专利名称：超高强水泥材料组成及其制造方法
技术领域：
本发明涉及水硬性水泥组成及其制造方法，特别是具有很高抗弯曲强度和抗冲击强度的水硬性水泥材料的组成和制造方法。
水泥材料的一个最大弱点是低的抗弯曲强度，通常不超过5～10MPa，因此，其应用范围受到很大限制。在受弯、受压的情况下，必须用其它辅助材料来增强。例如，钢筋混凝土就是最常见的一种，类似的辅助材料还有石棉纤维、玻璃纤维、有机和植物纤维等各种纤维类物质。但是，卽使加了辅助材料，其抗弯曲强度提高的幅度还是不大，一般只能提高到15～20MPa，最大也不超过40MPa。
传统水泥材料强度低，尤其是抗弯曲强度低，其主要原因就是水泥制品中存在着大量尺寸较大的孔隙。这些大的孔隙一般是由水泥中多余的自由水形成的。水硬性水泥的理论需用水量约30%左右。但由于施工或制造上的要求，用水量往往加大到40～50%，甚至更大。为了解决这一问题，近年来在水硬性水泥中使用了水泥减水剂。但减水作用还是不够理想，在保持施工所需的流动度的情况下，用水量可减少到35%左右，这并不能从本质上解决水泥材料的弱点。
以水泥材料为主，加入部分有机聚合物，降低水灰比，不掺入任何纤维增强材料，而又能大幅度提高材料抗弯强度的新型水泥材料，是英国帝国化学公司Birchall.J.D.等人首先发明的。据欧洲专利(EuropeanPatentApplicationNo.80301909.0No.80301907.4.No.81301228.3)介绍，这种材料选用的有机聚合物是甲基羟丙基纤维素、聚丙烯酰胺，水泥以硅酸盐水泥为主。这类方法所制得的水泥材料，其抗弯曲强度可达40～60MPa。但该技术方法对水泥的颗粒级配要求较高，因此筛选水泥的工艺复杂，个别发明甚至提出要加入＜0.04μm的硅粉、铝粉等，这在经济上是不合算的，在工业上也是不容易实现的。
欧洲专利(EuropeanPatentApplicationNo.81305530.6)介绍了一种抗弯曲强度达100～150MPa的水泥材料。其基本组成是，选用高铝水泥，掺入占水泥重量1～15%的部分醇解聚醋酸乙烯酯，加入一定份量的水(水泥重量的25%以下)。在选择水泥和有机聚合物外加剂配比时，他们自制了一种称之为小管流速计(Capillaryrheometer)的检验仪器。把一定配比的水泥、醇解聚醋酸乙烯酯和水混合后，搅拌成均匀的物料，物料经过挤压通过小管流速计，当变化剪切比十倍时，观察其剪切应力是否增加，剪切应力至少增加50%才能被选用，要制造抗弯曲强度达到100MPa以上的水泥材料，物料配方检验时，其剪切应力必须增加90%以上，要达到这一条件，在部分醇解聚醋酸乙烯酯的选择上，就必须满足聚醋酸乙烯酯的醇解度＜85%，遗憾的是，醇解度低于85%的醇解聚醋酸乙烯酯不容易生产，因而价格昂贵，国内市场供货极缺，从而限制了该技术方法的应用。
本发明的目的在于利用市场货源充足，价格便宜的醇解度为85%以上的聚醋酸乙烯酯，来制备超高强度水泥材料。
本发明选用醇解度高达88%以上，尤其是91%～98%的醇解聚醋酸乙烯酯，加入一定的水和辅助剂，与水泥混合，通过高剪切搅拌，再热压成所需形状的水泥制品，然后在一定条件下养护，获得了抗弯曲强度达150MPa以上，杨氏弹性模量为5.21×105kg/cm2、泊松比为0.14，密度为2.4克/cm3，表面硬度为91.5(巴氏度)、热膨胀系数为8.11×10-6(1/℃)、导热系数为1.6822×10-3卡/cm.s.℃，体积电阻率为1.32～7.01×1012Ω.cm的水泥材料。
本发明的配方如下①至少一种水硬性水泥;
