CN114804788A - 珊瑚-水泥基复合材料、制备方法、使用方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种珊瑚‑水泥基复合材料、制备方法、使用方法及其应用。珊瑚‑水泥基复合材料由以下原料按质量比混合而成：珊瑚砂细骨料15~40份、珊瑚石粉0.1~10份、水5~15份、水泥20~40份、膨胀剂1~5份、短纤维0.01~2份、中空玻璃纤维0.01~0.1份、微胶囊0.01~3份、功能型掺合料12~20份、功能型外加剂3~5份。本发明制备出的珊瑚‑水泥基复合材料可在喷射或自密实浇筑成型硬化后具有高延性、应变硬化及裂缝宽度可控、抗震抗冲击、微裂缝自愈合、自养护、微膨胀、高耐久等优点，可应用于热带远海岛礁就地取材新建具有较优的抗冲击、高耗能、高抗震的结构，也可用于热带远海岛礁防护、抗震性能较差的既有建构筑物的抗震加固和防护性能提升。

Description

珊瑚-水泥基复合材料、制备方法、使用方法及其应用

技术领域

本发明涉及建筑材料和海洋工程技术领域，特别是涉及一种珊瑚-水泥基复合材料、制备方法、使用方法及其应用。

背景技术

远海岛礁，是海洋开发和海洋权益保护的落脚点，是发展海洋经济的重要依托，关乎国家重要的战略利益，进行码头、围堰、机场、营房、民用和军用工事等岛礁工程建设、防护和修复任务繁重，需要使用大量水泥基材料（参见专利CN111620620A）。

远海岛礁建设中，采用传统建设材料，其运输周期长，运输成本高，经济效益差。而我国大部分热带岛礁均是珊瑚岛礁，珊瑚礁沙石储量丰富，开采容易，施工简便。为加快远海岛礁建设，可采用破碎珊瑚作为建筑材料，提高就地取材率。珊瑚骨料质轻、多孔和吸水率高，根据我国混凝土骨料的分类，应属于天然轻骨料，但是与普通的天然骨料又存在明显不同，珊瑚骨料为珊瑚虫死后的产物，其主要矿物成分为文石和高镁方解石，化学成分主要为碳酸钙。珊瑚砂内孔隙约占总体积的10%左右，它反映了珊瑚砂颗粒本身的疏松、多孔程度，珊瑚的特性因生长环境的不同而有差异，但是在一般情况下其筒压强度不小于2.0MPa。另外，其特殊的表面特征要求更多的水泥浆包裹珊瑚骨料以便获得较理想的施工性能。

由于珊瑚骨料本身是多孔轻质材料，因此采用常规方法以珊瑚为骨料配制高性能混凝土是不现实的，目前研究中采用珊瑚为骨料配制的混凝土强度等级较低，这对于海洋岛礁建设的实际需求是明显不足的。低强的珊瑚骨料混凝土的孔隙率高、大尺寸的孔隙较多，从而将加剧其遭受海水侵蚀的程度，进而引发耐久性问题，这也是珊瑚骨料混凝土难以推广应用一大重要原因。低强度的珊瑚骨料混凝土长期受海水浸泡侵蚀后，后期将出现抗压强度倒缩现象，这对于结构服役是十分有害的，也自然成为工程技术人员的心头大患。专利CN111620620A公开了一种海水拌制、全珊瑚骨料的超高性能混凝土及制备方法，该专利制备的混凝土虽然具有良好的力学性能、较低自收缩性和高致密性特点，但该专利技术仅解决了混凝土自身收缩问题，未有效控制在各种荷载（包括冲击荷载和地震荷载）作用下混凝土开裂，以及开裂后如何自愈合（自修复）等关键问题。在远海岛礁高温、高湿、多台风、强日照、高盐侵蚀、干湿循环腐蚀、海浪冲击、礁石冲撞等恶劣环境中，混凝土开裂后，又无法自愈合，将显著降低混凝土结构使用寿命和安全性。此外，我国远海岛礁上世纪末期建设过一批基础设施等，受限于当时的技术和经济条件，这些设施结构大多防护性能差、抗震抗冲击性能不足，服役至今其总体状态已较差，加固和性能提升的需求很明显。

发明内容

为解决上述问题，本发明针对以上远海岛礁混凝土材料技术现状和既有结构设施服役性能不足的问题，提出一种珊瑚-水泥基复合材料、制备方法、使用方法及其应用，目的是制备出的珊瑚-水泥基复合材料在喷射或自密实浇筑成型硬化后具有高延性、应变硬化及裂缝宽度可控、抗震抗冲击、微裂缝自愈合、自养护、微膨胀、高耐久等优点，可应用于热带远海岛礁就地取材新建具有较优的抗冲击、高耗能、高抗震的结构，也可用于热带远海岛礁防护、抗震性能较差的既有建构筑物的抗震加固和防护性能提升。

本发明是这样实现的：

本发明首先一个方面提供一种珊瑚-水泥基复合材料，由以下原料按质量比混合而成：珊瑚砂细骨料15~40份、珊瑚石粉0.1~10份、水5~15份、水泥20~40份、膨胀剂1~5份、短纤维0.01~2份、中空玻璃纤维0.01~0.1份、微胶囊0.01~3份、功能型掺合料12~20份、功能型外加剂3~5份。

