CN106013591A - 一种frp-三维间隔织物增强水泥基复合材料布及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FRP‑三维间隔织物增强水泥基复合材料布及其制造方法，该复合材料包括三维间隔织物和填充在所述三维间隔织物内的水硬性无机粉末部分，所述三维间隔织物包括疏织织布层、纤维丝层和密织织布层，所述水硬性无机粉末通过疏织织布层填充到三维间隔织物中，其特征在于：在所述疏织织布层的外表面还粘贴有一层FRP纤维布。该FRP‑三维间隔织物增强水泥基复合材料布不仅提高了原有三维间隔织物增强水泥基复合材料布的拉伸、弯曲、剪切强度，具有高的承载能力，可设计性强，而且具有优异的抗侵彻性能。

Description

一种FRP-三维间隔织物增强水泥基复合材料布及其制造方法

技术领域：

本发明涉及一种基于三维间隔织物增强水泥基复合材料布的纤维增强树脂复合材料(FRP)/混凝土复合结构及其制造方法。属于建筑构件技术、军事防护领域。

背景技术：

三维间隔织物增强水泥基复合材料布的概念在2005年在英国首次被Brewin和Crawford提出，并应用于实际生产，已成功应用于民用和军用工程领域。由于其快凝早强、像布一样柔软、可以铺设成任意形状、无需搅拌和模具成型、应用时仅需在其表面喷洒水即可、厚度仅3-20mm、施工方便、便与运输等优点，在山体护坡、水下管道保护、隧道保护、沟渠内衬、防护帐篷、等领域发挥了很好的作用。近几年我国有学者对其进行研究，从水泥基体改性，三维间隔织物格局两个方面来优化其材料整体力学性能，并在军事领域得到应用并申请了一种三维间隔织物增强水泥基复合材料布的专利。由于三维间隔织物增强水泥基复合材料布是将水泥粉体密实填充后加水硬化形成的复合材料布，虽然三维间隔织物的增强作用有效提高了水泥基材料的延展性，纤维布局在阻止水泥基进一步开裂方面起到一定的作用使其拉伸弯曲过程呈现多缝开裂模式。但是由于其独特的成型过程(即干粉填充、洒水硬化)，使其又有较低的密实度，从而导致较低的强度。而且三维间隔织物为表层面纱与中间桩纱编织结合，较为疏松，无论是表层织物还是三维间隔织物整体的拉伸弹性模量远低于水泥基体。在破坏初始阶段无法发挥织物的拉伸增强作用。因此三维间隔织物增强水泥基复合材料布的拉伸初裂强度很低，同样在弯曲破坏时，受拉面很容易开裂，导致其弯曲强度也很低。虽然后期有应变硬化趋势，但其整体强度依然很低。作为大幅面应用的水泥基薄层材料，其拉伸/弯曲强度很低，从而大大限制了三维间隔织物增强水泥基复合材料在建筑构件技术领域的应用。而且现有三维间隔织物水泥基复合材料布较低防弹性能很大程度上限制了该材料在军事防护领域的应用，迫切需要提高三维间隔织物增强水泥基复合材料布的综合力学性能和防弹性能，但国内外尚未有相关研究。

纤维增强复合树脂材料FRP(Fiber Reinforced Polymer)是由纤维增强的聚合物基质的复合材料，所述的纤维通常为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等，通常利用环氧树脂，聚酯苯酚甲醛树脂等来复合作用，拉强度高，是一般钢筋的2至10倍，同时其密度只有钢材的1/5至1/3；此外其耐腐蚀抗疲劳性能好。FRP的商用开始二十世纪三十年代，最初用于航空领域，后在汽车、船舶、建筑、防弹装甲等领域得到利用。二十世纪八十年代后期，北美、日本、欧洲等一些发达国家对FRP在土木工程领域的应用研究才开始活跃。FRP可应用于任何需要减轻重量、精密工程、简化结构及生产和操作的设计方案。在建筑领域的应用主要集中于梁、柱、板。可用于结构修复和加固。拥有良好的可设计性，可根据工程需要采用不同种类的纤维材料及纤维含量和铺陈方式等不同工艺设计出不同强度指标、弹性模量及特殊性能需求的产品。将FRP应用在混凝土可以综合发挥两者的优势，即混凝土拥有较高的抗压强度和较低的成本，又拥有FRP高的抗拉强度，及良好的耐腐蚀抗疲劳性能。同时提高复合构件的在军事防护领域应用中的抗侵彻性能。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种FRP-三维间隔织物增强水泥基复合材料布及其制造方法。以期达到提高三维间隔织物增强水泥基复合材料布的综合力学性能以及抗侵彻性能，解决其拉伸强度和弯曲强度低的问题。

