CN111417606A - 水泥质组合物、基于水泥的结构、及其形成方法 - Google Patents

水泥质组合物、基于水泥的结构、及其形成方法 Download PDF

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Abstract

各个实施方式可以提供一种水泥质组合物。水泥质组合物可以包括一种混合物，该混合物包括粘结剂组分，粘结剂组分包括活性氧化镁水泥(RMC)。该混合物还可以包括水。水泥质组合物还可以包括分散在混合物中的一种或多种纤维。

Description

水泥质组合物、基于水泥的结构、及其形成方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年9月18日提交的新加坡专利申请10201707698R的优先权，其内容通过引用全部并入本文用于所有目的。
技术领域
本公开的各个方面可涉及一种水泥质组合物。本公开的各个方面可涉及一种基于水泥的结构。各种实施方式可涉及形成水泥质组合物和/或基于水泥的结构的方法。
背景技术
应变硬化水泥基复合材料(Strain hardening cementitious composite，SHCC)代表一组具有优异的机械性能和环境耐久性的建筑材料。SHCC通常可以达到至少1％的拉伸应变能力，其是传统混凝土的拉伸应变能力的约100倍。该非凡的拉伸性能是通过添加一小部分纤维而实现的，这有助于形成多个具有紧密的裂缝宽度的微裂缝，而不是传统混凝土中见到的少数的大裂缝。优异的拉伸延展性以及紧密的裂缝宽度导致了更强的抗腐蚀性，并提高了基于SHCC的结构中裂缝的自我修复的潜力。尽管已经使用各种各样的纤维，例如金属纤维、聚合物纤维和天然纤维来制造SHCC，但是用于基质组合物的材料的选择是相当有限的。
SHCC通常要求高的波特兰水泥(Portland cement，PC)含量。因此，基于SHCC的结构的生产会消耗大量的能量，并且会导致大量的二氧化碳(CO2)。
发明内容
各个实施方式可提供一种水泥质组合物。水泥质组合物可以包括一种混合物，该混合物包括粘结剂组分，粘结剂组分包括活性氧化镁水泥(Reactive magnesium oxidecement，RMC)。该混合物可以进一步包括水。水泥质组合物还可以包括分散在混合物中的一种或多种纤维。
各个实施方式可以提供一种基于水泥的结构。基于水泥的结构可包括基质，该基质包括一种或多种水合碳酸镁。基于水泥的结构可包括嵌入基质中的一种或多种纤维。
各个实施方式可以提供一种形成水泥质组合物的方法。该方法可以包括形成一种混合物。混合物可以包括粘结剂组分，该粘结剂组分包括活性氧化镁水泥。混合物还可以包括水。该方法可以包括将一种或多种纤维分散在混合物中。
各个实施方式可以提供一种形成基于水泥的结构的方法。该方法可以包括形成基质，该基质包括一种或多种水合碳酸镁。一种或多种纤维可以嵌入该基质中。
附图说明
当结合非限制性示例和附图考虑时，参考详细描述将更好地理解本发明，其中：
图1示出了根据各个实施方式的水泥质组合物的总体说明；
图2示出了根据各个实施方式的基于水泥的结构的总体说明；
图3是示出了根据各个实施方式的形成水泥质组合物的方法的示意图；
图4是示出了根据各个实施方式的形成基于水泥的结构的方法的示意图；
图5A是重量百分数(以百分比或％表示)/热流(以毫瓦或mW表示)随温度(以摄氏度或℃表示)变化的绘图，该绘图示出了根据各个实施方式的由混合物1和混合物2形成的样品的热重分析(Thermogravimetric analysis，TGA)和差热分析(Differential thermalanalysis，DGA)结果；
图5B是拉伸应力(以兆帕或MPa表示)随拉伸应变(以百分比或％表示)变化的绘图，该绘图示出了根据各个实施方式的由混合物1形成的样品的单轴拉伸应力-应变曲线；
图5C是拉伸应力(以兆帕或MPa表示)随拉伸应变(以百分比或％表示)变化的绘图，该绘图示出了根据各个实施方式的由混合物2形成的样品的单轴拉伸应力-应变曲线；
图6是纤维桥连应力(σ)随裂缝张开位移(δ)变化的绘图，该绘图示出了拉伸应力-裂缝张开位移曲线和应变硬化标准，说明了纤维桥连本构定律；
图7是累积分数(以百分比或％表示)随颗粒直径(以微米或μm表示)变化的绘图，该绘图示出了在根据各个实施方式的组合物中使用的活性氧化镁水泥(RMC)和飞灰(Fly ash，FA)的粒度分布；
图8A示出了根据各个实施方式的用于测量样品的流变仪；
图8B示出了根据各个实施方式的用于测量样品的测试设置；
图9A示出了根据各个实施方式的狗骨形模具的俯视图和侧视图；
图9B示出了根据各个实施方式的用于对样品进行单轴拉伸测试的测试设置；
图10A是扭矩τ(以帕斯卡或Pa表示)随剪切速率N(每秒或1/s)变化的绘图，该绘图示出了根据各个实施方式的样品FA60-0.53在6分钟(mins)、12分钟(mins)和18分钟(mins)时的扭矩剪切率(τ-N)；
图10B是扭矩τ(以帕斯卡或Pa表示)随剪切速率N(每秒或1/s)变化的绘图，该绘图示出了根据各个实施方式的样品FA60-0.53在6分钟(mins)、12分钟(mins)和18分钟(mins)时的扭矩剪切率(τ-N)；
图11A示出了塑性粘度(以帕斯卡秒或Pa s表示)随飞灰/粘结剂比(FA/b)(以百分数或％表示)变化的绘图，该绘图示出了根据各个实施方式的水和飞灰含量对混合物的塑性粘度的影响；
图11B示出了屈服应力(以帕斯卡或Pa表示)随飞灰/粘结剂比(FA/b)(以百分数或％表示)变化的绘图，该绘图示出了根据各个实施方式的水和飞灰含量对混合物的屈服应力的影响；
图12A是拉伸应力(以兆帕或MPa表示)随拉伸应变(以百分比或％表示)变化的绘图，该绘图说明了根据各个实施方式的固化7天后的样品NC-12-0.41的拉伸应力-应变曲线；
图12B是拉伸应力(以兆帕或MPa表示)随拉伸应变(以百分比或％表示)变化的绘图，该绘图说明了根据各个实施方式的固化28天后的样品NC-12-0.41的拉伸应力-应变曲线；
图12C是拉伸应力(以兆帕或MPa表示)随拉伸应变(以百分比或％表示)变化的绘图，该绘图说明了根据各个实施方式的固化7天后的样品OC-12-0.41的拉伸应力-应变曲线；
图12D是拉伸应力(以兆帕或MPa表示)随拉伸应变(以百分比或％表示)变化的绘图，该绘图说明了根据各个实施方式的固化7天后的样品OC-12-0.53的拉伸应力-应变曲线；
图12E是拉伸应力(以兆帕或MPa表示)随拉伸应变(以百分比或％表示)变化的绘图，该绘图说明了根据各个实施方式的固化7天后的样品OC-8-0.53的拉伸应力-应变曲线；
图13是示出了根据各个实施方式的卸载之后的破坏试样(固化7天的NC-12-0.41)的典型的裂缝分布的图像；
图14A是示出了根据各个实施方式的图13中所示的试样的断裂面的图像；
图14B是根据各个实施方式的图14A中所示的拉出的纤维的场发射扫描电子显微镜(Field emission scanning electron microscopy，FESEM)图像；
图14C是根据各个实施方式的在图14B中所示的纤维被拉出之后的基质中的残留隧道的场发射扫描电子显微镜(FESEM)图像；
图15是质量(以百分比或％表示)/热流(以毫瓦或mW表示)随温度(以摄氏度或℃表示)变化的绘图，该绘图示出了根据各个实施方式的样品OC-12-0.53的热重分析(TGA)曲线和差示扫描量热(Differential scanning calorimetry，DSC)曲线。
具体实施方式