在一些实施例中，所述珊瑚砂细骨料取自海洋珊瑚岛礁，按质量比组成为：10目~70目35~45份、70目~150目35~45份、150目~200目25~35份；

和/或，所述珊瑚石粉为海洋珊瑚礁沙筛分、碾磨而得，粒径小于200目；

和/或，所述水为海水、淡化海水、岛礁降雨收集的淡水的一种或多种组合；

和/或，所述水泥为硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、磷酸镁水泥中的一种或多种组合；

和/或，所述膨胀剂为钙矾石型和低活性MgO型复合的双膨胀源的膨胀剂；

和/或，所述短纤维为聚乙烯醇纤维、超高分子量聚乙烯纤维的组合；

和/或，所述中空玻璃纤维内含混凝土修复剂、阻锈剂中的一种或两种组合；

和/或，所述微胶囊为矿化菌型、微纳米C-S-H晶核型、酯型胶囊中的一种或多种组合，微胶囊内含混凝土修复剂、阻锈剂中的一种或两种组合；

和/或，所述功能型掺合料由以下原料混合而成：微硅粉、纳米二氧化硅粉、偏高岭土、矿粉；

和/或，所述功能型外加剂由以下原料混合而成：减水剂、消泡剂、保水剂、调凝剂、粘度调节剂。

在一些实施例中，所述膨胀剂按质量比组成为：钙矾石型膨胀剂70~80份、低活性MgO型膨胀剂20~30份；

和/或，所述短纤维按质量比组成为：聚乙烯醇纤维55~65份、超高分子量聚乙烯纤维35~45份；

和/或，所述功能型掺合料按质量比组成为：微硅粉10~20份、纳米二氧化硅粉1~3份、偏高岭土10~20份、矿粉60~75份；

和/或，所述功能型外加剂按质量比组成为：减水剂90~98份、消泡剂0.01~0.5份、保水剂0.05~0.8份、调凝剂0.01~5份、粘度调节剂0.01~0.5份。

在一些实施例中，所述短纤维长度为10~15mm。

在一些实施例中，所述短纤维长度为12mm。

本发明另一方面提供一种珊瑚-水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将自然干燥的珊瑚砂细骨料、珊瑚石粉与膨胀剂充分搅拌混匀；

（2）将上一步得到的混匀料与水泥、功能型掺合料、功能型外加剂的固体部分共同搅拌混匀；

（3）将上一步得到的混匀料与水、功能型外加剂的液体部分充分搅拌混匀；

（4）再向上一步得到的混匀料中边搅拌边加入短纤维、中空玻璃纤维、微胶囊，并充分搅拌均匀，制备出珊瑚-水泥基复合材料。

本发明又一方面提供一种珊瑚-水泥基复合材料的使用方法：

对于浇筑成型的结构构件，包括如下步骤：

（1）将网格型增强物在目标结构构件的设计位置铺设或安装固定；

（2）向网格型增强物浇筑珊瑚-水泥基复合材料，让其自密实成型，并对构件成型面抹平、收光和养护；

对于喷射成型的结构部位，包括如下步骤：

（1）采用FRP筋或不锈钢钢筋进行植筋增强界面粘接，并辅助后续挂网安装；

（2）将网格型增强物在目标结构构件的设计位置铺设或挂网固定；

（3）将珊瑚-水泥基复合材料采用砂浆喷涂机分层喷射覆盖网格型增强物，喷至设计厚度后视情况及时进行抹压、收光和养护。

在一些实施例中，所述网格型增强物为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维网格型增强织物或网格型增强格栅中的一种或多种组合；

和/或，所述网格型增强物的网格为正方形、长方形、菱形、三角形、6边以内的正多边形中的一种或多种组合。

本发明再一方面提供一种珊瑚-水泥基复合材料在热带远海岛礁抗冲击、高耗能、高抗震结构中的应用。

本发明再一方面提供一种珊瑚-水泥基复合材料在热带远海岛礁防护、抗震性能较差的既有建、构筑物的快速抗震加固和防护性能提升中的应用。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

1.本发明制备的复合材料受力时可控制裂缝宽度至0.1mm以下，既为裂缝自愈合创造有利的必要条件，也降低了材料开裂后外部因素对材料内部结构和组分的侵蚀风险，提升了材料耐久性。

2.本发明制备的复合材料通过配合比优化，不仅解决了自身变形（自收缩和干燥收缩）大的难题，避免了因自身收缩过大导致结构开裂，还利用了自身裂缝控制能力、自修复性能以及环境特征条件（高温高湿），具备开裂后自愈合（自修复），大大提升了在远海岛礁恶劣环境中的耐久性。

