[发明专利]一种高初裂应变纤维增强聚合物改性水泥复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种高初裂应变纤维增强聚合物改性水泥复合材料及其制备方法。

背景技术

1992年，ACE-MRL的美国密歇根大学教授Victor C. Li利用断裂力学和微观力学原理，首次对水泥基复合材料进行系统地设计、调整和优化，通过对稳态开裂和多缝开裂的研究，从理论上论述了配制具有超高韧性的水泥基复合材料ECC——Engineering Cementitous Composite的可行性。最初的ECC只是一种泛指的提法，而发展至今天，由于其在韧性方面极为突出的性能，开始被一些学者称为“超高韧性水泥基材料”(Ultra High Toughness Cementitious Composites，UHTCC)，并定义为：使用短纤维增强，且纤维掺量不超过复合材料总体积的2.5%， 硬化后的复合材料具有显著的应变硬化特征，在拉伸荷载作用下可产生多条细密裂缝，极限拉伸应变可稳定地达到3%以上。

2005年日本北海道三原大桥，使用了钢-ECC 复合结构，使该桥桥面板很薄。ECC 超高的拉伸韧性和裂缝致密的特点，使得桥面板自重得以降低40%，预计寿命可达100年[i]。而同在北海道的美原大桥，2005年在开通后，大桩号侧引桥左幅左轮迹处桥面相继产生一些破坏，主要表现为唧浆，泛白以及开裂等，通过调查发现铺装内积水，下层的ECC有压碎现象，通过室内加载试验，在有水的环境下，由于水压力的影响，ECC结构的疲劳寿命明显低于干燥状态下的寿命。

虽然ECC弹性模量高，力学性能不错，而且韧性好，施工也相对方便，但材料的极限拉伸应变是以裂缝的方式产生的，水泥基体本身的应变非常小，也容易开裂，所以，在实际应用中，容易出现因为裂缝导致的耐久性问题，上述美原大桥的实例，事实上宣布了这种所谓超高韧性的水泥基复合材料的“死刑”。

近年来，还有人采用钢纤维制备所谓超高性能ECC材料，期望通过钢纤维提高材料的模量，从而降低实际变形，减少开裂引起的耐久性问题。但由于基体本身的脆性特点没有变化，其初始开裂应变仍然只有100~200微应变左右，因而，可以预料，其耐久性问题与之前的ECC材料是相似的。

因此，提高基体的韧性和初始开裂应变，才是有效的办法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高初裂应变纤维增强聚合物改性水泥复合材料及其制备方法。

本发明提出的高初裂应变纤维增强聚合物改性水泥复合材料，由水泥、砂、聚合物乳液、合成聚合物纤维、消泡剂和水按一定配比组合而成。其原理是，当一定模量的柔软聚合物微区分散在脆性的水泥材料中时，柔软的聚合物因为受到坚硬的水泥组分的约束而变得更强的同时，赋予复合材料整体一定的变形能力。其关键之处是根据聚合物本身的模量大小控制在水泥基体中的聚合物微区的尺寸，并通过适量的高模量纤维增强这种组合。

本发明提出的高初裂应变纤维增强聚合物改性水泥复合材料，其特征在于由水泥、中砂、聚合物乳液、合成聚合物纤维、消泡剂和水组成，其组份配比如下：

组分                                    质量份

水泥                                     100

聚合物乳液（固体质量）                   15~20

砂                                       50~150

聚合物乳液中的水和水                       30

其中：合成聚合物纤维的加入量为复合材料总体积的1~2%，

所述聚合物乳液为苯丙乳液，其固含量为50%。

本发明中，所述水泥为普通硅酸盐水泥。

本发明中，所述砂为中砂。

本发明中，所述合成聚合物纤维为油性表面处理PVA纤维。

本发明提出的高初裂应变纤维增强聚合物改性水泥复合材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）按原料配比称量各组分，将聚合物乳液和水倒入搅拌锅中；

（2）向锅中加入水泥， 搅拌30s

（3）向步骤（2）所得产物中加入砂，搅拌30s；

（4）向步骤（3）所得产物中加入合成聚合物纤维，搅拌2min，即得所需混合物，将其浇筑成型，养护，得到所述复合材料。

本发明具有如下的优点：