一种复合增强碱激发矿渣砂浆板及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种复合增强碱激发矿渣砂浆板及其制备方法，所述的板由连续碳纤维织物和短切纤维复合增强材料与碱激发矿渣砂浆共同组成：其中连续碳纤维织物和短切纤维为增强材料，在织物/纤维之间填充的碱激发矿渣砂浆为基体材料。本发明复合增强碱激发矿渣砂浆板的制备方法简单，采用无需加热加压的常温常压养护制备工艺，单位能耗低且无三废排放，是一种绿色的制备工艺。按照以上制备方法制得的复合增强碱激发矿渣砂浆板的弯曲性能优异、耐冲击、抗冻融能力较强。
【专利说明】
一种复合増强碱激发矿渣砂浆板及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于建筑材料技术(建筑材料结构)领域，涉及一种工程用织物/纤维复合增强板，具体说是一种复合增强碱激发矿渣砂浆板，可用于外墙板或夹芯板等。
【背景技术】
[0002]建筑业作为我国国民经济的支柱产业之一，近十几年来得到了飞速发展，巨大的市场对建筑材料的需求与日倶增。非承重外墙挂板是一种新式建筑材料，因其预制成型、质轻壁薄的特点，不仅可以配合现浇混凝土框架结构、钢结构施工，还可以配合预制混凝土框架结构施工，既减少施工工艺又降低了现场施工工序，配合外饰材料使用时还具备美观的特性，在法国、德国、澳大利亚、日本等国研发应用较为成熟。我国的非承重外墙挂板市场起步较晚，大多使用的是玻璃幕墙、硅酸盐水泥板等传统板材。玻璃幕墙具有光污染、应力集中时易爆裂等缺点。水泥产业则是典型的高污染高耗能产业，每生产I吨硅酸盐水泥需向大气排放0.8吨左右的二氧化碳气体，两磨一烧工艺消耗大量能源，同时还造成噪音和粉尘污染。因此，研发新型绿色环保外挂板材有着环境友好与可持续发展的社会需求。碱激发矿渣是磨细高炉矿渣粉经碱激发剂激发形成胶凝能力的一种碱激发材料，由于在相同或相近条件下其力学性能、耐久性能等同或优于硅酸盐水泥，自问世以来便受到了较大的关注。碱激发矿渣砂浆由磨细粒化高炉矿渣粉、碱激发剂、砂和水共同组成，除此之外还可以复掺粉煤灰、偏高岭土等，生产过程中单位二氧化碳排放与能量消耗低于硅酸盐水泥砂浆，是一种绿色环保建筑材料。因此，碱激发矿渣砂浆是一种比较理想的硅酸盐水泥砂浆替代品。
[0003]为使硅酸盐水泥外挂板材获得较好的弯曲性能、韧性和抗开裂性能，制造时通常会使用钢筋或短切纤维等材料对其增韧。然而，使用钢筋作为增强材料时，施工较为复杂困难，且钢筋存在锈蚀的危险。使用短切纤维作为增强材料时，因其在基体中的乱向分布，强度不能充分发挥，需要大掺量使用。此外，在制备及施工浇筑中会受到纤维结团的困扰和重力效应、边界效应的影响，降低纤维的随机均匀分布，削弱了短切纤维的增强效果。连续纤维织物增强是一种高效的增强技术，连续纤维织物是利用编织技术将连续纤维粗纱织成平面或立体纺织物，因其可沿基体中的应力主方向布置，其增强效率相对于短切纤维有较大提高;又因其耐腐蚀的特性，基体的保护层厚度可以很薄，利于建造薄壁轻质的结构。然而，连续纤维织物增强板材也存在一些缺点，主要集中在织物与基体的粘结性能等方面。当织物与基体的粘结能力变差的时候，板材受力时会出现织物从基体中脱粘剥离的现象，大幅降低承载能力。以连续纤维织物为增强主体，复掺适量的短切纤维是一种新颖的增韧技术，当织物与基体出现脱粘剥离时，掺入的短切纤维仍可以传递应力、限制裂缝的发展，减轻因织物脱粘对板的弯曲性能造成的负面影响。
【发明内容】
