CN114538841A - 一种超高性能的钢-sma纤维水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超高性能的钢‑SMA纤维水泥基复合材料及其制备方法,含有水泥、超细石英粉、超细活性粉料硅灰、水、减水剂、SMA纤维和钢纤维,其中水与水泥的质量比为0.15~0.25;减水剂与水泥的质量比为0.025~0.035;超细石英粉与水泥的质量比为0.3~0.4;超细活性粉料硅灰与水泥的质量比为0.2~0.3;SMA纤维和钢纤维占水泥基复合材料总体积4%~7%。此水泥基复合材料具有极高的强度、韧性和具有很强的抗侵彻抗爆能力,应用在国防安全等防护领域。
Description
技术领域
本发明属于超高性能混凝土技术领域,涉及一种在混凝土中通过添加SMA纤维和钢纤维来提高混凝土性能及其制备方法。
背景技术
混凝土是目前使用最广泛的建筑材料,超高性能混凝土是一种重要的工程材料,在国防工程中广泛应用。随着毁伤技术的发展,常规武器侵彻能力越来越强,混凝土防护材料常受到极端条件的破坏,进一步提高混凝上材料硬度、韧性、强度,形成新型抗侵彻复合材料满足在极端条件下服役是国防安全、防护武器发展迫切需要解决的关键技术。
现代混凝土技术的主要发展趋势就是混凝土的高性能化。最早在上个世纪70年代,开始对这种高性能化的新型水泥基复合材料开展了研究。Yudenfreund通过以超细水泥作为混凝土原材料,并且采用真空搅拌技术进行搅拌成型,成功制造出了孔隙率低,抗压强度高达240MPa的混凝土。
Birchall则将一定比例的某种水溶性聚合物加入到水泥材料中,并采用较低的水胶比,然后通过高效剪切搅拌,从而得到了一种塑性混合物,之后采用加压成型或其他技术,然后通过有效的养护,制备得到了一种性能优异、内部宏观缺陷少的水泥材料,他将其定义为无宏观缺陷水泥材料(Macro Defect Free,MDF)。
高性能混凝土能够大幅度提高混凝土的强度、耐腐蚀性、耐久性和工作性等各项性能,但是一味提高混凝土强度,混凝土的脆性也不断增加,大型结构与建筑物反而更容易受到破坏,大大地影响和限制了高性能混凝土的推广和使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高性能的钢-SMA纤维(形状记忆合金)水泥基复合材料及其制备方法,此水泥基复合材料具有极高的硬度、韧性、强度可用于抗爆、抗侵彻等国防和防护领域。
本发明技术方案如下:
一种超高性能的钢-SMA纤维水泥基复合材料,含有水泥、超细石英粉、超细活性粉料硅灰、水、减水剂、SMA纤维和钢纤维,其中,水与水泥的质量比为0.15~0.25,减水剂与水泥的质量比为0.025~0.035,超细石英粉与水泥的质量比为0.3~0.4,超细活性粉料硅灰与水泥的质量比为0.2~0.3,SMA纤维和钢纤维占钢-SMA纤维水泥基复合材料总体积的4%~7%。
较佳的,所述水泥为市场生产的标号52.5普通硅酸盐水泥。
较佳的,减水剂为聚羧酸型高效减水剂。
较佳的,所述SMA纤维为NiTi合金纤维,极限抗拉强度≥700MPa,母相的弹性模量≥50GPa,SMA纤维的温度回复力≥300MPa。
较佳的,SMA纤维和钢纤维的体积比为1~3:4~6。
上述超高性能的钢-SMA纤维水泥基复合材料的制备方法,包括以下步骤
步骤(1),将水泥和超细活性粉料硅灰加入到水泥搅拌机中干拌2分钟;
步骤(2),将一半量的水与聚羧酸减水剂混合后加入到水泥搅拌机中,在将另一半水加入到水泥搅拌机中搅拌至流体状态后在搅拌3分钟;
步骤(3),将超细石英粉分量连续多次加入到水泥搅拌机中后搅拌2分钟;
步骤(4),将所需SMA纤维和钢纤维先在容器中进行混合,在缓慢将SMA纤维和钢纤维加入到水泥搅拌机中搅拌3分钟,直至纤维均匀分散;
步骤(5),将步骤1~4制得的混合物倒入到模具中,进行充分振捣后用保鲜膜遮盖住整个模具;24小时后脱模并在常温中水养护48小时,在90度水温下继续养护24小时,之后在200℃的蒸压釜中养护24小时,得到超高性能的钢-SMA水泥基复合材料样品。
