超低温环境下高延性水泥基材料及其制备方法、应用

技术领域

本发明涉及建筑材料，具体涉及一种超低温环境下高延性水泥基材料及其制备方法、应用。

背景技术

液化天然气作为一种新型节能清洁能源，以及现阶段我国致力于环境保护以及降低二氧化碳等温室气体，促使天然气供给与需求量实现大幅增长。我国对丰富的天然气资源的勘探尚属起步阶段，国内的天然气产量仍不能满足快速增长的需求量，对作为LNG进口大国，2020我国天然气需求量达到了4500×10

传统混凝土材料运用于建造全混凝土LNG储罐将会存在天然气泄漏风险；由于传统混凝土材料抗拉强度低、韧性差、易于开裂且开裂后裂缝宽度难以控制等缺陷，此时混凝土在高压、超低温(-196℃)环境中将面临少量天然气泄漏产生较大的膨胀力，同时还面临在超低温作用下材料中水成冰过渡导致混凝土力学性能劣化等问题，加速LNG液化储蓄罐内部产生残余应变并导致骨料与浆体界面裂缝产生与扩展。

针对现有超低温下混凝土材料力学性能退化问题，提出一种新型高延性水泥基复合材料以满足超低温环境下工作要求的LNG储罐建设材料。材料在超低温作用下仍具有极高的力学性能、耐久性能以及裂缝控制能力。

发明内容

本发明目的在于提供一种高延性水泥基复合材料的制备技术以及测试方法，高延性水泥基复合材料在超低温作用下仍具有极高的韧性、力学性能以及优异的裂缝控制能力。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种应用于超低温下LNG储蓄罐的高延性水泥复合材料，按质量百分数计，所述复合材料包括以下组分：水泥28.26％，粉煤灰39.42％，河砂13.16％，PVA纤维1.33％，减水剂0.82％，以所有组分混合均匀后的总体积为基数。

作为优选方案，所述水泥采用标号为42.5的普通硅酸盐水泥。作为主要胶凝材料，硅酸盐水泥具有凝结硬化快、较高的早期强度、抗冻性能强、水化热大、抗碳化性能强等优点，适用于冬季施工以及严寒地区易遭受低温作用的结构，是此类新型复合材料硬化及形成强度的关键成分，其含量对复合材料的力学性能影响较大。

进一步地，所述粉煤灰采用燃烧粉煤锅炉烟气中收集的F类I级粉煤灰，其中化学成分SiO

更进一步地，所述砂采用细度模数2.3-3.0的精制河砂。

更进一步地，所述PVA纤维采用日本Kuraray公司生产的可乐纶K-Ⅱ型，长度12mm，直径0.04mm，弹性模量120Mpa，抗拉强度为526Mpa，伸长率为6％。PVA纤维作为复合材料的增韧剂，能够有效提升复合材料的力学性能、抗裂性能以及抗拉延性。

更进一步地，所述减水剂采用聚羟酸系减水剂，显著提升复合材料的和易性，有利于纤维在复合材料中均匀分布。

第二方面，本发明提供了一种应用于LNG液化天然气储蓄罐的高延性水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：胶凝材料的干拌分散；

S2：加入细骨料干拌；

S3：加水进行拌和；

S4：减水剂的添加；

S5：PVA纤维的添加；

S6：配制后的拌合物倒入至模具中，1d后脱模成型，放入标准养护室中(20±2℃，95％相对湿度)养护28d；

S7：运用于超低温环境下高延性水泥基复合材料的制成；

S8：对高延性水泥基复合材料进行轴压试验并进行韧性评价。

第三方面，本发明提供了一种上述超低温环境下高延性水泥基复合材料在LNG液化天然气储蓄罐制备中的应用。

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果如下：

本发明提供的高延性水泥基复合材料具有优异的力学性能、耐久性能以及裂缝控制能力，将其应用于LNG液化天然气储罐后能够有效解决传统混凝土材料在超低温环境下性能退化导致结构承载力不足、宏观裂缝过大而导致的耐久性问题。

附图说明

图1为四点弯试验示意图；

图2为不同温度下高延性水泥基复合材料荷载-变形曲线。

图中：1、荷载传感器；2、激光位移计。

具体实施方式

下面结合实例对本发明提供的高延性水泥基复合材料制备以及测试方法进行进一步的说明。

实施例1：

S1：按比例将水泥、粉煤灰、河砂等干料进行搅拌，得到混合粉体；

S2：在混合粉体中加入水进行拌和同时加入高效减水剂，搅拌至粘稠状的浆体；

S3：在所述浆体中加入PVA纤维搅拌均匀，即得到应用与超低温环境下的高延性水泥基复合材料。

S4：配置后的水泥基拌合物填充至模具中，1d后脱模成型，放入标准养护室(20±2℃，95％相对湿度)进行标准养护28d。

S5：将养护完成后的立方体和棱柱体试块放入湖北工业大学自主研发的超低温试验箱中进行降温试验。

S6：采用电液伺服压力机对超低温作用下高延性水泥基复合材料的立方体和棱柱体试块进行单轴受压试验。

经上述实例步骤制备并应用于超低温环境的高延性水泥基复合材料C1。

(1)本发明通过上述步骤制备的高延性水泥基复合材料28d的100mm×100mm×100mm的立方体，采用电液伺服压力试验机，按照荷载控制方式进行加载，加载速率设置0.5MPa/s，测得常温下抗压强度平均值为38MPa，试验结果表明：在超低温作用下，高延性水泥基复合材料的立方体抗压强度随着温度的降低而提升，当温度降低至-196℃时，其抗压强度达到了53.19MPa，相对于常温状态时提升了40.2％。

