CN104944858A - 一种高初裂应变纤维增强聚合物改性水泥复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种高初裂应变纤维增强聚合物改性水泥复合材料及其制备方法。由水泥、砂、聚合物乳液、合成聚合物纤维、消泡剂和水按一定配比组合而成。本发明是以聚合物乳液和高模量聚合物纤维复合改性，改善脆性水泥混凝土韧性和变形能力，在保持较高弹性模量的情况下，提高水泥混凝土的初裂应变和初裂抗弯强度。

Description

一种高初裂应变纤维增强聚合物改性水泥复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种高初裂应变纤维增强聚合物改性水泥复合材料及其制备方法。

背景技术

1992年，ACE-MRL的美国密歇根大学教授Victor C. Li利用断裂力学和微观力学原理，首次对水泥基复合材料进行系统地设计、调整和优化，通过对稳态开裂和多缝开裂的研究，从理论上论述了配制具有超高韧性的水泥基复合材料ECC——Engineering Cementitous Composite的可行性。最初的ECC只是一种泛指的提法，而发展至今天，由于其在韧性方面极为突出的性能，开始被一些学者称为“超高韧性水泥基材料”(Ultra High Toughness Cementitious Composites，UHTCC)，并定义为：使用短纤维增强，且纤维掺量不超过复合材料总体积的2.5%， 硬化后的复合材料具有显著的应变硬化特征，在拉伸荷载作用下可产生多条细密裂缝，极限拉伸应变可稳定地达到3%以上。

2005年日本北海道三原大桥，使用了钢-ECC 复合结构，使该桥桥面板很薄。ECC 超高的拉伸韧性和裂缝致密的特点，使得桥面板自重得以降低40%，预计寿命可达100年[i]。而同在北海道的美原大桥，2005年在开通后，大桩号侧引桥左幅左轮迹处桥面相继产生一些破坏，主要表现为唧浆，泛白以及开裂等，通过调查发现铺装内积水，下层的ECC有压碎现象，通过室内加载试验，在有水的环境下，由于水压力的影响，ECC结构的疲劳寿命明显低于干燥状态下的寿命。

虽然ECC弹性模量高，力学性能不错，而且韧性好，施工也相对方便，但材料的极限拉伸应变是以裂缝的方式产生的，水泥基体本身的应变非常小，也容易开裂，所以，在实际应用中，容易出现因为裂缝导致的耐久性问题，上述美原大桥的实例，事实上宣布了这种所谓超高韧性的水泥基复合材料的“死刑”。

近年来，还有人采用钢纤维制备所谓超高性能ECC材料，期望通过钢纤维提高材料的模量，从而降低实际变形，减少开裂引起的耐久性问题。但由于基体本身的脆性特点没有变化，其初始开裂应变仍然只有100~200微应变左右，因而，可以预料，其耐久性问题与之前的ECC材料是相似的。

因此，提高基体的韧性和初始开裂应变，才是有效的办法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高初裂应变纤维增强聚合物改性水泥复合材料及其制备方法。

本发明提出的高初裂应变纤维增强聚合物改性水泥复合材料，由水泥、砂、聚合物乳液、合成聚合物纤维、消泡剂和水按一定配比组合而成。其原理是，当一定模量的柔软聚合物微区分散在脆性的水泥材料中时，柔软的聚合物因为受到坚硬的水泥组分的约束而变得更强的同时，赋予复合材料整体一定的变形能力。其关键之处是根据聚合物本身的模量大小控制在水泥基体中的聚合物微区的尺寸，并通过适量的高模量纤维增强这种组合。

本发明提出的高初裂应变纤维增强聚合物改性水泥复合材料，其特征在于由水泥、中砂、聚合物乳液、合成聚合物纤维、消泡剂和水组成，其组份配比如下：

组分                                    质量份

水泥                                     100

聚合物乳液（固体质量）                   15~20

砂                                       50~150

聚合物乳液中的水和水                       30

其中：合成聚合物纤维的加入量为复合材料总体积的1~2%，

所述聚合物乳液为苯丙乳液，其固含量为50%。

本发明中，所述水泥为普通硅酸盐水泥。

本发明中，所述砂为中砂。

本发明中，所述合成聚合物纤维为油性表面处理PVA纤维。

本发明提出的高初裂应变纤维增强聚合物改性水泥复合材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）按原料配比称量各组分，将聚合物乳液和水倒入搅拌锅中；

（2）向锅中加入水泥， 搅拌30s

（3）向步骤（2）所得产物中加入砂，搅拌30s；

（4）向步骤（3）所得产物中加入合成聚合物纤维，搅拌2min，即得所需混合物，将其浇筑成型，养护，得到所述复合材料。

本发明具有如下的优点：

1、本发明的水泥复合材料具有较高的初裂应变、初裂抗弯应力和抗弯弹性模量。

2、本产品加入聚合物，使基体韧性提高，复合材料初裂前的应变超过1000微应变，是普通水泥材料的5倍以上。

3、本产品加入的纤维，主要是提高复合材料的模量、减少柔软的聚合物使基体刚性降低的程度，同时，并不影响复合材料的初裂应变。

4、由于本发明的原材料全部采用大量生产的市售成品，所以原材料易得，适合于广泛应用。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

