CN103664069A - 一种喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料 - Google Patents

一种喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料及其制备方法，属于建筑材料技术领域。其配方比例按重量份计：包括水泥19-36份、橡胶粉1.9-5.7份、粉煤灰11-40份、河砂12-35份、水9.5-18份、速凝剂1-2.2份、减水剂0.19-0.7份，可再分散乳胶粉1.0-1.5份，PVA纤维0.8-2份。通过一次搅拌、二次搅拌和终凝得到产品喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料。本发明制备的产品成本低、加工简单、对加工工艺及操作环境要求较低、力学性能稳定。

Description

一种喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料
技术领域
本发明涉及一种用于铁路公路隧道、矿山巷道支护等工程的纤维增强水泥基复合材料及其制备方法，特别是涉及一种喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料及其制备方法，属于建筑材料技术领域。
背景技术
高延性纤维混凝土材料理论最早是由美国University of Michigan的Victor C. Li教授和Massachusetts Institute of Technology的Christopher K. Y. Leung教授于1992年提出来的，最早是试图用聚乙烯纤维（Polyethylene，简称PE）来解决水泥基复合材料的增强、增韧问题。1997年Victot. C. Li 等人开始将PVA用于ECC，制成了聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol ,简称PVA)纤维增强水泥基复合材料。PVA纤维亲水、无毒、环保，其成本是等体积高弹模PE 纤维的1/ 8且明显低于钢纤维, 高强、高弹PVA 纤维的抗拉强度和弹性模量都高于聚丙烯(Polypropy­-lene,简称PP) 纤维。
我国研究人员对高性能纤维水泥基复合材料进行了进一步的研究开发，例如，公成旭、张君在题为《高韧性纤维增强水泥基复合材料的抗拉性能》的文章中报道了高韧性聚乙烯醇纤维(PVA)增强水泥基复合材料的配合比、制备过程以及拉伸力学性能，其特征在于：以纤维掺量和砂胶比为基本设计参数，通过调整水胶比和粉煤灰掺量来研究其性能；沈阳美洋建设项目管理有限公司的俞家欢在2012年申请了专利（201010010157.4）“一种强韧性聚丙烯纤维增强水泥基复合材料及其制备方法”，其专利特征在于：采用了两种化学添加剂：增稠剂、超塑剂，并调整了增稠剂的添加量。上述制备方案中给出的纤维增强水泥基复合材料虽然都得到了应变硬化现象以及复合开裂效果，但都是采用模注施工方法。2012年3月14日东南大学的钱吮智、张志刚、赵婷、孙佳、崔凯、吴进、章静然申报了专利（201210066241. 7）“高延性水泥基复合材料预拌方法”，该发明提供了高延性水泥基复合材料预拌技术，主要是在在大型搅拌站/楼/机中，对加入的水泥、粉煤灰、纤维、石英砂和粉状高效减水剂等进行搅拌，使得各组分混合均匀，运到施工现场加水搅拌，模注施工。
深部开采巷道支护一直是国内外采矿界公认的难题之一。由于开采深度增加，地应力逐渐增大，若不采取适当的支护方式，巷道围岩变形更加剧烈、支护也更加困难，变形的累积将导致巷道失稳破坏。因此研究高强、高韧性的ECC复合材料(抗压强度为40MPa左右，弯曲韧性μ30 为30以上)支护的课题被提了出来。在目前的支护方式下，巷道在服务期内屡遭破坏，而需多次翻修（据江苏大屯矿区，安徽淮北矿区统计，每米巷道每年的修复费就需要2000元以上），全国深部开采巷道每年的修复费高达36亿元以上，这严重影响了矿井
正常生产和企业的经济发展，深井巷道支护是煤炭开采需要解决的关键技术之一。
