CN108373308A - 一种具有超高延性的纤维增强石膏复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有超高延性的纤维增强石膏复合材料及其制备方法，该石膏复合材料由包括以下重量份的组分制备而成：石膏粉1205‑1720份，水泥0‑85份，粉煤灰0‑430份，缓凝剂1‑3份，增稠剂3‑5份，水450‑650份，聚乙烯纤维15‑25份。制备时，按重量份将石膏、水泥、粉煤灰、缓凝剂加入搅拌机中，干粉搅拌2‑3min，充分混合均匀；再将水、增稠剂加入搅拌机中，待浆体搅拌均匀后，加入聚乙烯纤维搅拌。最后浇筑至模具中，进行养护、脱模，即制得产品。与现有产品相比，本发明纤维石膏的抗拉强度可达0.8‑5MPa，抗拉延伸率达到5‑8％，具有良好的微裂缝分布性能和耗能性能，利用建筑石膏粉为原材料，环保绿色，经济性好，应用前景好。

Description

一种具有超高延性的纤维增强石膏复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种具有超高延性的纤维增强石膏复合材料及其制备方法。
背景技术
石膏是一种气硬性胶凝材料，主要成分为硫酸钙。建筑石膏是由二水石膏通过煅烧、磨细得到，生产过程中能源消耗低、无有害物排放，使用产品绿色可循环。而且建筑石膏粉价格低廉，硬化后不易变形，同时具有良好的隔音隔热、防火、抗震性能；质轻易加工、具有呼吸功能；凝结硬化快，适合大规模生产；有微膨胀性，产品表面光滑细腻、形体饱满、装饰性好。
然而，由于石膏制品抗裂性、抗冲击性、耐磨性较差，同时具有较大的脆性和吸水性，使石膏的应用范围受到限制。如果能改善其脆性、提高韧性和耐水性，石膏硬化体的用途将更加广泛。国内外研究中，通常采用缓凝剂、防水剂等外加剂和水泥、粉煤灰等矿物掺合料改性石膏硬化体的耐水性能，用纤维对石膏基体进行增强增韧，制备具有较好耐水性和韧性的纤维石膏复合材料。
目前常见的纤维增强石膏复合材料，其延性和韧性较低。而在纤维增强胶凝材料体系中，经微观力学设计的水泥基复合材料(Engineered cementitious composites，ECC)以高延性著名，具有应变硬化和多缝开裂的特性，抗拉强度介于3MPa～7MPa之间，极限拉伸应变值可达3％～5％。ECC在受力过程中，由于开裂处纤维的桥联作用以及纤维与基体间传递应力时裂缝能够稳定扩展，使得ECC表现出明显的多缝开裂特性和应变硬化行为。因此，ECC相对于传统的纤维增强凝胶基复合材料具有更好的力学性能和耐久性。在纤维增强石膏基体的设计中，引入ECC微观设计机理，使石膏硬化体同样具有应变硬化特性和稳态裂缝扩展性能，从而获得具有超高延性的纤维增强石膏复合材料。
目前世界各国纷纷制定绿色建材的性能指标，石膏作为绿色建筑材料具有广阔的应用前景，生产出性能更好、能耗更低、环境污染更小的纤维增强石膏复合材料，则可大大扩大石膏材料的应用领域。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种绿色、性能优异的、具有超高延性的纤维增强石膏复合材料及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种具有超高延性的纤维增强石膏复合材料，包括以下组分及重量份含量：石膏粉1205-1720份，水泥0-85份，粉煤灰0-430份，缓凝剂1-3份，增稠剂3-5份，水450-650份，聚乙烯纤维15-25份。
优选的，所述的石膏粉为α型半水石膏粉或β型半水石膏粉，石膏粉的初凝时间为14min，终凝时间为23min，比表面积≥5700m2/kg，所述石膏粉的2h绝干抗压强度≥12.5MPa，抗折强度≥4.2MPa。α型半水石膏粉可制备同时具有较高拉伸强度和拉伸延性的纤维增强石膏复合材料，β型半水石膏粉则可制备具有较低拉伸强度和超高拉伸延性的纤维增强石膏复合材料。