[0004]技术问题:本发明的目的在于提供一种高抗弯强度、高韧性、不易破碎、耐冲击的复合增强碱激发矿渣砂浆板及其制备方法，所述的砂浆板由连续碳纤维织物、短切纤维和碱激发矿渣砂浆共同组成，其中连续碳纤维织物和短切纤维为增强材料，在织物与纤维之间填充的碱激发矿渣砂浆为基体材料。该发明成分组成简单，工艺较为简易，板的力学性能优异。
[0005]技术方案:本发明的一种复合增强碱激发矿渣砂浆板是通过如下技术方案实现的:
[0006]所述矿渣砂浆板由连续碳纤维织物和短切纤维复合成增强材料与碱激发矿渣砂浆所组成:其中连续碳纤维织物和短切纤维为增强材料，碱激发矿渣砂浆为基体材料，构成复合增强碱激发矿渣砂浆板。
[0007]所述连续碳纤维织物是内置于碱激发矿渣砂浆内起增强作用的，所述连续碳纤维织物未经表面处理直接使用，或浸渍环氧树脂后使用；连续碳纤维织物的抗拉强度大于2500MPa，弹性模量大于200GPa，伸长率大于1.5%；根据产品性能要求，其铺设层数为I?5层，各层间距不超过20mm，保护层厚度不小于5mm。
[0008]所述短切纤维是为了限制板在受弯时裂缝的扩展，增加其韧性;短切纤维为低弹性模量的有机纤维，是聚丙烯纤维或聚氯乙烯纤维，纤维的长度在0.5mm范围内，纤维直径在5μπι?200μπι范围内；根据产品性能要求，纤维体积分数在0.5%?2.0%范围内调整。
[0009 ]所述碱激发矿渣砂浆由胶凝材料、碱激发剂、砂和水共同组成。
[0010]所述的碱激发矿渣砂浆中，胶凝材料是磨细粒化高炉矿渣粉，或是以磨细粒化高炉矿渣粉为主，单独复掺偏高岭土或纳米材料，或复掺以上两种材料;磨细粒化高炉矿渣粉占胶凝材料质量分数的60%以上，偏高岭土掺量不超过胶凝材料质量分数的40%，纳米材料掺量不超过胶凝材料质量分数的I % ;磨细粒化高炉矿渣粉的等级应不低于S95级，比表面积大于400m2/kg;偏高岭土的比表面积大于100mVkg;纳米材料是纳米二氧化钛，或是纳米二氧化娃，颗粒粒径不大于10nm0
[0011]所述的碱激发矿渣砂浆中，碱激发剂由水玻璃和氢氧化钠共同组成，碱激发剂中碱含量，即碱激发剂中氧化钠占胶凝材料的质量分数为3.0%?6.0%，模数，即碱激发剂中二氧化硅与氧化钠的物质量之比为0.5?2.0。
[0012]所述的碱激发矿渣砂浆的砂是河砂，或是石英砂，砂的最大粒径不大于1.18_。
[0013]碱激发矿渣砂浆的配合比中，水与胶凝材料的质量比即水胶比在0.35?0.55之间，砂与胶凝材料的质量比即骨胶比依照产品性能在1.5?3.0之间。
[0014]所述复合增强碱激发矿渣砂浆板的厚度在20?50mm范围内。
[0015]本发明的复合增强碱激发矿渣砂浆板的制备方法包含以下步骤:
[0016]第一步:根据产品性能要求，选择连续碳纤维织物的层数、间距、保护层厚度，短切纤维的种类、长度、直径、体积分数和板的厚度；
[0017]第二步:按照第一步选择的参数，将连续碳纤维织物固定在模具中并对每层织物施加一定张力以保持平整状态；
[0018]第三步:根据产品性能要求，选择合适的碱激发矿渣砂浆配合比参数；
[0019]第四部:按照第三步选择的碱激发矿渣砂浆配合比参数，将准确称量的胶凝材料和砂先混合均匀，随后与配制的碱激发剂及水一起混合，最后加入短切纤维混合均匀，制得纤维增强碱激发矿渣砂浆；
[0020]第五步:将第四步制备的碱激发矿渣砂浆浇筑到第二步制备的已固定连续碳纤维织物的模具中，在20°C?25°C环境中养护24小时，脱模后用打磨机将板的四个侧边打磨平整，在相同环境中继续养护至14天龄期，即可制得所述复合增强碱激发矿渣砂浆板。
