CN103482927A - 一种高抗裂低收缩高延性砂浆及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高抗裂低收缩高延性砂浆及其制备方法，砂浆包括水泥、粉煤灰、细集料、石灰石粉、水、聚羧酸系减水剂、聚乙烯醇纤维和增稠剂。本发明通过合理调整原材料配比，制备出纤维分散系数在0.90以上的不同抗压强度（20MPa～60MPa之间）、高延性（折压比大于0.30、四点弯曲强度大于10MPa、跨中挠度大于16mm且弯曲韧性因子随计算跨中挠度值增大而增大）、高抗裂（圆环抗裂试件在温度23±2℃、相对湿度50±5%的养护条件下28天未开裂且平均应力速率小于0.1MPa/day）、低收缩（在20±2℃、相对湿度60±5%的养护条件下28d干燥收缩低于900με）砂浆。

Description

一种高抗裂低收缩高延性砂浆及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高抗裂低收缩高延性砂浆，是一种新型纤维增强水泥基复合材料。

背景技术

水泥基材料是目前使用最为广泛的建筑材料之一，是一种典型的“准脆性材料”，具有抗折抗拉强度低、脆性大、易开裂等缺点，为了提高其韧性及其他性能，吴中伟院士提出了基于材料“超叠加效应”的“复合化”的技术途径，“复合化”的技术核心就是纤维增强，而随着合成纤维工业的发展，合成纤维用于增强水泥基复合材料已成为目前纤维增强水泥基复合材料发展的趋势。1992年，密歇根大学VictorCLi教授与麻省理工大学大学Leung教授基于微观力学和断裂力学基本原理制备出一种由聚乙烯醇纤维增韧的新型纤维增强水泥基复合材料——EngineeredCementitiousComposites(ECC)，该材料在直接拉伸试验下呈现高延性（极限拉应变≥3%）、应变硬化和多缝开裂（裂缝宽度可控，在100μm以内）现象，力学性能、耐久性能优异，在国外已有工程应用的实例，而国内，工程应用实例鲜见报道，研究还停留在实验室阶段，究其原因如下：原材料方面：所采用的高弹模聚乙烯醇纤维表面需进行特殊油剂处理才能很好分散，目前研究使用的都是日本Kuraray公司生产的K-II型聚乙烯醇纤维，低性价比限制了在工程上的广泛推广和使用；排除粗骨料，使用平均粒径110μm的石英砂，使材料成本高、能耗大；性能缺陷方面：大掺量矿物掺合料（主要是粉煤灰）及水泥、低水胶比、磨细石英砂（无粗骨料）的使用，使传统ECC在20±2℃、湿度60±5%的养护条件下28d干燥收缩在（1200～1800）με左右，几乎是普通混凝土最终干燥收缩的3倍以上。

发明内容

技术问题：本发明提出了一种可以解决传统ECC在原材料选择和性能缺陷、高性价比的高抗裂低收缩高延性砂浆及其制备方法。

技术方案：本发明的高抗裂低收缩高延性砂浆，该砂浆包括水泥、粉煤灰、细集料、石灰石粉、水、聚羧酸系减水剂、聚乙烯醇纤维和增稠剂，以下组分的质量份之比为水泥：粉煤灰：细集料：石灰石粉：水=1：1.5：0.73：0.18：0.625或1：4：1.45：0.36：1.49；聚羧酸系减水剂掺量为水泥和粉煤灰总质量的0.220%～0.641%；以粉煤灰、水泥、细集料、石灰石粉、水混合均匀后的总体积为基数，聚乙烯醇纤维的体积掺量为1.5%或2.0%；增稠剂掺量为聚乙烯醇纤维质量的0.97%～2.20%。

本发明高抗裂低收缩高延性砂浆采用的聚乙烯醇纤维的物理力学性能指标见表1。

表1聚乙烯醇纤维物理力学性能指标

本发明的优选方案中，水泥是PII42.5硅酸盐水泥；粉煤灰是I级粉煤灰；细集料为粒径0.15mm～1.18mm、细度模数1.0的的天然河砂；石灰石粉的平均粒径为20μm，其激光粒度分析结果如图1所示；聚乙烯醇纤维为密度1.3g/cm³、当量直径30～40μm、长度12mm、极限抗拉强度≥1250MPa、极限延伸率8～12%、弹性模量38.0GPa的聚乙烯醇短切纤维。

