多尺度增强的轻质高延性水泥基复合材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种轻质高延性水泥基复合材料(lightweight and high-ductility cementious composites，简称lhdcc)及其制备方法，属于建筑材料技术领域。


背景技术：

2.高延性水泥基复合材料(high-ductility cementious composites，简称hdcc)是一类改进的高性能纤维增强水泥基复合材料。它的特点是具有拉伸应变硬化和多缝开裂行为，在hdcc中基体初次开裂后，随着载荷的增加，允许在试样的其他位置均匀地形成多个微小间距的裂缝，每个裂缝的开口宽度限制为较小的值(低于100μm)，这使得水和氯离子的传输速率很小，故hdcc表现出良好的耐久性。另外，因其多缝开裂行为hdcc表现出类似金属一样的应变硬化性能，具有大于3％的拉伸应变能力，是传统混凝土的300倍。因其良好的延展性、优异的裂缝控制能力、高韧性、抗渗性和耐久性等，在修复加固、特殊建筑物防护、抗震耗能结构等工程中有广泛的应用。
3.lhdcc是在hdcc基础上，引入轻质填料或气泡开发的一类具有低密度和低导热系数的复合材料。由于其比重低，在高层建筑结构、大跨度结构以及海洋漂浮结构中具有广泛的应用前景。特别是用作修复加固材料时具有更大的优势，因为其不会对修复加固的结构产生过多的额外负荷。另外，由于较低的导热系数，lhdcc对具有保温隔热的构筑物具有重要意义，例如已经有学者尝试将lhdcc用于管中管的填充材料，以满足深水和超深水域中石油或天然气管道的保温和力学性能需求。
4.虽然，lhdcc已经发展了很长一段时间，但其应用一直受到限制，原因是其强度和延性相比常规hdcc有较大程度的降低。公开号cn 109761564 a公布了一种hdcc，该材料采用334-442份水泥、223-552份粉煤灰、76-78份硅灰、8.5-8.6份膨胀珍珠岩、127-129份漂珠、19.3-1.17份增稠剂、7.1-11.9份玻璃纤维、0.1-234份矿粉和0.1-20份早强剂制成，所得材料具有不超过1400kg/m3的容重和高于5mpa的抗折强度，但该发明材料强度偏低且没有给出高延性水泥复合材料最主要的拉伸性能。公开号cn 112694342 a公布了hdcc及其制备方法，该材料按重量份计数包含600-700份水泥、200-300份玻璃微珠、100-200份硅灰、250-350份黄砂、20-40份轻砂、30-40份高效减水剂、20-30份合成纤维、230-270份水，所得材料相比公开号cn 109761564 a公布的材料原材料简单，且具有1436-1643kg/m3的容重、4.1-4.9mpa的抗拉强度和4.0％-4.6％的拉伸应变能力，但是它们的拉伸能力仍然不能满足工程需求。
5.在实际工程中，尤其是在极端条件下(如地震)，为了保证极端载荷下基础设施的安全，结构材料的强度和延展性在结构设计中均是高度关注的对象。需要提高结构的延展性以确保结构能吸收像地震这样的重大事件中产生的强大能量，从而使建筑物倒塌的可能性以及频繁修理的需求大大减少。建筑抗震设计规范，如en 1998-1:2004，要求钢筋的抗拉应变能力大于9％。我国规范(gb 50011-2010)要求抗震用钢筋峰值应变不小于9％，钢材伸长率不小于20％。目前，大多数现有水泥基材料(包括具有高延性的hdcc和lhdcc)的拉伸应
