CN107673690A - 带pva纤维的水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

带pva纤维的水泥基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

带PVA纤维的水泥基复合材料，其特征在于：该材料包括PVA纤维、普通硅酸盐水泥、砂子、减水剂、粉煤灰和水，本发明具体涉及PVA纤维与水泥基复合材料粘结性能的研究，最终目标为PVA纤维水泥基复合材料试件受到荷载之后，PVA纤维与水泥基复合材料脱离且不发生断裂。

Description

带PVA纤维的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，有关PVA纤维与水泥基复合材料粘结性能研究。
背景技术
21世纪水泥基复合材料依旧是重要建筑材料，人们期望其具有强度高、韧性高和耐久性好等特点。在受到外荷载作用下，材料内部不断产生微小裂纹并扩展，产生较大应力集中，宏观上变现为材料抗拉强度低。为增强水泥基复合材料的韧性，在水泥砂浆中添加纤维依旧是一项主要措施。
添加传统纤维的砂浆在一定程度上减小了砂浆的脆性，增强其抗拉强度，但是其拉伸应力-应变曲线表现为张拉软化特性。添加高性能的PVA纤维，使得砂浆在受到荷载出现裂缝时，PVA纤维通过桥接来增强砂浆的宏观韧性。
PVA纤维与水泥基复合材料的粘结性能直接影响了PVA纤维在水泥基复合材料中的应用，其中优化PVA纤维桥接是研究PVA纤维与水泥基复合材料粘结性能的重要条件。影响PVA纤维桥接的主要因素包括纤维种类、长度、直径以及水泥基复合材料的配比。
PVA纤维直径大小的不同，对PVA纤维与水泥基复合材料的粘结性能具有较大影响，直径较大则PVA纤维可获得应变硬化和多点开裂模式。在PVA纤维水泥基复合材料受力条件下，PVA纤维从水泥基复合材料中拔出且不断则是优化纤维桥接的重要条件。但是由于当前国内外生产的PVA纤维直径较小，研究单根纤维与水泥基复合材料的粘结性能存在较大的随机性和偶然性，减小了试验的真实性，而且试验实施难度较大。
发明内容
发明目的：
本发明提供一种带PVA纤维的水泥基复合材料，其目的是解决以往所存在的问题。
技术方案：
由于PVA纤维直径较小，在三点弯曲试验试件（100㎜×100㎜×400㎜，如图1三点弯曲试验原理图和三点弯曲试件图）制作过程中，PVA纤维束的固定具有一定困难，本发明研究一种新模具用以解决上述问题。
在已有模具基础上，在模具中放置2个低碳钢隔板，在隔板上根据试验要求打孔（隔板尺寸：长：高：厚=100㎜：110㎜：1㎜，隔板和孔的尺寸见图2）。模具中间下部位置处制作2块低碳钢挡板，挡板距模具中间各5㎜，（挡板尺寸：长：高：厚=100㎜：9㎜：1㎜，如图3），在2块挡板上方连接1块低碳钢挡板（低碳钢尺寸：长：宽：厚=100㎜：10㎜：1㎜，如图4），通过将PVA纤维束穿过隔板上的孔和挡板上方固定纤维束的位置，同时挡板确定了试件的切口尺寸（长：宽：高=100㎜:10㎜:10㎜），隔板一侧安置夹具即可完成新模具的制作，方法简单，可操作性强。
带PVA纤维的水泥基复合材料，其特征在于：该材料包括PVA纤维、普通硅酸盐水泥、砂子、减水剂、粉煤灰和水，其成分质量比如下：
普通硅酸盐水泥 550 kg/m3
粉煤灰 650 kg/m3
减水剂 12 kg/m3
砂子 350-950 kg/m3
水 290-650 kg/m3
PVA纤维束10根为一束，每个试件需要9束纤维,纤维的直径为 13—20μm。
PVA纤维为皖维生产的国产纤维,其主要原料是聚乙烯醇，弹性模量>=36,抗拉强度>=1500MPa，断裂伸长率5%-9%，耐酸碱性好，长度为6cm—19cm.