3.本发明制备的复合材料峰值拉应变大于3%，延性高，大大改善水泥基材料脆性问题，实现了水泥基材料应变硬化，有利提升结构抗冲击的韧性和破坏前的耗能能力。

4.本发明制备的复合材料具有高施工工艺适应性，解决了珊瑚砂对材料的工作性不利的技术难题，包括直接浇筑、泵送、喷射等。

5.本发明制备的复合材料可应用于热带远海岛礁就地取材新建具有较优的抗冲击、高耗能、高抗震的结构，也可用于热带远海岛礁防护、抗震性能较差的既有建构筑物的快速抗震加固和防护性能提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。

图1示例性示出两种裂缝修复机制示意图；

图2示例性示出自修复效果与裂缝宽度关系示意图；

图3示例性示出实验室喷射覆盖网格型增强物施工示意图；

图4示例性示出在热带远海岛礁高抗震结构中的应用施工示意图；

图5示例性示出在既有构筑物的快速防护性能提升中的应用施工示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本发明的描述中，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

需要理解的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是任意合适的设置方式，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中心”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。

以下结合较佳的实施方式对本发明的实现进行详细的描述。

本发明首先提供的一种珊瑚-水泥基复合材料，由以下原料混合而成：珊瑚砂细骨料、珊瑚石粉、水、水泥、膨胀剂、短纤维、微胶囊、功能型掺合料、功能型外加剂。

本发明提出的一种珊瑚-水泥基复合材料的功能机理如下：

高延性、应变硬化及裂缝宽度可控：根据复合材料细观力学设计原理，要实现材料在拉伸时呈现高延性和裂缝宽度可控，纤维/基材界面粘结力需要处在合理范围内，纤维模量要与水泥基材料基材的模量相匹配。若纤维与水泥石的化学粘结过强，纤维在拉拔过程中趋于断裂，难以有效发挥桥接作用。若纤维模量不足，导致高应力水平下，其变形较大，是被拉长进入屈服而不是逐渐被拔出。只有纤维和水泥基材料基材的模量接近，二者变形和受力才同步，同时不屈服、不被拉断，直到最终被拔出，实现裂缝宽度可控。由于本发明制备的水泥基材料基材强度和模量高，采用了与水泥基材料基材模量相匹配的短纤维，提高复合材料裂纹间桥接应力，从而提高材料的弯拉强度和延性，实现复合材料受拉应变硬化，控制裂缝宽度。

微裂缝自愈合、高耐久：（1）通过合理掺入短纤维控制裂缝宽度，为裂缝自愈合创造有利的必要条件；（2）利用中空玻璃纤维和微胶囊作为负载器，可携带混凝土修复剂预先分散在混凝土内部，待混凝土出现裂缝时，中空玻璃纤维和微胶囊断裂释放出其内部混凝土修复剂，修复混凝土裂缝；（3）采用膨胀剂，在远海高湿条件（雨季平均的空气相对湿度95%）下，膨胀剂逐渐发生水化，并在裂缝面局部释放出膨胀性，即可助力自动填充愈合裂缝；（4）功能型掺合料中未水化的部分一方面使复合材料更加密实，另一方面在材料开裂后，可进一步水化，自动填充愈合裂缝。微裂缝自愈合必然又会带来结构的高耐久。

自养护：利用珊瑚骨料（珊瑚砂细骨料、珊瑚石粉）的多孔特性，采用珊瑚骨料在混凝土拌合阶段预先吸取一部分水，作为内养护水，待混凝土硬化成型后，内部相对湿度下降时，珊瑚骨料不断释放内部水分，补充水泥石毛细孔水。在空间上，珊瑚砂在大孔隙内进行自养护，珊瑚石粉填充在小孔隙内进行自养护，二者实现在空间上的协同自养护。在时间上，珊瑚砂内部孔隙较大，先释放水分，珊瑚石粉内部孔隙小，后释放水分，从而实现全过程混凝土自养护，一定程度上可避免复合材料强度倒缩。

微膨胀：由于珊瑚石粉会增大材料后期的干燥收缩，所以前期要储存更大的早期膨胀。本发明利用膨胀剂性能和珊瑚骨料自养护特点，使得复合材料总体长期稳定地维持微膨胀。

高施工工艺适应性：采用功能型外加剂，使用喷射施工工艺时，能够控制喷涂施工时的材料粘度，降低回弹率，提高成型质量，以提高施工喷涂的工艺适应性，提高现场的效率，避免浪费；采用浇筑工艺时，能够降低湿料的黏性和提高自密实性能，从而获得高施工工艺适应性，以满足在复杂的、恶劣的工况下施工的要求。

下面对本发明提出的珊瑚-水泥基复合材料的具体实施以及较佳的优选方案进行详细阐述。

在一些实施例中，各原料按如下质量比混合：珊瑚砂细骨料15~40份、珊瑚石粉0.1~10份、水5~15份、水泥20~40份、膨胀剂1~5份、短纤维0.01~2份、中空玻璃纤维0.01~0.1份、微胶囊0.01~3份、功能型掺合料12~20份、功能型外加剂3~5份。借助本发明较佳的含量配比，能够获得较佳的复合材料效果。

在一些实施例中，珊瑚砂细骨料取自海洋珊瑚岛礁，海洋珊瑚岛礁对本领域普通技术人员而言是容易理解并容易获取的。较佳的，为了获得更好的效果，珊瑚砂细骨料按质量比组成为：10目~70目35~45份、70目~150目35~45份、150目~200目25~35份。通过上述对珊瑚砂细骨料选用合理的粒径配比，能够获得本发明所期望的复合材料特性。