变都达不到如此高的水平。近年来，新型薄壁hdcc/型钢复合梁、钢-hdcc-钢夹层复合板和壳以及钢-hdcc-钢夹层管中管结构逐渐被开发出来。显然当这类结构承受极端载荷时，钢可能会维持其贡献，但水泥基体可能会在受拉时失效。因此，发展具有更高强度和/或延性的lhdcc是必要的。


技术实现要素：

6.基于以上问题，本发明提出通过采用纳米材料对水化产物调控，采用晶须、纤维和聚合网格多尺度增强lhdcc的方法，减小了lhdcc因桥接力不足而过早失效的几率，从而得到一种具有轻质、高强和高延特性的lhdcc。
7.为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
8.一种基于多尺度增强的轻质高延性水泥基复合材料(lhdcc)，其特征在于，包括含有以下组分的混合物：胶凝材料490-870份，矿物掺合料220-392份，轻质填料195-330份，纳米尺度增强材料20-40份，微米尺度增强材料15-30份，毫米尺度增强材料15-20份，水213-240份，以及外加剂75-85份。
9.其中，凝胶材料、矿物掺合料和轻质填料构成lhdcc的基体材料，多尺度增强材料均匀掺杂于其中。多尺度增强材料中的纳米尺度增强材料具有纳米级尺寸，微米尺度增强材料具有微米级尺寸，毫米尺度增强材料具有毫米级尺寸。
10.优选地，还包括若干聚合网格，所述混合物包裹所述聚合网格形成聚合网格/lhdcc受力整体，实现宏观尺度增强。
11.优选地，所述胶凝材料为硅酸盐类水泥、铝酸盐类水泥和硫铝酸盐水泥中的一种或几种；
12.优选地，所述矿物掺合料为矿渣粉、粉煤灰、硅灰中的一种或几种；
13.优选地，所述轻质填料为粉煤灰空心微珠、玻璃空心微珠、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石中的一种或几种，粒径范围为10-300μm。
14.优选地，所述纳米尺度增强材料包括纳米氧化硅颗粒、纳米硅酸钙颗粒、纳米碳酸钙颗粒中的一种或几种，颗粒平均粒径小于等于40nm。
15.优选地，所述微米尺度增强材料包括碳酸钙晶须、硫酸钙晶须中的一种或几种，其直径为100-200nm，长度为50-80μm。
16.优选地，所述毫米尺度增强材料包括聚乙烯纤维、芳纶纤维、聚苯并双恶唑(pbo)纤维中的一种或几种，纤维直径为12-50μm，长度大于等于12mm。
17.优选地，所述外加剂包括减水率大于等于30％的减水剂。
18.优选地，所述聚合网格包括纤维增强聚合物网格、土工聚合物网格、铁丝网格、钢绞线网格中的一种或多种组合。
19.优选地，所述聚合网格线间距为10-40mm，网格厚度为0.8-5mm；所述聚合网格布置的层数为0-3层，每层的间距为4-6mm；所述混合物对聚合网格形成的包裹层厚度大于4mm。
20.本发明还提供前述任一种轻质高延性水泥基复合材料(lhdcc)的制备方法，包括如下步骤：
21.(1)按重量份称取胶凝材料、矿物掺合料、轻质填料、纳米尺度增强材料、微米尺度增强材料、毫米尺度增强材料、水和外加剂；
22.(2)将胶凝材料、矿物掺合料、轻质填料混合搅拌均匀，得到干料；
23.(3)将水、外加剂和纳米尺度增强材料、微米尺度增强材料充分混合得到液料；
24.(4)将所述液料加入所述干料中，混合搅拌均匀，得到浆料；
25.(5)将毫米尺度增强材料加入所述浆料中，搅拌均匀得到新拌混合物；
26.(6)再将所述新拌混合物浇入平行间隔布置多层聚合网格的模腔中，使其嵌入各层聚合网格的孔洞和间隙，对聚合网格形成包裹，待混合物硬化后，形成聚合网格/lhdcc受力整体。