以下详细描述参考了附图，附图通过举例说明的方式示出了可以实施本发明的具体细节和实施方式。这些实施方式描述了足够的细节，以使得本领域技术人员能够实施本发明。在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施方式，并且可以进行结构和逻辑上的改变。各个实施方式不一定相互排斥，因为一些实施方式可以与一种或多种其他实施方式组合来形成新的实施方式。
在一个方法、组合物或结构的上下文中描述的实施方式对于其他方法、组合物或结构类似地有效。相似地，在方法的上下文中描述的实施方式对于组合物和/或结构类似地有效，反之亦然。
在一个实施方式的上下文中描述的特征可以相应地适用于其他实施方式中的相同或相似的特征。在一个实施方式的上下文中描述的特征可以相应地适用于其他实施实施方式，即使在这些其他实施方式中没有明确描述。此外，如在一个实施方式的上下文中针对特征所描述的添加和/或组合和/或替换可相应地适用于其他实施方式中的相同或相似特征。
关于在侧面或表面“上方”形成的淀积材料所使用的词语“上方”在本文中可以用来表示淀积材料可以“直接”形成在隐含的侧面或表面上，例如，与隐含的侧面或表面直接接触。关于在侧面或表面“上方”形成的淀积材料所使用的词语“上方”在本文中也可以用来表示淀积材料可以“间接”形成在隐含的侧面或表面上，该隐含的侧面或表面具有布置在隐含的侧面或表面与淀积材料之间的一个或多个附加层。也就是说，第一层在第二层“上方”可以指第一层直接在第二层上，或者第一层和第二层被一个或多个中间层隔开。
在各个实施方式的上下文中，关于特征或元素所使用的冠词“一”、“一个”以及“该”包括引用一个或多个特征或元素。
在各个实施方式的上下文中，应用于数值的术语“约”或“大约”涵盖精确值和合理方差。
如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
活性氧化镁(MgO)水泥，即RMC，是一种替代性粘结材料。与硬化是水泥水化的结果的液压的波特兰水泥不同，活性MgO水泥(RMC)通过水镁石(Mg(OH)2)与二氧化碳(CO2)的碳化而硬化。在实践中，首先将活性MgO水泥(RMC)与水混合并反应以形成水镁石。随后用空气中的周围的CO2、或受控环境中升高的CO2条件使水镁石碳化，使其凝固成包括不同的水合碳酸镁(hydrated magnesium carbonate,HMC)的硬化的基质。水合碳酸镁可具有式xMg(CO)3·yMg(OH)2·zH2O。硬化的致密的碳酸盐网络可降低样品孔隙率，并可在基于RMC的样品中提供结合强度。
除了在许多研究中报道的实验室规模的样本外，在早期研究中还证明了RMC在生产商业规模的砌筑单元中的用途，突出了其在各种非结构性应用中使用的可行性。使用RMC作为粘结剂的最新研究致力于了解影响RMC制剂的碳化和相关强度发展的因素，包括混合设计、固化条件以及添加剂的使用，从而使28天的混凝土强度高达～60MPa。
活性MgO水泥相对于波特兰水泥的优势是双重的。首先，用于制造活性MgO水泥的矿物煅烧温度(约750℃)可能远低于波特兰水泥的矿物煅烧温度(约1450℃)，这使得能够使用替代性燃料。第二，水镁石的凝固和硬化可以利用碳化以从大气中封存CO2。这使活性MgO水泥成为一种潜在的取代传统波特兰水泥的绿色水泥。活性MgO水泥已用于在制备建筑材料(例如砌筑块)的制备中部分或完全取代波特兰水泥。
在应变硬化水泥基复合材料(SHCC)的制备中，活性MgO水泥可能是波特兰水泥的良好可持续的替代品。
另一方面，基于活性MgO的基质是脆性的，并且由于钢筋腐蚀的风险很高而不能用传统的钢筋条来加固。碳化的RMC制剂的相对较低的pH(即～10)可能会在钢加固的使用中带来挑战，由于在这种相对低的碱度下钝化表面的损失，这会面临腐蚀的风险，从而可能产生结构安全性问题。MgO粘结剂的碳化降低了基质的pH，这导致钢加固的去钝化和随后的腐蚀。
由于具有优越的机械性能，例如高拉伸延展性、高损伤容限以及细的裂缝宽度，所得的应变硬化活性MgO复合材料(Strain hardening reactive MgO composite，SHMC)可用于许多无需加固的应用，例如，未加固砌筑墙的改造、路面加铺、以及大坝和挡土墙的表面修复等。未加固SHMC的其他潜在应用可包括用于地下岩体洞室和隧道衬砌的喷浆混凝土。
尽管对RMC制剂的持续研究已在机械性能方面取得了显著改善，但基于RMC的混凝土仍被视为脆性材料，这可以大大受益于在结构部件的开发中的加固的使用。
因此，可能非常需要增强这种材料的韧性，这可以大大拓宽活性MgO水泥的潜在应用。
可能需要开发增强基于RMC的制剂的延展性的替代性方法，以增大RMC在建筑业中的应用范围。已经证明包含少量的短的聚合物纤维在消除基于波特兰水泥(PC)的复合材料的脆性和增强基于波特兰水泥(PC)的复合材料的拉伸延展性中非常有效。
如上所强调的，涉及使用纤维的成功的衍生物之一是工程化的水泥基复合材料(Engineered cementitious composite，ECC)，其包括聚合物纤维。纤维可占体积的一部分，通常约2％。与应变软化的传统PC不同，ECC表现出应变硬化行为，因为即使在存在裂缝的情况下，ECC的拉伸应力也会持续增加。ECC样品能够通过以非常小的间距(约1mm至约5mm)形成多个细裂缝(＜100μm)而可以实现约1％至约5％的拉伸延展性。ECC的拉伸性能可以进一步用微观力学进行调整，以实现多种属性，例如，高抗冲击性和抗疲劳性。因此，为了增加RMC的使用而不依靠钢加固，可能希望通过添加短纤维(例如聚合物纤维)在基于RMC的制剂中实现类似的拉伸应变-硬化行为和高延展性。
尽管SHCC和活性MgO水泥发展迅速，这两种技术分别具有优异的机械/耐久性性能和良好的可持续性，但从未将两种技术整合在一起。各个实施方式可以涉及一种使用活性氧化镁水泥作为粘结剂而形成的CO2封存应变硬化的脆性的基质结构或复合材料。
各个实施方式可涉及一种水泥质组合物。各个实施方式可涉及一种基于水泥的结构。基于水泥的结构可以指基于水泥的复合材料。在各个实施方式中，术语“基于水泥的结构”可以用来指复合材料的微观结构，即复合材料的内部结构。水泥质组合物可用于形成基于水泥的结构或复合材料。也就是说，短语“水泥质组合物”可以指复合材料(硬化之前)的混合组合物。
图1示出了根据各个实施方式的水泥质组合物100的一般说明。水泥质组合物100可以包括混合物102，混合物102包括粘结剂组分104，粘结剂组分104包括活性氧化镁水泥(RMC)。混合物可以进一步包括水106。水泥质组合物100还可以包括分散在混合物102中的一种或多种纤维108。
也就是说，各个实施方式可以涉及水泥质组合物100，水泥质组合物100包括粘结剂组分104和水106，粘结剂组分104和水106可以形成混合物102。组合物100还可以包括混入混合物102的一种或多种纤维108。
为避免疑虑，图1仅用于说明根据各个实施方式的组合物100的各种可能的成分，并且例如可以不表示组合物100中不同成分的排布。
在各个实施方式中，组合物100可以被称为水泥。
活性氧化镁水泥(RMC)可以主要包括氧化镁(MgO)。活性氧化镁水泥可以包括少量的其他材料，例如，氧化钙(CaO)、氧化硅(SiO2)、氧化铁(Fe2O3)、和/或氧化铝(Al2O3)。活性氧化镁水泥可以包括大于约50质量％的氧化镁，例如大于约80质量％的氧化镁，例如大于约90质量％的氧化镁，例如大于约95质量％的氧化镁，例如大于约96质量％的氧化镁，例大于约97质量％的氧化镁，例如大于约98质量％的氧化镁，例如大于约99质量％的氧化镁，例如约100质量％的氧化镁。
SHCC是一种优异的建筑材料，但由于波特兰水泥用量高，可能不是环境友好的。活性MgO水泥(RMC)由于其较低的制造温度和封存二氧化碳的能力而呈现出可持续性优势。各个实施方式可以将活性MgO水泥整合到SHCC中，从而产生可持续的建筑材料。与传统的基于波特兰水泥的SHCC相比，各个实施方式可以将从原材料制造到SHCC现场应用中的二氧化碳排放量至少减少约40％至约60％。
