CN105776976A - 一种改性纤维增韧水泥基材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种改性纤维增韧水泥基材料及其制备方法。一种改性纤维增韧水泥基材料，其特征在于它由水泥、掺合料、砂、水、减水剂、增稠剂和改性增韧纤维制备而成，水泥、掺合料、砂、水、减水剂、增稠剂按质量份数为：水泥20~30份、掺合料10~30份、砂20~40份、水10~25份、减水剂0.1~1份、增稠剂 0~0.1份，改性增韧纤维的加入量为上述材料总体积的0.3~3%；所述的改性增韧纤维由增韧纤维浸润于酸性可成膜物质稀释液后干燥制备而成。本发明进一步提升现有高韧性水泥基材料的韧性及降低高韧性水泥基材料的力学性能衰减。

Description

一种改性纤维增韧水泥基材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种改性纤维增韧水泥基材料及其制备方法。

背景技术

自19世纪20年代波特兰水泥问世以来，由其配制成的混凝土材料以卓越的建筑性能成为目前应用最广、使用最成功的结构工程材料之一。然而，由于混凝土材料自身缺乏高延性，导致1)极端荷载下的脆性破坏、2)因耐久性不足引起的正常荷载下破坏，以及缺乏可持续性等方面的不足限制了该材料的应用。而其工程结构性能随时间退化及其对使用寿命的影响这一重要问题也引起了国内外工程界的广泛关注，特别是我国大量使用的低质量混凝土材料所导致的结构普遍开裂使得结构的耐久性进一步严重降低，由于其远远达不到其设计寿命要求，这些结构的重建又会造成新一轮资源耗费。

针对这些问题，VCLi教授和梁坚凝教授通过对材料微观结构进行调整，考虑纤维特性、基体特性和纤维/基体的界面特性及其之间的相互作用，成功开发了一种具有高韧性的纤维增强水泥基复合材料。该高韧水泥基材料具有良好的多缝开裂及应变硬化特性，其极限拉伸应变最高约可达普通混凝土的230～450倍。

然而，由于该水泥基材料随着龄期的增长，其高应变能力会发生一些变化。研究发现，高韧性水泥基材料的抗压强度会随着龄期的增长逐渐增加，但应变能力不会，而是在大约10d龄期的时候达到一个峰值，即此时纤维、水泥基体和纤维/基体界面达到一个最佳平衡状态。后续随着龄期的逐渐增加，水泥基体和界面过渡区水化程度的发展，其性能逐渐趋于稳定，抗压性能达到较高的程度，而高韧性水泥基材料的应变能力则趋于衰减到一个更低的水平，一般长期应变能力为应变能力发展峰值的50％～60％。

并且，目前国内所研究制备的高韧性水泥基材料的高应变能力主要依赖于高性能进口纤维，尤其是日本可乐丽公司的REC-15型PVA纤维。目前我国该类别进口纤维价格较为昂贵，导致高韧性水泥基材料成本居高不下，不利于该种对建筑结构极为有利的新型建筑材料的推广。而国产同类型的纤维制备的水泥基复合材料极限拉伸性能一般只有0.5％，性能远不如进口纤维，这主要是由于未进行改性处理的纤维表面亲水基团与水泥基材料粘结力较强，使得裂缝处局部纤维更易被拔断，而无法完全发挥纤维的形变性能所致。

国内外亦针对这一问题进行了许多研究。一种目前国内使用较广泛的方法是在纤维增强水泥基材料制备过程中掺入一定量聚合物乳液，来达到更好的增韧效果。但是聚合物乳液的掺入，会使水泥基材料的抗压抗折强度明显降低，无法满足普遍的强度需求。国外VCLi教授提出了一种纤维表面覆油处理的专利，并与Kuraray公司合作，进一步研发了使用PEW蜡处理纤维表面的工艺，取得了极大的提升，目前ECC材料中使用较广泛的即是该种纤维。但该进口纤维价格极为昂贵，在2％纤维体积掺量前提下，每立方米高韧水泥基材料成本达到数千元(其中纤维成本约占九成)，远高于普通混凝土材料，导致其应用和推广受到较大阻碍。因此非常有必要研究一种进一步提升纤维韧性效果的方法，在达到相同韧性的要求时，亦可一定程度降低纤维用量，降低高韧水泥基材料成本。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，解决传统水泥基材料的脆性开裂问题，进一步提升现有高韧性水泥基材料的韧性及降低高韧性水泥基材料的力学性能衰减，本发明提供了一种改性纤维增韧水泥基材料及其制备方法。

