本發明涉及水泥基復合材料的制備方法，具體地說是一種具有高裂縫控制能力、能量吸收能力以及高韌性特點的纖維增強高韌性高阻尼水泥基復合材料的制備方法。

背景技術：

現代土木工程建筑中，以水泥、水、骨料、礦物摻合料和外加劑為主要組成材料的混凝土由于具有原料來源廣、制備工藝簡單、成型方便和價格低廉等特點，得到了廣泛的應用，盡管混凝土在建筑材料領域具有諸多優勢，卻仍然存在抗拉強度低、韌性差、阻尼低等不足，應力作用下，當混凝土產生第一條裂縫后迅速發生裂縫連通擴展，導致混凝土發生脆性破壞，同時對于頻繁遭受移動荷載、沖擊荷載、地震作用的混凝土建筑結構，會出現不同程度的損傷乃至斷裂破壞，導致這一問題的主要原因是混凝土的阻尼性能差。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有技術存在的缺陷，提供一種具有高裂縫控制能力、能量吸收能力以及高韌性特點的纖維增強高韌性高阻尼水泥基復合材料的制備方法。

本發明的目的是通過以下技術方案解決的：

一種纖維增強高韌性高阻尼水泥基復合材料的制備方法，其特征在于：該水泥基復合材料所采用的原料為：水泥、粉煤灰、水、石英砂、減水劑、增稠劑、消泡劑、分散劑和纖維，其中水泥：粉煤灰：水：石英砂：減水劑：增稠劑按質量比為1：(0.8～2.5)：(0.56～1.2)：（0.64～1.35）：（0.015～0.2）：(0.0025～0.01)，消泡劑的質量摻量為減水劑質量摻量的4%～6%，按水泥和粉煤灰質量用量的0.15%～0.20%選取分散劑，按水、水泥、粉煤灰及石英砂總體積的1%～2.5%選取纖維；所述的纖維為采用硅烷偶聯劑處理后的聚乙烯醇纖維；上述材料按照配比投入攪拌機中攪拌均勻后即可制得所需的纖維增強高韌性高阻尼水泥基復合材料。

所述制備方法的步驟為：首先將稱好的粉煤灰、水泥、石英砂及增稠劑放入攪拌機進行干拌；然后加入水、減水劑、消泡劑和分散劑進行攪拌，最后保持砂漿攪拌機處于快速攪拌狀態時，加入用硅烷偶聯劑浸漬過的聚乙烯醇纖維后繼續攪拌直至纖維分散均勻即完成所需的纖維增強高韌性高阻尼水泥基復合材料的制備。

所述制備方法的詳細步驟為：首先將稱好的粉煤灰、水泥、石英砂及增稠劑放入攪拌機進行干拌3～5分鐘；然后加入水、減水劑、消泡劑和分散劑進行攪拌2～5分鐘，最后保持砂漿攪拌機處于快速攪拌狀態時，加入用硅烷偶聯劑浸漬過的聚乙烯醇纖維后繼續攪拌4～5分鐘直至纖維分散均勻即完成所需的纖維增強高韌性高阻尼水泥基復合材料的制備。

用硅烷偶聯劑浸漬過的聚乙烯醇纖維需要花費4～5分鐘加入攪拌機且聚乙烯醇纖維需要沿著攪拌機攪拌的方向放入。

所述聚乙烯醇纖維的硅烷化處理方法為：將稱好的聚乙烯醇纖維浸入溫度不低于90℃、質量濃度為0.8%的KH570硅烷偶聯劑水溶液中浸泡1～2h，然后過濾、晾干再干燥即可。

所述的纖維采用彈性模量42Gpa、長徑比7%的聚乙烯醇纖維；所述的硅烷偶聯劑采用γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷。

所述的水泥采用海螺牌P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥；采用的粉煤灰是I級粉煤灰；采用的石英砂的粒徑為75-147μm。

所述的分散劑采用十二烷基苯磺酸鈉；減水劑采用減水率為30%的聚羧酸減水劑；增稠劑采用羥丙甲基纖維素醚；消泡劑采用磷酸三丁酯。

所述的水采用密度為 1.0g/cm³、符合《混凝土用水標準》（JGJ63-2006）要求的普通自來水。

所述的攪拌機采用行星式水泥膠砂攪拌機。

針對混凝土阻尼性能差的問題，在混凝土中加入外加劑進行表面改性處理，水泥基體中加入硅烷偶聯劑處理過的聚乙烯醇纖維（PVA纖維），提高混凝土的韌性及阻尼性能。基于裂縫的橋接和微觀斷裂力學方法，提出的應變硬化和多重裂縫開裂的依據，

