CN106799788A - 定向分布钢纤维水泥基材料及其制备方法和装置 - Google Patents

定向分布钢纤维水泥基材料及其制备方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种定向分布钢纤维水泥基材料及其制备方法和装置，属于建筑材料领域，其中制备方法为将水泥基浆体装入所需模具中，所述的水泥基浆体中含有具有铁磁性能的钢纤维，将所述的模具在真空的密闭定向磁场空间中振动排气后养护得到超致密水泥基材料。本发明方法有效提高水泥基材料的密实性、韧性和抗冲击性能，大大提高水泥基材料的服役性能。

Description

定向分布钢纤维水泥基材料及其制备方法和装置
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种定向分布钢纤维水泥基材料及其制备方法和装置。
背景技术
混凝土材料的力学性能和耐久性能主要是由其微观结构决定的。当混凝土中含有气孔或裂纹时，响应的混凝土的力学性能和耐久性能将比无缺陷的混凝土低。现有水泥基材料通常由集料、未水化的水泥熟料颗粒、水化产物、水和少量空气组成。水泥基材料水化一段时间后，在自干燥作用下，原来水分占据的空间也变成孔隙，因此水泥基材料中的孔隙网络主要由水和空气占据的空间组成。为提高水泥基材料的密实性，需要尽可能的消除材料内部的孔洞等缺陷，提高致密程度，从而增加材料的力学性能和耐久性能。
加入钢纤维被认为是有效防止水泥基材料开裂的方法之一。但是乱向分布的钢纤维并不能完全发挥作用，只有有效桥接裂纹尖端的钢纤维才有作用。现有的通过磁场条件使钢纤维材料的方向定向的方法制备的水泥基材料无法同时实现控裂与超致密，且现有技术在制备过程中容易导致浆体粘黏到制备腔体中，无法清理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种定向分布钢纤维水泥基材料及其制备方法和装置，本发明方法可以有效提高水泥基材料的密实性、韧性和抗冲击性能，大大提高水泥基材料的服役性能。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一方面，本发明实施例提供一种定向分布钢纤维水泥基材料的制备方法，将水泥基浆体装入所需模具中，所述的水泥基浆体中含有具有铁磁性能的钢纤维，将所述的模具在真空的密闭定向磁场空间中振动排气后养护得到超致密水泥基材料。
进一步的，所述的密闭空间内表面设置有不粘涂层。
进一步的，所述的不粘涂层材质为聚四氟乙烯、有机硅不粘涂料或油性氟涂料。
进一步的，所述的真空的相对真空度为-0.09～0。
另一方面，本发明实施例提供了一种水泥基材料，由上述的制备方法制备而得；所述的定向分布钢纤维水泥基材料抗渗等级在P20以上，韧性指数I5、I10和I20分别不小于5、10和20，所述的水泥基材料中包括具有铁磁性性能的金属或无机非金属材料。
另一方面，本发明实施例还提供一种定向分布钢纤维水泥基材料的制备装置，包括：
模具，其用于装载水泥基浆体；
密闭腔体，其用于为水泥基浆体排气提供密闭空间；所述密闭腔体上设置有线圈，所述的线圈与直流电源连接，用于为所述的密闭腔体提供磁场；
抽真空装置，其与所述的密闭腔体连通；
振动台。
进一步的，所述的密闭腔体内表面设置有不粘涂层。
进一步的，所述的不粘涂层材质为聚四氟乙烯、有机硅不粘涂料或油性氟涂料。
进一步的，所述的密闭腔体上设置有真空阀门和真空压力表。
进一步的，所述的密闭腔体上设置有观察窗。
与现有技术相比，本发明定向分布钢纤维水泥基材料及其制备方法和装置至少具有如下有益效果：
本发明方法中，采用定向磁场可以使钢纤维定向分布，有效桥接裂纹尖端的钢纤维增加，实现水泥基材料的高韧性和高抗冲击性能，大大提高水泥基材料的服役性能。