本发明提出的技术方案是：一种改性纤维增韧水泥基材料，其特征在于它由水泥、掺合料、砂、水、减水剂、增稠剂和改性增韧纤维制备而成，水泥、掺合料、砂、水、减水剂、增稠剂按质量份数为：水泥20～30份、掺合料10～30份、砂20～40份、水10～25份、减水剂0.1～1份、增稠剂0～0.1份，改性增韧纤维的加入量为上述材料总体积的0.3～3％；

所述的改性增韧纤维由增韧纤维浸润于酸性可成膜物质稀释液干燥制备而成。

上述一种改性纤维增韧水泥基材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1).将增韧纤维浸润于酸性可成膜物质稀释液，0.5min～2h后，将液体滤去，置于10℃～105℃环境中干燥1min～2h后，用水冲洗分散后再干燥，得到改性增韧纤维；

2).制备增韧水泥基材料浆体：

①原料选取：水泥、掺合料、砂、水、减水剂、增稠剂按质量份数为：水泥20～30份、掺合料10～30份、砂20～40份、水10～25份、减水剂0.1～1份、增稠剂0～0.1份，选取水泥、掺合料、砂、水、减水剂和增稠剂，备用；步骤1)得到的改性增韧纤维的加入量为上述材料总体积的0.3～3％，选取改性增韧纤维；

②将上述原料混合均匀后，得到增韧水泥基材料浆体；

3).将步骤2)得到的增韧水泥基材料浆体浇筑成型，养护，得到改性纤维增韧水泥基材料。

按上述方案，所述增韧纤维为短切纤维，且本身与水泥基材料有较强的粘结能力，优选为12mm短切聚乙烯醇纤维。

按上述方案，所述酸性可成膜物质稀释液由硼酸酸酐、丁苯乳液和水混合得到，各原料所占质量份数为：硼酸酸酐1～4份、丁苯乳液10～48份、水48～89份。

按上述方案，所述酸性可成膜物质稀释液由醋酸乙烯－乙烯共聚乳液、增稠稳定剂和水混合得到，各原料所占质量份数为：醋酸乙烯－乙烯共聚乳液10～48份、水50～90份。

按上述方案，所述掺合料为偏高岭土、硅灰、粉煤灰、磨细矿渣、磨细钢渣中的两种或两种以上按任意配比混合得到。

按上述方案，所述砂为粒径小于0.6mm的砂，更优选为小于0.15mm的石英砂。

按上述方案，所述增稠剂为纤维素醚、聚丙酰胺、聚乙烯醇等有机聚合物、高岭土、硅藻土、膨润土等无机材料中的一种或二种以上按任意比例混合得到。

本发明的力学性能随龄期的衰减较普通未处理纤维组均得到明显改善(见图1)，本发明可以有效抑制水泥基材料裂缝的产生及发展，水泥基材料断裂能亦得到有效提升，由此制备的建筑构件的抗裂性能和韧性得到显著提升。

本发明通过酸性可成膜物质对增韧纤维进行预处理，一方面纤维表面薄膜可以有效降低纤维亲水基团与水泥基体导致的紧密粘结，另一方面薄膜的酸性将会降低纤维-水泥界面过渡区的强度，从而纤维可以达到更好的滑移-拔出效果，更多的发挥出纤维的形变，提升高韧性水泥基材料的韧性，并降低高韧性水泥基材料由于后期水化使界面过渡区紧密化而导致的力学性能衰减。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该纤维改性处理方式成本低廉，获得的改性纤维具有良好的性价比。纤维表面改性处理可以有效提高纤维对水泥基材料的增韧效果，酸性物质的中和效果同时可以降低高韧性水泥基材料由于后期水化使界面过渡区紧密化而导致的力学性能衰减，在达到相同韧性的要求时，可一定程度降低纤维用量，降低高韧水泥基材料成本，对高韧水泥基材料的工程实际应用和推广有较大益处。

