CN106380147B - 一种耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，按重量百分比计，它由以下原料制备而成：0.6～6％的增强纤维、7.5～72％的水泥、0～79％的矿物掺合料、0～40％的细骨料、8～24％的水和0.3～1.5％的外加剂；所述的增强纤维至少包含玄武岩纤维。本发明所述的高延性纤维增强水泥基复合材料具有强度高、延伸率高、裂缝宽度小、耐高温性能好等优点。本发明还提供所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料的制备方法。

Description

一种耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种水泥基复合材料，更具体地涉及一种高延性纤维增强水泥基复合材料，及其制备方法。
背景技术
高延性纤维增强水泥基复合材料是一种以短切纤维作为增强材料，以水泥、矿物掺合料、骨料和混凝土外加剂为基体原材料，经加水搅拌、成型、养护制得的。该材料的组成设计是基于纤维增强水泥基复合材料的微观断裂力学理论，并充分考虑了基体、纤维和基体-纤维界面的力学性能及其相互作用。轴心拉伸荷载下，高延性纤维增强水泥基复合材料具有应变强化和多缝开裂现象(见图1)，极限延伸率高达0.5％以上，极限抗拉强度时平均裂缝宽度仅为50μm～200μm。它的发明和应用改变了“水泥基材料为准脆性材料”的传统观念。与普通混凝土和纤维混凝土相比，高延性纤维增强水泥基复合材料在抗震、抗冲击、抗剪切、抗疲劳性能及耐久性等方面有较大的优势，它的发明为解决因混凝土的抗拉性能差、延性低带来的结构性和耐久性问题和提高混凝土建(构)筑物的安全性和可靠性提供技术支持和材料保障。2014年，中国建材联合会在《中国建筑材料工业新兴产业发展纲要》中也将该材料列为建材工业重点发展方向和主导产品。
目前，高延性纤维增强水泥基复合材料主要使用聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维等有机纤维作为增强增韧组分[1LI VC.On engineeredcementitious composites(ECC)[J],Journal of Advanced Concrete Technology 2003,1(3):215-230；2张君、居贤春、高原，“高延性低收缩纤维增强水泥基符合材料特性及应用”，混凝土与标准化，2011年第三期，11-20页；3徐世烺，一种高韧性控裂防渗纤维混凝土，发明专利ZL2009 1 0187472.1；4俞家欢，一种强韧性聚丙烯纤维增强水泥基复合材料，发明专利ZL2010 1 0010157.4；5隋同波、周健、张利俊等，一种纤维复掺的高延性纤维增强水泥基复合材料及其制备方法，发明专利ZL2013 1 0703136.4；6周健、张利俊、隋同波等，一种快硬早强高延性纤维增强水泥基复合材料及其制备方法，发明专利ZL2014 10460947.0；7隋同波、周健、陈智丰等，一种低热高延性纤维增强水泥基复合材料及其制备方法，ZL2014 1 0461270.2]。这些纤维耐高温性能差，100℃～200℃开始发生玻璃化转变，力学性能大幅度降低；200℃～300℃以上纤维开始熔化，并在基体逐渐消失。因此，100℃以上，高延性纤维增强水泥基复合材料的抗拉性能明显变差；200℃以上，其高延性的特性完全消失，变为脆性材料[8BHAT PS,Chang V,Li M.Effect of elevated temperature onstrain-hardening engineered cementitious composites[J],Construction andBuilding Materials 2014,69:370-380；9Yu KQ,Dai JG,Lu ZD,Leung CKY.Mechanicalproperties of engineered cementitious composites subjected to elevatedtemperatures[J],Journal of Materials in Civil Engineering 2015,27(10)04014268]。
鉴于上述现有的有机纤维增强水泥基复合材料较差的耐高温性能限制了其工程应用，一些研究人员便致力于使用无机纤维，尤其是玄武岩纤维，作为水泥基复合材料的增强纤维的研究。玄武岩纤维是将玄武岩石料在1450℃～1500℃熔融后，高速拉制而成的无机纤维，它具有高强、高弹模且耐高温等特性，工作温度高达600℃。目前已有一些玄武岩纤维用于制备纤维增强水泥基复合材料的报道[10赖建中、杨春梅、崔崇、徐升，一种玄武岩纤维增强的水泥基复合材料及其制备方法，发明专利CN102079647A；11康志坚、徐志辉、张鹏，一种玄武岩纤维增强水泥基材料及其制备方法，发明专利CN105541208A]和强活性粉末混凝土[12安明喆、郑遵畅，一种玄武岩纤维增强活性粉末混凝土及其制备方法，发明专利CN103508713A]。上述报道中，虽然玄武岩纤维可大幅度提高材料的抗拉和抗折强度，但制备的水泥基材料仍属于普通纤维混凝土，在拉伸荷载下，仍具有应变软化性能(见图1)，未脱离准脆性材料的范畴。
