CN110482948A - 纤维定向排列的功能梯度水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维定向排列的功能梯度水泥基复合材料及其制备方法。所述的复合材料采用三层梯度结构，下层由高强砂浆与成定向网格状排列的端勾钢纤维组成，中间层由纤维增强砂浆与高强粗骨料组成，上层由高强砂浆与成定向网格状排列的端勾钢纤维组成，并且定向端勾钢纤维经过混凝土功能修复液浸泡处理。本发明采用端勾纤维定向排布增强，同时末端端勾在混凝土中起到锚固作用，防止纤维受力拔脱。本发明的功能梯度结构有效改善水泥基复合材料的性能，网格纤维层增强混凝土的抗弯强度、韧性和延性，同时限制固定高强骨料，避免其震荡脱落，高强骨料层可以提高材料抗压和抗侵彻性能。

Description

纤维定向排列的功能梯度水泥基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种功能梯度水泥基复合材料及其制备方法，具体涉及一种纤维定向排列的功能梯度水泥基复合材料及其制备方法，属于混凝土技术领域。

背景技术

水泥基材料具有适用性强、价格低廉等特点，被广泛应用于建筑领域。然而，水泥基材明显的脆性特征以及较差的抗拉性能、抗裂性等缺陷常导致构件和结构的性能降低，严重制约了水泥基材料的使用以及建筑结构的发展。在水泥基基材中掺入纤维，可以改善普通水泥基材料抗拉强度低、韧性差、易开裂等性能缺陷。纤维加入方式是两种或以上纤维混杂掺入。混杂掺入纤维的混凝土具有较好的抗弯性能。但是混杂型纤维在混凝土基体断裂过程中，在裂缝处的受拉区，少量纤维会因为纤维强度不高，而随着基体发生变形甚至断裂，大部分的纤维因与基体之间界面粘结强度不足造成纤维自基体中被拔脱。

经过多年的研究，混凝土抗侵彻领域已经获得了很大的发展。在高速弹体的多次侵彻下，超高性能混凝土的侵彻深度和破坏面积不断加大，靶子表面混凝土在子弹冲击下会产生大块的脱落，完整性遭到破坏。在混凝土中掺入适量的钢纤维能够形成高性能材料，钢纤维的存在能够有效阻碍混凝土内部微裂纹的繁衍、扩展，显著提高了混凝土基体的韧性和延性，具有抗拉、抗剪强度高、抗疲劳、抗冲击性能好等特点，明显提高靶体抗开裂能力，能防止混凝土剥落，消除开裂。虽然这种混凝土能够防止其整体开裂，但是要到达这样效果，所需的钢纤维掺入量很大。与此同时为了减少混凝土的侵彻深度，需要加入高强骨料，但是纤维的混杂掺入方式无法减少高强骨料因受到弹体冲击震荡而脱离混凝土基体的情况发生，不能起到抗侵彻爆炸耦合作用(Jun Feng,WeiweiSun,Zhilin Liu，et al.Anarmour-piercing projectile penetration in a double-layered target of ultra-high-performance fiber reinforced concrete and armour steel:Experimental andnumerical analyses[J].Materials&Design.2016,04(21):131-141.)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗弯和抗压性能显著提高的纤维定向排列的功能梯度水泥基复合材料及其制备方法。

实现本发明目的的技术方案如下：

纤维定向排列的功能梯度水泥基复合材料，采用三层梯度结构，下层由高强砂浆与定向端勾钢纤维组成，中间层由纤维增强砂浆与高强粗骨料组成，上层由高强砂浆与定向端勾钢纤维组成，所述的定向端勾钢纤维成定向网格状排列，且所述的定向端勾钢纤维经过混凝土功能修复液浸泡处理；按重量百分比，所述的高强砂浆包括以下组分：硅酸盐水泥22.1～23.3％、工业废渣22.1～23.5％、细骨料44.4～47.8％、水7.77～8.12％、高效减水剂0.65～0.73％、消泡剂0.018～0.020％；所述的纤维增强砂浆包括以下组分：硅酸盐水泥20.2～21.9％、工业废渣20.9～21.2％、细骨料40.3～43.8％、水6.86～7.45％、平直型钢纤维4.2～11.0％、高效减水剂0.65～0.70％、消泡剂0.016～0.017％。

