一種纖維復(fù)摻的高延性水泥基復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高延性水泥基復(fù)合材料，它由以下重量份的原料制備而成：71.8～85份的基材、12.9～25.2份的水、0.89～2.67份的纖維和0.11～1.23份的外加劑；所述的纖維由聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維、芳香族聚酰胺纖維或玻璃纖維中的兩種以上組成，其中各纖維占纖維總重量的比例分別為：15%～89.5%、0%～68.4%、0%～75.6%、0%～73.5%、0%～56.4%。本發(fā)明所述的高延性水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度高、制備成本低，抗壓強(qiáng)度可達(dá)50.5MPa以上，同時(shí)制備成本降低到現(xiàn)有技術(shù)的15%～50%。本發(fā)明還提供所述的高延性水泥基復(fù)合材料的制備方法。
【專利說(shuō)明】一種纖維復(fù)摻的高延性水泥基復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于建筑材料領(lǐng)域，具體涉及一種水泥基復(fù)合材料，更具體地涉及一種纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高延性水泥基復(fù)合材料是一種纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，在拉伸、彎曲、剪切荷載下，呈現(xiàn)出高延性，極限延伸率高達(dá)3%，是普通混凝土和纖維混凝土的上百倍，它的發(fā)明和應(yīng)用改變了“水泥基材料為準(zhǔn)脆性材料”的傳統(tǒng)觀念。與普通混凝土和纖維混凝土相比，高延性水泥基復(fù)合材料在抗地震荷載、抗沖擊荷載、抗剪切荷載、抗疲勞荷載及耐久性等方面有較大的優(yōu)勢(shì)，它將為解決因混凝土的抗拉性能差、韌性低帶來(lái)的結(jié)構(gòu)承載力低和耐久性差等問(wèn)題和提高混凝土建(構(gòu))筑物的安全性和可靠性提供技術(shù)支持和材料保障。
[0003]高延性水泥基復(fù)合材料在單軸拉伸荷載下呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化(stain-hardening)和多縫開(kāi)裂(multiple-cracking)。此外，高延性水泥基復(fù)合材料裂縫寬度小，平均裂縫寬度100 μ m以下，且不會(huì)隨應(yīng)變?cè)黾佣黾?。高延性水泥基?fù)合材料裂縫寬度控制是材料的自身特性，與是否配筋以及配筋率大小無(wú)關(guān)；而普通混凝土的裂縫寬度無(wú)法控制，即使在配筋的情況下，裂縫寬度也高達(dá)幾百微米甚至幾毫米。由于纖維的貢獻(xiàn)，纖維混凝土的裂縫控制得到了一定程度的提高，但裂縫寬度一般也達(dá)幾百微米。
[0004]目前，高延性水泥基復(fù)合材料主要使用高強(qiáng)高彈模纖維，如聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維和芳香族聚酰胺纖維，該類纖維的抗拉強(qiáng)度高，為1000~3500MPa，彈性模量高，為30 ~150GPa。美國(guó)密歇根大學(xué) Victor Li 教授團(tuán)隊(duì)[1LI VC.0n engineered cementitiouscomposites (ECC)[J], Journal of Advanced Concrete Technology2003, I(3):215-230]和清華大學(xué)張君教授團(tuán)隊(duì)[2張君、居賢春、高原，“高延性低收縮纖維增強(qiáng)水泥基符合材料特性及應(yīng)用”，混凝土與標(biāo)準(zhǔn)化，2011年第三期，11-20頁(yè)]主要使用日本Kuraray產(chǎn)聚乙烯醇纖維，獲得的高延性水泥基復(fù)合材料的28天抗拉強(qiáng)度一般為4MPa~6MPa，極限延伸率一般為1.5%~4%，抗壓強(qiáng)度一般為20~60MPa。徐世烺[3徐世烺，一種高韌性控裂防滲纖維混凝土，發(fā)明專利CN101665342A]也是采用了高強(qiáng)高彈性模量的纖維(聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維和芳香族聚酰胺纖維)來(lái)制備高韌性控裂防滲纖維混凝土。高強(qiáng)高彈模的聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維和芳香族聚酰胺纖維價(jià)格昂貴，導(dǎo)致材料總成本非常高。高昂的材料造價(jià)是制約高延性水泥基復(fù)合材料工程應(yīng)用的主要瓶頸，降低材料造價(jià)已成為該項(xiàng)技術(shù)研究的首要任務(wù)。