在各个实施方式中，粘结剂组分104可以进一步包括选自水硬性水泥、粉煤灰、硅粉和磨细粒化高炉矿渣的任何一种或多种粘结剂。这种粘结剂的添加可以大大降低生产成本，并且可以通过水泥基和火山灰反应而有助于机械性能。这种粘结剂可以从工业废弃物中获得。
在各个实施方式中，粘结剂组分104可以包括活性氧化镁水泥(RMC)和粉煤灰(可替代地称为飞灰(FA))。由于FA的球形，其可以增加流动性并且可以改善组合物的流变性能，这减少了颗粒间摩擦。在各个实施方式中，飞灰可以占粘结剂组分104的约0质量％至约60质量％、例如约0质量％至约30质量％中的任何值。飞灰可以主要包括氧化硅(SiO2)和氧化铝(Al2O3)。氧化硅(SiO2)和氧化铝(Al2O3)可以占飞灰的大于50重量％，例如大于60重量％，大于70重量％，大于80重量％。飞灰还可以包括少量的其他材料，例如氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、氧化铁(Fe2O3)、氧化钾(K2O)、氧化钛(TiO2)等。
在各个其他实施方式中，粘结剂组分104可以仅由活性氧化镁水泥组成。
在各个实施方式中，粘结剂组分104中的活性氧化镁水泥的质量百分比可以是选自约40％至约100％的任何一个百分比值。
在各个实施方式中，水与粘结剂组分的质量比(w/b比)可以是选自约0.4(即0.4：1)至约0.8(即0.8：1)、例如约0.4(即0.4：1)至约0.6(即0.6：
1)的任何一个比例。低的w/b比可能导致较高的粘度，纤维分散的更好。低的w/b比也可能与所得复合材料的高抗压强度有关。然而，降低w/b，例如从0.53降低至0.41，可能增强初裂强度和极限抗拉强度，并且导致更好的延展性。
在各个实施方式中，混合物102可进一步包括减水剂。减水剂可以是六偏磷酸钠(Na(PO3)6)溶液。减水剂相对于粘结剂组分的质量百分比可以为选自约2％至约4％的任何一个百分比值。
在各个实施方式中，混合物102还可以包括粘度控制剂。粘度控制剂可以是羟丙基甲基纤维素(Hydroxypropyl methylcellulose，HPMC)。粘度控制剂相对于粘结剂组分的质量百分比可以为选自约0.05％至约0.5％的任何一个百分比值。
水106可以存在于混合物102中，与减水剂和/或粘度控制剂协力来实现足够的流变性能。
在各个实施方式中，新鲜阶段中的混合物102可以是宾汉姆液体(Binghamliquid)。
一种或多种纤维108可以是选自金属纤维、聚合物纤维和天然纤维的一种或多种类型的纤维。
一种或多种纤维108或聚合物纤维可以是选自聚乙烯醇(PVA)纤维、醋酸乙烯乙酯(EVOH)纤维、(PE)聚乙烯纤维、丙烯酸纤维、聚丙烯(PP)纤维和丙烯酰胺纤维中的任何一种类型的纤维。
水泥质组合物中的一种或多种纤维108的体积百分比可以为选自约0.5％至约10％、约1％至约3％、例如约1％至约2％的任何一个百分比值。
一种或多种纤维108可以具有约1％至约10％、例如约3％至约7％的平均拉伸应变能力。一种或多种纤维108可以具有选自约10μm至约60μm、例如约25μm至约50μm、例如约35μm至约45μm的平均直径。一种或多种纤维108可以具有选自约5mm至约30mm、例如约6mm至约25mm、例如约6mm至约18mm、例如约8mm至约12mm的平均长度。如下面更详细描述的，纤维长径比的增加可能导致抗拉强度和/或延展性的改善。
在各个实施方式中，一种或多种纤维108中的每种纤维可以包括油剂(可以可替代地称为油)涂层。油剂可以是聚甲醛。也可以使用任何其他合适的油剂。
在各个实施方式中，一种或多种纤维108可以是亲水纤维。当组合物100固化时，某些类型的纤维108的亲水性可以在纤维与周围的基质之间引入强的界面结合。可以施用油剂以防止界面结合的过度增强。油剂可以帮助改善拉伸延展性。
在各个其他实施方式中，一种或多种纤维108中的每种纤维可以不包括，即，可以没有油剂涂层。
各个实施方式可涉及使用纤维108来加固包括活性MgO水泥的脆性基质。所得的应变硬化活性MgO复合材料(SHMC)或结构可以具有在约1,500kg/m3至约2,500kg/m3范围内的任何值的密度，并且可以具有至少约1％的拉伸延展性。各个实施方式可以在固化过程中在其达到其设计的抗压强度之前封存至多1吨的二氧化碳(CO2)。
各个实施方式可以涉及通过本文所述的任何合适的方法形成的组合物100。
各个实施方式可以涉及包括不同比例的：活性MgO水泥(RMC)、水和纤维的组合物。可能需要其他可选的成分，例如减水剂和粘度控制剂，来调节触变流变学特性和粘度特性，以实现足够的可加工性并使纤维均匀地分散。
活性MgO水泥可以通过在低于1000℃的温度煅烧碳酸镁或氢氧化镁获得。可以添加其他粘结剂，例如水硬性水泥、粉煤灰、硅粉和磨细粒化高炉矿渣作为可选的补充剂。这种来自工业废弃物的粘结剂的添加可以大大降低MgO的成本，并且可以通过水泥基和火山灰反应而有助于机械性能。粘结剂组分中的活性MgO水泥的分数可以是选自约40％至约100％的任何百分比。粘结剂在水的存在下可以凝固，并且可以暴露于二氧化碳下获得强度。
水可以存在于新鲜混合物中，与减水剂和/或粘度控制剂或改性剂协力来实现足够的流变性能。可以使用选自约0.4至约0.8的任何值的水与粘结剂之比以获得期望的强度。在确定复合材料中的含水量之后，可以使用减水剂来调节期望的可加工性水平。所需的减水剂的量可以随水与粘结剂的比例、粘结剂的组成、和/或减水剂的类型而变化。说明性减水剂可以是六偏磷酸钠(NaHMP；Na(PO3)6)溶液。(Na(PO3)6)的量可以为选自粘结剂的约2质量％至约4质量％的任何百分比。说明性粘度控制剂是羟丙基甲基纤维素(HPMC)。典型的HPMC的量可以为选自粘结剂的约0.05质量％至约0.5质量％的任何百分比。
纤维可以是任何合适类型的不连续纤维中的一种或多种，并且可以以束的形式提供。合适的纤维的实例可以包括，但不限于：聚乙烯醇(PVA)纤维、醋酸乙烯乙酯(EVOH)纤维、聚乙烯(PE)纤维、丙烯酸纤维，聚丙烯(PP)纤维和丙烯酰胺纤维。
组合物中纤维的量、纤维的性质、和/或纤维的尺寸可以变化。所需的纤维的量可能是这样的：所需的纤维的量是足够高的，以便为组合物提供所需的延展性，但可能是足够低的水平以允许自密实。
在各个实施方式中，组合物的拉伸应变能力可以是选自约1％至约10％、例如约3％至约7％的任何百分比。
通常，对于传统的纤维尺寸，如果纤维含量超过2.5％，则不振动就很难密实。
SHMC中包括的纤维可以是选自约0.5体积％至10体积％、例如约1体积％至约3体积％、例如约1体积％至约2体积％的任何百分比。纤维的直径可以为约10μm至约60μm，例如约10μm至约20μm、或约25μm至约50μm，例如约35μm至约45μm，长度可以为约5mm至约30mm，例如约6mm至约25mm，例如约6mm至约18mm，例如约8mm至约12mm。
在各个实施方式中，纤维可以是PVA纤维。PVA纤维的表面可以用油剂(例如聚甲醛)涂覆至多约纤维重量的1.5％，例如涂覆选自相对于纤维的约0.8重量％至约1.2重量％的任何值。可以通过任何传统方式用油剂涂覆纤维，例如通过浸涂或喷涂纤维。也可以使用其他油剂。PVA纤维的亲水性可能在纤维与周围的基质之间引入强的界面结合。可以施用油剂以防止界面结合的过度增强。
各个实施方式可涉及一种基于水泥的结构。基于水泥的结构可以是复合结构。基于水泥的结构可由水泥质组合物形成。
图2示出了根据各个实施方式的基于水泥的结构的一般说明。基于水泥的结构200可以包括基质202，基质202包括一种或多种水合碳酸镁。基于水泥的结构200可以包括嵌入基质202中的一种或多种纤维204。