技术方案：

为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种FRP-三维间隔织物增强水泥基复合材料布，包括三维间隔织物和填充在所述三维间隔织物内的水硬性无机粉末部分，所述三维间隔织物包括疏织织布层、纤维丝层和密织织布层，所述水硬性无机粉末通过疏织织布层填充到三维间隔织物中，其特征在于：在所述疏织织布层的外表面还粘贴有一层FRP纤维布。

所述FRP纤维布为碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等一种或多种纤维以多种形式编织的纤维布或无纬布。所选FRP纤维布的抗拉强度及拉伸弹性模量需大于或远大于混凝土帆布本身的拉伸弹性模量及拉伸强度。

所述FRP纤维布与所述疏织织布层通过环氧树脂或者结构型聚氨酯进行粘接。

所述水硬性无机粉末包含水泥基和添加剂，水泥为高铝水泥；添加剂为石膏。石膏为α型半水石膏粉末，比表面积为270m²/kg，因为是粉体成型，然后洒水渗透，石膏粉体的细度会提高粉末的水化效果。现有水硬性无机粉末配方：水泥基复合材料，由水泥和添加剂组成，其质量比例为水泥添加剂＝80～95:5～20水泥是硅酸盐水泥、高铝水泥、硫铝酸盐水泥中的一种或几种，添加剂是减水剂、引气剂、膨胀剂中的一种或几种。与现有配方相比，本发明配方效果：提高了抗压强度、干燥收缩变形大幅度降低，即具有优异的体积稳定性。而低的干燥收缩变形不仅降低了材料收缩开裂的风险，而且利于FRP的复合增强，因为在养护过程中的收缩变形会导致表面的FRP承受压缩应力和应变，在使用过程中不利于发挥FRP的拉伸性能优势。

高铝水泥主要矿物相为C₁₂A₇化合物(12CaO ·7Al₂O₃)，矿物相C₁₂A₇化合物其质量分数≥50％。高铝水泥的主要矿物相通常为CA(CaO ·Al2O3)长期抗压强度会发生倒缩现象，我们主要选用这种特定矿物相的高铝水泥，因为这种矿物相掺加石膏抗压强度高且强度发展稳定，尤其是体积稳定性好。

所述疏织织布层、纤维丝层和密织织布层所用材料为涤纶纤维丝、尼龙纤维丝和聚丙烯纤维丝中的一种或几种纤维丝编织制成。

一种FRP-三维间隔织物增强水泥基复合材料布的制造方法，其特征在于：具体制作步骤如下：

1)三维间隔织物增强水泥基制备：将水硬性无机粉末按照配方搅拌均匀后填充至三维间隔织物中；

2)结构复合：将FRP通过胶黏剂在混凝土帆布表面均匀涂胶，将准备好的FRP铺设在其表面，然后用辊子或其他工具按压FRP纤维布表面使其粘贴均匀，养护至胶黏剂固化；

3)洒水硬化：向密织织布层的表面洒水，水透过密织织布层渗透到水硬性无机粉末，使其硬化。

FRP-三维间隔织物增强水泥基复合材料布受力时FRP纤维层通过粘贴在三维间隔织物的表面，使FRP与三维间隔织物和硬化后的水硬性无机材料复合材料的各部分相互连接，共同承担力的作用。

