CN106927780B - 一种磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料领域，特别涉及一种涉及磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料及其制备方法，可用于建筑结构、路桥水利等工程的水泥快速修补材料。所述的复合材料是由以下原料按重量百分比配比组成：砂子40%‑60%，氧化镁20%‑40%，磷酸二氢铵5%‑15%，磷酸二氢钾3%‑5%，偏高岭土5%‑8%，空心聚丙烯纤维0.5%‑1%，粉煤灰2%‑10%，缓凝剂0.5%‑2%，减水剂0.05%‑0.5%，三聚磷酸钠0.02%‑0.2%，水8%‑12%。该低温复合材料材料是一种成本低，便于加工、储运，具有超韧性、快凝、强度高、抗裂性能好、抗热应力、耐低温、修补1小时即可快速通车的水泥修补材料。
Description
技术领域
本发明属于复合材料领域，特别涉及一种涉及磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料及其制备方法，可用于建筑结构、路桥水利等工程的水泥快速修补材料。
背景技术
水泥混凝土地面是一种刚度大、扩散荷载能力强、稳定性好的地面结构，在世界上各工业发达国家，水泥混凝土地面与环氧树脂地面两种结构一直同步发展，都各有所长。许多国家对水泥混凝土地面的修筑技术一直在进行研究和总结，取得了很多成果，并得到了广泛的应用，特别是在大型厂房、地下冷库的重大建筑结构中，水泥混凝土地面得到更广泛的应用。
但是，水泥混凝土路面的病害是一个普遍存在的问题，由于搬运活荷载的反复作用及各种环境因素的不断影响，加之设计、施工和养护等诸多因素，在使用过程中不可避免的会产生病害，如各种裂缝、接缝破碎、坑洞、麻面等。水泥混凝土地面出现病害后，需及时修复。由于水泥混凝土地面的大面积修补存在一定难度，特别是地面处于低温环境下，混凝土地面的大面积修补难度更大，而且修补完的材料需要很长时间才能实现通车使用。其他磷酸盐水泥基复合材料虽然在已有的基础上得到了改善，但是在低温环境中无法实现1小时快速通车的需求，他们在低温环境中的水化反应将会变得非常滞缓，磷酸盐水泥基材料是一种愈反应愈剧烈的材料，但是如果达不到反应所需的温度，强度将达不到要求。本发明材料成分里面含有氧化镁、磷酸二氢铵和偏高岭土，可以实现二次放热高峰，从而保证磷酸盐水泥基达到正常的强度要求。到目前为止，还没有一套经济快速、适应性强而成熟的修补方法来处理低温环境下混凝土地面的修补，其根本原因是在于没有一种性能理想，工艺合理的修补材料来应对混凝土地面的各种病害问题。
综上所述，研制开发一种综合性能优越，并且可在低温环境下达到混凝土地面修补目的的材料，显得尤为重要。
发明内容
针对上述混凝土地面存在的技术问题，并结合国家对于新型建筑材料的需求，本发明的目的在于提供一种磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料及其制备方法，该低温复合材料材料是一种成本低，便于加工、储运，具有超韧性、快凝、强度高、抗裂性能好、抗热应力、耐低温、修补1小时即可快速通车的水泥修补材料。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料，是由以下原料按重量百分比配比组成：砂子40%-60%，氧化镁20%-40%，磷酸二氢铵5%-15%，磷酸二氢钾3%-5%，偏高岭土5%-8%，空心聚丙烯纤维0.5%-1%，粉煤灰2%-10%，缓凝剂0.5%-2%，减水剂0.05%-0.5%，三聚磷酸钠0.02%-0.2%，水8%-12%。
所述的砂子采用中砂，其细度模数为2.5，含泥量为0.8%，无泥块，表观密度为2700kg/m3。
所述的粉煤灰为高钙粉煤灰。
所述的缓凝剂为硼砂。
所述的减水剂为聚羧酸系高性能减水剂。
