CN103664070B - 一种喷射型混杂改性pp纤维增强水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种喷射型混杂改性PP纤维增强水泥基复合材料及其制备方法。其配方比例按重量份计：包括水泥19-36份、硅粉0.5-3份、河砂12-40份、石子10-35份、水7-18份、速凝剂0.5-2.2份、改性PP粗纤维0.07-1.5份、改性PP细纤维0.02-0.5份。还包括减水剂0.1-0.8份。其通过一次搅拌、二次搅拌和终凝得到产品喷射型混杂改性PP纤维增强水泥基复合材料。本发明制备得到的产品成本低、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
技术领域
本发明涉及一种用于矿山巷道、铁路公路隧道、地铁隧道等软岩支护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混杂改性PP(粗)纤维增强水泥基复合材料及其制备方法。
背景技术
纤维混凝土材料理论最早是由美国UniversityofMichigan的VictorC.Li教授和MassachusettsInstituteofTechnology的ChristopherK.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(PolyvinylAlcohol，简称PVA)纤维增强水泥基复合材料。
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PP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。
软岩巷道和深部开采巷道支护一直是国内外采矿界公认的难题之一。他们共同拥有围岩变形大、应力大的特点，特别是深井开采由于开采深度增加，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、高韧性的水泥基复合材料(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PP(粗)纤维混凝土在煤矿埋深620m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PP(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改性PP(粗)纤维与硅粉等其他添加剂掺加到水泥基材料中，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。
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、力学性能稳定的喷射型混杂改性PP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，一种喷射型混杂改性PP纤维增强水泥基复合材料，配方比例按重量份计如下：水泥19-36份、硅粉0.5-3份、河砂12-40份、石子10-35份、水7-18份、速凝剂0.5-2.2份、改性PP粗纤维0.07-1.5份、改性PP细纤维0.02-0.5份。
还包括减水剂0.1-0.8份。
所述速凝剂为环保型无碱液体速凝剂或者粉状速凝剂。所述河砂的细度模数M为2.5-32。所述石子的粒径为5-10mm。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。
所述改性PP粗纤维的当量直径为0.5-1.0mm，长度为25-35mm，抗拉强度400-750MPa，极限拉伸率6％-18％；改性PP细纤维的当量直径为15-25μm，长度12-19mm，抗拉强度400-750MPa，极限拉伸率6％-18％。
所述喷射型混杂改性PP纤维增强水泥基复合材料，配方比例按重量份计如下：水泥24份、硅粉1.2份、河砂35份、石子27.5份、水11份、改性PP粗纤维0.22份、改性PP细纤维0.08份、速凝剂1份。
所述喷射型混杂改性PP纤维增强水泥基复合材料，配方比例按重量份计如下：水泥30份、硅粉1.5份、河砂32份、石子25份、水9.4份、减水剂0.3份、改性PP粗纤维0.22份、改性PP细纤维0.08份、速凝剂1.5份。
所述喷射型混杂改性PP纤维增强水泥基复合材料，配方比例按重量份计如下：水泥20份、硅粉1份、河砂38.7份、石子29.5份、水9.6份、改性PP粗纤维0.23份、改性PP细纤维0.07份、速凝剂0.9份。
所述喷射型混杂改性PP纤维增强水泥基复合材料，按重量份计制备步骤如下：
