[发明专利]一种超高韧性水泥基复合材料的设计方法

说明书

本申请涉及一种超高韧性水泥基复合材料及其设计方法，先根据最紧密堆积模型确定超高韧性水泥基复合材料不同配合比时各固体组分的级配分布状态，形成多组不同组成的基体；改变各组基体中细长纤维的掺量，在满足抗压强度的条件下选择细长纤维掺量最低的一组基体作为优选组，采用细短纤维部分取代优选组中的细长纤维，测定不同取代率时的抗折强度，根据优选组对应的细长纤维掺量、满足抗折强度的取代率确定细长纤维和细短纤维的优选掺量，按确定的优选组配合比、细长纤维和细短纤维的优选掺量制备超高韧性水泥基复合材料。本申请为确定纤维的合理掺量提供了科学简单的方法，以避免过量使用纤维造成浪费以及纤维掺量过少导致复合材料强度不足的问题。

技术领域

本发明属于混凝土材料领域，具体涉及一种超高韧性水泥基复合材料及其设计方法。

背景技术

超高韧性水泥基复合材料是一种结合了高性能混凝土基体和纤维增强材料性能的新型水泥基建筑材料，其性能上表现为超高的力学性能和优异的耐久性能。超高韧性水泥基复合材料在活性粉末超高韧性水泥基复合材料的基础上发展而来，一经问世便引起广泛关注，其制备原理主要为：剔除粗骨料、掺入超细活性粉末，通过紧密堆积理论提高堆积密实度，使用高效减水剂降低水胶比，另外掺入适量微细纤维增强韧性。超高韧性水泥基复合材料的性能优点决定了其在增强建筑结构力学稳定性、延长结构服役寿命、降低建筑全周期成本和能耗方面具有独特优势。

超高韧性水泥基复合材料优异的韧性可以满足桥面铺装对混凝土材料抗拉强度的要求，与正交异性板钢桥面结合形成的组合桥面可以显著提高桥面刚度，降低正交异性板的应力幅，提高钢桥面板疲劳寿命，一举解决钢桥面铺装层损坏和钢桥面板疲劳开裂两大技术难题，该项技术已相继应用于蒙华铁路洞庭湖特大桥、荆州长江公铁大桥、成贵铁路金沙江大桥、军山长江大桥以及沪通长江大桥等大型公路铁路桥梁工程。

超高韧性水泥基复合材料的力学性能立足于水泥基复合材料基体强度与纤维的增韧作用，基体的高强度与加入适量纤维形成良好匹配是制备超高韧性水泥基复合材料的关键技术之一。然而，对超高韧性水泥基复合材料进行系统的设计理论研究相关技术并不多，对纤维的合适掺量缺乏科学依据，其用法上还是以试验、经验为主，没有可以参考的标准或者方法，这样可能导致超高韧性水泥基复合材料的纤维用量选择不当，制备的超高韧性水泥基复合材料表现出性能的相对多样性和不可控性，纤维的过量使用甚至会降低了超高韧性水泥基复合材料的性能。

发明内容

本申请提供一种超高韧性水泥基复合材料及其设计方法，以避免过量使用纤维造成浪费以及纤维掺量过少导致超高韧性水泥基复合材料强度不足的问题。

一方面，本申请提供一种超高韧性水泥基复合材料的设计方法，包括如下步骤：

S1.固定超高韧性水泥基复合材料中胶凝材料的种类，根据最紧密堆积模型确定不同配合比时固体颗粒所占比例，形成多组不同组成的基体；

S2.在S1的各组基体中分别加入不同掺量的细长纤维，测定各组基体在不同细长纤维掺量时的抗压强度，满足抗压强度的条件下选择细长纤维掺量最低的一组基体作为优选组；

S3.采用细短纤维部分取代优选组中的细长纤维，测定不同取代率时超高韧性水泥基复合材料的抗折强度，计算不同取代率对应的增韧效率，确定满足抗折强度要求的增韧效率；

S4.根据优选组对应的细长纤维掺量、满足抗折强度的增韧效率对应的取代率确定优选组中细长纤维和细短纤维的优选掺量，按确定的优选组配合比、细长纤维和细短纤维的优选掺量制备超高韧性水泥基复合材料。

优选地，步骤S1还包括固定胶凝材料的总重量。

优选地，胶凝材料包括水泥、硅灰、粉煤灰、矿粉和超细石灰石粉。

优选地，步骤S1中最紧密堆积模型的公式如式(I)所示：