CN102079647A - 一种玄武岩纤维增强的水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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杨春梅
崔崇
徐升
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Abstract

本发明公开了一种玄武岩纤维增强的水泥基复合材料及其制备方法，其原料为：水泥、硅灰、磨细矿渣、超塑化剂、细骨料、水、玄武岩纤维、其他纤维，所述超塑化剂是一种减水率在30％以上的高效减水剂，细骨料是最大粒径3mm以内的黄砂或石英砂，玄武岩纤维是单一长度的玄武岩纤维或不同长度的玄武岩纤维混杂，其他纤维是金属纤维、有机纤维、无机非金属纤维中的一种或两种及以上的混合。本发明在常规水泥基材料基础上进行了改进，所制得的水泥基复合材料具有节省钢材、减轻重量、抗拉强度高、综合性能优异的特点。

Description

一种玄武岩纤维增强的水泥基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种水泥基复合材料，特别是利用玄武岩纤维以及玄武岩纤维与其他纤维混杂制备的水泥基复合材料及该材料的制备方法。
背景技术
配制纤维增强水泥基复合材料可供选用的纤维品种很多，如碳纤维、钢纤维、有机纤维等。碳纤维是脆性材料，受力过大时形变较小而直接断裂；有机纤维不耐高温且强度较低；钢纤维增强混凝土具有很好的力学性能，但钢材的用量很大，且钢纤维在潮湿的环境下容易生锈，使复合材料的性能下降。为了节省钢材，同时提高复合材料的抗拉强度等性能，需要选用其他优异性能的增强纤维。纤维水泥基复合材料通常只采用同一品种、同一尺寸的纤维，为了弥补单一纤维增强的不足，并获得更优化的力学性能，需研究同时掺入不同品种、不同尺度优化组合的混杂纤维，从而提高水泥基材料的综合性能。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种玄武岩纤维增强的水泥基复合材料，减少钢纤维的使用，节省钢材，同时得到性能优异的水泥基复合材料。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种玄武岩纤维增强的水泥基复合材料，原材料及质量百分数为：
  水泥   19.0％～20.6％
  硅灰   7.6％～8.2％
  磨细矿渣   11.4％～12.4％
  超塑化剂   0.8％
  细骨料   45.5％～49.5％
  水   7.2％～7.5％
  玄武岩纤维   0％～1.0％
  其他纤维   0.0％～8.5％
一种制备上述水泥基复合材料的方法，步骤如下：
(a)将水泥、硅灰、磨细矿渣、细骨料按19.0％～20.6％；7.6％～8.2％；11.4％～12.4％；45.5％～49.5％的比例在混凝土搅拌机内混合均匀。
(b)将玄武岩纤维按照0.0％～1.0％的比例均匀撒在混凝土搅拌机内。
(c)将超塑化剂与水按照0.8％和7.2％～7.5％的比例混合均匀后，倒入固体原料中，并继续搅拌。
(d)将其他纤维按照0.0％～8.5％的比例均匀撒在混凝土搅拌机内，继续搅拌，最终得到搅拌均匀的水泥基复合材料拌合物。
(e)将搅拌机内的水泥基复合材料拌合物倒入模具内，并在振动台上振动密实；
