[发明专利]一种纳米二氧化硅改性高抗拉强度应变硬化水泥基复合材料及其制备方法

说明书

一种纳米二氧化硅改性高抗拉强度应变硬化水泥基复合材料及其制备方法，该复合材料的原材料包括以下质量组分：水泥720‑780份，粉煤灰170‑190份，硅灰170‑190份，石英砂940‑980份，钢纤维220‑240份，纳米二氧化硅20‑40份，减水剂25‑30份，水170‑180份，将原材料按质量份搅拌混合后经蒸汽养护即可制得；本发明所制备的水泥基复合材料抗压强度大于200MPa，抗拉强度大于10MPa，且具有应变硬化特性，可显著提升材料韧性，减轻结构拉伸破坏程度。

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种纳米二氧化硅改性高抗拉强度应变硬化水泥基复合材料及其制备方法。

技术背景

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)作为一种具有高强度高耐久性的水泥基复合材料已经广泛应用于民用及国防工程等领域中。虽然其抗压强度较高，但在拉伸荷载作用下强度较低且多呈现应变软化特性，在一些国防工程防护结构中，因爆炸产生的强动载会使结构产生拉伸、弯曲、剪切等耦合失效模式，为使结构具有更高的抗打击能力，降低结构破坏程度，需要进一步提升工程防护材料的拉伸强度及韧性。

混凝土类材料中常用各种纤维增强材料力学性能，但在拉伸破坏过程中大部分纤维呈现拔出破坏特征，而非拉断破坏，这说明纤维与基体粘结强度较低，锚固力不足，在拉伸破坏过程中无法充分利用其较高的抗拉强度。进一步的，随着拉伸应变的增大，在材料基体产生初始裂纹后拉伸应力下降，表现出应变软化现象，拉伸破坏过程吸收能量较少。依据纤维桥接相关理论，纤维增强材料产生应变硬化特性的关键条件是拉伸过程中纤维桥接补足能量大于基体因开裂释放的能量，其中补足能量由纤维与基体之间粘结滑移耗能提供。当基体的抗拉强度提升时，其开裂时释放的能量随之增大，需要较高的纤维桥接补足能量才能使材料具有应变硬化特性，进而增大拉伸破坏过程吸收的能量，提高材料抵抗外部载荷的能力。目前为了实现水泥基复合材料的高抗拉强度与应变硬化特性，一般会进一步提升纤维与基体之间的桥接性能，例如中国专利CN108298853A使用环氧树脂-纳米石墨涂层对聚乙烯醇纤维表面改性，一方面使用PVA纤维对于高强度混凝土来说桥接应力不足，无法进一步提升抗拉强度，另一方面使用环氧树脂-纳米石墨作为涂层工艺较为复杂且环氧树脂会影响水泥水化程度。又例如中国专利CN111333377A使用NaOH改善钢纤维与碳纤维混杂效应进而提升与基体的桥接性能，这一方面混杂纤维会扰乱混凝土内部散体材料均匀性，降低基体密实度，另一方面碳纤维在拌合过程中会发生团聚效应，稳定性也无法保证。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明目的在于提供一种纳米二氧化硅改性高抗拉强度应变硬化水泥基复合材料，通过纳米二氧化硅增加基体密实度和钢纤维表面粗糙度，能够提高钢纤维在拔出过程的峰值应力，通过机械、超声组合分散方式使纳米二氧化硅均匀分散在基体中，在不改变水泥基复合材料基础配比的同时能够提升钢纤维与基体的粘结强度与滑移耗能；使得复合材料的抗拉强度提高并呈现出应变硬化特性。

为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种纳米二氧化硅改性高抗拉强度应变硬化水泥基复合材料，包括以下质量份配比为的原材料：水泥720-780份，粉煤灰170-190份，硅灰170-190份，石英砂940-980份，钢纤维220-240份，纳米二氧化硅20-40份，减水剂25-30份，水170-180份。

进一步地，所述的水泥为P.O 52.5型普通硅酸盐水泥，技术指标符合现行国家标准要求。

进一步地，所述的粉煤灰为满足GB/T 1596《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求的I级灰。

进一步地，所述的硅灰平均粒径为0.1-0.3um，比表面积≥15000m²/kg。

进一步地，所述的石英砂为精制石英砂，粒径0.1-0.3mm。