[0005]聚丙烯纖維是一種低強(qiáng)低彈模纖維，抗拉強(qiáng)度低，為300~800MPa，彈性模量低，為5~lOGPa，但纖維成本低，如果用于制備高延性水泥基復(fù)合材料可大大降低材料成本。沈陽(yáng)建筑大學(xué)俞家歡博士近期研發(fā)出一種聚丙烯纖維增強(qiáng)高延性水泥基復(fù)合材料[4俞家歡，一種強(qiáng)韌性聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，發(fā)明專利CN101891417A]。該材料制備工藝耗時(shí)、耗能，攪拌時(shí)間長(zhǎng)達(dá)80~120分鐘，這大大降低材料的制備效率，增加了材料生產(chǎn)能耗。此外，由于聚丙烯纖·維強(qiáng)度低、彈模低，單一使用聚丙烯纖維制備的高延性水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度不超過(guò)50MPa。
[0006]鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的局限性，有必要研發(fā)一種抗壓強(qiáng)度高且成本低的高延性水泥基復(fù)合材料，以提聞聞延性水泥基復(fù)合材料的綜合品質(zhì)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明采用低強(qiáng)低彈模的聚丙烯纖維與一種或多種高強(qiáng)高彈模纖維(如聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維、芳香族聚酰胺纖維和玻璃纖維)復(fù)摻的技術(shù)手段對(duì)材料性能進(jìn)行優(yōu)化，制備出抗壓強(qiáng)度高、成本低的高延性水泥基復(fù)合材料，并通過(guò)優(yōu)化材料制備工藝，縮短制備時(shí)間，提聞生廣效率。
[0008]為解決上述技術(shù)問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0009]提供一種高延性水泥基復(fù)合材料，它由以下重量份的原料制備而成:71.8~85份的基材、12.9~25.2份的水、0.89~2.67份的纖維和0.11~1.23份的外加劑。
[0010]本發(fā)明所述的纖維可以使用國(guó)產(chǎn)建筑纖維，優(yōu)選由聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維、芳香族聚酰胺纖維或玻璃纖維中的兩種以上組成，其中各纖維占纖維總重量的比例分別為:15% ~89.5%、0% ~68.4%、0% ~75.6%、0% ~73.5%、0% ~56.4%。
[0011]本發(fā)明優(yōu)選的方案中，所述的纖維中聚丙烯纖維占纖維總重量的45%~65%。
[0012]本發(fā)明更優(yōu)選的一種方案中，所述的纖維按重量百分比計(jì)，由63.6%的聚丙烯纖維和36.4%的玻璃纖維組成。
[0013]本發(fā)明更優(yōu)選的另一種方案中，所述的纖維按重量百分比計(jì)，由53.7%的聚丙烯纖維、25.8%的聚乙烯醇纖維和20.5%的玻璃纖維組成。
[0014]本發(fā)明更優(yōu)選的再一種方案中，所述的纖維按重量百分比計(jì)，由48.4%的聚丙烯纖維和51.6%的聚乙烯纖維組成。`
[0015]本發(fā)明更優(yōu)選的再一種方案中，所述的纖維按重量百分比計(jì)，由56.5%的聚丙烯纖維和43.5%的芳香族聚酰胺纖維組成。
[0016]所述的纖維直徑為6 μ m~80 μ m，長(zhǎng)度為3~24mm。
[0017]聚丙烯纖維抗拉強(qiáng)度為300~800MPa，彈性模量為5~IOGPa ;高強(qiáng)高彈模的聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維、芳香族聚酰胺纖維和玻璃纖維抗拉強(qiáng)度為1000~3500MPa，彈性模量為30~150GPa。
[0018]所述的基材由水泥、礦物摻合料和細(xì)骨料組成，三種成分的重量比為10~66.7:20 ~90:0 ~35。
[0019]所述的礦物摻合料是由粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉或硅灰中的一種或兩種以上的混合物。