(f)将模具中的材料在标准条件下静置24小时，待其硬化后，拆模，将制得的水泥基复合材料标准养护30天以上。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的水泥基复合材料采用玄武岩纤维为增强纤维，玄武岩纤维具有显著的耐高温性能和热震稳定性，高的弹性模量和抗拉强度，化学稳定性好，天然的硅酸盐相容性，与水泥、混凝土的分散性好，结合力强，热胀冷缩系数一致等优点，将其与钢纤维混杂后用于制备水泥基复合材料，能显著提高水泥基材料的综合性能。2)本发明的水泥基复合材料的抗拉强度较单一使用钢纤维所得的复合材料高。水泥基复合材料的抗拉强度一般都比较低，本发明的材料在此发面有所突破，有利于水泥基材料应用领域的扩展。
具体实施方式
一种玄武岩纤维增强的水泥基复合材料，原材料及质量百分数为：
  水泥   19.0％～20.6％
  硅灰   7.6％～8.2％
  磨细矿渣   11.4％～12.4％
  超塑化剂   0.8％
  细骨料   45.5％～49.5％
  水   7.2％～7.5％
  玄武岩纤维   0％～1.0％
  其他纤维   0.0％～8.5％
上述超塑化剂是一种减水率在30％以上的高效减水剂。细骨料为最大粒径小于3mm的黄砂或石英砂。玄武岩纤维长6～15mm，直径9～20μm，弹性模量＞80GPa，抗拉强度＞3000MPa。玄武岩纤维为单一长度的玄武岩纤维或不同长度的玄武岩纤维混杂。其他纤维是金属纤维、有机纤维、无机非金属纤维中的一种或两种及以上的混合。
一种制备水泥基复合材料的方法，步骤如下：
(a)将水泥、硅灰、矿渣、细骨料按19.0％～20.6％；7.6％～8.2％；11.4％～12.4％；45.5％～49.5％的比例在混凝土搅拌机内混合均匀；细骨料为最大粒径小于3mm的黄砂或石英砂。硅灰是冶炼硅铁合金和工业硅时产生的副产品；磨细矿渣是高炉炼铁产生的工业副产品，经过粉磨后比表面积在400m2/kg以上。
(b)将玄武岩纤维按照0.0％～1.0％的比例均匀撒在混凝土搅拌机内；玄武岩纤维长6～15mm，直径9～20μm，弹性模量＞80GPa，抗拉强度＞3000MPa。玄武岩纤维为单一长度的玄武岩纤维或不同长度的玄武岩纤维混杂。
(c)将超塑化剂与水按照0.8％和7.2％～7.5％的比例混合均匀后，倒入固体原料中，并继续搅拌；超塑化剂是一种减水率在30％以上的高效减水剂。
(d)将其他纤维按照0.0％～8.5％的比例均匀撒在混凝土搅拌机内，继续搅拌，最终得到搅拌均匀的水泥基复合材料拌合物；其他纤维是金属纤维、有机纤维、无机非金属纤维中的一种或两种及以上的混合。
(e)将搅拌机内的水泥基复合材料拌合物倒入模具内，并在振动台上振动密实；
(f)将模具中的材料在标准条件下静置24小时，待其硬化后，拆模，将制得的水泥基复合材料标准养护30天以上。
下面通过实施例进一步说明本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
将水泥、硅灰、磨细矿渣、细骨料按表1所示比例称量后在混凝土搅拌机内混合均匀；将玄武岩纤维按表1所示比例称量后均匀撒在混凝土搅拌机内；将超塑化剂与水按表1所示比例称量后混合均匀，倒入搅拌均匀的固体原料内，并继续搅拌，从而得到搅拌均匀的水泥基复合材料拌合物；将搅拌机内的水泥基复合材料拌合物倒入模具内，并在振动台上振动密实；将模具中的材料在标准条件下静置24小时，待其硬化后，拆模，将制得的水泥基复合材料标准养护90天。养护完毕后，测试水泥基复合材料各项力学性能，测试结果如表1所示。该实施例中所用的玄武岩纤维的长度为15mm，直径为9～17μm，弹性模量为80GPa，抗拉强度为3000MPa；水泥是强度等级52.5的硅酸盐水泥；硅灰是冶炼硅铁合金和工业硅时产生的副产品，SiO2含量在90％以上；磨细矿渣是高炉炼铁产生的工业副产品，经过粉磨后比表面积在800m2/kg以上。
