[发明专利]一种喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于铁路公路隧道、矿山巷道支护等工程的纤维增强水泥基复合材料及其制备方法，特别是涉及一种喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料及其制备方法，属于建筑材料技术领域。

背景技术

高延性纤维混凝土材料理论最早是由美国University of Michigan的Victor C. Li教授和Massachusetts Institute of Technology的Christopher K. Y. Leung教授于1992年提出来的，最早是试图用聚乙烯纤维（Polyethylene，简称PE）来解决水泥基复合材料的增强、增韧问题。1997年Victot. C. Li 等人开始将PVA用于ECC，制成了聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol ,简称PVA)纤维增强水泥基复合材料。PVA纤维亲水、无毒、环保，其成本是等体积高弹模PE 纤维的1/ 8且明显低于钢纤维, 高强、高弹PVA 纤维的抗拉强度和弹性模量都高于聚丙烯(Polypropy--lene,简称PP) 纤维。

我国研究人员对高性能纤维水泥基复合材料进行了进一步的研究开发，例如，公成旭、张君在题为《高韧性纤维增强水泥基复合材料的抗拉性能》的文章中报道了高韧性聚乙烯醇纤维(PVA)增强水泥基复合材料的配合比、制备过程以及拉伸力学性能，其特征在于：以纤维掺量和砂胶比为基本设计参数，通过调整水胶比和粉煤灰掺量来研究其性能；沈阳美洋建设项目管理有限公司的俞家欢在2012年申请了专利（201010010157.4）“一种强韧性聚丙烯纤维增强水泥基复合材料及其制备方法”，其专利特征在于：采用了两种化学添加剂：增稠剂、超塑剂，并调整了增稠剂的添加量。上述制备方案中给出的纤维增强水泥基复合材料虽然都得到了应变硬化现象以及复合开裂效果，但都是采用模注施工方法。2012年3月14日东南大学的钱吮智、张志刚、赵婷、孙佳、崔凯、吴进、章静然申报了专利（201210066241. 7）“高延性水泥基复合材料预拌方法”，该发明提供了高延性水泥基复合材料预拌技术，主要是在在大型搅拌站/楼/机中，对加入的水泥、粉煤灰、纤维、石英砂和粉状高效减水剂等进行搅拌，使得各组分混合均匀，运到施工现场加水搅拌，模注施工。

深部开采巷道支护一直是国内外采矿界公认的难题之一。由于开采深度增加，地应力逐渐增大，若不采取适当的支护方式，巷道围岩变形更加剧烈、支护也更加困难，变形的累积将导致巷道失稳破坏。因此研究高强、高韧性的ECC复合材料(抗压强度为40MPa左右，弯曲韧性μ₃₀ 为30以上)支护的课题被提了出来。在目前的支护方式下，巷道在服务期内屡遭破坏，而需多次翻修（据江苏大屯矿区，安徽淮北矿区统计，每米巷道每年的修复费就需要2000元以上），全国深部开采巷道每年的修复费高达36亿元以上，这严重影响了矿井

正常生产和企业的经济发展，深井巷道支护是煤炭开采需要解决的关键技术之一。

2009年本项目申请组毕远志、张大林、姜勇、华渊、姜晨光等人完成了与皖北煤电集团公司合作的“纤维混凝土在软岩巷道支护的研究项目”。对改性聚丙烯（粗）纤维混凝土在煤矿埋深620 m的软岩巷道进行了纤维混凝土支护研究，取得了科研成果。在2009年完成了“孔庄煤矿深部巷道纤维混凝土支护应用技术的研究”，课题申请人毕远志等将科研成果发表在《煤炭学报》2010年第12期上，“高韧性纤维混凝土在深部软岩巷道支护中的应用”等3篇论文；3篇论文对改性聚丙烯（粗）和混杂纤维混凝土增强增韧特性及在深井支护中的应用进行了研究，取得了一些科研成果，为本发明奠定了理论基础和实践经验。上述研究课题提出了将高延性PVA纤维与粉煤灰等其他添加剂掺加到水泥基材料中形成高延性的材料，通过喷射工艺使这种水泥基复合材料在地下空间围岩表面成形的制备方法，通过喷射工艺完成对深井地下空间的支护。

江南大学毕远志课题组2012年9月在上海能源大屯煤电集团公司孔庄煤矿-1050水平大巷进行了喷射型PVA（聚乙烯醇纤维）纤维混凝土的试验，取得了非常好的支护效果，图1为大板取样力学特性检测。

从图1可以看出高延性复合水泥基复合材料具有以下特性：

（1）应变硬化特性，不同于金属材料的冷拉时效，高延性复合水泥基复合材料的应变硬化过程伴随着多裂缝的开展，外力消失后，裂缝自然合拢，是一个损伤累积的过程，因此也被称为准应变硬化。

（2）应变硬化是在受拉情况下的应变硬化。一些纤维体积掺率较大的混凝土在弯曲荷载作用下也呈现出应变硬化的特性，但在直接拉伸荷载作用下仍表现为应变软化。