本发明的制备上述高抗裂低收缩高延性砂浆的方法，包括以下步骤：

第一步，将准确称量的水泥、粉煤灰、细集料、石灰石粉、增稠剂倒入搅拌机，干拌2～3min，得到混合均匀的干粉；然后将溶有减水剂的80～90%水量加入干粉中，湿拌2～3min后形成浆体；

第二步，将经人工预分散的聚乙烯醇纤维加入第二步中制备得到的浆体中，湿拌4～5min使聚乙烯醇纤维在浆体中均匀分散；

第三步，将剩余的溶有减水剂的水加入浆体中，搅拌2～3min后得到的均匀浆体即为高抗裂低收缩高延性砂浆。

有益效果：与传统ECC相比，所制备的高抗裂低收缩高延性砂浆，本发明具有以下优点：

1）采用两个技术改进措施：用优选级配粒径在0.15～1.18mm的普通河砂+平均粒径在20μm左右的石灰石粉代替磨细石英砂；用聚乙烯醇纤维代替日产进口聚乙烯醇纤维。其中石灰石粉的使用，一方面弥补了细集料中小尺寸粒径的缺失；另一方面在石灰石粉的掺量适量的情况下，与粉煤灰复掺，可改善浆体的流动性，有利于聚乙烯醇纤维在浆体中分散。此外，以上改进技术措施，提高了材料性价比、降低了材料的干燥收缩。

2）通过优选增稠剂，合理调整减水剂和增稠剂掺量，根据发明专利号CN201210589652.4所述的分散系数计算公式，所制备的高抗裂低收缩高延性砂浆的分散系数计算结果都在0.9以上，解决了聚乙烯醇纤维大体积掺量时在水泥浆体中分散难的问题。

3）通过合理调整原材料配比，制备出纤维分散系数在0.90以上的不同抗压强度（20MPa～60MPa之间）、高延性（折压比大于0.30、四点弯曲强度大于10MPa、跨中挠度大于16mm且弯曲韧性因子随计算跨中挠度值增大而增大）、高抗裂（圆环抗裂试件在温度23±2℃、相对湿度50±5%的养护条件下28天未开裂且平均应力速率小于0.1MPa/day）、低收缩（在20±2℃、相对湿度60±5%的养护条件下28d干燥收缩低于900με）砂浆，可用于不同强度等级要求的工程应用场合，提高了材料的工程应用领域，具有十分重要的现实意义。

附图说明

图1为石灰石粉粒径分布激光粒度测试结果示意图。

图2为高抗裂低收缩高延性砂浆制备工艺流程图。

图3为不同配比四点弯曲荷载-跨中挠度曲线图

图4为不同配比四点弯曲强度-跨中挠度曲线图。

图5为圆环收缩试验装置平面俯视图。

图6为圆环收缩试验装置E-E截面图。

图7为不同配比干缩应变值随龄期的发展规律曲线。

具体实施方式

本发明高抗裂低收缩高延性砂浆所用原材料均为市售，没有特殊说明的即为无特殊要求的市售普通品。所用聚羧酸系高效减水剂要求其减水率达到或超过40%以上。

1.原材料优选与配合比设计：

在总结传统ECC已有配比及已述改进措施的基础上，综合考虑聚乙烯醇纤维分散及实现高抗裂低收缩高延性性能，提出如表2所示配比，制备出了不同抗压强度等级的高抗裂低收缩高延性砂浆。

表2不同强度等级高抗裂低收缩高延性砂浆配合比（kg/m³）

（注：WR指所用的聚羧酸系高效减水剂；PVAF为聚乙烯醇纤维；编号中0.30、0.25分别指水胶比为0.30和0.25，1.5、2.0分别指聚乙烯醇纤维的体积掺量为1.5%和2.0%，60、80分别指粉煤灰占胶凝材料总量的60%和80%，S指细集料，SL指石灰石粉）