本发明中，所述的定向端勾钢纤维采用常规使用的定向端勾钢纤维，可以为3D钢纤维、4D钢纤维或5D钢纤维。所述的3D钢纤维的纤维末端有两次弯折，其长径比为65，直径为0.54～0.57mm，长度为35～37mm，抗拉强度不小于1350MPa；所述的4D钢纤维的纤维末端有三次弯折，其长径比为65，直径为0.9～0.96mm，长度为60～63mm，抗拉强度不小于1600MPa；所述的5D钢纤维的纤维末端有四次弯折，其长径比为65，直径为0.92～0.98mm，长度为60～64mm，抗拉强度不小于2300MPa。

针对混杂纤维的分布均匀性不可控，现用的纤维直径较细，平直型纤维受力区容易拔脱等缺点，本发明采用端勾纤维定向排布，其末端端勾可以在混凝土中起到锚固作用，同时，单根纤维的直径较粗也让端勾纤维能承受更大的载荷，在基体受力变形时吸收破坏能量。长度较长的纤维通过定向的网格排布能够增强受力方向上的基体强度，从而增强混凝土的抗弯强度。同时纤维经过混凝土功能修复液表面处理增强纤维与混凝土界面强度。在承受侵彻冲击时，密集网状排布的端勾纤维一是可以增强超高性能混凝土的抗侵彻能力，二是可以防止部分高强粗骨料受到震荡冲击而从基体脱落。端勾钢纤维的加入还能提高水泥基复合材料的韧性和延性等。

本发明中，所述的混凝土功能修复液采用常规使用的混凝土功能修复液，包括菌株、营养液、沉积前体、膨胀剂和微生物多孔载体。所述的菌株为嗜碱科式芽孢杆菌、巴氏芽孢杆菌、耐盐芽孢杆菌，巴氏芽孢八叠球菌、球形芽孢杆菌、绿脓杆菌和希瓦氏菌中的一种或几种。所述的营养液为马铃薯葡萄糖琼脂基或蛋白胨、酵母膏、牛肉膏、尿素和蔗糖的混合液。所述的沉积前体选自醋酸钙、硝酸钙、氯化钙和乳酸钙中的一种或几种。所述的膨胀剂选自钙矾石、氧化镁和蓝晶石的一种或几种。所述的微生物多孔载体选自膨胀黏土颗粒或硅藻土。

本发明中，所述的高强砂浆和纤维增强砂浆中，硅酸盐水泥的强度等级为52.5或以上。

本发明中，所述的高强砂浆和纤维增强砂浆中，所述的高效减水剂为减水率不小于35％的聚羧酸系高效减水剂，是羧酸类接枝多元共聚物与其他有效助剂的复配产品。

本发明中，所述的高强砂浆和纤维增强砂浆中，所述的消泡剂为有机硅液体。

本发明中，所述的高强砂浆和纤维增强砂浆中，所述的粗骨料为粒径为5mm～20mm的氧化铝、氮化硅、氧化锆、碳化硅陶瓷骨料中一种或几种，其含水量不大于0.2％。

本发明中，所述的高强砂浆和纤维增强砂浆中，所述的细骨料为粒径不超过1.25mm的黄砂、石英砂、尾砂，陶瓷砂或其混合物。其含水量应小于0.2％，含泥量不大于0.2％。

本发明中，所述的高强砂浆和纤维增强砂浆中，所述的工业废渣为粒径为微米级的硅灰、矿渣、粉煤灰和尾矿粉中的一种或几种。

本发明中，所述的纤维增强砂浆中，平直型钢纤维的直径为0.17～0.2mm，长度为6～20mm，抗拉强度不小于1800MPa。

进一步地，上述纤维定向排列的功能梯度水泥基复合材料的制备方法，具体步骤如下：

步骤1，高强砂浆的制备：

首先将硅酸盐水泥、工业废渣、细集料按比例混合均匀，然后加入高性能减水剂、消泡剂和水的混合溶液，使固体原料从分散状态变成粘性浆体状态，制备高强砂浆；

步骤2，纤维增强砂浆的制备：

首先将硅酸盐水泥、工业废渣、细集料按比例混合均匀，然后加入高性能减水剂、消泡剂和水的混合溶液，使固体原料从分散状态变成粘性浆体状态，制得粘性砂浆，最后在粘性砂浆中加入平直型钢纤维，边搅拌边将纤维均匀分散，制备纤维增强砂浆；