也就是说，各个实施方式可以提供一种在基质202内具有纤维204的结构，基质202包括一种或多种水合碳酸镁。
结构200可以是复合结构，并且可以称为复合材料。可以通过硬化水泥质组合物来形成结构200。在各个实施方式中，可以通过固化水泥质组合物来形成结构200。
为避免疑虑，图2仅用于说明根据各个实施方式的基于水泥的结构200的各种可能的成分，并且例如可以不表示结构200内不同成分的排布。
在各个实施方式中，一种或多种水合碳酸镁可以选自：水碳镁石(MgCO3·3H2O)、水菱镁矿(4MgCO3·Mg(OH)2·4H2O)、球碳镁石(4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O)和纤菱镁矿(MgCO3·Mg(OH)2·3H2O)。
一种或多种纤维204可以与基质202结合。基质202与一种或多种纤维204之间可能存在界面结合。
一种或多种纤维204可以在整个结构200上延伸或者可以是均匀分布的。
在各个实施方式中，基于水泥的结构200可以是混凝土。在各个其他实施方式中，基于水泥的结构200可以是砂浆。
各个实施方式可以涉及一种通过本文描述的任何合适的方法形成的结构200。
各个实施方式可以涉及一种形成水泥质组合物的方法。图3是示出了根据各个实施方式的形成水泥质组合物的方法的示意图。该方法可以包括，在302中，形成混合物。混合物可以包括粘结剂组分，该粘结剂组分包括活性氧化镁水泥。混合物还可以包括水。该方法可以包括，在304中，将一种或多种纤维分散在混合物中。
也就是说，各个实施方式可以涉及形成水泥。水泥可包括包含活性氧化镁水泥的粘结剂。水泥还可以包括水。水泥还可以包括一种或多种纤维。
粘结剂组分可以进一步包括选自水硬性水泥、粉煤灰、硅粉和磨细粒化高炉矿渣的任何一种或多种粘结剂。
在各个实施方式中，粘结剂组分中的活性氧化镁水泥的质量百分比可以是选自40％至100％的任何一个百分比值。
在各个实施方式中，水与粘结剂组分的质量比可以为选自0.4至0.8的任何一个比。
在各个实施方式中，混合物可进一步包括减水剂，例如六偏磷酸钠(Na(PO3)6)溶液。减水剂相对于粘结剂组分的质量百分比可以为选自2％至4％的任何一个百分比值。
在各个实施方式中，混合物可以进一步包括粘度控制剂，例如羟丙基甲基纤维素。粘度控制剂相对于粘结剂组分的质量百分比可以为选自约0.05％至约0.5％的任何一个百分比值。
在各个实施方式中，一种或多种纤维或聚合物纤维可以是选自聚乙烯醇纤维、醋酸乙烯乙酯纤维、聚乙烯纤维、丙烯酸纤维、聚丙烯纤维和丙烯酰胺纤维的任何一种类型的纤维。一种或多种纤维在水泥质组合物中的体积百分比为选自0.5％至10％的任何一个百分比值。
一种或多种纤维中的每种纤维可以包括油剂涂层。
各个实施方式可以涉及一种由本文描述的任何方法形成的水泥质组合物。
纤维增强的水泥质组合物可以以任何合适的方式制备。制备纤维增强的水泥质组合物的方法可以遵循以下步骤：1)将干粉混合，干粉包括活性MgO水泥和飞灰等补充粘结剂；2)将上述物质与水和Na(PO3)6溶液混合几分钟；3)将纤维(例如PVA纤维)添加到新鲜混合物中并混合直至获得均匀的混合物。基于水泥的结构可以通过在周围的空气或手动控制环境中升高的CO2条件下固化组合物直至其达到期望的机械强度而形成。
各个实施方式可以涉及一种形成基于水泥的结构的方法。
图4是示出了根据各个实施方式的形成基于水泥的结构的方法的示意图。该方法可以包括，在402中，形成基质，该基质包括一种或多种水合碳酸镁。一种或多种纤维可以嵌入该基质中。
也就是说，各个实施方式可以涉及一种形成基于水泥的结构(例如混凝土或砂浆)的方法，该基于水泥的结构包括含有水合碳酸镁的基质、以及在基质内的多种纤维。
在各个实施方式中，该方法可以包括将一种或多种纤维嵌入或分散在基质中。
在各个实施方式中，形成基质可以包括形成水泥质组合物，其中一种或多种纤维嵌入基质中。水泥质组合物可以包括混合物，混合物包括粘结剂组分(包括活性氧化镁水泥)和水。形成基质可以进一步包括通过将水泥质组合物暴露于二氧化碳(CO2)来固化水泥质组合物，以便由活性氧化镁水泥形成一种或多种水合碳酸镁。
在各个实施方式中，固化可以进行任何合适的持续时间。在各个实施方式中，固化可以进行7天至28天的任何合适的持续时间。固化时间的增加可能会导致极限抗拉强度的提高，以及应变硬化的降低。
固化可以在碳化室中或在周围条件下的空气中进行。固化可以在任何合适的温度下发生，例如在选自25℃至40℃的任何温度下发生、例如在30℃至35℃下发生。固化可以在任何合适的CO2浓度下进行，例如在选自5体积％至约20体积％的任何浓度下进行，例如在约10体积％下进行。固化可以在任何合适的相对湿度下进行，例如在50％以上、例如60％以上、70％以上、80％以上、例如约90％的相对湿度下进行。
形成一种或多种水合碳酸镁可以包括由活性氧化镁水泥形成水镁石(Mg(OH)2)，以及由水镁石形成一种或多种水合碳酸镁。来自活性氧化镁水泥的氧化镁可以与水反应形成水镁石。水镁石可以与二氧化碳反应生成水合碳酸镁，例如水碳镁石(MgCO3·3H2O)、水菱镁矿(4MgCO3·Mg(OH)2·4H2O)、球碳镁石(4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O)、和/或纤菱镁矿(MgCO3·Mg(OH)2·3H2O)。
各个实施方式可以涉及从大气或周围环境中封存二氧化碳。
在各个实施方式中，一种或多种纤维可以与基质结合。
在各个实施方式中，基于水泥的结构可以是混凝土或砂浆。基于水泥的结构可以实现1％以上的拉伸延展性或拉伸应变能力。各个实施方式可以具有小于150μm、例如小于100μm的平均裂缝宽度。
实验细节
实验1
提供了两种示例性混合物，用于制备应变硬化活性MgO复合材料(SHMC)。这些混合物可以包括活性MgO水泥、粉煤灰、水、Na(PO3)6和纤维。混合比例列于表1。在两种混合物使用了由新加坡国际科学有限公司(International Scientific Ltd.of Singapore)提供的活性MgO水泥、由新加坡比斯利亚洲私人有限公司(Bisley Asia Pte Ltd.of Singapore)提供的粉煤灰以及由新加坡VMR私人有限公司(VMR Pte Ltd.of Singapore)提供的Na(PO3)6。活性MgO和飞灰用作主要粘结剂，而Na(PO3)6用作减水剂，来达到所需的可加工性，以实现良好的纤维分散。聚乙烯醇(PVA)纤维由日本可乐丽有限公司(Kuraray Co.Ltd.,Japan)制造。纤维长度为12mm，以及纤维直径为39μm。分别使用相对于纤维质量为0.0％和1.2％的两种不同的纤维表面油-涂覆含量，用于两种示例混合物(混合物1和混合物2)。
Figure BDA0002497273170000191
表1示例性混合比例
在具有行星旋转叶片的混合器中制备组合物(混合物1和混合物2)。混合过程遵循以下步骤：1)将Na(PO3)6溶于水，形成Na(PO3)6溶液；2)将所有粉末形式的固体原料，即MgO水泥和飞灰干混超过五分钟；3)将Na(PO3)6溶液缓慢加入到干粉混合物中；4)将该掺合物混合超过三分钟，直到液体和固体均匀混合；5)将PVA纤维加入到混合物中；6)混合过程再持续三分钟。在混合物1中，PVA纤维不用油剂涂覆，而在混合物2中，PVA纤维用油剂涂覆。
将制备的新鲜组合物(混合物1和混合物2)各自浇铸成狗骨形模具用于单轴拉伸测试。制备1天后，将试样从模具中取出。然后将试样在二氧化碳(CO2)室(CO2浓度＝10％，温度＝35℃，相对湿度＝40％)中固化7天。
