CN107990612B - 一种高性能竹纤维复合冰材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高性能竹纤维复合冰材料及其制备方法，它涉及一种复合冰材料及其制备方法。本发明是要解决纯冰作为建筑材料强度低，脆性大，应用具有局限性的问题。材料是以纯冰为基体加入增强材料制备而成的。方法：一、根据实际工程确定加工的形状和增强类型，确定增强材料的种类，并计算所需用量；二、高性能复合冰材料的制备。本发明用于建筑领域。

Description

一种高性能竹纤维复合冰材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合冰材料及其制备方法。

背景技术

冰结构源自天然，历史悠久，不仅在冰雪旅游方面发挥巨大作用，而且在极地开发方面也具有重要战略价值。将冰作为一种建筑材料，越来越具有受到人们的重视。然而，作为建筑材料，纯冰也会有明显弊端，首先纯冰是一种脆性材料，破坏时发生脆性破坏，这种突然性的破坏会造成很严重的后果；其次，天然冰材料的承载能力偏弱，特别是抗拉能力极弱，使冰材料的应用受到很大的局限；再次，纯冰材料受温度的影响较大，使得冰结构一直被视作是临时性的景观建筑，缺乏对其结构性能的系统深入研究。

发明内容

本发明是要解决纯冰作为建筑材料强度低，脆性大，应用具有局限性的问题，而提供一种高性能竹纤维复合冰材料。

一种高性能竹纤维复合冰材料是以纯冰为基体加入增强材料制备而成的；所述增强材料的添加量为1～15％；所述增强材料为竹纤维。

本发明高性能竹纤维复合冰材料的制备方法是按以下步骤进行：

一、根据实际工程确定加工的形状，以竹纤维作为增强材料并计算所需用量；

二、将加强材料与水在搅拌的条件下混合成浆料，然后注入到模具中，在加强材料的冻结温度下冻结为一个整体；即完成高性能复合冰材料的制备；所述高性能复合冰材料中增强材料的质量为1～15％。

本发明的有益效果是：

本发明中复合冰材料相比于纯冰材料，抗压强度和抗弯强度等力学性能大大提高，同时复合冰材料改善了纯冰材料较强的脆性并具有了较好的延性与抗开裂能力，同时自重降低、凝固时间缩短，更能满足实际工程的需求，从而使冰材料得到更为广泛的应用。复合冰材料的抗压强度约为纯冰抗压强度的2～3倍以上。复合冰材料的抗弯强度约为纯冰抗弯强度的2～4倍以上。

附图说明

图1为实施例一得到的四组高性能复合冰材料在5mm/min的加载速率下应力应变曲线；其中1为第一组，2为第二组，3为第三组，4为第四组；

图2为实施例一得到的四组高性能复合冰材料在10mm/min的加载速率下应力应变曲线；其中1为第二组，2为第三组，3为第四组；

图3为实施例二得到的四组高性能复合冰材料在5mm/min的加载速率下应力应变曲线；其中1为第一组，2为第二组，3为第三组，4为第四组；

图4为实施例二得到的四组高性能复合冰材料对应的竹纤维掺和比与抗弯强度柱状对比图；

具体实施方式

本实施方式一种高性能竹纤维复合冰材料是以纯冰为基体加入增强材料制备而成的；所述增强材料的添加量为1～15％；所述增强材料为竹纤维。

本实施方式中加强材料是通过阻止位错的移动来增强复合材料的强度，基体(冰)仍承载荷载的主要部分。

本实施方式中加入纤维的加强原理为基体将纤维结合在一起作为介质，通过该介质将外部施加的应力传递并分布到吸收应力的纤维上，同时纤维也可通过阻止位错来控制基体冰裂缝的产生，进而达到增强的目的。纤维根据长短可分为长纤维与短纤维，根据取向可分为连续定向、不连续与对齐、不连续和随机取向纤维。通过纤维的不同取向可得到各向同性或者各向异性的复合冰材料。