步骤3，下层混凝土的制备：

先往模具底部灌入一层高强砂浆，捣实后作为基底，将端勾纤维浸入混凝土功能修复液，再在砂浆上以一定的角度平铺满一层端勾钢纤维，形成纤维定向排布网格层，再灌注高强砂浆，保证完全浸没端勾钢纤维网格层，然后在砂浆上重复铺上一层纤维定向排布网格并灌入砂浆，往复操作直至达到设计高度，作为下层；

步骤4，中层高强粗骨料的铺设：

继续在下层的高强砂浆上密集铺设一层高强粗骨料，再灌入纤维增强砂浆，保证高强粗骨料被砂浆完全包裹，然后在砂浆上重复铺上一层高强粗骨料并灌入砂浆，往复操作直至填满指定高度，作为中层；

步骤5，上层混凝土的制备：

将端勾纤维浸入混凝土功能修复液，往纤维增强砂浆上以一定的角度平铺满一层的端勾钢纤维，纤维定向排布形成网格状，并要求网格间隙小于高强粗骨料最小直径，再灌注高强砂浆，保证完全浸没端勾钢纤维网格，然后在砂浆上重复铺上一层纤维定向排布网格并灌入砂浆，往复操作直至达到设计高度，作为上层，标准养护得到功能梯度水泥基复合材料。

本发明中，所述的标准养护条件为温度20℃±2℃，湿度不小于90％，养护时间不少于28天。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明使用的高强砂浆配方采用了极低水胶比，其水胶比为0.15～0.2，有利于提高混凝土的密实性和抗渗性，具有良好的自密实性，减去砂浆的密实振捣过程，大幅简化生产工艺，有利于提高工作效率和经济性，同时减少由于水分逸出而引起的干燥收缩，从而提高混凝土的强度和耐久性；

(2)本发明使用的纤维经混凝土功能修复液处理后，可以强化混凝土固化过程中纤维与混凝土基体的界面结合强度，同时也可以修复混凝土受载荷时纤维与基体之间产生的微裂纹；

(3)本发明的功能梯度水泥基复合材料采用端勾纤维定向排布增强，保证纤维的均匀性，同时通过调控纤维的层数和疏密程度以及纤维的长径比，能够建立纤维排布结构与混凝土力学性能如抗压、抗弯性能的对照映射关系，建立数据模型，便于后期实际应用；

(4)本发明使用的端勾纤维的直径较大，单根纤维承受载荷能力更强，同时末端端勾可以在混凝土中起到锚固作用，防止纤维受力拔脱；

(5)本发明的功能梯度结构可以有效地改善水泥基材料的性能，网格纤维层可以增强混凝土的抗弯强度，韧性和延性，同时限制固定高强骨料，避免其震荡脱落，高强骨料层可以提高材料抗压和抗侵彻性能。

附图说明

图1为本发明的功能梯度水泥基复合材料采用的三种端勾纤维几何形状示意图，a为3D端勾钢纤维；b为4D端勾钢纤维；c为5D端勾钢纤维。

图2为本发明的功能梯度水泥基复合材料的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进一步详细说明。下述实施例中，砂浆中各组分均以重量百分比计。

实施例1

步骤1，制备高强砂浆：称取硅酸盐水泥22.1％、工业废渣22.3％(硅灰:矿渣＝2:3)、粒径1.25mm干燥黄砂47.1％，逐一放入搅拌机中干拌；将0.73％减水剂、0.018％消泡剂和7.77％水混合，将混合液倒入搅拌机内，搅拌5-10min，使固体粉料变成粘性浆体，得到高强砂浆。

步骤2，制备纤维增强砂浆：称取硅酸盐水泥20.2％、工业废渣20.9％(硅灰:矿渣＝2:3)、粒径1.25mm黄砂40.3％，逐一放入搅拌机中干拌；将0.7％减水剂、0.016％消泡剂和6.86％水混合，将混合液倒入搅拌机内，搅拌5-10min，使固体粉料变成粘性浆体。称取纤维体积率为11.0％的20mm平直型钢纤维，缓慢散入粘性砂浆内，搅拌均匀，得到纤维增强砂浆。

