一种复合仿生韧性强的铝酸盐水泥基材料以及制备方法

本发明涉及一种铝酸盐水泥基材料以及制备方法，尤其涉及一种复合仿生韧性强的铝酸盐水泥基材料以及制备方法，属于土木建筑材料领域。

背景技术：

1、水泥基材料由于成本低廉、可塑性强、应用范围广等优点，是世界上除水以外使用量最大的材料。然而，水泥基复合材料仍然存在几个显着的缺点。作为一种非理想化均匀的复合材料，水泥基复合材料具有固有的准脆性，其弯曲强度和拉伸强度均较低、韧性差和脆性开裂。这些固有的缺点极大地制约了水泥基材料的应用范围，因此，水泥基复合材料的增韧是混凝土科学技术的前沿研究和重点目标。

2、目前，混凝土和水泥复合材料的增韧手段一般分为掺加pva、pp、钢制等纤维材料，掺加聚合物乳液或是聚合物单体等、纳米晶须、碳纳米管、石墨烯等纳米材料改性等。然而这三种增韧方式均存在一些缺点，如难以混合均匀、价格昂贵等存在诸多的缺点，同时增强相均通过简单共混的方式与水泥基体结合，增韧效果有限。但是自然界中的生物却开发出了一些性能优异的梯度结构的单元通过梯度排布上的差异来获得良好的抗弯强度和韧性，鲸须中也利用类似的策略来达到良好的力学性能。但是目前类似的仿生梯度结构在水泥基材料领域的研究相对有限，但同时也是充满了无限可能的研究方向。

3、基于以上的背景，本文利用优选后的实验配合比，制备了半干性的颗粒，并设计了灵感来自于梯度仿生方案中一系列的半干性颗粒排列，以求寻找到能够较好地提升抗弯强度和韧性的排列方式，使得利用这种仿生结构增韧效果能使得完全相同的材料在力学性能上有较大的提升，以实现更广泛的应用实践。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种复合仿生韧性强的铝酸盐水泥基材料；本发明的另一目的是提供一种复合仿生韧性强的铝酸盐水泥基材料的制备方法。

2、技术方案：本发明的一种复合仿生韧性强的铝酸盐水泥基材料，所述铝酸盐水泥基材料由若干半干颗粒排列后热压而成，所述排列的结构包括一层由a粒径颗粒平铺而成的a层，a层上平铺的一层由b粒径颗粒平铺而成的b层，b层上平铺的一层由c粒径颗粒平铺而成的c层，其中a粒径、b粒径和c粒径均不相同；所述半干颗粒的组分包括，按重量分数计，500份水泥、80份水、0-30份pva、0-5份丙三醇、0-60份fe3o4。

3、优选地，所述半干颗粒的组分包括，按重量分数计，500份水泥、80份水、15-30份pva、2.5-5份丙三醇、30-60份fe3o4。

4、进一步地，所述排列的结构还包括一层由d粒径颗粒平铺而成的d层，d层设在a层下面或者c层上面。

5、优选地，b粒径>c粒径>d粒径>a粒径，或，a粒径>c粒径>b粒径>d粒径。

6、另一方面，本发明提供一种复合仿生韧性强的铝酸盐水泥基材料的制备方法，包括以下步骤：

7、(1)将0-5份丙三醇加入80份水中，得到丙三醇溶液；500份水泥、0-30份pva、0-60份fe3o4搅拌均匀后，再加入丙三醇溶液，搅拌均匀后得到半干性水泥混合物；

8、(2)按照a粒径、b粒径和c粒径，将上述半干性水泥混合物制成若干半干颗粒；将a粒径颗粒平铺一层形成a层，在a层上平铺一层b粒径颗粒形成b层，在b层上平铺一层c粒径颗粒形成c层；a层、b层和c层进行热压成型；

9、(3)热压成型后取出成品进行养护；养护完成即得铝酸盐水泥基材料。

10、优选地，步骤(1)中，配置丙三醇溶液的条件为室温条件。

11、进一步地，步骤(2)中，按照a粒径、b粒径、c粒径和d粒径，将上述半干性水泥混合物制成若干半干颗粒；将a粒径颗粒平铺一层形成a层，在a层上平铺一层b粒径颗粒形成b层，在b层上平铺一层c粒径颗粒形成c层，在c层上平铺一层d粒径颗粒形成d层；a层、b层、c层和d层进行热压成型。

