CN104211316B - 一种丝瓜纤维增韧防裂砂浆、制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种丝瓜纤维在砂浆中的应用。本发明将丝瓜纤维添加到砂浆中，提高水泥砂浆的韧性和抗裂性能，降低干缩值，同时发挥丝瓜纤维的多孔状和连通孔道结构，具有保水贮水作用，还具有可为砂浆基体提供补偿早期干缩变形的必要水分的优势，并且，效果好，成本低，原料易得，同时生产工艺简单，易于推广实施。

Description

一种丝瓜纤维增韧防裂砂浆、制备方法及应用

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种丝瓜纤维在砂浆中的应用，同时涉及一种丝瓜纤维增韧防裂砂浆。

背景技术

建筑砂浆一般由水泥、砂、水组成，是一种脆性材料，抗压强度高、抗拉强度低和极限应变小，因此砂浆韧性差、易开裂。目前已有多种方法提高砂浆的早期抗裂性能，掺加合成纤维如PVA、聚丙烯纤维、碳纤维等是较为有效的方法。然而，这些合成纤维并不是环境友好的，而且很少考虑到其可持续发展性，如PVA和聚丙烯纤维的生产需要酚类化合物作为抗氧化剂和胺类作为抗紫外线稳定剂。寻找新的早期抗裂性能理想的砂浆是本领域技术人员一直研究的方向。

发明内容

本发明提供一种丝瓜纤维在砂浆中的应用，同时提供一种丝瓜纤维增韧防裂砂浆。

本发明采用以下技术方案：

丝瓜纤维在砂浆中的应用，砂浆的原料包括水泥、砂、微晶玻璃、水镁石、膨胀珍珠岩、增稠剂和水，丝瓜纤维按比例加入到砂浆中。

优选的，每立方米砂浆中添加300-900g丝瓜纤维。

另外，一种丝瓜纤维增韧防裂砂浆，1m³砂浆需要300-900g丝瓜纤维；砂浆的原料包括水泥、砂、微晶玻璃、水镁石、膨胀珍珠岩、增稠剂和水。

优选的，水泥、砂、微晶玻璃、水镁石、膨胀珍珠岩、增稠剂和水质量比为1∶1.5∶0.5∶0.6∶0.3∶0.003∶0.5～0.8，增稠剂采用纤维素醚类有机增稠剂。

在上述任一技术方案中优选的是，所述丝瓜纤维为改性丝瓜纤维，改性丝瓜纤维采用以下方法制得：将丝瓜瓤先剪成丝瓜段，将丝瓜段撕成单根的丝瓜丝，然后加入2-12％质量浓度LiOH溶液中，煮沸至100℃持续1-3h，然后用蒸馏水反复洗涤，直到用pH值试纸检测最后一次清洗液时，其pH值为7时为止，再将清洗好的丝瓜丝干燥，然后剪短成1～1.5cm即成改性丝瓜纤维。

在上述任一技术方案中优选的是，所述丝瓜纤维为改性丝瓜纤维，改性丝瓜纤维采用以下方法制得：将丝瓜瓤先剪成丝瓜段，将丝瓜段撕成单根的丝瓜丝，然后加入2-12％质量浓度NaOH溶液中，煮沸至100℃持续1-3h，然后用蒸馏水反复洗涤，直到用pH值试纸检测最后一次清洗液时，其pH值为7时为止，再将清洗好的丝瓜丝干燥，然后剪短成1～1.5cm即成改性丝瓜纤维。

在上述任一技术方案中优选的是，所述丝瓜纤维为改性丝瓜纤维，改性丝瓜纤维采用以下方法制得：将丝瓜瓤先剪成丝瓜段，将丝瓜段撕成单根的丝瓜丝，然后加入2-12％质量浓度KOH溶液中，煮沸至100℃持续1-3h，然后用蒸馏水反复洗涤，直到用pH值试纸检测最后一次清洗液时，其pH值为7时为止，再将清洗好的丝瓜丝干燥，然后剪短成1～1.5cm即成改性丝瓜纤维。

在上述任一技术方案中优选的是，所述丝瓜纤维为改性丝瓜纤维，改性丝瓜纤维采用以下方法制得：将丝瓜瓤先剪成丝瓜段，将丝瓜段撕成单根的丝瓜丝，然后加入2-12％质量浓度的KOH和10％质量浓度的H₂O₂的混合溶液中，煮沸至100℃持续1-3h，然后用蒸馏水反复洗涤，直到用pH值试纸检测最后一次清洗液时，其pH值为7时为止，再将清洗好的丝瓜丝干燥，然后剪短成1～1.5cm即成改性丝瓜纤维。