②水的用量为组成中水硬性水泥重量的10～30%;
③至少一种水溶性有机聚合物，其用量为组成中水硬性水泥重量的1～15%;
④至少一种辅助剂，其用量为组成中水硬性水泥重量的0.5～10%。
水硬性水泥一般是硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等，最好是铝酸钙水泥，例如，高铝水泥或矾土水泥。水溶性有机聚合物是甲基纤维素、甲基羟丙基纤维素、聚丙烯酰胺、部分醇解聚醋酸乙烯酯等，这些水溶性有机聚合物中，部分醇解聚醋酸乙烯酯的效果为最好，例如PVA17-88，PVA17-92。辅助剂采用分子量小的醇类或醛类，例如，甘油。
将上述各组分经过高剪切搅拌、热压成型、养护，就制成了超高强度的水泥制品。整个制造工艺流程如附图
。
本发明所采用的高剪切搅拌机与传统的水泥搅拌机完全不同。由于在水泥中加入了粘度大的水溶性有机聚合物，用传统的水泥混凝土搅拌设备无法使得物料搅拌均匀，因此，我们选择了一种高剪切双辊筒搅拌机作为物料的搅拌设备。物料能否搅拌均匀与下列因素有关水灰比;有机聚合物的种类及用量;双辊筒搅拌机的辊直径及双辊的速度比;辅助剂种类及用量。水灰比一般要求在100∶8～100∶25的范围内，最好在100∶1～100∶18的范围内，有机聚合物采用PVA17-88或PVA17-92较好，其用量为水硬性水泥重量1～12%。双辊筒搅拌机的辊直径要求不小于50mm，较好是200～400mm，双辊的速度比不宜过大，也不能太小，辊速比太小，不能把有机聚合物分散均匀，太小又会破坏物料的性能。双辊的速度比一般要求为1∶1.02～1∶10，最好是在1∶1.2～1∶2的范围里，辅助剂最好选用丙三醇。辅助剂用量太小不能起着软化有机聚合物的作用，搅拌时，物料之间难于相对运动，也就难于制出揉塑性、连续性均好的物料。用量太大就会使得搅拌时间相对延长，物料过于柔软，也难于出料。因此，辅助剂的用量须控制在水硬性水泥重量的0.5～10%的范围内。最佳用量为1～3%。
按照前述水泥材料的配方配料，经过双辊筒搅拌机搅拌后，从二辊间隙间出来的物料应该是揉塑性好、连续性好、富有弹性的与橡胶材料很相似的片材。按照不同的要求，可以把片材裁成不同规格的坯体，然后热压成型。热压条件为温度不低于40℃;压力为不小于1MPa;最佳为4～8MPa;热压时间不少于5分钟。热压处理后的坯体为半成品，已经能够承受一定的外界作用力，但还需要养护，才能使其强度充分发挥出来。本发明的养护既可采用湿热养护，也可采用干热养护。湿热养护条件为在常压环境中，温度不低于30℃，相对湿度60%以上，养护时间不少于24小时，再移到室温环境中养护;干热养护的条件可采用下述两种之一，(1)热压处理后的坯体直接移到温度为不小于40℃的常压环境中，干燥时间不少于24小时，再在室温下养护;(2)热压处理后的坯体先在室温下养护，然后移到温度为40℃以上的常压环境中，干燥时间不少于24小时，最后移到室温下养护。
实例说明水泥材料的配方均以重量比计算。
抗弯曲强度按3356～82规定的弯曲性能试验方法规定，卽采用简支梁三点弯曲试验法，用公式of= (3pι)/(2bh2) 计算弯曲强度。
抗冲击强度按GB1451-78规定的试验方法测定，其抗冲击强度用公式ak＝A/bh求得。
例1100份高铝水泥，11份水，7份PVA17-88，1.5份甘油，先把称量好的物料初步搅拌，接着投入双辊筒搅拌机中反复搅拌，物料均匀后，按要求调整二辊之间的距离至3mm。从二辊间出一片3mm厚的揉塑性好，富有弹性的片板。裁成规格为300×300mm的片板后，用钢板夹住，再经热压处理，热压处理条件为温度80℃，压力3MPa，时间20分钟。完毕后移到养护箱中养护。养护条件为常压，温度80℃，干燥状态，时间24小时，从养护箱中移出，在室温下养护2天。