2009年本项目申请组毕远志、张大林、姜勇、华渊、姜晨光等人完成了与皖北煤电集团公司合作的“纤维混凝土在软岩巷道支护的研究项目”。对改性聚丙烯（粗）纤维混凝土在煤矿埋深620 m的软岩巷道进行了纤维混凝土支护研究，取得了科研成果。在2009年完成了“孔庄煤矿深部巷道纤维混凝土支护应用技术的研究”，课题申请人毕远志等将科研成果发表在《煤炭学报》2010年第12期上，“高韧性纤维混凝土在深部软岩巷道支护中的应用”等3篇论文；3篇论文对改性聚丙烯（粗）和混杂纤维混凝土增强增韧特性及在深井支护中的应用进行了研究，取得了一些科研成果，为本发明奠定了理论基础和实践经验。上述研究课题提出了将高延性PVA纤维与粉煤灰等其他添加剂掺加到水泥基材料中形成高延性的材料，通过喷射工艺使这种水泥基复合材料在地下空间围岩表面成形的制备方法，通过喷射工艺完成对深井地下空间的支护。
江南大学毕远志课题组2012年9月在上海能源大屯煤电集团公司孔庄煤矿-1050水平大巷进行了喷射型PVA（聚乙烯醇纤维）纤维混凝土的试验，取得了非常好的支护效果，图1为大板取样力学特性检测。
从图1可以看出高延性复合水泥基复合材料具有以下特性：
（1）应变硬化特性，不同于金属材料的冷拉时效，高延性复合水泥基复合材料的应变硬化过程伴随着多裂缝的开展，外力消失后，裂缝自然合拢，是一个损伤累积的过程，因此也被称为准应变硬化。
（2）应变硬化是在受拉情况下的应变硬化。一些纤维体积掺率较大的混凝土在弯曲荷载作用下也呈现出应变硬化的特性，但在直接拉伸荷载作用下仍表现为应变软化。
（3）普通纤维混凝土（FRC）中掺入的纤维虽然能有效提高断裂韧性，但材料开裂后皆会被拉断或以较小的黏结应力从基体中拔出，荷载也会随之突然降低。ECC中纤维在开裂后能有效桥接裂缝、承担荷载并随多裂缝开展逐渐从基体中拔出，在此过程中荷载反而有所提高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种成本低、加工简单、对加工工艺及操作环境要求较低、力学性能稳定、高延性的喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料及其制备方法。
按照本发明提供的技术方案，一种喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料，按重量份计配方比例为：水泥19-36份、橡胶粉1.9-5.7份、粉煤灰11-40份、河砂12-35份、水9.5-18份、速凝剂1-2.2份、减水剂0.19-0.7份，可再分散乳胶粉1.0-1.5份，PVA纤维0.8-2份。
速凝剂为环保型无碱液体速凝剂。可再分散乳胶粉为乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物。所述减水剂为萘系高效减水剂或者聚羧酸系高性能减水剂。
所述喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料，按重量份计配方比例为：水泥23份、橡胶粉2.5份、粉煤灰31份、河砂26.8份，水12份、速凝剂1.5份、减水剂0.5份、可再分散乳胶粉1.2份、PVA纤维1.5份。
所述PVA纤维直径为39μm，长度为6-12mm。
所述喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）一次搅拌：取粉煤灰11-40份、橡胶粉1.9-5.7份、PVA纤维0.8-2份和可再分散乳胶粉1.0-1.5份，在单卧轴无重力搅拌机进行搅拌，其带飞刀可打散PVA纤维，在搅拌筒内匀速搅拌2-3分钟，直至这四种基材搅拌均匀为止；将搅拌好的料装袋得到袋装混合料，运到施工现场待用；
（2）二次搅拌：取步骤（1）搅拌完毕的袋装混合料，添加入水泥19-36份和河砂12-35份，放入双卧轴强制式搅拌机内进行干搅拌1-3分钟后，加入水9.5-18份，继续搅拌1-3分钟，最后加入减水剂0.19-0.7份，搅拌2-3分钟，直至基材搅拌均匀，输送到湿喷机；
（3）终凝：在湿喷机的喷枪处将速凝剂1-2.2份添加到湿料内，混合料从喷枪喷射到岩壁上，在5分钟内初凝，在12分钟内终凝，最终得到产品喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料。
所述河砂细度模数M为2.5-2.8。
本发明的有益效果：
