CN111925171A - 一种高延性自恢复水泥基材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高延性自恢复水泥基材料及其制备方法，该水泥基材料包括水泥砂浆，SMA纤维和炭黑，所述SMA纤维与炭黑的质量比为32:5～96:10。上述高延性自恢复水泥基材料的制备方法，先将水泥砂浆中和炭黑混合，后加入SMA纤维，得到所述高延性自恢复水泥基材料。本发明的水泥基材料具有高延性、能够灵敏监控开裂情况，且开裂后能够自恢复；通过改变加料顺序使得SMA纤维均匀分散，制得的水泥基材料既具有普通纤维水泥基材料的高延性和多裂缝开展的特性，又具有可以恢复部分裂缝的能力。

Description

一种高延性自恢复水泥基材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种水泥基材料及其制备方法，尤其涉及一种高延性自恢复水泥基材料及其制备方法。
背景技术
随着建筑工业化的发展，钢管混凝土依靠其承载力高、塑性和韧性好，可预制、施工简单等优点受到了广泛的应用，取得了良好的社会和经济效益。但随着工程质量要求越来越高，钢管混凝土中包含的混凝土材料的性能开始难以满足工程需求。混凝土是一种抗压强度高而抗拉强度低的材料，实际混凝土工程破坏中，大部分失事都是由于混凝土受拉破坏失效而导致的。因此，改变钢管混凝土柱中混凝土的受拉性能对提高建筑结构的安全性有重要的意义。
纤维增强水泥基材料是一种具有假应变硬化特性和多裂缝开展机制的高延性纤维增强水泥基复合材料，其优秀的裂缝宽度控制能力能在各受力阶段有效地控制裂缝宽度，防止外界有害物质对构件内部筋材和基体的侵蚀，大大提高了结构的耐久性。在纤维增强水泥基材料中，通过纤维桥连作用使材料能抑制裂缝的延伸，提高机体的延性，表现出明显的拉伸应变硬化特性。但是，结构在出现裂缝后将不能恢复原状，使得其处于带裂缝工作的状态，外界中的水和氯离子等有害物质容易进入结构内部，进一步腐蚀材料，造成耐久性的下降，因此及时修补出现的裂缝具有重要的工程意义。
混凝土在地震或者外力作用下会产生裂缝，影响结构的性能，但是其维修、替换的成本和影响较大，如果混凝土等水泥基材料能实现裂缝自修复将提高工程结构的寿命。近年来，随着工程结构智能化和绿色化的发展，记忆合金和一些绿色环保材料开始逐渐使用在土木工程结构中。专利CN109695458A公开了一种利用形状记忆合金曲管来实现结构的修复功能，但是实施难度大，温度升高会给结构带来新危害，同时混凝土材料骨料含量较高，基体脆性大等因素限制了形状记忆合金的使用。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种具有高延性、能够灵敏监控开裂情况，且开裂后能够自恢复的高延性自恢复水泥基材料；
本发明的另一个目的是提供一种高延性自恢复水泥基材料的制备方法。
技术方案：本发明的高延性自恢复水泥基材料，包括水泥砂浆，还包括SMA纤维和炭黑，所述SMA纤维与炭黑的质量比为32:5～96:10。
将炭黑掺入基体中，结合可导电的SMA纤维，一方面提高基体的导电性能，另一方面通过分析材料开裂后和恢复后电阻率的变化来判断其恢复情况，起到智能监测作用。
优选地，所述SMA纤维占水泥砂浆体积的0.5-1.5％。该配合比能很好地满足水泥基材料的多裂缝开展和高韧性要求，保证SMA纤维均匀分布在基体中。
优选地，所述水泥砂浆按重量包括以下组分：水泥200-250份，玻璃粉20-25份，石英砂400-420份，粉煤灰900-950份，水330-350份，减水剂4-6份。水泥为P·I 42.5R硅酸盐水泥；石英砂为精制石英砂；粉煤灰为I级粉煤灰。
优选地，所述SMA纤维为镍钛合金。镍钛合金的含量分别为56％镍和44％钛；奥氏体到马氏体开始转型应力为256MPa，马氏体到奥氏体开始转型应力为150MPa。更优选的，SMA纤维为波形；SMA纤维具有超弹性的优点，其受到外力发生较大变形，去除外力后，大变形完全恢复，其中裂纹闭合程度通过测量试件电阻率的变化来分析。