步骤2)和步骤3)可以调换，即可以在基体洒水硬化后再将FRP铺设在三维间隔织物的疏织织布层。

当复合材料布承受子弹冲击时FRP纤维布层通过与三维间隔织物和水泥基体的粘结共同承担子弹的冲击。

FRP纤维布与三维间隔织物增强水泥基复合材料布的界面通过胶黏剂粘结后还可以通过机械锚固，由于混凝土帆布为轻质且薄通常为大幅面，粘结后的还可以通过机械锚固，锚固装置可以根据实际情况及设计要求灵活布置，锚固后的FRP增强混凝土帆布复合结构能承受更高的荷载。

本发明中，FRP纤维布是一种纤维或多种纤维以多种形式编织或复合而成，可分为经过树脂浸渍的、未经浸渍的或者浸渍后养护至半固化状态的纤维布，无论以哪一种形式，必须要有良好的可塑性以便与混凝土帆布表面贴合，因为混凝土帆布本身特点为洒水硬化前像布一样柔软可以铺设成任意形状，并在洒水硬化后保持该形状。

三维增强水泥基复合材料布的表面，是指疏织织布层，需要将其表面清理干净使疏织织布层纤维网格清晰可见，但不能破坏纤维，当表面网格被破坏后会影响混凝土帆布本身的力学性能，而且表面纤维网格的存在使FRP纤维布的力可以通过纤维网格更好的传递到三维间隔织物及水泥基体中，并有效阻止裂缝的出现，起到更好的增强作用。

有益效果：

1)使原有三维间隔织物增强水泥基复合材料布的拉伸、弯曲及剪切强度得到显著改善和提高。通过将FRP纤维布与三维间隔织物疏织织布层的粘贴使FRP层、三维间隔织物和水泥基体相互连接，发挥了材料各自的性能优势，可以大幅提高复合复合材料的抗拉强度、弯曲强度、剪切强度。

2)一种新型水硬性无机粉末配方的使其使该复合材料拥有良好的抗压强度发展趋势、低的干燥收缩变形即具有优异的体积稳定性、以及凝结时间短、早期强度高。低的干燥收缩变形利于FRP的复合增强，因为在养护过程中的收缩变形会导致表面的FRP承受压缩应力和应变，在使用过程中不利于发挥FRP的拉伸性能优势。凝结时间短、早期强度高的特点使该复合材料更好的应用于快速抢修抢险工程，并缩短养护时间降低施工成本。

3)优异的抗侵彻性能，芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、碳纤维本都常用作防弹材料，通过粘贴上述纤维布提高了复合材料整体的抗侵彻性能，可用于军事防护领域中抵抗子弹的冲击。

4)FRP纤维布可有效阻止三维间隔织物水泥基复合材料布在受拉破坏时初始裂缝的产生及发展，使产生初始裂缝对应的应变大幅度提高，并在达到极限应变后产生较少的局部裂缝。FRP层具有较高的抗拉强度及拉伸弹性模量远高于三维间隔织物增强水泥基复合材料布的，通过FRP纤维布层的粘结使复合材料受到拉伸力时，FRP纤维布层、水泥基体和三维间隔织物各部分材料共同承担力的作用，可以有效阻止初始裂缝的形成和进一步发展。

5)性能可设计性强，可以通过选择不同类型的FRP纤维布及胶黏剂来调整和满足设计要求。因为其综合力学性能的提高主要取决于FRP层的性能及界面性能。

6)提高了三维间隔织物增强水泥基复合材料布的抗腐蚀及耐久性性，FRP纤维布层具有优异的抗化学腐蚀性能，通过粘贴FRP层后可有效防止复合结构的内部遭受化学腐蚀，而且随着承载力提高，裂纹尺寸减小、裂纹数量减少，延缓介质侵蚀从而提高其抗腐蚀性及耐久性。