在一些实施例中，珊瑚石粉为海洋珊瑚礁沙筛分、碾磨而得。较佳的，为了获得更好的效果，珊瑚石粉粒径小于200目，能够获得本发明所期望的复合材料特性。

在一些实施例中，水为海水、淡化海水、岛礁降雨收集的淡水的一种或多种组合。本发明的复合材料对用水要求低，海水、淡化海水、岛礁降雨收集的淡水等均可采用，施工现场易获取。

在一些实施例中，水泥为硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、磷酸镁水泥中的一种或多种组合。本发明的复合材料可单独或者组合使用常见的硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、磷酸镁水泥等。

在一些实施例中，膨胀剂为钙矾石型和低活性MgO型复合的双膨胀源的膨胀剂。在早期，采用钙矾石型膨胀剂组分与珊瑚骨料自养护组合调控早期收缩，放大早期膨胀效应；采用低活性MgO型膨胀剂，其早期水化反应率低，并储存在珊瑚砂细骨料的开口孔隙之中，在后期，在远海高温高湿的自然环境中（雨季平均的空气相对湿度95%），待裂缝出现，水分或者高湿度水蒸气进入后，低活性MgO型膨胀剂缓慢反应，逐渐发生水化，在裂缝面局部释放出膨胀性，补偿干燥收缩，总体长期稳定地维持微膨胀，即可助力自动填充愈合裂缝，实现微裂缝自愈合。

更佳的，膨胀剂按质量比组成为：钙矾石型膨胀剂70~80份、低活性MgO型膨胀剂20~30份，经过试验能够获得更好的微膨胀效果。

在一些实施例中，短纤维按质量比组成为：聚乙烯醇纤维55~65份、超高分子量聚乙烯纤维35~45份。基于断裂韧性准则的混凝土抗弯模型，通过对不同纤维品种的混杂纤维复合材料裂纹扩展过程进行模拟，比选出了聚乙烯醇纤维和超高分子量聚乙烯纤维，并确定两种纤维的合理掺量，二者以及常规的聚丙烯纤维材料力学特性如下表1所示。

表1 短纤维材料力学特性

纤维名称	密度（g/m<sup>3</sup>）	抗拉强度（MPa）	弹性模量（GPa）
				聚乙烯醇纤维	1.1~1.3	1200~1800	35~45
超高分子量聚乙烯纤维	0.96~0.98	2800~4000	100~130
				聚丙烯纤维	0.90~0.92	350~600	3.5~5.0

相对于传统的聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维的组合，超高分子量聚乙烯纤维与聚丙烯纤维性能差别显著，聚丙烯纤维抗拉强度低，纤维容易拉断；聚丙烯纤维弹性模量也低很多，纤维弹性模量不足，导致高应力水平下，其变形较大，是被拉长进入屈服而不是逐渐被拔出。利用高强高模的超高分子量聚乙烯纤维提高复合材料裂纹间桥接应力，从而提高了材料的弯拉强度和延性。但单纯使用高强高模的超高分子量聚乙烯纤维导致延性与裂缝宽度控制能力呈反向发展，材料开裂时裂缝宽度较大。为进一步控制裂纹宽度，通过将聚乙烯醇纤维与超高分子量聚乙烯纤维混杂，聚乙烯醇纤维弹性模量（35~45GPa）与水泥基材料基材弹性模量相匹配（一般水泥基材料基材弹性模量在30~50GPa，超高强水泥基材料会更高），二者变形才能够同步，受力才能够同步，同时不屈服、不断，而最终被拔出。通过确定两种纤维的合理掺量，优化复合材料裂纹间桥接应力，使桥接应力与复合材料基材强度匹配，提高材料弯拉强度，同时实现复合材料受拉应变硬化，控制裂缝宽度。本发明从微观结构的角度进行设计，制备的复合材料一方面可控制裂缝宽度至0.1mm以下，为裂缝自愈合创造有利的必要条件；另一方面峰值拉应变大于3%，延性高，大大改善水泥基材料脆性问题，实现了水泥基材料应变硬化，有利提升结构延性，即本发明能够较好地实现复合材料的高延性、应变硬化及裂缝宽度可控特性。

另外，本发明较佳的进一步优选短纤维长度为10~15mm，更佳的采用12mm，优化复合材料裂纹间桥接应力，使桥接应力与复合材料基材强度完美匹配，提高材料弯拉强度和延性。

在一些实施例中，本发明在中空玻璃纤维内含混凝土修复剂、阻锈剂中的一种或两种组合，利用中空玻璃纤维作为负载器携带混凝土修复剂、阻锈剂预先分散在混凝土内部，待混凝土出现裂缝时，中空玻璃纤维断裂释放出其内部混凝土修复剂，修复混凝土裂缝，实现微裂缝自愈合、高耐久特性。

