一种使用粗石英砂作为细骨料的高延性水泥基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于水泥复合材料技术领域，特别涉及一种使用粗石英砂作为细骨料的高延性水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术

水泥自从19世纪20年代被发明以来，混凝土作为建筑材料为了应对不同的需求得到了不断的发展与应用。混凝土材料的价格相对于其他建筑材料较低，同时兼备抗压强度尚可，取材方便等众多优点，因此在我国的房屋建筑，基础设施等领域内，混凝土材料被广泛的采用，近年来国内混凝土年产量已连续超过20亿立方米。对各类工程建设所广泛使的建筑材料如混凝土材料提出了安全性，适用性，与耐久性方面更高的要求。传统的混凝土材料虽然优点众多，但其抗拉强度低导致的在拉伸荷载作用下极易开裂，是一种准脆性材料。混凝土构件通常是带裂缝工作的，一旦构件表面出现裂缝且裂缝宽度通常大于100µm，水和氯离子等有害化学物质会加速渗透进入构件内部，进一步加剧钢筋的锈蚀和膨胀，从而影响结构的功能性，在工程结构的后期不得不投入资金对混凝土结构进行修补与维护，一定程度上阻碍了混凝土材料的发展。其中纤维增强是一种重要的改善混凝土性能的方式。

随着纤维增强混凝土材料的进一步发展，密歇根大学Victor C.Li为了更有效的控制裂缝，基于细观力学和断裂力学等提出了ECC（Engineered CementitiousComposites）的概念，又可称为“可弯曲混凝土”。ECC在拉弯荷载作用下呈现出应变硬化和多缝开裂的特性，其拉伸延性可达传统混凝土的数百倍，裂缝宽度小于100μm。

精细石英砂的粒径通常最大为200μm左右，由于骨料粒径过小导致其在基体中的限制收缩作用相较于混凝土中砂石的约束作用小，因此通常ECC的干燥收缩较大，约为混凝土的4-5倍。同时在道面工程中，使用传统精细石英砂制备ECC材料会导致其耐磨性不足，磨损过程中质量损失较大，因此这些都导致了ECC的应用受限。

中国专利CN2019100370425公开了一种高性能高粉煤灰掺量的纤维水泥基复合材料及其制备方法，属于水泥材料学领域。由水泥、粉煤灰、硅灰、石英砂、水、减水剂、增稠剂、PVA纤维组成。其制备方法，将水泥、粉煤灰、硅灰、石英砂、增稠剂混合倒入搅拌机中，干拌2分钟；将减水剂倒入水中，充分混合均匀后倒入搅拌机中搅拌；然后将PVA纤维加入搅拌锅中，在60-70转/分钟的速度下搅拌3分钟，再在170-180转/分钟的速度下搅拌1分钟。原料取材方便，制备方法简单，具有良好的拉压力学性能。同时，采用大掺量粉煤灰代替胶材中的水泥，有利于减少碳排放，消耗了工业废渣。但是考虑到由于硅灰粒径过小，导致加入硅灰会使ECC的干燥收缩增大，现有技术显得略有不足。

发明内容

解决的技术问题：本发明针对传统ECC骨料粒径过小带来的干燥收缩过大以及耐磨性不足等技术方面的不足，提供了一种使用粗石英砂作为细骨料的具有应变硬化和多缝开裂特性的高延性水泥基复合材料。本发明采用最大粒径约为2.36mm的粗石英砂作为制备ECC使用的细骨料，有效解决了传统ECC中使用精细石英砂带来的干燥收缩大，耐磨性不足等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明提供了一种使用粗石英砂作为细骨料的高延性水泥基复合材料，由以下质量份数配比的原材料制备而成：水泥：800-900份、粉煤灰：3300-3500份、石英砂：844-846份、水：1266-1268份、聚羧酸高效减水剂：33-36份、聚乙烯醇纤维71-73份，羟丙基甲基纤维素醚1.9份。

优选地，所述水泥为P O42 .5的普通硅酸盐水泥。

优选地，所述聚乙烯醇纤维的长度为12mm，直径为40μm，抗拉强度为1200MPa，弹性模量为39GPa，极限延伸率为6.5%。

优选地，所述石英砂为最大粒径不超过2.36mm的粗石英砂，砂胶比为0.2。

优选地，所述粉煤灰为低钙一级粉煤灰。

优选地，所述高延性水泥基复合材料采用55℃的水浴养护24h。

有益效果：

与现有技术相比，本申请具有以下优势：

1.在含有粗砂的ECC基体中，粗砂在基体中的内部约束相较于精细砂大，一定程度上减轻了ECC试件的干燥收缩值；但是因为粗砂的存在使得纤维包裹住砂颗粒，进而导致粗砂ECC的实际纤维含量低于计算值，此外粗砂的存在也会使得基体的断裂韧性增高，这不利于满足ECC设计理论中强度准则和能量准则，因此粗砂ECC会损失部分延性；然而本例中两种粗砂的极限拉伸应变均大于3%，性能基本满足实际工程需要。