[0021]有益效果:本发明与现有技术相比具有如下优点和积极效果:
[0022]本发明复合增强碱激发矿渣砂浆板与钢筋水泥基砂浆板或纤维增强水泥基砂浆板相比，具有绿色环保、质轻壁薄的特点，所用胶凝材料主要为工业废渣，使得工业固体废弃物得到合理有效地资源化利用，无需考虑钢筋的锈蚀或纤维的分散性能，板可以很薄;连续碳纤维织物为无机纤维织物，性能优异，原料易于获得、便于生产，制造过程中不会产生有毒有害气体，对环境污染小;短切纤维生产技术成熟。
[0023]本发明复合增强碱激发矿渣砂浆板的制备方法简单，采用无需加热加压的常温常压养护制备工艺，单位能耗低且无三废排放，是一种绿色的制备工艺。
[0024]本发明复合增强碱激发矿渣砂浆板的性能优异，线性抗弯强度达到8.0MPa以上，极限抗弯强度达到20.0MPa以上，抗冲击强度超过9.0kJ/m3，吸水率小于10.0% ,能承受25次以上冻融循环。需要指出，目前国家尚无织物/纤维复合增强板标准及碱激发矿渣砂浆标准，本发明的性能指标依照《玻璃纤维增强水泥外墙板》(JC/T 1057-2007)检测。本发明复合增强碱激发矿渣砂浆板的性能指标完全符合《玻璃纤维增强水泥外墙板》(JC/T 1057-2007)中相关的技术要求。
【附图说明】
[0025]下面结合附图对本发明作进一步说明:
[0026]图1为复合增强碱激发矿渣砂浆板的示意图。
[0027]其中有:连续碳纤维织物1、短切纤维2、碱激发矿渣砂浆3，连续碳纤维织物的层数、间距和上下保护层厚度可调，短切纤维的种类、几何尺寸和体积分数可调。
【具体实施方式】
[0028]—种复合增强碱激发矿渣砂浆板，其特征在于所述板由连续碳纤维织物1、短切纤维2和碱激发矿渣砂浆共同组成:其中连续碳纤维织物和短切纤维为增强材料，在纤维与织物之间填充的碱激发矿渣砂浆3为基体材料。
[0029]连续碳纤维织物是内置于碱激发矿渣砂浆内起增强作用的。所述连续碳纤维织物可以未经表面处理直接使用，也可以浸渍环氧树脂后使用，连续碳纤维织物的抗拉强度大于2500MPa，弹性模量大于200GPa，伸长率大于1.5 %。根据产品性能要求，其铺设层数为I?5层，各层间距Omm?20mm，上下保护层厚度不小于5mm。
[0030]所述短切纤维为低弹性模量的有机纤维，可以是聚丙烯纤维或聚氯乙烯纤维，根据产品性能要求，纤维的长度在0.6mm-1.5mm范围内，纤维直径在5μπι?200μπι范围内，体积分数在0.5%?2.0%范围内调整。
[0031 ]所述的碱激发矿渣砂浆由以下组分制得:
[0032]1.胶凝材料可以只是磨细粒化高炉矿渣粉，也可以是以磨细粒化高炉矿渣粉为主，复掺偏高岭土或纳米材料。磨细粒化高炉矿渣粉占胶凝材料质量分数的60 %?100%，偏高岭土掺量不超过胶凝材料质量分数的40 %，纳米材料掺量不超过胶凝材料质量分数的I %。磨细粒化高炉矿渣粉的等级应不低于S95级，比表面积大于400m2/kg;偏高岭土的比表面积大于1000m2/kg ；纳米材料可以是纳米二氧化钛，也可以是纳米二氧化娃，颗粒粒径不大于I OOnm;
[0033]2.碱激发剂由水玻璃和氢氧化钠共同组成，碱激发剂中碱含量(碱激发剂中氧化钠占胶凝材料的质量分数)为3.0%?6.0%，模数(碱激发剂中二氧化硅与氧化钠的物质量之比)为0.5?2.0;
[0034]3.砂可以是河砂，也可以是石英砂，砂的最大粒径不大于1.18mm；
[0035]4.碱激发矿渣砂浆配合比中，水与胶凝材料的质量比(水胶比)和砂与胶凝材料的质量比(骨胶比)可依照产品性能在0.35?0.55之间以及1.5?3.0之间进行调整。