表1不同温度下高延性水泥基复合材料立方体抗压强度值(MPa)

(2)本发明通过上述步骤制得的高延性水泥基复合材料28d的100mm×100mm×300mm的棱柱体，采用电液伺服压力试验机，按照荷载控制方式进行加载，加载速率设置0.5MPa/s，测得常温下抗压强度平均值为30MPa，试验结果表明：在超低温作用下，高延性水泥基复合材料的棱柱体抗压强度随着温度的降低而提升，当温度降低至-196℃时，其抗压强度达到了42.55MPa，相对于常温状态时提升了40.2％，试块在破坏过程中表现出明显的抗压韧性。

表2不同温度下高延性水泥基复合材料棱柱体抗压强度值(MPa)

以上试验结果表明，此类新型高延性水泥基复合材料在超低温作用下具有良好的抗压性能，相比于普通混凝土材料，在超低温作用后不会发生脆性破坏，而是发生延性破坏，水泥基材料呈现出高韧性特征。

实施例2：

S1：按比例将水泥、粉煤灰、河砂等干料进行搅拌，得到混合粉体；

S2：在混合粉体中加入水进行拌和同时加入高效减水剂，搅拌至粘稠状的浆体；

S3：在所述浆体中加入PVA纤维搅拌均匀，即得到应用与超低温环境下的高延性水泥基复合材料。

S4：配置后的水泥基拌合物填充至模具中，1d后脱模成型，放入标准养护室(20±2℃，95％相对湿度)进行标准养护28d。

S5：将养护完成后的立方体和棱柱体试块放入湖北工业大学自主研发的超低温试验箱中进行降温试验。

S6：采用电液伺服压力机对超低温作用下高延性水泥基复合材料的立方体和棱柱体试块进行单轴受压试验。

经上述实例步骤制得应用于超低温环境的高延性水泥基复合材料C2。

本发明通过上述步骤制得的高延性水泥基复合材料28d的100mm×100mm×400mm的梁式试件，研究在不同温度作用下的弯曲性能。

试件加载跨度300mm，分配梁采用定制滑动钢支座，荷载传感器放置在梁跨中，跨中挠度使用激光位移计监测，采集系统采用IMC德国数据采集系统。

本发明通过上述步骤制得的高延性水泥基复合材料28d的100mm×100mm×400mm的梁式试件，采用电液伺服压力试验机，载方式采用连续均匀加载，初裂前加载速率为0.05MPa/s，初裂后采用位移控制加载，加载速率为0.1mm/min。测得常温下抗弯强度平均值为26.06kN，相对于普通混凝土提升了160.03％，同时表现出良好的延性。数据表明：在超低温作用下，高延性水泥基复合材料的棱柱体弯曲强度随着温度的降低呈降低趋势，在超低温作用后仍然体现出较好的延性性能。

表3不同温度下高延性水泥基复合材料抗弯强度(kN)

以上试验结果表明，此类新型高延性水泥基复合材料在超低温作用下具有良好的抗弯性能，相比于普通混凝土材料，在超低温作用后不会发生脆性破坏，而是发生延性破坏，水泥基材料呈现出高韧性特征。

实施例3：

S1：按比例将水泥、粉煤灰、河砂等干料进行搅拌，得到混合粉体；

S2：在混合粉体中加入水进行拌和同时加入高效减水剂，搅拌至粘稠状的浆体；

S3：在所述浆体中加入PVA纤维搅拌均匀，即得到应用与超低温环境下的高延性水泥基复合材料。

S4：配置后的水泥基拌合物填充至模具中，1d后脱模成型，放入标准养护室(20±2℃，95％相对湿度)进行标准养护28d。

S5：将养护完成后的立方体和棱柱体试块放入湖北工业大学自主研发的超低温试验箱中进行降温试验。

S6：采用电液伺服压力机对超低温作用下高延性水泥基复合材料的立方体和棱柱体试块进行单轴受压试验。

经上述实例步骤制得应用于超低温环境的高延性水泥基复合材料C3。

本发明通过上述步骤制得的高延性水泥基复合材料28d的100mm×100mm×300mm的棱柱体试件，对其进行抗压韧性评估。

采用电液伺服压力试验机，按照荷载控制方式进行加载，加载速率设置0.5MPa/s。，测得在轴心受压下的荷载-变形曲线。

取峰值荷载对应变形的五倍作为残余韧性的界限点，计算可得出界限点对应曲线下面积记为A，取荷载-变形曲线达到峰值荷载时对应曲线下的面积A

定义峰值后试件韧性系数R

经上述韧性评价方式，计算超低温作用下高延性水泥基复合材料韧性系数。

表4不同温度下高延性水泥基复合材料韧性系数

以上试验结果表明，此类新型高延性水泥基复合材料在超低温作用下具有良好的韧性，相比于普通混凝土材料，在超低温作用后不会发生脆性破坏，而是发生延性破坏，水泥基材料呈现出高韧性特征。

上述方法制备的应用于超低温环境下的高延性水泥基复合材料具有较好的力学性能、韧性以及良好的裂缝控制能力。

以上所述仅用于实例性说明或解释本发明原理，而不构成对本发明的限制。在本发明的精神和原则之内做任何修改、等同替换及改进如纤维种类、直径、长度以及相关水泥基材料的种类、标号等，均应包含在本发明的保护范围之内。