发明内容
鉴于现有技术存在的局限性，本发明的目的在于：提供一种纤维增强水泥基复合材料，具有高延性、高强度和优异的耐高温性能，比现有技术中的普通纤维混凝土具有更优秀的整体性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，按重量百分比计，它由以下原料制备而成：0.6～6％的增强纤维、7.5～72％的水泥、0～79％的矿物掺合料、0～40％的细骨料、8～24％的水和0.3～1.5％的外加剂；所述的增强纤维至少包含玄武岩纤维。
本发明优选的方案中，所述的增强纤维，按重量百分比计，由30％～100％的玄武岩纤维和余量的其他增强纤维组成。
本发明所述的其他增强纤维可以选自：钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维或聚丙烯晴纤维中的一种或两种以上的混合物。本发明优选的方案中，所述的其他增强纤维选自钢纤维、玻璃纤维、碳纤维或聚乙烯醇纤维中的一种或两种以上的混合物；最优选钢纤维或玻璃纤维。
本发明所述的水泥可以是现有技术中的多种水泥，包括硅酸盐水泥、高贝利特硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、高贝利特硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、磷酸盐水泥、氟铝酸盐水泥或氯氧镁水泥的一种或两种以上的混合物。本发明优选的方案中，所述的水泥选自硅酸盐水泥、高贝利特硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥或高贝利特硫铝酸盐水泥中的一种或两种以上的混合物。
本发明优选的一种实施方式中，所述的水泥为铝酸盐水泥。由于铝酸盐水泥耐高温性能好，可大大改善高延性纤维增强水泥基复合材料基体的耐高温性能，可用于制备耐超高温的高延性纤维增强水泥基复合材料。
本发明优选的另一种实施方式中，所述的水泥为硫铝酸盐水泥或高贝利特硫铝酸盐水泥。硫铝酸盐水泥和高贝利特硫铝酸盐水泥凝结速度快、早期强度高，可用于制备快硬早强型耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料。
本发明中还可以使用铁铝酸盐水泥、磷酸盐水泥、氟铝酸盐水泥或氯氧镁水泥等特种水泥，利用其快硬早强等特性制备特种耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料。
本发明所述的矿物掺合料为粉煤灰、磨细矿渣粉、磨细钢渣粉或硅灰中的一种或两种以上的混合物。
本发明所述的细骨料为石英石粉、石灰石粉、刚玉微粉、河砂、石英砂或刚玉砂中的一种或两种以上的混合物。
本发明所述的外加剂为减水剂、增稠剂、早强剂或缓凝剂中的一种或两种以上的混合物。
所述的减水剂优选聚羧酸系高性能减水剂或萘系高效减水剂，进一步优选为聚羧酸系高性能减水剂。
所述的增稠剂优选聚丙烯酸类增稠剂、纤维素醚、淀粉醚或铝盐，进一步优选为聚丙烯酸类增稠剂。
所述的早强剂优选锂盐早强剂、氯盐早强剂，进一步优选为锂盐早强剂。
所述的缓凝剂优选木质素类、糖类、磷酸盐、酒石酸盐、葡萄糖酸盐、柠檬酸及其盐类、纤维素类缓凝剂，进一步优选为葡萄糖酸钠缓凝剂和柠檬酸钠缓凝剂。
本发明的一种实施方式中，所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，按重量百分比计，由以下原料制备而成：0.6～4.5％的玄武岩纤维、7.5～72％的水泥、0～79％的矿物掺合料、12～24％的水和0.5～1.5％的外加剂；所述的水泥选自硅酸盐水泥或铝酸盐水泥中的任意一种；所述的矿物掺合料为磨细矿渣粉、磨细钢渣粉和硅灰的混合物；所述的外加剂包括减水剂、增稠剂、缓凝剂中的一种或两种以上的混合物。
本发明的另一种实施方式中，所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，按重量百分比计，由以下原料制备而成：4～5％的玄武岩纤维、70～72％的水泥、22～24％的水和1～1.5％的外加剂；所述的水泥为铝酸盐水泥；所述的外加剂由减水剂、增稠剂和缓凝剂混合物组成。
本发明的再一种实施方式中，所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，按重量百分比计，由以下原料制备而成：2.9～4.5％的玄武岩纤维、38～72％的水泥、0～40％的细骨料、12～24％的水和1～1.5％的外加剂；所述的水泥为铝酸盐水泥；所述的细骨料选自石英石、刚玉微粉、石英砂或刚玉砂中的两种以上的组合物；所述的外加剂由减水剂、增稠剂和缓凝剂混合物组成。
本发明的再一种实施方式中，所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，按重量百分比计，由以下原料制备而成：2.8～3.0％的玄武岩纤维、39～49％的水泥、30～40％的细骨料、12～18％的水和1～1.5％的外加剂；所述的水泥为铝酸盐水泥；所述的细骨料选自石英石、刚玉微粉、石英砂或刚玉砂中的两种以上的组合物；所述的外加剂由减水剂、增稠剂和缓凝剂混合物组成。