[0036]所述复合增强碱激发矿渣砂浆板的厚度在20?50mm范围内。
[0037]该制备方法包含以下步骤:
[0038]第一步:根据产品性能要求，选择合适的连续碳纤维织物的层数、间距、上下保护层厚度，短切纤维的种类、几何尺寸、体积分数和板的厚度；
[0039]第二步:按照第一步选择的参数，将连续碳纤维织物固定在合适的模具中并对每层织物施加一定张力以保持平整状态；
[0040]第三步:根据产品性能要求，选择合适的碱激发矿渣砂浆配合比参数，如:胶凝材料种类、碱激发剂的碱含量和模数、水胶比、骨胶比等；
[0041]第四部:按照第三步选择的碱激发矿渣砂浆配合比参数，将准确称量的胶凝材料和砂先混合均匀，随后与配制的碱激发剂及水一起混合，最后加入短切纤维混合均匀，制得纤维增强碱激发矿渣砂浆；
[0042]第五步:将第四步制备的碱激发矿渣砂浆浇筑到第二步制备的已固定连续碳纤维织物的模具中，在20°C?25°C环境中养护24小时，脱模后用打磨机将板的四个侧边打磨平整，在相同环境中继续养护至14天龄期，即可制得所述复合增强碱激发矿渣砂浆板。
[0043]实施例一
[0044]复合增强碱激发矿渣砂浆板，其组成如下:
[0045]1.增强材料为连续碳纤维织物和短切聚丙烯纤维。连续碳纤维织物的拉伸强度为3200MPa，弹性模量为215GPa，伸长率2.0%，铺设层数为2层，层间距为10mm，上下保护层厚度为1mm；短切聚丙稀纤维的长度为12mm，直径为25μηι，体积分数为1.0% ；
[0046]2.板的厚度为20mm;
[0047]3.碱激发矿渣砂浆中的胶凝材料由S95级磨细粒化高炉矿渣粉组成，磨细粒化高炉矿渣粉含量占胶凝材料质量100% ;
[0048]4.碱激发矿渣砂浆中的碱激发剂为水玻璃和氢氧化钠，碱激发剂中碱含量为5.0%，模数为1.5;
[0049]5.碱激发矿渣砂浆的水胶比为0.4，骨胶比为1.5:1;
[0050]按本实施例配比制成的复合增强碱激发矿渣砂浆板的相关性能指标如下:
[0051 ] 28天抗弯强度:抗弯比例极限强度9.0MPa，抗弯极限强度22.4MPa;
[0052]抗冲击强度:9.8kJ/m3;
[0053]吸水率:7.3%;
[0054]承受冻融循环次数:92次。
[0055]实施例二
[0056]复合增强碱激发矿渣砂浆板，其组成如下:
[0057]1.增强材料为连续碳纤维织物和短切聚丙烯纤维。连续碳纤维织物的拉伸强度为310MPa，弹性模量为210GPa，伸长率2.0% ,铺设层数为3层，层间距为5mm，上下保护层厚度为1mm;短切聚丙稀纤维的长度为8mm，直径为25μηι，体积分数为1.5% ；
[0058]2.板的厚度为35mm;
[0059]3.碱激发矿渣砂浆中的胶凝材料由S95级磨细粒化高炉矿渣粉和偏高岭土共同组成，磨细粒化高炉矿渣粉含量占胶凝材料质量90%，偏高岭土占胶凝材料质量10% ;
[0060]4.碱激发矿渣砂浆中的碱激发剂为水玻璃和氢氧化钠，碱激发剂中碱含量为4.5%，模数为1.5;
[0061 ] 5.碱激发矿渣砂浆的水胶比为0.36，骨胶比为2.0:1。
[0062]按本实施例配比制成的复合增强碱激发矿渣砂浆板的相关性能指标如下:
[0063]28天抗弯强度:抗弯比例极限强度9.7MPa，抗弯极限强度22.6MPa;
[0064]抗冲击强度:10.2kJ/m3;
[0065]吸水率:8.7%;
[0066]承受冻融循环次数:107次。
[0067]实施例三
[0068]复合增强碱激发矿渣砂浆板，其组成如下:
[0069]1.增强材料为连续碳纤维织物和短切聚丙烯纤维。连续碳纤维织物的拉伸强度为3000MPa，弹性模量为210GPa，伸长率2.0%，铺设层数为4层，层间距为10mm，上下保护层厚度为5mm；短切聚丙稀纤维的长度为12mm，直径为25μηι，体积分数为2.0% ；
[0070]2.板厚度为 50mm;
[0071 ] 3.碱激发矿渣砂浆中的胶凝材料由S95级磨细粒化高炉矿渣粉和纳米二氧化钛共同组成，磨细粒化高炉矿渣粉含量占胶凝材料质量99.25%,纳米二氧化钛占胶凝材料质量
0.75% ；
[0072]4.碱激发矿渣砂浆中的碱激发剂为水玻璃和氢氧化钠，碱激发剂中碱含量为4.0%，模数为1.0;
[0073]5.碱激发矿渣砂浆的水胶比为0.45，骨胶比为2.5:1。
[0074]按本实施例配比制成的复合增强碱激发矿渣砂浆板的相关性能指标如下:
[0075]28天抗弯强度:抗弯比例极限强度13.6MPa，抗弯极限强度28.3MPa;
[0076]抗冲击强度:13.3kJ/m3;
[0077]吸水率:6.8%;
[0078]承受冻融循环次数:110次。
[0079]实施例四
[0080]复合增强碱激发矿渣砂浆板，其组成如下:
[0081 ] 1.连续碳纤维织物的拉伸强度为3200MPa，弹性模量为215GPa，伸长率2.0% ,铺设层数为5层，层间距为5mm，上下保护层厚度为1mm;短切聚氯乙稀纤维的长度为12mm，直径为35μηι，体积分数为1.0%;
[0082]2.板厚度为 45mm;
[0083]3.碱激发矿渣砂浆中的胶凝材料由S95级磨细粒化高炉矿渣粉、偏高岭土和纳米二氧化硅共同组成，磨细粒化高炉矿渣粉含量占胶凝材料质量89.5 %，偏高岭土占胶凝材料质量10.0%，纳米二氧化硅占胶凝材料质量0.5% ;
[0084]4.碱激发矿渣砂浆中的碱激发剂为水玻璃和氢氧化钠，碱激发剂中碱含量为5.0%，模数为2.0;
[0085]5.碱激发矿渣砂浆的水胶比为0.35;骨胶比为3: I。
[0086]按本实施例配比制成的复合增强碱激发矿渣砂浆板的相关性能指标如下:
[0087]28天抗弯强度:抗弯比例极限强度12.1MPa，抗弯极限强度33.7MPa;
[0088]抗冲击强度:12.3kJ/m3;
[0089]吸水率:5.9%;
[0090]承受冻融循环次数:97次。
[0091]上述四项实施例中复合增强碱激发矿渣砂浆板均按照之前所述的制备方法制得。
[0092]上述四项实施例都是按照《玻璃纤维增强水泥外墙板》(JC/T1057-2007)标准中规定方法进行试验。
[0093]上述四项实施例中复合增强碱激发矿渣砂浆板的各项指标均达到或超过《玻璃纤维增强水泥外墙板》(JC/T 1057-2007)中的各项指标要求，说明碱激发矿渣砂浆的抗弯性能优异，复合增强碱激发矿渣砂浆板的极限抗弯性能、抗冲击性能和抗冻融性能得到大幅提升，增强效果极为显著。
[0094]当然，上述说明并非是对发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种复合增强碱激发矿渣砂浆板，其特征在于所述矿渣砂浆板由连续碳纤维织物(I)和短切纤维(2)复合成增强材料与碱激发矿渣砂浆(3)所组成:其中连续碳纤维织物(I)和短切纤维(2)为增强材料，碱激发矿渣砂浆(3)为基体材料，构成复合增强碱激发矿渣砂浆板。2.