附图说明

图1是REC15纤维改性对水泥基材料韧性的影响图。

图2是某国产PVA纤维改性对水泥基材料韧性的影响图。

图3是REC15纤维改性对水泥基材料韧性及韧性随龄期衰减的影响图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明的内容作进一步阐述，本发明包括但不仅仅局限于下述的实施例。

实施例1：

一种改性纤维增韧水泥基材料的制备方法，包括以下步骤：1).将增韧纤维浸润于酸性可成膜物质稀释液中，15min后，将液体滤去，置于65℃环境中干燥20min后，用水冲洗分散后再干燥，得到改性增韧纤维；

2).制备增韧水泥基材料浆体：

①原料选取：水泥、掺合料、砂、水、减水剂、增稠剂按质量份数为：水泥25份、掺合料20份、砂30份、水15份、减水剂0.1份、增稠剂0.05份，选取水泥、掺合料、砂、水、减水剂和增稠剂，备用；步骤1)得到的改性增韧纤维的加入量为上述材料总体积的2％，选取改性增韧纤维；

②将上述原料混合均匀后，得到增韧水泥基材料浆体；

3).将步骤2)得到的增韧水泥基材料浆体浇筑成型，养护，得到改性纤维增韧水泥基材料。

本实施例中的增韧纤维为REC-15型号进口PVA纤维(进口纤维)，12mm短切。

所述酸性可成膜物质稀释液由醋酸乙烯－乙烯共聚乳液和水混合得到，各原料所占质量份数为：醋酸乙烯－乙烯共聚乳液48份、水52份。。

本实施例中的掺合料为偏高岭土、粉煤灰按质量比1：1的比例混合得到。

本实施例中的砂为粒径小于0.15mm的石英砂；

所述增稠剂为甲基纤维素醚。

对比例1：不对增韧纤维改性，而是直接将纤维用于骤2)中，经骤3)后得到未改性的纤维增韧水泥基材料(见图1中的普通组)。

本发明制备出的改性增韧水泥基材料(图1中的改性组)养护七天后测试，出现明显多缝开裂和应变硬化特征(这是高韧水泥基材料的一个特点，普通的水泥基材料开裂时出现一条大裂缝后会失效；而高韧水泥基材料通过纤维将应力传导开来，形成的是多条微小的裂缝，这种裂缝极其微小，混凝土中一般定义其为无害裂缝，另外高韧材料在开裂后具有类似金属的应变硬化特性，即在开裂后可以继续承受应力，不会立刻失效破坏)，7天抗压强度30.35MPa，抗折强度14.2MPa，拉伸初裂强度2.67MPa，极限拉伸应变达4.16％，本发明较纤维未改性的普通组(对比组)高出25.3％(见图1)。说明：通过酸性可成膜物质对增韧纤维进行预处理，进一步提升现有高韧性水泥基材料的韧性。

实施例2(对国产纤维改性)：

一种改性纤维增韧水泥基材料的制备方法，包括以下步骤：1).将增韧纤维浸润于酸性可成膜物质稀释液，0.5min后，将液体滤去，置于30℃环境中干燥2h后，用水冲洗分散后再干燥，得到改性增韧纤维；

2).制备增韧水泥基材料浆体：

①原料选取：水泥、掺合料、砂、水、减水剂、增稠剂按质量份数为：水泥20份、掺合料10份、砂20份、水10份、减水剂0.6份、增稠剂0.1份，选取水泥、掺合料、砂、水和减水剂，备用；步骤1)得到的改性增韧纤维的加入量为材料总体积的0.3％，选取改性增韧纤维；

