一种纤维复掺的高延性水泥基复合材料及其制备方法
【专利摘要】本发明提供一种高延性水泥基复合材料，它由以下重量份的原料制备而成：71.8～85份的基材、12.9～25.2份的水、0.89～2.67份的纤维和0.11～1.23份的外加剂；所述的纤维由聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维或玻璃纤维中的两种以上组成，其中各纤维占纤维总重量的比例分别为：15%～89.5%、0%～68.4%、0%～75.6%、0%～73.5%、0%～56.4%。本发明所述的高延性水泥基复合材料抗压强度高、制备成本低，抗压强度可达50.5MPa以上，同时制备成本降低到现有技术的15%～50%。本发明还提供所述的高延性水泥基复合材料的制备方法。
【专利说明】一种纤维复掺的高延性水泥基复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种水泥基复合材料，更具体地涉及一种纤维增强水泥基复合材料，及其制备方法。
【背景技术】
[0002]高延性水泥基复合材料是一种纤维增强水泥基复合材料，在拉伸、弯曲、剪切荷载下，呈现出高延性，极限延伸率高达3%，是普通混凝土和纤维混凝土的上百倍，它的发明和应用改变了“水泥基材料为准脆性材料”的传统观念。与普通混凝土和纤维混凝土相比，高延性水泥基复合材料在抗地震荷载、抗冲击荷载、抗剪切荷载、抗疲劳荷载及耐久性等方面有较大的优势，它将为解决因混凝土的抗拉性能差、韧性低带来的结构承载力低和耐久性差等问题和提高混凝土建(构)筑物的安全性和可靠性提供技术支持和材料保障。
[0003]高延性水泥基复合材料在单轴拉伸荷载下呈现出应变硬化(stain-hardening)和多缝开裂(multiple-cracking)。此外，高延性水泥基复合材料裂缝宽度小，平均裂缝宽度100 μ m以下，且不会随应变增加而增加。高延性水泥基复合材料裂缝宽度控制是材料的自身特性，与是否配筋以及配筋率大小无关；而普通混凝土的裂缝宽度无法控制，即使在配筋的情况下，裂缝宽度也高达几百微米甚至几毫米。由于纤维的贡献，纤维混凝土的裂缝控制得到了一定程度的提高，但裂缝宽度一般也达几百微米。
[0004]目前，高延性水泥基复合材料主要使用高强高弹模纤维，如聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维和芳香族聚酰胺纤维，该类纤维的抗拉强度高，为1000~3500MPa，弹性模量高，为30 ~150GPa。美国密歇根大学 Victor Li 教授团队[1LI VC.0n engineered cementitiouscomposites (ECC)[J], Journal of Advanced Concrete Technology2003, I(3):215-230]和清华大学张君教授团队[2张君、居贤春、高原，“高延性低收缩纤维增强水泥基符合材料特性及应用”，混凝土与标准化，2011年第三期，11-20页]主要使用日本Kuraray产聚乙烯醇纤维，获得的高延性水泥基复合材料的28天抗拉强度一般为4MPa~6MPa，极限延伸率一般为1.5%~4%，抗压强度一般为20~60MPa。徐世烺[3徐世烺，一种高韧性控裂防渗纤维混凝土，发明专利CN101665342A]也是采用了高强高弹性模量的纤维(聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维和芳香族聚酰胺纤维)来制备高韧性控裂防渗纤维混凝土。高强高弹模的聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维和芳香族聚酰胺纤维价格昂贵，导致材料总成本非常高。高昂的材料造价是制约高延性水泥基复合材料工程应用的主要瓶颈，降低材料造价已成为该项技术研究的首要任务。