在一些实施例中，微胶囊为矿化菌型、微纳米C-S-H晶核型、酯型胶囊中的一种或多种组合，微胶囊内含混凝土修复剂、阻锈剂中的一种或两种组合。利用微胶囊增加复合材料的可修复性，其作为负载器携带混凝土修复剂、阻锈剂预先分散在混凝土内部，待混凝土出现裂缝时，微胶囊断裂释放出其内部混凝土修复剂、阻锈剂，修复混凝土裂缝。

需要说明，中空玻璃纤维和微胶囊都是混凝土开裂后的自修复剂，但针对的裂缝宽度不同，即不同裂缝宽度下参与修复的有效数量不同，如图1所示，一般裂缝开始发展时，微胶囊迅速先于中空玻璃纤维破裂，开始修复微裂纹。若裂纹宽度进一步增大，微胶囊修复作用逐步减弱，中空玻璃纤维开始起加强筋作用，阻止裂纹扩展，直到中空玻璃纤维被拉断，开始自修复。微胶囊主要针对裂缝起始时，即微细裂缝，中空玻璃纤维针对裂缝进一步扩展产生的相对较大裂缝。试验表明，当裂缝宽度大于0.1mm时，两种修复机制修复作用显著降低，修复效果示意如图2所示。

在一些实施例中，功能型掺合料由以下原料混合而成：微硅粉、纳米二氧化硅粉、偏高岭土、矿粉。功能型掺合料中各组分水化反应时间不同，未水化的功能型掺合料一方面使复合材料更加密实，另一方面，材料开裂后，在远海高湿条件，水分或者高湿度水蒸气进入后，未水化的功能型掺合料中偏高岭土和矿粉进一步水化，亦可自动填充愈合裂缝。

更佳的，功能型掺合料按质量比组成为：微硅粉10~20份、纳米二氧化硅粉1~3份、偏高岭土10~20份、矿粉60~75份，经过试验能够获得更好的密实和自动填充愈合裂缝效果。

在一些实施例中，功能型外加剂由以下原料混合而成：减水剂、消泡剂、保水剂、调凝剂、粘度调节剂。使用喷射施工工艺时，通过功能型外加剂中调凝剂和粘度调节剂的使用，控制喷涂施工时的材料粘度，降低回弹率，提高成型质量，以提高施工喷涂的工艺适应性，提高现场的效率，避免浪费；浇筑工艺时，功能型外加剂中的调凝剂和粘度调节剂能够降低湿料的黏性和提高自密实施工性能。

更佳的，功能型外加剂按质量比组成为：减水剂90~98份、消泡剂0.01~0.5份、保水剂0.05~0.8份、调凝剂0.01~5份、粘度调节剂0.01~0.5份，通过优选功能型外加剂中调凝剂和粘度调节剂的掺量，在使用喷射施工工艺时采用0.075mm以下的珊瑚石粉，使用浇筑工艺时适量减少珊瑚石粉掺量，以达到最佳的高施工工艺适应性。容易理解，减水剂可采用聚羧酸减水剂，消泡剂为机硅类或聚醚类消泡剂，保水剂为纤维素或纤维素醚类或聚丙烯酸钠类保水剂，调凝剂用磷酸盐、糖蜜类、硼酸盐、葡萄糖酸盐或无机盐类调凝剂，粘度调节剂为聚丙烯酸钠类或有机醇类粘度调节剂或硅酸镁铝触变剂。

实施例1：各组分按质量比如下：珊瑚砂细骨料29份、珊瑚石粉5份、水9.5份、水泥31份、膨胀剂3份、短纤维1.5份、中空玻璃纤维0.01份、微胶囊2份、功能型掺合料15份、功能型外加剂4份组成。其中，珊瑚砂细骨料取自海洋珊瑚岛礁，按质量比组成为：10目~70目40份、70目~150目40份、150目~200目30份；珊瑚石粉为海洋珊瑚礁沙筛分、碾磨而得，粒径小于200目；水为海水；水泥为P•O 52.5硅酸盐水泥；膨胀剂由钙矾石型膨胀剂75份和低活性MgO型25份组成；短纤维按质量比组成为聚乙烯醇纤维55份、超高分子量聚乙烯纤维35份的组合，短纤维长度均为12mm，中空玻璃纤维内含混凝土修复剂；微胶囊为微纳米C-S-H晶核型，内含混凝土修复剂；功能型掺合料按质量比组成为：微硅粉20份、纳米二氧化硅粉3份、偏高岭土15份和矿粉62份；功能型外加剂按质量比组成为：减水剂97.2份、消泡剂0.1份、保水剂0.4份、调凝剂2份、粘度调节剂0.3份。

