CN114560656B - 一种双尺度增韧水泥基复合材料及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建材材料技术领域，特别涉及一种双尺度增韧水泥基复合材料及其应用。本发明提供的双尺度增韧水泥基复合材料，包括胶凝基料、聚合物单体、引发剂、交联剂和纤维；所述聚合物单体的官能团包括碳碳双键和羧基；所述纤维包括钢纤维和/或合成纤维；所述合成纤维包括聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维和碳纤维中的一种或多种。聚合物单体原位聚合与纤维在两种尺度作用，同时聚合物单体原位改性纤维表面改善了纤维与基体的黏结性能与界面结构，形成了聚合物‑纤维‑水泥基体的复合结构。实施例测试结果表明，本发明提供的双尺度增韧水泥基复合材料较未掺加改性物质的水泥基材料抗压抗折性能提升50～150％，韧性优异。
Description
技术领域
本发明属于建材材料技术领域，特别涉及一种双尺度增韧水泥基复合材料及其应用。
背景技术
水泥基材料是应用最广泛的建筑材料，但水泥基材料属于多孔非均质材料，抗折强度低。聚合物改性与纤维改性是两种提高水泥基材料抗折强度的方法。
聚合物在混凝土中可以与水泥水化产物形成相互交联、贯穿的网络，能分散和转移应力，阻止或减弱裂缝的扩展。同时，聚合物还能改善胶凝材料-集料的界面结构和性质，增强了各组分之间的黏结性，提高了过渡区的强度，大大改善材料的性能。除此之外，一些聚合物因其特殊的官能团能与水泥水化产物或金属离子发生化学作用，形成特殊的桥键作用，增强材料间的结合力，使混凝土的性能提高。但是聚合物改性混凝土存在聚合物分布不均匀的问题，聚合物与水化产物相容性、结合性不佳，导致聚合物改性水泥基材料对韧性的改性效果不理想(孙贵鹏.聚合物改性混凝土的发展及应用[J].建材技术与应用,2016(01):9-12+15.以及张二芹,黄志强.聚合物混凝土的发展及应用[J].四川建材,2014,40(03):39-40+43)。纤维改性混凝土中纤维的加入主要通过物理力学作用改善混凝土内部结构，能够细化混凝土的微结构，减少内部初始缺陷，在混凝土受荷时，纤维还能够有效限制裂纹的扩展，从而改善混凝土的脆断性。但是，通常纤维与水泥基体形成弱结合界面，导致纤维在传递荷载的过程中过早的与基体脱粘而从基体中拔出，纤维的增韧效果无法得到充分的发挥(代超,刘伟超.钢纤维-水泥石基体界面粘结性能研究进展综述[J].公路交通技术,2014(05):16-22.以及陈公增,马绪荣.纤维-水泥基材料的界面黏结性能[J].筑路机械与施工机械化,2018,35(07):75-78.)。
目前的聚合物改性和纤维改性均无法稳定的提高水泥基材料的韧性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双尺度增韧水泥基复合材料，具有韧性高的特点。
为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种双尺度增韧水泥基复合材料，包括胶凝基料、聚合物单体、引发剂、交联剂和纤维；
所述聚合物单体的官能团包括碳碳双键和羧基；
所述纤维包括钢纤维和/或合成纤维；所述合成纤维包括聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维和碳纤维中的一种或多种。
优选的，所述羧基替换为可水解为羧基的基团。
优选的，所述聚合物单体包括丙烯酰胺类单体、丙烯酸类聚合物单体、甲基丙烯酸丁酯单体、乙二醇二甲基丙烯酸酯单体和甲基丙烯酸羟乙酯单体中的一种或多种。
优选的，所述胶凝基料与聚合物单体的质量比为100：(0.1～10)；所述双尺度增韧水泥基复合材料中纤维的含量为0.5～3vol.％。
优选的，所述钢纤维的直径为300～1200μm，长度为20～120mm；所述合成纤维的直径为5～100μm，长度为3～40mm。
优选的，所述引发剂包括过硫酸盐、亚硫酸盐、有机过氧化物-亚铁盐体系、多电子转移高价态化合物-亚硫酸盐体系和非过氧化物类引发剂中的一种或多种；