最后，制备所述丝瓜纤维增韧防裂砂浆的方法，包括以下步骤①将丝瓜纤维浸泡于水中，使其吸附最大量的水分成为饱和水丝瓜纤维；②先向一半量的水泥中加入一半量的砂搅拌均匀，加入饱和水丝瓜纤维；③在加入饱和水丝瓜纤维的过程中分批加入剩余的水泥和砂，同时加入微晶玻璃、水镁石、膨胀珍珠岩、增稠剂，搅拌使丝瓜纤维分散均匀，加入水，继续搅拌使丝瓜纤维进一步分散；所述微晶玻璃以下方法制得：将非晶玻璃原料混合后加入熔炉中，所述非晶玻璃中，以换算成氧化物的质量％计，含有的各成分为TiO₂成分和ZrO₂成分的总量为3.0～4.3％，P₂O₅成分与SiO₂成分的含量之比P₂O₅/SiO₂为0.1505～0.1720，P₂O₅成分与Al₂O₃成分的含量之比P₂O₅/Al₂O₃为0.330～0.390，并且SiO₂+Al₂O₃+P₂O₅＝86.0～89.0％，作为微晶玻璃的前体的非晶玻璃中所包含的OH分子的量为700ppm以下；在熔炉中以1400-1450℃熔融，澄清、均化后成型为理想的形状，然后以100℃/小时升温到550℃保温3小时，以100℃/小时升温到780℃保温2小时，热处理后即可获得所要的微晶玻璃。

丝瓜纤维采用以下方法制得：将丝瓜瓤先剪成丝瓜段，将丝瓜段撕成单根的丝瓜丝，丝瓜丝剪短成1～1.5cm即成。

丝瓜纤维优选采用改性丝瓜纤维，改性丝瓜纤维采用以下方法制得：将丝瓜瓤先剪成丝瓜段，将丝瓜段撕成单根的丝瓜丝，然后加入2-12％质量浓度LiOH溶液中，在100℃下煮沸2h，然后用蒸馏水反复洗涤，直到用pH值试纸检测最后一次清洗液时，其pH值为7时为止，再将清洗好的丝瓜丝在60℃下干燥6个小时，然后剪短成1～1.5cm即成改性丝瓜纤维。

微晶玻璃有微膨胀性弹性趋向，搅拌和粉刷时多余的水份有部分将被储存在晶粒内部的蜂窝状结构中，在后期水泥石硬化及强度发展过程中的一二年时期内不断释放出水份进行结构内在自身养护，微晶玻璃还会与水泥水化产生的活性氢氧化钙作用生成一定量的硅酸钙水化胶，增强结构力，阻止水份渗透，蜂窝状结构又使晶粒具有柔性，吸收应力稳定体积，降低收缩度，防止龟裂和冻胀损害。

本发明中增稠剂可以采用纤维素醚类有机增稠剂或者丙烯类有机增稠剂，用来在砂浆中进行保水增稠、改善施工性以及砂浆湿粘性等。

水镁石用以调节砂浆的凝结时间，并保证砂浆有良好的后期强度。

与现有技术相比，本发明具有积极有益的效果：

(1)丝瓜纤维具有质轻、价廉、可再生、分布广、自然可降解等特点，是一种环保友好型和可再生资源型纤维，丝瓜纤维在砂浆中的乱向不规则分布起到了连接的作用，有效防止和抑制了砂浆的离析倾向；

(2)丝瓜纤维内部呈现多孔状结构，而且是连通的孔道，如一根根水管并列排布，在砂浆中能够起到保水贮水作用，可为砂浆基体提供补偿早期干缩变形的必要水分；

(3)利用改性丝瓜纤维提高水泥砂浆的韧性和抗裂性能，降低干缩值，效果显著，其抗开裂性能比达90.6～98.1％。

本发明在砂浆中添加丝瓜纤维适用于砌体结构的砌筑砂浆和房屋墙体粉刷的找平抹灰层等建筑用砂浆。

具体实施方式

实施例1

一种丝瓜纤维增韧防裂砂浆，原料为1m³砂浆所用原料(水泥600kg，砂900kg，微晶玻璃300kg，水镁石360kg，膨胀珍珠岩180kg，增稠剂1.8kg，水300kg)和300g丝瓜纤维。

