CN106396548A - 一种抗冲击防腐水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种抗冲击防腐水泥基复合材料及其制备方法 Download PDF

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徐朋辉
刘卓霖
杨蓉
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Abstract

本发明涉及一种抗冲击防腐水泥基复合材料及其制备方法,所述抗冲击防腐水泥基复合材料由胶凝材料、集料、钢纤维、聚丙烯纤维、碳纳米管、聚乙烯醇、减水剂、水组成,其中质量比胶凝材料:集料:水=1:0.8‑1:0.26‑0.32,以凝胶材料质量为100份计,以下材料质量份为:钢纤维0.6‑1.0份,聚丙烯纤维0.5‑0.8份,碳纳米管1‑1.5份,减水剂0.5‑1份,聚乙烯醇0.18‑0.32份。先将聚丙烯纤维、碳纳米管、减水剂和聚乙烯醇加入到水中搅拌,随后将胶凝材料和集料加入搅拌,再加入钢纤维搅拌,最后浇注、振动成型即得到所述的抗冲击防腐水泥基复合材料。

Description

一种抗冲击防腐水泥基复合材料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于建筑材料技术领域,涉及一种抗冲击防腐水泥基复合材料及其制备方法。背景技术
[0002] 当混凝土材料用于水下工程时,会受到水带来的冲击以及不同有害离子物质对混凝土的侵蚀和破坏。提高混凝土的防腐性可以通过提高混凝土的憎水性、增加混凝土的抗渗透能力来解决,也可以在混凝土表面涂防腐涂料,将混凝土与周围的腐蚀介质隔离,达到防腐的目的。但这种方法工程造价较高,耐腐蚀时间短。
[0003] 因此,近来发展出在混凝土的表面包裹一层具有优良的抗冲击和抗腐蚀性的砂浆的方法,起到保护混凝土的作用。一般通过在砂浆中添加纤维改善砂浆的韧性及抗裂能力, 提高砂浆的抗冲击性能,常用的有玻璃纤维、钢纤维、碳纤维、聚丙烯纤维等。当纤维增强水泥基复合材料出现裂缝后,纤维开始逐渐承担起基体开裂处的全部载荷,从而使复合材料的极限弯曲强度得到提高,但总体来说,仅仅依靠添加纤维的方法对混凝土抗渗性能和抗冲击性能、减少微裂缝等改善有限,不能达到施工要求。发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足,提供一种抗冲击防腐水泥基复合材料及其制备方法,该水泥基复合材料具有优良的抗渗性能和抗冲击性能,可用于严酷环境下混凝土的防腐和抗冲击破坏。
[0005] 为解决上述技术问题,本发明提供的技术方案是:
[0006] 提供一种抗冲击防腐水泥基复合材料,所述抗冲击防腐水泥基复合材料由胶凝材料、集料、钢纤维、聚丙烯纤维、碳纳米管、聚乙烯醇、减水剂、水组成,其中质量比胶凝材料: 集料:水=1:0.8-1:0.26-0.32,以凝胶材料质量为100份计,以下材料质量份为:钢纤维 0.6-1.0份,聚丙烯纤维0.5-0.8份,碳纳米管1-1.5份,减水剂0.5-1份,聚乙烯醇0.18-0.32份。
[0007] 按上述方案,所述胶凝材料按重量百分比计,其原料组成如下:水泥54-60%,矿粉 15-22%,粉煤灰13-20 %,硅灰2-6 %。矿物掺合料能够改善砂浆的防腐性能,掺和料的比例对抗渗有较大影响。
[0008] 按上述方案,所述水泥为42.5R的普通硅酸盐水泥;所述矿粉为S95级矿粉,其比表面积>0.4m2/g,28d活性指数大于72 % ;所述粉煤灰为二级粉煤灰,比表面积> 1.2m2/g,28d抗压强度比>60% ;所述硅灰中二氧化硅含量不低于83%,烧失量小于5%,火山灰活性指数大于82%,比表面积不小于22m2/g。
