CN103664011A - 一种水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种水泥基复合材料及其制备方法 Download PDF

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何玉鑫
万建东
唐绍林
瞿县
唐永波
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Abstract

本发明公开了一种水泥基复合材料及其制备方法,包括主料和辅料,主料包括普通硅酸盐水泥和矿物掺合料,辅料包括石膏晶须和晶须改性剂;通过脱硫石膏制备石膏晶须悬浮液,将普通硅酸盐水泥和矿物掺合料复配,得到主料,然后将石膏晶须悬浮液按照一定的比例倒入主料中,然后搅拌均匀,得到高强度的水泥基复合材料;通过微米级规格的石膏晶须,使大多数没有参与水化的石膏晶须紧紧穿插在水泥中,通过裂纹桥接作用增加韧性;在碱性环境下,石膏晶须可以逐渐水化并促进水泥水化,水化的石膏晶须参与水泥水化反应生成AFt,提高体系强度。

Description

一种水泥基复合材料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种建筑材料,特别涉及一种高强度的水泥基复合材料及其制备方法。
背景技术
[0002] 超高性能水泥基复合材料是一般是指强度大于lOOMPa,具有良好的流动性能与工作性能的水泥基复合材料,在防护工程、民用高层建筑以及核废料处理等工程具有广阔的应用前景,但其致命点是强度不高,脆性大,这增加了建筑结构安全隐患,同时限制了其广泛的应用。通过掺入钢纤维、碳纤维和聚丙烯纤维等虽可以显著增加其韧性,但往往需要复配超细矿渣、粉煤灰和钢渣等,甚至添加一些早强剂和减水剂,否则无法达到超高性能水泥基复合材料的高强度和流动性要求,这样就极大的增加了生产的成本。工业副产石膏是石膏可再生资源,对其综合利用,有利于环境保护、节约能源和自然资源,符合我国可持续发展战略要求。高附加值石膏晶须集增强纤维和超细无机填料二者的优势于一体,具有优良的力学性能、良好的相容性、优良的平滑性,再生性能好,毒性低,可广泛用于高分子材料、建筑领域、造纸、摩擦材料和其他新兴领域。
发明内容
[0003] 针对上述现有技术的不足之处,本发明解决的问题是提供了一种强度高、韧性强且成本低的水泥基复合材料。
[0004] 本发明的技术方案为:
一种水泥基复合材料,包括主料和辅料,主料包括普通硅酸盐水泥和矿物掺合料,辅料包括石膏晶须和晶须改性剂;主料中,矿物掺合料的质量分数为O~20%,普通硅酸盐水泥的质量分数为80%~100% ;石膏晶须占主料的质量分数为:1%~4% ;晶须改性剂占石膏晶须的质量分数为:0.01%~3%;所述石膏晶须的直径为I~4um,长度为150~200um。
[0005] 进一步,所述的矿物掺合料为粉煤灰、矿渣或钢渣中任意一种。
[0006] 进一步,所述的晶须改性剂为EDTA、十二烷基硫酸钠、尿素、三聚磷酸钠、硫酸铝、油酸钠、磷酸钠、丙三醇、硬脂酸钠、柠檬酸和MgCl2、柠檬酸钠、钛酸酯和硅烷偶联剂中的一种或几种。
[0007] 一种水泥基复合材料的制备方法:将脱硫石膏加入到盛有水的反应釜中,控制脱硫石膏和水的质量分 数比为:0.025:1~0.1:1 ;采用水热法,控制温度为110~200°C、压力为0.15~0.30MPa,反应时间为0.5~10h、反应釜内搅拌器的转速为100r/min~600r/min ;在制备的过程中,当脱硫石膏转化为针状时,加入晶须改性剂;制备完成后即得到均匀的石膏晶须悬浮液;所述的悬浮液中石膏晶须和水的质量分数比为:0.025:1~0.1:1 ;
将普通硅酸盐水泥和矿物掺合料复配,得到主料,将石膏晶须悬浮液加入到主料中,均匀搅拌,搅拌时间为6~20min ;控制主料和石膏晶须悬浮液中水的质量比为5:2,即得所述的水泥基复合材料。[0008] 本发明的有益效果为:
(I)本发明中,通过一系列的步骤制备得到石膏晶须悬浮液,石膏晶须的规格为:直径为I~4um,长度为150~200um。由于这种石骨晶须的微米级规格,使大多数没有参与水化的石膏晶须紧紧穿插在水泥中,通过裂纹桥接作用增加韧性。在碱性环境下,石膏晶须可以逐渐水化并促进水泥水化,水化的石膏晶须参与水泥水化反应生成AFt,提高体系强度。
[0009] (2)从实施例的性能表可以看出,随着石膏晶须从0%到4%的增加,石膏晶须可以提高所述水泥基复合材料的强度和韧性,所述水泥基复合材料7d最高抗压强度、抗折强度和抗冲击功为74.4MPa、10.1MPa和950J.m-2,365d最高抗压强度、抗折强度和抗冲击功为126.6MPa、12.8MPa和1230J.m-2 ;远远超过未掺石膏晶须时的强度和韧性。
[0010] (3)本发明所述的高强度水泥基复合材料,不需要添加任何早强剂和选择超细的矿物掺合料,可以有效提高材料的强度、韧性,极大的降低了成本。
[0011] (4)从实施例的性能表可以看出,粉煤灰、矿渣和钢渣的掺入可保证水泥基复合材料的强度,有效降低水泥的用量和有利于降低生产成本和保护环境。同时,掺入少掺量微米级石膏晶须可有效提高早期强度和韧性,后期抗压强度均能达到IOOMPa以上。
[0012] (5)利用水热法制备石膏晶须悬浮液,将其直接掺入到水泥基材料中,可避免污染水资源、浪费电力,简化生产工艺。
具体实施方式
[0013] 实施例1:
本实施例的成分:包括主料和辅料,主料全部为普通硅酸盐水泥,辅料包括石膏晶须和尿素。尿素占石膏晶须的质量分数为:0.08%;本实施例中的表格分别给出了石膏晶须占主料质量分数为时,所述水泥基复合材料的各项性能参数。另外还给出了不加入石膏晶须时所述水泥基复合材料的各项性能参数。