固化完成后，将粉末从试样上刮下。使用两种方法对固化过程中封存的CO2量进行定量。首先，对刮下的粉末进行热重分析(TGA，40℃-900℃，10℃/min)和差热分析(DTA，40℃-900℃，10℃/min)。然后，使用3N盐酸(HCl)溶液对刮下的粉末进行脱碳，并测量由于释放CO2而引起的重量变化。在经过7天的CO2固化后，对狗骨试样进行单轴拉伸测试。承载率设定为0.2mm/min。
图5A是重量百分数(以百分比或％表示)/热流(以毫瓦或mW表示)随温度(以摄氏度或℃表示)变化的绘图，该绘图示出了根据各个实施方式的由混合物1和混合物2形成的样品的热重分析(TGA)和差热分析(DGA)结果。
对于两种混合设计，都可以在388℃至900℃之间观察到对应于水合碳酸镁(HMC)的分解的失重(线(i)和线(ii))。在相同的温度范围中也可以观察到热吸收(线(iii)和线(iv))。固化过程中封存的二氧化碳(CO2)的量可以随着失重而定量确定。表2示出了通过TGA/DTA方法以及盐酸(HCl)脱碳方法测得的CO2封存。
Figure BDA0002497273170000201
表2基于活性MgO的SHMC的密度和CO2封存
图5B是拉伸应力(以兆帕或MPa表示)随拉伸应变(以百分比或％表示)变化的绘图，该绘图示出了根据各个实施方式的由混合物1形成的样品的单轴拉伸应力-应变曲线。图5C是拉伸应力(以兆帕或MPa表示)随拉伸应变(以百分比或％表示)变化的绘图，该绘图示出了根据各个实施方式的由混合物2形成的样品的单轴拉伸应力-应变曲线。可以看出，混合物1和混合物2均可达到至少1％的超高的拉伸延展性。
组合物以及结构/复合材料的商业应用可以包括未加固的结构和建筑构件的制造，这包括砖、块和铺路材料，估计其市场规模在2018年达到89亿美元(USD)。
实验2
增加基于RMC的应变硬化复合材料(Strain-hardening composites，SHC)的延展性时要考虑的关键因素之一是提供理想的纤维分散。先前观察新鲜ECC混合物的流变性的研究已经表明，可以通过调节水/粘结剂(w/b)比和混合设计(例如飞灰(FA)含量)而实现的高的塑性粘度和流动性可以有效地防止纤维缠结，从而导致高延展性。尽管增加w/b比降低了粘度并导致较低的屈服应力，但由于FA的球形，FA的使用增加了流动性并改善了水泥混合物的流变性能，这降低了颗粒间摩擦。通过对纤维分散的均匀性进行测量而评估的水泥浆的流变学与拉伸延展性之间的关系已经揭示，由于良好的纤维分散而引起的粘度增加可以使更高的延展性变为可能。
尽管理想的纤维分散至关重要，但并不一定保证应变硬化行为或高延展性。图6是纤维桥连应力(σ)随裂缝张开位移(δ)变化的绘图，该绘图示出了拉伸应力-裂缝张开位移曲线和应变硬化标准，说明了纤维桥连本构定律。如图6所示，硬化的复合材料可能需要满足两个应变硬化标准。具体来说，如等式(1)所示，可能要求纤维桥接曲线的余能Jb’(即阴影区域)大于基质的裂缝尖端韧性Jtip。
Figure BDA0002497273170000211
σ0是最大纤维桥接强度，并且δ0是对应于最大纤维桥接强度σ0的裂缝张开。另外，σss是稳态开裂强度，而δss是对应于稳态开裂强度σss的裂缝张开。
此外，如等式(2)所示，可能需要最大纤维桥接强度σ0(即曲线峰)高于基质的拉伸断裂强度σc。
σc<σ0 (2)
由于纤维桥接和基质裂缝尖端韧性受例如w/b比、纤维长径比以及纤维与水泥基质之间的结合(这可能受纤维表面处理的影响)的因素的影响，研究这些因素对基于RMC的应变硬化复合材料(SHC)的拉伸性能的影响可能是重要的。
各个实施方式可以涉及基于RMC的应变硬化复合材料(SHC)或结构。在形成复合材料或结构的过程中，与各个复合材料或结构有关的各个实施方式可能受到关键参数的影响。
实验2的第一部分集中在水/粘结剂(w/b)比和飞灰(FA)含量对RMC组合物或糊剂流变性能的影响，目的是确定导致期望的粘度和足够的流动性，以实现良好的纤维分散的合适的混合设计。实验2的第二部分集中在在第一阶段中确定的混合设计内包合纤维，并研究某些因素(例如w/b比、纤维长径比、纤维表面处理和固化龄期)对开发的制剂的影响。
材料
从国际科学有限公司(新加坡)获得的活性氧化镁水泥(RMC)是本研究中使用的主要粘结剂。使用从比斯利亚洲有限公司(Bisley Asia Ltd.；马来西亚)获得的F级飞灰(FA)来调节新鲜混合物的流变学，并通过飞灰与水镁石的火山灰反应来用作粘结剂。
表3示出了活性氧化镁水泥(RMC)和飞灰(FA)的化学组成。
Figure BDA0002497273170000221
表3 RMC和FA的化学组成
图7是累积分数(以百分比或％表示)随颗粒直径(以微米或μm表示)变化的绘图，该绘图示出了在根据各个实施方式的组合物中使用的活性氧化镁水泥(RMC)和飞灰(FA)的粒度分布。
将获得自VWR国际有限公司(新加坡)的六偏磷酸钠(Na(PO3)6)作为减水剂以含水量的10％添加到制备的制剂中。在ECC中最常用的纤维类型之一，聚乙烯醇(PVA)纤维，获得自可乐丽有限公司(日本)，并以具有不同的长径比(即8mm和12mm长度)和表面处理(即油涂覆(Oil coating，OC)和无油涂覆(No oil-coating，NC))的三种不同的形式包含在选定的RMC-SHC样品中。表4列出了本研究中使用的PVA纤维的性能。
Figure BDA0002497273170000222
Figure BDA0002497273170000231
表4本研究中使用的PVA纤维的性能。
方法
如上所强调的，实验2的第一部分研究了在包合纤维之前水/粘结剂(w/b)比和飞灰/粘结剂(FA/b)比对新鲜混合物的流变学的影响。该部分的目的是确定导致期望的塑性粘度和流动性，以实现良好的纤维分散的合适的混合设计(即w/b比和FA含量)。在将PVA纤维引入第一部分中确定的混合设计的第二部分中，研究了w/b比、纤维长径比、纤维表面处理(即油含量)和固化龄期对基于RMC的应变硬化复合材料(SHC)的机械性能的影响。
表5提供了在研究的第一部分中制备的七种不同的混合比例的详细信息。
Figure BDA0002497273170000232
表5为流变学测量而制备的无纤维RMC混合物的混合比例。
样品名称的符号遵循FA(X)-(Y)的格式，其中X表示FA含量(即占总粘结剂的百分比)，Y表示w/b比。从为每种制剂而制备的初步样品中确定了一系列的w/b(0.47-0.58)比和FA/b(0-0.6)比。
样品制备过程始于将Na(PO3)6溶于预定量的水中。然后在混合过程中将该溶液加入到RMC和FA的干的混合物中。将秒表设置为从将溶液添加到干的RMC-FA混合物中的时刻的两分钟后发出通知。混合两分钟后，将一勺新鲜混合物放置在流变仪上的39mm扩散底板上，配有39mm P35 TiL顶板，顶板以0.5N压在混合物上。
流变学测量是通过HAAKE MARS III 379-0400流变仪进行的，该流变仪用于在指定的转速下测量新鲜混合物的剪切阻力。图8A示出了根据各个实施方式的用于测量样品的流变仪。图8B示出了根据各个实施方式的用于测量样品的测试设置。
在6分钟、12分钟和18分钟时进行了3次流变学测量。对于每次测量，首先以相对高的速度(约50/s)旋转顶板30秒以防止任何团聚，随后在180秒内将剪切速率从1/s增加至100/s。全程记录了总共210秒的剪切阻力τ。测量之间将样品保持在原位。样品制备和后续测量均在环境温度(25℃)下进行。