实施例2：各组分按质量比如下：珊瑚砂细骨料22份、珊瑚石粉10份、水10份、水泥32份、膨胀剂2份、短纤维1份、中空玻璃纤维0.05份、微胶囊1份、功能型掺合料17份、功能型外加剂5份组成。其中，珊瑚砂细骨料取自海洋珊瑚岛礁，按质量比组成为：10目~70目40份、70目~150目40份、150目~200目30份；珊瑚石粉为海洋珊瑚礁沙筛分、碾磨而得，粒径小于200目；水为海水；水泥为SAC42.5硫铝酸盐水泥；膨胀剂由钙矾石型膨胀剂80份和低活性MgO型20份组成；短纤维按质量比组成为聚乙烯醇纤维60份、超高分子量聚乙烯纤维35份的组合，短纤维长度均为10mm，中空玻璃纤维内含混凝土修复剂和阻锈剂；微胶囊为微纳米C-S-H晶核型，内含混凝土修复剂和阻锈剂；功能型掺合料按质量比组成为：微硅粉10份、纳米二氧化硅粉1份、偏高岭土18份和矿粉71份；功能型外加剂按质量比组成为：减水剂94份、消泡剂0.1份、保水剂0.4份、调凝剂5份、粘度调节剂0.01份。

实施例3：各组分按质量比如下：珊瑚砂细骨料15份、珊瑚石粉0.1份、水5份、水泥20份、膨胀剂1份、短纤维0.01份、中空玻璃纤维0.1份、微胶囊0.1份、功能型掺合料12份、功能型外加剂3份组成。其中，珊瑚砂细骨料取自海洋珊瑚岛礁，按质量比组成为：10目~70目40份、70目~150目40份、150目~200目30份；珊瑚石粉为海洋珊瑚礁沙筛分、碾磨而得，粒径小于200目；水为海水；水泥为SAC42.5硫铝酸盐水泥；膨胀剂由钙矾石型膨胀剂70份和低活性MgO型30份组成；短纤维按质量比组成为聚乙烯醇纤维55份、超高分子量聚乙烯纤维45份的组合，短纤维长度均为14mm，中空玻璃纤维内含混凝土修复剂和阻锈剂；微胶囊为微纳米C-S-H晶核型，内含混凝土修复剂和阻锈剂；功能型掺合料按质量比组成为：微硅粉20份、纳米二氧化硅粉3份、偏高岭土15份和矿粉60份；功能型外加剂按质量比组成为：减水剂96.2份、消泡剂0.4份、保水剂0.8份、调凝剂0.01份、粘度调节剂0.5份。

实施例4：各组分按质量比如下：珊瑚砂细骨料40份、珊瑚石粉1份、水5份、水泥25份、膨胀剂5份、短纤维0.1份、中空玻璃纤维0.1份、微胶囊0.01份、功能型掺合料12份、功能型外加剂5份组成。其中，珊瑚砂细骨料取自海洋珊瑚岛礁，按质量比组成为：10目~70目40份、70目~150目40份、150目~200目30份；珊瑚石粉为海洋珊瑚礁沙筛分、碾磨而得，粒径小于200目；水为海水；水泥为SAC42.5硫铝酸盐水泥；膨胀剂由钙矾石型膨胀剂70份和低活性MgO型30份组成；短纤维按质量比组成为聚乙烯醇纤维60份、超高分子量聚乙烯纤维40份的组合，短纤维长度均为15mm，中空玻璃纤维内含混凝土修复剂和阻锈剂；微胶囊为矿化菌型，内含混凝土修复剂和阻锈剂；功能型掺合料按质量比组成为：微硅粉20份、纳米二氧化硅粉1份、偏高岭土12份和矿粉65份；功能型外加剂按质量比组成为：减水剂98份、消泡剂0.01份、保水剂0.05份、调凝剂0.05份、粘度调节剂0.2份。

实施例5：各组分按质量比如下：珊瑚砂细骨料35份、珊瑚石粉3份、水12份、水泥22份、膨胀剂5份、短纤维2份、中空玻璃纤维0.08份、微胶囊3份、功能型掺合料20份、功能型外加剂4份组成。其中，珊瑚砂细骨料取自海洋珊瑚岛礁，按质量比组成为：10目~70目40份、70目~150目40份、150目~200目30份；珊瑚石粉为海洋珊瑚礁沙筛分、碾磨而得，粒径小于200目；水为海水；水泥为SAC42.5硫铝酸盐水泥；膨胀剂由钙矾石型膨胀剂70份和低活性MgO型30份组成；短纤维按质量比组成为聚乙烯醇纤维65份、超高分子量聚乙烯纤维40份的组合，短纤维长度均为12mm，中空玻璃纤维内含混凝土修复剂和阻锈剂；微胶囊为矿化菌型，内含混凝土修复剂和阻锈剂；功能型掺合料按质量比组成为：微硅粉15份、纳米二氧化硅粉2份、偏高岭土10份和矿粉75份；功能型外加剂按质量比组成为：减水剂90份、消泡剂0.5份、保水剂0.2份、调凝剂1份、粘度调节剂0.05份。

为了评价本发明提出的珊瑚-水泥基复合材料的性能，制备100mm×100mm×100mm试件进行抗压强度测试。制备直径为100mm的圆柱体进行抗拉强度测试。制备直径为100mm的圆柱体切割成厚50mm、直径100mm试件进行氯离子电通量试验。制备直径为100mm的圆柱体，养护至28d时，进行直拉试验，当试件拉应变达3%时，停止试验，将试件中间部分切割成厚50mm、直径100mm试件进行氯离子电通量试验，并在远海岛礁模拟环境中（95%RH，32℃）放置（自修复）56d后再进行氯离子电通量试验，以比较材料的自修复能力。参照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行自收缩、氯离子电通量试验，试验结果参见表2。