本实施方式的复合冰材料中，冰本身仍作为受力主体，所加入的增强材料通过有效抑制冰中裂缝的产生，同时使冰晶体之间的粘结力增强，减少位错滑移等方式，使整体的力学性能得以提升。本发明中采用竹纤维作为增强材料时，以5mm/min加载速率下，纯冰的抗压强度约为1.8MPa，而加入1％、2％、5％等不同质量掺和比的复合冰材料，其抗压强度可分别达到3.8MPa、4.8MPa和5.3MPa，在竹纤维质量掺和比为10％以下的情况下，此种复合冰材料的抗压强度约为纯冰抗压强度的2～3倍以上。而在10mm/min的速率下加载时，没有得到纯冰的完整的加载曲线，这是因为加载过程中纯冰发生脆性的突然破坏，而得到了复合冰材料的完整加载曲线，这说明了复合冰材料具有较好的延性，改善了纯冰的脆性性质。在使用万能试验机5mm/min的加载速率下加载，得到纯冰的抗弯强度约为1.4MPa，而加入1％、5％、10％等不同质量掺和比的复合冰材料，其抗弯强度可分别达到3.0MPa、 4.9MPa和6.4MPa，综合来讲，在竹纤维质量掺和比为10％以下的情况下，此种复合冰材料的抗弯强度约为纯冰抗弯强度的2～4倍以上。

对于微观加强材料而言，不同的施工要求与施工方式对加强材料的用量择优不同的要求。以竹纤维作为增强材料的复合冰材料，若在施工时采用喷射施工的方式，受喷头等的限制，原则上增强材料的百分比不超过2％；若采用预制构件的方式，原则上增强材料的百分比不超过5％。因为在超过5％以后，材料的性能并没有较大程度的再提升，并且会使成本增加。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述增强材料的添加量为 2％。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述增强材料的添加量为5％。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述增强材料的添加量为10％。其他与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式高性能竹纤维复合冰材料的制备方法是按以下步骤进行：

一、根据实际工程确定加工的形状，以竹纤维作为增强材料并计算所需用量；

二、将加强材料与水在搅拌的条件下混合成浆料，然后注入到模具中，在加强材料的冻结温度下冻结为一个整体；即完成高性能复合冰材料的制备；所述高性能复合冰材料中增强材料的质量为1～15％。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤二中所述高性能复合冰材料中增强材料的质量为2％。其他与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六不同的是：步骤二中所述高性能复合冰材料中增强材料的质量为5％。其他与具体实施方式五或六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五至七之一不同的是：步骤二中所述高性能复合冰材料中增强材料的质量为10％。其他与具体实施方式五至七之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：高性能复合冰材料的制备方法是按以下步骤进行：

一、采用成块冻结的冻结方式，选取竹纤维作为增强材料，分四组进行加工；第一组参数为：未添加竹纤维，1Kg冷水，1Kg热水；第二组参数为：0.02Kg竹纤维，0.98Kg冷水，1Kg热水；第三组参数为：0.04Kg竹纤维，0.96Kg冷水，1Kg热水；第四组参数为： 0.1Kg竹纤维，0.9Kg冷水，1Kg热水；

二、分别对各组中竹纤维进行处理，首先将竹纤维撕碎，放入桶中，然后加入1Kg的热水，浸泡半小时，采用搅拌机进行搅拌，使竹纤维破碎成为5mm的碎屑，然后加入冷水，搅拌均匀，得到混合浆料；

三、将混合浆料倒入预先制作的带有格栅的模具中，格栅的尺寸为100*100*100mm，在竹纤维的冻结温度下进行冻结，冻结时间约48h，得到四组高性能复合冰材料。

对实施例一得到的高性能复合冰材料进行抗压性能检测。

每个格栅中的冰试块取出，将存在冻胀现象的试块用工具将其表面磨平，使其成为一个标准件；在温度为-5℃的条件下采用万能试验机进行加载测试同时保证加载时冰试件不会融化。把相应的试件在万能试验机上加载，并且选取5mm/min和10mm/min两个加载速率。图1为实施例一得到的四组高性能复合冰材料在5mm/min的加载速率下应力应变曲线；其中1为第一组，2为第二组，3为第三组，4为第四组；图2为实施例一得到的四组高性能复合冰材料在10mm/min的加载速率下应力应变曲线；其中1为第二组，2为第三组，3 为第四组；图1中第一组、第二组、第三组和第四组对应的峰值点坐标分别为(0.0118，,1.87)、(0.0318,3.78)、(0.0434,4.77)、(0.0735,5.32)；图2中第二组、第三组和第四组对应的峰值点坐标分别为(0.0323，4.41)、(0.0454,5.05)、(0.0685,6.23)；从图1和图2中可以看出在相同的加载速率下，复合冰材料的抗压强度明显高于纯冰材料，且在一定范围内，强度值随增强材料的增多而增大；同时还可以看出，复合冰材料的延性好于纯冰材料，这对于改善纯冰的脆性性质具有较大的改进与实用意义。