制备时，①将1～1.5cm的300g丝瓜纤维浸泡于水中，使其吸附最大量的水分成为饱和水丝瓜纤维；②先向300kg水泥中加入450kg砂搅拌均匀，慢慢散入饱和水丝瓜纤维，注意饱和水丝瓜纤维不要散在搅拌容器内壁上；③在加入饱和水丝瓜纤维的过程中分批加入剩余的水泥和砂，同时加入微晶玻璃、水镁石、膨胀珍珠岩、增稠剂，搅拌3分钟，使丝瓜纤维分散均匀，加入300kg水，继续搅拌3分钟，使丝瓜纤维进一步分散。

实施例2

一种丝瓜纤维增韧防裂砂浆，原料为1m³砂浆所用原料中水为480kg和900g丝瓜纤维，其余原料用量与实施例1相同。制备时的方法步骤与实施例1相同。

实施例3

一种丝瓜纤维增韧防裂砂浆，原料为1m³砂浆所用原料中水为300kg和500g丝瓜纤维，其余原料用量与实施例1相同。制备时的方法步骤与实施例1相同。

实施例1-3中的丝瓜纤维采用以下方法制得：将丝瓜瓤先剪成丝瓜段，将丝瓜段撕成单根的丝瓜丝，丝瓜丝剪短成1～1.5cm即成。

实施例4

一种丝瓜纤维增韧防裂砂浆，原料为1m³砂浆(水泥600kg，砂900kg，微晶玻璃300kg，水镁石360kg，膨胀珍珠岩180kg，增稠剂1.8kg，水300-480kg)和400-900g改性丝瓜纤维。

改性丝瓜纤维的制备：将丝瓜瓤先剪成丝瓜段，将丝瓜段撕成单根的丝瓜丝，然后加入2-12％质量浓度LiOH溶液中，在i00℃下煮沸2h，然后用蒸馏水反复洗涤，直到用pH值试纸检测最后一次清洗液时，其pH值为7时为止，再将清洗好的丝瓜丝在60℃下干燥6个小时，然后剪短成1～1.5cm即成改性丝瓜纤维。

制备时，①将1～1.5cm改性丝瓜纤维浸泡于水中，使其吸附最大量的水分成为饱和水改性丝瓜纤维；②先向300kg水泥中加入450kg砂搅拌均匀，慢慢散入饱和水改性丝瓜纤维，注意饱和水改性丝瓜纤维不要散在搅拌容器内壁上；③在加入饱和水改性丝瓜纤维的过程中分批加入剩余的水泥和砂，同时加入微晶玻璃、水镁石、膨胀珍珠岩、增稠剂，搅拌3分钟，使改性丝瓜纤维分散均匀，加入水，继续搅拌3分钟，使改性丝瓜纤维进一步分散。

实施例5

一种丝瓜纤维增韧防裂砂浆，用量和制备方法与实施例4相同，只是将2-12％质量浓度LiOH换成了2-12％质量浓度NaOH。

实施例6

一种丝瓜纤维增韧防裂砂浆，用量和制备方法与实施例4相同，只是将2-12％质量浓度LiOH换成了2-12％质量浓度KOH。

实施例7

一种丝瓜纤维增韧防裂砂浆，用量和制备方法与实施例4相同，只是将2-12％质量浓度LiOH换成了2-12％质量浓度的KOH和10％质量浓度的H₂O₂的混合溶液。

以上实施例中所用天然砂的堆积密度为1380kg/m³。

对照实例

普通砂浆，原料水泥600kg，砂900kg，微晶玻璃300kg，水镁石360kg，膨胀珍珠岩180kg，增稠剂1.8kg，水300kg，将其混匀，再加入水搅匀。

对上述实施例进行分析，具体如下。

未处理的丝瓜单纤维的表面呈现了水平层状结构，纵向的短纤维散随机分形成网格。丝瓜纤维内部呈现多孔结构，具有大孔直径12～20微米，形成了维管束并得到多通道分级孔隙体系。丝瓜纤维的纵截面是连续的像水管似的中空微通道。

用碱处理可去除丝瓜纤维的蜡质和胶状物质。由于除去了木质素和半纤维素，在碱处理的纤维表面上有许多刮痕以及小孔。结果表明，更大的碱度会导致更有效地除去蜡质和胶状物质。

1.测定丝瓜纤维的结晶度

扫描电子显微镜(SEM)的图像记录在JSM-6610LV扫描电子显微镜上。晶相结构通过使用Cu Kα辐射的Bruker D8 Advance型X射线衍射仪(XRD)测定。