普通硅酸盐水泥标号为P.O42.5，强度等级为42.5MPa，掺量为550kg/m3。
砂子为天然河砂为中砂，粒径是0.3mm。
减水剂为聚羧酸系减水剂，外观为黄色透明油状液体，减水率最高达40%。
粉煤灰为的I级粉煤灰，减少水泥用量，增强了水泥基复合材料的抗渗能力，掺量为650kg/m3。
水为普通自来水。
制备上述的带PVA纤维的水泥基复合材料的方法，其特征在于：从纤维束的长度和水泥基复合材料配比两个方面同时进行研究，试验方法得当，试件制作方法简单，按照上述比例备好材料，首先将砂子、水泥和粉煤灰干拌，然后添加聚羧酸系减水剂和水搅拌获得流动基体材料，将流动基体材料倒入距模具底端10㎜后停止，人工铺设PVA纤维束，流动基体填满模具即可得到所需试件，根据设计的模具可以直接确定好预制缝的尺寸大小，通过对试件进行三点弯曲试验，在保证纤维束从水泥基复合材料中拔出而不断裂的前提下，研究PVA纤维与水泥基复合材料的粘结性能。
上述PVA纤维为安徽皖维生产的PVA纤维，其主要特征为韧性好，抗拉强度高和耐酸碱性能好，与水泥基复合材料具有较好的粘结性能。
上述水泥为普通硅酸盐水泥，其主要特征为应用广泛，来源范围广。
上述粉煤灰为I级粉煤灰，其特点是作为水泥的掺和料，节约大量水泥和细骨料，减小用水量，增强砂浆拌合物和易性。
上述减水剂为聚羧酸系减水剂，其特点是减水率高、收缩率小，减小用水量。
上述砂子为中砂，天然河砂，其特点是强度大、来源广，应用广泛。
1）将普通硅酸盐水泥、粉煤灰和砂子按照比例干拌1分钟，然后加入水低速搅拌3分钟，再添加聚羧酸系减水剂搅拌2分钟以获得流动的基体材料；
2）在模具中按照试验要求固定隔板，在模具中刷油之后将基体材料倒入模具2个隔板中间，高度达到10㎜后停止，振动1-2分钟后抹平表面，人工将纤维束穿过两个固定隔板相应的孔，通过夹具将纤维束固定，使得纤维束处于水平状态，此时在两个隔板上层倒入10㎜基体并振动1-2分钟；
3）当隔板中的基体达到初凝状态后，将夹具中的纤维束松开，将隔板两侧的多余纤维剪除，取出隔板并在模具剩余部分浇筑基体材料；
4）浇筑试件完毕之后，抹平试件表面，用塑料薄膜盖上试件，防止水分蒸发，室温养护48小时拆模，放入湿度为90%以上，温度为（20±2）℃养护室进行标准养护28天后取出，室温条件养护3天进行试验。
优点效果：
本发明研究PVA纤维桥接的优化，研究PVA纤维束与水泥基复合材料的粘结性能，使得PVA纤维水泥基复合材料表现出应变硬化特性与多点开裂模式，减小集中应力。同时，本发明研究PVA纤维束与水泥基复合材料的粘结性能的试验方法，降低了试验难度，减小了试验的随机性和偶然性，提高了试验的真实性。
本发明研究在PVA纤维束种类和直径相同的前提下，研究PVA纤维束与水泥基复合材料的粘结性能，得到PVA纤维水泥基复合材料表现出应变硬化特性与多点开裂模式时，PVA纤维的最优长度和水泥基复合材料的最佳配合比。
本发明具体涉及PVA纤维与水泥基复合材料粘结性能的研究，最终目标为PVA纤维水泥基复合材料试件受到荷载之后，PVA纤维与水泥基复合材料脱离且不发生断裂。
附图说明
图1为三点弯曲实验原理图;
图2为三点弯曲试件主视图；
图3为隔板图；
图4为模具俯视图；
图5为模具主视图；
图6为挡板1的尺寸图；
图7为挡板2的尺寸图。
具体实施方式
带PVA纤维的水泥基复合材料，其特征在于：该材料包括PVA纤维、普通硅酸盐水泥、砂子、减水剂、粉煤灰和水，其成分质量比如下：
普通硅酸盐水泥 550 kg/m3
粉煤灰 650 kg/m3
减水剂 12 kg/m3
砂子 350-950 kg/m3
水 290-650 kg/m3
PVA纤维束10根为一束，每个试件需要9束纤维,纤维的直径为 13—20μm。
PVA纤维为皖维生产的国产纤维,其主要原料是聚乙烯醇，弹性模量>=36,抗拉强度>=1500MPa，断裂伸长率5%-9%，耐酸碱性好，长度为6cm—19cm.