为了实现上述目的，本发明还提供该低温复合材料的制备方法，具体为按原料所需配比依次称取氧化镁、磷酸二氢铵、缓凝剂、磷酸二氢钾、粉煤灰、减水剂、三聚磷酸钠、偏高岭土和砂子，置于搅拌机的搅拌筒内，以45r/min匀速搅拌5-10分钟，直至这些材料搅拌均匀为止；将所需重量的水缓慢加入到搅拌筒内，然后持续搅拌1-2分钟，直到形成均匀的流动性较好的糊状浆体为止；然后加入所需重量的空心聚丙烯纤维，持续搅拌30s，即得磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料。
本发明的有益效果是。
本发明所选用的各原料的特性要求及分析如下：氧化镁是在2000℃高温下锻造而成的，呈粉末状，颜色显棕黄色，比表面积为2700cm2/g，本发明所采用的氧化镁是特意定制的，煅烧时间、煅烧温度、包括煅烧炉内氧化镁的位置都决定了氧化镁性能的差异，它作为磷酸盐水泥基的核心材料，对本发明能否应用于低温环境中起着决定性的作用，主要起增强材料的密实度、抗热应力和抗冻能力；磷酸二氢铵为普通市售的磷酸二氢铵，它是磷酸盐水泥基的另一个核心材料，磷酸盐水泥之所以能够短时间内凝结变硬，主要是氧化镁和磷酸二氢铵的水化反应；磷酸二氢钾为白色结晶或无定形白色粉末，易溶于水，水溶液呈微碱性，它在本发明中和磷酸二氢铵作用类似，能够与氧化镁反应生成鸟粪石，适当的加入有利于提升磷酸盐混凝土强度；偏高岭土是以高岭土为原料，在适当温度下（600-900℃）经脱水形成的无水硅酸铝，呈土黄色粉状体，它是一种高活性矿物掺合料，是超细高岭土经过低温煅烧而形成的无定型硅酸铝，具有很高的火山灰活性，主要用于改善磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料的耐腐蚀、耐酸碱、耐低温性能，它在改善混凝土性能的同时能够形成第二次放热高峰，它能够提高磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料的水化热，使其反应过程中水化热达到70℃，而一般的混凝土化热只能达到30℃，所以它可以应付各种低温恶劣环境；空心聚丙烯纤维外观为白色絮状物、无味、无毒、轻质、半透明、手感柔和，空心率为50%，空心聚丙烯纤维表面经过特殊处理类似毛发，本发明所选用的空心聚丙烯纤维基数指标必须满足表2，它的作用是储存水，其表面是经过特殊处理的，具有憎水性，可以减缓水泥基材料的水化反应速度，而内部具有很好的吸水性，水进入纤维内部后，能够增强材料的韧性，然后这部分纤维内的水在缓慢释放出来，其他普通纤维根本无法用于低温环境中，尤其在冷库和寒冷地区的路面；粉煤灰采用高钙粉煤灰，它来源于褐煤、次烟煤作为燃料而排放出的一种氧化钙成分较高的粉煤灰，是一种既含有一定数量水硬性晶体矿物又含有潜在活性物质的材料，与普通粉煤灰相比，高钙粉煤灰粒径更小，用作水泥混合材或混凝土掺合料具有减水效果好、早期强度发展快，粉煤灰质量符合GBJ146-90中规定；缓凝剂主要调节水泥的凝结时间，本发明采用聚羧酸高性能减水剂，它是以聚羧酸盐为主体的多种高分子有机化合物，经接枝共聚生成的，具有极强的减水性能，与磷酸水泥的相容性好，使得配制而成的磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料在低温环境下能保持高强度，且掺量低，减水率高，收缩小；三聚磷酸钠为白色粉末状结晶，其水溶液呈弱碱性，它在4.3-14范围的水中形成悬浊液的作用，即分散作用，可以提升磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料的流动性，否则在制备的时候将出现不宜搅拌均匀的情况；本发明所选用的水为无杂质的自来水。