2.制备方法，流程如图2所示：

1）将准确称量的水泥、粉煤灰、细集料、石灰石粉、增稠剂倒入搅拌机，干拌2～3min至混合均匀；

2）将溶有减水剂的80～90%水量加入干粉中，湿2～3min至形成流动性、黏聚性适宜的浆体；

3）将经人工预分散的聚乙烯醇纤维加入浆体中，湿拌4～5min至纤维在浆体中均匀分散；

4）将剩余的10～20%水加入浆体中，再拌2～3min，结束后关闭搅拌机电源，将拌合均匀的浆体浇筑于模具中。

实施例1：

1.配合比：

具体配比见表2。

2.制备方法：

1）将准确称量的水泥、粉煤灰、细集料、石灰石粉、增稠剂倒入搅拌机，干拌2min至混合均匀；

2）将溶有减水剂的80%水量加入干粉中，湿拌2min至形成流动性、黏聚性适宜的浆体；

3）将经人工预分散的聚乙烯醇纤维加入浆体中，湿拌4min至纤维在浆体中均匀分散；

4）将剩余的20%水加入浆体中，再拌2min，结束后关闭搅拌机电源，将拌合均匀的浆体浇筑于模具中。

3.养护制度：

在自然条件下带模养护1d后脱模，将试件放入标准养护室（温度20±2℃，相对湿度≥90%），至28d测试龄期。

对按上述配比、制备方法和养护制度而成形的15*75*300mm的棱柱体试件，从其中切取3个15*75*1.2mm的长条形样品，根据发明专利号CN201210589652.4所述的分散系数计算公式，计算试验所设计的6个配比，聚乙烯醇纤维在硬化水泥基浆体中的分散系数，其计算结果如表3所示。

表3不同配合比分散系数计算结果

在调整减水剂和增稠剂相对掺量的情况下，不同水胶比下的纤维分散系数均大于0.90，接近1.0，说明所述聚乙烯醇纤维在浆体中分散均匀。,

实施例2：

1.配合比：

具体配比见表2。

2.制备方法：

1）将准确称量的水泥、粉煤灰、细集料、石灰石粉、增稠剂倒入搅拌机，干拌3min至混合均匀；

2）将溶有减水剂的90%水量加入干粉中，湿拌3min至形成流动性、黏聚性适宜的浆体；

3）将经人工预分散的聚乙烯醇纤维加入浆体中，湿拌5min至纤维在浆体中均匀分散；

4）将剩余的10%水加入浆体中，再拌3min，结束后关闭搅拌机电源，将拌合均匀的浆体浇筑于模具中。

3.养护制度：

在自然条件下带模养护1d后脱模，将试件放入标准养护室（温度20±2℃，相对湿度≥90%），至28d测试龄期。

对按上述配比、制备方法和养护制度而成型的40*40*160mm的棱柱体试件，参照GB177-85《水泥胶砂强度检验方法》和GB/T15231.3-49关于玻璃纤维增强水泥抗弯性能试验方法，测28d龄期的抗折抗压强度，试验结果如表4所示。

表4不同配比28d抗折抗压强度试验测定结果

配比	抗折/抗压强度(MPa)	折压比
			1-0.30-1.5+80-S+SL	11.27/22.04	0.5113
2-0.30-2.0+80-S+SL	14.04/23.42	0.5995
			3-0.25-1.5+60-S+SL	16.46/51.94	0.3169
4-0.25-2.0+60-S+SL	21.44/43.76	0.4899
			5-0.25-1.5+80-S+SL	14.78/34.96	0.4228
6-0.25-2.0+80-S+SL	16.25/34.14	0.4760

通过调节原材料配比，制得了不同抗压强度的砂浆：0.30-1.5+80-S+SL、0.30-2.0+80-S+SL强度可达20MPa；0.25-1.5+80-S+SL、0.25-2.0+80-S+SL强度可达30MPa；0.25-2.0+60-S+SL强可达40MPa；0.25-1.5+60-S+SL强度可达50MPa；不同配比下折压比值在0.3169～0.5996间变动，均大于0.30，所制备材料的延性相较普通混凝土提高了3～10倍。

实施例3：

1.配合比：

具体配比见表2。

2.制备方法：

1）将准确称量的水泥、粉煤灰、细集料、石灰石粉、增稠剂倒入搅拌机，干拌2.5min至混合均匀；

2）将溶有减水剂的85%水量加入干粉中，湿拌2.5min至形成流动性、黏聚性适宜的浆体；

3）将经人工预分散的聚乙烯醇纤维加入浆体中，湿拌4.5min至纤维在浆体中均匀分散；

4）将剩余的15%水加入浆体中，再拌2.5min，结束后关闭搅拌机电源，将拌合均匀的浆体浇筑于模具中。

3.养护制度：

在自然条件下带模养护1d后脱模，将试件放入标准养护室（温度20±2℃，相对湿度≥90%），至28d测试龄期。

对按上述配比、制备方法和养护制度而成型的15*75*300mm的棱柱体试件，进行四点弯曲测试试验，四点弯曲荷载-跨中挠度曲线如图3所示、四点弯曲强度-跨中挠度曲线如图4所示。