7)FRP纤维布，粘贴在三维间隔织物的疏织织布层，在使用时可以从三维间隔织物的密织织布层洒水使基体硬化，也可以在三维间隔水泥基复合材料布的密织织布层洒水，使基体硬化后再将FRP纤维布粘贴在三维间隔织物的疏织织布层，两种方法均可起到增强作用。FRP质轻可塑性强的特点可以附着在混凝土帆布表面，不影响三维间隔织物增强水泥基复合材料布的使用特点即可以铺设成任意形状，同时发挥FRP纤维布的高弹模和高拉伸强度来弥补三维间隔织物增强水泥基复合材料布较低的拉伸强度。

附图说明

图1 FRP纤维布粘贴三维间隔织物增强水泥基复合材料布构造示意图；

图2干燥收缩试验装置示意图；

图3a单轴拉伸样品尺寸示意图，图3b为图3a的侧视图；

图4a四点弯曲样品及试验装置示意图，图4b为图4a的侧视图；；

图5三维间隔织物增强水泥基复合材料布抗压强度随龄期发展趋势；

图6三维间隔织物增强水泥基复合材料布干燥收缩应变随龄期发展趋势；

图7三维间隔织物增强水泥基复合材料布拉伸应力-应变曲线；

图8 FRP-三维间隔织物增强水泥基复合材料布拉伸应力-应变曲线；

图9三维间隔织物增强水泥基复合材料布弯曲应力-挠度曲线；

图10 FRP-三维间隔织物增强水泥基复合材料布弯曲应力-挠度曲线；

图中：1、FRP纤维布层，2、胶黏剂层，3、三维间隔织物疏织织布层，4、三维间隔织物纤维层，5、三维间隔织物密织织布层，6、千分表，7、三维间隔织物增强水泥基复合材料，8、干缩架，9、金属片，10、LVDT引伸计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

现结合附图对本发明作进一步说明：首先准备厚度为15mm的三维间隔织物，包含疏织织布层3、纤维层4和密织织布层5，水硬性无机粉末由高铝水泥(主要矿物相C₁₂A₇含量为53％wt.)与α型半水石膏的粉体(比表面积为270m²/kg)按照质量比为70:30混合搅拌均匀，将该水硬性无机粉末通过疏织织布层3填充至三维间隔织物中，逐渐填充并伴随震动使粉体密实至干容重达到1600kg/m³。然后在其表面洒水，控制洒水量约为水泥基粉体质量的34％；硬化后形成三维间隔增强水泥基复合材料层7，样品的容重及凝结时间见表1；(本实例中样品说明：原样品为未经FRP纤维布粘贴的样品，经FRP纤维布粘贴的样品为FRP-复合样品)

表1三维间隔织物水泥基复合材料布样品的容重及凝结时间

待混凝土帆布硬化后将混凝土帆布的疏织面处理干净，使纤维网格清晰可见，在表面涂胶黏剂；将FRP纤维布1粘贴在上层疏织织布层3,为了提高界面粘结性能，可以用橡胶辊滚压纤维布赶出多余环氧树脂和气泡，此外可以在后期使用中安装锚固结构，使FRP的粘结更牢靠，充分发挥材料性能。

本实施例中的FRP纤维布1为芳纶纤维无纬布，经树脂浸渍，厚度0.1mm，按照美国标准ASTM D3039-14进行拉伸性能测试，测试结果为抗拉强度1042MPa，拉伸弹性模量126GPa，泊松比0.22。

胶黏剂2选用E44型环氧树脂与WRS650型固化剂按照1:1质量比混合搅拌均匀24h固化，按照美国标准ASTM D638-14进行拉伸性能测试，测试结果为拉伸强度42.3MPa,弹性模量2.3GPa,泊松比0.37。三维间隔织物各部分纱线参数见表2.