27.优选地，所述步骤(3)中，将水、外加剂和纳米尺度增强材料、微米尺度增强材料充分混合，包括在功率为80w的超声仪中超声15min。
28.本发明的有益效果有：
29.(1)采用本发明多尺度增强手段所制备的多尺度增强lhdcc复合材料相比未经多尺度增强的、具有相同基体材料的lhdcc而言，具有显著提升的拉伸强度。
30.(2)本发明所制备的多尺度增强lhdcc复合材料的抗拉应变能力可以通过纳米-微米-毫米尺度协同增强进行调控，能够达到9％以上，即达到抗震建筑体中钢筋的抗拉应变能力水平，是常规lhdcc的3％的3倍，比现有技术单一尺度增强方案提高一倍以上；
31.(3)本发明的多尺度增强lhdcc复合材料可根据需要选择是否加入聚合网格，以及选择加入何种聚合网格，从而得到多样化的、具有不同延性和强度的lhdcc整体结构；
32.(4)本发明所制备的多尺度增强lhdcc复合材料具有低至1310-1650kg/m3的容重，比传统hdcc低20％-40％，保持了lhdcc的轻量化特征，未因强度提升而损失轻量化特征。
33.(5)本发明借助于多尺度增强手段，保持lhdcc本身轻量特征的同时，显著提升了包含应变能力在内的强度、延展性等力学性能，大大拓宽了lhdcc的应用领域，使lhdcc能够替代性地应用于对结构材料的强度和延展性等要求苛刻的建筑主体中，例如建筑抗震设计规范要求钢筋的抗拉应变能力大于9％，但大多数现有水泥基材料的拉伸应变都达不到如此高的水平，使得钢筋得不到充分利用，本发明的材料具有高达9％的应变能力，将其用于工程中可充分发挥钢筋的性能。另外，近年来新发展的新型薄壁hdcc/型钢复合梁、钢-hdcc-钢夹层复合板和壳以及钢-hdcc-钢夹层管中管结构，将本发明的材料用于这些新型结构中，一方面可充分发挥钢材的性能，还可减轻结构的自重，扩展材料的应用领域，例如用于构成大跨度薄壁结构。
34.(6)本发明的lhdcc可以对既有结构的修复和加固，例如加入玄武岩聚合物网格的材料在保持足够延性的同时还具有较高的抗拉强度，可将其用于高层、大跨度、古老建筑这类对自重比较敏感的结构修复和加固。在提升结构性能的同时也避免了对下部结构造成明显的自重的变化。这对自重比较敏感的结构而言尤为重要。
35.(7)本发明的lhdcc同时具有较强的裂纹控制能力，在拉伸受力过程中，可实现细密多裂纹开裂，裂纹宽度可控制在100微米以内，这使得材料的水或氯离子渗透速率较小，所以材料具有良好的耐久性，具有更广泛的用途而不限于作为建筑主体的材料，例如加入玄武岩聚合物网格或土工聚合物网格的复合材料具有1.8％-7％的应变和10.6-18mpa的拉伸强度，适合于污水井盖、管道井盖等，解决井盖耐久性差、被盗、抗冲击性能差、韧性低等问题，还可用于制作油气输送管道。
附图说明
36.图1为对比例a1-a4与实施例a1-a5的lhdcc的拉伸应力应变曲线图；
37.图2为对比例b1与实施例b1-b2的lhdcc的拉伸应力应变曲线图。
具体实施方式
38.下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明。
39.本技术发明人在大量的实验和实践中发现，lhdcc的强度降低主要是由于引入的轻质填料本身为疏松多孔结构，其作为弱项存在于lhdcc基体中；另外，气泡或轻质填料的引入还会增加ecc基体内部的孔隙。这些弱项和孔隙存在于纤维基体界面间时，会削弱纤维基体界面粘结性能，从而影响纤维桥接性能。hdcc的拉伸性能依赖于纤维桥接性能，桥接性能的不足是导致lhdcc拉伸强度和延性降低的主要原因。