1）当水胶比为0.30时，使用普通河砂+石灰石粉，聚乙烯醇纤维体积掺量为1.5%，粉煤灰占胶凝材料80%时，制备得到四点弯曲强度＞11MPa，跨中挠度达27mm的高延性砂浆。

2）当水胶比为0.25时，①使用普通河砂+石灰石粉，聚乙烯醇纤维掺量在1.5%时，粉煤灰掺量占胶凝材料80%时，能制备得到四点弯曲强度超过10MPa，跨中挠度达20mm左右的高延性砂浆；②使用普通河砂+石灰石粉，聚乙烯醇纤维掺量在2.0%时，粉煤灰掺量占胶凝材料80%时，能制备得到四点弯曲强度超过11MPa左右，跨中挠超过20mm的高延性砂浆；③使用普通河砂+石灰石粉，聚乙烯醇纤维掺量在1.5%时，粉煤灰掺量占胶凝材料60%时，能制备得到四点弯曲强度超过13MPa，跨中挠度达16mm左右的高延性砂浆；④使用普通河砂+石灰石粉，聚乙烯醇纤维掺量在2.0%时，粉煤灰掺量占胶凝材料60%时，能制备得到四点弯曲强度超过14MPa，跨中挠度达16mm左右的高延性砂浆。

再根据拓展后的韧性因子对所制备的高延性砂浆的弯曲韧性进行评价，韧性因子计算公式如下：

σ_n=T_bnl/(bh²δ_n)

式中：σ_n为挠度为l/n时对应的韧性因子（MPa）；

Tbn是挠度为l/n时对应荷载-跨中挠度曲线下的面积（kN·mm）；

δ_n为给定的计算挠度（mm）；

l/n，l是四点弯曲试验的跨距，mm，其中n=2400，1600，800，480，320，240，160，120，80，60；

b是四点弯曲试验试件宽度；

h是四点弯曲试件厚度。

不同抗压强度的砂浆的弯曲韧性评价计算结果如表5、表6、表7所示。

表5水胶比为0.30，强度在20MPa以上的配比四点弯曲韧性评价分析结果

表6水胶比为0.25，强度在30MPa以上的配比四点弯曲韧性评价分析结果

表7水胶比为0.25，强度达40MPa、50MPa配比的四点弯曲韧性评价分析结果

不同配比下的韧性因子随着挠度计算值的增大而增大，说明经由合理优化出的配比所制备的砂浆都具有弯曲应变硬化效应，具有高延性，且纤维体积掺量为2%时弯曲韧性较纤维体积掺量为1.5%时的弯曲韧性更好。

实施例4：

1.配合比：

具体配比见表2。

2.制备方法：

1）将准确称量的水泥、粉煤灰、细集料、石灰石粉、增稠剂倒入搅拌机，干拌3min至混合均匀；

2）将溶有减水剂的85%水量加入干粉中，湿拌3min至形成流动性、黏聚性适宜的浆体；

3）将经人工预分散的聚乙烯醇纤维加入浆体中，湿拌5min至纤维在浆体中均匀分散；

4）将剩余的15%水加入浆体中，再拌2min，结束后关闭搅拌机电源，将拌合均匀的浆体浇筑于圆环收缩试模中。

圆环收缩试验，其装置是基于ASTMC1581-04标准改进后设计的，装置平面俯视图如图5所示，E-E截面图如图6所示，装置尺寸如表8所示。

表8约束条件下圆环收缩综合抗裂能力评价所用装置尺寸详情

字母标记	尺寸大小（SI:mm）
		A	12.5±0.13
B	150±2
		C	190±2
D	150±6

圆环是钢制，由外环和内环两部分，中间填料，成型24h后将外环拆除，同时在成型试件的顶部一圈涂抹硅胶密封，涂抹硅胶是为了保证试样内部水分仅从试件的外圆周部分散失。将紧箍在圆环内圈的试件同内环一起搬进恒温恒湿室养护，室内温度23±2℃，相对湿度（50±5）%。，用与自动数据采集仪（TDS303）相连的应变片，测定圆环试件受内圆环约束后的周向应变，测定应变的时间间隔设置为30min；同时每24h用读数显微镜观测一次圆环试件，连续测量并记录直到成型后28d，记录初始开裂时间。