优选地，所述SMA纤维的直径为0.1-0.2mm，长度为10-12mm。
优选地，所述炭黑的粒径为100-500nm。
优选地，所述玻璃粉为经过球磨的再生玻璃粉。
优选地，所述玻璃粉的粒径为15-20μm。
优选地，所述减水剂为聚羧酸类高性能减水剂，所述减水剂的添加量为粉煤灰和水泥总质量的0.4％-0.6％。
制备上述高延性自恢复水泥基材料的方法，先将水泥砂浆和炭黑混合，后加入SMA纤维，得到所述高延性自恢复水泥基材料。更优选的，先将水泥砂浆中的水泥、玻璃粉、石英砂、粉煤灰和炭黑干拌均匀，然后将高效减水剂加入称量好的水中，搅拌均匀后缓慢倒入干拌料中，充分搅拌，最后将SMA纤维均匀缓慢铺散入干拌料中，充分搅拌，得到所述高延性自恢复水泥基材料。相比传统制备工艺，本发明通过改变加料顺序使得SMA纤维均匀分散，制得的水泥基材料既具有普通纤维水泥基材料的高延性和多裂缝开展的特性，又具有可以恢复部分裂缝的能力，同时可以通过测量材料电阻率分析其健康状况和开裂恢复程度。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著效果：1、炭黑与SMA纤维相配合，既能够提高基体的导电性能，也能够通过分析材料开裂后和恢复后电阻率的变化来判断其恢复情况，起到智能监测作用；2、极限应变为0.1％-0.3％，开裂后，在其极限应变内撤去应力后，裂纹闭合率达到50-80％。3、SMA纤维使得水泥基材料具有假应变硬化和多裂缝开展的特性，使其具有高延性的优点，能提供较大的拉伸应变，减少因拉伸破坏导致的结构损伤；4、波形SMA纤维掺入水泥基材料中能极大的发挥形状优势，显著提高了材料的力学和形状恢复性能；5、由于SMA纤维具有形状记忆效应，掺入SMA纤维的水泥基材料在其极限应变范围内，开裂后去除外力，其裂缝受到SMA纤维形状记忆效应的作用会逐渐闭合；6、所选用的SMA纤维的长度、直径和形状，满足较好的自修复效果，能有效恢复结构和材料的功能性，提高其使用寿命。
附图说明
图1为本发明的SMA纤维的形状示意图；
图2为本发明进行抗拉强度测试的示意图；
图3为各实施例进行抗拉测试后裂缝开裂情况示意图；其中图3(a)、图3(b)、图3(c)分别对应实施例1、2、3。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种高延性自恢复水泥基材料，包括水泥砂浆、炭黑、SMA纤维，水泥砂浆按配合比计算包括以下组分：波特兰I型水泥200份，玻璃粉25份，精制石英砂400份，I级粉煤灰900份，水330份，聚羧酸类高性能减水剂4份；单位为Kg/m3。其中，SMA纤维掺量为水泥砂浆体积的0.5％，导电炭黑5份。SMA纤维与炭黑的比例为32:5。SMA纤维形状如图1所示。
制备上述高延性自恢复水泥基材料的方法，具体包括以下步骤：
(1)根据配合比准确称量各个原材料的质量；
(2)开动搅拌机，先将搅拌机内表面湿润，然后依次将水泥、石英砂、粉煤灰和炭黑加入搅拌机中，干拌均匀；
(3)将高效减水剂加入称量好的水中，搅拌均匀，然后缓慢倒入装有干拌料的搅拌机中，充分搅拌；
(4)将SMA纤维均匀缓慢铺散入搅拌机中，充分搅拌，制得钢管混凝土用智能SMA纤维增强自恢复水泥基材料。
如图2所示，对制备的高延性自恢复水泥基材料进行测试，抗拉强度采用试件为狗骨试件，本实施例在28d抗拉强度为5.1MPa，极限拉伸应变为0.11％。在其极限拉伸应变阶段，开裂后去除应力，静置一段时间后，发现部分微小裂缝闭合。最终拉伸区域依然呈主裂缝开裂模式，如图3(a)所示。通过对比开裂后和恢复后电阻率的变化，发现恢复后电阻率比开裂后的电阻率降低了50％，表明部分裂纹闭合，电阻率的变化情况如表1所示。
实施例2
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，波特兰I型水泥250份，玻璃粉20份，精制石英砂420份，I级粉煤灰900份，实验室自来水350份，聚羧酸类高性能减水剂6份，导电炭黑10份，SMA纤维的体积掺量为1％，SMA纤维与炭黑的比例为64:10。