所述聚合物单体与引发剂的质量比为100：(0.5～5)。
优选的，所述交联剂为多氨基交联剂；
所述聚合物单体与交联剂的质量比为100：(0.3～5)。
优选的，所述交联剂包括N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、六亚甲基四胺-对苯二酚、聚乙烯亚胺、对苯二胺和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯中的一种或多种。
本发明还提供了上述技术方案所述双尺度增韧水泥基复合材料在建筑材料中的应用。
优选的，所述应用包括以下步骤：
将聚合物单体、引发剂、交联剂和水混合，得到原位聚合溶液；
将胶凝基料和原位聚合溶液混合，得到原位聚合改性基料浆体；
将所述原位聚合改性基料浆体和纤维混合，得到双尺度增韧水泥基复合材料浆体，将所得双尺度增韧水泥基复合材料浆体进行浇注和养护。
本发明提供了一种双尺度增韧水泥基复合材料，包括胶凝基料、聚合物单体、引发剂、交联剂和纤维；所述聚合物单体的官能团包括碳碳双键和羧基；所述纤维包括钢纤维和/或合成纤维；所述合成纤维包括聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维和碳纤维中的一种或多种。
在本发明中，聚合物单体原位聚合可以克服常规聚合物改性的一些缺陷，形成均匀分布的聚合物网络，又因存在羧基官能团，与水化产物间存在化学键合作用，形成了紧密结合的有机-无机网络，能够显著提高水泥基材料的抗折强度；掺加纤维可以承担荷载、抑制裂缝，相互交织形了纤维的网络结构，也能够提高其抗折强度。聚合物单体原位聚合形成聚合物网络的同时，原位改性纤维表面，与纤维协同作用，形成了聚合物-纤维-基体网络结构，通过双尺度改性得到一种高抗折强度的水泥基材料。具体来说，首先，聚合物与纤维是不同尺度的改性物质，聚合物单体原位聚合从微观尺度改善混凝土结构，纤维从宏观尺度(毫米尺度)改善混凝土结构，两者从两种尺度共同作用，提高了材料的抗折强度；其次，聚合物单体在纤维上原位聚合可以原位改性纤维表面，改善了纤维与基体的黏结性能与界面结构，充分发挥了纤维的改性潜力；最后，聚合物单体原位形成的聚合物网络与纤维交织形成的纤维网络共同组成了聚合物-纤维-水泥基体的结构，稳定提高水泥基复合材料的韧性。
实施例测试结果表明，本发明提供的双尺度增韧水泥基复合材料的7d抗折强度为7.2～12.2MPa，28d抗折强度为8.3～14.3MPa，较未掺加改性物质(聚合物单体、纤维)的水泥基材料提高了50～150％，韧性优异。
附图说明
图1为对比例2所得试块的SEM图；
图2为实施例4所得试块的SEM图；
图3为实施例4所得试块的SEM图；
图4为实施例4所得试块在1wt.％盐酸中浸泡60s后的SEM图；
图5为实施例4所得试块在1wt.％盐酸中浸泡60s后的SEM图；
图6为实施例4所得试块在1wt.％盐酸中浸泡60s后的SEM图。
具体实施方式
本发明提供了一种双尺度增韧水泥基复合材料，包括胶凝基料、聚合物单体、引发剂、交联剂和纤维；
所述聚合物单体的官能团包括碳碳双键和羧基；
所述纤维包括钢纤维和/或合成纤维；所述合成纤维包括聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维和碳纤维中的一种或多种。
在本发明中，若无特殊说明，所述各组分均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明提供的双尺度增韧水泥基复合材料包括胶凝基料。在本发明中，所述胶凝基料优选包括水泥。在本发明中，所述水泥优选为普通硅酸盐水泥。在本发明中，所述普通硅酸盐水泥的级别优选为32.5级、42.5级或52.5级。
在本发明中，所述双尺度增韧水泥基复合材料优选还包括骨料和/或掺合料。