(1)一次搅拌：取河砂12-40份、石子10-35份、改性PP粗纤维0.07-1.5份、改性PP细纤维0.02-0.5份加入搅拌机内进行干搅拌，搅拌时间为2-3分钟，直至这四种基材搅拌均匀；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)所得的袋装混合料，加入水泥19-36份、硅粉0.5-3份、粉状速凝剂0.5-2.2份，送进螺旋式上料机(具有上料、拌料的双重功能)，同时将总水量10％～15％的水加入混合料中，输送至潮喷机；
(3)终凝：在喷枪处将剩余的85％～90％的水添加到混合料内，水雾与在0.15-0.25MPa高压风中输送的混合料混合，从喷枪喷射到岩壁上，在4-6分钟内初凝，在10-14分钟内终凝，得到产品喷射型混杂改性PP纤维增强水泥基复合材料。
所述喷射型混杂改性PP纤维增强水泥基复合材料，按重量份计制备步骤如下：
(1)一次搅拌：取河砂12-40份、石子10-35份、改性PP粗纤维0.07-1.5份、改性PP细纤维0.02-0.5份加入搅拌机内进行干搅拌，搅拌时间为2-3分钟，直至这四种基材搅拌均匀；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)所得的袋装混合料，加入水泥19-36份、硅粉0.5-3份，送进卧式强制式搅拌机，干搅拌1-3分钟后，加入水7-18份，混合1-3分钟后，再加入减水剂0.1-0.8份，搅拌1-2分钟，输送至湿喷机；
(3)终凝：在湿喷机的喷枪处添加入速凝剂0.5-2.2份，在4-6分钟内初凝，在10-14分钟内终凝，得到产品喷射型混杂改性PP纤维增强水泥基复合材料。
本发明的有益效果：
1、原料易得、成本低：改性PP(粗)纤维和改性PP细纤维在国内即可买到，价格低廉，使成品的成本降低；
2、对加工工艺及操作环境要求较低：在对混杂改性PP(粗)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：混杂改性PP(粗)纤维增强水泥基复合材料力学性能也较稳定，不会出现同配比下力学性能相差较多的情况；粗纤维起到微筋材的作用，细纤维可有效抑制微裂缝的出现，提高韧性，改善混凝土微观结构；
4、安全、经济、耐久的巷道支护材料：在安徽皖北煤电公司任楼煤矿、河南车集煤矿、上海能源大屯煤电公司孔庄煤矿、河南永煤集团城郊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是本发明潮喷工艺流程图。
图2是本发明湿喷工艺流程图。
附图标记说明：注：1代表搅拌机，2代表卧式强制式搅拌机。
具体实施方式
实施例中的速凝剂购自巴斯夫化学建材(中国)有限公司，具体型号为MeycoSA160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；或者采用购自淮北煤矿新型建筑材料总厂生产的J85型和8604型粉状速凝剂；或者采用购自山东中煤工矿物资有限公司生产的TK-782型粉状速凝剂。
减水剂购自江苏苏博特新材料股份有限公司，型号为萘系高效减水剂和萘系高效减水剂或者型号为或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Rheoplus26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
所述喷射型混杂改性PP纤维增强水泥基复合材料，配方比例按重量份计如下：水泥24份、硅粉1.2份、河砂35份、石子27.5份、水11份、改性PP粗纤维0.22份、改性PP细纤维0.08份、速凝剂1份。
所述喷射型混杂改性PP纤维增强水泥基复合材料按重量份计步骤如下：
(1)一次搅拌：取河砂、石子、改性PP粗纤维、改性PP细纤维加入搅拌机内进行干搅拌，搅拌时间为2分钟，直至这四种基材搅拌均匀；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)所得的袋装混合料，加入水泥、硅粉、速凝剂，送进螺旋式上料机(具有上料、拌料的双重功能)，同时将重量配比为1％的水加入混合料中，输送至潮喷机；
(3)终凝：在喷枪处将重量配比为10％的水添加到混合料内，水雾与在0.25MPa高压风中输送的混合料混合，从喷枪喷射到岩壁上，在4-6分钟内初凝，在10-14分钟内终凝，得到产品喷射型混杂改性PP纤维增强水泥基复合材料。
所述速凝剂为环保型无碱液体速凝剂或者粉状速凝剂。所述河砂的细度模数M为2.5-32。所述石子的粒径为5-10mm。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。
所述改性PP粗纤维的当量直径为1.0mm，长度为25mm，抗拉强度400-750MPa，极限拉伸率6％-18％；改性PP细纤维的当量直径为25μm，长度12mm，抗拉强度400-750MPa，极限拉伸率6％-18％。
实施例2
所述喷射型混杂改性PP纤维增强水泥基复合材料，配方比例按重量份计如下：水泥30份、硅粉1.5份、河砂32份、石子25份、水9.4份、减水剂0.3份、改性PP粗纤维0.22份、改性PP细纤维0.08份、速凝剂1.5份。