步骤3，制备下层混凝土：准确称取适量的长度35mm3D端勾钢纤维和63mm5D端勾钢纤维，纤维总体积率为1.2％。按嗜碱科式芽孢杆菌0.2％、马铃薯葡萄糖琼脂11％、醋酸钙粉6.22％、钙矾石粉6％、硅藻土15.8％和水60.78％，混合制备混凝土功能修复液，将端勾钢纤维浸入修复液中。先将模具内部涂满脱模剂，底部再铺上一薄层的高强砂浆并捣实，接着将5D端勾纤维在粘性浆体上面有序排列，相互平行，保证头尾相接，继续在呈90°夹角方向上同样排列上，形成一层定向网格，然后在纤维上灌注一层高强浆体，完全掩埋纤维，并震动促进密实，直到浇筑至大约模具的三分之一高度，得到下层混凝土。

步骤4，铺设中层高强粗骨料：称取直径8mm氧化铝陶瓷球。在下层混凝土表面继续灌注一层纤维增强砂浆，在砂浆上铺上一层密实的氧化铝陶瓷球骨料，然后在骨料上灌注一层纤维增强砂浆，以完全覆盖包裹骨料为最佳，并且震动捣实，得到高强骨料层混凝土。

步骤5，制备上层混凝土：接着铺设一层高强砂浆，将3D端勾纤维在高强砂浆浆体上面有序排列，相互平行，保证头尾相接，继续在呈90°夹角方向上同样排列上，形成一层定向网格，然后在纤维上灌注高强砂浆直至填满模具并抹平，重复以上步骤，装好模具，全部装填完毕后，用塑料薄膜密封，可以防止水分蒸发，静置24小时后拆模。

步骤6，在标准条件下养护28d，得到功能梯度水泥基复合材料。其结构为上中下三层结构，标准养护28d的抗弯强度为39.6MPa；标准养护28d的垂直于梯度材料界面方向上的抗压强度为164.3MPa；标准养护28d的平行于梯度材料界面方向上的抗压强度为188.1MPa。

实施例2

步骤1，制备高强砂浆：称取硅酸盐水泥23.0％、工业废渣23.5％(硅灰:矿渣＝2:3)、粒径1.25mm黄砂44.78％，逐一放入搅拌机中干拌；将0.71％减水剂、0.020％消泡剂和7.99％水混合，将混合液倒入搅拌机内，搅拌5-10min，使固体粉料变成粘性浆体，制备高强砂浆。

步骤2，制备纤维增强砂浆：称取硅酸盐水泥20.2％、工业废渣20.9％(硅灰:矿渣＝2:3)、粒径1.25mm黄砂40.3％，逐一放入搅拌机中干拌；将0.7％减水剂、0.016％消泡剂和6.86％水混合，将混合液倒入搅拌机内，搅拌5-10min，使固体粉料变成粘性浆体。称取纤维体积率为11.0％的20mm平直型钢纤维，缓慢散入粘性砂浆内，搅拌均匀，得到纤维增强砂浆。

步骤3，制备下层混凝土：准确称取长度37mm3D端勾钢纤维和63mm5D端勾钢纤维待用，纤维总体积率为2.4％。将这两种纤维材料拆分成一根根(原始纤维是紧密粘接成一板的)。按嗜碱科式芽孢杆菌0.2％、马铃薯葡萄糖琼脂11％、醋酸钙粉6.22％、钙矾石粉6％、硅藻土15.8％和水60.78％，混合制备混凝土功能修复液，再将端勾钢纤维浸入修复液中。先将模具内部涂满脱模剂，底部再铺上一薄层的上述的高强砂浆并捣实，接着将63mm5D端勾纤维在高强砂浆浆体上面有序排列，相互平行，保证头尾相接，继续在呈90°夹角方向上同样排列上，形成一层定向网格，然后在纤维上灌注一层粘性浆体，完全掩埋纤维，并震动促进密实，在高强砂浆上同样铺上一层密实的63mm5D端勾纤维，然后在纤维上灌注一层高强砂浆，同样完全覆盖包裹纤维，并且震动捣实。直到浇筑至大约模具的五分之二高度。