X射线衍射法是一种直接测定纤维素的结晶度的技术。所测试的丝瓜纤维的结晶度指数是从X射线衍射图计算的。相应的公式如下面所示：

$I_{\mathrm{cr}}\%=\frac{I_{002}-I_{\mathrm{am}}}{I_{002}}\×100$

其中，I_cr是结晶度指数；I₀₀₂是晶峰(002)衍射的最大强度，2θ角在22°和23°之间；I_am是无定形材料的强度衍射，具有18°和19°之间的2θ角。

通过改变化学处理的条件，如碱的类型、碱处理的温度、处理的时间，碱的量和混合处理的类型等等，对不同的处理条件和结晶度指数之间的关系进行了研究。结果表明，所有经过处理的丝瓜纤维的X射线衍射峰具有比未处理的丝瓜纤维更高的强度，这表明用碱处理的结晶度指数提高了。我们从上述实施例中选取了14组数据，相应的结晶度指数列于表1中。我们可以从表中看到，在LiOH，NaOH和KOH中的结晶度指数依次变强。这可能是由于氢氧化钾的碱性在这三种碱中最强。这个结果并没有在相关的参考资料中报道。该数据显示，丝瓜纤维在处理温度100℃，时间2小时，质量分数10％的KOH或6％的KOH和10％H₂O₂的条件下，具有较高的结晶度。

表1 丝瓜纤维在不同处理条件下的结晶度指数

2.砂浆的抗裂性

根据水泥砂浆的试验方法JC/T951-2005对丝瓜纤维增韧防裂砂浆的抗开裂性进行测定。

开裂指数是由下式计算W＝∑(A_i×l_i)，其中W-开裂指数，mm；A_i-权重值；l_i-裂缝长度，mm。抗裂性比可使用下列公式计算：其中γ-抗裂性比，正值表示增加，负值表示减少，％；w₁-具有丝瓜纤维的砂浆平均开裂指数，mm；w_o-基准砂浆的平均开裂指数，单位是mm。

每一个测试龄期的样本干燥收缩值由下式计算：

${\mathrm{\ϵ}}_t=\frac{L_t-L_0}{L-L_d}$

其中ε_r-t天(1d、3d、7d、14d、21d、28d、90d)的样本干燥收缩值；L₀-初始长度，mm；L-样本长度，160mm；L_d-埋入砂浆的两个收缩头的长度总和，即20±2mm；L_t-t天(1d、3d、7d、14d、21d、28d、90d)的样本测量长度，mm。

在以往的研究中，我们发现，在砂浆中加入丝瓜纤维对抑制水泥砂浆的早期开裂有一定的效果。对砂浆加入0.3kg/m³～1kg/m³丝瓜纤维进行了实验测量。结果表明，水泥砂浆中加入0.6kg/m³的未处理的丝瓜纤维相比于未加丝瓜纤维的砂浆，抗裂性的效果最好。

具有丝瓜纤维的砂浆24小时的开裂指数和抗裂性比示于表2中(从上述实施例中选取了9组数据)。可以看出，在砂浆中加入处理过的丝瓜纤维比在砂浆中添加未处理的丝瓜纤维具有更强的对抑制水泥砂浆早期裂缝的效果。在100℃时，将处理过的丝瓜纤维加入含有质量分数6％的KOH和10％H₂O₂中2小时可达到水泥砂浆的抗裂性的最佳效果。开裂指数为430mm，相当于86.6％的抗裂性比。与未处理的丝瓜纤维相比，指数增加约62％。与用X射线衍射的结果相反，我们发现，处理过的高结晶度的丝瓜纤维对水泥砂浆的抗裂性有很大的影响。在一般情况下，结晶度越高，抗裂性比越高。这说明了处理过的丝瓜纤维表面上的这些划痕和小孔在水泥基体中具有更强的粘结性能。那些像水管似的连续中空微通道到了在砂浆中重要的保水作用。

与24小时砂浆的开裂指数相比，48小时砂浆的开裂指数分别提高了2.13％，0.92％，1.47％，1.13％，1.85％，1.02％，1.17％，0.64％，1.21％和0.58％，变化很小。结果表明砂浆的开裂基本上在24小时内完成。

表2 具有处理过的丝瓜纤维的砂浆的开裂指数和抗裂性比

由此看出，加入丝瓜纤维后，裂缝宽度明显变窄，没有d＞3mm的裂纹，裂纹长度较短，而经不同处理条件的丝瓜纤维对砂浆的抗裂有不同的效果。当在砂浆中加入了用质量分数6％KOH和10％H₂O₂在100℃混合2小时处理过的丝瓜纤维时，抗开裂性的效果是最好的，对应的抗裂性比为98.1％。这可归因于丝瓜纤维的经混合处理的缺陷显微结构，如划痕和小孔等。缺陷显微结构使丝瓜纤维与水泥砂浆之间有更强的结合。在砂浆中加入丝瓜纤维，开裂也呈不规则的方向和分布，它可与水泥砂浆中的丝瓜纤维的随机分布有关。丝瓜纤维对水泥砂浆的抗裂影响，可以得出结论是丝瓜纤维的不规则分布起到了对砂浆的基本连接作用，并且有效地防止和抑制砂浆的分离倾向。此外，像水管似的连续多孔结构对砂浆发挥了重要的保水作用。