实施例1-4：原材料及规格见表1。材料配比见表2。产品性能见表3。

              表1 原材料及规格

材料	规格或牌号	来源
			水泥	PO 42.5普硅硅酸盐水泥	上海海螺水泥厂
砂	中砂	市售
			苯丙乳液	PS608 ap	巴斯夫公司
聚乙烯醇纤维	MP-Ib 博宁工程纤维	上海博宁工程纤维材料有限公司

表2 材料配比

	水泥/g	乳液/g	中砂/g	水/g	PVA纤维（体积掺量）/%
						比照例	100	-	50	30	-
实施例1	100	15	50	15	1.2
						实施例2	100	20	50	10	1.2
实施例3	100	20	150	10	1
						实施例4	100	20	150	10	2

              表3 产品性能

	比照例	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
						抗弯弹性模量/GPa	32.83	15.71	9.81	12.01	13.67
抗弯初裂应力/MPa	7.64	12.73	11.61	10.69	10.75
						抗弯初裂应变/10-6	236	1201	1435	1080	1010
抗弯断裂应力/MPa	7.69	13.47	14.38	12.97	13.24
						抗弯断裂应变/10-6	246	1437	2125	1682	1744
抗压强度/MPa	75.77	45.54	41.87	43.30	46.35

聚合物乳液的加入能提高产品的应变和降低其弹性模量，当乳液掺量为15%时，如实施例1，复合材料的抗弯弹性模量为15.71GPa，初裂应变为1201微应变，若乳液掺量低于15%时，复合材料弹性模量会提高，但初裂应变会明显下降，低于1000微应变，因此乳液掺量不能少于15%；当掺量达到20%的时候，即实施例2，产品初裂应变超过1000微应变，抗弯弹性模量会为9.81GPa，四舍五入即为10GPa，当聚合物掺量超过20%时，复合材料的抗弯弹性模量必然低于10GPa，因此聚合物掺量不能超过20%。

砂子的掺量提高会间接降低复合材料内聚合物乳液的体积掺量，会使复合材料的弹性模量提高，应变变小。如实施例3，相对于实施例2，砂子掺量从50%提高到150%，抗弯弹性模量提高到12GPa，而初裂应变则下降到1080微应变，若砂子掺量继续提高，复合材料初裂应变必然会下降到1000微应变以下，因此复合材料的砂子掺量不能超过150%。

纤维的掺入主要影响复合材料的弹性模量和复合材料断裂后的性能，纤维掺量越高，复合材料的抗弯弹性模量就越高，复合材料断裂后的延性就越好。纤维掺量的上限2%，见实施例4，纤维掺量的下限1%，见实施例3，两个实施例性能皆能达到抗弯弹性模量10GPa以上和抗弯初裂应变达到1000微应变以上。当纤维掺量超过上限后，复合材料加工的难度增大，而纤维掺量低于下限后，纤维对复合材料的增强效果会大大降低，弹性模量有可能下降到10GPa以下。

公开号1644800，《大跨度桥梁铺装材料》，该专利所选取的原料与本专利具有相似性，均选取聚合物乳胶和聚合物纤维作为原材料，产品配方设计范围大，只满足铺装材料的基本要求，着重描述产品所能承受的极限力学性能，没有额外功能。这个专利产品的抗折强度只有6 MPa，远低于我们拟申请的专利产品。也没有关于初裂应变和初裂应力的描述。这个专利几乎就是一种类型材料的简要说明，没有科研人员的深入研究和反复试验摸索，不可能得到具有实用的价值材料。

本专利则是讲究原材料的选择和配方的优化，使增强相乳液聚合物相和聚合物纤维相更有效地提高水泥基材料的初裂应变和初裂强度，本产品着重描述的，是产品开裂前的性能增强效果，同时能保证水泥基材料的弹性模量保持在较高水平，是一种超高韧性的水泥基复合材料。适用于对材料韧性要求高且对开裂敏感的场合。

Claims (6)

1.一种高初裂应变纤维增强聚合物改性水泥复合材料，其特征在于由水泥、中砂、聚合物乳液、合成聚合物纤维、消泡剂和水组成，其组份配比如下：

组分                                    质量份

水泥                                     100

聚合物乳液（固体质量）                   15~20

砂                                       50~150

聚合物乳液中的水和水                       30

其中：合成聚合物纤维的加入量为复合材料总体积的1~2%，

所述聚合物乳液为苯丙乳液，其固含量为50%。

2.根据权利要求1所述的高初裂应变纤维增强聚合物改性水泥复合材料，其特征在于所述水泥为普通硅酸盐水泥。

3.根据权利要求1所述的高初裂应变纤维增强聚合物改性水泥复合材料，其特征在于所述砂为中砂。

4.根据权利要求1所述的高初裂应变纤维增强聚合物改性水泥复合材料，其特征在于所述合成聚合物纤维为油性表面处理PVA纤维。

5.根据权利要求1所述的高初裂应变纤维增强聚合物改性水泥复合材料，其特征在于所述消泡剂为乳液类消泡剂。

6.一种如权利要求1所述的高初裂应变纤维增强聚合物改性水泥复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

（1）按原料配比称量各组分，将聚合物乳液和水倒入搅拌锅中；

（2）向锅中加入水泥， 搅拌30s

（3）向步骤（2）所得产物中加入砂，搅拌30s；

（4）向步骤（3）所得产物中加入合成聚合物纤维，搅拌2min，即得所需混合物，将其浇筑成型，养护，得到所述复合材料。