常规振捣工艺下气泡难以顺利排出，使得水泥基材料的密实性很难继续提高振动，本发明方法振捣过程采用抽真空处理，可以有效提高水泥基材料的密实性；
现有密闭腔体内壁会粘有大量水泥基材料，难以去除，造成腔体空间越来越小和水泥基材料的浪费；本发明装置中的腔体内壁增加了不粘涂层，可以有效防止水泥基材料的粘黏，从而减少了材料的浪费，并且保证了腔体内壁的洁净。
附图说明
图1为本发明定向分布钢纤维水泥基材料及其制备方法和装置中定向分布钢纤维水泥基材料制备装置结构示意图；
图2为本发明定向分布钢纤维水泥基材料及其制备方法和装置中真空阀门结构示意图；
图3为本发明定向分布钢纤维水泥基材料及其制备方法和装置中螺线管内部结构示意图；
图4为本发明定向分布钢纤维水泥基材料及其制备方法和装置中养护28d后实施例1混凝土的抗渗等级；
图5为本发明定向分布钢纤维水泥基材料及其制备方法和装置中养护28d后混凝土的位移-荷载曲线；
图6为本发明定向分布钢纤维水泥基材料及其制备方法和装置中对比例1混凝土的抗渗等级；
图7为本发明定向分布钢纤维水泥基材料及其制备方法和装置中对比例1混凝土的位移-荷载曲线；
图8为本发明定向分布钢纤维水泥基材料及其制备方法和装置中养护28d后实施例2混凝土的抗渗等级；
图9为本发明定向分布钢纤维水泥基材料及其制备方法和装置中养护28d后实施例2混凝土的位移-荷载曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明方案做进一步阐述，应当理解，具体实施例是为了方便本发明方案的理解，并不作为本发明保护范围的限定。
一种定向分布钢纤维水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：将水泥基浆体装入所需模具中，所述的水泥基浆体中含有具有铁磁性能的钢纤维，将所述的模具在真空的密闭定向磁场空间中振动排气后养护得到超致密水泥基材料。
这里要说明的是：定向磁场可以使钢纤维在水泥基材料中定向分布，真空条件可以将水泥基浆体中的气泡顺利排出，从而实现水泥基材料的超致密、高韧性和高抗冲击性能，大大提高水泥基材料的服役性能。
以上技术方案已经可以达到提高水泥基材料的服役性能的目的，下面在此基础上给出优选方案。
作为优选，所述的密闭空间内表面设置有不粘涂层。
这里要说明的是：不粘涂层可以有效防止水泥基材料的粘黏，从而减少了材料的浪费，并且保证了密闭空间内壁的洁净。对不粘涂层的具体材质不做限定，优选材质为聚四氟乙烯、有机硅不粘涂料或油性氟涂料。
这里真空度为-0.09～0，作为优选，所述的真空的相对真空度为-0.08～-0.02。
这里要说明的是：真空度过高会对设备的要求很高，且很难达到，过高的真空度对水泥基材料的致密性的影响并不明显，再提高真空度得不偿失；真空度过低则不能将内部气体顺利排出，致密性得不到保证。
上述方法制备的水泥基材料同时具有高韧性和超致密性，抗渗等级在P20以上，韧性指数I5、I10和I20分别不小于5、10和20。所述钢纤维为具有铁磁性性能材料制成的纤维，材料组成中含有但不限于铁、钴、镍、钆等的单质及含有它们中一种或几种的合金，或其它具有铁磁性性能的无机非金属材料。所述钢纤维的形状包括但不限于弯钩形、波纹形、竖直形等。
一种定向分布钢纤维水泥基材料的制备装置，包括：
模具，其用于装载水泥基浆体；
密闭腔体，其用于为水泥基浆体排气提供密闭空间；所述密闭腔体上设置有线圈，所述的线圈与直流电源连接，用于为所述的密闭腔体提供磁场；
抽真空装置，其与所述的密闭腔体连通；
振动台。
这里要说明的是：抽真空装置可以保证密闭腔体的真空度，保证水泥基材料内部气体有效排出。
作为优选，所述的密闭腔体内表面设置有不粘涂层。