实施例2
按表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法制备水泥基复合材料，所使用的玄武岩纤维的长度为6mm，直径为9～17μm，弹性模量为80GPa，抗拉强度为3000MPa；水泥是强度等级52.5的硅酸盐水泥；硅灰是冶炼硅铁合金和工业硅时产生的副产品，SiO2含量在90％以上；磨细矿渣是高炉炼铁产生的工业副产品，经过粉磨后比表面积在800m2/kg以上。在表1中列出了测试结果。
实施例3
按表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法制备水泥基复合材料，所使用的玄武岩纤维a的长度为15mm，玄武岩纤维b的长度为6mm，纤维的直径为9～17μm，弹性模量为80GPa，抗拉强度为3000MPa；水泥是强度等级52.5的硅酸盐水泥；硅灰是冶炼硅铁合金和工业硅时产生的副产品，SiO2含量在90％以上；磨细矿渣是高炉炼铁产生的工业副产品，经过粉磨后比表面积在800m2/kg以上。在表1中列出了测试结果。
实施例4
将水泥、硅灰、磨细矿渣、细骨料按表1所示比例称量后在混凝土搅拌机内混合均匀；将超塑化剂与水按表1所示比例称量后混合均匀，倒入搅拌均匀的固体原料内，并继续搅拌；将钢纤维按表1所示比例称量后均匀撒在混凝土搅拌机内，并进一步搅拌，从而得到搅拌均匀的水泥基复合材料拌合物；将搅拌机内的水泥基复合材料拌合物倒入模具内，并在振动台上振动密实；将模具中的材料在标准条件下静置24小时，待其硬化后，拆模，将制得的水泥基复合材料标准养护90天。养护完毕后，测试水泥基复合材料各项力学性能，测试结果如表1所示。该实施例中所用的钢纤维直径0.2mm，长度20mm，抗拉强度＞1800MPa；水泥是强度等级52.5的硅酸盐水泥；硅灰是冶炼硅铁合金和工业硅时产生的副产品，SiO2含量在90％以上；磨细矿渣是高炉炼铁产生的工业副产品，经过粉磨后比表面积在800m2/kg以上。
实施例5
将水泥、硅灰、磨细矿渣、细骨料按表1所示比例称量后在混凝土搅拌机内混合均匀；将玄武岩纤维按表1所示比例称量后均匀撒在混凝土搅拌机内；将超塑化剂与水按表1所示比例称量后混合均匀，倒入搅拌均匀的固体原料内，并继续搅拌；将钢纤维按表1所示比例称量后均匀撒在混凝土搅拌机内，并进一步搅拌，从而得到搅拌均匀的水泥基复合材料拌合物；将搅拌机内的水泥基复合材料拌合物倒入模具内，并在振动台上振动密实；将模具中的材料在标准条件下静置24小时，待其硬化后，拆模，将制得的水泥基复合材料标准养护90天。养护完毕后，测试水泥基复合材料各项力学性能，测试结果如表1所示。该实施例中所使用的玄武岩纤维的长度为15mm，直径为9～17μm，弹性模量为80GPa，抗拉强度为3000MPa；所用的钢纤维直径0.2mm，长度20mm，抗拉强度＞1800MPa；水泥是强度等级52.5的硅酸盐水泥；硅灰是冶炼硅铁合金和工业硅时产生的副产品，SiO2含量在90％以上；磨细矿渣是高炉炼铁产生的工业副产品，经过粉磨后比表面积在800m2/kg以上。
实施例6
按表1中指定的各组分含量重复实施例5的方法制备水泥基复合材料，所使用的玄武岩纤维的长度为6mm，直径为9～17μm，弹性模量为80GPa，抗拉强度为3000MPa；所用的钢纤维直径0.2mm，长度20mm，抗拉强度＞1800MPa；水泥是强度等级52.5的硅酸盐水泥；硅灰是冶炼硅铁合金和工业硅时产生的副产品，SiO2含量在90％以上；磨细矿渣是高炉炼铁产生的工业副产品，经过粉磨后比表面积在800m2/kg以上。在表1中列出了测试结果。