一定水平的塑性粘度对于良好的纤维分散性和拉伸延展性至关重要。将研究的第一部分的结果用于在第二部分中的混合设计中要掺入的w/b和FA/b比率的选择。先前的文献已示出，虽然纤维分散系数随塑性粘度增加，但拉伸延展性在达到阈值纤维分散系数之后稳定。该值对应于约3.5Pa·s的塑性，本研究中也采用了该值用于制备在拉伸性能测试中使用的样品。参考在研究的第一部分中获得的结果，以识别出表现出良好的纤维分散的样品(例如FA30-0.53)，制备表6中列出的四种混合比例以评估w/b比、纤维长径比、纤维表面处理(即含油量)以及固化龄期对基于RMC的应变硬化复合材料(SHC)的拉伸表现的影响。
Figure BDA0002497273170000241
Figure BDA0002497273170000251
表6为测试硬化拉伸性能而制备的混合比例
样品名称的符号遵循(X)-(Y)-(Z)的格式，其中X、Y以及Z分别表示纤维表面处理、纤维长度和w/b比。用于(X)的术语“OC”是指油涂覆，而术语“NC”是指无油涂覆。(Y)的单位以毫米(mm)表示。对于所有混合设计，根据流变学测量的结果，FA/b固定在0.3，而w/b比保持在≤0.53。与先前关于ECC的文献一致，使用了对应于粘结剂含量的2％的恒定纤维分数。
为了开始样品制备，将RMC和FA在行星式混合器中干混超过3分钟，然后将制备的Na(PO3)6溶液缓慢加入以形成新鲜混合物。混合过程再继续进行2分钟到3分钟，直到获得均匀混合的均匀的混合物，然后在2分钟内缓慢添加PVA纤维。在整个混合过程中，叶片转速保持恒定在6.4rad/s。
将制备的混合物浇铸成立方体(50×50×50mm)且狗骨形的模具，该模具的外形尺寸示于图9A中。图9A示出了根据各个实施方式的狗骨形模具的俯视图和侧视图。
将浇铸样品存储在密封容器中，在该容器中使用硅胶进行除湿。3天后，将样品从其模具中移出，并在设置为10％CO2浓度、30℃温度和90％的相对湿度(Relativehumidity，RH)的碳化室中固化7天。通过在相同条件下将制备的样品(NC-12-0.41)中的一个样品暴露于碳化固化下总共28天来研究固化持续时间的影响。
一旦固化完成，就测量立方体样品的抗压强度。按照ASTM C109/C109M-13的说明书对每个立方体样品的三个试样进行测量。用于压缩测试的设备是Landmark 370.25，以0.25mm/min的加载速率运行。如图9B所示，通过使用Instron 5569对每种混合设计的至少三个试样进行单轴拉伸测试。图9B示出了根据各个实施方式的用于对样品进行单轴拉伸测试的测试设置。
在该测试期间，将加载速率设置为0.02mm/min，并使用两个线性可变差动变压器(Linear variable differential ransformer，LVDT)来确定标距长度的延伸(约60mm至约70mm)。单轴拉伸测试后，用尼康DS-Fi2高分辨率相机以约420x的放大倍数来确定每个试样的裂缝宽度和间距。对于每种混合设计，对3至6个试样进行分析以评估其裂缝图形。
除了其抗压强度和抗拉强度，还通过从每个样品中获得代表性粉末来评估碳化固化过程中所选样品的CO2吸收。将这些粉末研磨以穿过75μm的筛，并在分析之前进行真空干燥。定量测量是通过在珀金埃尔默TGA 4000(PerkinElmer TGA 4000)设备上进行的热重分析/差示扫描量热(TGA/DSC)进行的。在TGA/DSC期间，在氮气流下以约10℃/min的加热速率将样品从约40℃加热至约900℃。
讨论
流变性能
图10A是扭矩τ(以帕斯卡或Pa表示)随剪切速率N(每秒或1/s)变化的绘图，该绘图示出了根据各个实施方式的样品FA60-0.53在6分钟(mins)、12分钟(mins)和18分钟(mins)时的扭矩剪切率(τ-N)。图10B是扭矩τ(以帕斯卡或Pa表示)随剪切速率N(每秒或1/s)变化的绘图，该绘图示出了根据各个实施方式的样品FA60-0.53在6分钟(mins)、12分钟(mins)和18分钟(mins)时的扭矩剪切率(τ-N)。
图10A-B可以示出在不同的经过时间的新鲜RMC混合物的剪切阻力τ(Pa)与剪切速率N(/s)之间的关系。该曲线示出了新鲜混合物(即不含纤维)是宾汉姆液体，新鲜混合物中的剪切力超过了初始的混合物阻力而开始旋转，此后剪切阻力随转速N(/s)线性增加，显示出没有剪切稀化或剪切增稠作用。新鲜混合物不含纤维。等式3定量描述了宾汉姆液体的τ和N之间的关系，其中g(Pa)(y轴上的截距)是打破颗粒之间的相互作用网络并引发旋转所需的屈服应力；h(Pa·s)(曲线的斜率)是塑性粘度。
τ＝g+Nh (3)
对于在指定时间的任何给定的新鲜混合物，g和h是表示该混合物流变性能的常数。
在常规的基于水泥的新鲜混合物中，随剪切速率(N)和固体体积分数(Vs)而变化的剪切阻力取决于几种类型的颗粒相互作用(即范德华(Van derWaals)力、颗粒之间的直接接触力和水动力，由于这些相互作用，流体层之间的摩擦力随速度而增加。)在相对低的剪切速率下，屈服应力(g)可以主要由范德华力或直接接触力来确定。先前对与RMC具有相似的粒径的C3S糊剂的屈服应力的研究显示出，临界Vs存在于0.38处，超过此临界值，固体颗粒变得紧密，以至于占优势的颗粒相互作用从范德华力转换为直接接触力。除了FA0-0.58(Vs＝0.35)和FA30-0.58(Vs＝0.37)以外，本研究中出现的大多数混合设计的Vs值大于0.38，表明直接接触力占优势。在相对高的剪切速率下，尽管范德华力和直接接触力的作用仍然存在，屈服应力主要由水动力确定。
表7提供了所有样品在不同的经过时间的屈服应力(g)和塑性粘度(h)的测量值。
Figure BDA0002497273170000271
Figure BDA0002497273170000281
表7流变测试结果
对于一些混合物，由于顶板与新鲜混合物之间失去接触，导致了剪切阻力被低估，因此没有列出12分钟和18分钟时的g值和h值。表7中的“-”表示由于顶板与新鲜混合物之间失去接触而没有列出g和h。样品名称的符号遵循FA(X)-(Y)的格式，其中X表示FA含量(即占总粘结剂的百分比)，Y表示w/b比。
可以观察到随着经过时间，g和h总体上呈上升趋势。这可能与水镁石(Mg(OH)2)在RMC颗粒表面上的沉淀有关，其通过增大固体粒径而增加了颗粒之间的直接接触，从而导致流体层之间的额外的阻力。
图11A-B中示出了水和FA含量对RMC样品的流变性能的影响，其中观察到随着含水量的增加，屈服应力(g)和塑性粘度(h)具有下滑趋势。图11A示出了塑性粘度(以帕斯卡秒或Pa s表示)随飞灰/粘结剂比(FA/b)(以百分数或％表示)变化的绘图，该绘图示出了根据各个实施方式的水和飞灰含量对混合物的塑性粘度的影响。图11B示出了屈服应力(以帕斯卡或Pa表示)随飞灰/粘结剂比(FA/b)(以百分数或％表示)变化的绘图，该绘图示出了根据各个实施方式的水和飞灰含量对混合物的屈服应力的影响。
随着w/b比的增加，塑性粘度和屈服应力的降低可能归因于减少了颗粒之间的直接接触的较高的液体含量。虽然FA含量从0％增加到30％导致塑性粘度增加，但可能不会对屈服应力产生深远影响，因为颗粒形状的影响在Vs＜0.38时不明显，并且其对直接接触力的影响可能受到限制。
随着FA含量而增加的塑性粘度可能是由于范德华力的增强，这是由于随着Vs的增加，颗粒之间的距离减小了。样品FA0-0.58和FA30-0.58的相对恒定的屈服应力可能是由于这两种混合物内的颗粒的松散密实，从而限制了颗粒形状对范德华力的影响。FA含量从30％进一步增加到60％，导致在所有w/b比下的g和h均下降。
尽管由于FA的密度比RMC的密度低(2400kg/m3与3230kg/m3)而可以预期固体体积分数随FA含量的增加而增加，但屈服应力和塑性粘度随着增加FA含量而降低可能归因于FA颗粒的球形几何形状，该球形几何形状降低了颗粒之间的接触力。
机械性能