40.本发明通过加入多尺度的增强改性材料，在纳米尺度上用纳米氧化硅、纳米碳酸钙和纳米硅酸钙颗粒中的一种或几种对lhdcc的水化产物进行调控，在微米尺度上采用碳酸钙晶须、硫酸钙晶型中的一种或几种对lhdcc的缺陷和裂纹进行抑制，在毫米尺度采用聚乙烯纤维、芳纶纤维、聚苯并双恶唑(pbo)纤维中的一种或几种对lhdcc的裂纹扩展进行抑制和控制，可以改善lhdcc的基体微观结构和纤维桥接性能从而提高lhdcc基体材料的力学性能。
41.进一步地，通过在改性的lhdcc基体材料中布置连续的聚合网格，通过提供额外的裂纹桥接力可以进一步提高lhdcc整体的力学性能。其原理是将lhdcc基体混合物浇入多层平行布置的聚合网格孔洞和间隙内，对聚合网格形成包裹，水泥硬化后形成聚合网格/lhdcc受力整体，在受力初期，聚合网格和lhdcc基体材料共同承担荷载，随着水泥基体达到承载极限时出现第一条裂纹，聚合网格与lhdcc中的纤维发挥桥接作用共同抵抗裂纹的扩展，进而在复合材料的其他位置形成裂纹，如此反复将在复合材料中形成多裂纹开裂，从而赋予复合材料多缝开裂和应变硬化特性。由于聚合网格提供了额外的裂纹桥接力，大幅提升了复合材料的拉伸强度和多缝开裂稳定性，还保持了轻质的特性，是一种优质的加固修复材料。根据不同工程需求选择不同的聚合网格作为增强材料从而得到不同性能的lhdcc复合材料。
42.所使用原材料均为常规材料和试剂，均可通过商购获得。
43.实施例所用胶凝材料为po.52.5普通硅酸盐水泥。当然也可以采用铝酸盐类水泥和硫铝酸盐水泥。
44.实施例所用的矿物掺合料为f型一级粉煤灰或硅灰。当然也可以采用矿渣粉。
45.实施例所用的纳米尺度改性材料为纳米氧化硅，其平均粒径为40nm，sio2含量大于等于99.8％。当然也可以采用纳米碳酸钙和纳米硅酸钙。
46.实施例所用的微米尺度增强材料为碳酸钙晶须，其直径为100-200nm，长度为50-80μm。当然也可以采用硫酸钙晶须。
47.实施例所用的毫米尺度增强纤维为聚乙烯纤维，其直径为26μm，长度为12-50mm，抗拉强度大于2900mpa。当然也可以采用芳纶纤维、聚苯并双恶唑(pbo)。
48.所用的轻质填料为粉煤灰空心微珠，其粒径范围为10-300μm。当然也可以采用玻璃空心微珠、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石。
49.所用的外加剂为减水率大于等于30％的减水剂，例如聚羧酸减水剂。当然也可以采用萘系高效减水剂、脂肪族高效减水剂、氨基高效减水剂。
50.各实施例和对比例的相关性说明
51.下面对比例a1、对比例a2、对比例a3、对比例a4与实施例a1、a2、a3、a4、a5选择一种与现有技术(cn112694342a)相同密度等级的lhdcc基体材料a。下面对比例b1与实施例b1、b2选择与实施例a1至实施例a5不同密度等级的另一种lhdcc基体材料b。
52.需要指出的是，lhdcc基体材料a和lhdcc基体材料b由于加入轻质填料的比例不同，而轻质填料在复合材料中是弱项，力学性能较低，轻质填料比例越高材料的性能越差，最终获得的产品的性能数据也相差比较大。因此两组实施例之间不具备可比性，两组实施例应分别与其对应的对比例进行对比，分析多尺度增强技术的效果。
53.在各对比例及实施例中：
54.对比例a1未添加纳米或微米尺度增强材料，与现有技术(cn112694342a)一样仅掺杂纤维，即毫米尺度增强材料；对比例a2在对比例a1基础上添加纳米尺度增强材料；对比例a3在对比例a1基础上添加微米尺度增强材料；对比例a4在对比例a1基础上添加聚合网格。五个实施例均同时还添加了纳米及微米尺度增强材料，各实施例之间所不同之处在于聚合网格的设置方式。
