CN101172824A - 三维定向纤维增强水泥基复合材料 - Google Patents

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Abstract

一种三维定向纤维增强水泥基复合材料，属建筑材料中的混凝土。本复合材料包括：胶凝材料组份、细集料、水、三维定向排列纤维和超塑化剂，其中凝胶材料组份∶细集料∶水∶超塑化剂的重量比为：1∶(1～2.5)∶(0.13～0.35)∶(0.01～0.03)，胶凝材料组份包括水泥和矿物掺合料，其重量比为(0.4～0.9)∶(0.1～0.6)，或者包括水泥、矿物掺合料和膨胀剂，其重量比为(0.35～0.85)∶(0.1～0.5)∶(0.05～0.15)，矿物掺合料是粉煤灰、矿渣、硅灰和偏高岭土中的任何一种，三维定向排列纤维的体积为全部组份混和后总体积的5％～35％，可选用短切钢纤维、钢丝编制的三维钢纤维网架、钢丝和高性能有机纤维编制的三维混杂纤维网架。本发明保证了纤维在高性能定向纤维增强水泥基复合材料的定向排列，利用了粉煤灰、矿渣、硅灰和偏高岭土作为原料，有利于环保，降低了成本，并使本发明具有强度高、韧性好和耐久性高的优点。

Description

三维定向纤维增强水泥基复合材料
技术领域
本发明属于一种建筑材料，尤其是一种超高强、高性能的渍浆三维定向纤维增强混凝土。
背景技术
对于高掺量钢纤维增强的水泥基复合材料，国际上采用渍浆工艺，即将流动性砂浆注入事先放置于模板内的纤维骨架中，研制了一种钢纤维体积率为5％～20％的渍浆纤维增强混凝土，获得的抗弯强度为27～69MPa，抗压强度为63～190MPa。但渍浆纤维增强混凝土中的钢纤维属于三维乱向分布，其增强与增韧作用没有发挥出最佳的效果。为了克服这一缺陷，国际上又出现渍浆纤维网片增强混凝土，其基体材料和施工方法与渍浆纤维增强混凝土相同，不同的是在模板内预铺的是二维定向纤维网片，有效提高了纤维的方向有效系数，更容易制备出性能优异的纤维增强水泥基复合材料。在达到相同弯曲力学性能的条件下，渍浆纤维网片增强混凝土的钢纤维用量比渍浆纤维增强混凝土的钢纤维用量减少50～60％。但是，渍浆纤维网片增强混凝土仍然存在缺陷：采用二维定向纤维网片增强以后，另一个方向缺少增强纤维，属于典型的各向异性材料，导致不同方向的结构受力不均匀，而且在受弯、受扭时容易发生分层开裂失效。
发明内容
本发明针对现有技术中材料受力不均匀、容易层裂的缺陷，提出一种纤维成三维空间分布且强度更高的三维定向纤维增强水泥基复合材料。
一种三维定向纤维增强水泥基复合材料，包括：胶凝材料组份、细集料、水、三维定向排列纤维和超塑化剂，其中胶凝材料组份与细集料、水、超塑化剂的重量比为：1∶(1～2.5)∶(0.13～0.25)∶(0.01～0.03)，所述的胶凝材料组份包括：水泥和矿物掺合料，其重量比为(0.4～0.9)∶(0.1～0.6)，所述的三维定向排列纤维的体积为全部组份混和后总体积的5％～35％。
本发明的技术优点是：①采用三维定向排列纤维，提高了纤维的方向有效系数，其增强与增韧效果成倍增加，例如：在钢纤维体积率为15％时，与渍浆纤维增强混凝土相比，高性能定向纤维增强水泥基复合材料的纤维方向有效系数提高了65％，纤维平均间距减小了35％。②采用三维定向排列纤维，能够进一步提高渍浆工艺的纤维体积率，增强与增韧效果可以更高，其抗压强度不低于150MPa，最高可以达到220MPa以上，15.5倍初裂应变的特征点压缩韧性指数为11～42，抗弯强度不低于28MPa，最好可以达到73MPa，弯曲韧性为7～65N·m，15.5倍初裂挠度的特征点弯曲韧性指数为17～39，劈裂抗拉强度为18～34MPa，因此，本发明是一种高吸收能量的新型结构材料，具有较高的抗弯强度和弯曲变形能力、很高的抗压强度和压缩变形能力，其最高抗压强度接近同等纤维体积的渍浆纤维增强混凝土的2倍，抗弯强度、抗拉强度优于渍浆纤维增强混凝土和渍浆纤维网片增强混凝土。③由于本发明使用了粉煤灰、矿渣、硅灰和偏高岭土作为其原料，消耗了污染人类生存环境的工业废渣，既降低了成本，又有利于环境保护，具有良好的节能减排效果和可持续发展的特点。④采用预先用钢丝和高性能有机纤维编制的三维钢纤维网架和三维混杂纤维网架，既保证了纤维在高性能定向纤维增强水泥基复合材料的定向排列，又进一步发挥了长的连续纤维的增强作用，而且可以提高施工效率，降低了本发明的生产成本。
附图说明
图1是三维定向纤维增强水泥基复合材料的弯曲荷载-挠度曲线示意图。
图2是三维定向纤维增强水泥基复合材料的压应力-应变全曲线示意图。
图3是三维定向纤维增强水泥基复合材料在-(17±2)℃～+(8±2)℃快速冻融制度下的相对动弹性模量-冻融循环次数曲线示意图。
图4是三维定向纤维增强水泥基复合材料在-(17±2)℃～+(8±2)℃快速冻融制度下的质量损失率-冻融循环次数曲线示意图。
具体实施方式