基于上述流变学结果，制备了w/b比≤0.53的含有30％FA(即FA/b＝0.3)的样品用于进一步分析。降低w/b比来获得更高的粘度，以实现良好的纤维分散。与有关ECC的先前文献一致，将纤维以占RMC-SHC糊剂体积的2％的固定量引入这些混合物中。
对关键因素(例如纤维表面处理(油涂覆的(OC)与未油涂覆的(NC))、纤维长径比(8mm与12mm长度)、w/b比(0.41与0.53)和固化持续时间(7天与28天))对碳化的基于RMC的样品的抗压强度和抗拉强度的影响进行了研究。
样品的机械性能可以在表8中呈现。如上所强调的，样品名称的符号遵循(X)-(Y)-(Z)的格式，其中X、Y以及Z分别表示纤维表面处理、纤维长度和w/b比。用于(X)的术语“OC”是指油涂覆，而术语“NC”是指无油涂覆。(Y)的单位以毫米(mm)表示。
Figure BDA0002497273170000301
表8机械测试结果。
裂缝间距可通过以下计算：
裂缝间距(mm)＝标距长度/裂缝数量 (4)
在初次裂缝出现时记录的拉伸应力称为“初裂强度”，而接近试样破坏的拉伸应力和拉伸应变分别称为“极限抗拉强度”和“拉伸应变能力”。除了初裂强度、极限抗拉强度和拉伸应变能力，表8还列出了每个样品的裂缝间距和平均裂缝宽度。对于大多数样品，总体上超过1％的高拉伸应变能力，外加裂缝宽度限制在小于100μm，可能表明基于RMC的复合材料具有应变硬化行为和拉伸延展性。
图12A-E示出了由每种混合物形成的复合材料的拉伸应力与拉伸应变之间的关系。如上所强调的，样品名称的符号遵循(X)-(Y)-(Z)的格式，其中X、Y以及Z分别表示纤维表面处理、纤维长度和w/b比。用于(X)的术语“OC”是指油涂覆，而术语“NC”是指无油涂覆。(Y)的单位以毫米(mm)表示。
图12A是拉伸应力(以兆帕或MPa表示)随拉伸应变(以百分比或％表示)变化的绘图，该绘图说明了根据各个实施方式的固化7天后的样品NC-12-0.41的拉伸应力-应变曲线。图12B是拉伸应力(以兆帕或MPa表示)随拉伸应变(以百分比或％表示)变化的绘图，该绘图说明了根据各个实施方式的固化28天后的样品NC-12-0.41的拉伸应力-应变曲线。图12C是拉伸应力(以兆帕或MPa表示)随拉伸应变(以百分比或％表示)变化的绘图，该绘图说明了根据各个实施方式的固化7天后的样品OC-12-0.41的拉伸应力-应变曲线。图12D是拉伸应力(以兆帕或MPa表示)随拉伸应变(以百分比或％表示)变化的绘图，该绘图说明了根据各个实施方式的固化7天后的样品OC-12-0.53的拉伸应力-应变曲线。图12E是拉伸应力(以兆帕或MPa表示)随拉伸应变(以百分比或％表示)变化的绘图，该绘图说明了根据各个实施方式的固化7天后的样品OC-8-0.53的拉伸应力-应变曲线。
在每个样品内观察到不同的弹性阶段和应变硬化阶段。在弹性阶段，拉伸应力可能随应变线性发展。负荷的不断增加导致引入了初次裂缝，这可能标志着应变硬化阶段的开始。在应变硬化阶段期间，拉伸应力随着应变而缓慢增加，伴随着可以象征延展性的多个细裂缝的逐渐生成。在应变硬化快要结束时，由于纤维桥接的劣化随后随着增加负荷而造成的局部损伤，拉伸应力可能开始急剧下降。此时，由于纤维桥接的弹簧效应，在试样破坏后立即释放负荷，导致了大部分裂缝的收缩。
图13是示出了根据各个实施方式的卸载之后的破坏试样(固化7天的NC-12-0.41)的典型的裂缝分布的图像。图13示出了在基于RMC的样品中出现多个裂缝。在图14A中可以看到典型的断裂面，其中揭示了在破坏处裂缝位置的纤维布局。图14A是示出了根据各个实施方式的图13中所示的试样的断裂面的图像。断裂面具有若干拉出的纤维。
在图14B和14C中分别示出了在断裂点处拉出的纤维和残留的纤维隧道。图14B是根据各个实施方式的图14A中所示的拉出的纤维的场发射扫描电子显微镜(FESEM)图像。图14C是根据各个实施方式的在图14B中所示的纤维被拉出之后的基质中的残留隧道的场发射扫描电子显微镜(FESEM)图像。
从这些图像可以看出，纤维表面是光滑的，上面附着了非常少量的基质碎屑，表明大部分纤维是被拉出的而不是断裂的。这表明在开发的制剂中可能无法充分利用纤维强度，并且限制因素可能是纤维-基质界面，该界面可能会进一步增强。
纤维表面处理的影响(样品OC-12-0.41与NC-12-0.41)
可以通过比较具有用油涂覆的纤维的样品(OC-12-0.41)和具有没用油涂覆的纤维的样品(NC-12-0.41)、从油涂覆的存在对样品性能的影响来评估纤维表面处理对样品性能的影响。两种样品都可以在测试前固化7天。
尽管两个样品的抗压强度没有显著差异，但油涂覆的存在将拉伸延展性从2.64％大大提高到了3.26％(NC-12-0.41约为47μm，而OC-12-0.41约为84μm)，这是由于使用油涂覆的纤维而观察到了较大的裂缝宽度。
纤维上油涂覆的存在可以减少纤维-基质界面结合，并从而形成具有较大的裂缝宽度的较宽的裂缝间距。因此，尽管是以增大的裂缝宽度为代价，调节施用于纤维表面的油含量可能是提高RMC-SHC的延展性的有效手段，这可能导致增加的水渗透性和降低的长期耐久性。
纤维长径比的影响(样品OC-8-0.53与OC-12-0.53)
可以通过比较包合长度为8mm的纤维的样品OC-8-0.53和包合长度为12mm的纤维的样品OC-12-0.53来评估由纤维长度差异而引起的纤维长径比的影响。纤维长径比的增加可能导致抗拉强度和延展性的显著改善。
从对样品的破坏机理的研究中，可以从图14A中看出，基质内的大多数纤维是被拉动的而不是断裂的。这揭示了在复合材料内的纤维-基质之间可能存在弱结合，示出了图14A中的样品在拉出过程中没有充分利用纤维强度。纤维嵌入长度的增加可能对拉拔力表现出更强的抵抗力，导致了更好的纤维桥接和更强的应变硬化效果。
w/b比的影响(样品OC-12-0.41与OC-12-0.53)
可以通过比较样品OC-12-0.41和样品OC-12-0.53来确定w/b对RMC-SHC制剂的抗压强度和抗拉强度的影响。随着w/b比从0.41增加到0.53，观察到抗压强度降低。这可能与含水量较高时饱和的孔隙系统内的二氧化碳(CO2)的扩散速率的降低有关，这将减少碳化程度和提供碳酸盐相的相关的强度的形成；以及通过存在额外的自由水而增加的孔隙度。除了弱化基质之外，纤维-基质界面也可能被弱化，从而导致纤维与基质之间的结合强度降低。另一方面，w/b比从0.53降低到0.41不仅增强了初裂强度和极限抗拉强度，而且提供了更好的拉伸延展性。通过减小的裂缝间距和平均裂缝宽度进一步揭示了应变硬化效果和纤维桥接的改善。
固化持续时间的影响(在7天时与28天时的样品NC-12-0.41)
可以通过对已经固化7天的NC-12-0.41的一个样品和已经固化28天的NC-12-0.41的另一个样品进行研究来确定固化持续时间对样品性能的影响。强度结果表明，随着固化持续时间增加，极限抗拉强度可能有所改善，而拉伸延展性可能几乎保持不变。增强的极限强度可能与纤维桥接的改善有关，这可能归因于碳酸盐相的持续形成，该碳酸盐相在28天的固化期内强化了纤维-基质界面。随着固化持续时间从7天增加到28天，观察到裂缝间距和平均裂缝宽度增加，这表明应变硬化减少，这受在较长固化持续时间的提高的基质韧性的影响。
二氧化碳(CO2)封存
通过热重分析(TGA)/差示扫描量热(DSC)对固化过程中封存的CO2量进行定量。图15是质量(以百分比或％表示)/热流(以毫瓦或mW表示)随温度(以摄氏度或℃表示)变化的绘图，该绘图示出了根据各个实施方式的样品OC-12-0.53的热重分析(TGA)曲线和差示扫描量热(DSC)曲线。