在本发明中，所述骨料优选包括砂和/或石子。本发明对所述砂没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的砂即可；本发明对所述石子没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的石子即可。在本发明中，所述水泥与骨料的质量比优选为1：(1～3)，更优选为1：(1.5～2.5)。
在本发明中，所述掺合料优选包括硅灰和/或粉煤灰。在本发明中，所述掺合料与水泥的质量比优选≤1。
本发明提供的双尺度增韧水泥基复合材料包括聚合物单体。在本发明中，所述聚合物单体的官能团包括碳碳双键和羧基。作为本发明的并列技术方案，所述聚合物单体的官能团包括碳碳双键和可水解为羧基的基团。在本发明中，所述聚合物单体优选包括丙烯酰胺类单体、丙烯酸类聚合物单体、甲基丙烯酸丁酯单体、乙二醇二甲基丙烯酸酯单体和甲基丙烯酸羟乙酯单体中的一种或多种。在本发明中，所述丙烯酰胺类单体优选包括丙烯酰胺、羟甲基丙烯酰胺和N-异丙基丙烯酰胺中的一种或多种。在本发明中，所述丙烯酸类聚合物单体优选包括丙烯酸钠。
在本发明中，所述胶凝基料与聚合物单体的质量比优选为100：(0.1～10)，更优选为100：(1～7)，再优选为100：(3～5)。
本发明提供的双尺度增韧水泥基复合材料包括引发剂。在本发明中，所述引发剂优选包括过硫酸盐、亚硫酸盐、有机过氧化物-亚铁盐体系、多电子转移高价态化合物-亚硫酸盐体系和非过氧化物类引发剂中的一种或多种。在本发明中，所述过硫酸盐优选包括过硫酸铵、过硫酸钾和过硫酸钠中的一种或多种。在本发明中，所述亚硫酸盐优选包括亚硫酸钠和/或亚硫酸氢钠。在本发明中，所述有机过氧化物-亚铁盐体系优选包括过氧化氢叔丁基-硫酸亚铁。在本发明中，所述多电子转移高价态化合物-亚硫酸盐体系优选包括氯酸钠-亚硫酸钠。在本发明中，所述非过氧化物类引发剂优选包括硝酸铈铵-硫脲。
在本发明中，所述聚合物单体与引发剂的质量比优选为100：(0.5～5)，更优选为100：(0.8～3)，再优选为100：(1～2)。
本发明提供的双尺度增韧水泥基复合材料包括交联剂。在本发明中，所述交联剂优选为多氨基交联剂。在本发明中，所述交联剂优选包括N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、六亚甲基四胺-对苯二酚、聚乙烯亚胺、对苯二胺和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯中的一种或多种。
在本发明中，所述聚合物单体与交联剂的质量比优选为100：(0.3～5)，更优选为100：(0.4～3)，再优选为100：(0.5～2)。
本发明提供的双尺度增韧水泥基复合材料包括纤维。在本发明中，所述纤维包括钢纤维和/或合成纤维；所述合成纤维包括聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维和碳纤维中的一种或多种。
在本发明中，所述钢纤维的直径优选为300～1200μm，长度优选为20～120mm。在本发明中，所述合成纤维的直径优选为5～100μm，长度优选为3～40mm。
在本发明中，所述双尺度增韧水泥基复合材料中纤维的含量优选为0.5～3vol.％，更优选为1～2.5vol.％，再优选为1.5～2vol.％。
本发明还提供了上述技术方案所述双尺度增韧水泥基复合材料在建筑材料中的应用。
在本发明中，所述应用优选包括以下步骤：
将聚合物单体、引发剂、交联剂和水混合，得到原位聚合溶液；
将胶凝基料和原位聚合溶液混合，得到原位聚合改性基料浆体；
将所述原位聚合改性基料浆体和纤维混合，得到双尺度增韧水泥基复合材料浆体，将所得双尺度增韧水泥基复合材料浆体进行浇注和养护。
本发明将聚合物单体、引发剂、交联剂和水混合，得到原位聚合溶液。
在本发明中，所述应用中双尺度增韧水泥基复合材料浆体的制备温度优选为0～60℃，更优选为0～40℃。
在本发明中，所述聚合物单体、引发剂、交联剂和水的混合优选为将聚合物单体和水混合后，再将所得的聚合物单体溶液、引发剂和交联剂混合。