本发明即一种三维定向纤维增强水泥基复合材料，包括：胶凝材料组份、细集料、水、三维定向排列纤维和超塑化剂。胶凝材料组份包括：水泥和矿物掺合料，其重量比为：水泥∶矿物掺合料＝(0.4～0.9)∶(0.1～0.6)，可以选用0.9∶0.1，也可以选用0.4∶0.6，还可以选用0.8∶0.2或0.6∶0.4等，本发明的胶凝材料组份还可以包括膨胀剂，水泥、矿物掺合料和膨胀剂的重量比为：水泥∶矿物掺合料∶膨胀剂＝(0.35～0.85)∶(0.1～0.5)∶(0.05～0.15)，可以选用0.85∶0.1∶0.05，也可以选用0.35∶0.5∶0.15，还可以选用0.6∶0.3∶0.1或0.72∶0.2∶0.08等。本发明的三维定向排列纤维可以选用短切钢纤维，也可以选用钢丝编制的三维钢纤维网架，还可以选用钢丝和高性能有机纤维编制的三维混杂纤维网架。在本实施例中，所加入的三维定向排列纤维的体积为全部组份混和后总体积的5％～35％，可以选用5％，也可以选用10％，还可以选用20％或35％等。本发明的矿物掺合料可以是粉煤灰、矿渣、硅灰和偏高岭土中的任何一种，或者是两种及两种以上的混合物。在本实施例中，所加入的细集料为天然砂或钢珠，也可以由天然砂和钢珠组成的混合物。本发明的胶凝材料组份与细集料、水、超塑化剂的重量比为1∶(1～2.5)∶(0.13～0.35)∶(0.01～0.03)。本发明的制造工艺如下：(1)将胶凝材料组份和细集料搅拌均匀(若采用粉末型超塑化剂，则与胶凝材料组份和细集料同时搅拌)；(2)将水(若采用液体型超塑化剂，则与水同时加入)加入前面的拌合料中，搅拌均匀；(3)将上述拌合料采用纤维渍浆工艺(即将流动性砂浆渗浇到事先放置于模板内的纤维骨架中)装模(若采用短切钢纤维，可以分层铺放三维定向排列纤维，若采用三维钢纤维网架或混杂纤维网架，可以将纤维网架预先将放置在模具中)，同时振动成型，带模养护24小时后脱模；(4)将脱模后的试件进行标准养护，或于自然保湿环境中养护若干天。
以下用实施例对本发明作更详细的说明。
实施例1
采用P.II 52.5R硅酸盐水泥、I级粉煤灰、S95级矿渣、硅灰(SiO2含量在92％以上)、低碱U型混凝土膨胀剂(UEA-N)、盾铃型钢纤维(纤维等效直径为0.73mm，纤维长度为25mm，长径比为34.2，纤维抗拉强度为900MPa以上)、HP400R缓凝型超塑化剂(聚羧酸系高效减水剂)和普通黄砂(细度模数2.28)为原料，胶凝材料组分的重量比为：水泥∶粉煤灰∶矿渣∶硅灰∶膨胀剂＝0.6∶0.1∶0.1∶0.1∶0.1，胶凝材料组份与细集料、水、超塑化剂的重量比为：胶凝材料组份∶细集料∶水∶超塑化剂＝1∶1∶0.24∶0.0195，钢纤维的体积为全部组份混和后总体积的5％。采用纤维渍浆成型40mm×40mm×160mm试件，钢纤维在高性能定向纤维增强水泥基复合材料中呈现三维正交定向排列。成型后的试件用聚酯薄膜覆盖，在实验室室温条件下静停24h后拆膜，之后在(20±3)℃的饱和石灰水中进行标准养护至少28d。在标准养护龄期达到50d时测定试件的物理力学性能和抗冻性。测试结果如下：三维定向纤维增强水泥基复合材料的抗压强度为164.2MPa，15.5倍初裂应变的特征点压缩韧性指数为11.66，抗弯强度为28.1MPa，弯曲韧性为7N·m，15.5倍初裂挠度的特征点弯曲韧性指数为17.16，劈裂抗拉强度为18.01MPa，在-(17±2)℃～+(8±2)℃下经过800次快速冻融循环时体现出非常高的抗冻性，其相对动弹性模量为86.3％，质量损失率为0.37％。
实施例2
采用与实施例1相同的原料、配合比、成型工艺和养护方法，制成40mm×40mm×160mm的高性能定向纤维增强水泥基复合材料试件，仅将钢纤维的体积掺量增加到全部组份混和后总体积的10％。在标准养护龄期达到50d时测定试件的物理力学性能和抗冻性，结果如下：三维定向纤维增强水泥基复合材料的抗压强度为206.8MPa，15.5倍初裂应变的特征点压缩韧性指数为15.43，抗弯强度为52.0MPa，弯曲韧性为26.91N·m，15.5倍初裂挠度的特征点弯曲韧性指数为28.33，劈裂抗拉强度为23.29MPa，在-(17±2)℃～+(8±2)℃下经过800次快速冻融循环时体现出非常高的抗冻性，其相对动弹性模量为86.3％，质量损失率为0.11％。
实施例3
采用与实施例1相同的原料、配合比、成型工艺和养护方法，制成40mm×40mm×160mm的高性能定向纤维增强水泥基复合材料试件，仅将钢纤维的体积掺量增加到全部组份混和后总体积的15％。在标准养护龄期达到50d时测定试件的物理力学性能和抗冻性，结果如下：三维定向纤维增强水泥基复合材料的抗压强度为222.8MPa，15.5倍初裂应变的特征点压缩韧性指数为31.52，抗弯强度为69.1MPa，弯曲韧性为42.73N·m，15.5倍初裂挠度的特征点弯曲韧性指数为20.45，劈裂抗拉强度为31.27MPa，在-(17±2)℃～+(8±2)℃下经过800次快速冻融循环时体现出非常高的抗冻性，其相对动弹性模量为83.3％，质量损失率为0.27％。
图1所示的是，由实施例1、2、3制成的三维定向纤维增强水泥基复合材料的弯曲荷载-挠度曲线(SC5-2、SC10-2和SC15-2的三维定向排列钢纤维的体积掺量为全部组份混和后总体积的5％、10％和15％)；
图2所示的是，由实施例1、2、3制成的三维定向纤维增强水泥基复合材料的压应力-应变全曲线(SC5-2、SC10-2和SC15-2的三维定向排列钢纤维的体积掺量为全部组份混和后总体积的5％、10％和15％)。
图3所示的是，由实施例1、2、3制成的三维定向纤维增强水泥基复合材料在-(17±2)℃～+(8±2)℃快速冻融制度下的相对动弹性模量-冻融循环次数曲线(SC5-2、SC10-2和SC15-2的三维定向排列钢纤维的体积掺量为全部组份混和后总体积的5％、10％和15％)。
图4所示的是，由实施例1、2、3制成的三维定向纤维增强水泥基复合材料在-(17±2)℃～+(8±2)℃快速冻融制度下的质量损失率-冻融循环次数曲线(SC5-2、SC10-2和SC15-2的三维定向排列钢纤维的体积掺量为全部组份混和后总体积的5％、10％和15％)。