步骤4，铺设中层高强粗骨料：称取直径8mm氧化铝陶瓷球。在下层混凝土表面继续灌注一层纤维增强砂浆，在砂浆上铺上一层密实的氧化铝陶瓷球骨料，然后在骨料上灌注一层纤维增强砂浆，以完全覆盖包裹骨料为最佳，并且震动捣实，得到高强骨料层混凝土。

步骤5，制备上层混凝土：接着铺设一层高强砂浆，在砂浆上将37mm3D端勾纤维在粘性浆体上面有序排列，相互平行，保证头尾相接，继续在呈90°夹角方向上同样排列上，形成一层定向网格，然后在纤维上灌注高强砂浆直至填满模具并抹平，重复以上步骤，装好模具，全部装填完毕后，用塑料薄膜密封，可以防止水分蒸发，静置24小时后拆模。

步骤6，在标准条件下养护28d，得到功能梯度水泥基复合材料。其结构根据设计为上下层，标准养护28d的抗弯强度为50.3MPa；标准养护28d的垂直于梯度材料界面的抗压强度分别为185.5MPa；标准养护28d的平行于梯度材料界面的抗压强度分别为207.2MPa。

实施例3

步骤1，制备高强砂浆：称取硅酸盐水泥22.5％、工业废渣23.4％(硅灰:矿渣＝2:3)、粒径1.25mm干燥黄砂45.7％，逐一放入搅拌机中干拌；将0.71％聚羧酸减水剂、0.018％753W型消泡剂和7.78％水混合，将混合液倒入搅拌机内，搅拌5-10min，使固体粉料变成粘性浆体，制备高强砂浆。

步骤2，制备纤维增强砂浆：称取硅酸盐水泥21.9％、工业废渣21.2％(硅灰:矿渣＝2:3)、粒径1.25mm干燥黄砂43.8％，逐一放入搅拌机中干拌；将0.7％减水剂0.017％消泡剂和7.45％水混合，将混合液倒入搅拌机内，搅拌5-10min，使固体粉料变成粘性浆体。称取纤维体积率为4.9％的20mm平直型钢纤维，缓慢散入粘性砂浆内，搅拌均匀，得到纤维增强砂浆。

步骤3，制备下层混凝土：称取适量的长度35mm3D端勾钢纤维和60mm4D端勾钢纤维，纤维总体积率为1.42％。按嗜碱科式芽孢杆菌0.2％、马铃薯葡萄糖琼脂11％、醋酸钙粉6.22％、钙矾石粉6％、硅藻土15.8％和水60.78％，混合制备混凝土功能修复液，再将纤维都浸入修复液中。先将模具内部涂满脱模剂，底部再铺上一薄层的上述的高强砂浆并捣实，接着将4D端勾纤维在高强砂浆浆体上面有序排列，相互平行，保证头尾相接，继续在呈90°夹角方向上同样排列上，形成一层定向网格，然后在纤维上灌注一层高强砂浆，完全掩埋纤维，并震动促进密实，重复之前操作直到浇筑至大约模具的三分之一高度，得到下层混凝土。

步骤4，铺设中层高强粗骨料：称取适量的直径8mm氧化铝陶瓷球。在下层混凝土表面继续灌注一层纤维增强砂浆，在纤维增强砂浆上铺设一层密实的氧化铝陶瓷球骨料，然后在骨料上灌注一层纤维增强砂浆，以完全覆盖包裹骨料为最佳，并且震动捣实。重复铺设粗骨料，灌入纤维增强砂浆直至模具三分之二高度，得到高强骨料层混凝土。

步骤5，制备上层混凝土：接着铺上一层高强砂浆，将3D端勾纤维在高强砂浆浆体上面有序排列，相互平行，保证头尾相接，继续在呈90°夹角方向上同样排列上，形成一层定向网格，然后在纤维上灌注高强砂浆直至填满模具并抹平，重复以上步骤，装好模具，全部装填完毕后，用塑料薄膜密封，可以防止水分蒸发，静置24小时后拆模。