优选的，所述的水泥为复合硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥，并且所述水泥的28天抗压强度≥52.5MPa，28天抗折强度≥7.0MPa，比表面积≥300m2/kg。水泥的加入起到改善纤维增强石膏复合材料强度和耐水性的作用。
优选的，所述的粉煤灰为二级粉煤灰，其比表面积≥400m2/kg，密度为2.6g/cm3。粉煤灰的加入起到改善纤维增强石膏复合材料耐水性的作用。
优选的，所述的聚乙烯纤维的直径为20-40μm，长度为9-24mm，长径比＞600，断裂延伸率为2-3％，抗拉强度为3000MPa。与一般研究者采用的短切聚乙烯醇纤维不同的是，本发明采用的是聚乙烯纤维，相比于短切聚乙烯醇纤维，短切聚乙烯纤维具有更高的强度和弹性模量。更重要的是，不同于短切聚乙烯醇的亲水性，短切聚乙烯纤维具有憎水性，可以降低纤维与基体之间的化学粘结力，在拔出过程中，纤维不易断裂。聚乙烯纤维的添加量占纤维石膏复合材料总体积的1.5～2％。若纤维掺量过大，一是经济性不好，二则会导致纤维在石膏基体中分散困难，不能成功制备所述材料；而纤维掺量低，纤维桥联能力小，亦不能制备所述材料。纤维的长径比则直接影响纤维/石膏基体的粘结性能，长径比过小，容易造成纤维过早拔出而无法发挥高强度的作用，纤维长径比过大，纤维发生断裂破坏的趋势就会增加，断裂后的纤维不再具备桥联作用。聚乙烯纤维在本发明中起到增强石膏材料韧性的作用，通过微观设计使该石膏复合材料有良好的变形能力，不会产生传统石膏的脆性破坏。聚乙烯纤维的合理使用增大了纤维桥接能(Jb')，在基体断裂能(Jtip)不变的前提下可使得延性指标Jb'/Jtip增大，显著提高材料的延性。
优选的，所述的缓凝剂为植物蛋白型缓凝剂。植物蛋白型缓凝剂掺量小，缓凝效果好，可以调节石膏浆体的凝结时间，并且对石膏硬化后的强度影响较小。
优选的，所述的增稠剂为聚丙烯酰胺增稠剂，其固体含量≥90％，分子量400-800万。增稠剂不仅可增加石膏基体的粘稠度，而且能赋予石膏基体优异的机械性能和贮存稳定性，有助于纤维的分散。
一种具有超高延性的纤维增强石膏复合材料的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
(1)按以下重量份的组分备料：
石膏粉1205-1720份，水泥0-85份，粉煤灰0-430份，缓凝剂1-3份，增稠剂3-5份，水450-650份，聚乙烯纤维15-25份；
(2)按重量份将石膏、水泥、粉煤灰及缓凝剂加入搅拌机中，干粉搅拌2-3min，充分混合均匀；
(3)再按照比例加入水，浆体搅拌均匀后加入增稠剂，继续搅拌1-2min；
(4)随后在慢速搅拌状态下加入聚乙烯纤维，聚乙烯纤维加入完毕后，进行快速搅拌，充分搅拌2-3min，使纤维分散均匀；
(5)待搅拌结束后，转移至模具中，振捣1-2min成型，进行养护，脱模，即制得所述的具有超高延性的纤维增强石膏复合材料。
作为优选的技术方案，慢速搅拌的转速为135-145r/min，快速搅拌的转速为275-295r/min。
作为优选的技术方案，养护为常温标准养护，常温标准养护的条件为：控制温度为20℃，湿度为90％±5％，养护7天。
本发明纤维增强石膏复合材料配方中，采用聚乙烯纤维改善传统石膏材料韧性低、易脆、耐水性差的特性，并掺加水泥、粉煤灰改善材料的强度和耐水性能，结合使用缓凝剂和增稠剂，通过适宜组分配比，使石膏变形能力较传统纤维增强石膏材料具有较大的提升。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)本发明纤维增强石膏复合材料具有超高的单向拉伸延性，单向拉伸延性能保持在5％-8％，具有优异的应变硬化和变形能力；
2)本发明充分利用聚乙烯纤维的增韧、桥联作用，改善石膏韧性低、质脆易碎、耐水性差的特性，扩大了建筑石膏材料制品的应用领域；
3)本发明利用石膏原料，绿色环保，经济成本低，制备方法简单，适用于大规模工业建筑应用。
附图说明
图1为本发明实施例1中配方1-2的直接拉伸试件应力-应变图；
图2为本发明实施例2中配方2-2的直接拉伸试件应力-应变图；