Claims (5)

1.一种三维定向纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，由胶凝材料组份、细集料、水、三维定向排列纤维和超塑化剂组成，其中所述的胶凝材料组份与细集料、水、超塑化剂的重量比为1∶(1～2.5)∶(0.13～0.35)∶(0.01～0.03)，所述的三维定向排列纤维的体积为全部组份混和后总体积的5％～35％。
2.根据权利要求1所述的三维定向纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述的三维定向排列纤维是短切钢纤维或者是用钢丝编制的三维钢纤维网架，或者是用钢丝和高性能有机纤维编制的三维混杂纤维网架。
3.根据权利要求1所述的三维定向纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述的胶凝材料组份包括：水泥和矿物掺合料，其重量比为：水泥∶矿物掺合料＝(0.4～0.9)∶(0.1～0.6)，或者包括：水泥、矿物掺合料和膨胀剂，其重量比为∶水泥∶矿物掺合料∶膨胀剂＝(0.35～0.85)∶(0.1～0.5)∶(0.05～0.15)。
4.根据权利要求1所述的三维定向纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述的细集料是天然砂和钢珠中的任何一种，或者是两者的混合物。
5.根据权利要求3所述的三维定向纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，矿物掺合料是粉煤灰、矿渣、硅灰和偏高岭土中的任何一种，或者是两种及两种以上的混合物。
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C10 Entry into substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20080507