[0009] 按上述方案,所述集料为特细砂,细度模数为1.8-0.8,平均粒径为0.025mm以下, 表观密度为2563kg/m3,含泥量不超过2.5 %。[〇〇1〇] 按上述方案,所述钢纤维长度为12-15mm,直径为0.18-0.23臟,密度7500敁/1^3,抗拉强度>2500MPm,弹性模量>200GPa,断裂延伸率〈4.0 %。[〇〇11] 按上述方案,所述聚丙烯纤维直径为20wii,长度为10-12mm,拉伸强度>630MPa,弹性模量>4.0GPa,断裂延伸率〈18 %。[〇〇12] 按上述方案,所述碳纳米管中纳米碳纤维含量>99.3 %,管径为15-20nm,长度为10-30M1,比表面积>200m2/g。纳米尺寸的纤维应用于水泥基复合材料,尤其是纳米碳纤维、 碳纳米管和石墨烯等,明显改善了水泥基复合材料的韧性。与传统的钢筋和纤维相比,纳米材料的优势在于纳米尺寸的微粒或者纤维作为增强材料,在水泥水化的开始阶段能阻止微裂缝的形成和扩展。
[0013] 按上述方案,所述聚乙烯醇固含量>99.0 %。在砂浆中添加聚合物乳胶(聚乙烯醇) 能达到提高砂浆抗冲击性能的作用,聚合物颗粒能够均匀的分布在水泥浆体中,混合物中较大空隙被有粘性的聚合物所填充。聚合物结构把水泥石连接在一起,即水泥石与聚合物交织缠绕在一起,因而改善了体系的结构形态。
[0014] 按上述方案,所述减水剂为聚羧酸减水剂,其固含量大于96%。[〇〇15] 本发明还提供上述抗冲击防腐水泥基复合材料的制备方法,其步骤如下:将胶凝材料、集料、钢纤维、聚丙烯纤维、碳纳米管、聚乙烯醇、减水剂和水按比例称重,先将聚丙烯纤维、碳纳米管、减水剂和聚乙烯醇加入到水中搅拌,随后将胶凝材料和集料加入搅拌,再加入钢纤维搅拌,最后浇注、振动成型即得到所述的抗冲击防腐水泥基复合材料。
[0016] 本发明的有益效果在于:与现有技术相比,本发明提供的抗冲击防腐水泥基复合材料通过复掺矿物掺合料(矿粉,粉煤灰,硅灰)和聚合物(聚乙烯醇),使混凝土的内部结构更加密实,从而能够有效地控制侵蚀性离子在混凝土结构中的扩散速率。另外,砂浆中加入了钢纤维、聚丙烯纤维和碳纳米管,利用传统纤维和纳米纤维合理复掺能够提高砂浆的韧性,本发明提供的抗冲击防腐水泥基复合材料具有良好的抗渗性能(28d抗渗压力达0.6-0.7MPa)和抗冲击性能(28d冲击韧性达3208.49-3450.61N • m,初裂后继续吸收能量的能力达373.13-394.57N •!!!),适用于水下等严酷环境;本发明制备方法简单,成本低廉,易于施工,采用优选的加料方式有利于复合材料成型,并且后期性能较好,能够最优化利用复掺纤维的功能。具体实施方式[〇〇17] 为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。[0〇18] 本发明实施例所用水泥为42.5R的普通硅酸盐水泥;所用矿粉为S95级矿粉,其比表面积0.5m2/g,28d活性指数为75% ;所用粉煤灰为二级粉煤灰,比表面积1.3m2/g,28d抗压强度比71 % ;所用硅灰中二氧化硅含量85%,烧失量4%,火山灰活性指数84%,比表面积 25m2/g;所用特细砂细度模数为1.1,平均粒径为0.020mm,表观密度为2563kg/m3,含泥量 2.1 % ;所用钢纤维长度为12mm,直径为0.20mm,密度7500Kg/nf3,抗拉强度2600MPm,弹性模量210GPa,断裂延伸率3.5%;所用聚丙烯纤维直径为20_,长度为1〇111111,拉伸强度65010^, 弹性模量4.5GPa,断裂延伸率15% ;所用碳纳米管中纳米碳纤维含量99.5%,管径为20nm, 长度为15譲,比表面积22〇1112/^,聚乙烯醇的固含量为99.2%,聚羧酸减水剂的固含量是 98.4%〇
