[发明专利]一种高强度高延性高耐水性水泥基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高强度高延性高耐水性水泥基复合材料及其制备方法，属于高强度高延性高耐水性建筑材料技术领域。

背景技术

混凝土作为应用最广的建筑材料，在日常生活和国民经济建设中的地位可谓是举足轻重。为克服混凝土固有脆性高、收缩大、易开裂的缺陷，不同种类的纤维增强混凝土应用而生，其中最具代表性的、同时也是应用最广的则是超高性能纤维增强水泥基复合材料(Ultra High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composite，UHPFRCC)和高延性水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites，ECC)，分别对应于钢纤维增强与有机合成纤维增强，合成纤维中又以聚乙烯醇(PVA)纤维最具代表性。聚乙烯醇纤维是由含有多羟基、强氢键的乙烯醇系高分子聚合物所组成，分子结构式如式1所示：

PVA纤维作为少数结晶性的水溶性高分子材料，具有优异的亲水性、成纤性、表面特性、耐酸碱性和力学性能。不论在我国还是欧美等发达国家，纤维增强混凝土已得到了广泛应用，并且我国、美国、欧盟、日本等国家或地区均出台了专门的纤维增强混凝土设计规范。

尽管钢纤维也有很好的增强增韧效果，但它并没有改变混凝土的脆性本质，裂缝数量少，应变硬化效果差，拉伸荷载下的极限延性很少能超过0.5％。为从根本上克服混凝土延性差的缺陷，美国密歇根大学的Victor Li等以PVA纤维为增强材料，制备了一种ECC，并提出了该材料的设计理论。该材料的应变硬化拉伸延性达到3％以上，裂缝宽度小于100μm，该材料弥补了水泥基材料无法实现大应变的缺陷，在建筑材料领域具有里程碑式的意义，并且该材料在桥梁、高层建筑等一些对延性和挠度有很高要求的工程结构部分已经取得了良好的使用效果。ECC设计理论指出：在受力过程中，纤维与基体作为一个整体共同承受荷载，当ECC内部的微裂缝张开宽度达到临界宽度或者裂缝尖端的应力强度达到混凝土基体极限断裂韧度时，裂缝将开始不稳定扩展，通过对纤维-基体界面粘结性能的有效调控，可使纤维在脱粘后的拔出过程中仍能有效的传递和承受荷载，并且在此过程中新裂缝不断生成，从而实现了应力不断提高的应变硬化效果。纤维的加入不仅很好抑制了混凝土的开裂，提高了弯拉强度和延性，而且减缓了裂后(post-cracking)应力下降速度。除此之外，ECC的抗疲劳、热负荷、抗冲击、能量吸收、工程安全系数等特性均显著提高。纤维的加入有效抑制了微裂缝的形成并阻挡了裂纹的扩展，从而起到了很好的抗裂作用并吸收了大量能量。普通素混凝土一旦超出极限弯拉强度则迅速损毁，对ECC而言，硬化后浆体所握裹的高强纤维丝对裂缝有搭接作用，对分离的硬化块体有牵连作用，使混凝土裂而不断，并能进一步承受荷载，即便荷载超过ECC所能承受的极限荷载时也不会发生爆裂性损坏，安全系数显著提高。尽管ECC具有很多独特的优点，但现存的ECC均存在抗压强度偏低的缺陷，其抗压强度几乎没有超过100MPa的，对于那些对强度和延性均有极高要求的建筑结构来讲，现有的ECC仍无法满足结构要求。同时现有ECC也存在着防水性不足的缺点，一旦有裂缝产生，夹杂着不同有害物质的外部水分就会快速渗透到ECC所包覆的钢筋部分，加速钢筋锈，使用寿命缩短。因此，在保持ECC高延性的同时，如何提高其强度和耐水性成为近年来的研究热点。