本发明对所述聚合物单体、引发剂、交联剂和水的混合方式没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的混合即可，具体的，如搅拌。在本发明中，所述搅拌优选为磁力搅拌；所述搅拌的时间优选为5～10min。
得到原位聚合溶液后，本发明将胶凝基料和原位聚合溶液混合，得到原位聚合改性基料浆体。
在本发明中，所述胶凝基料和水的质量比优选为1：(0.35～0.4)，更优选为1：(0.38～0.4)，最优选为1：0.4。
在本发明中，所述胶凝基料和原位聚合溶液的混合的方法优选为搅拌；所述搅拌优选包括第一搅拌和第二搅拌。在本发明中，所述第一搅拌中自转的速率优选为135～145rpm，公转的速率优选为57～67rpm；搅拌时间优选为1～3min，更优选为1.5～2.5min。在本发明中，所述第二搅拌中自转的速率优选为275～295rpm，公转的速率优选为115～135rpm；搅拌时间优选为60～120s，更优选为90～100s。
在本发明中，当所述双尺度增韧水泥基复合材料优选还包括骨料和/或掺合料时，所述骨料和/或掺合料优选与胶凝基料的使用时机相同。
得到原位聚合改性基料浆体后，本发明将所述原位聚合改性基料浆体和纤维混合，得到双尺度增韧水泥基复合材料浆体，将所得双尺度增韧水泥基复合材料浆体进行浇注和养护。
在本发明中，所述原位聚合改性基料浆体和纤维的混合优选为将纤维加入所述原位聚合改性基料浆体中。在本发明中，所述原位聚合改性基料浆体和纤维的混合优选为搅拌；所述搅拌中自转的速率优选为135～145rpm，公转的速率优选为57～67rpm；所述搅拌的时间优选为1～5min，更优选为2～3min。本发明优选将搅拌设备上粘附的纤维刮下归拢于原位聚合改性基料浆体中。
本发明对所述浇注没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的浇注即可，具体的，如将所述双尺度增韧水泥基复合材料浆体依次装模、震荡、抹平、覆膜和拆模。在本发明中，所述震荡的次数优选为30～90次，更优选为50～70次，最优选为60次。在本发明中，所述覆膜用膜材料优选为保鲜膜。在本发明中，所述覆膜的时间优选为24h。
在本发明中，所述养护优选为标准养护；所述标准养护的温度优选为18～22℃，湿度优选≥95％。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种双尺度增韧水泥基复合材料及其应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将45g丙烯酰胺单体和600g水搅拌，得到聚合物单体溶液；将所得聚合物单体溶液、0.6g过硫酸铵和0.3g的N,N'-亚甲基双丙烯酰胺混合，磁力搅拌5min，得到原位聚合溶液；
将1500g普通硅酸盐水泥(P.O 42.5级)和原位聚合溶液在自转速率为135～145rpm、公转速率为57～67rpm下搅拌2min，然后在自转速率为275～295rpm、公转速率为115～135rpm下搅拌90s，得到原位聚合改性基料浆体；
将7.2g聚乙烯醇纤维(直径为40μm，长度为12mm)加入所得聚合改性基料浆体中，自转速率为135～145rpm、公转速率为57～67rpm搅拌2min后，将搅拌设备上粘住的纤维刮下归拢于双尺度增韧水泥基复合材料浆体中，继续搅拌1min后装模，震荡60次，抹平后覆膜24h，拆模，在18～22℃、湿度≥95％条件下进行标准养护。
本实施例中，双尺度增韧水泥基复合材料中纤维的含量为0.5vol.％，胶凝基料(普通硅酸盐水泥)与聚合物单体(丙烯酰胺单体)的质量比为100：3，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与引发剂(过硫酸铵)的质量比为100：1.33，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与交联剂(N,N'-亚甲基双丙烯酰胺)的质量比为100：0.67。
实施例2
聚乙烯醇纤维的用量为14.4g，其余技术手段与实施例1一致，得到实施例2；
