一种超高韧性水泥基复合材料及其设计方法
技术领域
本发明属于混凝土材料领域，具体涉及一种超高韧性水泥基复合材料及其设计方法。
背景技术
超高韧性水泥基复合材料是一种结合了高性能混凝土基体和纤维增强材料性能的新型水泥基建筑材料，其性能上表现为超高的力学性能和优异的耐久性能。超高韧性水泥基复合材料在活性粉末超高韧性水泥基复合材料的基础上发展而来，一经问世便引起广泛关注，其制备原理主要为：剔除粗骨料、掺入超细活性粉末，通过紧密堆积理论提高堆积密实度，使用高效减水剂降低水胶比，另外掺入适量微细纤维增强韧性。超高韧性水泥基复合材料的性能优点决定了其在增强建筑结构力学稳定性、延长结构服役寿命、降低建筑全周期成本和能耗方面具有独特优势。
超高韧性水泥基复合材料优异的韧性可以满足桥面铺装对混凝土材料抗拉强度的要求，与正交异性板钢桥面结合形成的组合桥面可以显著提高桥面刚度，降低正交异性板的应力幅，提高钢桥面板疲劳寿命，一举解决钢桥面铺装层损坏和钢桥面板疲劳开裂两大技术难题，该项技术已相继应用于蒙华铁路洞庭湖特大桥、荆州长江公铁大桥、成贵铁路金沙江大桥、军山长江大桥以及沪通长江大桥等大型公路铁路桥梁工程。
超高韧性水泥基复合材料的力学性能立足于水泥基复合材料基体强度与纤维的增韧作用，基体的高强度与加入适量纤维形成良好匹配是制备超高韧性水泥基复合材料的关键技术之一。然而，对超高韧性水泥基复合材料进行系统的设计理论研究相关技术并不多，对纤维的合适掺量缺乏科学依据，其用法上还是以试验、经验为主，没有可以参考的标准或者方法，这样可能导致超高韧性水泥基复合材料的纤维用量选择不当，制备的超高韧性水泥基复合材料表现出性能的相对多样性和不可控性，纤维的过量使用甚至会降低了超高韧性水泥基复合材料的性能。
发明内容
本申请提供一种超高韧性水泥基复合材料及其设计方法，以避免过量使用纤维造成浪费以及纤维掺量过少导致超高韧性水泥基复合材料强度不足的问题。
一方面，本申请提供一种超高韧性水泥基复合材料的设计方法，包括如下步骤：
S1.固定超高韧性水泥基复合材料中胶凝材料的种类，根据最紧密堆积模型确定不同配合比时固体颗粒所占比例，形成多组不同组成的基体；
S2.在S1的各组基体中分别加入不同掺量的细长纤维，测定各组基体在不同细长纤维掺量时的抗压强度，满足抗压强度的条件下选择细长纤维掺量最低的一组基体作为优选组；
S3.采用细短纤维部分取代优选组中的细长纤维，测定不同取代率时超高韧性水泥基复合材料的抗折强度，计算不同取代率对应的增韧效率，确定满足抗折强度要求的增韧效率；
S4.根据优选组对应的细长纤维掺量、满足抗折强度的增韧效率对应的取代率确定优选组中细长纤维和细短纤维的优选掺量，按确定的优选组配合比、细长纤维和细短纤维的优选掺量制备超高韧性水泥基复合材料。
优选地，步骤S1还包括固定胶凝材料的总重量。
优选地，胶凝材料包括水泥、硅灰、粉煤灰、矿粉和超细石灰石粉。
优选地，步骤S1中最紧密堆积模型的公式如式(I)所示：
其中，P(D)为累计筛下颗粒百分含量；D为当前粒径(μm)；Dmin为最小粒径(μm)；Dmax为最大粒径(μm)；q为分布系数，取值为0.18～0.23。
优选地，步骤S2中设计细长纤维的掺量在0～7％内变化。
优选地，步骤S3中设计细短纤维对细长纤维的取代率在10％～70％内变化。
优选地，细长纤维的长度≥10mm，细短纤维的长度≤8mm。
优选地，细长纤维和细短纤维为聚丙烯纤维、玄武岩纤维、高强耐碱玻璃纤维、高强钢纤维中的一种或几种。
优选地，步骤S3中增韧效率的计算公式如式(II)所示：
其中，Y为增韧效率，以％表示；F为细短钢纤维和细长钢纤维混合时超高韧性水泥基复合材料的抗折强度，单位为MPa；F0为单掺细长钢纤维时超高韧性水泥基复合材料的抗折强度，单位为MPa。