测量裂缝宽度的仪器是上海浦东物理光学仪器厂出品的JC4-10读数显微镜。显微镜放大倍数40倍，测量范围4mm，测量精度0.01mm。裂缝长度测量使用普通钢尺。

直到28d测试龄期时，6个配比均为出现开裂现象，同时根据ASTMC1581-04中提出的平均应力计算方法，6个配比的平均应力速率结果如表9所示。

表9不同配比平均应力速率计算结果

再根据ASTMC1581-04提出的基于开裂应力速率对抗裂能力的分类标准知，所设计出的6个配比，28d均为出现开裂且平均应力速率均小于0.1MPa/day，即不同强度等级的高延性砂浆均具有高抗裂能力，是一种高抗裂高延性砂浆。

实施例5：

1.配合比：

具体配比见表3。

2.制备方法：

1）将准确称量的水泥、粉煤灰、细集料、石灰石粉、增稠剂倒入搅拌机，干拌3min至混合均匀；

2）将溶有减水剂的85%水量加入干粉中，湿拌2.5min至形成流动性、黏聚性适宜的浆体；

3）将经人工预分散的聚乙烯醇纤维加入浆体中，湿拌5min至纤维在浆体中均匀分散；

4）将剩余的15%水加入浆体中，再拌2.5min，结束后关闭搅拌机电源，将拌合均匀的浆体浇筑于40*40*160mm带有侧头的三连模中。

所上述配比和制备方法，将成型后的试件在自然条件下带模养护1d后脱模，将试件放入标准养护室（温度20±2℃，相对湿度≥90%）养护3d后将试件从标养室移至干缩试验室（温度20±2℃，相对湿度60±5%），用螺旋测微仪测定此时试件的长度，作为试件基准长度，并按以下时间测量其变形量：1d、3d、7d、14d、28d。不同配比干燥收缩应变值随龄期的变化规律如图7所示。28d测试龄期时，6个配比的干燥收缩应变值均低于900με，低于传统ECC的1200～1800με，与普通混凝土的干缩600～900με相当，即所制备的高抗裂高延性砂浆也是一种高抗裂低收缩高延性砂浆。

Claims (3)

1.一种高抗裂低收缩高延性砂浆，其特征在于，该砂浆包括水泥、粉煤灰、细集料、石灰石粉、水、聚羧酸系减水剂、聚乙烯醇纤维和增稠剂，以下组分的质量份之比为水泥：粉煤灰：细集料：石灰石粉：水=1：1.5：0.73：0.18：0.625或1：4：1.45：0.36：1.49；聚羧酸系减水剂掺量为水泥和粉煤灰总质量的0.220%~0.641%；以粉煤灰、水泥、细集料、石灰石粉、水混合均匀后的总体积为基数，聚乙烯醇纤维的体积掺量为1.5%或2.0%；增稠剂掺量为聚乙烯醇纤维质量的0.97%~2.20%。

2.如权利要求1所述的高抗裂低收缩高延性砂浆，其特征在于，所述的水泥是PII 42.5硅酸盐水泥；所述的粉煤灰是I级粉煤灰；所述的细集料为粒径0.15mm~1.18mm、细度模数1.0的的天然河砂；所述石灰石粉的平均粒径为20μm；所述聚乙烯醇纤维为密度1.3g/cm³、当量直径30~40μm、长度12mm、极限抗拉强度≥1250MPa、极限延伸率8~12%、弹性模量38.0GPa的聚乙烯醇短切纤维。

3.一种制备权利要求1或2所述高抗裂低收缩高延性砂浆的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： 

第一步，将准确称量的水泥、粉煤灰、细集料、石灰石粉、增稠剂倒入搅拌机，干拌2~3min，得到混合均匀的干粉；然后将溶有减水剂的80~90%水量加入所述干粉中，湿拌2~3min后形成浆体；

第二步，将经人工预分散的聚乙烯醇纤维加入所述第二步中制备得到的浆体中，湿拌4~5min使聚乙烯醇纤维在浆体中均匀分散；

第三步，将剩余的溶有减水剂的水加入浆体中，搅拌2~3min后得到的均匀浆体即为高抗裂低收缩高延性砂浆。

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