本实施例中，双尺度增韧水泥基复合材料中纤维的含量为1vol.％，胶凝基料(普通硅酸盐水泥)与聚合物单体(丙烯酰胺单体)的质量比为100：3。聚合物单体(丙烯酰胺单体)与引发剂(过硫酸铵)的质量比为100：1.33，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与交联剂(N,N'-亚甲基双丙烯酰胺)的质量比为100：0.67。
实施例3
聚乙烯醇纤维的用量为21.6g，其余技术手段与实施例1一致，得到实施例3；
本实施例中，双尺度增韧水泥基复合材料中纤维的含量为1.5vol.％，胶凝基料(普通硅酸盐水泥)与聚合物单体(丙烯酰胺单体)的质量比为100：3，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与引发剂(过硫酸铵)的质量比为100：1.33，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与交联剂(N,N'-亚甲基双丙烯酰胺)的质量比为100：0.67。
实施例4
聚乙烯醇纤维的用量为28.8g，其余技术手段与实施例1一致，得到实施例4；
本实施例中，双尺度增韧水泥基复合材料中纤维的含量为2vol.％，胶凝基料(普通硅酸盐水泥)与聚合物单体(丙烯酰胺单体)的质量比为100：3，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与引发剂(过硫酸铵)的质量比为100：1.33，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与交联剂(N,N'-亚甲基双丙烯酰胺)的质量比为100：0.67。
实施例5
丙烯酰胺单体的用量为60g，过硫酸铵的用量为1g，N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的用量为0.5g，聚乙烯醇纤维的用量为28.8g，其余技术手段与实施例1一致，得到实施例5；
本实施例中，增韧水泥基复合材料中纤维的含量为1.7vol.％，胶凝基料(普通硅酸盐水泥)与聚合物单体(丙烯酰胺单体)的质量比为100：4，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与引发剂(过硫酸铵)的质量比为100：1.33，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与交联剂(N,N'-亚甲基双丙烯酰胺)的质量比为100：0.67。
实施例6
过硫酸铵的用量是0.225g，其余技术手段与实施例2一致，得到实施例6；
本实施例中，双尺度增韧水泥基复合材料中纤维的含量为1vol.％，胶凝基料(普通硅酸盐水泥)与聚合物单体(丙烯酰胺单体)的质量比为100：3，聚合物单体与交联剂的质量比为100：0.5，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与引发剂(过硫酸铵)的质量比为100：0.5，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与交联剂(N,N'-亚甲基双丙烯酰胺)的质量比为100：0.67。
实施例7
过硫酸铵的用量是0.45g，其余技术手段与实施例2一致，得到实施例7；
本实施例中，双尺度增韧水泥基复合材料中纤维的含量为1vol.％，胶凝基料(普通硅酸盐水泥)与聚合物单体(丙烯酰胺单体)的质量比为100：3，聚合物单体与交联剂的质量比为100：1，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与引发剂(过硫酸铵)的质量比为100：1，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与交联剂(N,N'-亚甲基双丙烯酰胺)的质量比为100：0.67。
实施例8
过硫酸铵的用量是0.675g，其余技术手段与实施例2一致，得到实施例6；