55.对比例b1未添加纳米或微米尺度增强材料，仅与现有技术一样掺杂纤维，即毫米尺度增强材料。实施例b1和实施例b2均同时添加有纳米、微米及毫米尺度增强材料，二者之间所不同之处在于聚合网格的设置方式。
56.为清楚起见，将上述各对比例和实施例的多尺度增强特征对比性列于表1。
57.表1各对比例和实施例的多尺度增强特征对比
58.[0059][0060]
下面将具体描述各实施例及对比例的制备方法
[0061]
对比例a1
[0062]
提供一种lhdcc材料和制备方法，该lhdcc材料按照重量份计数包括以下组分：水泥870份，粉煤灰392份，空心微珠195份，水240份，减水剂85份，聚乙烯纤维20份。
[0063]
不布置聚合网格。
[0064]
按照以下步骤制备lhdcc：
[0065]
(1)按重量份称取上述材料；
[0066]
(2)将水泥、粉煤灰和空心微珠混合搅拌均匀，得到干料；
[0067]
(3)将水、减水剂混合，并在功率为80w的超声仪中超声15min，得到液料；
[0068]
(4)将液料加入干料中，混合搅拌均匀，得到浆料；
[0069]
(5)将聚乙烯纤维分散撒入浆料中，搅拌均匀得到lhdcc的新拌混合物；
[0070]
(6)将新拌lhdcc混合物浇入模腔，待lhdcc基体硬化后，得到毫米尺度增强lhdcc复合材料。
[0071]
对比例a2
[0072]
提供一种仅纳米尺度增强的lhdcc材料和制备方法，该lhdcc材料按照重量份计数包括以下组分：水泥870份，粉煤灰392份，空心微珠195份，水240份，减水剂85份，聚乙烯纤维20份，纳米氧化硅40份。
[0073]
不布置聚合网格。
[0074]
按照以下步骤制备lhdcc：
[0075]
(1)按重量份称取上述材料；
[0076]
(2)将水泥、粉煤灰和空心微珠混合搅拌均匀，得到干料；
[0077]
(3)将水、减水剂、纳米氧化硅混合，并在功率为80w的超声仪中超声15min，得到液料；
[0078]
(4)将液料加入干料中，混合搅拌均匀，得到浆料；
[0079]
(5)将聚乙烯纤维分散撒入浆料中，搅拌均匀得到lhdcc的新拌混合物；
[0080]
(6)将新拌lhdcc混合物浇入模腔，待lhdcc基体硬化后，得到纳米尺度增强lhdcc复合材料。
[0081]
对比例a3
[0082]
提供一种仅微米尺度增强的lhdcc材料和制备方法，该lhdcc材料按照重量份计数包括以下组分：水泥870份，粉煤灰392份，空心微珠195份，水240份，减水剂85份，聚乙烯纤维20份，碳酸钙晶须30份。
[0083]
不布置聚合网格。
[0084]
按照以下步骤制备lhdcc：
[0085]
(1)按重量份称取上述材料；
[0086]
(2)将水泥、粉煤灰和空心微珠混合搅拌均匀，得到干料；
[0087]
(3)将水、减水剂、碳酸钙晶须混合，并在功率为80w的超声仪中超声15min，得到液料；
[0088]
(4)将液料加入干料中，混合搅拌均匀，得到浆料；
[0089]
(5)将聚乙烯纤维分散撒入浆料中，搅拌均匀得到lhdcc的新拌混合物；
[0090]
(6)将新拌lhdcc混合物浇入模腔，待lhdcc基体硬化后，得到微米尺度增强lhdcc复合材料。
[0091]
对比例a4
[0092]
提供一种仅毫米尺度增强的lhdcc材料和制备方法，该lhdcc材料按照重量份计数包括以下组分：水泥870份，粉煤灰392份，空心微珠195份，水240份，减水剂85份，聚乙烯纤维20份。