本发明的复合材料性能优越，氧化镁与磷酸二氢铵结合发生水化放热反应形成第一次放热高峰，可以提高复合材料的密实度和抗冻能力，偏高岭土能够改善磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料的耐腐蚀、耐酸碱、耐低温性能，它在改善混凝土性能的同时能够提高磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料的水化热，能够形成第二次放热高峰，使其反应过程中水化热达到70℃，而一般的混凝土水化热只能达到30℃，所以它可以应付各种低温恶劣环境；加入磷酸二氢钾与氧化镁反应有利于提高复合材料的强度，由于氧化镁与磷酸二氢铵的水化反应速度太快，不能满足施工要求，加入缓凝剂可调节复合材料凝结时间并且复合施工要求；减水剂具有极强的减水性能，与磷酸水泥的相容性好，使得配制而成的磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料在低温环境下能保持高强度，且减水率高，收缩小；为防止磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料在制备的时候出现不宜搅拌均匀的情况，加入三聚磷酸钠可以提升复合材料的流动性；由于上述原材料所占的比例不同，按照上述原料依次称取使得原料充分混合，有利于充分发挥复合材料的有益效果。
本发明与现有技术相比，具有的优点和产生的有益效果是。
1、凝结时间短，强度提高快，该修补材料的初凝时间不早于10分钟，终凝时间不迟于30分钟；1小时抗压强度超过30MPa,1天抗压强度超过50MPa,中后期强度增强稳定，该修补材料的各项性能指标均达到行业标准要求。
2、良好的工作性能，由于水泥混凝土地面的病害部位、破坏大小、深度和裂缝宽度等存在很大的差异且环境因素复杂，要求混凝土地面快速修补材料必须具有很好的工作性能，磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料能够解决低温环境下大面积、大体积修补问题，还能抵抗热应力，同时能应对零下30℃的低温环境，体现了材料良好的工作性能，而其他的混凝土材料在低温环境中会冻结成块、不产生水化热、凝结时间长、容易二次破坏。
3、磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料是一种新型的建筑材料，就其工艺和原理而言，可以利用生产企业的常用设备，在不需要添加其它设备的情况下，可以进行规模生产。
4、成本低，原料充足，选购方便，加工、储存、运输都十分便利，是目前建筑行业的一种理想的快速修补材料产品。
本发明彻底解决现有的混凝土地面存在的病害现象，并且提高了混凝土地面在低温环境下的强度和抗裂性能，这种修补材料可以普遍用于低温环境下的混凝土地面大面积修补工程中，经济效益和社会效益显著。
具体实施方式
实施例1。
磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料，先将20%氧化镁、10%磷酸二氢铵、1%缓凝剂、3%磷酸二氢钾、2%粉煤灰、0.4%减水剂、0.1%三聚磷酸钠、5%偏高岭土投入混合机搅拌均匀，然后将46%砂子投入混合机中搅拌均匀，接着把12%的水加入到搅拌筒内，加入要缓慢，待水全部加入之后持续搅拌1-2分钟，直到形成均匀的流动性较好的糊状浆体为止，然后加入0.5%的空心聚丙烯纤维搅拌30s，即可制备成磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料。
所述的粉煤灰检测结果，见表1。
表1 粉煤灰检测结果。
所述的空心聚丙烯纤维的技术参数见表2。
表2技术指标。
一、磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料的性能测试结果。
1.凝结时间。
实验仪器采用GB1346《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测方法》中所规定的仪器及器具。
将实施例1所制备的低温复合材料分别置于常温和低温环境中进行测试比较，测试结果如表3所示。