其中為臨界的纖維體積摻量，從三個方面考慮1、基體韌性：與成正比，通過水膠比控制，為裂縫尖端韌度；2、界面粘結力：與τ成反比，提高界面摩擦力τ的大小；3、纖維長度：根據公式及現有國內外研究，選用12mm長的PVA纖維。

在水泥砂漿中加入硅烷偶聯劑，硅烷偶聯劑可以保證延性的前提下提高材料的拉伸強度，原因是化學共價鍵形成后會成為一種網絡交聯結構，可以像“爪子”一樣緊緊“抓牢”無機材料與有機材料，在強迫振動的條件下，界面摩擦將機械能轉化為熱能。借鑒硅烷偶聯劑在玻璃纖維中的應用，對PVA纖維采用前處理法進行表面處理。纖維在水泥基體中的分散效果是影響測量效果的重要因素，在水泥基體中加入分散劑，分散劑選用十二烷基苯磺酸鈉，處理后的PVA-ECC較未添加分散劑的整體分散效果好，較少的纖維出現團結現象，這主要由于非離子型的分散劑吸附在纖維上導致的空間位阻效應，有效地克服纖維間的范德華力作用，可以使得纖維呈現單根狀，以此增加分散性，但是分散劑的使用會加入雜質，所以必須控制其用量。

本發明相比現有技術有如下優點：

本發明制備的纖維增強高韌性高阻尼水泥基復合材料具有高裂縫控制能力、能量吸收能力以及高韌性的特點，得到的纖維水泥砂漿在澆筑成型后可用于構件或兼做其他構件的外保護層，能夠顯著提高混凝土構件的耐久性和使用壽命，同時也大大提高了結構的抗震性能。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明作進一步的說明。

一種纖維增強高韌性高阻尼水泥基復合材料的制備方法，該水泥基復合材料所采用的原料為：水泥、粉煤灰、水、石英砂、減水劑、增稠劑、消泡劑、分散劑和纖維，其中水泥：粉煤灰：水：石英砂：減水劑：增稠劑按質量比為1：(0.8～2.5)：(0.56～1.2)：（0.64～1.35）：（0.015～0.2）：(0.0025～0.01)，消泡劑的質量摻量為減水劑質量摻量的4%～6%，按水泥和粉煤灰質量用量的0.15%～0.20%選取分散劑，按水、水泥、粉煤灰及石英砂總體積的1%～2.5%選取纖維；纖維為采用硅烷偶聯劑處理后的聚乙烯醇纖維；上述材料按照配比投入攪拌機中攪拌均勻后即可制得所需的纖維增強高韌性高阻尼水泥基復合材料。上述材料和設備中，纖維采用彈性模量42Gpa、長徑比7%的聚乙烯醇纖維；硅烷偶聯劑采用γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH570）；水泥采用海螺牌P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥；采用的粉煤灰是I級粉煤灰；采用的石英砂的粒徑為75-147μm；分散劑采用十二烷基苯磺酸鈉，也叫四聚丙烯基苯磺酸鈉，是一種白色粉粉末固體，其溶于水會變成半透明溶液，主要用作于陰離子型的分散劑；減水劑采用減水率為30%的聚羧酸減水劑；增稠劑采用羥丙甲基纖維素醚；消泡劑采用磷酸三丁酯；水采用密度為 1.0g/cm³、符合《混凝土用水標準》（JGJ63-2006）要求的普通自來水；攪拌機采用行星式水泥膠砂攪拌機。