[0014] 本实施例的制备方法为:将脱硫石膏加入到盛有水的反应釜中,控制脱硫石膏和水的质量分数比分别为:0.025:U0.05:U0.75:1、0.1:1 ;采用水热法,控制温度为150°C、压力为0.2MPa,反应时间为2h、反应釜内搅拌器的转速为200r/min ;在制备的过程中,当脱硫石膏转化为针状时,加入尿素;制备完成后即得到均匀的石膏晶须悬浮液;所述的石膏晶须悬浮液中,石膏晶须和水的质量分数比为:0.025:U0.05:U0.75:1、0.1:1。将普通硅酸盐水泥和矿物掺合料复配,得到主料,将石膏晶须悬浮液加入到主料中,均匀搅拌,搅拌时间为8min ;控制主料和石膏晶须悬浮液中水的质量比为5:2,即得所述的水泥基复合材料。
[0015] 如上所述,本实施例做了 5组实验,由于石膏晶须占主料质量分数分别为1%、
以及主料和石膏晶须悬浮液中水的质量分数比为5:2,从而控制所述悬浮液中石膏晶须和水的质量分数比为:0.025:U0.05:U0.75:1、0.1:1。另添加一组没有掺石膏晶须的对比组。
Figure CN103664011AD00051
[0016] 实施例2:
本实施例的成分:包括主料和辅料,主料包括90%普通硅酸盐水泥和10%粉煤灰,辅料包括石膏晶须和油酸钠。油酸钠占石膏晶须的质量分数为:0.6% ;本实施例中的表格分别给出了石膏晶须占主料质量分数为1%、2%、3%、4%时,所述水泥基复合材料的各项性能参数。另外还给出了不加入石膏晶须时所述水泥基复合材料的各项性能参数。
[0017] 本实施例的制备方法为:将脱硫石膏加入到盛有水的反应釜中,控制脱硫石膏和水的质量分数比分别为:0.025:U0.05:U0.75:1、0.1:1 ;采用水热法,控制温度为165°C、压力为0.23MPa,反应时间为2.5h、反应釜内搅拌器的转速为250r/min ;在制备的过程中,当脱硫石膏转化为针状时,加入油酸钠;制备完成后即得到均匀的石膏晶须悬浮液;所述的石膏晶须悬浮液中,石膏晶须和水的质量分数比为:0.025:1、0.05:1、0.75:1、0.1:
I。将普通硅酸盐水泥和矿物掺合料复配,得到主料,将石膏晶须悬浮液加入到主料中,均匀搅拌,搅拌时间为8min ;控制主料和石膏晶须悬浮液中水的质量比为5:2,即得所述的水泥基复合材料。
[0018] 如上所述,本实施例做了 5组实验,由于石膏晶须占主料质量分数分别为1%、
以及主料和石膏晶须悬浮液中水的质量分数比为5:2,从而控制所述悬浮液中石膏晶须和水的质量分数比为:0.025:U0.05:U0.75:1、0.1:1。另添加一组没有掺石膏晶须的对比组。
Figure CN103664011AD00052
[0019] 实施例3:本实施例的成分,包括主料和辅料,主料包括85%普通硅酸盐水泥和15%矿渣,辅料包括石膏晶须和硬脂酸钠。硬脂酸钠占石膏晶须的质量分数为:0.6% ;本实施例中的表格分别给出了石膏晶须占主料质量分数为1%、2%、3%、4%时,所述水泥基复合材料的各项性能参数。另外还给出了不加入石膏晶须时所述水泥基复合材料的各项性能参数。
[0020] 本实施例的制备方法为:将脱硫石膏加入到盛有水的反应釜中,控制脱硫石膏和水的质量分数比分别为:0.025:U0.05:U0.75:1、0.1:1 ;采用水热法,控制温度为174°C、压力为0.28MPa,反应时间为3.0h、反应釜内搅拌器的转速为300r/min ;在制备的过程中,当脱硫石膏转化为针状时,加入硬脂酸钠;制备完成后即得到均匀的石膏晶须悬浮液。所述的石膏晶须悬浮液中,石膏晶须和水的质量分数比为:0.025:1、0.05:1、0.75:1、
0.1:1。将普通硅酸盐水泥和矿物掺合料复配,得到主料,将石膏晶须悬浮液加入到主料中,均匀搅拌,搅拌时间为8min ;控制主料和石膏晶须悬浮液中水的质量比为5:2,即得所述的水泥基复合材料。
[0021] 如上所述,本实施例做了 5组实验,由于石膏晶须占主料质量分数分别为1%、
以及主料和石膏晶须悬浮液中水的质量分数比为5:2,从而控制所述悬浮液中石膏晶须和水的质量分数比为:0.025:U0.05:U0.75:1、0.1:1。另添加一组没有掺石膏晶须的对比组。
[0022]
Figure CN103664011AD00061
本实施例的成分,包括主料和辅料,主料包括80%普通硅酸盐水泥和20%钢渣,辅料包括石膏晶须和丙三醇。丙三醇占石膏晶须的质量分数为:1.2% ;本实施例中的表格分别给出了石膏晶须占主料质量分数为I %、2%、3%、4%时,所述水泥基复合材料的各项性能参数。另外还给出了不加入石膏晶须时所述水泥基复合材料的各项性能参数。
[0023] 本实施例的制备方法为:将脱硫石膏加入到盛有水的反应釜中,控制脱硫石膏和水的质量分数比分别为:0.025:U0.05:U0.75:1、0.1:1 ;采用水热法,控制温度为200°C、压力为0.3MPa,反应时间为5.5h、反应釜内搅拌器的转速为450r/min ;在制备的过程中,当脱硫石膏转化为针状时,加入丙三醇;制备完成后即得到均匀的石膏晶须悬浮液;所述的石膏晶须悬浮液中,石膏晶须和水的质量分数比为:0.025:1、0.05:1、0.75:1、0.1:
1。将普通硅酸盐水泥和矿物掺合料复配,得到主料,将石膏晶须悬浮液加入到主料中,均匀搅拌,搅拌时间为8min ;控制主料和石膏晶须悬浮液中水的质量比为5:2,即得所述的水泥基复合材料。[0024] 如上所述,本实施例做了 5组实验,由于石膏晶须占主料质量分数分别为1%、以及主料和石膏晶须悬浮液中水的质量分数比为5:2,从而控制所述悬浮液中石膏晶须和水的质量分数比为:0.025:U0.05:U0.75:1、0.1:1。另添加一组没有掺石膏晶须的对比组。
Figure CN103664011AD00071