表2三维间隔织物中各部分纱线性能参数

将该建筑构件放置于温度20±2℃,相对湿度60±5％的环境中自然养护，按照美国标准ASTM C109/C109M-Lla进行抗压强度的测试，测试结果如图5所示。

本实例中采用如图2所示的试验装置测试三维间隔织物增强混凝土复合材料布的干燥收缩性能，将尺寸为：100mm(长)×40mm(宽)×15mm(厚)的样品沿长度方向放置于干缩架8上，通过千分表6获得测试数据，初始测试点为洒水后1d,测试结果见图6，应变值为负值表示收缩应变。

用本实例中采用图3所示的样品尺寸进行单轴拉伸试验，金属片9可减少夹具加持时对样品的损坏，每组样品包含三个平行样品，试验结果显示，FRP-三维间隔织物增强水泥基复合材料布，比为未经FRP粘贴增强前的三维间隔织物增强水泥基复合材料拉伸强度提高约12倍。下面给出试样拉伸试验结果见表3及图7和图8。

表3试样拉伸试验结果

用本实例中采用图4所示的试验装置及样品尺寸进行四点弯曲试验，挠度数据为跨中挠度，通过设置在样品中心的LVDT10获得，每组样品包含三个平行样品，下面给出试样四点弯曲试验结果，见表4及图9和图10。

表4试样四点弯曲试验结果

试验结果显示，FRP-三维间隔织物增强水泥基复合材料布比为未经FRP粘贴增强前的三维间隔织物增强水泥基复合材料布抗弯承载能力提高20倍。

Claims (8)

1.一种FRP-三维间隔织物增强水泥基复合材料布，包括三维间隔织物和填充在所述三维间隔织物内的水硬性无机粉末部分，所述三维间隔织物包括疏织织布层、纤维丝层和密织织布层，所述水硬性无机粉末通过疏织织布层填充到三维间隔织物中，其特征在于：在所述疏织织布层的外表面还粘贴有一层FRP纤维布。

2.根据权利要求1所述的FRP-三维间隔织物增强水泥基复合材料布，其特征在于，所述FRP纤维布为碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维中一种，或上述多种纤维编织的纤维布或无纬布。

3.根据权利要求1所述的FRP-三维间隔织物增强水泥基复合材料布，其特征在于，所述FRP纤维布与所述疏织织布层通过环氧树脂或者结构型聚氨酯进行粘接。

4.根据权利要求1所述的FRP-三维间隔织物增强水泥基复合材料布，其特征在于，所述水硬性无机粉末包含高铝水泥和石膏，其质量比例为，高铝水泥：α型半水石膏= 65~75:25~35。

5.根据权利要求4所述的FRP-三维间隔织物增强水泥基复合材料布，其特征在于，所述高铝水泥中矿物相C₁₂A₇化合物其质量分数≥50%。

6.根据权利要求1所述的FRP-三维间隔织物增强水泥基复合材料布，其特征在于，所述疏织织布层、纤维丝层和密织织布层所用材料为涤纶纤维丝、尼龙纤维丝和聚丙烯纤维丝中的一种或几种纤维丝编织制成。

7.一种制造权利要求1所述的FRP-三维间隔织物增强水泥基复合材料布的方法，其特征在于：具体制作步骤如下：

1）三维间隔织物增强水泥基制备：将水硬性无机粉末按照配方比例混合搅拌均匀后填充至三维间隔织物中；

2）结构复合：将FRP通过胶黏剂在三维间隔织物的疏织织布层表面均匀涂胶，将准备好的FRP纤维布铺设在其表面，然后按压FRP纤维布表面使其粘贴均匀，养护至胶黏剂固化；

3）洒水硬化：向密织织布层的表面洒水，水透过密织织布层渗透到水硬性无机粉末，使其硬化。

8.一种制造权利要求1所述的FRP-三维间隔织物增强水泥基复合材料布的方法，其特征在于：具体制作步骤如下：

1）三维间隔织物增强水泥基制备：将水硬性无机粉末按照配方比例混合搅拌均匀后填充至三维间隔织物中；

2）洒水硬化：向密织织布层的表面洒水，水透过密织织布层渗透到水硬性无机粉末，使其硬化；

3）结构复合：将FRP通过胶黏剂在三维间隔织物的疏织织布层表面均匀涂胶，将准备好的FRP纤维布铺设在其表面，然后按压FRP纤维布表面使其粘贴均匀，养护至胶黏剂固化。