1、分散性、相容性、亲水性、耐酸碱性好：聚乙烯醇纤维在砂浆、混凝土中分散性很好，不会因为纤维过细或过长而造成拌合时结团；与硅酸盐水泥有很好的相容性；亲水性好，使纤维能均匀分布在水泥基质中；耐酸碱性好，能适用于各种等级的水泥。
2、对加工工艺及操作环境要求较低：在对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料进行制备时，在室温下即可进行，对加工工艺及操作环境要求较低，而且操作更为简便。
3、力学性能稳定：聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料成品后，力学性能也较稳定，不会出现同配比下力学性能相差较多的情况。
4、高强高弹模，韧性好：聚乙烯醇纤维机械性能良好，可提高建筑材料的韧性和抗冲击强度，抗弹性疲劳也可以提高，且可以防止龟裂；抗拉强度和弹性模量高，是聚丙烯纤维的2倍多，这样更充分加大了材料的抗拉强度，相应地减少了材料的开裂，耐久性随之提高。
5、安全、经济、耐久的巷道支护材料：在上海能源大屯煤电集团公司孔庄煤矿等巷道支护中发挥了良好的作用，巷道安全性提高，大幅降低了巷道维护费用。
附图说明
图1是喷射高延性材料加载力—位移曲线。
图2是本发明工艺流程图。
注：1代表无重力干粉搅拌机，2代表单卧轴搅拌机。
具体实施方式
实施例中的环保型无碱液体速凝剂购自巴斯夫化学建材（中国）有限公司，具体型号为Meyco SA 160型速凝剂；或采用购自郑州市兰瑞工程材料有限公司的型号为Swjy液态速凝剂、江苏苏博特新材料股份有限公司生产的环保型无碱液体速凝剂。
减水剂购自江苏苏博特新材料股份有限公司，型号为SBTJM®-B萘系高效减水剂和SBTJM®-A萘系高效减水剂或者型号为PCA®-Ⅰ或PCA®-V的聚羧酸系高性能减水剂，或购自巴斯夫化学建材（中国）有限公司，型号为Rb1100萘系减水剂或者Rheoplus 26聚羧酸系减水剂；或购自郑州市兰瑞工程材料有限公司生产的Jssy聚羧酸系高性能减水剂或者FDN萘系高效减水剂。
实施例1
所述喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）一次搅拌：取粉煤灰11份、橡胶粉1.9份、PVA纤维0.8份和可再分散乳胶粉1.0份，在单卧轴无重力搅拌机进行搅拌，其带飞刀可打散PVA纤维，在搅拌筒内匀速搅拌2-3分钟，直至这四种基材搅拌均匀为止；将搅拌好的料装袋得到袋装混合料，运到施工现场待用；
（2）二次搅拌：取步骤（1）搅拌完毕的袋装混合料，添加入水泥19份和河砂12份，放入双卧轴强制式搅拌机内进行干搅拌1分钟后，加入水9.5-18份，继续搅拌1分钟，最后加入减水剂0.19份，搅拌2分钟，直至基材搅拌均匀，输送到湿喷机；
（3）终凝：在湿喷机的喷枪处将速凝剂1份添加到湿料内，混合料从喷枪喷射到岩壁上，在5分钟内初凝，在12分钟内终凝，最终得到产品喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料。
速凝剂为环保型无碱液体速凝剂。可再分散乳胶粉为乙烯/醋酸乙烯酯的共聚物。所述减水剂为萘系高效减水剂或者聚羧酸系高性能减水剂。
实施例2
所述喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）一次搅拌：取粉煤灰40份、橡胶粉5.7份、PVA纤维2份和可再分散乳胶粉1.5份，在单卧轴无重力搅拌机，其带飞刀可打散PVA纤维，在搅拌筒内匀速搅拌3分钟，直至这四种基材搅拌均匀为止；将搅拌好的料装袋得到袋装混合料，运到施工现场待用；
（2）二次搅拌：取步骤（1）搅拌完毕的袋装混合料，添加入水泥36份和河砂35份，放入双卧轴强制式搅拌机内进行干搅拌3分钟后，加入水18份，继续搅拌3分钟，最后加入减水剂0.7份，搅拌3分钟，直至基材搅拌均匀，得到高延性水泥基复合材料湿料；
（3）终凝：取步骤（2）得到的搅拌完成的高延性水泥基复合材料湿料通过湿喷机喷射到岩壁上，并在喷枪处将速凝剂2.2份添加到湿料内，喷层在5分钟内初凝，在12分钟内终凝，最终得到产品喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料。
速凝剂为环保型无碱液体速凝剂。可再分散乳胶粉为乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物。所述减水剂为萘系高效减水剂或者聚羧酸系高性能减水剂。
