本發明的技術方案涉及一種高韌性水泥基復合材料，具體地說是一種具有低干燥收縮性能的高韌性水泥基復合材料及其制備方法。

背景技術：

聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料(Polyvinyl alcohol engineered cementitious composites),簡稱PVA-ECC,具有抗拉性能強、高韌性、高耐久性的優點，可以很好的彌補混凝土韌性低，抗裂性能差等缺點，已經被越來越多的采用，但是因為PVA-ECC的低水膠比和無粗骨料，在常溫下會表現出較大的收縮。經過試驗得到傳統PVA-ECC的28d收縮應變可達到1200με，而Li,M.and Li,V C(Li,M.and Li,V C.Behavior Of ECC/Concrete Layer Repair System Under Drying Shrinkage Conditions[J].Proceedings of ConMat’05,Vancouver,Canada,August 22-24)經過研究也發現PVA-ECC在養護15天后，收縮應變可達到1700με左右，而同樣養護條件下，普通混凝土在養護15天后的收縮應變僅為700με。PVA-ECC的干燥收縮過大會嚴重影響其使用效果，無法充分發揮PVA-ECC本身的優點，而且由于干燥收縮過大，PVA-ECC構件表面會出現大量裂縫，導致水或其他化學物沿裂縫侵入，嚴重影響結構的耐久性。

雖然經過研究往PVA-ECC中加入外加劑(減水劑、減縮劑)能夠減少PVA-ECC的收縮，例如質量配合比為水：水泥：石英砂：減縮劑：減水劑：纖維＝1:2.85:1-1.5:0.057:0.014:0.052的PVA-ECC的干燥收縮達到660με；質量配合比為水：水泥：粉煤灰：石英砂：減縮劑：纖維＝1:1.1:1.6:1.2-1.45:0.23:0.015:0.06的PVA-ECC的干燥收縮達到710με。但是這個收縮量依然過大，是否能夠進一步優化配合比以及同時加入膨脹劑和減縮劑使得收縮量能夠進一步減小依然需要探索。所以收縮過大仍然是是限制PVA-ECC材料使用的“瓶頸”問題，也是影響PVA-ECC材料進一步推廣使用的關鍵問題。

技術實現要素：

本發明的目的為針對當前技術中存在的不足，提供一種具有低干燥收縮性能的高韌性水泥基復合材料及其制備方法。該材料的干燥收縮大幅減小，避免構件表面出現裂縫，從而解決PVA-ECC的干燥收縮過大，導致PVA-ECC無法發揮其應有作用的問題。

本發明解決該技術問題所采用的技術方案是：

一種具有低干燥收縮性能的高韌性水泥基復合材料，該復合材料是由水、膠凝材料、石英砂、膨脹劑、減縮劑、減水劑和纖維組成的組合物，其中，質量比為水:膠凝材料:石英砂:膨脹劑:減縮劑:減水劑:纖維＝1:4:1.32-1.8:0.36:0.16:0.018:0.08，膠凝材料為水泥和粉煤灰，粉煤灰占膠凝材料總質量的55％-75％。

所述的膨脹劑為低堿型混凝土膨脹劑，優選為JM_Ⅲ(C)低堿型混凝土膨脹劑；

所述的減縮劑為混凝土減縮劑，優選為SRA(I)混凝土減縮劑；

所述的減水劑為聚羧酸類高效減水劑，優選為SIKA-325系列聚羧酸類高效減水劑；

所述的纖維為聚乙烯醇系列纖維。優選為日本KURALON K-Ⅱ新型聚乙烯醇系列纖維。

所述的水泥為普通硅酸鹽水泥；所述的石英砂為精制80-100目石英砂；所述的粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰。