普通硅酸盐水泥标号为P.O42.5，强度等级为42.5MPa，掺量为550kg/m3。
砂子为天然河砂为中砂，粒径是0.3mm。
减水剂为聚羧酸系减水剂，外观为黄色透明油状液体，减水率最高达40%。
粉煤灰为的I级粉煤灰，减少水泥用量，增强了水泥基复合材料的抗渗能力，掺量为650kg/m3。
水为普通自来水。
制备上述的带PVA纤维的水泥基复合材料的方法，其特征在于：从纤维束的长度和水泥基复合材料配比两个方面同时进行研究，试验方法得当，试件制作方法简单，按照上述比例备好材料，首先将砂子、水泥和粉煤灰干拌，然后添加聚羧酸系减水剂和水搅拌获得流动基体材料，将流动基体材料倒入距模具底端10㎜后停止，人工铺设PVA纤维束，流动基体填满模具即可得到所需试件，根据设计的模具可以直接确定好预制缝的尺寸大小，通过对试件进行三点弯曲试验，在保证纤维束从水泥基复合材料中拔出而不断裂的前提下，研究PVA纤维与水泥基复合材料的粘结性能。
本发明通过三点弯曲试验，研究在PVA纤维束种类相同直径相等的前提条件下，分别从PVA纤维束的长度和水泥基复合材料的配比，来优化PVA纤维束的桥接，进而优化纤维与水泥基复合材料的粘结性能，调整PVA纤维的用量，扩大PVA纤维在水泥基复合材料中的应用范围。
试验例1，PVA纤维束（长度分别为6㎝、8㎝、9㎝、10㎝、11㎝、12㎝、14㎝、16㎝、18㎝）与水泥基复合材料粘结试件配比及其制备方法:
普通硅酸盐水泥 550kg/m3
粉煤灰 650kg/m3
减水剂 12kg/m3
砂子 949kg/m3
水 640kg/m3
根据水泥基复合材料试件个数确定PVA纤维的用量，每个试件需要5束纤维。
按照上述数据对试验材料进行混合配比制作三点弯曲试件。
1）将普通硅酸盐水泥、粉煤灰和砂子按照比例干拌1分钟，然后加入水低速搅拌3分钟，再添加聚羧酸系减水剂搅拌2分钟以获得流动的基体材料。
2）在模具中按照试验要求固定隔板，在模具中刷油之后将基体材料倒入模具2个隔板中间，高度达到10㎜后停止，振动1-2分钟后抹平表面，人工将纤维束穿过两个固定隔板相应的孔，通过夹具将纤维束固定，使得纤维束处于水平状态，此时在两个隔板上层倒入10㎜基体并振动1-2分钟。
3）当隔板中的基体达到初凝状态后，将夹具中的纤维束松开，将隔板两侧的多余纤维剪除，取出隔板并在模具剩余部分浇筑基体材料。
4）浇筑试件完毕之后，抹平试件表面，用塑料薄膜盖上试件，防止水分蒸发，室温养护48小时拆模，放入湿度为90%以上，温度为（20±2）℃养护室进行标准养护28天后取出，室温条件养护3天进行试验。
在上述准备完成之后，测量试件基本参数
利用JN-500K电液伺服实验机对试件进行三点弯曲试验，得到硬化的荷载-挠度曲线。
由表可知：随着纤维长度的不断增大，当PVA纤维长度达到10㎝时，PVA纤维起裂韧度达到最大值；当PVA纤维长度达到12㎝时失稳断裂韧度达到最大，模型的达到极限荷载时的挠度最大，韧度较好。
试验例2，PVA纤维束（长度分别为6㎝、8㎝、9㎝、10㎝、11㎝、12㎝、14㎝、16㎝、18㎝）与水泥基复合材料粘结试件配比及其制备方法
普通硅酸盐水泥 550kg/m3
粉煤灰 650kg/m3
减水剂 12kg/m3
砂子 949kg/m3
水 520 kg/m3
根据水泥基复合材料试件个数确定PVA纤维的用量，每个试件需要5束纤维。
制备方法如同试验例1，试验完成之后，测量试件基本参数