本发明的再一种实施方式中，所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，按重量百分比计，由以下原料制备而成：2.0～6％的增强纤维、9～52％的水泥、14～67％的矿物掺合料、4.8～40％的细骨料、8～15％的水和0.3～1.0％的外加剂；所述的增强纤维，按重量百分比计，由33～100％的玄武岩纤维和余量的其他增强纤维组成；所述的其他增强纤维选自钢纤维、玻璃纤维或聚乙烯醇纤维中的任意一种；所述的水泥选自硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥或高贝利特硫铝酸盐水泥中的任意一种或两种以上的混合物；所述的矿物掺合料为磨细矿渣粉、磨细钢渣粉、粉煤灰或硅灰中的任意一种或两种以上的混合物；所述的细骨料选自石英石粉、石灰石粉、河砂或石英砂中的任意一种或两种以上的混合物；所述的外加剂选自减水剂、增稠剂、缓凝剂或早强剂中的一种或两种以上的混合物。
本发明的再一种实施方式中，所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，按重量百分比计，由以下原料制备而成：2.9～6％的增强纤维、9～52％的水泥、14～67％的矿物掺合料、4.8～16％的细骨料、14～15％的水和0.3～1％的外加剂；所述的增强纤维，按重量百分比计，由33～76％的玄武岩纤维和余量的其他增强纤维组成；所述的其他增强纤维选自钢纤维、玻璃纤维或聚乙烯醇纤维中的任意一种；所述的水泥选自硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥或高贝利特硫铝酸盐水泥中的任意一种；所述的矿物掺合料为磨细矿渣粉、磨细钢渣粉、粉煤灰或硅灰中的任意一种或两种以上的混合物；所述的细骨料选自石英石粉、石灰石粉、河砂或石英砂中的任意一种或两种以上的混合物；所述的外加剂选自减水剂、增稠剂、缓凝剂或早强剂中的一种或两种以上的混合物。
本发明还提供所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料的制备方法，具体步骤为：将按所述比例称量好的水泥、矿物掺合料和细骨料加入到搅拌机中，然后将水和外加剂按所述的比例加入搅拌机中，搅拌2～6分钟；最后加入所述比例的纤维，再搅拌2～6分钟，即得到所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料。
经检测，本发明的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料性能可达到以下标准：
1.强度
养护28天后，抗压强度高达32.1MPa～102.5MPa，材料抗拉强度高达3.3MPa～11.3MPa。
2.延性
养护28天后，材料抗拉极限延伸率高达0.60％～2.06％，而普通混凝土和纤维混凝土极限延伸率仅为0.01％左右。
3.裂缝宽度
养护28天后，平均裂缝宽度仅为5微米～20微米，而其他高延性纤维增强水泥基复合材料裂缝宽度为50微米～200微米。
4.耐高温性能
经历200℃高温1小时后，抗拉极限延伸率无大幅度下降；经历400℃高温1小时后，仍具有高延性和多缝开裂的特性。
综上，与现有技术的普通混凝土相比，本发明的纤维增强水泥基复合材料具有更优异的耐高温性能，同时还具有高延性、高强度等多方面性能优势，整体性能上获得了显著的提高。
附图说明
图1是普通混凝土、钢筋混凝土和高延性纤维增强水泥基复合材料抗拉应力-应变曲线对比。
图2是实施例6经历高温前后的抗拉应力-应变曲线。
具体实施方式
实施例1～5为使用硅酸盐水泥制备的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，配合比见表1，材料的力学性能见表2。
表1：实施例1～5的配合比
表2：实施例1～5的力学性能
实施例6～8为使用铝酸盐水泥制备的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，配合比见表3，材料的力学性能见表4。
表3：实施例6～8的配合比
表4：实施例6～8力学性能
实施例9～12为使用硫铝酸盐水泥、高贝利特硫铝酸盐水泥或复掺水泥制备的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，配合比见表5，材料的力学性能见表6。
表5：实施例9～12的配合比
表6：实施例9～12力学性能

Claims (11)

1.一种耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，按重量百分比计，它由以下原料制备而成：2～6％的增强纤维、7.5～72％的水泥、0～79％的矿物掺合料、0～40％的细骨料、8～24％的水和0.3～1.5％的外加剂；所述的增强纤维，按重量百分比计，由30％～100％的玄武岩纤维和余量的其他增强纤维组成；养护28天后，材料抗拉极限延伸率高达1.06％～2.06％。
2.权利要求1所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述的其他增强纤维选自钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维或聚丙烯腈 纤维中的一种或两种以上。
