中，通过锁紧条和固定螺栓1-6进行锁紧固定，在测试时能更稳定的固定哑铃型标准试件1-9。

试件为板型试件1-10时，板型试件1-10的两侧可预设有通孔1-11，1/3处的锁紧条的中部还设置有锁紧螺栓1-8；板型试件1-10通过锁紧螺栓1-8锁紧固定于锁紧条上。在测试时，将板型试件1-10两端分别放入夹持部1-3的夹持腔1-7中，通过锁紧条和固定螺栓1-6进行锁紧固定，板型试件1-10通过锁紧螺栓1-8锁紧固定于锁紧条上，在测试时能更稳定的固定板型标准试件1-10。

以下为本实施例的高韧性水泥基复合材料的力学性能试验及结果。

（1）采用100mm*100mm*100mm的试块，按标准养护方法养护28d，进行轴心抗压强度试验。试验结果表明：高韧性水泥基复合材料的抗压强度的平均值为48mpa，试块在破坏过程中存在明显的抗压韧性。

（2）采用如图1的标准哑铃型试件进行轴心受拉试验，试件厚度为13mm，进行轴心受拉试验。试验结果表明：高韧性水泥基复合材料的极限拉伸应变大于5%，达到普通混凝土极限拉伸应变的500倍以上。极限抗拉强度达到5mpa，应力-延伸率曲线如下图2所示。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。