从实施例1、2、3可以看出，当在水泥基材料中单独添加玄武岩纤维a或玄武岩纤维b时，其抗压强度和抗弯强度分别达到130MPa和20MPa以上。当单独加入玄武岩纤维a时，水泥基材料的抗压强度较高；当单独加入玄武岩纤维b时，材料的抗弯强度较高；而同时加入两种不同长度的玄武岩纤维后，所制得的水泥基材料的抗压强度和抗弯强度较只掺单一长度玄武岩纤维的水泥基材料高。从实施例4、5、6可以看出，在水泥基材料中加入玄武岩纤维的同时加入钢纤维，所得材料的抗压强度均在200MPa左右。玄武岩纤维和钢纤维混合掺入的水泥基材料的抗拉和抗弯强度较只掺单一钢纤维的水泥基材料高。
表1

Claims (10)

1.一种玄武岩纤维增强的水泥基复合材料，其特征在于，原材料及质量百分数为：
  水泥   19.0％～20.6％   硅灰   7.6％～8.2％   磨细矿渣   11.4％～12.4％   超塑化剂   0.8％   细骨料   45.5％～49.5％   水   7.2％～7.5％   玄武岩纤维   0％～1.0％   其他纤维   0.0％～8.5％
2.根据权利要求1所述的玄武岩纤维增强的水泥基复合材料，其特征在于，超塑化剂是一种减水率在30％以上的高效减水剂。
3.根据权利要求1所述的玄武岩纤维增强的水泥基复合材料，其特征在于，细骨料为最大粒径小于3mm的黄砂或石英砂。
4.根据权利要求1所述的玄武岩纤维增强的水泥基复合材料，其特征在于，玄武岩纤维长6～15mm，直径9～20μm，弹性模量＞80GPa，抗拉强度＞3000MPa。
5.根据权利要求1或4所述的玄武岩纤维增强的水泥基复合材料，其特征在于，玄武岩纤维为单一长度的玄武岩纤维或不同长度的玄武岩纤维混杂。
6.根据权利要求1所述的玄武岩纤维增强的水泥基复合材料，其特征在于，其他纤维是金属纤维、有机纤维、无机非金属纤维中的一种或两种及以上的混合。
7.一种制备权利要求1所述水泥基复合材料的方法，其特征在于，步骤如下：
(a)将水泥、硅灰、磨细矿渣、细骨料按19.0％～20.6％；7.6％～8.2％；11.4％～12.4％；45.5％～49.5％的比例在混凝土搅拌机内混合均匀；
(b)将玄武岩纤维按照0.0％～1.0％的比例均匀撒在混凝土搅拌机内；
(c)将超塑化剂与水按照0.8％和7.2％～7.5％的比例混合均匀后，倒入固体原料中，并继续搅拌；
(d)将其他纤维按照0.0％～8.5％的比例均匀撒在混凝土搅拌机内，继续搅拌，最终得到搅拌均匀的水泥基复合材料拌合物；
(e)将搅拌机内的水泥基复合材料拌合物倒入模具内，并在振动台上振动密实；
(f)将模具中的材料在标准条件下静置24小时，待其硬化后，拆模，将制得的水泥基复合材料标准养护30天以上。
8.根据权利要求7所述的制备水泥基复合材料的方法，其特征在于，步骤(a)中细骨料为最大粒径小于3mm的黄砂或石英砂。
9.根据权利要求7所述的制备水泥基复合材料的方法，其特征在于，步骤(b)所述的玄武岩纤维长6～15mm，直径9～20μm，弹性模量＞80GPa，抗拉强度＞3000MPa。
10.根据权利要求7所述的制备水泥基复合材料的方法，其特征在于，步骤(c)所述超塑化剂是一种减水率在30％以上的高效减水剂；步骤(d)中的其它纤维为金属纤维、有机纤维、无机非金属纤维中的一种或两种及以上的混合纤维。
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