按照权利要求1所述的复合增强碱激发矿渣砂浆板，其特征在于:所述连续碳纤维织物(I)是内置于碱激发矿渣砂浆内起增强作用的，所述连续碳纤维织物未经表面处理直接使用，或浸渍环氧树脂后使用；连续碳纤维织物的抗拉强度大于2500MPa，弹性模量大于200GPa，伸长率大于1.5%;根据产品性能要求，其铺设层数为I?5层，各层间距不超过20mm，保护层厚度不小于5_。3.按照权利要求1所述的复合增强碱激发矿渣砂浆板，其特征在于:所述短切纤维(2)是为了限制板在受弯时裂缝的扩展，增加其韧性;短切纤维为低弹性模量的有机纤维，是聚丙烯纤维或聚氯乙烯纤维，纤维的长度在0.6mm-l.5mm范围内，纤维直径在5μπι?200μπι范围内；根据产品性能要求，纤维体积分数在0.5%?2.0%范围内调整。4.按照权利要求1所述的复合增强碱激发矿渣砂浆板，其特征在于:所述碱激发矿渣砂浆(3)由胶凝材料、碱激发剂、砂和水共同组成。5.按照权利要求4所述的复合增强碱激发矿渣砂浆板，其特征在于:所述的碱激发矿渣砂浆中，胶凝材料是磨细粒化高炉矿渣粉，或是以磨细粒化高炉矿渣粉为主，单独复掺偏高岭土或纳米材料，或复掺以上两种材料;磨细粒化高炉矿渣粉占胶凝材料质量分数的60 %以上，偏高岭土掺量不超过胶凝材料质量分数的40%，纳米材料掺量不超过胶凝材料质量分数的I % ;磨细粒化高炉矿渣粉的等级应不低于S95级，比表面积大于400m2/kg;偏高岭土的比表面积大于1000m2/kg;纳米材料是纳米二氧化钛，或是纳米二氧化娃，颗粒粒径不大于10nm。6.按照权利要求4所述的复合增强碱激发矿渣砂浆板，其特征在于:所述的碱激发矿渣砂浆中，碱激发剂由水玻璃和氢氧化钠共同组成，碱激发剂中碱含量，即碱激发剂中氧化钠占胶凝材料的质量分数为3.0%?6.0%，模数，即碱激发剂中二氧化硅与氧化钠的物质量之比为0.5?2.0。7.按照权利要求4所述的复合增强碱激发矿渣砂浆板，其特征在于:所述的碱激发矿渣砂浆的砂是河砂，或是石英砂，砂的最大粒径不大于1.18mm。8.按照权利要求4所述的复合增强碱激发矿渣砂浆板，其特征在于:碱激发矿渣砂浆的配合比中，水与胶凝材料的质量比即水胶比在0.35?0.55之间，砂与胶凝材料的质量比即骨胶比依照产品性能在1.5?3.0之间。9.按照权利要求1所述的复合增强碱激发矿渣砂浆板，其特征在于:所述复合增强碱激发矿渣砂浆板的厚度在20?50mm范围内。10.一种如权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9所述的复合增强碱激发矿渣砂浆板的制备方法，其特征在于该制备方法包含以下步骤: 第一步:根据产品性能要求，选择连续碳纤维织物的层数、间距、保护层厚度，短切纤维的种类、长度、直径、体积分数和板的厚度； 第二步:按照第一步选择的参数，将连续碳纤维织物固定在模具中并对每层织物施加一定张力以保持平整状态； 第三步:根据产品性能要求，选择合适的碱激发矿渣砂浆配合比参数； 第四部:按照第三步选择的碱激发矿渣砂浆配合比参数，将准确称量的胶凝材料和砂先混合均匀，随后与配制的碱激发剂及水一起混合，最后加入短切纤维混合均匀，制得纤维增强碱激发矿渣砂浆； 第五步:将第四步制备的碱激发矿渣砂浆浇筑到第二步制备的已固定连续碳纤维织物的模具中，在20°C?25°C环境中养护24小时，脱模后用打磨机将板的四个侧边打磨平整，在相同环境中继续养护至14天龄期，即可制得所述复合增强碱激发矿渣砂浆板。
【文档编号】C04B16/06GK105859228SQ201610180613
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】张亚梅, 李涛, 戴建国
【申请人】东南大学