2.粗砂的存在可以将ECC的28天干燥收缩值最大降低10%左右，减缩效果显著。且使用粗石英砂作为细骨料的ECC磨损量仅有1.45kg/m

3.与专利CN2019100370425《一种高性能高粉煤灰掺量的纤维水泥基复合材料及其制备方法》不同的是，本发明并未采用硅灰。由于硅灰粒径过小，导致加入硅灰会使ECC的干燥收缩增大。相反，本发明采用最大粒径约为2.36mm的石英砂，与传统的80-100目石英砂相比，由于粗石英砂在基体内部的约束作用与精细石英砂相比较大，可以一定程度上减小ECC的干燥收缩，同时提升ECC的耐磨性能，使得粗砂ECC更好地应用于实际工程中。

附图说明

图1为本发明的实施例中的两种砂的级配曲线；

图2为本发明的实施例中的水泥基复合材料S1的拉伸应力应变曲线图。

图3为本发明的实施例中的水泥基复合材料S2的拉伸应力应变曲线图。

图4为本发明的实施例中的两种水泥基复合材料的28d干燥收缩变化趋势图。

图5为本发明的实施例中的两种水泥基复合材料的耐磨试验数据图。

具体实施方式

下面结合实施例和对比例对本发明进一步详细说明。应当指出，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不限制本发明的范围及应用。

实施例1：

一种使用石英砂作为细骨料的高延性水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

第一步：按质量份数配比称取水泥：844份、粉煤灰：3377份、精细石英砂：844份、水：1266份、聚羧酸高效减水剂：33份、聚乙烯醇纤维71份，羟丙基甲基纤维素醚1.9份；

第二步：将全部的胶凝材料和精细石英砂加入到一个15L的搅拌锅内，低速搅拌3min至混合均匀，同时将四分之三的减水剂加入水中混合均匀；

第三步：等到上述干粉以砂混合均匀后，缓慢倒入水和减水剂的混合物，快速搅拌10min直到出现流动态均匀，此时开始慢速搅拌，并且缓慢的加入纤维；

第四步：纤维完全加入以后，快速搅拌5min直到纤维分散性良好，然后停止搅拌，浇筑入模，覆膜室温养护24h，放入55℃水浴锅内养护24h。

所述水泥为P O42 .5的普通硅酸盐水泥；所述聚乙烯醇纤维的长度为12mm，直径为40μm，抗拉强度为1200MPa，弹性模量为39GPa，极限延伸率为6.5%；所述粗石英砂最大粒径不超过2.36mm，砂胶比为0.2；所述粉煤灰为低钙一级粉煤灰；所述高延性水泥基复合材料采用55℃的水浴养护24h。

实施例2：

一种使用粗石英砂作为细骨料的高延性水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

第一步：按质量份数配比称取水泥：844份、粉煤灰：3377份、最大骨料粒径为2360μm的粗石英砂：844份、水：1266份、聚羧酸高效减水剂：33份、聚乙烯醇纤维71份，羟丙基甲基纤维素醚1.9份；

第二步：将全部的胶凝材料和粗砂加入到一个15L的搅拌锅内，低速搅拌3min至混合均匀，同时将四分之三的减水剂加入水中混合均匀；

第三步：等到上述干粉以砂混合均匀后，缓慢倒入水和减水剂的混合物，快速搅拌10min直到出现流动态均匀，此时开始慢速搅拌，并且缓慢的加入纤维；

第四步：纤维完全加入以后，快速搅拌5min直到纤维分散性良好，然后停止搅拌，浇筑入模，覆膜室温养护24h，放入55℃水浴锅内养护24h。

从图1为本发明的实施例中的两种砂的级配曲线，由图1可知实施例2（S2）中粗砂的最大粒径在2.36mm左右，而实施例1（S1）传统的精制石英砂粒径在100-200μm左右，粗砂的粒径约为精细砂的10倍。

图2、3分别为传统ECC所用的精细石英砂和粗砂制备的高延性水泥基复合材料单轴拉伸应力应变曲线图对比，从图2、3可以看出尽管使用粗砂作为ECC的细骨料会对延性造成一定损失，但仍然可以保持3%以上的应变水平。

图4是使用传统精细石英砂与粗砂作为细骨料的两种水泥基复合材料的干燥收缩随龄期的变化图，可以看出粗砂的存在可以将干缩收缩值最大降低10%左右，减缩效果显著。

图5是使用精细石英砂与粗砂作为细骨料的两种水泥基复合材料的耐磨试验数据图。可以发现使用粗石英砂作为细骨料的ECC磨损量仅有1.45kg/m

本发明公开和提出的技术方案已通过实例进行了描述，但本专利的保护范围并不局限于此。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利内容的前提下，根据本专利的技术方案及其专利构思做出若干改进和润饰是显而易见的，这些改进和润饰被视为本专利的保护范围。