步骤6，在标准条件下养护28d，得到功能梯度水泥基复合材料。其结构如图2，标准养护28d的抗弯强度为42.3MPa；标准养护28d的垂直于梯度材料界面方向上的抗压强度为169.5MPa；标准养护28d的平行于梯度材料界面方向上的抗压强度为193.1MPa。

对比例1

步骤1，制备高强砂浆：称取硅酸盐水泥22.2％、工业废渣22.1％(硅灰:矿渣＝2:3)、粒径1.25mm干燥黄砂47.2％，逐一放入搅拌机中干拌；将0.73％减水剂、0.018％消泡剂和7.76％水混合，将混合液倒入搅拌机内，搅拌5-10min，使固体粉料变成粘性浆体。

步骤2，制备纤维增强砂浆：称取硅酸盐水泥20.2％、工业废渣20.9％(硅灰:矿渣＝2:3)、粒径1.25mm黄砂40.3％，逐一放入搅拌机中干拌；将0.7％减水剂、0.016％消泡剂和6.86％水混合，将混合液倒入搅拌机内，搅拌5-10min，使固体粉料变成粘性浆体。称取纤维体积率为11.0％的20mm平直型钢纤维，缓慢散入粘性砂浆内，搅拌均匀。

步骤3，制备下层混凝土：准确称取适量的长度35mm3D端勾钢纤维和63mm5D端勾钢纤维，纤维总体积率为1.42％。先将模具内部涂满脱模剂，底部再铺上一薄层的高强砂浆并捣实，接着将5D端勾纤维在高强砂浆浆体上面有序排列，相互平行，保证头尾相接，继续在呈90°夹角方向上同样排列上，形成一层定向网格，然后在纤维上灌注一层高强砂浆浆体，完全掩埋纤维，并震动促进密实，直到浇筑至大约模具的三分之一高度，得到下层混凝土。

步骤4，铺设中层高强粗骨料：称取适量直径8mm氧化铝陶瓷球。在下层混凝土表面继续铺设一层纤维增强砂浆，在砂浆上铺上一层密实的氧化铝陶瓷球骨料，然后在骨料上灌注一层纤维增强砂浆，以完全覆盖包裹骨料为最佳，并且震动捣实，得到高强骨料层混凝土。

步骤5，制备上层混凝土：接着铺上一层高强砂浆，在砂浆上将3D端勾纤维在粘性浆体上面有序排列，相互平行，保证头尾相接，继续在呈90°夹角方向上同样排列上，形成一层定向网格，然后在纤维上灌注高强砂浆直至填满模具并抹平，重复以上步骤，装好模具，全部装填完毕后，用塑料薄膜密封，可以防止水分蒸发，静置24小时后拆模。

步骤6，在标准条件下养护28d，得到功能梯度水泥基复合材料，其结构为上中下三层结构，标准养护28d的抗弯强度为30.1MPa；标准养护28d的垂直于梯度材料界面方向上的抗压强度为152.3MPa；标准养护28d的平行于梯度材料界面方向上的抗压强度为171.1MPa。比较对比例1和实施例可知，未经混凝土功能修复液浸泡的纤维制成的复合材料的抗弯强度和抗压强度均明显降低。

对比例2

步骤1，制备高强砂浆：称取硅酸盐水泥22.9％、工业废渣23.3％(硅灰:矿渣＝2:3)、粒径1.25mm黄砂44.95％，逐一放入搅拌机中干拌；将0.71％减水剂、0.020％消泡剂和8.12％水混合，将混合液倒入搅拌机内，搅拌5-10min，使固体粉料变成粘性浆体(以上均为质量百分比)，制备高强砂浆。

步骤2，制备纤维增强砂浆：称取硅酸盐水泥20.2％、工业废渣20.9％(硅灰:矿渣＝2:3)、粒径1.25mm黄砂40.3％，逐一放入搅拌机中干拌；将0.7％减水剂、0.016％消泡剂和6.86％水混合，将混合液倒入搅拌机内，搅拌5-10min，使固体粉料变成粘性浆体。称取纤维体积率为11.0％的20mm平直型钢纤维，缓慢散入粘性砂浆内，搅拌均匀，得到纤维增强砂浆。