[0093]
设置一层聚丙烯塑料土工聚合物网格，网格线间距为30mm，厚度为2.3mm。
[0094]
按照以下步骤制备lhdcc：
[0095]
(1)按重量份称取上述材料；
[0096]
(2)将水泥、粉煤灰和空心微珠混合搅拌均匀，得到干料；
[0097]
(3)将水、减水剂混合，并在功率为80w的超声仪中超声15min，得到液料；
[0098]
(4)将液料加入干料中，混合搅拌均匀，得到浆料；
[0099]
(5)将聚乙烯纤维分散撒入浆料中，搅拌均匀得到lhdcc的新拌混合物；
[0100]
(6)将新拌lhdcc混合物浇入模腔，待lhdcc基体硬化后，得到聚合物网格/lhdcc复合材料。
[0101]
实施例a1
[0102]
提供一种多尺度增强的lhdcc材料和制备方法，该lhdcc材料按照重量份计数包括以下组分：水泥870份，粉煤灰392份，空心微珠195份，水240份，减水剂85份，纳米氧化硅40份，碳酸钙晶须30份，聚乙烯纤维20份。
[0103]
不布置聚合网格。
[0104]
然后按照以下步骤制备lhdcc：
[0105]
(1)按重量份称取上述材料；
[0106]
(2)将水泥、粉煤灰和空心微珠混合搅拌均匀，得到干料；
[0107]
(3)将水、减水剂、纳米氧化硅和碳酸钙晶须混合，并在功率为80w的超声仪中超声15min，得到液料；
[0108]
(4)将液料加入干料中，混合搅拌均匀，得到浆料；
[0109]
(5)将聚乙烯纤维分散撒入浆料中，搅拌均匀得到lhdcc的新拌混合物；
[0110]
(6)将新拌lhdcc混合物浇入模腔，待lhdcc基体硬化后，得到多尺度增强lhdcc复合材料。
[0111]
实施例a2
[0112]
实施例a2的材料组分与实施例a1相同。其不同之处仅在于，设置一层玄武岩聚合物网格，网格线间距为30mm，网格厚度为1mm。
[0113]
对应地，其制备方法与实施例1不同之处在于步骤(6)：
[0114]
将新拌lhdcc混合物浇入布置有单层玄武岩聚合物网格的模腔中，使lhdcc混合物嵌入聚合网格的孔洞和间隙，对聚合网格形成包裹，待lhdcc基体硬化后，得到多尺度增强lhdcc复合材料。
[0115]
实施例a3
[0116]
实施例a3的材料组分与实施例a1相同。其不同之处仅在于，设置三层玄武岩聚合物网格，网格线间距为30mm，厚度为1mm。
[0117]
对应地，其制备方法与实施例a1不同之处在于步骤(6)：
[0118]
将新拌lhdcc混合物浇入平行间隔布置有三层玄武岩聚合物网格的模腔中，使lhdcc混合物嵌入聚合网格的孔洞和间隙，对各层聚合网格形成包裹，待lhdcc基体硬化后，得到多尺度增强lhdcc复合材料。
[0119]
实施例a4
[0120]
实施例a4的材料组分与实施例a1相同。其不同之处仅在于，设置一层聚丙烯塑料土工聚合物网格，网格线间距为30mm，厚度为2.3mm。
[0121]
对应地，其制备方法与实施例a1不同之处在于步骤(6)：
[0122]
将新拌lhdcc混合物浇入布置有一层聚丙烯塑料土工聚合物网格的模腔中，使lhdcc混合物嵌入聚合网格的孔洞和间隙，对聚合网格形成包裹，待lhdcc基体硬化后，得到多尺度增强lhdcc复合材料。
[0123]
实施例a5
[0124]
实施例a5的材料组分与实施例a1相同。其不同之处仅在于，设置三层聚丙烯塑料土工聚合物网格，网格线间距为30mm，厚度为2.3mm。
[0125]