作为优选，所述的不粘涂层材质为聚四氟乙烯、有机硅不粘涂料或油性氟涂料。
作为优选，所述的密闭腔体上设置有真空阀门和真空压力表。
这里要说明的是：真空阀门和真空压力表可以保证腔体内真空度的实时监测和控制，保证振捣过程中真空度的稳定性，从而保证水泥基材料的致密性。
作为优选，所述的密闭腔体上设置有观察窗。
这里要说明的是：通过观察窗可实时观察腔体内振捣中水泥基浆体的状态，方便随时对振捣过程调节和控制，保证制备过程的顺利进行。
这里对真空压力表、真空阀门和观察窗等的具体为止不做具体限定，可以根据具体的需要选择合适的位置。
图1为定向分布钢纤维水泥基材料制备装置结构示意图；如图1所示，制备装置包括真空泵1；软管2；真空压力表3；线圈4；螺线管5；支架6；电流调节阀7；变压器8；真空阀门9；手轮10。所述真空泵1通过软管2与螺线管5相连，真空压力表3与螺线管5的一端相连，软管2、螺线管5的一端和真空压力表为三通结构。所述螺线管5上定向缠绕有线圈4，且有支架6。螺线管5的另一端有真空阀门9和手轮10。所述线圈4与变压器8相连，所述变压器8上有电流调节阀7。
图2为真空阀门结构示意图，如图2所示，所述真空阀门9由盖板92、闭封圈93和透明观察板94和阀门栓95组成，并通过合页91与螺线管5相连接。
图3为螺线管内部结构示意图，如图3所示，所述螺线管5内腔喷涂有不粘涂层52，所述螺线管5内腔内还放置有搁板51，所述搁板51可以自由抽出和放入。
实施例1
一种定向分布钢纤维水泥基材料的方法，包括如下步骤：
(1)按照水泥:水:河砂:碎石:粉煤灰:外加剂＝1:0.45:1.87:2.7:0.3:0.02比例准确称取制备30L混凝土所需的材料，加入体积掺量为1％的波浪形钢纤维，然后将材料在强制搅拌机内混合均匀。
(2)将新拌混凝土装入100*100*400cm3的模具中，并填满。
(3)将新拌混凝土连同模具放入真空钢纤维制备设备的腔体中，并将所述真空钢纤维制备设备置于振动台上；
(4)关闭真空阀门9，旋转手轮10使真空阀门9紧闭，开启真空泵1，开启振动台并使变压器8接通电源，时新拌混凝土浆体在-0.04的真空度下保持振动30s，排出气泡，形成超致密的结构。外加磁场强度为0.1T，在磁场作用下具有铁磁性的纤维定向排列，最终形成钢纤维定向分布的超致密水泥基材料。
(5)振动结束后，旋转手轮10，待真空度为0后打开真空阀门9，取出装有水泥基材料的模具并送入相对湿度大于95％，温度为20±2℃的环境下养护至28天。
(6)如图4所示，养护结束后测试混凝土的抗渗等级均达到了P50，说明混凝土具有超高抗渗能力，实现了超致密化。如图5所示，与普通混凝土(不加钢纤维也不采用真空致密)相比，实施例1混凝土的荷载-位移曲线证明混凝土具有高韧性，表明实施例1混凝土同时实现了超致密和高韧性。
对比例1
作为对比，仅使钢纤维在固定磁场中定向分布，取消真空密实过程带来的超致密化效应。
(1)按照水泥:水:河砂:碎石:粉煤灰:外加剂＝1:0.45:1.87:2.7:0.3:0.02比例准确称取制备30L混凝土所需的材料，加入体积掺量为1％的波浪形钢纤维，然后将材料在强制搅拌机内混合均匀。
(2)将新拌混凝土装入100*100*400cm3的模具中，并填满。
(3)将新拌混凝土连同模具放入真空钢纤维制备设备的腔体中，并将所述真空钢纤维制备设备置于振动台上；
(4)开启振动台并使变压器8接通电源，外加磁场强度为0.1T，振动30s，在磁场作用下具有铁磁性的纤维定向排列，最终形成钢纤维定向分布的水泥基材料。
(5)振动结束后，将装有水泥基材料的模具放入相对湿度大于95％，温度为20±2℃的环境下养护至28天。