与现有的超高性能混凝土技术比较,本发明显著提高了水泥基复合材料的各项性能,本发明具有更高的强度、韧性,其抗侵彻和抗爆能力也得到明显增强,通过两次不同温度的热处理实现了对本发明的水泥基复合材料内部的SMA纤维的力学性能稳定性处理和完全马氏体相变的同时完成水泥基复合材料蒸压养护,本发明是以最大堆积密度的超高性能混凝土基础上应用钢纤维和SMA纤维的温度回复力特性使得超高性能混凝土内部产生自应力,SMA纤维与刚纤维共同作用大幅提升超高性能混凝土的耐久性和各项力学性能。
附图说明
图1为本发明的SMA纤维温度回复力曲线。
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明的技术方案,下文结合附图并列举实例进行详细说明。
实施例一
本实施例制备的超高性能的钢-SMA纤维水泥基复合材料按照图2所示的流程过程制备。
表1:超高性能的钢-SMA纤维水泥基复合材料配合比
步骤(1):按照表1的配合比,将1268.2g水泥和317.1g超细活性粉料硅灰(市售)加入到水泥搅拌机中干拌2分钟,采用超细活性矿物粉料改善混凝土的和易性;
步骤(2):将253.6g水(可以采用自来水或饮用水)的大概一半与38.05g聚羧酸减水剂混合后加入到水泥搅拌机中,在将另一半水加入到水泥搅拌机中搅拌至流体状态后在搅拌3分钟;
步骤(3):将469.2g超细石英粉(市售)分量连续多次加入到水泥搅拌机中后搅拌2分钟;
步骤(4):将62.4g长12mm直径为0.2mm预拉残余应变16%的单程记忆效应NiTi合金纤维(江阴法尔胜佩尔新材料科技有限公司市售)和312g长12mm直径为0.2mm钢纤维先在容器中进行混合,在缓慢将SMA纤维和钢纤维加入到水泥搅拌机中搅拌3分钟,直至纤维均匀分散;
步骤(5):将步骤1~4制得的混合物倒入到30mm×30mm×30mm立方体模具和40mm×40mm×160mm长方体模具中,进行充分振捣后用保鲜膜遮盖住整个模具;24小时后脱模并在常温中水养护48小时,在90度水温下继续养护24小时,之后在200度的蒸压釜中养护24小时。
通过以下试验验证本发明的超高性能的钢-SMA纤维水泥基复合材料的力学性能。
(1)立方体抗压试验
立方体抗压试验采用30mm×30mm×30mm立方体试件,每组共有6个抗压试件测试抗压强度。
(2)三点弯曲试验
三点弯曲试验采用40mm×40mm×160mm长方体试件,每组共有3个抗折试件测试抗折强度。
(3)SMA纤维拉拔试验
SMA纤维拉拔试验每组9根长12mm直径为0.2mm的SMA纤维丝采用狗骨试样双面纤维拉拔研究SMA纤维与水泥基复合材料基体的粘结性能,试验分为原有预拉残余应变16%已被激励后产生自应力的拉拔和原无预拉残余应变未产生自应力拉拔的两组试验
实验结果如下表2所示。
表2
本发明的超高性能的钢-SMA纤维水泥基复合材料相比与普通超高强混凝土抗压强度和抗折强度得到极大提升,在水泥基复合材料基体中有预拉残余应变的已被激励后产生自应力的SMA纤维的粘结性能也明显增强。
超高性能的钢-SMA纤维水泥基复合材料内部产生自应力关键取决于SMA纤维的温度回复力特性,上述实例中采用了单程记忆效应SMA纤维,当SMA纤维达到相变温度时材料内部发生热弹性马氏体相变,从低温马氏体向高温奥氏体转变,既而使超高性能的钢-SMA纤维水泥基复合材料内部产生自应力,本发明对超高性能的钢-SMA纤维水泥基复合材料进行两次不同温度热处理,第一次加热温度方式为水温箱加热温度从20℃±至90℃在回到20℃±以稳定SMA纤维的力学性能90℃持续时间为24小时,第二次加热方式为蒸压釜加热温度从20℃±至200℃在回到20℃±完成SMA纤维完全马氏体相变200℃持续时间为24小时,同时实现对水泥基复合材料基体的蒸压养护。图1为本发明的温度回复力曲线,从图1中可以看出当停止加热温度下降至常温状态20℃±时其SMA纤维的回复力仍然有一定的提升。
实施例二
一种超高性能的钢-SMA纤维水泥基复合材料,含有水泥、超细石英粉、超细活性粉料硅灰、水、减水剂、SMA纤维和钢纤维,其中水与水泥的质量比为0.2;减水剂与水泥的质量比为0.03;超细石英粉与水泥的质量比为0.37;超细活性粉料硅灰与水泥的质量比为0.25;SMA纤维和钢纤维占钢-SMA纤维水泥基复合材料体积比5%,SMA纤维:钢纤维=1:4。
实施例三