所述的具有低干燥收縮性能的高韌性水泥基復合材料的制備方法，包括以下步驟：

1)按以上比例稱量原料；

2)將水泥、粉煤灰、石英砂和膨脹劑混合，20-40轉/分鐘速度下干拌1.5-2.5分鐘；

3)再加入減縮劑與水，40-70轉/分鐘速度下濕拌0.5-1.5分鐘，然后加減水劑，繼續攪拌2.5-3.5分鐘，得到基材；

4)將基材繼續以20-40轉/分鐘的速度攪拌，沿攪拌機轉動方向手工加入纖維，再攪拌8～12分鐘，得到具有低干燥收縮性能的高韌性水泥基復合材料。

上述具有低干燥收縮性能的高韌性水泥基復合材料及其制備方法，所用的原料均通過商購或其他公知途徑獲得，所涉及的工藝均是本技術領域的技術人員熟知并能掌握的。

本發明的有益效果是：

本發明水泥基復合材料可以明顯減少PVA-ECC的收縮，避免PVA-ECC自身出現的開裂，保證其有良好的耐久性以及體積的穩定，例如實施例1中，具有低干燥收縮性能的高韌性水泥基復合材料的28d的收縮應變為262.41με，相比傳統PVA-ECC的收縮(1700με左右)大幅度降低，甚至低于混凝土；收縮應變的減少降低了PVA-ECC的開裂，使其能用于對已有混凝土結構的加固、維修，能夠很好的延長結構的使用壽命；可以更好的發揮材料高韌性、高耐久性的優勢，有利于高韌性水泥基復合材料的推廣。

具體實施方式

下面結合實施例進一步敘述本發明，但并不以此作為對本申請權利要求保護范圍的限定。

本發明具有低干燥收縮性能的高韌性水泥基復合材料的制備方法(簡稱方法)，具體步驟是：

1)按以下比例稱量原料，各材料的具體組成質量比為水：膠凝材料：石英砂：膨脹劑：減縮劑：減水劑：纖維＝1:4:1.32-1.8:0.36:0.16:0.018:0.08，其中膠凝材料為水泥+粉煤灰，粉煤灰占膠凝材料總量的55％-75％；

2)將水泥、粉煤灰、石英砂和膨脹劑等基體混合，20-40轉/分鐘速度下干拌1.5-2.5分鐘；

3)再加入減縮劑與水，40-70轉/分鐘速度下濕拌0.5-1.5分鐘，然后加減水劑，繼續攪拌2.5-3.5分鐘，得到基材；

4)將基材繼續以20-40轉/分鐘的速度攪拌，沿攪拌機轉動方向手工加入纖維，再攪拌8～12分鐘，得到具有低干燥收縮性能的高韌性水泥基復合材料。

所述減水劑為聚羧酸類高效減水劑；水泥為普通硅酸鹽水泥，石英砂的粒徑目數為80-100目。

實施例1

本實施例具有低干燥收縮性能的高韌性水泥基復合材料的制備方法，具體步驟是：

1)按以下比例稱量原料，各材料的具體組成質量比為水：水泥：粉煤灰：石英砂：膨脹劑：減縮劑：減水劑：纖維＝1:1:3:1.8:0.36:0.16:0.018:0.08；

2)將水泥、粉煤灰和石英砂和膨脹劑等基體混合，低速干拌2分鐘，攪拌速度為30轉/分鐘；

3)緩緩加入減縮劑與水，濕拌1分鐘，攪拌速度為60轉/分鐘，再加減水劑，繼續攪拌3分鐘，得到均勻流動的基材。在此過程中要保證攪拌鍋底部的混合料得到充分攪拌；

4)在低速攪拌的同時，沿攪拌機轉動方向手工均勻緩慢的加入纖維，再攪拌10分鐘左右，得到具有低干燥收縮性能的高韌性水泥基復合材料(試樣)；

本實例所用原材料如下：(1)水泥：P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；(2)砂：精制80-100目石英砂；(3)粉煤灰：Ⅰ級粉煤灰；(4)膨脹劑：SBTJM_Ⅲ(C)低堿型混凝土膨脹劑：(5)減縮劑：-SRA(I)混凝土減縮劑(無減水)：(6)減水劑：SIKA-325系列聚羧酸類高效減水劑；(7)纖維：日本KURALON K-Ⅱ新型聚乙烯醇系列纖維，其具體參數見下表2，其他實施例同：