所述喷射型混杂改性PP纤维增强水泥基复合材料，按重量份计步骤如下：
(1)一次搅拌：取河砂、石子、改性PP粗纤维、改性PP细纤维加入搅拌机内进行干搅拌，搅拌时间为3分钟，直至这四种基材搅拌均匀；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)所得的袋装混合料，加入水泥、硅粉，送进卧式强制式搅拌机，干搅拌1分钟后，加入水，搅拌1.5-2.5分钟后，再加入减水剂，搅拌1-2分钟，输送至湿喷机；
(3)终凝：在湿喷机的喷枪处将速凝剂1.5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，得到产品喷射型混杂改性PP纤维增强水泥基复合材料。
所述速凝剂为环保型无碱液体速凝剂。所述河砂的细度模数M为2.5-3.2。所述石子的粒径为5-10mm。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。
所述改性PP粗纤维的当量直径为1.0mm，长度为25mm，抗拉强度400-750MPa，极限拉伸率6％-18％；改性PP细纤维的当量直径为25μm，长度12mm，抗拉强度400-750MPa，极限拉伸率6％-18％。
实施例3
所述喷射型混杂改性PP纤维增强水泥基复合材料，配方比例按重量份计如下：水泥20份、硅粉1份、河砂38.7份、石子29.5份、水9.6份、改性PP粗纤维0.23份、改性PP细纤维0.07份、速凝剂0.9份。
所述喷射型混杂改性PP纤维增强水泥基复合材料按重量份计步骤如下：
(1)一次搅拌：取河砂、石子、改性PP粗纤维、改性PP细纤维加入搅拌机内进行干搅拌，搅拌时间为2分钟，直至这四种基材搅拌均匀；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)所得的袋装混合料，加入水泥、硅粉、粉状速凝剂，送进螺旋式上料机(具有上料、拌料的双重功能)，同时将重量配比为1％的水加入混合料中，搅拌并输送至潮喷机；
(3)终凝：在喷枪处将重量配比为8.6％的水添加到混合料内，水雾与在0.15MPa高压风中输送的混合料混合，从喷枪喷射到岩壁上，在5分钟内初凝，在12分钟内终凝，得到产品喷射型混杂改性PP纤维增强水泥基复合材料。
所述速凝剂为环保型无碱液体速凝剂或者粉状速凝剂。所述河砂的细度模数M为2.5-3.2。所述石子的粒径为5-10mm。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。
所述改性PP粗纤维的当量直径为0.8mm，长度为30mm，抗拉强度400-750MPa，极限拉伸率6％-18％；改性PP细纤维的当量直径为20μm，长度15mm，抗拉强度400-750MPa，极限拉伸率6％-18％。
Claims (2)
1.一种喷射型混杂改性PP纤维增强水泥基复合材料的制备方法，其特征是：
所述水泥基复合材料的配方比例按重量份计如下：水泥19-36份、硅粉0.5-3份、河砂12-40份、石子10-35份、水7-18份、速凝剂0.5-2.2份、改性PP粗纤维0.07-1.5份及改性PP细纤维0.02-0.5份；
制备步骤如下：
（1）一次搅拌：取河砂12-40份、石子10-35份、改性PP粗纤维0.07-1.5份、改性PP细纤维0.02-0.5份加入搅拌机内进行干搅拌，搅拌时间为2-3分钟，直至这四种基材搅拌均匀；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）所得的袋装混合料，加入水泥19-36份、硅粉0.5-3份、粉状速凝剂0.5-2.2份，送进螺旋式上料机，同时将总水量10%～15%的水加入混合料中，输送到潮喷机；
（3）终凝：在喷枪处将剩余的85%～90%的水添加到混合料内，水雾与在0.15-0.25MPa高压风中输送的混合料混合，从喷枪喷射到岩壁上，在4-6分钟内初凝，在10-14分钟内终凝，得到产品喷射型混杂改性PP纤维增强水泥基复合材料；
所述速凝剂为环保型无碱液体速凝剂或者粉状速凝剂；所述河砂的细度模数M为2.5-3.2；所述石子的粒径为5-10mm；
所述改性PP粗纤维的当量直径为0.5-1.0mm，长度为25-35mm，抗拉强度400-750MPa，极限拉伸率6%-18%；
所述改性PP细纤维的当量直径为15-25μm，长度12-19mm，抗拉强度400-750MPa，极限拉伸率6%-18%。
2.如权利要求1所述一种喷射型混杂改性PP纤维增强水泥基复合材料的制备方法，其特征是：还包括减水剂0.1-0.8份；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。
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