②将上述原料混合均匀后，得到增韧水泥基材料浆体；

3).将步骤2)得到的增韧水泥基材料浆体浇筑成型，养护，得到改性纤维增韧水泥基材料。

本实施例中的纤维为四川维尼纶厂生产的PVA纤维(国产纤维)，12mm短切。

本实施例中的所述酸性可成膜物质稀释液由硼酸酸酐、丁苯乳液和水混合得到，各原料所占质量份数为：硼酸酸酐3份、丁苯乳液37份、水60份。

本实施例中的掺合料为粉煤灰、磨细矿渣按质量比1：1的比例混合得到；

本实施例中的砂为粒径小于0.075mm的石英砂；

对比例2：不对增韧纤维改性，而是直接将纤维用于骤2)中，经骤3)后得到未改性的纤维增韧水泥基材料(见图2中的普通组)。

本发明制备出的改性增韧水泥基材料(图2中的改性组)养护七天后测试，出现较为轻微的多缝开裂现象和一定的应变硬化特征，7天抗压强度27.03MPa，抗折强度9.72MPa，拉伸初裂强度2.26MPa，极限拉伸应变达1.24％，较相同2％体积掺量的未改性纤维组(见图2中的普通组)提高了一倍以上(见图2)。说明：通过酸性可成膜物质对增韧纤维进行预处理，进一步提升现有高韧性水泥基材料的韧性。

实施例3：进口纤维改性和未改性的力学性能衰减对比

与实施例1基本相同，不同之处在于：

所述酸性可成膜物质稀释液由硼酸酸酐、丁苯乳液和水混合得到，各原料所占质量份数为：硼酸酸酐1份、丁苯乳液48份、水51份。

所述掺合料为偏高岭土和硅灰，偏高岭土与硅灰的质量比为1：1。

所述砂为粒径小于0.6mm的砂。

所述增稠剂为羟丙基甲基纤维素醚。

实验方法同实施例1，结果显示：本发明进一步提升现有高韧性水泥基材料的韧性及降低高韧性水泥基材料的力学性能随时间衰减。制备出的改性增韧水泥基材料养护7天、28天后测试，均出现明显多缝开裂和应变硬化特征，且极限拉伸出现明显衰减:改性纤维组由4.16％衰减至2.19％，普通组由3.32％衰减至1.57％。改性纤维组的极限拉伸衰减率47.3％要小于普通组的衰减率52.6％(图3)。说明：通过酸性可成膜物质对增韧纤维进行预处理，降低高韧性水泥基材料的力学性能衰减。

实施例4：

一种改性纤维增韧水泥基材料的制备方法，包括以下步骤：1).将增韧纤维浸润于酸性可成膜物质稀释液，2h后，将液体滤去，置于105℃环境中干燥1min后，用水冲洗分散后再干燥，得到改性增韧纤维；

2).制备增韧水泥基材料浆体：

①原料选取：水泥、掺合料、砂、水、减水剂、增稠剂按质量份数为：水泥30份、掺合料30份、砂40份、水25份、减水剂1份、增稠剂0.1份，选取水泥、掺合料、砂、水、减水剂和增稠剂，备用；步骤1)得到的改性增韧纤维的加入量为材料总体积的3％，选取改性增韧纤维；

②将上述原料混合均匀后，得到增韧水泥基材料浆体；

3).将步骤2)得到的增韧水泥基材料浆体浇筑成型，养护，得到改性纤维增韧水泥基材料。

所述增韧纤维为12mm短切聚乙烯醇纤维。

所述酸性可成膜物质稀释液由硼酸酸酐、丁苯乳液和水混合得到，各原料所占质量份数为：硼酸酸酐4份、丁苯乳液48份、水89份。

所述掺合料为粉煤灰、磨细矿渣和磨细钢渣，质量比为1：1：1。

所述砂为粒径小于0.6mm的砂。

所述增稠剂为羟丙基甲基纤维素醚。

实验方法同实施例1，结果显示：本发明进一步提升现有高韧性水泥基材料的韧性及降低高韧性水泥基材料的力学性能衰减。

实施例5：

一种改性纤维增韧水泥基材料的制备方法，包括以下步骤：1).将增韧纤维浸润于酸性可成膜物质稀释液，0.5min后，将液体滤去，置于25℃环境中干燥2h后，用水冲洗分散后再干燥，得到改性增韧纤维；

