[发明专利]用纳米材料增强的功能梯度水泥基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用纳米材料增强的功能梯度水泥基复合材料及其制备方法。所述的复合材料由高强砂浆、高强粗骨料混凝土、纤维增强超高性能混凝土、纤维增强粗骨料混凝土中的两种或几种按等体积比组成。本发明在所述复合材料中掺入纳米材料，不仅可以作为微集料填充于胶凝体系的孔隙和空隙中，还能提高水泥石的早期水化速率；同时，采用梯度化设计，针对复合材料内部异相及功能区间的界面问题，有效改善了水泥基复合材料的性能，制备得到的功能梯度水泥基复合材料，大大提高了如强度、韧性、抗冲击、抗侵彻和抗爆炸等性能。

技术领域

本发明涉及一种功能梯度水泥基复合材料及其制备方法，具体涉及一种用纳米材料增强的超高性能功能梯度水泥基复合材料。

背景技术

水泥基材料它自身存在自重大、耐久性差、高脆低韧、功能单一、环保问题等缺陷,这在很大程度上限制了其应用范围。而水泥基材料的这些缺陷, 很大程度上是由于其内部异相及不同功能区间的大量界面弱区造成的。如果可以减少或消除这些界面弱区, 则能够显著提高水泥基复合材料的性能。针对复合材料内部异相间的界面问题，提出将梯度功能的概念应用到水泥基材料中，通过梯度化的设计来改善水泥基材料的性能；而针对复合材料不同功能区间的界面结合问题，纳米材料的引入成为解决这一问题的有效途径。

多项研究表明，纳米材料不仅可以作为微集料填充于胶凝体系的孔隙和空隙中，而且还能提高水泥石早起水化速率，显著改善混凝土性能。此外，某些纳米材料还能从其它方面增强水泥基复合材料，如纳米SiO₂的火山灰活性还能与水泥浆体中的Ca(OH)₂进一步发生反应从而改善水泥浆体的结构、性能及其与骨料之间的界面形态，并且提升混凝土的强度等性能；纳米CaCO₃在水泥复合结构中起晶核作用，促进C₃S的水化。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米材料增强功能梯度水泥基复合材料，将纳米材料运用到功能梯度水泥基复合材料中，从而大大加强功能梯度水泥基复合材料的性能，如强度、韧性、抗冲击、抗侵彻和抗爆炸性能等等。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种用纳米材料增强的功能梯度水泥基复合材料，所述的复合材料由高强砂浆、高强粗骨料混凝土、纤维增强超高性能混凝土、纤维增强粗骨料混凝土中的两种或几种按等体积比组成。

其中，按重量百分比，高强砂浆包括硅酸盐水泥 19.6～21.2%、工业废渣 20～21.6%、细骨料 45.6～50%、水 6.22～9.02%、高效减水剂 0.33～0.65%、消泡剂 0.0010～0.0035%、纳米材料 0.20～0.41%。

按重量百分比，高强粗骨料混凝土包括硅酸盐水泥 6.4～9.2%、工业废渣 6.8～8.9%、细骨料 17.3～20.8%、水 2.6%～3.8%、高效减水剂 0.14～0.35%、消泡剂 0.0035～0.0066%、粗骨料 54.4～69.3%、纳米材料 0.078 ～0.156%。

按重量百分比，纤维增强超高性能混凝土包括硅酸盐水泥 16.5～21.4%、工业废渣 16.0～21.2%、细骨料41.3～52.2%、水 5.9～8.2%、高效减水剂 0.43%～0.65%、消泡剂0.009～0.025%、纤维 6.2%～9.7%、纳米材料 0.19%～0.38%。

按重量百分比，纤维增强粗骨料混凝土包括硅酸盐水泥 5.6～8.2%、工业废渣5.9～8.5%、细骨料 14.6～18.2%、水 1.9～3.5%、高效减水剂 0.13～0.33%、消泡剂0.0045～0.0064%、粗骨料 55.7～62.3%、纤维 5.7～7.8%、纳米材料 0.070～0.139%。

进一步的，所述的硅酸盐水泥的强度等级为42.5或以上。

进一步的，所述的工业废渣为微米级的矿渣、硅灰、沸石粉、粉煤灰和高岭土中的一种或几种。