利用JN-500K电液伺服实验机对试件进行三点弯曲试验，得到硬化的荷载-挠度曲线。
由表可知：随着纤维长度的不断增大，当PVA纤维长度达到10㎝时，PVA纤维起裂韧度达到最大值；当PVA纤维长度达到12㎝时失稳断裂韧度达到最大，模型的达到极限荷载时的挠度最大，韧度较好。
试验例3，一种PVA纤维束（长度分别为6㎝、8㎝、9㎝、10㎝、12㎝、14㎝、16㎝、18㎝、19㎝）与水泥基复合材料粘结试件（100㎜×100㎜×400㎜）配比及其制备方法
普通硅酸盐水泥 550kg/m3
粉煤灰 650kg/m3
减水剂 12kg/m3
砂子 353kg/m3
水 410kg/m3
根据水泥基复合材料试件个数确定PVA纤维的用量，每个试件需要5束纤维。
制备方法如同试验例1，试验完成之后，测量试件基本参数
利用JN-500K电液伺服实验机对试件进行三点弯曲试验，得到硬化的荷载-挠度曲线。
由表可知：随着纤维长度的不断增大，当PVA纤维长度达到10㎝时，PVA纤维起裂韧度达到最大值；当PVA纤维长度达到11㎝时失稳断裂韧度达到最大；当PVA纤维长度达到12㎝时，模型的达到极限荷载时的挠度最大，韧度较好。
试验例4，PVA纤维束（长度分别为6㎝、8㎝、9㎝、10㎝、12㎝、14㎝、16㎝、18㎝、19㎝）与水泥基复合材料粘结试件（100㎜×100㎜×400㎜）配比及其制备方法
普通硅酸盐水泥 550kg/m3
粉煤灰 650kg/m3
减水剂 12kg/m3
砂子 353 kg/m3
水 290kg/m3
根据水泥基复合材料试件个数确定PVA纤维的用量，每个试件需要5束纤维。
制备方法如同试验例1，完成之后，测量试件基本参数
利用JN-500K电液伺服实验机对试件进行三点弯曲试验，得到硬化的荷载-挠度曲线。
由表可知：随着纤维长度的不断增大，当PVA纤维长度达到11㎝时，PVA纤维起裂韧度达到最大值；当PVA纤维长度达到12㎝时失稳断裂韧度达到最大；模型的达到极限荷载时的挠度最大，韧度较好。
通过以上试验可知，PVA纤维的长度在11㎝—14㎝范围内与水泥基复合材料具有较好的粘结性能；水泥基复合材料在各材料配比达到普通硅酸盐水泥：粉煤灰：减水剂：砂子：水=550kg/m3 ：650kg/m3：12kg/m3：353kg/m3：410kg/m3 时PVA纤维与水泥基复合材料粘结强度达到最佳。
试验例5，PVA纤维束（长度分别为6㎝、8㎝、9㎝、10㎝、11㎝、12㎝、14㎝、16㎝、18㎝）与水泥基复合材料粘结试件配比及其制备方法:
普通硅酸盐水泥 550kg/m3
粉煤灰 650kg/m3
减水剂 12kg/m3
砂子 950kg/m3
水 650kg/m3
根据水泥基复合材料试件个数确定PVA纤维的用量，每个试件需要5束纤维。
按照上述数据对试验材料进行混合配比制作三点弯曲试件。
1）将普通硅酸盐水泥、粉煤灰和砂子按照比例干拌1分钟，然后加入水低速搅拌3分钟，再添加聚羧酸系减水剂搅拌2分钟以获得流动的基体材料。
2）在模具中按照试验要求固定隔板，在模具中刷油之后将基体材料倒入模具2个隔板中间，高度达到10㎜后停止，振动1-2分钟后抹平表面，人工将纤维束穿过两个固定隔板相应的孔，通过夹具将纤维束固定，使得纤维束处于水平状态，此时在两个隔板上层倒入10㎜基体并振动1-2分钟。
3）当隔板中的基体达到初凝状态后，将夹具中的纤维束松开，将隔板两侧的多余纤维剪除，取出隔板并在模具剩余部分浇筑基体材料。