与实施例1进行相同条件的测试，28d抗拉强度为4.8MPa，极限拉伸应变为0.23％。在其极限拉伸应变阶段，开裂后去除应力，静置一段时间后，其大部分微小裂缝闭合，闭合率达到50％以上，最终拉伸区域主裂缝宽度明显减少，如图3(b)所示。通过对比开裂后和恢复后电阻率的变化，发现恢复后电阻率比开裂后的电阻率降低了65％，表明部分裂纹闭合，电阻率的变化情况如表1所示。
实施例3
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，波特兰I型水泥200份，I级粉煤灰950份，实验室自来水350份，导电炭黑10份，SMA纤维的体积掺量为1.5％，SMA纤维与炭黑的比例为96:10。
与实施例1进行相同条件的测试，28d抗拉强度为5.0MPa，极限拉伸应变为0.37％。在其极限拉伸应变阶段，开裂后去除应力，静置一段时间后，其大部分微小裂缝闭合，闭合率达到80％以上。最终拉伸区域主裂缝宽度明显减少，几乎完全闭合，呈现明显多多裂缝开裂模式，如图3(c)所示。通过对比开裂后和恢复后电阻率的变化，发现恢复后电阻率比开裂后的电阻率降低了75％，表明部分裂纹闭合，电阻率的变化情况如表1所示。
对比例1
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，SMA纤维与炭黑的比例为32:0。
对比例2
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，SMA纤维与炭黑的比例为0:5。
对比例3
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，SMA纤维与炭黑的比例为96:20。
对比例4
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，SMA纤维与炭黑的比例为128:20。
表2、3分别为不同实施例、对比例中SMA纤维与炭黑比例对智能感知性能的影响。
表1
Figure BDA0002633304630000051
表2
Figure BDA0002633304630000052
表3
Figure BDA0002633304630000053

Claims (10)

1.一种高延性自恢复水泥基材料，包括水泥砂浆，其特征在于，还包括SMA纤维和炭黑，所述SMA纤维与炭黑的质量比为32:5～96:10。
2.根据权利要求1所述的高延性自恢复水泥基材料，其特征在于，所述SMA纤维占水泥砂浆体积的0.5-1.5％。
3.根据权利要求1所述的高延性自恢复水泥基材料，其特征在于，所述水泥砂浆按重量包括以下组分：水泥200-250份，玻璃粉20-25份，石英砂400-420份，粉煤灰900-950份，水330-350份，减水剂4-6份。
4.根据权利要求1所述的高延性自恢复水泥基材料，其特征在于，所述SMA纤维为镍钛合金。
5.根据权利要求1所述的高延性自恢复水泥基材料，其特征在于，所述SMA纤维的直径为0.1-0.2mm，长度为10-12mm。
6.根据权利要求1所述的高延性自恢复水泥基材料，其特征在于，所述炭黑的粒径为100-500nm。
7.根据权利要求3所述的高延性自恢复水泥基材料，其特征在于，所述玻璃粉为经过球磨的再生玻璃粉。
8.根据权利要求3所述的高延性自恢复水泥基材料，其特征在于，所述玻璃粉的粒径为15-20μm。
9.根据权利要求3所述的高延性自恢复水泥基材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸类减水剂，所述减水剂的添加量为粉煤灰和水泥总质量的0.4％-0.6％。
10.一种权利要求1所述高延性自恢复水泥基材料的制备方法，其特征在于，先将所述水泥砂浆和炭黑混合，后加入SMA纤维，得到所述高延性自恢复水泥基材料。
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