一些实施例中，步骤S4还包括：根据优选组对应的细长纤维掺量、满足抗折强度的最佳增韧效率对应的最佳取代率确定优选组满足抗折强度时细长纤维和细短纤维的最佳掺量，在优选组基体中掺入最佳掺量的细长纤维和细短纤维制备出超高韧性水泥基复合材料。
另一方面，本申请还提供一种超高韧性水泥基复合材料，包括水泥、硅灰、粉煤灰、超细石灰石粉、石英砂、外加剂、细长纤维以及细短纤维，其中，按重量比计，水泥：硅灰：粉煤灰：超细石灰石粉：石英砂：外加剂＝800：150：100：50：950：20，细长纤维的掺量为1.6％，细短纤维的掺量为0.4％。
本申请提供的一种超高韧性水泥基复合材料的设计方法，通过不同配合比的基体与单一纤维之间的相互作用，优选出最佳增强效果的基体及与其相匹配的单一纤维掺量，在此基础上，进一步优选出混合纤维在最佳增韧效率时的长短纤维混合比例，以避免过量使用纤维造成浪费以及纤维掺量过少导致复合材料强度不足的问题。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：本申请为确定超高韧性水泥基复合材料中混合纤维的合理掺量提供了科学的方法，该方法操作简单，在保证超高韧性水泥基复合材料性能满足要求的前提下，可明显提升纤维的使用效率，以避免过量使用纤维造成浪费以及纤维掺量过少导致复合材料强度不足的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1展示了本申请中各固体组分在颗粒最紧密堆积时的级配分布状态；
图2展示了本申请各组超高韧性水泥基复合材料在不同细长钢纤维掺量时的28d抗压强度；
图3展示了本申请细短钢纤维对细长钢纤维不同取代率时的增韧效率。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“胶凝材料”包括水泥、矿物掺和料，“矿物掺和料”包括硅灰、粉煤灰微珠、超细石灰石粉、矿粉和低温稻壳灰，“外加剂”包括羧酸系高效减水剂、消泡剂和流变剂；纤维的“掺量”指的是体积掺量；细短纤维对细长纤维的“取代率”指的是体积取代率。
本申请中所采用的细长纤维和细短纤维按材质类型可选择聚丙烯纤维、玄武岩纤维、高强耐碱玻璃纤维或高强钢纤维，本申请中细长纤维实施例1采用细长钢纤维，长度≥10mm；本申请中细短纤维实施例1采用细短钢纤维，长度≤8mm。
实施例1
本实施例提供的一种超高韧性水泥基复合材料，其制备方法包括以下步骤：
S1.确定超高韧性水泥基复合材料中胶凝材料的种类，根据最紧密堆积模型确定不同配合比时各固体组分的级配分布状态，形成多组不同组成的基体：
选取水泥、矿物掺和料(包括硅灰、硅灰、粉煤灰、矿粉、超细石灰石粉)作为胶凝材料，并采用石英砂作为骨料，并确定胶凝材料中各固体组分的粒径分布情况。如表1所示，设计三组不同配合比的基体。
表1三组基体中各固体组分含量(kg/m3)
如表1所示，三组不同配合比的基体中石英砂的含量均为950kg/m3，外加剂的含量均为20kg/m3，胶凝材料的含量均为1100kg/m3，其中：硅灰均为150kg/m3，超细石灰石粉均为50kg/m3，水泥、粉煤灰、矿粉三者的含量不同。
按最紧密堆积模型计算出三组不同配合比的基体在颗粒最紧密堆积时各固体组分的级配分布状态，所采用最紧密堆积模型的公式如式(I)所示：
其中，P(D)为累计筛下颗粒百分含量；D为当前粒径(μm)；Dmin为最小粒径(μm)；Dmax为最大粒径(μm)；q为分布系数，取值为0.23。
图1展示了各固体组分在颗粒最紧密堆积时的级配分布状态。
S2.在表1所示的三组基体中分别加入不同掺量的细长纤维，测定各组基体在细长纤维掺量不同时的抗压强度，在满足抗压强度的条件下选择细长纤维掺量最低的一组基体作为优选组：
向表1所示的三组不同配合比的基体中分别加入掺量为0％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％的细长钢纤维，所采用细长钢纤维的直径为0.2mm、长度为12mm。