制備纖維增強高韌性高阻尼水泥基復合材料（PVA-ECC）的原材料包括水泥、粉煤灰、石英砂、聚乙烯醇纖維、水以及減水劑，構成PVA-ECC的原材料有膠凝材料（水泥和粉煤灰）、細骨料（石英砂）以及水，聚乙烯醇（PVA）纖維是增強材料。該制備方法的詳細步驟為：首先將稱好的粉煤灰、水泥、石英砂及增稠劑放入攪拌機進行干拌3～5分鐘；然后加入水、減水劑、消泡劑和分散劑進行攪拌2～5分鐘，最后保持砂漿攪拌機處于快速攪拌狀態時，加入用硅烷偶聯劑浸漬過的聚乙烯醇纖維后繼續攪拌4～5分鐘直至纖維分散均勻即完成所需的纖維增強高韌性高阻尼水泥基復合材料的制備。聚乙烯醇纖維的硅烷化處理方法為：將稱好的聚乙烯醇纖維浸入溫度不低于90℃、質量濃度為0.8%的KH570硅烷偶聯劑水溶液中1～2h，然后過濾、晾干再干燥即可；由于PVA-ECC中沒有粗骨料，所以為了使纖維的分散效果更好的話，用硅烷偶聯劑浸漬過的聚乙烯醇纖維需要花費4～5分鐘加入攪拌機且聚乙烯醇纖維需要沿著攪拌機攪拌的方向放入，直到纖維攪拌分散均勻。漿體的自重以及攪拌機對水泥基的作用能夠對PVA-ECC產生輔助混合的作用。另外，在制備PVA-ECC過程加入了分散劑，這樣更有助于纖維在基體分散的均勻性。因此，只要科學的控制原材料投入順序，合理的使用減水劑，這樣就可以制備出優良工作性能的PVA-ECC。

下面通過具體實施例來對本發明提供的制備方法進行進一步的解釋說明。

實施例一

水泥是42.5#普通硅酸鹽水泥；水是普通的自來水，密度為 1.0g/cm³，符合《混凝土用水標準》（JGJ63-2006）要求；粉煤灰是I級粉煤灰；砂是石英砂，粒徑為75-147μm；纖維是聚乙烯醇纖維（PVA），彈性模量42Gpa，長徑比7%；減水劑是聚羧酸減水劑，減水率30%；增稠劑是羥丙甲基纖維素醚；分散劑是十二烷基苯磺酸鈉分散劑；硅烷偶聯劑是KH570（γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷）；消泡劑是磷酸三丁酯。

水泥：粉煤灰：水：石英砂：減水劑：增稠劑按質量比為1：1.5：0.57：0.9：0.18：0.003，按上述質量比選擇水泥、水、粉煤灰、石英砂、減水劑、增稠劑，消泡劑的質量摻量為減水劑質量摻量的4%，按水泥和粉煤灰用量（質量）的0.15%選取分散劑，按水、水泥、粉煤灰及石英砂總體積的1.0%選取聚乙烯醇纖維。將稱好的聚乙烯醇纖維浸入溫度為95℃、質量濃度為0.8%的KH570硅烷偶聯劑水溶液中浸泡1h，然后過濾、晾干再干燥。將上述水泥、水、粉煤灰、石英砂、減水劑、增稠劑、消泡劑、分散劑和纖維攪拌均勻，得到水泥基復合材料。測得的數值為：韌性指數I₃為2.91、I₅為5.16、I₇為6.02，極限拉應變為1.86%，抗拉強度為3.67MPa，阻尼比為3.15%。

實施例二

水泥是42.5#普通硅酸鹽水泥；水是普通的自來水，密度為 1.0g/cm³，符合《混凝土用水標準》（JGJ63-2006）要求；粉煤灰是I級粉煤灰；砂是石英砂，粒徑為75-147μm；纖維是聚乙烯醇纖維（PVA），彈性模量42Gpa，長徑比7%；減水劑是聚羧酸減水劑，減水率30%；增稠劑是羥丙甲基纖維素醚；分散劑是十二烷基苯磺酸鈉分散劑；硅烷偶聯劑是KH570（γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷）；消泡劑是磷酸三丁酯。

水泥：粉煤灰：水：石英砂：減水劑：增稠劑按質量比為1：1.5：0.87：0.9：0.10： 0.007，按上述質量比選擇水泥、水、粉煤灰、石英砂、減水劑、增稠劑，消泡劑的質量摻量為減水劑質量摻量的4.8%，按水泥和粉煤灰用量（質量）的0.15%選取分散劑，按水、水泥、粉煤灰及石英砂總體積的1.5%選取聚乙烯醇纖維。將稱好的聚乙烯醇纖維浸入溫度為95℃、質量濃度為0.8%的KH570硅烷偶聯劑水溶液中浸泡1h，然后過濾、晾干再干燥。將上述水泥、水、粉煤灰、石英砂、減水劑、增稠劑、消泡劑、分散劑和纖維攪拌均勻，得到水泥基復合材料。測得的數值為：韌性指數I₃為2.94、I₅為5.11、I₇為7.04，極限拉應變為2.22%，抗拉強度為3.67MPa，阻尼比為3.95%。