[0005]聚丙烯纤维是一种低强低弹模纤维，抗拉强度低，为300~800MPa，弹性模量低，为5~lOGPa，但纤维成本低，如果用于制备高延性水泥基复合材料可大大降低材料成本。沈阳建筑大学俞家欢博士近期研发出一种聚丙烯纤维增强高延性水泥基复合材料[4俞家欢，一种强韧性聚丙烯纤维增强水泥基复合材料，发明专利CN101891417A]。该材料制备工艺耗时、耗能，搅拌时间长达80~120分钟，这大大降低材料的制备效率，增加了材料生产能耗。此外，由于聚丙烯纤·维强度低、弹模低，单一使用聚丙烯纤维制备的高延性水泥基复合材料的抗压强度不超过50MPa。
[0006]鉴于上述现有技术中存在的局限性，有必要研发一种抗压强度高且成本低的高延性水泥基复合材料，以提闻闻延性水泥基复合材料的综合品质。
【发明内容】
[0007]本发明采用低强低弹模的聚丙烯纤维与一种或多种高强高弹模纤维(如聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维和玻璃纤维)复掺的技术手段对材料性能进行优化，制备出抗压强度高、成本低的高延性水泥基复合材料，并通过优化材料制备工艺，缩短制备时间，提闻生广效率。
[0008]为解决上述技术问题和实现上述目标，本发明采用如下技术方案:
[0009]提供一种高延性水泥基复合材料，它由以下重量份的原料制备而成:71.8~85份的基材、12.9~25.2份的水、0.89~2.67份的纤维和0.11~1.23份的外加剂。
[0010]本发明所述的纤维可以使用国产建筑纤维，优选由聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维或玻璃纤维中的两种以上组成，其中各纤维占纤维总重量的比例分别为:15% ~89.5%、0% ~68.4%、0% ~75.6%、0% ~73.5%、0% ~56.4%。
[0011]本发明优选的方案中，所述的纤维中聚丙烯纤维占纤维总重量的45%~65%。
[0012]本发明更优选的一种方案中，所述的纤维按重量百分比计，由63.6%的聚丙烯纤维和36.4%的玻璃纤维组成。
[0013]本发明更优选的另一种方案中，所述的纤维按重量百分比计，由53.7%的聚丙烯纤维、25.8%的聚乙烯醇纤维和20.5%的玻璃纤维组成。
[0014]本发明更优选的再一种方案中，所述的纤维按重量百分比计，由48.4%的聚丙烯纤维和51.6%的聚乙烯纤维组成。`
[0015]本发明更优选的再一种方案中，所述的纤维按重量百分比计，由56.5%的聚丙烯纤维和43.5%的芳香族聚酰胺纤维组成。
[0016]所述的纤维直径为6 μ m~80 μ m，长度为3~24mm。
[0017]聚丙烯纤维抗拉强度为300~800MPa，弹性模量为5~IOGPa ;高强高弹模的聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维和玻璃纤维抗拉强度为1000~3500MPa，弹性模量为30~150GPa。
[0018]所述的基材由水泥、矿物掺合料和细骨料组成，三种成分的重量比为10~66.7:20 ~90:0 ~35。
[0019]所述的矿物掺合料是由粉煤灰、磨细矿渣粉或硅灰中的一种或两种以上的混合物。
[0020]所述的细骨料为石英石粉、石灰石粉或河砂中的一种或两种以上的混合物；细骨料的最大粒径不超过0.5mm。
[0021]所述的外加剂为减水剂和增稠剂。
[0022]所述的减水剂优选聚羧酸系高性能减水剂或萘系高效减水剂，进一步优选为聚羧Ife系闻性能减水剂。
[0023]所述的增稠剂优选聚丙烯酸类增稠剂、纤维素醚、淀粉醚或铝盐，进一步优选为聚丙烯酸类增稠剂。[0024]本发明还提供所述的高延性水泥基复合材料的制备方法，具体步骤为:将按所述比例称量好的水泥、矿物掺合料和细骨料加入到搅拌机中，干拌2~4分钟；然后将水和外加剂按所述的比例加入搅拌机中，搅拌4~8分钟；最后加入所述比例的纤维，再搅拌6~8分钟，即得到所述的高延性水泥基复合材料。整个搅拌过程用时为12~20分钟。