一种超高性能的钢—SMA纤维水泥基复合材料,含有水泥、超细石英粉、超细活性粉料硅灰、水、减水剂、SMA纤维和钢纤维,其中水与水泥的质量比为0.2;减水剂与水泥的质量比为0.03;超细石英粉与水泥的质量比为0.37;超细活性粉料硅灰与水泥的质量比为0.25;SMA纤维和钢纤维占SMA纤维水泥基复合材料体积比7%,SMA纤维:钢纤维=2:5。
实施例四
一种超高性能的钢-SMA纤维水泥基复合材料,含有水泥、超细石英粉、超细活性粉料硅灰、水、减水剂、SMA纤维和钢纤维,其中水与水泥的质量比为0.18;减水剂与水泥的质量比为0.03;超细石英粉与水泥的质量比为0.37;超细活性粉料硅灰与水泥的质量比为0.25;SMA纤维和钢纤维占SMA纤维水泥基复合材料体积比6%,SMA纤维:钢纤维=2:4。
实施例五
一种超高性能的钢-SMA纤维水泥基复合材料,含有水泥、超细石英粉、超细活性粉料硅灰、水、减水剂、SMA纤维和钢纤维,其中水与水泥的质量比为0.19;减水剂与水泥的质量比为0.03;超细石英粉与水泥的质量比为0.37;超细活性粉料硅灰与水泥的质量比为0.25;SMA纤维和钢纤维占SMA纤维水泥基复合材料体积比7%,SMA纤维:钢纤维=3:4。
上面各实例中所述水泥为市场生产的标号52.5普通硅酸盐水泥;超细石英粉、超细活性粉料硅灰均为市场所售标准规格;水为饮用水或者自来水;减水剂为聚羧酸型高效减水剂。
上面各实例中所述SMA纤维为NiTi合金纤维,长度和直径均为市场售卖规格,极限抗拉强度≥700MPa,母相的弹性模量≥50GPa,SMA纤维的温度回复力≥300MPa;钢纤维均为市场所售标准规格。
本发明中有预拉残余应变的SMA纤维在热弹性马氏体相变时其纤维长度有缩短的趋势纤维直径有膨胀的趋势,但由于受到水泥基复合材料基体的抑制作用,SMA纤维与水泥基复合材料基体之间的摩擦力增大,SMA纤维更好的被水泥基复合材料握实从而使SMA纤维的抗拉拔强度得到提升。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种超高性能的钢-SMA纤维水泥基复合材料,其特征在于,含有水泥、超细石英粉、超细活性粉料硅灰、水、减水剂、SMA纤维和钢纤维,其中,水与水泥的质量比为0.15~0.25,减水剂与水泥的质量比为0.025~0.035,超细石英粉与水泥的质量比为0.3~0.4,超细活性粉料硅灰与水泥的质量比为0.2~0.3,SMA纤维和钢纤维占水泥基复合材料总体积的4%~7%。
2.如权利要求1所述的水泥基复合材料,其特征在于,所述水泥为52.5普通硅酸盐水泥。
3.如权利要求1所述的水泥基复合材料,其特征在于,减水剂为聚羧酸型高效减水剂。
4. 如权利要求1所述的水泥基复合材料,其特征在于,所述SMA纤维为NiTi合金纤维,极限抗拉强度≥700MPa,母相的弹性模量≥50GPa ,SMA纤维的温度回复力≥300MPa。
5. 如权利要求1所述的水泥基复合材料,其特征在于,SMA纤维和钢纤维的体积比为1~3:4~6。
6.如权利要求1-5任一项所述的水泥基复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤
步骤(1),将水泥和超细活性粉料硅灰加入到水泥搅拌机中干拌2分钟;
步骤(2),将一半量的水与聚羧酸减水剂混合后加入到水泥搅拌机中,在将另一半水加入到水泥搅拌机中搅拌至流体状态后在搅拌3分钟;
步骤(3),将超细石英粉分量连续多次加入到水泥搅拌机中后搅拌2分钟;
步骤(4),将所需SMA纤维和钢纤维先在容器中进行混合,在缓慢将SMA纤维和钢纤维加入到水泥搅拌机中搅拌3分钟,直至纤维均匀分散;
步骤(5),将步骤1~4制得的混合物倒入到模具中,进行充分振捣后用保鲜膜遮盖住整个模具;24小时后脱模并在常温中水养护48小时,在90度水温下继续养护24小时,之后在200度的蒸压釜中养护24小时,得到超高性能的钢-SMA水泥基复合材料样品。
7.如权利要求6所述的方法制备的水泥基复合材料的应用。
8.如权利要求7所述的应用,其特征在于,将该水泥基复合材料进行两次不同温度热处理,第一次加热温度方式为:水温箱温度从室温升至90℃再回到室温,在90℃持续时间为24小时,第二次加热方式为:蒸压釜加热温度从室温升至200℃再回到室温,在200℃持续时间为24小时。
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