对应地，其制备方法与实施例a1不同之处在于步骤(6)：
[0126]
将新拌lhdcc混合物浇入平行间隔布置有三层聚丙烯塑料土工聚合物网格的模腔中，使lhdcc混合物嵌入聚合网格的孔洞和间隙，对聚合网格形成包裹，待lhdcc基体硬化后，得到多尺度增强lhdcc复合材料。
[0127]
实施例b1
[0128]
提供一种多尺度增强的lhdcc材料和制备方法，该lhdcc材料按照重量份计数包括以下组分：水泥490份，硅灰219份，空心微珠330份，水213份，减水剂86份，纳米氧化硅21.9
份，碳酸钙晶须30份，聚乙烯纤维15份。
[0129]
不布置聚合网格。
[0130]
然后按照以下步骤制备lhdcc：
[0131]
(1)按重量份称取上述材料；
[0132]
(2)将水泥、粉煤灰和空心微珠混合搅拌均匀，得到干料；
[0133]
(3)将水、减水剂、纳米氧化硅和碳酸钙晶须混合，并在功率为80w的超声仪中超声15min，得到液料；
[0134]
(4)将液料加入干料中，混合搅拌均匀，得到浆料；
[0135]
(5)将聚乙烯纤维分散撒入浆料中，搅拌均匀得到lhdcc的新拌混合物；
[0136]
(6)将新拌lhdcc混合物浇入模腔，待lhdcc基体硬化后，得到多尺度增强lhdcc复合材料。
[0137]
实施例b2
[0138]
实施例b2的材料组分与实施例b1相同。其不同之处仅在于，设置两层聚丙烯塑料土工聚合物网格，网格线间距为30mm，厚度为2.3mm。
[0139]
对应地，其制备方法与实施例b1不同之处在于步骤(6)：
[0140]
将新拌lhdcc混合物浇入布置有两层聚丙烯塑料土工聚合物网格的模腔中，使lhdcc混合物嵌入聚合网格的孔洞和间隙，对聚合网格形成包裹，待lhdcc基体硬化后，得到多尺度增强lhdcc复合材料。
[0141]
对比例b1
[0142]
对比例b1与实施例b1不同之处仅在于，材料组分中不含纳米尺度增强材料纳米氧化硅和微米尺度增强材料碳酸钙晶须。
[0143]
各实施例和对比例的试验结果对比
[0144]
分别对对比例a1-对比例a4、实施例a1-a5、实施例b1-b2、对比例b1的lhdcc复合材料成型拉伸试件，养护28天后进行拉伸试验，各对比例和实施例的试验结果将在下文对比性描述。
[0145]
实施例a1-a5的拉伸应力-应变曲线如图1所示，实施例实施例b1-b2的拉伸应力-应变曲线如图2所示。各实施例的材料拉伸强度和拉伸延性与材料的容重(密度)一起列于表2。
[0146]
多尺度增强的影响
[0147]
通过实施例a1与对比例a1、a2和a3的对比可以看出，实施例a1相对于对比例a1、a2和a3而言，抗拉强度分别提升了34.6％、19.1％和23.5％；极限拉伸应变分别提升了74.9％、43.75％和64.3％。抗拉强度和延性都有了显著提升。与此同时，材料的容重变化微乎其微，在实验误差范围之内。
[0148]
另外，在与具有同等密度等级的对比例1以及cn112694342a中现有技术进行对比时可以看到，实施例a1的抗拉强度均具有显著的提高，抗拉强度提高71.4％。实施例a1的拉伸延性也有较大提高，极限拉伸应变提高了130％。
[0149]
究其原因，采用本发明多尺度增强的技术手段，通过纳米和微米尺度的增强材料改进纤维与基体的界面性能，使毫米尺度纤维可以更好地发挥桥接性能而实现材料性能的提升。
[0150]
实施例a1所制备的lhdcc复合材料的抗拉应变能力甚至达到了9％以上，即达到抗震建筑体中钢筋的抗拉应变能力水平，完全满足与钢筋适配构建抗震建筑体的应用需求。
