CN106396555B - 一种基于纤维素纤维内养护的超高性能水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种基于纤维素纤维内养护的超高性能水泥基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于纤维素纤维内养护的超高性能水泥基复合材料及其制备方法,按照质量百分比,由以下组分组成:水泥20.3%~40.5%,活性矿物掺合料8.1%~25.3%,细集料32.5%~60.8%,微细钢纤维3.3%~9.8%,纤维素纤维0.3‰~0.5‰,水5.6%~8.6%,高效外加剂0.3%~0.6%。本发明提供的超高性能水泥基复合材料及其制备方法,与现有技术相比,具有浆体工作性好,抗折强度高,水泥基材料早期水化速率低,早期收缩变形小,整体水化程度高等优点。同时纤维素纤维对水泥基材料的后期抗压强度影响较小,但能够提高后期力学性能和耐久性。

Description

一种基于纤维素纤维内养护的超高性能水泥基复合材料及其 制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于纤维素纤维内养护的超高性能水泥基复合材料及其制备方法,属于建筑材料或基础工程建设领域。
背景技术
超高性能水泥基复合材料有优异的力学性能和耐久性能,可以用于严酷环境下的设施工程,军事防御设施、大跨径桥箱梁等领域。超高性能水泥基复合材料为了达到更加致密的基体结构,水泥的需求量较大,同时要控制自由水的用量以减少孔隙结构和内部缺陷。大量的胶凝材料以及极低的水胶比,造成超高性能水泥基复合材料早期水化速率较快,伴随着较为明显的早期收缩变形;同时材料整体水化程度不高,在中后期龄期时,基体中仍然存在大量未水化水泥颗粒,遇水会迅速发生水化反应,引起体积膨胀,导致结构破坏。因此,控制早期收缩变形,以及中后期的防水性能,是超高性能水泥基复合材料在实际应用中急需解决的问题。
内养护效应通常指内养护材料通过自身特性吸收额外的自由水,并在水泥水化的过程中持续的提供反应所需的自由水,形成从内部进行养护的效果。内养护效应能够控制早期水化速率,延长胶凝材料的水化反应时间,尤其在中后期龄期时促进内部水化反应的持续进行,优化基体的微观结构和水化产物。超高性能水泥基复合材料利用内养护效应,可以减缓早期水化反应速率,降低材料早期的收缩变形;同时延长胶凝材料的水化反应时间,提高胶凝材料的整体水化程度,填充基体的微小孔隙和内部缺陷,使基体的结构更加密实,并提高基体的防水性能和耐久性能。
目前用于水泥基材料的内养护材料有很多种,其中应用最广的是超吸水树脂(SAP),其成本低,吸水率高,虽然用在普通水泥基材料中具有明显的内养护效应,但SAP树脂在失水后存在明显的体积收缩,会在超高性能水泥基材料的基体中留下大量空隙,影响后期强度和耐久性能,因此在超高性能水泥基材料中较少使用。国外也有少数科研机构采用造纸废液中的微米级长度纤维素纤维作为内养护组分掺入水泥基复合材料中的实验室研究案例,但是由于该纤维素纤维的力学性能很低且尺度太小,虽然可以起到内养护的作用,但是却无法对超高性能水泥基复合材料基体的早期开裂和后期耐久性能发挥较大效果。此外,稻壳灰虽然表面多孔的结构能够吸附部分自由水,但是其吸水率不高,内养护效应不明显,常作为矿物掺合料用于超高性能水泥基材料的制备当中。因此,寻求一种适用于超高性能水泥基复合材料的内养护组分,是无法参考或直接使用普通水泥基复合材料所用的一些现有内养护材料,要求这种内养护组分必须吸水率高、具有毫米级长度、可以实现对长龄期时超高性能水泥基复合材料的内养护效应,而且更重要的是内养护组分自身必须具有一定的力学性能,并必须保证该组分的掺入不但不会削弱超高性能水泥基复合材料原有的工作性能、力学性能和耐久性,还可以提升其早期抗裂和后期耐久性。如何科学设计满足上述技术要求的内养护超高性能水泥基复合材料及其制备工艺,是本专利的创新点所在,这是无法通过参考其他现有内养护材料和内养护水泥基复合材料的设计方法与制备工艺进行推演或试验就可以达到的目标。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于纤维素纤维内养护的超高性能水泥基复合材料及其制备方法,利用毫米级长度的中低弹模纤维素纤维作为内养护纤维,制备内养护超高性能水泥基复合材料,利用纤维素纤维的内养护效应降低超高性能水泥基复合材料的早期收缩变形,以提高基体水化程度和结构密实程度,同时使基体的抗折力学性能和耐久性进一步加强。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种基于纤维素纤维内养护的超高性能水泥基复合材料,按照质量百分比,由以下组分组成:
优选的,所述水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥,水泥的强度等级为P·II52.5及以上。
优选的,所述的活性矿物掺合料具有火山灰反应活性,颗粒直径尺寸在100μm以下。
优选的,所述的活性矿物掺合料为F级粉煤灰、偏高岭土、硅灰、稻壳灰、磨细高炉矿渣、天然火山灰、轻质钙粉中的其中两种或三种组成的胶凝材料体系。
优选的,所述的细集料为最大粒径不超过4.75mm的普通河砂,连续级配,细度模数为2.3~3。
优选的,所述的微细钢纤维为平均当量直径小于0.25mm,平均长度小于15mm,抗拉强度大于2000MPa的镀铜微细钢纤维。
优选的,所述的纤维素纤维为平均当量直径小于20μm,平均长度2.5mm,极限抗拉强度在600~900MPa的纤维素纤维。
优选的,所述的高效外加剂为减水率在40%以上的聚羧酸系减水剂。
一种上述的基于纤维素纤维内养护的超高性能水泥基复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)先将水、细集料和纤维素纤维加入到搅拌机中,转速110~130rpm,搅拌20~35min;
(2)依次再向搅拌机中加入水泥、活性矿物掺合料、高效外加剂,转速55~65rpm,搅拌3~5min,至形成浆体;
(3)向浆体中缓慢加入微细钢纤维,在转速55~65rpm下搅拌2~3min,再于转速110~130rpm下搅拌1~2min;
(4)将砂浆倒入成型模具中,振动60~100次,静置24h以后拆模,养护,得到所述超高性能水泥基复合材料。
有益效果:本发明于现有技术相比,具有以下优点:
(1)能够改善超高性能水泥基复合材料的早期收缩变形,提高基体的水化程度,优化孔隙结构,增强基体的防水性能和耐久性能;
(2)使用的纤维素纤维成本低,易于获得,且总体掺量不高;
(3)纤维素纤维对基体的力学性能不会产生不良影响。与同配合比的素水泥基复合材料相比,掺加了纤维素纤维后,基体的抗压强度基本保持不变,抗折强度还有小幅度提升。
具体实施方式
本发明的一种基于纤维素纤维内养护效应的超高性能水泥基复合材料,按照质量百分比,由以下组分组成:
其中,水泥为强度等级为P·II 52.5及其以上的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥;
活性矿物掺合料具有火山灰反应活性,颗粒尺寸在100μm以下,可以为F级粉煤灰、偏高岭土、硅灰、稻壳灰、磨细高炉矿渣、天然火山灰、轻质钙粉等的其中两种或三种组成的胶凝材料体系;
细集料为最大粒径不超过4.75mm的普通河砂,连续级配,细度模数为3~2.3;
微细钢纤维为平均当量直径小于0.25mm,平均长度小于15mm,抗拉强度大于2000MPa的镀铜微细钢纤维。
纤维素纤维为平均当量直径小于20μm,平均长度2.5mm,极限抗拉强度在600~900MPa的纤维素纤维。
高效外加剂为减水率在40%以上的聚羧酸系减水剂。
上述的基于纤维素纤维内养护的超高性能水泥基复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)先将水、细集料和纤维素纤维加入到搅拌机中,转速110~130rpm,搅拌20~35min;
(2)依次再向搅拌机中加入水泥、活性矿物掺合料、高效外加剂,转速55~65rpm,搅拌3~5min,至形成浆体;
(3)向浆体中缓慢加入微细钢纤维,在转速55~65rpm下搅拌2~3min,再于转速110~130rpm下搅拌1~2min;
(4)将砂浆倒入成型模具中,振动60~100次,静置24h以后拆模,养护,得到所述超高性能水泥基复合材料。
下面以下实施例,对本发明做进一步说明。
实施例1:
其中,水泥为P·I 52.5硅酸盐水泥;矿物掺合料包括F级粉煤灰13.1%,硅灰4.3%和轻质钙粉4.3%;细集料为最大粒径是2.36mm的普通河砂,连续级配,细度模数2.6;微细钢纤维直径0.2mm,长度13mm,极限抗拉强度2850MPa;纤维素纤维单丝直径18μm,平均长度2.1mm,极限抗拉强度800MPa;高效外加剂为减水率为40%的聚羧酸系减水剂。
上述组分按照前述工艺制备得到的超高性能水泥基复合材料,标准养护28d后的性能如下:
抗折强度47.8MPa,抗压强度125.5MPa,自收缩应变148.9×10-6
实施例2:
其中,水泥为P·I 52.5硅酸盐水泥;矿物掺合料包括偏高岭土12.0%,稻壳灰4.0%;细集料为最大粒径是2.50mm的普通河砂,连续级配,细度模数2.4;微细钢纤维直径0.25mm,长度12mm,极限抗拉强度2380MPa;纤维素纤维单丝直径10μm,平均长度1.8mm,极限抗拉强度900MPa;高效外加剂为减水率为40%的聚羧酸系减水剂。
上述组分按照前述工艺制备得到的超高性能水泥基复合材料,标准养护28d后的性能如下:
抗折强度46.7MPa,抗压强度128.4MPa,自收缩应变130×10-6
实施例3:
其中,水泥为P·I 52.5硅酸盐水泥;矿物掺合料包括磨细高炉矿渣10.3%、天然火山灰10%;细集料为最大粒径是4.75mm的普通河砂,连续级配,细度模数2.8;微细钢纤维直径0.2mm,长度14mm,极限抗拉强度27850MPa;纤维素纤维单丝直径18μm,平均长度2.1mm,极限抗拉强度900MPa;高效外加剂为减水率为40%的聚羧酸系减水剂。
实施例4:
其中,水泥为P·I 52.5硅酸盐水泥;矿物掺合料包括F级粉煤灰20.5%、天然火山灰20%;细集料为最大粒径是3.55mm的普通河砂,连续级配,细度模数2.6;微细钢纤维直径0.2mm,长度13mm,极限抗拉强度2800MPa;纤维素纤维单丝直径18μm,平均长度2.1mm,极限抗拉强度600MPa;高效外加剂为减水率为40%的聚羧酸系减水剂。
实施例5:
其中,水泥为P·I 52.5硅酸盐水泥;矿物掺合料包括硅灰10.3%、磨细高炉矿渣10%;细集料为最大粒径是2.55mm的普通河砂,连续级配,细度模数2.4;微细钢纤维直径0.2mm,长度13mm,极限抗拉强度2850MPa;纤维素纤维单丝直径18μm,平均长度2.1mm,极限抗拉强度600MPa;高效外加剂为减水率为40%的聚羧酸系减水剂。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于纤维素纤维内养护的超高性能水泥基复合材料,其特征在于:按照质量百分比,由以下组分组成:
水泥 20.3% ~ 40.5%
活性矿物掺合料 8.1% ~ 25.3%
细集料 32.5% ~ 60.8%
微细钢纤维 3.3% ~ 9.8%
纤维素纤维 0.3‰ ~ 0.5‰
水 5.6% ~ 8.6%
高效外加剂 0.3% ~ 0.6%
所述的微细钢纤维为平均当量直径小于0.25 mm,平均长度小于 15 mm,抗拉强度大于2000 MPa的镀铜微细钢纤维;
所述的纤维素纤维为平均当量直径小于 20 μm,平均长度小于2.5 mm,极限抗拉强度在600 ~ 900 MPa的纤维素纤维。
2.根据权利要求1所述的基于纤维素纤维内养护的超高性能水泥基复合材料,其特征在于:所述水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥,水泥的强度等级为P▪II 52.5及以上。
3.根据权利要求1所述的基于纤维素纤维内养护的超高性能水泥基复合材料,其特征在于:所述的活性矿物掺合料具有火山灰反应活性,颗粒直径尺寸在100 μm以下。
4.根据权利要求3所述的基于纤维素纤维内养护的超高性能水泥基复合材料,其特征在于:所述的活性矿物掺合料为F级粉煤灰、偏高岭土、硅灰、稻壳灰、磨细高炉矿渣、天然火山灰、轻质钙粉中的其中两种或三种组成的胶凝材料体系。
5.根据权利要求1所述的基于纤维素纤维内养护的超高性能水泥基复合材料,其特征在于:所述的细集料为最大粒径不超过4.75 mm的普通河砂,连续级配,细度模数为2.3~ 3。
6.根据权利要求1所述的基于纤维素纤维内养护的超高性能水泥基复合材料,其特征在于:所述的高效外加剂为减水率在40%以上的聚羧酸系减水剂。
7.一种如权利要求1-6任一所述的基于纤维素纤维内养护的超高性能水泥基复合材料的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)先将水、细集料和纤维素纤维加入到搅拌机中,转速110~130 rpm,搅拌20 ~ 35min;
(2)依次再向搅拌机中加入水泥、活性矿物掺合料、高效外加剂,转速55~65 rpm,搅拌3~5 min,至形成浆体;
(3)向浆体中缓慢加入微细钢纤维,在转速55~65 rpm下搅拌2~3 min,再于转速110~130 rpm下搅拌1~2 min;
(4)将砂浆倒入成型模具中,振动60~100次,静置24 h以后拆模,养护,得到所述超高性能水泥基复合材料。
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