[0025]与现有技术相比，本发明的高延性水泥基复合材料具有以下有益效果:
[0026]1.材料性能好
[0027]本发明的28天材料性能为:抗拉强度为4.0MPa~6.8MPa，极限延伸率为1.9%~
5.8%,抗折强度为10.3MPa~18.5MPa,抗压强度为50.5MPa~78.6MPa。图1给出了实施例3的28天应力应变曲线。
[0028]2.制备工艺简单、新拌材料工作性好
[0029]本发明的制备工艺简单，普通的混凝土搅拌设备即可满足制备需要，整个搅拌过程用时仅为12~20分钟。新拌材料的工作性好，流动扩展度(不需振动情况下)为17~30cmo
[0030]3.成本低
[0031]聚丙烯纤维的造价约为聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维的10~50%,因此本项目使用聚丙烯纤维与 其他纤维复掺制备出高延性水泥基复合材料的成本降低到原来的15%~50%。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1是实施例3的高延性水泥基复合材料的28天应力应变曲线。
【具体实施方式】
[0033]实施例1:
[0034]水泥、矿物掺合料、细骨料、纤维、水和外加剂的重量比为:24.7%:32.9%: 24.7%: 1.17%: 16.5%:0.19%。该配合比使用聚丙烯纤维和玻璃纤维，两种纤维的重量比为:63.6%: 36.4%。将称量好的水泥、矿物掺合料和细骨料加入到搅拌机内，干拌2分钟；将外加剂溶入水中，然后一起缓慢加入搅拌桶内，搅拌5分钟；将纤维撒到搅拌桶内，再搅拌7分钟。
[0035]所述的矿物掺合料为粉煤灰；所述的细骨料由石英石粉和河砂按1:1的重量比混合而成；所述的外加剂由聚羧酸系高性能减水剂和聚丙烯酸类增稠剂组成。
[0036]28天材料性能如下:抗拉强度为4.0MPa,极限延伸率为3.2%,抗折强度为
10.3MPa，抗压强度为 50.5MPa。
[0037]实施例2:
[0038]水泥、矿物掺合料、细骨料、纤维、水和外加剂的重量比为:40.8%:24.5%: 16.8%: 1.29%: 16.3%:0.37%。该配合比使用聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维和玻璃纤维，三种纤维的重量比为:53.7%: 25.8%: 20.5%。将称量好的水泥、矿物掺合料和细骨料加入到搅拌机内，干拌2分钟；将外加剂溶入水中，然后一起缓慢加入搅拌桶内，搅拌6分钟；将纤维撒到搅拌桶内，再搅拌10分钟。
[0039]所述的矿物掺合料由粉煤灰和硅灰按照8:1的重量比混合而成；所述的细骨料为石英石粉；所述的外加剂由聚羧酸系高性能减水剂和聚丙烯酸类增稠剂组成。
[0040]28天材料性能如下:抗拉强度为6.3MPa，极限延伸率为1.9%，抗折强度为
17.9MPa，抗压强度为 78.6MPa。
[0041]实施例3:
[0042]水泥、矿物掺合料、细骨料、纤维、水和外加剂的重量比为:33.5%:31.3%: 18.4%: 1.4%: 14.6%:0.8%。该配合比使用聚丙烯纤维、聚乙烯纤维，两种纤维的重量比为:48.4%: 51.6%。将称量好的水泥、矿物掺合料和细骨料加入到搅拌机内，干拌3分钟；将外加剂溶入水中，然后一起缓慢加入搅拌桶内，搅拌8分钟；将纤维撒到搅拌桶内，再搅拌8分钟。
[0043]所述的矿物掺合料由磨细矿渣粉和硅灰按照10:1的重量比混合而成；所述的细骨料由石灰石粉和河砂按2:5的重量比混合而成；所述的外加剂由聚羧酸系高性能减水剂和聚丙烯酸类增稠剂组成。