本实施例中，双尺度增韧水泥基复合材料中纤维的含量为1vol.％，胶凝基料(普通硅酸盐水泥)与聚合物单体(丙烯酰胺单体)的质量比为100：3，聚合物单体与交联剂的质量比为100：1.5，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与引发剂(过硫酸铵)的质量比为100：1.5，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与交联剂(N,N'-亚甲基双丙烯酰胺)的质量比为100：0.67。
实施例9
过硫酸铵的用量是0.9g，其余技术手段与实施例2一致，得到实施例6；
本实施例中，双尺度增韧水泥基复合材料中纤维的含量为1vol.％，胶凝基料(普通硅酸盐水泥)与聚合物单体(丙烯酰胺单体)的质量比为100：3，聚合物单体与交联剂的质量比为100：2，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与引发剂(过硫酸铵)的质量比为100：2，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与交联剂(N,N'-亚甲基双丙烯酰胺)的质量比为100：0.67。
实施例10
聚乙烯醇纤维的直径为15μm，其余技术手段与实施例2一致，得到实施例10；
本实施例中，双尺度增韧水泥基复合材料中纤维的含量为1vol.％，胶凝基料(普通硅酸盐水泥)与聚合物单体(丙烯酰胺单体)的质量比为100：3，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与引发剂(过硫酸铵)的质量比为100：1.33，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与交联剂(N,N'-亚甲基双丙烯酰胺)的质量比为100：0.67。
实施例11
以羟甲基丙烯酰胺单体代替实施例2中的丙烯酰胺单体，其余技术手段与实施例2一致，得到实施例11。
对比例1
将1500g普通硅酸盐水泥(P.O 42.5级)加入搅拌锅中，在砂浆搅拌机中在自转速率为135～145rpm、公转速率为57～67rpm下搅拌2min，加入600g水，在自转速率为135～145rpm、公转速率为57～67rpm下搅拌2min，在自转速率为275～295rpm、公转速率为115～135rpm下搅拌90s后装模，震荡60次，抹平后覆膜24h，拆模，在18～22℃、湿度≥95％条件下进行标准养护。
本对比例中，无聚合物单体、引发剂、交联剂和纤维。
对比例2
将1500g普通硅酸盐水泥(P.O 42.5级)和600g水在自转速率为135～145rpm、公转速率为57～67rpm下搅拌2min，然后在自转速率为275～295rpm、公转速率为115～135rpm下搅拌90s，得到基料浆体；
将28.8g聚乙烯醇纤维(直径为40μm，长度为12mm)加入所得基料浆体中，自转速率为135～145rpm、公转速率为57～67rpm搅拌2min后，将搅拌设备上粘住的纤维刮下归拢于双尺度增韧水泥基复合材料浆体中，继续搅拌1min后装模，震荡60次，抹平后覆膜24h，拆模，在18～22℃、湿度≥95％条件下进行标准养护。
本对比例中，无聚合物单体、引发剂和交联剂，水泥基复合材料中纤维的含量为2vol.％。
对比例3
将45g丙烯酰胺单体和600g水搅拌，得到聚合物单体溶液；将所得聚合物单体溶液、0.6g过硫酸铵和0.3g的N,N'-亚甲基双丙烯酰胺混合，磁力搅拌5min，得到原位聚合溶液；
将1500g普通硅酸盐水泥(P.O 42.5级)和原位聚合溶液在自转速率为135～145rpm、公转速率为57～67rpm下搅拌2min，然后在自转速率为275～295rpm、公转速率为115～135rpm下搅拌90s，装模，震荡60次，抹平后覆膜24h，拆模，在18～22℃、湿度≥95％条件下进行标准养护。