实施例3
所述喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）一次搅拌：取粉煤灰20份、橡胶粉4份、PVA纤维1.5份和可再分散乳胶粉1.2份，在单卧轴无重力搅拌机，其带飞刀可打散PVA纤维，在搅拌筒内匀速搅拌3分钟，直至这四种基材搅拌均匀为止；将搅拌好的料装袋得到袋装混合料，运到施工现场待用；
（2）二次搅拌：取步骤（1）搅拌完毕的袋装混合料，添加入水泥22份和河砂31份，放入双卧轴强制式搅拌机内进行干搅拌3分钟后，加入水13份，继续搅拌2分钟，最后加入减水剂0.5份，搅拌3分钟，直至基材搅拌均匀，得到高延性水泥基复合材料湿料；
（3）终凝：取步骤（2）得到的搅拌完成的高延性水泥基复合材料湿料通过湿喷机喷射到岩壁上，并在喷枪处将速凝剂1.8份添加到湿料内，喷层在5分钟内初凝，在12分钟内终凝，最终得到产品喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料。
速凝剂为环保型无碱液体速凝剂。可再分散乳胶粉为乙烯/醋酸乙烯酯的共聚物。所述减水剂为萘系高效减水剂或者聚羧酸系高性能减水剂。

Claims (8)

1. 一种喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料，其特征是：按重量份计配方比例为：水泥19-36份、橡胶粉1.9-5.7份、粉煤灰11-40份、河砂12-35份、水9.5-18份、速凝剂1-2.2份、减水剂0.19-0.7份，可再分散乳胶粉1.0-1.5份，PVA纤维0.8-2份。
2.根据权利要求1所述喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料，其特征是：速凝剂为环保型无碱液体速凝剂。
3.根据权利要求1所述喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料，其特征是：可再分散乳胶粉为乙烯/醋酸乙烯酯的共聚物。
4.根据权利要求1所述喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料，其特征是：所述减水剂为萘系高效减水剂或者聚羧酸系高性能减水剂。
5.根据权利要求1所述喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料，其特征是按重量份计配方比例为：水泥23份、橡胶粉2.5份、粉煤灰31份、河砂26.8份，水12份、速凝剂1.5份、减水剂0.5份、可再分散乳胶粉1.2份、PVA纤维1.5份。
6.根据权利要求1所述喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料，其特征是：所述PVA纤维直径为39μm，长度为6-12mm。
7.根据权利要求1喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料的制备方法，其特征是步骤如下：
（1）一次搅拌：取粉煤灰11-40份、橡胶粉1.9-5.7份、PVA纤维0.8-2份和可再分散乳胶粉1.0-1.5份，在单卧轴无重力搅拌机进行搅拌，其带飞刀可打散PVA纤维，在搅拌筒内匀速搅拌2-3分钟，直至这四种基材搅拌均匀为止；将搅拌好的料装袋得到袋装混合料，运到施工现场待用；
（2）二次搅拌：取步骤（1）搅拌完毕的袋装混合料，添加入水泥19-36份和河砂12-35份，放入双卧轴强制式搅拌机内进行干搅拌1-3分钟后，加入水9.5-18份，继续搅拌1-3分钟，最后加入减水剂0.19-0.7份，搅拌2-3分钟，直至基材搅拌均匀，输送到湿喷机；
（3）终凝：在湿喷机的喷枪处将速凝剂1-2.2份添加到湿料内，混合料从喷枪喷射到岩壁上，在5分钟内初凝，在12分钟内终凝，最终得到产品喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料。
8.如权利要求7所述喷射型高延性纤维增强水泥基复合材料的制备方法，其特征是：所述河砂细度模数M为2.5-2.8。
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