[发明专利]多尺度纤维增强的高性能水泥基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纤维增强水泥基复合材料制备技术领域，涉及一种多尺度纤维增强的高性能水泥基复合材料及其制备方法。 

背景技术

水泥基材料具有明显的脆性，传统的纤维增强水泥基复合材料（FRCC）虽然有效地改善了水泥基材料固有的高脆性并提高了其整体的韧性，却有明显的应变软化行为和单缝或少缝开裂模式，而应变硬化和多缝开裂是高性能纤维增强水泥基复合材料所追求的目标。 

水泥基材料的多尺度特征决定着其微观、细观以及宏观的性能，并反映在其多尺度的破坏过程中。单一品种和类型的宏观纤维会在材料的宏观开裂阶段发挥明显的桥联作用，但却无法有效地限制微裂纹的发展。因此，针对材料的多尺度破坏过程进行多尺度纤维的多尺度阻裂设计是必要的，是提高水泥基材料整体性能的有效手段之一。 

本领域，国内外学者开展的研究集中在不同尺度纤维增强水泥基复合材料的探索。其中国际上具有代表性的是E. Parant和P. Rossi，二人曾提出“多尺度纤维增强水泥基材料（MSFRCC）”的概念，并使用三种不同长度的钢纤维配制出了高性能的多尺度纤维增强水泥基材料，研究了其疲劳破坏行为、在极端环境中且负荷状态下的耐久性以及冲击和疲劳作用下的破坏机理，该MSFRCC材料表现出了优秀的静态、动态力学性能以及耐久性，相关文献如下： 

文献1：Edouard P, Pierre R, Claude B. Fatigue behavior of a multi-scale cement composite [J]. Cement and Concrete Research, 2007, 37: 264-269 

文献2：Edouard P, Pierre R, Fabrice LM. Durability of a multiscale fibre reinforced cement composite in aggressive environment under service load [J]. Cement and Concrete Research, 2007, 37: 1106-1114 

文献3：Pierre R, Edouard P. Damage mechanisms analysis of a multi-scale fibre reinforced cement-based composite subjected to impact and fatigue loading conditions [J]. Cement and Concrete Research, 2008, 38: 4134-4121 

由于直径越小的纤维对微裂纹的控制越有利，仅从纤维长度变化来设计多尺度纤维增强水泥基材料，技术上需要进一步的完善。此外，钢纤维的总掺量已经达到了858 kg/m3 （体积掺量约为11%），材料的经济性亦有待斟酌；试验所用水胶比低至0.16，并有大量的硅灰引入，这必然导致拌合过程中更大剂量的高效减水剂和超塑化剂的使用，不仅抬高生产成本，也使拌合工艺和拌合质量变得更加复杂和难以控制。 

在国内，梁宁惠等人研究了不同直径、不同长度的聚丙烯纤维混杂增强混凝土材料的单轴拉伸性能以及抗裂性能，发现相比于其他混杂方式，多尺度聚丙烯纤维增强混凝土的抗拉韧性是最佳的，并且实现了混凝土材 料的阶段抗裂、层次抗裂。相关文献如下： 

文献4：梁宁慧，刘新荣 等. 多尺度聚丙烯纤维混凝土单轴拉伸试验 [J]. 重庆大学学报, 2012, 35: 80-84 

文献5： 梁宁慧，刘新荣 等. 多尺度聚丙烯纤维混凝土抗裂性能的试验研究 [J]. 煤炭学报, 2012, 37: 1304-1309 

但是，上述技术对于多尺度纤维的选取，并未考虑水泥基材料结构及破坏过程的多尺度特性；而且所选用聚丙烯纤维低强度、低弹模、高延伸率的特点，并不利于通过纤维桥联裂缝传递应力实现对微裂纹、宏观裂缝的控制以及对水泥基材料的有效增强，因此，其多尺度聚丙烯纤维对于混凝土材料的增强效果十分有限。 

显然，这是由于对于水泥基材料多尺度结构特征和多尺度破坏过程的认识不足，缺乏相应的设计方法和分析手段，没有寻求到经济、适用的多尺度纤维材料体系，更缺乏对于纤维增强水泥基复合材料优化设计的理解和方法理论支持。