[0020]所述的細(xì)骨料為石英石粉、石灰石粉或河砂中的一種或兩種以上的混合物；細(xì)骨料的最大粒徑不超過(guò)0.5mm。
[0021]所述的外加劑為減水劑和增稠劑。
[0022]所述的減水劑優(yōu)選聚羧酸系高性能減水劑或萘系高效減水劑，進(jìn)一步優(yōu)選為聚羧Ife系聞性能減水劑。
[0023]所述的增稠劑優(yōu)選聚丙烯酸類增稠劑、纖維素醚、淀粉醚或鋁鹽，進(jìn)一步優(yōu)選為聚丙烯酸類增稠劑。[0024]本發(fā)明還提供所述的高延性水泥基復(fù)合材料的制備方法，具體步驟為:將按所述比例稱量好的水泥、礦物摻合料和細(xì)骨料加入到攪拌機(jī)中，干拌2~4分鐘；然后將水和外加劑按所述的比例加入攪拌機(jī)中，攪拌4~8分鐘；最后加入所述比例的纖維，再攪拌6~8分鐘，即得到所述的高延性水泥基復(fù)合材料。整個(gè)攪拌過(guò)程用時(shí)為12~20分鐘。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的高延性水泥基復(fù)合材料具有以下有益效果:
[0026]1.材料性能好
[0027]本發(fā)明的28天材料性能為:抗拉強(qiáng)度為4.0MPa~6.8MPa，極限延伸率為1.9%~
5.8%,抗折強(qiáng)度為10.3MPa~18.5MPa,抗壓強(qiáng)度為50.5MPa~78.6MPa。圖1給出了實(shí)施例3的28天應(yīng)力應(yīng)變曲線。
[0028]2.制備工藝簡(jiǎn)單、新拌材料工作性好
[0029]本發(fā)明的制備工藝簡(jiǎn)單，普通的混凝土攪拌設(shè)備即可滿足制備需要，整個(gè)攪拌過(guò)程用時(shí)僅為12~20分鐘。新拌材料的工作性好，流動(dòng)擴(kuò)展度(不需振動(dòng)情況下)為17~30cmo
[0030]3.成本低
[0031]聚丙烯纖維的造價(jià)約為聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維、芳香族聚酰胺纖維的10~50%,因此本項(xiàng)目使用聚丙烯纖維與 其他纖維復(fù)摻制備出高延性水泥基復(fù)合材料的成本降低到原來(lái)的15%~50%。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1是實(shí)施例3的高延性水泥基復(fù)合材料的28天應(yīng)力應(yīng)變曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0033]實(shí)施例1:
[0034]水泥、礦物摻合料、細(xì)骨料、纖維、水和外加劑的重量比為:24.7%:32.9%: 24.7%: 1.17%: 16.5%:0.19%。該配合比使用聚丙烯纖維和玻璃纖維，兩種纖維的重量比為:63.6%: 36.4%。將稱量好的水泥、礦物摻合料和細(xì)骨料加入到攪拌機(jī)內(nèi)，干拌2分鐘；將外加劑溶入水中，然后一起緩慢加入攪拌桶內(nèi)，攪拌5分鐘；將纖維撒到攪拌桶內(nèi)，再攪拌7分鐘。
[0035]所述的礦物摻合料為粉煤灰；所述的細(xì)骨料由石英石粉和河砂按1:1的重量比混合而成；所述的外加劑由聚羧酸系高性能減水劑和聚丙烯酸類增稠劑組成。
[0036]28天材料性能如下:抗拉強(qiáng)度為4.0MPa,極限延伸率為3.2%,抗折強(qiáng)度為
10.3MPa，抗壓強(qiáng)度為 50.5MPa。
[0037]實(shí)施例2:
[0038]水泥、礦物摻合料、細(xì)骨料、纖維、水和外加劑的重量比為:40.8%:24.5%: 16.8%: 1.29%: 16.3%:0.37%。該配合比使用聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維和玻璃纖維，三種纖維的重量比為:53.7%: 25.8%: 20.5%。將稱量好的水泥、礦物摻合料和細(xì)骨料加入到攪拌機(jī)內(nèi)，干拌2分鐘；將外加劑溶入水中，然后一起緩慢加入攪拌桶內(nèi)，攪拌6分鐘；將纖維撒到攪拌桶內(nèi)，再攪拌10分鐘。
[0039]所述的礦物摻合料由粉煤灰和硅灰按照8:1的重量比混合而成；所述的細(xì)骨料為石英石粉；所述的外加劑由聚羧酸系高性能減水劑和聚丙烯酸類增稠劑組成。
[0040]28天材料性能如下:抗拉強(qiáng)度為6.3MPa，極限延伸率為1.9%，抗折強(qiáng)度為
17.9MPa，抗壓強(qiáng)度為 78.6MPa。
[0041]實(shí)施例3:
[0042]水泥、礦物摻合料、細(xì)骨料、纖維、水和外加劑的重量比為:33.5%:31.3%: 18.4%: 1.4%: 14.6%:0.8%。該配合比使用聚丙烯纖維、聚乙烯纖維，兩種纖維的重量比為:48.4%: 51.6%。將稱量好的水泥、礦物摻合料和細(xì)骨料加入到攪拌機(jī)內(nèi)，干拌3分鐘；將外加劑溶入水中，然后一起緩慢加入攪拌桶內(nèi)，攪拌8分鐘；將纖維撒到攪拌桶內(nèi)，再攪拌8分鐘。
[0043]所述的礦物摻合料由磨細(xì)礦渣粉和硅灰按照10:1的重量比混合而成；所述的細(xì)骨料由石灰石粉和河砂按2:5的重量比混合而成；所述的外加劑由聚羧酸系高性能減水劑和聚丙烯酸類增稠劑組成。
[0044]28天材料性能如下:抗拉強(qiáng)度為6.8MPa，極限延伸率為5.8%，抗折強(qiáng)度為
18.5MPa，抗壓強(qiáng)度為 78.4MPa。
[0045]實(shí)施例4:
[0046]水泥、礦物摻合料、細(xì)骨料、纖維、水和外加劑的重量比為:39.1%:23.5%: 15.7%:1.4%:19.6%:0.7%。該配合比使用聚丙烯纖維、芳香族聚酰胺纖維，兩種纖維的重量比為:
56.5%:43.5%。將稱量好的水泥、礦物摻合料和細(xì)骨料加入到攪拌機(jī)內(nèi)，干拌3分鐘；將外加劑溶入水中，然后一起緩慢加入攪拌桶內(nèi)，攪拌7分鐘；將纖維撒到攪拌桶內(nèi)，再攪拌10分
鐘。
[0047]所述的礦物摻合料為粉煤灰；所述的細(xì)骨料為石英石粉；所述的外加劑由聚羧酸系高性能減水劑和聚丙烯酸類增稠劑組成。
[0048]28天材料性能如下:抗拉強(qiáng)度為5.7MPa，極限延伸率為2.1%，抗折強(qiáng)度為16.5MPa，抗壓強(qiáng)度為 61.7MPa。
【權(quán)利要求】
1.一種高延性水泥基復(fù)合材料，其特征在于，它由以下重量份的原料制備而成: 71.8~85份的基材、12.9~25.2份的水、0.89~2.67份的纖維和0.11~1.23份的外加劑； 所述的纖維由聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維、芳香族聚酰胺纖維或玻璃纖維中的兩種以上組成，其中各纖維占纖維總重量的比例分別為:15%~89.5%、0%~68.4%、0% ~75.6%、0% ~73.5%、0% ~56.4%。
2.權(quán)利要求1所述的高延性水泥基復(fù)合材料，其特征在于:所述的纖維中聚丙烯纖維占纖維總重量的45%~65%。
3.權(quán)利要求1所述的高延性水泥基復(fù)合材料，其特征在于:所述的纖維按重量百分比計(jì)，由63.6%的聚丙烯纖維和36.4%的玻璃纖維組成。
4.權(quán)利要求1所述的高延性水泥基復(fù)合材料，其特征在于:所述的纖維按重量百分比計(jì)，由53.7%的聚丙烯纖維、25.8%的聚乙烯醇纖維和20.5%的玻璃纖維組成。
5.權(quán)利要求1所述的高延性水泥基復(fù)合材料，其特征在于:所述的纖維按重量百分比計(jì)，由48.4%的聚丙烯纖維和51.6%的聚乙烯纖維組成。
6.權(quán)利要求1所述的高延性水泥基復(fù)合材料，其特征在于:所述的纖維按重量百分比計(jì)，由56.5%的聚丙烯纖維和43.5%的芳香族聚酰胺纖維組成。
7.權(quán)利要求1所述的高延性水泥基復(fù)合材料，其特征在于:所述的基材由水泥、礦物摻合料和細(xì)骨料組成，三種成分的重量比為10~66.7:20~90:0~35。
8.權(quán)利要求7所述的高延性水泥基復(fù)合材料，其特征在于:所述的礦物摻合料是由粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉或硅灰中的一種或兩種以上的混合物；所述的細(xì)骨料為石英石粉、石灰石粉或河砂中的一種或兩種以上的混合物；細(xì)骨料的最大粒徑不超過(guò)0.5_。
9.權(quán)利要求1所述的高延性水泥基復(fù)合材料，其特征在于:所述的外加劑為減水劑和增稠劑；所述的減水劑為聚羧酸系高性能減水劑或萘系高效減水劑，優(yōu)選為聚羧酸系高性能減水劑；所述的增稠劑為聚丙烯酸類增稠劑、纖維素醚、淀粉醚或鋁鹽，優(yōu)選為聚丙烯酸類增稠劑。
10.制備權(quán)利要求1所述的高延性水泥基復(fù)合材料的方法，具體步驟為:將按所述比例稱量好的基材加入到攪拌機(jī)中，干拌2~4分鐘；然后將水和外加劑按所述的比例加入攪拌機(jī)中，攪拌4~8分鐘；最后加入所述比例的纖維，再攪拌6~8分鐘，即得到所述的高延性水泥基復(fù)合材料。
【文檔編號(hào)】C04B28/00GK103664090SQ201310703136
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月19日
【發(fā)明者】隋同波, 周健, 張利俊, 陳智豐, 李晉梅, 劉淼, 李菁, 吳曉麗, 王彬 申請(qǐng)人:中國(guó)中材國(guó)際工程股份有限公司