一种低碳型工程水泥基复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及水泥基材及其料制备，具体涉及一种低碳型工程水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、针对传统水泥基材料抗拉强度低、脆性大、容易开裂等固有特点，近年来以ecc为代表的高延性水泥基复合材料因其拉伸变形大、延性好，得到了快速发展。与传统水泥基材料不同，高延性水泥基材料掺入短的柔性纤维作为增强材料，使其具备高延性与高韧性，在受弯或受拉时可以呈现应变硬化行为以及多缝开裂的特征，可提升结构的抗震能力，已被应用于桥面修补、隧道修复等实际工程中，大大提高了结构的安全性。

2、现有的高延性水泥基复合材料通常由硅酸盐水泥、粉煤灰、水、石英砂以及增强纤维制备而成。虽然粉煤灰是一种工业废弃物且产量巨大，掺入水泥基复合材料中会降低其碳排放，但是可用于水泥基材料的粉煤灰仅占总排放量的30%左右。并且，在可预见的未来，大量火电厂的关闭，会导致可用粉煤灰的量急剧减少。

3、近年来，煅烧粘土和石灰石粉（lc2）作为一种新型的低碳胶凝材料，逐渐被人们熟知，它是通过采用煅烧粘土和石灰石粉替代部分水泥熟料，可以获得与普通硅酸盐水泥相媲美的性能。采用煅烧粘土和石灰石可以高比例替代水泥熟料，能够有效降低碳排放，实现可持续发展的要求。

4、与传统的混凝土等水泥基材料相比，由于高延性水泥基材料之中不含粗骨料，且胶凝材料用量大，所以其存在着干燥收缩过大的问题，收缩应变可达1500με以上。尽管高延性水泥基复合材料可以有效限制裂缝宽度，但干燥收缩过大会导致它与其它材料协同工作的性能降低，影响其推广与应用。利用膨胀组分在水化过程中所产生的体积膨胀来补偿水泥基材料的收缩，是经济又有效的手段之一。

5、氧化镁（mgo）是一种性能优异的膨胀剂，已广泛应用于大坝混凝土和普通混凝土中。氧化镁膨胀剂具有较高的反应活性，可以在较低的煅烧温度下获得，在早期产生快速的膨胀，但高煅烧温度会导致氧化镁晶粒的精细结晶并降低其反应性，从而在后期产生高膨胀，因此，氧化镁可以通过调节煅烧温度来步长混凝土在所有龄期的收缩。

6、白云石是碳酸盐的天然矿物，主要成分为mgco3•caco3，理论碳酸钙和碳酸镁的比例大致1：1，我国白云石资源分布广泛，产地遍布各个省区，各地都有大型的白云石矿床。

7、

8、如上式，在750~850℃下对白云石进行煅烧，可以获得mgo和caco3，可以作为新型的复合mgo膨胀剂。在普通硅酸盐水泥中掺入轻烧白云石，可以补偿收缩，但就强度而言，由于轻烧白云石中caco3的反应性低，所以其替代量有限，并且会对强度产生负面影响。由于lc2中石灰石粉的主要成分为caco3，将轻烧白云石用来替代lc2中的石灰石粉，作为caco3的来源，刚好可以弥补这一点，且引入的mgo也能对收缩起到补偿作用。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明的目的在于提供一种低碳型工程水泥基复合材料及其制备方法，与传统的高延性水泥基复合材料相比，具有显著的力学性能提升，极大地降低了收缩，并具有明显的应变硬化及多缝开裂特征。本发明摒弃粉煤灰，采用大掺量的煅烧粘土和轻烧白云石粉替代硅酸盐水泥，显著减少了硅酸盐水泥在水泥基复合材料中的使用，环保效益显著，且在煅烧粘土的存在下，采用轻烧白云石来替代石灰石粉，并不会显著地降低强度，且极大地降低了收缩。该制备方法简单，原料来源广泛，经济成本低，适用于大规模工业建筑应用，环保绿色。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种低碳型工程水泥基复合材料，包括由以下重量份比例的组分配制而成；