步骤3，制备下层混凝土：准确称取适量的长度37mm3D端勾钢纤维和63mm5D端勾钢纤维待用，纤维总体积率为2.4％，将这两种纤维材料拆分成一根根(原始纤维是紧密粘接成一板的)。按嗜碱科式芽孢杆菌0.2％、马铃薯葡萄糖琼脂11％、醋酸钙粉6.22％、钙矾石粉6％、硅藻土15.8％和水60.78％，混合制备混凝土功能修复液，再将端勾钢纤维浸入修复液中。先将模具内部涂满脱模剂，底部再铺上一薄层的上述的高强砂浆并捣实，接着将63mm5D端勾纤维在高强砂浆浆体上面有序排列，相互平行，形成一层纤维层，然后在纤维上灌注一层高强砂浆，完全掩埋纤维，并震动促进密实，在砂浆上同样铺上一层密实的63mm5D端勾纤维，然后在纤维上灌注一层高强砂浆，以完全覆盖包裹纤维为最佳，并且震动捣实，直到浇筑至大约模具的五分之二高度，得到下层混凝土。

步骤4，铺设中层高强粗骨料：称取适量直径8mm氧化铝陶瓷球。在下层混凝土表面继续铺设一层纤维增强砂浆，在粘性砂浆上铺上一层密实的氧化铝陶瓷球骨料，然后在骨料上灌注一层纤维增强砂浆，以完全覆盖包裹骨料为最佳，并且震动捣实，得到高强骨料层混凝土。

步骤5，制备上层混凝土：接着铺上一层高强砂浆，在砂浆上将37mm3D端勾纤维在粘性浆体上面有序排列，相互平行，形成一层纤维层，然后在纤维上灌注高强砂浆直至填满模具并抹平，重复以上步骤，装好模具，全部装填完毕后，用塑料薄膜密封，可以防止水分蒸发，静置24小时后拆模。

步骤6，在标准条件下养护28d，得到功能梯度水泥基复合材料，其结构根据设计为上下层，标准养护28d的抗弯强度为25.6MPa；标准养护28d的垂直于梯度材料界面的抗压强度分别为132.5MPa；标准养护28d的平行于梯度材料界面的抗压强度分别为177.2MPa。比较对比例2和实施例可知，混凝土中，端勾纤维以平行状的排列方式分布时的抗弯强度和抗压强度比网格状排列分布时的明显降低。

Claims (10)

1.纤维定向排列的功能梯度水泥基复合材料，其特征在于，采用三层梯度结构，下层由高强砂浆与定向端勾钢纤维组成，中间层由纤维增强砂浆与高强粗骨料组成，上层由高强砂浆与定向端勾钢纤维组成，所述的定向端勾钢纤维成定向网格状排列，且所述的定向端勾钢纤维经过混凝土功能修复液浸泡处理；按重量百分比，所述的高强砂浆包括以下组分：硅酸盐水泥22.1～23.3％、工业废渣22.1～23.5％、细骨料44.4～47.8％、水7.77～8.12％、高效减水剂0.65～0.73％、消泡剂0.018～0.020％；所述的纤维增强砂浆包括以下组分：硅酸盐水泥20.2～21.9％、工业废渣20.9～21.2％、细骨料40.3～43.8％、水6.86～7.45％、平直型钢纤维4.2～11.0％、高效减水剂0.65～0.70％、消泡剂0.016～0.017％。

2.根据权利要求1所述的功能梯度水泥基复合材料，其特征在于，所述的定向端勾钢纤维为3D钢纤维、4D钢纤维或5D钢纤维；所述的3D钢纤维的纤维末端有两次弯折，其长径比为65，直径为0.54～0.57mm，长度为35～37mm，抗拉强度不小于1350MPa；所述的4D钢纤维的纤维末端有三次弯折，其长径比为65，直径为0.9～0.96mm，长度为60～63mm，抗拉强度不小于1600MPa；所述的5D钢纤维的纤维末端有四次弯折，其长径比为65，直径为0.92～0.98mm，长度为60～64mm，抗拉强度不小于2300MPa。

