CN103011744A - 一种高延性水泥基复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种建筑用复合材料，具体涉及一种高延性水泥基复合材料。所述高延性水泥基复合材料，所述高延性水泥基复合材料包括以下组分：特种水泥、特细砂、水、减水剂及纤维，所述的高延性水泥基复合材料组成比例为：按重量计，特种水泥50~80份，特细砂18~55份，水10~30份，减水剂0.25~1.2份，纤维0.8~1.8份；所述的特种水泥是一种由70~85份的活性混合材料，10~20份硫酸盐及1~5份的碱性成分组成；所述的活性混合材料至少一种选自矿渣、粉煤灰、磷渣、钢渣。本发明高延性水泥基复合材料可以有效地降低能量消耗、减少环境污染及提高工业废渣的利用率并且同时具有较高的延性和承载力。

Description

一种高延性水泥基复合材料
技术领域
本发明涉及一种建筑用复合材料，具体涉及一种高延性水泥基复合材料。
背景技术
水泥混凝土一直是最主要的建筑材料，具有原料来源广泛、工艺简便、防火、适应性强和应用方便等优点，但与此同时，混凝土材料也存在抗拉强度低、韧性差、可靠性低和开裂后裂缝宽度难以控制等缺点。这些缺点严重的影响混凝土结构的耐久性和服役寿命，使其成为当今土木工程领域所面临的一个世界性重大工程技术问题。因此，寻找制备裂缝宽度可控的高韧性，具有较好应变硬化能力的高性能水泥基复合材料显得尤为重要。
20世纪90年代早期美国密歇根大学的Victor.Li主持研究设计了工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite,ECC)。该材料在纤维体积掺量2份左右的情况下，载荷——挠度曲线呈现明显的应变硬化特征，挠度可达10~40mm，承载力强，表现出较高的应变硬化能力和多缝开裂开展特性，饱和状态的多缝开裂裂缝宽度小于0.1ｍｍ，呈现极好的延性行为。此后，不含粗骨料的各种高延性水泥基复合材料已成为水泥混凝土之外的一个新的重要分支。通过以各种细集料和粉料作为原材料，采用相应的技术加工工艺，各种延性较好、应变能力强，并具有优异的多缝开裂行为的高性能水泥基复合材料不断涌现。但是，目前研制的各类建筑用复合材料均是使用传统通用硅酸盐水泥作为基体，其巨大的能量消耗和环境污染较大地限制了该类材料在环境友好等绿色工程中的应用；此外，现有大量工业废渣包括磷渣、矿渣、粉煤灰等以及大量工业废石膏如脱硫石膏、磷石膏、氟石膏等，利用率极低，占用土地，浪费资源，且对周边环境造成严重的污染，制约着我国自然资源、环境保护的可持续发展。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种高延性水泥基复合材料，该高延性水泥基复合材料在减少环境污染、明显降低CO2排放量的基础上，具有优异的延性和明显的无害化多缝开裂行为。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案是采用一种高延性水泥基复合材料，所述高延性水泥基复合材料包括以下组分：特种水泥、特细砂、水、减水剂及纤维，所述的高延性水泥基复合材料组成比例为：按重量计，特种水泥50~80份，特细砂18~55份，水10~30份，减水剂0.25~1.2份，纤维0.8~1.8份；所述的特种水泥是一种由70~85份的活性混合材料，10~20份硫酸盐及1~5份的碱性成分组成；所述的活性混合材料至少一种选自矿渣、粉煤灰、磷渣、钢渣。
优选的，所述的特细砂细度为20~140目。
优选的，所述的特细砂为机制砂、尾矿砂、石英砂、天然砂中的任意一种。
优选的，所述硫酸盐至少一种选自硬石膏、二水石膏、磷石膏、脱硫石膏、磷石膏、柠檬酸石膏、氯石膏、盐石膏、味梢石膏、铜石膏或钛石膏。
优选的，所述减水剂为减水率30%以上，固含量大于30%的聚羧酸减水剂。
优选的，所述纤维为长度6～12mm，直径30~40μm，抗拉强度为1500～1700MPa，弹性模量为35~45GPa的聚乙烯醇纤维。
与现有技术相比，本发明所述高延性水泥基复合材料的原理如下：
本发明所述高延性水泥基复合材料包含有以下组分，各组分按重量份计：特种水泥50~80份，特细砂18~55份，水10~30份，减水剂0.25~1.2份，纤维0.8~1.8份。
本发明所述高延性水泥基复合材料采用将特种水泥代替现有作为基体的通用硅酸盐水泥，特种水泥的水化机理如下式（1）：
AlO2 -+OH-+SO4 2-→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O    (1)
该特种水泥无需经过煅烧处理，将各材料按比例磨细至相应的比表面积，可以达到与现有硅酸盐水泥相同的强度要求。
将特种水泥与特细砂、水、减水剂以及纤维按上述比例混合制备所得的高延性水泥基复合材料能够有效消除使用通用硅酸盐产生的大量能量消耗及CO2污染。
本发明所述高延性水泥基复合材料，可以达到现有利用通用硅酸盐水泥作为基体的高延性水泥基复合材料的延性和承载力。