[0044]28天材料性能如下:抗拉强度为6.8MPa，极限延伸率为5.8%，抗折强度为
18.5MPa，抗压强度为 78.4MPa。
[0045]实施例4:
[0046]水泥、矿物掺合料、细骨料、纤维、水和外加剂的重量比为:39.1%:23.5%: 15.7%:1.4%:19.6%:0.7%。该配合比使用聚丙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维，两种纤维的重量比为:
56.5%:43.5%。将称量好的水泥、矿物掺合料和细骨料加入到搅拌机内，干拌3分钟；将外加剂溶入水中，然后一起缓慢加入搅拌桶内，搅拌7分钟；将纤维撒到搅拌桶内，再搅拌10分
钟。
[0047]所述的矿物掺合料为粉煤灰；所述的细骨料为石英石粉；所述的外加剂由聚羧酸系高性能减水剂和聚丙烯酸类增稠剂组成。
[0048]28天材料性能如下:抗拉强度为5.7MPa，极限延伸率为2.1%，抗折强度为16.5MPa，抗压强度为 61.7MPa。
【权利要求】
1.一种高延性水泥基复合材料，其特征在于，它由以下重量份的原料制备而成: 71.8~85份的基材、12.9~25.2份的水、0.89~2.67份的纤维和0.11~1.23份的外加剂； 所述的纤维由聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维或玻璃纤维中的两种以上组成，其中各纤维占纤维总重量的比例分别为:15%~89.5%、0%~68.4%、0% ~75.6%、0% ~73.5%、0% ~56.4%。
2.权利要求1所述的高延性水泥基复合材料，其特征在于:所述的纤维中聚丙烯纤维占纤维总重量的45%~65%。
3.权利要求1所述的高延性水泥基复合材料，其特征在于:所述的纤维按重量百分比计，由63.6%的聚丙烯纤维和36.4%的玻璃纤维组成。
4.权利要求1所述的高延性水泥基复合材料，其特征在于:所述的纤维按重量百分比计，由53.7%的聚丙烯纤维、25.8%的聚乙烯醇纤维和20.5%的玻璃纤维组成。
5.权利要求1所述的高延性水泥基复合材料，其特征在于:所述的纤维按重量百分比计，由48.4%的聚丙烯纤维和51.6%的聚乙烯纤维组成。
6.权利要求1所述的高延性水泥基复合材料，其特征在于:所述的纤维按重量百分比计，由56.5%的聚丙烯纤维和43.5%的芳香族聚酰胺纤维组成。
7.权利要求1所述的高延性水泥基复合材料，其特征在于:所述的基材由水泥、矿物掺合料和细骨料组成，三种成分的重量比为10~66.7:20~90:0~35。
8.权利要求7所述的高延性水泥基复合材料，其特征在于:所述的矿物掺合料是由粉煤灰、磨细矿渣粉或硅灰中的一种或两种以上的混合物；所述的细骨料为石英石粉、石灰石粉或河砂中的一种或两种以上的混合物；细骨料的最大粒径不超过0.5_。
9.权利要求1所述的高延性水泥基复合材料，其特征在于:所述的外加剂为减水剂和增稠剂；所述的减水剂为聚羧酸系高性能减水剂或萘系高效减水剂，优选为聚羧酸系高性能减水剂；所述的增稠剂为聚丙烯酸类增稠剂、纤维素醚、淀粉醚或铝盐，优选为聚丙烯酸类增稠剂。
10.制备权利要求1所述的高延性水泥基复合材料的方法，具体步骤为:将按所述比例称量好的基材加入到搅拌机中，干拌2~4分钟；然后将水和外加剂按所述的比例加入搅拌机中，搅拌4~8分钟；最后加入所述比例的纤维，再搅拌6~8分钟，即得到所述的高延性水泥基复合材料。
【文档编号】C04B28/00GK103664090SQ201310703136
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月19日 优先权日:2013年12月19日
【发明者】隋同波, 周健, 张利俊, 陈智丰, 李晋梅, 刘淼, 李菁, 吴晓丽, 王彬 申请人:中国中材国际工程股份有限公司