表2 实施例1~5的材料性能

组别

28d抗压强度

28d抗拉强度

28d抗拉试验极限拉应变

28d抗拉试验极限拉应力时最大裂纹宽度

28d抗拉试验前电通量

28d抗拉试验后电通量

28d抗拉试验后56d电通量

28d自收缩（负值表示膨胀）

实施例1

91.4MPa

8.2MPa

3.5%

0.085mm

208C

3845C

502C

-41με

实施例2

78.9MPa

7.7MPa

3.2%

0.092mm

255C

3654C

488C

-96με

实施例3

90.8MPa

8.1MPa

3.3%

0.079mm

234C

3735C

513C

-55με

实施例4

85.4MPa

7.9MPa

3.7%

0.081mm

221C

3824C

492C

-61με

实施例5

88.6MPa

8.0MPa

3.1%

0.093mm

215C

3695C

508C

-86με

由表2可见，本发明制备的珊瑚-水泥基复合材料具有高延性（极限拉应变大于3%）、裂缝宽度可控（小于0.1mm）、微裂缝自愈合（56d后，氯离子电通量显著降低，表明裂缝呈明显自愈合）、微膨胀（一般混凝土收缩几百个με，实施例1-5不收缩，还稍有膨胀）、高耐久等优点，性能优异。

本发明的另一方面提供一种珊瑚-水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将自然干燥的珊瑚砂细骨料、珊瑚石粉与膨胀剂充分搅拌混匀；

（2）将上一步得到的混匀料与水泥、功能型掺合料、功能型外加剂的固体部分共同搅拌混匀；

（3）将上一步得到的混匀料与水、功能型外加剂的液体部分充分搅拌混匀；

（4）再向上一步得到的混匀料中边搅拌边加入短纤维、中空玻璃纤维、微胶囊，并充分搅拌均匀，制备出珊瑚-水泥基复合材料。

本发明的又一方面提供一种珊瑚-水泥基复合材料的使用方法：

对于浇筑成型的结构构件，包括如下步骤：

（1）将网格型增强物在目标结构构件的设计位置铺设或安装固定；容易理解，目标结构构件即是指要浇筑成型的结构构件，例如将要浇筑的一片梁；

（2）向网格型增强物浇筑珊瑚-水泥基复合材料，让其自密实成型，并对构件成型面抹平、收光和养护；

对于喷射成型的结构部位，包括如下步骤：

（1）采用FRP筋或不锈钢钢筋进行植筋增强界面粘接，并辅助后续挂网安装；

（2）将网格型增强物在目标结构构件的设计位置铺设或挂网固定；

（3）将珊瑚-水泥基复合材料采用砂浆喷涂机分层喷射覆盖网格型增强物，喷至设计厚度后视情况及时进行抹压、收光和养护。如图3所示，图3示出了实验室喷射覆盖网格型增强物施工示意。

在一些实施例中，网格型增强物为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维网格型增强织物或网格型增强格栅中的一种或多种组合。

在一些实施例中，网格型增强物的网格为正方形、长方形、菱形、三角形、6边以内的正多边形中的一种或多种组合。

本发明的又一方面提供一种珊瑚-水泥基复合材料在热带远海岛礁抗冲击、高耗能、高抗震结构中的应用。如图4所示，图4示出了在热带远海岛礁高抗震结构中的应用施工示意。

本发明的又一方面提供一种珊瑚-水泥基复合材料在热带远海岛礁防护、抗震性能较差的既有建、构筑物的快速抗震加固和防护性能提升中的应用。如图5所示，图5示出了在既有构筑物的快速防护性能提升中的应用施工示意。

对于抗震加固、防护增强、耗能抗冲击等目标需求，尤其是冲击荷载作用下的性能提升，一方面通过短纤维局部增强，把冲击能量转化为多缝开裂、纤维拔出（这二者有一个时间过程，一般加载速率越慢，实现的越好；加载速率越快，越不容易高质量实现多缝开裂，裂缝来不及充分扩展），形成很多新的裂纹表面（形成新的表面需要消耗能量）、拔出滑移损伤耗能，以此综合耗能。另一方面，格栅增强则是让冲击荷载在更长、更大的范围内实现瞬时快速传递，并是依靠连续格栅与更大范围内的基材的界面粘接被破坏和二者相对滑移来耗能，对冲击荷载的扩散会更快、范围会更大。因此，先通过增强格栅或者织物，把荷载迅速分散到更大范围的基材中，再通过短纤维在局部分散传递荷载和耗能。二者实现冲击荷载及其能量的长程传导和局部二次分散，有机配合。