把板材根据测试要求，用金刚锯锯成所需要的规格。
测试结果抗弯曲强度185MPa;
抗冲击强度18.6KJ/m2例2100份高铝水泥，14份水，7份PVA17-88，1.5份甘油，其他步骤同例1。
测试结果抗弯曲强度154MPa;
抗冲击强度16.2KJ/m2例3100份高铝水泥，14份水，7份PVA17-92，2份甘油，其他步骤同例1。
测试结果抗弯曲强度140MPa抗冲击强度12.8KJ/m权利要求
1.一种超高强水泥材料，其组成包括a、至少一种水泥，主要是铝酸盐水泥或硅酸盐水泥，b、至少一种醇解度不低于50%的水溶性有机聚合物或共聚物，其重量百分比为水硬性水泥的1～15%，c、组分中水的重量百分比为水硬性水泥的10～30%，本发明的特征是水溶性有机聚合物或共聚物是醇解度为91～98%的聚醋酸乙烯酯，其用量为水硬性水泥重量的1～12%，并添加分子量小的醇类或醛类作为辅助剂。
2.按权利要求1所述的材料，其特征是组分中水的重量百分比为水硬性水泥的10～18%。
3.按权利要求1所述的材料，其特征是辅助剂为丙三醇，丙三醇的使用的重量百分比为水硬性水泥的0.5～10%。
4.按权利要求1和3所述的材料，其特征是丙三醇使用的重量百分比为水硬性水泥的1～3%。
5.一种超高强水泥材料的制造方法，本发明的特征是将上述各组分一起经高剪切双辊筒搅拌机搅拌均匀，通过热压成型，养护，卽成超高强水泥材料。
6.按权利要求5所述的方法，其特征是高剪切双辊筒搅拌机的辊直径不小于50mm。
7.按权利要求5和6所述的方法，其特征是高剪切双辊筒搅拌机的辊直径在200～400mm范围内。
8.按权利要求5所述的方法，其特征是高剪切双辊筒搅拌机的辊速比为1∶1.02～1∶10。
9.按权利要求5和8所述的方法，其特征是高剪切双辊筒搅拌机的辊速比为1∶1.2～1∶2。
10.按权利要求5所述的方法，其特征是热压成型的热压条件为温度不小于40℃，压力不小于1MPa，热压时间不小于5分钟。
11.按权利要求5和10所述的方法，其特征是热压条件中的压力控制在4～8MPa。
12.按权利要求5所述的方法，其特征是养护可采用湿热养护，也可采用干热养护。
13.按权利要求5和12所述的方法，其特征是湿热养护的条件是，在常压环境中，温度控制在30℃以上，相对湿度控制在60%以上，养护不少于24小时，再移到室温环境下养护。
14.按权利要求5和12所述的方法，其特征是干热养护的条件是，a、热压处理后的坯体直接移到温度为40℃以上的常压环境中，干燥不少于24小时，再在室温下养护。b、热压处理后的坯体先在室温下养护，然后移到温度为40℃以上的常压环境中，干燥时间不少于24小时，最后移到室温下养护。
全文摘要
超高强水泥材料组成及其制造方法，以水泥、水、有机聚合物、加上辅助剂为其组成，将各组分一起经高剪切双辊筒搅拌机搅拌，然后裁成不同规格的坯体，通过热压成型，再经养护即成超高强水泥材料。超高强水泥材料的抗弯曲强度较一般水泥材料提高25～30倍，达到150MPa以上，抗冲击强度达10KJ/m
文档编号C04B28/02GK1039788SQ8810567
公开日1990年2月21日 申请日期1988年2月15日 优先权日1988年2月15日
发明者王卉, 赵立宇, 陈江, 李发焕, 刘清汉 申请人:湖南省建筑材料研究设计院