实施例二：高性能复合冰材料的制备方法是按以下步骤进行：

一、采用成块冻结的冻结方式，选取竹纤维作为增强材料，分四组进行加工；第一组参数为：未添加竹纤维，21Kg冷水，21Kg热水；第二组参数为：0.42Kg竹纤维，20.58Kg 冷水，21Kg热水；第三组参数为：2.1Kg竹纤维，18.9Kg冷水，21Kg热水；第四组参数为：4.2Kg竹纤维，16.8Kg冷水，21Kg热水；

二、分别对各组中竹纤维进行处理，首先将竹纤维撕碎，放入桶中，然后加入21Kg的热水，浸泡半小时，采用搅拌机进行搅拌，使竹纤维破碎成为5mm的碎屑，然后加入冷水，搅拌均匀，得到混合浆料；

三、将混合浆料倒入模具中，在竹纤维的冻结温度下进行冻结，冻结时间约48h，得到四组尺寸为700*200*100mm的冰梁，即为高性能复合冰材料。

对实施例二得到的高性能复合冰材料进行抗压性能检测。

采用工具将其表面磨平，使其成为一个标准件；在温度为-5℃的条件下采用万能试验机进行加载测试同时保证加载时冰试件不会融化。把相应的试件在万能试验机上加载，并且选取5mm/min加载速率。图3为实施例二得到的四组高性能复合冰材料在5mm/min的加载速率下应力应变曲线；其中1为第一组，2为第二组，3为第三组，4为第四组；图4 为实施例二得到的四组高性能复合冰材料对应的竹纤维掺和比与抗弯强度柱状对比图；图 1中第一组、第二组、第三组和第四组对应的峰值点承载力值分别为4.33、7.99、10.68、16.8；从上图3和图4可以看出，在相同的加载速率下，复合冰材料的抗弯强度明显高于纯冰材料，且在一定范围内，强度值随增强材料的增多而增大；同时还可以看出，复合冰材料的延性好于纯冰材料，这对于改善纯冰的脆性性质具有较大的改进与实用意义。

实施例三：高性能复合冰材料的制备方法是按以下步骤进行：

一、采用成块冻结的冻结方式，选取竹纤维、羧甲基纤维素和明胶作为增强材料，原料配比为：冷水0.98Kg、热水1Kg、竹纤维0.02Kg、羧甲基纤维素0.1Kg、明胶0.1Kg；

二、分别对原料进行处理，首先将原料撕碎，放入桶中，然后加入1Kg的热水，浸泡半小时，先加入羧甲基纤维素和明胶粉并采用手持搅拌机不断搅拌约两个小时，使其充分混合，然后加入被破碎成约为5mm的竹纤维碎屑，然后加入剩余的冷水，继续搅拌均匀，得到混合浆料；

该高性能复合冰材料被成功地应用在了实际工程中。申请人选用竹纤维掺和比为2％的复合冰材料，成功建起了跨度10m、高度为5m的“雪莲”壳体和一个高度为5m的“中国塔”这也证明了该复合冰材料的较好的性能，同时也证明了高性能复合冰材料将具有较好的应用前景和研究价值。

通过实验可以看出复合冰材料与纯冰材料相比具有更高的强度，包括抗压强度与弯曲强度等，同时还可以发现，复合冰材料具有较好的韧性，脆性明显减弱，这对于建筑材料而言非常重要。说明复合冰材料的力学性能相比纯冰而言大大提高，更加满足工程需求，具有实用价值。

Claims (4)

1.一种高性能竹纤维复合冰材料的制备方法，其特征在于高性能竹纤维复合冰材料的制备方法是按以下步骤进行：

一、根据实际工程确定加工的形状，以竹纤维作为增强材料并计算所需用量；所述竹纤维经过预处理过程，所述预处理过程为热水浸泡及破碎成5mm的碎屑；

二、将加强材料与水在搅拌的条件下混合成浆料，然后注入到模具中，在加强材料的冻结温度下冻结为一个整体；即完成高性能复合冰材料的制备；所述高性能复合冰材料中增强材料的质量为1～15％。

2.根据权利要求1所述的一种高性能竹纤维复合冰材料，其特征在于步骤二中所述高性能复合冰材料中增强材料的质量为2％。

3.根据权利要求1所述的一种高性能竹纤维复合冰材料，其特征在于步骤二中所述高性能复合冰材料中增强材料的质量为5％。

4.根据权利要求1所述的一种高性能竹纤维复合冰材料，其特征在于步骤二中所述高性能复合冰材料中增强材料的质量为10％。

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