[0019] 实施例1[0〇2〇]制备抗冲击防腐水泥基复合材料,其原料及用量如下:水泥270g、粉煤灰90g、矿粉 67.58、硅灰22.58、特细砂3608、钢纤维3.68、聚丙烯纤维2.78、碳纳米管5.48、聚乙烯醇 〇.9g、聚羧酸减水剂3.6g、水117g。先将聚丙烯纤维、碳纳米管、减水剂和聚乙烯醇加入到水中搅拌,随后将胶凝材料和集料加入搅拌,再加入钢纤维搅拌,最后浇注、振动成型即得到所述的抗冲击防腐水泥基复合材料(砂衆)。
[0021] 参照JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》标准对本实施例所得水泥基复合材料进行测试,砂浆的抗渗性测试结果:28d抗渗压力为0.6MPa。抗冲击性能测试结果: 28d抗冲击韧性W=3324.83N • m,初裂后继续吸收能量的能力AW=386.28N • m。[〇〇22] 实施例2[〇〇23]制备抗冲击防腐水泥基复合材料,其原料及用量如下:水泥261g、粉煤灰81g、矿粉 81g、硅灰27g、特细砂360g、钢纤维3.15g、聚丙烯纤维2.25g、碳纳米管4.5g、聚乙烯醇1.5g、 减水剂3.15g、水117g。先将聚丙烯纤维、碳纳米管、减水剂和聚乙烯醇加入到水中搅拌,随后将胶凝材料和集料加入搅拌,再加入钢纤维搅拌,最后浇注、振动成型即得到所述的抗冲击防腐水泥基复合材料(砂衆)。
[0024] 参照JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》标准对本实施例所得水泥基复合材料进行测试,砂浆的抗渗性测试结果:28d抗渗压力为0.7MPa。抗冲击性能测试结果: 28d抗冲击韧性W=3450.61N • m,初裂后继续吸收能量的能力AW=394.57N • m。[0〇25] 实施例3[〇〇26]制备抗冲击防腐水泥基复合材料,其原料及用量如下:水泥252g、粉煤灰85.5g、矿粉90g、硅灰27g、特细砂450g、钢纤维4.05g、聚丙烯纤维2.25g、碳纳米管5.4g、聚乙烯醇 1.13g、减水剂2.7g、水144g。先将聚丙烯纤维、碳纳米管、减水剂和聚乙烯醇加入到水中搅拌,随后将胶凝材料和集料加入搅拌,再加入钢纤维搅拌,最后浇注、振动成型即得到所述的抗冲击防腐水泥基复合材料(砂衆)。[〇〇27] 参照JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》标准对本实施例所得水泥基复合材料进行测试,砂浆的抗渗性测试结果:28d抗渗压力为0.6MPa。抗冲击性能测试结果: 28d抗冲击韧性W=3208.49N • m,初裂后继续吸收能量的能力AW=373.13N • m。
[0028] 实施例4[〇〇29]制备抗冲击防腐水泥基复合材料,其原料及用量如下:水泥243g、粉煤灰90g、矿粉 90g、娃灰27g、特细砂450g、钢纤维4.5g、聚丙稀纤维3.15g、碳纳米管4.5g、聚乙稀醇1.35g、 减水剂3.15g、水144g。先将聚丙烯纤维、碳纳米管、减水剂和聚乙烯醇加入到水中搅拌,随后将胶凝材料和集料加入搅拌,再加入钢纤维搅拌,最后浇注、振动成型即得到所述的抗冲击防腐水泥基复合材料(砂衆)。
[0030] 参照JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》标准对本实施例所得水泥基复合材料进行测试,砂浆的抗渗性测试结果:28d抗渗压力为0.7MPa。抗冲击性能测试结果: 28d抗冲击韧性W=3292.16N • m,初裂后继续吸收能量的能力AW=379.45N • m。[〇〇31] 实施例5[〇〇32]制备抗冲击防腐水泥基复合材料,其原料及用量如下:水泥270g、粉煤灰58.5g、矿粉99g、娃灰22.5g、特细砂450g、钢纤维4.lg、聚丙稀纤维3.15g、碳纳米管4.7g、聚乙稀醇1.28g、减水剂3.15g、水144g。