进一步的，本发明所述的特细砂细度为20-140目，其可以是现有使用的任一种特细砂，包括机制砂、尾矿砂、石英砂、天然砂等，本发明优选采用所述特细砂为至少一种选自机制砂或尾矿砂；所述机制砂和尾矿砂均为工业生产中所大量产生工业废弃物，本发明优选采用上述两种特细砂可以进一步降低能源消耗和减少环境污染；同时，当机制砂和尾矿砂的细度为20-140目时，其制备出的高延性水泥基复合材料的延性和承载力可以进一步的提高。
进一步的，本发明所述的高延性水泥基复合材料优选采用所述的硫酸盐可以是现有的任一种常用石膏，包括有二水石膏、硬石膏、磷石膏、脱硫石膏、磷石膏、柠檬酸石膏、氟石膏、盐石膏、味梢石膏、铜石膏或钛石膏；本发明优选采用工业副产石膏可以进一步的提高工业废渣利用率。
进一步的，本发明所述的高延性水泥基复合材料优选采用所述的减水剂为固含量为30%以上，可以进一步的提高本发明所述高延性水泥基复合材料的延性和承载力。
进一步的，本发明所述的高延性水泥基复合材料优选采用所述的纤维为长度6～12mm，直径30~40μm，抗拉强度在1500～1700MPa之间，弹性模量在35~45GPa之间的聚乙烯醇纤维，采用此纤维可以更好地提高本发明所述高延性水泥基复合材料的延性和承载力。
本发明的另一个目的还在于提供一种所述的高延性水泥基复合材料的制备方法，按照以下步骤制备高延性水泥基复合材料：
A、将特细砂和特种水泥按比例混合，然后加入水、减水剂混合并搅拌均匀；
B、将A步骤所得混合物加入纤维混合并搅拌均匀；
C、将B步骤所得混合物水化硬化后进行脱模，制得所述高延性水泥基复合材料。
本发明所述高延性水泥基复合材料可以采用通常的制备方法，即将各组分物质直接混合的方式；本发明制备方法还可采用上述优选实施方案，即先将特种水泥和特细砂混合、与水和减水剂混合后拌合均匀、与纤维混合后拌合均匀、再水化硬化后进行脱模的方式。本发明上述优选的实施方案中在混合各组分物料时采用了一定的先后顺序的步骤，从而能够使得所得的复合材料具有更高的延性和承载力。
进一步的，本发明所述高延性水泥基复合材料的制备方法优选采用所述特种水泥采用勃氏透气仪测其比表面积为460-500m2/kg。本发明优选采用上述实施方式可以进一步的提高高延性水泥基复合材料的延性以及承载力。
附图说明
图1为本发明实施例四点弯曲试验示意图；
图2为本发明实施例四点弯曲试验裂纹分布情况示意图；
图3为本发明实施例1-6载荷-挠度曲线试验结果。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1～6：
表1为本发明配方；表2为本发明具体实施配方，表3为具体实施例所用的具体材料特征。
表1 高延性水泥基复合材料配方（重量份数：份）
Figure BDA00002617068300051
表2 高延性水泥基复合材料具体实施例配方（重量份数：份）
表3 高延性水泥基复合材料具体实施例中所用的具体材料
Figure BDA00002617068300053
Figure BDA00002617068300061
按照以下步骤制备实施例1~6：
A、将特细砂和特种水泥按照相应的重量比混合，然后加入相应重量比例的水和减水剂，混合并搅拌均匀；
B、将A步骤所得混合物加入相应重量的纤维。
C、将B步骤所得混合物水化硬化后进行脱模，制得各实施例1-6。
将上述所得实施例1-6按国标规定方法成型400mm×100mm×10mm的模具中，水化硬化后脱模，再进行四点弯曲试验测试，所得结果如图1和2，实施例1-6的载荷-挠度曲线如图3。
表4实施例1~6不同龄期高延性水泥基复合材料性能指标
Figure BDA00002617068300062
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高延性水泥基复合材料，其特征在于：它包括以下组分：特种水泥、特细砂、水、减水剂及纤维，所述的高延性水泥基复合材料组成比例为：按重量计，特种水泥50~80份，特细砂18~55份，水10~30份，减水剂0.25~1.2份，纤维0.8~1.8份；所述的特种水泥是一种由70～85份的活性混合材料，10～20份硫酸盐及1~5份的碱性成分组成；所述的活性混合材料至少一种选自矿渣、粉煤灰、磷渣、钢渣。
2.根据权利要求1所述的高延性水泥基复合材料，其特征在于：所述的特细砂细度为20~140目。
3.根据权利要求1所述的高延性水泥基复合材料，其特征在于：所述的特细砂为机制砂、尾矿砂、石英砂、天然砂中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的高延性水泥基复合材料，其特征在于：所述硫酸盐至少一种选自硬石膏、二水石膏、磷石膏、脱硫石膏、磷石膏、柠檬酸石膏、氟石膏、盐石膏、味梢石膏、铜石膏或钛石膏。
5.根据权利要求1所述的高延性水泥基复合材料，其特征在于：所述减水剂为减水率30%以上，固含量大于30%的聚羧酸减水剂。
6.根据权利要求1所述的高延性水泥基复合材料，其特征在于：所述纤维为长度6～12mm，直径30~40μm，抗拉强度为1500~1700MPa，弹性模量为35~45GPa的聚乙烯醇纤维。
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