依据《活性粉末超高韧性水泥基复合材料》(GB/T31387-2015)对加入细长钢纤维的超高韧性水泥基复合材料进行28d立方体抗压强度测试，得到的结果如图2所示，结果表明，随着细长钢纤维掺量的提高，超高韧性水泥基复合材料的抗压强度明显增长，在0～3％的纤维掺量增长区间，各组超高韧性水泥基复合材料的抗压强度增长速率表现各异，其中，A组的强度增长相对较快。当细长钢纤维掺量为0时，A组、B组、C组的抗压强度分别为101MPa、98MPa、104MPa，当细长钢纤维掺量增加至2.0％时，A组、B组、C组的抗压强度分别达到143MPa、149MPa、145MPa。当细长钢纤维掺量超过3％后继续增加时，各组超高韧性水泥基复合材料的抗压强度不再增长，甚至开始下降，当细长钢纤维掺量增加至4％时，各组超高韧性水泥基复合材料的抗压强度已经下降很明显了，此时再增加细长钢纤维掺量，不但起不到增强超高韧性水泥基复合材料抗压强度的效果，反而造成了细长钢纤维的浪费。
当超高韧性水泥基复合材料的抗压强度设计要求为145MPa时，按照“低纤维掺量、高抗压强度”的原则，B组超高韧性水泥基复合材料可以满足抗压强度设计要求，且相比之下细长钢纤维掺量较低，此时细长钢纤维掺量在2％左右，因此选择B组超高韧性水泥基复合材料作为优选组，优选组的配合比组成如表2所示：
表2优选组的配合比
S3.采用细短纤维部分取代优选组中的细长纤维，测定不同取代率时超高韧性水泥基复合材料的抗折强度，计算不同取代率对应的增韧效率，确定满足抗折强度的增韧效率以及最佳增韧效率：
采用直径为0.12mm、长度为8mm的细短钢纤维部分取代表2所示优选组中的细长钢纤维，细短钢纤维对细长钢纤维的取代率分别为0、10％、20％、30％、40％、50％，共计六组。
依据《活性粉末超高韧性水泥基复合材料》(GB/T31387-2015)，测定细短钢纤维分别取代细长钢纤维的0、10％、20％、30％、40％、50％时，超高韧性水泥基复合材料28d抗折强度依次为23.1MPa、28.3MPa、32.4MPa、25.3MPa、24.6MPa、23.5MPa。
根据式(II)计算细短钢纤维对细长钢纤维的取代率不同时的增韧效率：
其中，Y为增韧效率，以％表示；F为细短钢纤维和细长钢纤维混合时超高韧性水泥基复合材料的抗折强度，单位为MPa；F0为单掺细长钢纤维时超高韧性水泥基复合材料的抗折强度，单位为MPa。
如图3所示，相比于单掺细长钢纤维，混掺细短钢纤维和细长钢纤维的超高韧性水泥基复合材料的抗折强度提高，而细短钢纤维对细长钢纤维的取代率不同时，超高韧性水泥基复合材料的增韧效率差异也明显，其中，细短钢纤维对细长钢纤维的取代率为20％时，对超高韧性水泥基复合材料的增韧效率提高幅度最大，确定最佳增韧效率为40.3％。
S4.根据最佳增韧效率对应的取代率、优选组对应的细长纤维掺量确定细长纤维和细短纤维的最佳掺量，确定优选组的配合比为最佳配合比，在优选组基体中掺入最佳掺量的细长纤维和细短纤维制备出超高韧性水泥基复合材料：
根据抗折强度不小于30MPa的设计要求，发现细短钢纤维取代细长钢纤维的20％时，超高韧性水泥基复合材料28d抗折强度为32.4MPa，能满足抗折强度的要求，其对超高韧性水泥基复合材料的增韧效率提高幅度也最大。根据优选组对应的细长纤维掺量为2％、细短钢纤维取代细长钢纤维的20％，计算出细长纤维的最佳掺量为1.6％，细短纤维的最佳掺量为0.4％。
确定优选组的配合比为最佳配合比，即水泥：硅灰：粉煤灰：超细石灰石粉：石英砂：外加剂＝800：150：100：50：950：20，按最佳配合比、细长纤维的最佳掺量、细短纤维的最佳掺量制备出的超高韧性水泥基复合材料。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