先将聚丙烯纤维、碳纳米管、减水剂和聚乙烯醇加入到水中搅拌,随后将胶凝材料和集料加入搅拌,再加入钢纤维搅拌,最后浇注、振动成型即得到所述的抗冲击防腐水泥基复合材料(砂衆)。[〇〇33] 参照JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》标准对本实施例所得水泥基复合材料进行测试,砂浆的抗渗性测试结果:28d抗渗压力为0.7MPa。抗冲击性能测试结果: 28d抗冲击韧性W=3278.16N • m,初裂后继续吸收能量的能力A W=374.13N • m。
[0034]由以上实施例可知本发明提供的抗冲击防腐水泥基复合材料具有良好的抗渗性能(28d抗渗压力达0.6-0.7MPa)和抗冲击性能(28d冲击韧性达3208.49-3450.61N • m,初裂后继续吸收能量的能力达373.13-394.57N • m),适用于水下等严酷环境。

Claims (10)

1.一种抗冲击防腐水泥基复合材料,其特征在于:所述抗冲击防腐水泥基复合材料由 胶凝材料、集料、钢纤维、聚丙烯纤维、碳纳米管、聚乙烯醇、减水剂、水组成,其中质量比胶 凝材料:集料:水=1:0.8-1:0.26-0.32,以凝胶材料质量为100份计,以下材料质量份为:钢 纤维0.6-1.0份,聚丙烯纤维0.5-0.8份,碳纳米管1-1.5份,减水剂0.5-1份,聚乙烯醇0.18-0.32 份。
2.根据权利要求1所述的抗冲击防腐水泥基复合材料,其特征在于所述胶凝材料按重 量百分比计,其原料组成如下:水泥54-60%,矿粉15-22%,粉煤灰13-20%,硅灰2-6%。
3.根据权利要求2所述的抗冲击防腐水泥基复合材料,其特征在于所述水泥为42.5R的 普通硅酸盐水泥;所述矿粉为S95级矿粉,其比表面积>0.4m2/g,28d活性指数大于72 % ;所 述粉煤灰为二级粉煤灰,比表面积>1.2m2/g,28d抗压强度比>60%;所述硅灰中二氧化硅含 量不低于83%,烧失量小于5%,火山灰活性指数大于82%,比表面积不小于22m2/g。
4.根据权利要求1所述的抗冲击防腐水泥基复合材料,其特征在于所述集料为特细砂, 细度模数为1.8-0.8,平均粒径为0.025mm以下,表观密度为2563kg/m3,含泥量不超过 2.5%〇
5.根据权利要求1所述的抗冲击防腐水泥基复合材料,其特征在于所述钢纤维长度为 12-15mm,直径为 0.18-0.23mm,密度7500Kg/m—3,抗拉强度 >2500MPm,弹性模量 >200GPa,断裂 延伸率〈4.0%。
6.根据权利要求1所述的抗冲击防腐水泥基复合材料,其特征在于所述聚丙烯纤维直 径为20_,长度为10-12mm,拉伸强度>630MPa,弹性模量M.0GPa,断裂延伸率〈18%。
7.根据权利要求1所述的抗冲击防腐水泥基复合材料,其特征在于所述碳纳米管中纳 米碳纤维含量>99 • 3%,管径为15-20nm,长度为10-30M1,比表面积>200m2/g。
8.根据权利要求1所述的抗冲击防腐水泥基复合材料,其特征在于所述聚乙烯醇固含 量 >99.0%。
9.根据权利要求1所述的抗冲击防腐水泥基复合材料,其特征在于所述减水剂为聚羧 酸减水剂,其固含量大于96%。
10.根据权利要求1-9任一所述的抗冲击防腐水泥基复合材料的制备方法,其特征在于 步骤如下:将胶凝材料、集料、钢纤维、聚丙烯纤维、碳纳米管、聚乙烯醇、减水剂和水按比例 称重,先将聚丙烯纤维、碳纳米管、减水剂和聚乙烯醇加入到水中搅拌,随后将胶凝材料和 集料加入搅拌,再加入钢纤维搅拌,最后浇注、振动成型即得到所述的抗冲击防腐水泥基复 合材料。
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