＜100℃的质量损失是由于失去吸湿水而导致的，随后出现两个不同的吸热峰。在大约320℃处的第一个峰可能对应于碳化固化过程中形成的Mg碳酸盐中结晶水的去除，以及未碳化的水合物(Mg(OH)2)分解为MgO。在大约460℃处的第二个峰可能对应于碳酸盐相的脱碳化，在分析结束时留下MgO。对与从碳化的RMC系统中损失CO2有关的＞460℃的质量损失的定量表明了平均碳化度大约为10％。这些结果表明，在制备的制剂内以稳定碳酸盐的形式封存CO2不仅可以为大气CO2提供安全的存储，而且还可以有助于开发一类无需使用任何波特兰水泥(PC)的应变硬化复合材料。
虽然已经参照具体实施方式特别示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的前提下，可以对形式和细节进行各种改变。因此，本发明的范围由所附权利要求表示，因此，意在涵盖落入权利要求的等同物的含义和范围内的所有改变。

Claims (36)

1.一种水泥质组合物，包括：
混合物，所述混合物包括：
粘结剂组分，所述粘结剂组分包括活性氧化镁水泥；和
水；和
一种或多种纤维，所述一种或多种纤维分散在所述混合物中。
2.根据权利要求1所述的水泥质组合物，其特征在于，所述粘结剂组分还包括选自水硬性水泥、粉煤灰、硅粉和磨细粒化高炉矿渣的任何一种或多种粘结剂。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的水泥质组合物，其特征在于，所述粘结剂组分中的所述活性氧化镁水泥的质量百分比为选自40％至100％的任何一个百分比值。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的水泥质组合物，其特征在于，所述水与所述粘结剂组分的质量比为选自0.4至0.8的任何一个比。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的水泥质组合物，其特征在于，所述混合物还包括减水剂。
6.根据权利要求5所述的水泥质组合物，其特征在于，所述减水剂为六偏磷酸钠溶液。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的水泥质组合物，其特征在于，所述减水剂相对于所述粘结剂组分的质量百分比为选自2％至4％的任何一个百分比值。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的水泥质组合物，其特征在于，所述混合物还包括粘度控制剂。
9.根据权利要求8所述的水泥质组合物，其特征在于，所述粘度控制剂为羟丙基甲基纤维素。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的水泥质组合物，其特征在于，所述粘度控制剂相对于所述粘结剂组分的质量百分比为选自0.05％至0.5％的任何一个百分比值。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的水泥质组合物，其特征在于，所述一种或多种纤维是选自金属纤维、聚合物纤维和天然纤维的任何一种类型的纤维。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的水泥质组合物，其特征在于，所述水泥质组合物中的所述一种或多种纤维的体积百分比为选自0.5％至10％的任何一个百分比值。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的水泥质组合物，其特征在于，所述一种或多种纤维中的每种纤维包括油剂涂层。
14.一种基于水泥的结构，包括：
基质，所述基质包括一种或多种水合碳酸镁；和
一种或多种纤维，所述一种或多种纤维嵌入所述基质中。
15.根据权利要求14所述的结构，其特征在于，所述一种或多种水合碳酸镁选自水碳镁石、水菱镁矿、球碳镁石和纤菱镁矿。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的结构，其特征在于，所述一种或多种纤维与所述基质结合。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的结构，其特征在于，所述基于水泥的结构是混凝土。
18.一种形成水泥质组合物的方法，所述方法包括：
形成混合物，所述混合物包括：
粘结剂组分，所述粘结剂组分包括活性氧化镁水泥；和
水；以及
将一种或多种纤维分散在所述混合物中。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述粘结剂组分还包括选自水硬性水泥、粉煤灰、硅粉和磨细粒化高炉矿渣的任何一种或多种粘结剂。
20.根据权利要求18或权利要求19所述的方法，其特征在于，所述粘结剂组分中的所述活性氧化镁水泥的质量百分比为选自40％至100％的任何一个百分比值。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其特征在于，所述水与所述粘结剂组分的质量比为选自0.4至0.8的任何一个比。
22.根据权利要求18至21中任一项所述的方法，其特征在于，所述混合物还包括减水剂。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述减水剂为六偏磷酸钠溶液。
24.根据权利要求22或权利要求23所述的方法，其特征在于，所述减水剂相对于所述粘结剂组分的质量百分比为选自2％至4％的任何一个百分比值。
25.根据权利要求18至24中任一项所述的方法，其特征在于，所述混合物还包括粘度控制剂。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述粘度控制剂为羟丙基甲基纤维素。
27.根据权利要求25或权利要求26所述的方法，其特征在于，所述粘度控制剂相对于所述粘结剂组分的质量百分比为选自0.05％至0.5％的任何一个百分比值。
28.根据权利要求18至27中任一项所述的方法，其特征在于，所述一种或多种纤维是选自金属纤维、聚合物纤维和天然纤维的任何一种类型的纤维。
29.根据权利要求18至28中任一项所述的方法，其特征在于，所述水泥质组合物中的所述一种或多种纤维的体积百分比为选自0.5％至10％的任何一个百分比值。
30.根据权利要求18至29中任一项所述的方法，其特征在于，所述一种或多种纤维中的每种纤维包括油剂涂层。
31.一种形成基于水泥的结构的方法，所述方法包括：
形成基质，所述基质包括一种或多种水合碳酸镁；
其中一种或多种纤维嵌入所述基质中。
32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，
形成所述基质，其中所述一种或多种纤维嵌入所述基质中，包括：
形成水泥质组合物，所述水泥质组合物包括：
混合物，所述混合物包括：
粘结剂组分，所述粘结剂组分包括活性氧化镁水泥；和
水；和
一种或多种纤维，所述一种或多种纤维分散在所述混合物中；以及
通过将所述水泥质组合物暴露于二氧化碳来固化所述水泥质组合物，以便由所述活性氧化镁水泥形成所述一种或多种水合碳酸镁。
33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，形成所述一种或多种水合碳酸镁包括：
由所述活性氧化镁水泥形成水镁石；以及
由所述水镁石形成所述一种或多种水合碳酸镁。
34.根据权利要求31至33中任一项所述的方法，其特征在于，所述一种或多种水合碳酸镁选自水碳镁石、水菱镁矿、球碳镁石和纤菱镁矿。
35.根据权利要求31至34中任一项所述的方法，其特征在于，所述一种或多种纤维与所述基质结合。
36.根据权利要求31至35中任一项所述的方法，其特征在于，所述基于水泥的结构是混凝土。
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