實施例三

水泥是42.5#普通硅酸鹽水泥；水是普通的自來水，密度為 1.0g/cm³，符合《混凝土用水標準》（JGJ63-2006）要求；粉煤灰是I級粉煤灰；砂是石英砂，粒徑為75-147μm；纖維是聚乙烯醇纖維（PVA），彈性模量42Gpa，長徑比7%；減水劑是聚羧酸減水劑，減水率30%；增稠劑是羥丙甲基纖維素醚；分散劑是十二烷基苯磺酸鈉分散劑；硅烷偶聯劑是KH570（γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷）；消泡劑是磷酸三丁酯。

水泥：粉煤灰：水：石英砂：減水劑：增稠劑按質量比為1：1.5：0.75：0.9：0.02：0.003，按上述質量比選擇水泥、水、粉煤灰、石英砂、減水劑、增稠劑，消泡劑的質量摻量為減水劑質量摻量的5.7%，按水泥和粉煤灰用量（質量）的0.15%選取分散劑，按水、水泥、粉煤灰及石英砂總體積的2.0%選取聚乙烯醇纖維。將稱好的聚乙烯醇纖維浸入溫度為95℃、質量濃度為0.8%的KH570硅烷偶聯劑水溶液中浸泡1h，然后過濾、晾干再干燥。將上述水泥、水、粉煤灰、石英砂、減水劑、增稠劑、消泡劑、分散劑和纖維攪拌均勻，得到水泥基復合材料。測得的數值為：韌性指數I₃為3.38、I₅為5.76、I₇為8.03，極限拉應變為2.8%，抗拉強度為3.1MPa，阻尼比為4.25%。

制作試體時，先把油刷在模具表面，將攪拌成型的纖維增強高韌性高阻尼水泥基復合材料（PVA-ECC）分兩次倒入模具之中，每次倒入一半進行振搗并且用鏟刀把PVA纖維人工輔助進行分散，每次振搗時間可以控制在1分鐘左右，振搗是為了使材料均勻分布在模具的每個地方，另外也是為了使有纖維更加分散，最后在半小時后將表面進行刮平，在室溫下養護 24小時后進行拆模并放入養護箱中。養護箱溫度控制在20±2℃、濕度控制＞90%。纖維在基體中的隨機亂向分布對裂縫起到了抑制作用，并且多裂縫的開展可以提高材料吸收能量的能力。此外還可以得出：增大纖維摻量、提高水膠比以及將纖維用硅烷偶聯劑進行表面處理都可以一定程度的提高裂縫的阻裂效果，這時因為水膠比的提高使得纖維能夠在基體中更好的分散開來；硅烷偶聯劑增強了纖維與基體的界面粘結性能。

阻尼比試驗采用懸臂梁的自由衰減法，采用振動及動態信號采集分析系統，包括調理箱（AZ804-B）、分析箱（AZ316S）、軟件CRAS V7.2及計算機；加速度傳感器一只，型號LC0160。在懸臂梁的自由端方式下，敲擊自由端，利用自由衰減曲線測出復合水泥基的對數衰減率以及阻尼比。固定住試件的一端，實現懸臂梁的模型，將加速度傳感器固定在一端，并對自由端進行輕輕敲擊，在動態信號采集儀的采集參數設置上，電壓范圍為0-5000mV，信號放大倍數為100，采樣頻率為512Hz。為防止頻率混迭，選擇低通濾波器的頻率上限，濾波頻率設為200Hz；準備好之后，進入實測試波方式，連續輕輕敲擊試件，一是檢查儀器連接線的接通情況是否良好二是查看波形是否合理或者飽滿之類等等，不合理的時候需重新設置參數以此反復調試；一切參數調好之后，通過輕輕敲擊試件，觸發信號采集箱采集數據，進行動態信號頻譜分析，并通過自由衰減曲線的振幅讀取A1，A2，…..，An值，并利用簡化公式算出自由衰減率和阻尼比。