12、优选地，步骤(2)中，b粒径>c粒径>d粒径>a粒径，或，a粒径>c粒径>b粒径>d粒径。

13、进一步地，步骤(2)中，热压成型的热压温度为80-90℃。

14、进一步地，步骤(3)中，养护的温度为60-70℃。

15、优选地，铝酸盐水泥的d10为2.063μm，d50为13.841μm，d90为45.034μm，平均粒径为20.288μm，分布跨度((d90-d10)/d50)为3.105。

16、优选地，pva粉末为125目，醇解度88％。

17、优选地，fe3o4粉末，黑色粉末，粒径为800目，纯度为99.9％，体积密度5.18g/cm3，晶型为反尖晶石。

18、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：1)本方法利用破碎半干性水泥颗粒模仿珍母贝“砖-泥”结构，同时通过颗粒的再排布优化实现模仿自然界梯度结构，不仅保证了水泥基复合材料的高强度，同时解决了强度提升带来的韧性降低的问题。

19、2)本方法利用热压实现了铝酸盐水泥的强度快速形成，模具快速周转的同时也使得其从加工成型到使用的周期大幅缩短。

20、3)本发明提供的铝酸盐水泥基材料的复合仿生强韧性提升方法原材料数量少、配合比简单，同时操作简单，成本可控，易于实现。

技术特征：

1.一种复合仿生韧性强的铝酸盐水泥基材料，其特征在于，所述铝酸盐水泥基材料由若干半干颗粒排列后热压而成，所述排列的结构包括一层由a粒径颗粒平铺而成的a层，a层上平铺的一层由b粒径颗粒平铺而成的b层，b层上平铺的一层由c粒径颗粒平铺而成的c层，其中a粒径、b粒径和c粒径均不相同；所述半干颗粒的组分包括，按重量分数计，500份水泥、80份水、0-30份pva、0-5份丙三醇、0-60份fe3o4。

2.根据权利要求1所述的复合仿生韧性强的铝酸盐水泥基材料，其特征在于，所述排列的结构还包括一层由d粒径颗粒平铺而成的d层，d层设在a层下面或者c层上面。

3.根据权利要求2所述的复合仿生韧性强的铝酸盐水泥基材料，其特征在于，b粒径>c粒径>d粒径>a粒径，或，a粒径>c粒径>b粒径>d粒径。

4.一种复合仿生韧性强的铝酸盐水泥基材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的复合仿生韧性强的铝酸盐水泥基材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，配置丙三醇溶液的条件为室温条件。

6.根据权利要求4所述的复合仿生韧性强的铝酸盐水泥基材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，按照a粒径、b粒径、c粒径和d粒径，将上述半干性水泥混合物制成若干半干颗粒；将a粒径颗粒平铺一层形成a层，在a层上平铺一层b粒径颗粒形成b层，在b层上平铺一层c粒径颗粒形成c层，在c层上平铺一层d粒径颗粒形成d层；a层、b层、c层和d层进行热压成型。

7. 根据权利要求6所述的复合仿生韧性强的铝酸盐水泥基材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中， b粒径>c粒径>d粒径>a粒径，或，a粒径>c粒径>b粒径>d粒径。

8.根据权利要求4所述的复合仿生韧性强的铝酸盐水泥基材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，热压成型的热压温度为80-90℃。

9.根据权利要求4所述的复合仿生韧性强的铝酸盐水泥基材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，养护的温度为60-70℃。

技术总结
本发明公开了一种复合仿生韧性强的铝酸盐水泥基材料及其制备方法，所述铝酸盐水泥基材料由若干半干颗粒排列后热压而成，所述排列的结构包括一层由a粒径颗粒平铺而成的a层，a层上平铺的一层由b粒径颗粒平铺而成的b层，b层上平铺的一层由c粒径颗粒平铺而成的c层，其中a粒径、b粒径和c粒径均不相同；所述半干颗粒的组分包括，按重量分数计，500份水泥、80份水、0‑30份PVA、0‑5份丙三醇、0‑60份Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;。该方法通过在调节水泥材料的配合比制备了半干性颗粒并进行了重新排列热压形成梯度“砖‑泥”结构，操作简单，成本可控，易于实现，得到的水泥基板材较对照组抗拉强度和弯曲韧性有了极大提升，这种高强韧性的水泥基材料可覆盖更为广泛的应用范围。

技术研发人员：佘伟,黄鹏,吴彰钰,潘浩
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21