3.砂浆的干缩

根据建筑砂浆的基本性能的试验方法JGJ/T70-2009对丝瓜纤维增韧防裂砂浆进行干燥收缩试验。

表3给出了砂浆在几个不同测试龄期的干燥收缩值(从上述实施例中选取了9组数据)。可以观察到，加入经处理的丝瓜纤维可有效降低水泥砂浆的干燥收缩，尤其是早期收缩。当经质量分数10％的KOH在100℃下处理2小时的丝瓜纤维加入到水泥砂浆中时，1天，3天，7天，14天，28天及90D的干燥收缩最小，这可能是由于具有连续的中空微通道的特殊微观结构。该通道可在砂浆中起到保水作用，并提供补偿砂浆基质早期干燥收缩变形所需的水分。

通过在砂浆中加入经质量分数10％的KOH在100℃下处理2小时的不同丝瓜纤维，例如，1d，3d和7d的干燥收缩值可分别明显减少63.6％，48.3％和38.6％，对于其余龄期(14d和21D，28D和90D)的收缩率值也可减少19.5％～30.6％。

表3 不同砂浆在不同龄期的干燥收缩值

由此表明，本发明方法中的各个参数均是最佳选择，可实现本发明的最优效果。

此外，本发明中的微晶玻璃可通过以下方法制得：将非晶玻璃原料混合后加入熔炉中，所述非晶玻璃中，以换算成氧化物的质量％计，含有的各成分为TiO₂成分和ZrO₂成分的总量为3.0～4.3％，P₂O₅成分与SiO₂成分的含量之比P₂O₅/SiO₂为0.1505～0.1720，P₂O₅成分与Al₂O₃成分的含量之比P₂O₅/Al₂O₃为0.330～0.390，并且SiO₂+Al₂O₃+P₂O₅＝86.0～89.0％，作为微晶玻璃的前体的非晶玻璃中所包含的OH分子的量为700ppm以下；在熔炉中以1400-1450℃熔融，澄清、均化后成型为理想的形状，然后以100℃/小时升温到550℃保温3小时，以100℃/小时升温到780℃保温2小时，热处理后即可获得所要的微晶玻璃。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种丝瓜纤维增韧防裂砂浆，其特征在于：砂浆的原料由水泥、砂、微晶玻璃、水镁石、膨胀珍珠岩、增稠剂和水组成，丝瓜纤维按比例加入到砂浆中，其中每1m³砂浆中添加300-900g丝瓜纤维，且水泥、砂、微晶玻璃、水镁石、膨胀珍珠岩、增稠剂和水质量比为1∶1.5∶0.5∶0.6∶0.3∶0.003∶0.5～0.8；

所述丝瓜纤维增韧防裂砂浆的制备方法，步骤如下：①将丝瓜纤维浸泡于水中，使其吸附最大量的水分成为饱和水丝瓜纤维；②先向一半量的水泥中加入一半量的砂搅拌均匀，加入饱和水丝瓜纤维；③在加入饱和水丝瓜纤维的过程中分批加入剩余的水泥和砂，同时加入微晶玻璃、水镁石、膨胀珍珠岩、增稠剂，搅拌使丝瓜纤维分散均匀，加入水，继续搅拌使丝瓜纤维进一步分散；所述微晶玻璃由以下方法制得：将非晶玻璃原料混合后加入熔炉中，所述非晶玻璃中，以换算成氧化物的质量％计，含有的各成分为TiO₂成分和ZrO₂成分的总量为3.0～4.3％，P₂O₅成分与SiO₂成分的含量之比P₂O₅/SiO₂为0.1505～0.1720，P₂O₅成分与Al₂O₃成分的含量之比P₂O₅/Al₂O₃为0.330～0.390，并且SiO₂+Al₂O₃+P₂O₅＝86.0～89.0％，作为微晶玻璃的前体的非晶玻璃中所包含的OH分子的量为700ppm以下；在熔炉中以1400-1450℃熔融，澄清、均化后成型为理想的形状，然后以100℃/小时升温到550℃保温3小时，以100℃/小时升温到780℃保温2小时，热处理后即可获得所要的微晶玻璃。