3.权利要求1所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述的其他增强纤维选自钢纤维、玻璃纤维、碳纤维或聚乙烯醇纤维中的一种或两种以上的混合物。
4.权利要求1所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述的其他增强纤维选自钢纤维或玻璃纤维。
5.权利要求1所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述的水泥选自硅酸盐水泥、高贝利特硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥或高贝利特硫铝酸盐水泥中的一种或两种以上的混合物；所述的矿物掺合料为粉煤灰、磨细矿渣粉、磨细钢渣粉或硅灰中的一种或两种以上的混合物；所述的细骨料为石英石粉、石灰石粉、刚玉微粉、河砂、石英砂或刚玉砂中的一种或两种以上的混合物；所述的外加剂为减水剂、增稠剂、早强剂或缓凝剂中的一种或两种以上的混合物。
6.权利要求1所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，按重量百分比计，由以下原料制备而成：0.6～4.5％的玄武岩纤维、7.5～72％的水泥、0～79％的矿物掺合料、12～24％的水和0.5～1.5％的外加剂；所述的水泥选自硅酸盐水泥或铝酸盐水泥中的任意一种；所述的矿物掺合料为磨细矿渣粉、磨细钢渣粉和硅灰的混合物；所述的外加剂包括减水剂、增稠剂、缓凝剂中的一种或两种以上的混合物。
7.权利要求1所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，按重量百分比计，由以下原料制备而成：4～5％的玄武岩纤维、70～72％的水泥、22～24％的水和1～1.5％的外加剂；所述的水泥为铝酸盐水泥；所述的外加剂由减水剂、增稠剂和缓凝剂混合物组成。
8.权利要求1所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，按重量百分比计，由以下原料制备而成：2.9～4.5％的玄武岩纤维、38～72％的水泥、0～40％的细骨料、12～24％的水和1～1.5％的外加剂；所述的水泥为铝酸盐水泥；所述的细骨料选自石英石、刚玉微粉、石英砂或刚玉砂中的两种以上的组合物；所述的外加剂由减水剂、增稠剂和缓凝剂混合物组成。
9.权利要求1所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，按重量百分比计，由以下原料制备而成：2.8～3.0％的玄武岩纤维、39～49％的水泥、30～40％的细骨料、12～18％的水和1～1.5％的外加剂；所述的水泥为铝酸盐水泥；所述的细骨料选自石英石、刚玉微粉、石英砂或刚玉砂中的两种以上的组合物；所述的外加剂由减水剂、增稠剂和缓凝剂混合物组成。
10.权利要求1所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，按重量百分比计，由以下原料制备而成：2.0～6％的增强纤维、9～52％的水泥、14～67％的矿物掺合料、4.8～40％的细骨料、8～15％的水和0.3～1.0％的外加剂；所述的增强纤维，按重量百分比计，由33～100％的玄武岩纤维和余量的其他增强纤维组成；所述的其他增强纤维选自钢纤维、玻璃纤维或聚乙烯醇纤维中的任意一种；所述的水泥选自硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥或高贝利特硫铝酸盐水泥中的任意一种或两种以上的混合物；所述的矿物掺合料为磨细矿渣粉、磨细钢渣粉、粉煤灰或硅灰中的任意一种或两种以上的混合物；所述的细骨料选自石英石粉、石灰石粉、河砂或石英砂中的任意一种或两种以上的混合物；所述的外加剂选自减水剂、增稠剂、缓凝剂或早强剂中的一种或两种以上的混合物。
11.权利要求1所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述的耐高温高延性纤维增强水泥基复合材料，按重量百分比计，由以下原料制备而成：2.9～6％的增强纤维、9～52％的水泥、14～67％的矿物掺合料、4.8～16％的细骨料、14～15％的水和0.3～1％的外加剂；所述的增强纤维，按重量百分比计，由33～76％的玄武岩纤维和余量的其他增强纤维组成；所述的其他增强纤维选自钢纤维、玻璃纤维或聚乙烯醇纤维中的任意一种；所述的水泥选自硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥或高贝利特硫铝酸盐水泥中的任意一种；所述的矿物掺合料为磨细矿渣粉、磨细钢渣粉、粉煤灰或硅灰中的任意一种或两种以上的混合物；所述的细骨料选自石英石粉、石灰石粉、河砂或石英砂中的任意一种或两种以上的混合物；所述的外加剂选自减水剂、增稠剂、缓凝剂或早强剂中的一种或两种以上的混合物。
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