表3 测试结果。
从表3中可以得出，低温复合材料仍能够满足1小时通车的时间要求。
2.抗压强度。
将实施例1所制备的低温复合材料平均分成3组，在养护箱环境温度-18℃，相对湿度75%条件下进行养护，并且在以下的龄期进行抗压强度检测，测试结果如表4所示。
表4 测试结果。
从表4中可以得出，低温复合材料在低温环境下仍能够满足快速通车的强度要求；并且实验发现初凝时间为12min，终凝时间15min。
3.粘接强度。
低温复合材料与旧混凝土之间的界面粘结强度采用抗折强度间接方法测定，先制备40mm×40mm×160mm试块，在养护箱环境温度-18℃，相对湿度75%条件下进行养护，将养护后的试块从中间横向截断，将其中一半置于40mm×40mm×160mm 模具底部且断面朝上，再经浇筑修补砂浆成型，测试结果如表5所示。
表5 测试结果。
从表5中可以得出，低温复合材料在低温环境下具有良好的粘结强度，其大小基本上与修补材料的本征抗折强度一致。
实施例2。
一种磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料，是由以下原料按重量百分比配比组成：砂子40%，氧化镁30%，磷酸二氢铵5%，磷酸二氢钾4%，偏高岭土8%，空心聚丙烯纤维1%，高钙粉煤灰3%，硼砂0.5%，聚羧酸系高性能减水剂0.48%，三聚磷酸钠0.02%%，水8%。
Claims (3)
1.一种磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料，其特征在于，是由以下原料按重量百分比配比组成：氧化镁20%、磷酸二氢铵10%、缓凝剂1%、磷酸二氢钾3%、粉煤灰2%、减水剂0.4%、三聚磷酸钠0.1%、偏高岭土5%、砂子46%、空心聚丙烯纤维0.5%、水12%；
所述空心聚丙烯纤维的技术参数为：长：25mm、直径：9m、比重：0.91 kg/m3、空心率：50%、抗拉强度：276 MPa、弹性模量：3793 MPa ；
所述氧化镁是在2000℃高温下煅烧 而成的，呈粉末状，颜色显棕黄色，比表面积为2700cm2/g；
所述的砂子采用中砂，其细度模数为2.5，含泥量为0.8%，无泥块，表观密度为2700kg/m3；
所述的粉煤灰为高钙粉煤灰；所述的缓凝剂为硼砂；所述的减水剂为聚羧酸系高性能减水剂。
2.一种磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料，其特征在于，是由以下原料按重量百分比配比组成：砂子40%，氧化镁30%，磷酸二氢铵5%，磷酸二氢钾4%，偏高岭土8%，空心聚丙烯纤维1%，高钙粉煤灰3%，硼砂0.5%，聚羧酸系高性能减水剂0.48%，三聚磷酸钠0.02%，水8%；
所述空心聚丙烯纤维的技术参数为：长：25mm、直径：9m、比重：0.91 kg/m3、空心率：50%、抗拉强度：276 MPa、弹性模量：3793 MPa ；
所述氧化镁是在2000℃高温下煅烧 而成的，呈粉末状，颜色显棕黄色，比表面积为2700cm2/g；
所述的砂子采用中砂，其细度模数为2.5，含泥量为0.8%，无泥块，表观密度为2700kg/m3。
3.如权利要求1或2所述的一种磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料的制备方法，其特征在于，具体为按原料所需配比依次称取氧化镁、磷酸二氢铵、缓凝剂、磷酸二氢钾、粉煤灰、减水剂、三聚磷酸钠、偏高岭土和砂子，置于搅拌机的搅拌筒内，以45r/min匀速搅拌5-10分钟，直至这些材料搅拌均匀为止；将所需重量的水缓慢加入到搅拌筒内，然后持续搅拌1-2分钟，直到形成均匀的流动性较好的糊状浆体为止；然后加入所需重量的空心聚丙烯纤维，持续搅拌30s，即得磷酸盐水泥基超韧纤维低温复合材料。
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