本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

上文描述了几个说明性实施例，应当理解，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。此类变更、修改和改进旨在形成本公开的一部分并且旨在落入本发明的精神和范围内。虽然这里呈现的一些示例涉及功能或结构的特定组合，但是应当理解，这些功能和结构可以根据本发明以其他方式组合以实现相同或不同的目的。特别地，结合一个实施例讨论的动作、元素和特征不旨在被排除在其他实施例中的类似或其他角色之外。此外，本文的结构和组件可进一步分成附加组件或结合在一起以形成用于执行相同功能的更少组件。因此，前述描述和附图仅作为示例，并不旨在进行限制，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种珊瑚-水泥基复合材料，其特征在于，由以下原料按质量比混合而成：珊瑚砂细骨料15~40份、珊瑚石粉0.1~10份、水5~15份、水泥20~40份、膨胀剂1~5份、短纤维0.01~2份、中空玻璃纤维0.01~0.1份、微胶囊0.01~3份、功能型掺合料12~20份、功能型外加剂3~5份。

2.根据权利要求1所述的珊瑚-水泥基复合材料，其特征在于：

所述珊瑚砂细骨料取自海洋珊瑚岛礁，按质量比组成为：10目~70目35~45份、70目~150目35~45份、150目~200目25~35份；

和/或，所述珊瑚石粉为海洋珊瑚礁沙筛分、碾磨而得，粒径小于200目；

和/或，所述水为海水、淡化海水、岛礁降雨收集的淡水的一种或多种组合；

和/或，所述水泥为硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、磷酸镁水泥中的一种或多种组合；

和/或，所述膨胀剂为钙矾石型和低活性MgO型复合的双膨胀源的膨胀剂；

和/或，所述短纤维为聚乙烯醇纤维、超高分子量聚乙烯纤维的组合；

和/或，所述中空玻璃纤维内含混凝土修复剂、阻锈剂中的一种或两种组合；

和/或，所述微胶囊为矿化菌型、微纳米C-S-H晶核型、酯型胶囊中的一种或多种组合，微胶囊内含混凝土修复剂、阻锈剂中的一种或两种组合；

和/或，所述功能型掺合料由以下原料混合而成：微硅粉、纳米二氧化硅粉、偏高岭土、矿粉；

和/或，所述功能型外加剂由以下原料混合而成：减水剂、消泡剂、保水剂、调凝剂、粘度调节剂。

3.根据权利要求2所述的珊瑚-水泥基复合材料，其特征在于：

所述膨胀剂按质量比组成为：钙矾石型膨胀剂70~80份、低活性MgO型膨胀剂20~30份；

和/或，所述短纤维按质量比组成为：聚乙烯醇纤维55~65份、超高分子量聚乙烯纤维35~45份；

和/或，所述功能型掺合料按质量比组成为：微硅粉10~20份、纳米二氧化硅粉1~3份、偏高岭土10~20份、矿粉60~75份；

和/或，所述功能型外加剂按质量比组成为：减水剂90~98份、消泡剂0.01~0.5份、保水剂0.05~0.8份、调凝剂0.01~5份、粘度调节剂0.01~0.5份。

4.根据权利要求2所述的珊瑚-水泥基复合材料，其特征在于：

所述短纤维长度为10~15mm。

5.根据权利要求4所述的珊瑚-水泥基复合材料，其特征在于：

所述短纤维长度为12mm。

6.一种根据权利要求1~5任一项所述珊瑚-水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将自然干燥的珊瑚砂细骨料、珊瑚石粉与膨胀剂充分搅拌混匀；

（2）将上一步得到的混匀料与水泥、功能型掺合料、功能型外加剂的固体部分共同搅拌混匀；

（3）将上一步得到的混匀料与水、功能型外加剂的液体部分充分搅拌混匀；

（4）再向上一步得到的混匀料中边搅拌边加入短纤维、中空玻璃纤维、微胶囊，并充分搅拌均匀，制备出珊瑚-水泥基复合材料。

7.一种根据权利要求1~5任一项所述珊瑚-水泥基复合材料的使用方法，其特征在于：

对于浇筑成型的结构构件，包括如下步骤：

（1）将网格型增强物在目标结构构件的设计位置铺设或安装固定；

（2）向网格型增强物浇筑珊瑚-水泥基复合材料，让其自密实成型，并对构件成型面抹平、收光和养护；

对于喷射成型的结构部位，包括如下步骤：

（1）采用FRP筋或不锈钢钢筋进行植筋增强界面粘接，并辅助后续挂网安装；

（2）将网格型增强物在目标结构构件的设计位置铺设或挂网固定；

（3）将珊瑚-水泥基复合材料采用砂浆喷涂机分层喷射覆盖网格型增强物，喷至设计厚度后视情况及时进行抹压、收光和养护。

8.根据权利要求7所述的珊瑚-水泥基复合材料的使用方法，其特征在于：

所述网格型增强物为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维网格型增强织物或网格型增强格栅中的一种或多种组合；

和/或，所述网格型增强物的网格为正方形、长方形、菱形、三角形、6边以内的正多边形中的一种或多种组合。

9.一种根据权利要求1~5任一项所述珊瑚-水泥基复合材料在热带远海岛礁抗冲击、高耗能、高抗震结构中的应用。

10.一种根据权利要求1~5任一项所述珊瑚-水泥基复合材料在热带远海岛礁防护、抗震性能较差的既有建、构筑物的快速抗震加固和防护性能提升中的应用。

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