(6)如图6所示，养护结束后测试混凝土的抗渗等级均达到了P35，说明混凝土具有抗渗能力尚可，但与实施例1相比并未实现超致密化。如图7所示，对比例1混凝土的荷载-位移曲线证明混凝土具有高韧性，表明通过外加磁场对比例1混凝土基本实现了高韧性。
实施例2
一种定向分布钢纤维水泥基材料的方法，包括如下步骤：
(1)表1为本实施例的混凝土配合比，按照表1准确称取称取制备30L混凝土所需的材料，加入体积掺量为1.5％的弯钩形钢纤维，然后将材料在强制搅拌机内混合均匀。
表1混凝土配合比
减水剂/％
280 147.4 35 70 694 1180 1
(2)将新拌混凝土装入100*100*400cm3的模具中，并填满。
(3)将新拌混凝土连同模具放入真空钢纤维制备设备的腔体中，并将所述真空钢纤维制备设备置于振动台上；
(4)关闭真空阀门9，旋转手轮10使真空阀门9紧闭，开启真空泵1，开启振动台并使变压器8接通电源，时新拌混凝土浆体在-0.06的真空度下保持振动40s，排出气泡，形成超致密的结构。外加磁场强度为0.3T，在磁场作用下具有铁磁性的纤维定向排列，最终形成钢纤维定向分布的超致密水泥基材料。
(5)振动结束后，旋转手轮10，待真空度为0后打开真空阀门9，取出装有水泥基材料的模具并送入相对湿度大于95％，温度为20±2℃的环境下养护至28天。
(6)从图8可看出，养护结束后测试混凝土的抗渗等级均达到了P60，说明提高振动时间后混凝土具有了超高抗渗能力，实现了超致密化。从图9可看出，实施例2混凝土的荷载-位移曲线证明混凝土具有高韧性，提高纤维掺量和磁场强度后韧性同时提高，表明本实施例混凝土同时实现了超致密和高韧性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种定向分布钢纤维水泥基材料的制备方法，其特征在于，将水泥基浆体装入所需模具中，所述的水泥基浆体中含有具有铁磁性能的钢纤维，将所述的模具在真空的密闭定向磁场空间中振动排气后养护得到超致密水泥基材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的密闭空间内表面设置有不粘涂层。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的不粘涂层材质为聚四氟乙烯、有机硅不粘涂料或油性氟涂料。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的真空的相对真空度为-0.09～0。
5.一种定向分布钢纤维水泥基材料，其特征在于，所述的水泥基材料由权利要求1-4任一项所述的制备方法制备而得；所述的定向分布钢纤维水泥基材料抗渗等级在P20以上，韧性指数I5、I10和I20分别不小于5、10和20，所述的水泥基材料中包括具有铁磁性性能的金属或无机非金属材料。
6.一种定向分布钢纤维水泥基材料的制备装置，其特征在于，包括：
模具，其用于装载水泥基浆体；
密闭腔体，其用于为水泥基浆体排气提供密闭空间；所述密闭腔体上设置有线圈，所述的线圈与直流电源连接，用于为所述的密闭腔体提供磁场；
抽真空装置，其与所述的密闭腔体连通；
振动台。
7.根据权利要求6所述的定向分布钢纤维水泥基材料的制备装置，其特征在于，所述的密闭腔体内表面设置有不粘涂层。
8.根据权利要求7所述的定向分布钢纤维水泥基材料的制备装置，其特征在于，所述的不粘涂层材质为聚四氟乙烯、有机硅不粘涂料或油性氟涂料。
9.根据权利要求6所述的定向分布钢纤维水泥基材料的制备装置，其特征在于，所述的密闭腔体上设置有真空阀门和真空压力表。
10.根据权利要求6所述的定向分布钢纤维水泥基材料的制备装置，其特征在于，所述的密闭腔体上设置有观察窗。
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