表2PVA纖維參數

收縮應變性能測試：

將制備好的試樣倒入試模內，用ZT-96膠砂試體成型振實臺振動10s，然后用金屬刮刀清除多余部分，使材料完全充滿模具并使表面平整。

本實例測量收縮應變的模具為本領域公知常用模具，為尺寸是b×h×l＝40mm×40mm×160mm的立方體。試模兩個端面中心各開一個直徑6.5mm的孔洞，用于放置收縮測頭。收縮測頭為黃銅加工而成。養護28天后測它的收縮量，收縮采用水泥膠砂膨脹測量儀測定，標準桿長度為176mm±1mm，測量精度為0.001mm。

本實施例所得到的具有低干燥收縮性能的高韌性水泥基復合材料的28天的收縮應變為262.41με，相比普通PVA-ECC的收縮(1700με左右)大幅度降低。

平板開裂試驗測試：

本實例進行平板開裂試驗的模具為本領域公知器件，其尺寸為b×h×l＝600mm×63mm×600mm，用于澆筑試件的模具。模具的四邊用10/6.3不等邊角鋼制成，每個邊的外側焊有四條加勁肋，模具四邊與底板通過螺栓固定在一起，以提高模具的剛度；在模具每個邊上同時焊接(或用雙螺帽固定)兩排共14個Φ10×100mm螺栓(螺紋通長)伸向錨具內側。兩排螺栓相互交錯，便于澆筑的ECC材料能填充密實。當澆筑后的平板試件發生收縮時，四周將受到這些螺栓的約束。在模具底板的表面鋪有低摩阻的聚四氟乙烯板材。

試件澆筑、振搗、抹平后立即用塑料薄膜覆蓋，2小時后取下薄膜，每個試件各用一臺同功率電風扇吹試件表面，風向平行于試件表面，風速約6m/s。從澆筑起，記錄裂縫寬度和長度，至24小時。

試件的開裂試驗結果如下表所示，可以看出，本實施例所得到的具有低干燥收縮性能的高韌性水泥基復合材料抗開裂性能良好，干燥收縮小，很大程度上降低了裂縫出現的概率。

表4PVA-ECC平板開裂試驗結果

實施例2：

其他步驟同實施例1，不同之處為各材料的具體組成質量比為水：水泥：粉煤灰：石英砂：膨脹劑：減縮劑：減水劑：纖維＝1:1:3:1.5:0.36:0.16:0.018:0.08。

收縮應變性能測試結果為：28天的收縮應變為268.13με；平板開裂試驗測試結果同實施例1.

實施例3

其他步驟同實施例1，不同之處為步驟4)中的攪拌速度為90轉/分鐘，攪拌時間為20分鐘，攪拌完畢后發現許多纖維已被損壞，得到的材料性能很差，28d的收縮應變達到612με。由此可以看出，試件攪拌過程應注意不能為了防止結團而攪拌時間過長速率過快，這樣不能保證纖維的完整性，會使纖維受到損壞，起不到應變硬化的作用，在開裂后，纖維起不到作用而直接被拉斷。

實施例4

采用同實施例1中同樣的試驗方式、試驗步驟以及試驗材料，不同之處為配制傳統PVA-ECC，質量配合比為水：水泥：粉煤灰：石英砂：減水劑：纖維＝1:1.1:1.6:1.5:0.018:0.08。試件的開裂試驗結果如下表5所示，可以看出，本實施例所得到的傳統PVA-ECC相比實施例2中具有低干燥收縮性能的高韌性水泥基復合材料出現了大量裂縫，干燥收縮很大，導致裂縫出現的概率大大增加。

表5PVA-ECC平板開裂試驗結果

實施例1、2和實施例3(對比例)的相關數據表明，本發明方法制得的高韌性水泥基復合材料相比傳統PVA-ECC的收縮應變大幅度降低，這種高韌性水泥基復合材料具有非常好的低干燥收縮性能。

實施例1、2和實施例4(對比例)的相關數據表明，本發明方法制得的高韌性水泥基復合材料抗開裂性能良好，能大大減少裂縫出現的概率，具有非常好的低干燥收縮性能。

本發明具有低干燥收縮性能的高韌性水泥基復合材料的制備方法所用的原料均通過商購或其他公知途徑獲得，所涉及的工藝均是本技術領域的技術人員熟知并能掌握的。

本發明未述及之處適用于現有技術。