[0151]
由此可见，本发明的方案在保持轻量化特征的同时改善lhdcc基体材料本身的力学性能，从而适合于更多的应用场景。
[0152]
通过实施例b1与对比例b1的对比可以看出，实施例b1相对于对比例b1而言，抗拉强度提升了82.4％；极限拉伸应变提升了142.8％。抗拉强度和延性也都有了显著提升。与此同时，材料的容重变化同样微乎其微。
[0153]
由此可见，本发明的多尺度增强技术手段对不同密度的lhdcc均适用。由于在实际工程中可能会根据需求不同而采用不同密度的材料，借助于本发明的技术手段，可以提供在某一密度等级下具有更优力学性能的多尺度增强lhdcc材料。
[0154]
聚合网格的影响
[0155]
实施例a2-a5是在实施例a1的基础上设置了聚合网格，根据图1及表1的结果可见，聚合网格在实施例a1的多尺度增强lhdcc材料基础上，可以进一步显著提升抗拉强度。实施例b2相对于实施例b1来看，显示同样的趋势。
[0156]
同时也可以看到，聚合网格的材质对极限拉伸应变具有强调整性，实施例a2-a5的极限拉伸应变相比不设置聚合网格的实施例a1会存在回落，但仍为本领域提供了高强、轻量的解决方案，适用于不同的应用场景。
[0157]
因此借助于本发明的多尺度增强技术手段获得具有优良力学性能的基体材料后，结合不同聚合网格材质的选择，可以为本领域提供多样化拉伸延性的轻量、高强的多尺度增强lhdcc复合材料。
[0158]
例如，实施例a2-a3中采用玄武岩聚合物网格，受玄武岩材质特点影响，拉伸延性明显降低，但是其优异的抗拉强度依然为材料拓宽了应用领域，适合于要求轻质化和高强度，并对拉伸延性要求低的应用领域，例如当前在高层或大跨度结构的修复和加固中往往采用粘贴聚合网格、纤维布的方法，然而所用的环氧树脂粘结剂耐紫外线、耐火性能、耐久性能差，使用实施例a2-a3的材料加固或修复结构可以代替现有的方式，避免使用环氧树脂及其带来的相关问题；当前市政工程中的井盖，主要由铸铁和纤维混凝土为原材料制造，具有自重大、易失窃韧性差等缺点，实施例a2-a3的材料可满足井盖高弯拉强度、抗冲击性能、韧性和轻质特性的需求。相关的应用场景还有很多如海上漂浮结构、油气输送管道、古建筑的修复加固等。
[0159]
通过实施例a4和对比例a4的对比可以看出，实施例a4相对于对比例a4而言，抗拉强度提高了30.9％；极限拉伸应变提升了17.9％。未采用多尺度增强的对比例a4，在受力过程中，当荷载达到基体材料的开裂荷载时，基体的多缝开裂程度减弱，控裂能力变差，随着荷载的增加，这些裂纹将会快速形成大裂纹，导致聚合物网格与基体脱开，使得聚合物网格增强效果大大降低。由此可见，当基体材料的延性、强度不足的情况下，聚合网格的增强效果非常有限。而实施例4中在使用多尺度增强的手段提升基体材料的力学性能的基础上设置聚合网格，一方面可以使基体材料的强度和延性得到提高，另一方面纳米和微米尺度材料也可以在聚合网格周围的基体提高额外的连接点从而改善粘结性能。两方面原因使得聚合网格和基体材料可以很好地发挥协同工作效应，最终使得聚合网格增强材料的性能进一步提高。
[0160]
表2同等容重(密度)条件下，各实施例与对比例以及现有技术的抗拉强度和拉伸延性的对比
[0161][0162]
在本说明书的描述中，实施例是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0163]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。