本对比例中，无纤维，胶凝材料(普通硅酸盐水泥)和聚合物单体的质量比为100：3，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与引发剂(过硫酸铵)的质量比为100：1.33，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与交联剂(N,N'-亚甲基双丙烯酰胺)的质量比为100：0.67。
对比例4
将1500g普通硅酸盐水泥(P.O 42.5级)和600g水在自转速率为135～145rpm、公转速率为57～67rpm下搅拌2min，然后在自转速率为275～295rpm、公转速率为115～135rpm下搅拌90s，得到基料浆体；
将14.4g聚乙烯醇纤维(直径为40μm，长度为12mm)加入所得基料浆体中，自转速率为135～145rpm、公转速率为57～67rpm搅拌2min后，将搅拌设备上粘住的纤维刮下归拢于双尺度增韧水泥基复合材料浆体中，继续搅拌1min后装模，震荡60次，抹平后覆膜24h，拆模，在18～22℃、湿度≥95％条件下进行标准养护。
本对比例中，无聚合物单体、引发剂和交联剂，水泥基复合材料中纤维的含量为1vol.％。
对比例5
将45g聚丙烯酰胺、600g水和1500g普通硅酸盐水泥在自转速率为135～145rpm、公转速率为57～67rpm下搅拌2min，然后在自转速率为275～295rpm、公转速率为115～135rpm下搅拌90s，得到聚合物改性浆体；
将14.4g聚乙烯醇纤维(直径为40μm，长度为12mm)加入所得聚合物改性浆体中，自转速率为135～145rpm、公转速率为57～67rpm搅拌2min后，将搅拌设备上粘住的纤维刮下归拢于所得增韧水泥基复合材料浆体中，继续搅拌1min后装模，震荡60次，抹平后覆膜24h，拆模，在18～22℃、湿度≥95％条件下进行标准养护。
本对比例中，双尺度增韧水泥基复合材料中纤维的含量为1vol.％，胶凝基料(普通硅酸盐水泥)与聚合物(聚丙烯酰胺)的质量比为100：3，聚合物为聚丙烯酰胺而非单体原位聚合。
对比例6
将45g丙烯酰胺单体和600g水搅拌，得到聚合物单体溶液；将所得聚合物单体溶液、0.6g过硫酸铵和0.3g的N,N'-亚甲基双丙烯酰胺混合，磁力搅拌5min，得到原位聚合溶液；
将1500g普通硅酸盐水泥(P.O 42.5级)和14.4g聚乙烯醇纤维(直径为40μm，长度为12mm)在自转速率为135～145rpm、公转速率为57～67rpm搅拌3min，得到基料-纤维干料；将所的基料-纤维干料和原位聚合溶液在自转速率为135～145rpm、公转速率为57～67rpm下搅拌2min，然后在自转速率为275～295rpm、公转速率为115～135rpm下搅拌90s，得到双尺度增韧水泥基复合材料浆体，将搅拌设备上粘住的纤维刮下归拢于双尺度增韧水泥基复合材料浆体中，继续搅拌1min后装模，震荡60次，抹平后覆膜24h，拆模，在18～22℃、湿度≥95％条件下进行标准养护。
本对比例中，双尺度增韧水泥基复合材料中纤维的含量为1vol.％，胶凝基料(普通硅酸盐水泥)与聚合物单体(丙烯酰胺单体)的质量比为100：3，先将基料和纤维混合，再将所得基料-纤维干料和原位聚合溶液混合。
对比例7
采用144μL四甲基乙二胺代替0.3g的N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，其余技术手段与实施例2一致，得到对比例7；
本对比例中，增韧水泥基复合材料中纤维的含量为1vol.％，胶凝材基料(普通硅酸盐水泥)与聚合物单体(丙烯酰胺单体)的质量比为100：3，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与引发剂(过硫酸铵)的质量比为100：1.33，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与交联剂(四甲基乙二胺)的质量比为100：0.248。
对比例8
采用1.225g过硫酸铵和1.225g亚硫酸钠作为引发剂代替过硫酸铵单引发体系，交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺用量为0.045，其余技术手段与实施例3一致，得到对比例8；