式中，—對數衰減率，=1，2，3…….為對應的衰減次數

—第次的振動幅度mm

—第次的振動幅度mm

—阻尼比

PVA-ECC復合材料的阻尼性能的耗能途徑主要有以下幾種：

基體阻尼：水泥、石英砂、粉煤灰、減水劑通過凝結硬化形成水泥基基體，在外力的強迫運動之下，基體間的運動摩擦可以消耗能量；纖維與基體之間界面摩擦阻尼：在纖維表面用硅烷偶聯劑處理，硅烷偶聯劑的化學式為RSiX₃，其中R為有機基團，X為可水解基團。硅烷偶聯劑中的X基團水解，形成硅醇；硅醇的硅經基與水泥水化產物Ca(OH)₂中的羥基之間形成氫鍵后脫水形成化學共價鍵，化學共價鍵形成后會成為一種網絡交聯結構，可以像“爪子”一樣緊緊“抓牢”無機材料與有機材料，提高了PVA纖維在基體中的界面粘結強度，提高復合材料的損耗因子，在強迫振動的條件下，界面摩擦將機械能轉化為熱能，因此耗散了能量，提高了材料的阻尼性能。

模量差異阻尼：水泥基基體和PVA纖維的彈性模量相差比較大，在共同承受強迫運動的時候，由于彈性模量不同，兩者發生的運動位移也會不同，相對位移差也可以消耗能量；PVA纖維間的摩擦阻尼：纖維之間的摩擦也會消耗一部分能量。

四點彎曲試驗中：采用美國ASTM-C1018方法的韌性指數用來作為評價PVA-ECC韌性的指標，結果表明，摻入纖維的PVA-ECC其韌性指數要高于純基體，并且纖維摻量越高韌性指數越大，加入纖維對PVA-ECC有明顯的增韌效果。

水膠比越大韌性越好。硅烷偶聯劑可以提高材料的韌性，且在8個配合比中韌性最好。原因是硅烷偶聯劑發生水解反應形成的硅醇（-Si-OH）能與無機材料的羥基形成化學共價鍵，可獲得高強度的粘接，并且硅醇縮聚生成的硅氧鍵（Si-O-Si）柔韌性好，增加了材料的韌性。

拉伸試驗中：摻入纖維可以明顯的提高基體的強度和延性，且纖維摻量越高，提高作用也越大，而且纖維對提高延性的作用優于提高強度的作用。

增大水膠比可以提高材料的延性，但是相應的會降低其強度。造成這種的原因是當水膠比較小時，水泥的水化反應不夠充分從而降低了孔隙率，提高了材料的均質性，提高了水泥基基體的強度，當水膠比較大時，降低了基體強度但是可以使纖維更好的分散在基體中，提高了延性。

硅烷偶聯劑會與無機材料產生一種化學共價鍵，就像“爪子”一樣“抓牢”住兩者，從而增強了無機材料與有機材料之間的粘結性能。

能夠充分反映材料在斷裂過程中消耗能量多少的就是斷裂能值，其值越大說明耗散的能量越多，耗能能力越強。摻入纖維可以明顯的提高斷裂能，纖維摻量越大斷裂能值越大。

阻尼比試驗：采用懸臂梁的自由衰減法，在懸臂梁的自由端方式下，敲擊自由端，利用自由衰減曲線測出復合水泥基的對數衰減率以及阻尼比。摻入纖維的PVA-ECC其阻尼比要高于純基體，并且纖維摻量越高阻尼比越大，纖維之所以可以提高材料的阻尼性能是因為：當PVA纖維分散在基體中的時候，纖維與基體有一定的界面結合，在強迫運動下會產生界面的滑移摩擦，是一個機械能轉化為摩擦熱能的過程，纖維摻量越多，越能產生更多的滑移摩擦熱能。

纖維表面經過硅烷偶聯劑處理后的PVA-ECC阻尼比高于未處理前的阻尼比，在纖維表面用硅烷偶聯劑處理后有助于提高材料的阻尼性能。主要原因是：硅烷偶聯劑在水泥基中可以與水泥產物發生化學反應，產生共價化學鍵，可以增強基體與纖維間的粘結強度，增加了界面摩擦阻尼，提高了材料的阻尼性能。

本發明制備的纖維增強高韌性高阻尼水泥基復合材料具有高裂縫控制能力、能量吸收能力以及高韌性的特點，得到的纖維水泥砂漿在澆筑成型后可用于構件或兼做其他構件的外保護層，能夠顯著提高混凝土構件的耐久性和使用壽命，同時也大大提高了結構的抗震性能。

以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護范圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護范圍之內；本發明未涉及的技術均可通過現有技術加以實現。