3、水泥 240～370份，煅烧粘土550～650份，轻烧白云石粉140～330份，石英砂340～370份，pva纤维26份，水425份，高效减水剂3～4.5份。

4、进一步的，所述水泥为不含矿物掺合料的pⅰ型硅酸盐水泥。

5、进一步的，所述煅烧粘土选矿尾矿、低品位或高品位的高岭土，其矿物组成按重量百分比计，高岭石类矿物≥35%，目数大于1250目。

6、进一步的，所述石英砂为细砂，最大粒径不超过0.2mm，平均粒径为150μm。

7、进一步的，所述pva纤维长度为10～15mm，直径为35～45mm，抗拉强度≥1500mpa，弹性模量≥40gpa。

8、进一步的，所述pva纤维为表面经过涂油处理的高弹性模量纤维。

9、进一步的，所述高效减水剂为粉体的聚羧酸减水剂。

10、进一步的，轻烧白云石粉的制备方法，包括如下步骤；

11、步骤一，白云石粉预处理

12、对白云石原料粉磨得到白云石粉，随后对白云石粉进行筛分，获得800目及以上白云石粉；然后对白云石粉进行预烘干去除内部水分；

13、步骤二，获得轻烧白云石粉

14、对白云石粉进行灼烧，灼烧温度为800℃，灼烧时间为30min，随后将灼烧后的白云石粉自然冷却至室温，即得到轻烧白云石粉。

15、一种低碳型工程水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤；

16、步骤一，混合搅拌

17、将水泥 240～370份，煅烧粘土550～650份，轻烧白云石粉140～330份，石英砂340～370份，高效减水剂3～4.5份倒入搅拌机并搅拌均匀，形成均匀混合的粉料；

18、步骤二，加水搅拌

19、将水425份分两次添加到装有混合粉料的搅拌机中，第一次加入80%的水，采用搅拌机低速搅拌，直至形成均匀流动的砂浆；

20、步骤三，加入pva纤维

21、将pva纤维26份分多次加入均匀流动的砂浆中，低速搅拌一分钟，然后加入剩余的20%的水，紧接着将搅拌机调至高速档，搅拌两分钟以上，直至pva纤维均匀分布在砂浆中，即可停止搅拌；

22、步骤四，成型养护

23、将所制备的新拌水泥基复合材料倒入模具中，并进行振捣和养护，养护至指定龄期脱模，即可得到低碳低收缩高延性水泥基复合材料。

24、上述技术方案的有益效果是：本发明的技术原理是利用煅烧粘土中偏高岭土组分的高火山灰活性和颗粒填充效应，石灰石细粉的颗粒填充效应和加速水化作用，以及二者复合叠加的碳铝酸盐反应，生成cash凝胶和单/半碳水化铝酸钙等水化产物，细化水泥孔结构，密实水泥水化基体，使得在较少的水泥用量下，也能获得较高的强度。

25、另一方面，对白云石进行煅烧后，其主要成分由mgco3•caco3转变为mgo与caco3，其中mgo可作为胶凝体系中的膨胀组分，在水化过程中生成mg(oh)2，补偿水泥基复合材料的收缩。

26、另一方面，caco3与煅烧粘土和水泥作为三元体系，caco3作为补充的碳酸盐来源，与含铝的煅烧粘土在碱性条件下发生碳铝酸盐反应，细化水泥孔结构，密实水泥水化基体，从而弥补水泥用量减少所导致的强度降低。

27、本发明提供了一种低碳高延性水泥基复合材料，与传统的高延性水泥基复合材料相比，具有显著的力学性能提升，极大地降低了收缩，并具有明显的应变硬化及多缝开裂特征。摒弃粉煤灰，采用大掺量的煅烧粘土和轻烧白云石粉替代硅酸盐水泥，显著减少了硅酸盐水泥在水泥基复合材料中的使用，环保效益显著，且在煅烧粘土的存在下，采用轻烧白云石来替代石灰石粉，并不会显著地降低强度，且极大地降低了收缩。该制备方法简单，原料来源广泛，经济成本低，适用于大规模工业建筑应用，环保绿色。