本对比例中，增韧水泥基复合材料中纤维的含量为1.5vol.％，胶凝材基料(普通硅酸盐水泥)与聚合物单体(丙烯酰胺单体)的质量比为100：3，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与引发剂(过硫酸铵)的质量比为100：2.5，聚合物单体(丙烯酰胺单体)与引发剂(亚硫酸钠)的质量比为100：2.5聚合物单体(丙烯酰胺单体)与交联剂(N,N'-亚甲基双丙烯酰胺)的质量比为100：0.1。
按照GB/T 17671-1999水泥胶砂强度检验方法(ISO法)，对实施例1～11和对比例1～7的试块的抗折强度进行测试，测试结果见表1。
表1实施例1～11和对比例1～7试块抗折强度测试结果(MPa)
根据表1可见，本发明提供的双尺度增韧水泥基复合材料的7d抗折强度为7.2～12.2MPa，28d抗折强度为8.3～14.3MPa，较未改性的基准组(对比例1)提高了50％～150％，较未掺加改性物质的水泥基材料(对比例1)提高了50～150％，韧性优异。
对实施例4和对比例2所得试块进行扫描电子显微测试，所得SEM图见图1～6，其中，图1为对比例2所得试块的SEM图，图2和图3为实施例4所得试块的SEM图，图4～图6为实施例4所得试块在1wt.％盐酸中浸泡60s后的SEM图。
由图1可见，2％聚乙烯醇纤维单独改性时，纤维表面比较光滑，有少许的水化产物附着。
由图2和图3可见，丙烯酰胺原位聚合的聚合物与水化产物包覆在纤维表面，提高了纤维与水泥基胶凝基料间的黏结性能与界面强度，原位聚合与纤维相互作用极大地提高了双尺度增韧水泥基复合材料的性能，尤其是抗折强度。
由图4～6可见，原位聚合生成的聚合物附在纤维表面，可以清晰地观察到原位聚合生成的聚合物网络。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种双尺度增韧水泥基复合材料，由胶凝基料、聚合物单体、引发剂、交联剂、纤维和水组成；
所述聚合物单体为丙烯酰胺类单体和/或丙烯酸类聚合物单体；所述胶凝基料与聚合物单体的质量比为100：（0.1~10）；
所述纤维包括钢纤维、玻璃纤维、碳纤维和合成纤维中的一种或多种；所述合成纤维包括聚乙烯醇纤维和/或聚丙烯纤维；所述双尺度增韧水泥基复合材料中纤维的含量为0.5~3vol.%；
所述引发剂包括过硫酸盐、亚硫酸盐、有机过氧化物-亚铁盐体系、多电子转移高价态化合物-亚硫酸盐体系和非过氧化物类引发剂中的一种或多种；所述聚合物单体与引发剂的质量比为100：（0.5~5）；
所述交联剂为多氨基交联剂；所述聚合物单体与交联剂的质量比为100：（0.3~5）。
2.根据权利要求1所述的双尺度增韧水泥基复合材料，其特征在于，所述钢纤维的直径为300~1200μm，长度为20~120mm；所述合成纤维的直径为5~100μm，长度为3~40mm。
3.根据权利要求1所述的双尺度增韧水泥基复合材料，其特征在于，所述交联剂包括N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、六亚甲基四胺-对苯二酚、聚乙烯亚胺、对苯二胺和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯中的一种或多种。
4.权利要求1~3任一项所述双尺度增韧水泥基复合材料在建筑材料中的应用。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述应用包括以下步骤：
将聚合物单体、引发剂、交联剂和水混合，得到原位聚合溶液；
将胶凝基料和原位聚合溶液混合，得到原位聚合改性基料浆体；
将所述原位聚合改性基料浆体和纤维混合，得到双尺度增韧水泥基复合材料浆体，将所得双尺度增韧水泥基复合材料浆体进行浇注和养护。
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