3.根据权利要求1所述的功能梯度水泥基复合材料，其特征在于，所述的混凝土功能修复液包括菌株、营养液、沉积前体、膨胀剂和微生物多孔载体；所述的菌株为嗜碱科式芽孢杆菌、巴氏芽孢杆菌、耐盐芽孢杆菌，巴氏芽孢八叠球菌、球形芽孢杆菌、绿脓杆菌和希瓦氏菌中的一种或几种；所述的营养液为马铃薯葡萄糖琼脂基或蛋白胨、酵母膏、牛肉膏、尿素和蔗糖的混合液；所述的沉积前体选自醋酸钙、硝酸钙、氯化钙和乳酸钙中的一种或几种；所述的膨胀剂选自钙矾石、氧化镁和蓝晶石的一种或几种；所述的微生物多孔载体选自膨胀黏土颗粒或硅藻土。

4.根据权利要求1所述的功能梯度水泥基复合材料，其特征在于，所述的高强砂浆和纤维增强砂浆中，硅酸盐水泥的强度等级为52.5或以上。

5.根据权利要求1所述的功能梯度水泥基复合材料，其特征在于，所述的高强砂浆和纤维增强砂浆中，所述的高效减水剂为减水率不小于35％的聚羧酸系高效减水剂；所述的消泡剂为有机硅液体。

6.根据权利要求1所述的功能梯度水泥基复合材料，其特征在于，所述的高强砂浆和纤维增强砂浆中，所述的粗骨料为粒径为5mm～20mm的氧化铝、氮化硅、氧化锆、碳化硅陶瓷骨料中一种或几种，其含水量不大于0.2％；所述的细骨料为粒径不超过1.25mm的黄砂、石英砂、尾砂，陶瓷砂或其混合物，其含水量应小于0.2％，含泥量不大于0.2％。

7.根据权利要求1所述的功能梯度水泥基复合材料，其特征在于，所述的高强砂浆和纤维增强砂浆中，所述的工业废渣为粒径为微米级的硅灰、矿渣、粉煤灰和尾矿粉中的一种或几种。

8.根据权利要求1所述的功能梯度水泥基复合材料，其特征在于，所述的纤维增强砂浆中，平直型钢纤维的直径为0.17～0.2mm，长度为6～20mm，抗拉强度不小于1800MPa。

9.根据权利要求1至8任一所述的功能梯度水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，高强砂浆的制备：

首先将硅酸盐水泥、工业废渣、细集料按比例混合均匀，然后加入高性能减水剂、消泡剂和水的混合溶液，使固体原料从分散状态变成粘性浆体状态，制备高强砂浆；

步骤2，纤维增强砂浆的制备：

首先将硅酸盐水泥、工业废渣、细集料按比例混合均匀，然后加入高性能减水剂、消泡剂和水的混合溶液，使固体原料从分散状态变成粘性浆体状态，制得粘性砂浆，最后在粘性砂浆中加入平直型钢纤维，边搅拌边将纤维均匀分散，制备纤维增强砂浆；

步骤3，下层混凝土的制备：

先往模具底部灌入一层高强砂浆，捣实后作为基底，将端勾纤维浸入混凝土功能修复液，再在砂浆上以一定的角度平铺满一层端勾钢纤维，形成纤维定向排布网格层，再灌注高强砂浆，保证完全浸没端勾钢纤维网格层，然后在砂浆上重复铺上一层纤维定向排布网格并灌入砂浆，往复操作直至达到设计高度，作为下层；

步骤4，中层高强粗骨料的铺设：

继续在下层的高强砂浆上密集铺设一层高强粗骨料，再灌入纤维增强砂浆，保证高强粗骨料被砂浆完全包裹，然后在砂浆上重复铺上一层高强粗骨料并灌入砂浆，往复操作直至填满指定高度，作为中层；

步骤5，上层混凝土的制备：

将端勾纤维浸入混凝土功能修复液，往纤维增强砂浆上以一定的角度平铺满一层的端勾钢纤维，纤维定向排布形成网格状，并要求网格间隙小于高强粗骨料最小直径，再灌注高强砂浆，保证完全浸没端勾钢纤维网格，然后在砂浆上重复铺上一层纤维定向排布网格并灌入砂浆，往复操作直至达到设计高度，作为上层，标准养护得到功能梯度水泥基复合材料。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述的标准养护条件为温度20℃±2℃，湿度不少于90％，养护时间不少于28天。