2).制备增韧水泥基材料浆体：

①原料选取：水泥、掺合料、砂、水、减水剂、增稠剂按质量份数为：水泥20份、掺合料10份、砂20份、水10份、减水剂0.1份、增稠剂0份，选取水泥、掺合料、砂、水和减水剂，备用；步骤1)得到的改性增韧纤维的加入量为材料总体积的0.3％，选取改性增韧纤维；

②将上述原料混合均匀后，得到增韧水泥基材料浆体；

3).将步骤2)得到的增韧水泥基材料浆体浇筑成型，养护，得到改性纤维增韧水泥基材料。

所述增韧纤维为12mm短切聚乙烯醇纤维。

所述酸性可成膜物质稀释液由醋酸乙烯－乙烯共聚乳液和水混合得到，各原料所占质量份数为：醋酸乙烯－乙烯共聚乳液10份、水50份。

所述掺合料为偏高岭土、硅灰和粉煤灰，质量比为1：1：1。

所述砂为小于0.15mm的石英砂。

所述增稠剂为聚丙酰胺。

实验方法同实施例1，结果显示：本发明进一步提升现有高韧性水泥基材料的韧性及降低高韧性水泥基材料的力学性能衰减。

Claims (8)

1.一种改性纤维增韧水泥基材料，其特征在于它由水泥、掺合料、砂、水、减水剂、增稠剂和改性增韧纤维制备而成，水泥、掺合料、砂、水、减水剂、增稠剂按质量份数为：水泥20~30份、掺合料10~30份、砂20~40份、水10~25份、减水剂0.1~1份、增稠剂0~0.1份，改性增韧纤维的加入量为上述材料总体积的0.3~3%；

所述的改性增韧纤维由增韧纤维浸润于酸性可成膜物质稀释液后干燥制备而成。

2.如权利要求1所述的一种改性纤维增韧水泥基材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1).将增韧纤维浸润于酸性可成膜物质稀释液，0.5min~2h后，将液体滤去，置于10℃~105℃环境中干燥1min~2h后，用水冲洗分散后再干燥，得到改性增韧纤维；

2).制备增韧水泥基材料浆体：

①原料选取：水泥、掺合料、砂、水、减水剂、增稠剂按质量份数为：水泥20~30份、掺合料10~30份、砂20~40份、水10~25份、减水剂0.1~1份、增稠剂0~0.1份，选取水泥、掺合料、砂、水、减水剂和增稠剂，备用；步骤1)得到的改性增韧纤维的加入量为上述材料总体积的0.3~3%，选取改性增韧纤维；

②将上述原料混合均匀后，得到增韧水泥基材料浆体；

3).将步骤2)得到的增韧水泥基材料浆体浇筑成型，养护，得到改性纤维增韧水泥基材料。

3.根据权利要求2所述的一种改性纤维增韧水泥基材料的制备方法，其特征在于，所述增韧纤维为短切纤维。

4.根据权利要求2所述的一种改性纤维增韧水泥基材料的制备方法，其特征在于，所述酸性可成膜物质稀释液由硼酸酸酐、丁苯乳液和水混合得到，各原料所占质量份数为：硼酸酸酐1~4份、丁苯乳液10~48份、水48~89份。

5.根据权利要求2所述的一种改性纤维增韧水泥基材料的制备方法，其特征在于，所述酸性可成膜物质稀释液由醋酸乙烯－乙烯共聚乳液和水混合得到，各原料所占质量份数为：醋酸乙烯－乙烯共聚乳液10~48份、水50~90份。

6.根据权利要求2所述的一种改性纤维增韧水泥基材料的制备方法，其特征在于，所述掺合料为偏高岭土、硅灰、粉煤灰、磨细矿渣、磨细钢渣中的两种或两种以上按任意配比混合得到。

7.根据权利要求2所述的一种改性纤维增韧水泥基材料的制备方法，其特征在于，所述砂为粒径小于0.6mm的砂。

8.根据权利要求2所述的一种改性纤维增韧水泥基材料的制备方法，其特征在于，所述增稠剂为纤维素醚、聚丙酰胺、聚乙烯醇、高岭土、硅藻土、膨润土中的一种或二种以上按任意比例混合得到。