Claims (4)

1.一种水泥基复合材料,其特征在于,包括主料和辅料,主料包括普通硅酸盐水泥和矿物掺合料,辅料包括石膏晶须和晶须改性剂;主料中,矿物掺合料的质量分数为O~20%,普通硅酸盐水泥的质量分数为80%~100%;石膏晶须占主料的质量分数为:1%~4%;晶须改性剂占石膏晶须的质量分数为:0.01%~3%;所述石膏晶须的直径为I~4um,长度为150 ~200um。
2.根据权利要求1所述的水泥基复合材料,其特征在于,所述的矿物掺合料为粉煤灰、矿渣或钢渣中任意一种。
3.根据权利要求1所述的水泥基复合材料的制备方法,其特征在于,所述的晶须改性剂为EDTA、十二烷基硫酸钠、尿素、三聚磷酸钠、硫酸铝、油酸钠、磷酸钠、丙三醇、硬脂酸钠、柠檬酸和MgCl2、柠檬酸钠、钛酸酯和硅烷偶联剂中的一种或几种。
4.一种水泥基复合材料的制备方法,其特征在于,将脱硫石膏加入到盛有水的反应釜中,控制脱硫石膏和水的质量分数比为:0.025:1~0.1:1 ;采用水热法,控制温度为110~200°C、压力为0.15~0.30MPa,反应时间为0.5~10h、反应釜内搅拌器的转速为IOOr/min~600r/min ;在制备的过程中,当脱硫石骨转化为针状时,加入晶须改性剂;制备完成后即得到均匀的石膏晶须悬浮液;所述的悬浮液中石膏晶须和水的质量分数比为:0.025:I ~0.1:1 ; 将普通硅酸盐水泥和矿物掺合料复配,得到主料,将石膏晶须悬浮液加入到主料中,均匀搅拌,搅拌时间为6~20min ;控制主料和石膏晶须悬浮液中水的质量比为5:2,即得所述的水泥基复合材料。
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