4）浇筑试件完毕之后，抹平试件表面，用塑料薄膜盖上试件，防止水分蒸发，室温养护48小时拆模，放入湿度为90%以上，温度为（20±2）℃养护室进行标准养护28天后取出，室温条件养护3天进行试验。
试验例6，PVA纤维束（长度分别为6㎝、8㎝、9㎝、10㎝、12㎝、14㎝、16㎝、18㎝、19㎝）与水泥基复合材料粘结试件（100㎜×100㎜×400㎜）配比及其制备方法
普通硅酸盐水泥 550kg/m3
粉煤灰 650kg/m3
减水剂 12kg/m3
砂子 350 kg/m3
水 290kg/m3
根据水泥基复合材料试件个数确定PVA纤维的用量，每个试件需要5束纤维。

Claims (9)

1.带PVA纤维的水泥基复合材料，其特征在于：该材料包括PVA纤维、普通硅酸盐水泥、砂子、减水剂、粉煤灰和水，其成分质量比如下：
普通硅酸盐水泥 550 kg/m3
粉煤灰 650 kg/m3
减水剂 12 kg/m3
砂子 350-950 kg/m3
水 290-650 kg/m3；
PVA纤维束10根为一束，每个试件需要9束纤维,纤维的直径为 13—20μm。
2.根据权利要求1所述的带PVA纤维的水泥基复合材料，其特征在于：PVA纤维为皖维生产的国产纤维,其主要原料是聚乙烯醇，弹性模量>=36,抗拉强度>=1500MPa，断裂伸长率5%-9%，耐酸碱性好，长度为6cm—19cm。
3.根据权利要求1所述的带PVA纤维的水泥基复合材料，其特征在于：普通硅酸盐水泥标号为P.O42.5，强度等级为42.5MPa，掺量为550kg/m3。
4.根据权利要求1所述的带PVA纤维的水泥基复合材料，其特征在于：砂子为天然河砂为中砂，粒径是0.3mm。
5.根据权利要求1所述的带PVA纤维的水泥基复合材料，其特征在于：减水剂为聚羧酸系减水剂，外观为黄色透明油状液体，减水率最高达40%。
6.根据权利要求1所述的带PVA纤维的水泥基复合材料，其特征在于：粉煤灰为的I级粉煤灰。
7.根据权利要求1所述的带PVA纤维的水泥基复合材料，其特征在于：水为普通自来水。
8.制备权利要求1所述的带PVA纤维的水泥基复合材料的方法，其特征在于：按照上述比例备好材料，首先将砂子、水泥和粉煤灰干拌，然后添加聚羧酸系减水剂和水搅拌获得流动基体材料，将流动基体材料倒入距模具底端10㎜后停止，人工铺设PVA纤维束，流动基体填满模具即可得到所需试件，根据设计的模具可以直接确定好预制缝的尺寸大小。
9.根据权利要求8所述的带PVA纤维的水泥基复合材料的方法，其特征在于：
1）将普通硅酸盐水泥、粉煤灰和砂子按照比例干拌1分钟，然后加入水低速搅拌3分钟，再添加聚羧酸系减水剂搅拌2分钟以获得流动的基体材料；
2）在模具中按照试验要求固定隔板，在模具中刷油之后将基体材料倒入模具2个隔板中间，高度达到10㎜后停止，振动1-2分钟后抹平表面，人工将纤维束穿过两个固定隔板相应的孔，通过夹具将纤维束固定，使得纤维束处于水平状态，此时在两个隔板上层倒入10㎜基体并振动1-2分钟；
3）当隔板中的基体达到初凝状态后，将夹具中的纤维束松开，将隔板两侧的多余纤维剪除，取出隔板并在模具剩余部分浇筑基体材料；
4）浇筑试件完毕之后，抹平试件表面，用塑料薄膜盖上试件，防止水分蒸发，室温养护48小时拆模，放入湿度为90%以上，温度为（20±2）℃养护室进行标准养护28天后取出，室温条件养护3天进行试验。
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