图3为本发明实施例1-3各配方的直接拉伸试件应力-应变图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例中所使用的原材料若非特指，均为公知的，市售化工原料。
实施例1
本实例中含有3个产品，其编号分别记为1-1，1-2，1-3。
本实施例中具有超高延性的纤维增强石膏复合材料，包括β型石膏粉、缓凝剂、增稠剂、自来水以及聚乙烯纤维。各组分如下表1所示，表中各部分为重量份含量，其中，表1中聚乙烯纤维长度为18mm，长径比为700。
表1产品组分及重量份含量
标号 β型石膏粉 缓凝剂 增稠剂 水 聚乙烯纤维
1-1 1635 1.5 4 600 15
1-2 1635 1.5 4 600 20
1-3 1635 1.5 4 600 25
本实施例纤维增强石膏复合材料的制备过程如下：
(1)将石膏粉1635份，缓凝剂1.5份加入搅拌机，干粉搅拌2-3min，混合均匀；
(2)将水加入搅拌机中，浆体搅拌均匀后加入增稠剂，继续搅拌1-2min；
(3)加入聚乙烯纤维，充分搅拌2-3min；
(4)待搅拌结束后，转移至模具中，振捣1-2min成型，进行养护，养护至指定龄期脱模，得到产品。
制得产品的力学性能试验结果如表2所示。
表2产品力学性能试验测试结果
标号 初裂拉伸强度MPa 极限拉伸强度MPa 拉伸应变％
1-1 0.30 0.67 5.25
1-2 0.42 0.95 6.98
1-3 0.59 1.11 7.81
配方1-2的直接拉伸试件应力-应变图如图1所示，所制得的纤维石膏复合材料具有的轴向拉伸延性可达6.98％，具有优异的应变硬化和变形能力，显著改善石膏基材料的脆性，提高其韧性。
实施例2
本实例中含有3个产品，其编号分别记为2-1，2-2，2-3。
本实施例中具有超高延性的纤维增强石膏复合材料，包括α型石膏粉、缓凝剂、增稠剂、自来水以及聚乙烯纤维，各组分如下表3所示，表中各部分为重量份含量，其中，表3中聚乙烯纤维长度为18mm，长径比为700。
表3产品组分及重量份含量
标号 α型石膏粉 缓凝剂 增稠剂 水 聚乙烯纤维
2-1 1720 1.5 4 600 15
2-2 1720 1.5 4 600 20
2-3 1720 1.5 4 600 25
本实施例具有超高延性的纤维增强石膏复合材料的制备过程如下：
(1)将石膏粉1720份，缓凝剂1.5份加入搅拌机，干粉搅拌2-3min，混合均匀；
(2)将水加入搅拌机中，浆体搅拌均匀后加入增稠剂，继续搅拌1-2min；
(3)加入聚乙烯纤维，充分搅拌2-3min；
(4)待搅拌结束后，转移至模具中，振捣1-2min成型，进行养护，养护至指定龄期脱模，得到产品。
制得的产品的力学性能试验结果如表4所示。
表4产品力学性能试验测试结果
标号 初裂拉伸强度MPa 极限拉伸强度MPa 拉伸应变％
2-1 1.19 3.42 4.81
2-2 1.36 3.81 5.34
2-3 1.50 3.85 5.87
配方2-2的直接拉伸试件应力-应变图如图2所示，所制得的纤维石膏复合材料具有高达5.34％的拉伸延性外，其直接拉伸强度为3.81MPa，使此纤维石膏复合材料不仅具有优异的应变硬化和变形能力，也具有一定的强度，增强其耐磨和抗冲击性能。
实施例3
本实例中含有三个产品，其编号分别记为3-1，3-2，3-3。
本实施例中具有超高延性的纤维增强石膏复合材料，包括α型石膏粉、水泥、粉煤灰、缓凝剂、增稠剂、自来水以及聚乙烯纤维。各组分如下表5所示，表中各部分为重量份含量，其中，表5中聚乙烯纤维长度为18mm，长径比为700。
表5产品组分及重量份含量
标号 α型石膏粉 水泥 粉煤灰 缓凝剂 增稠剂 水 聚乙烯纤维
3-1 1205 85 430 1.5 4 600 15
3-2 1205 85 430 1.5 4 600 20
3-3 1205 85 430 1.5 4 600 25
本实施例具有超高延性的纤维增强石膏复合材料的制备过程如下：
(1)将石膏粉1205份，水泥85份，粉煤灰430份，缓凝剂1.5份加入搅拌机，干粉搅拌2-3min，混合均匀；
(2)将水加入搅拌机中，浆体搅拌均匀后加入增稠剂，继续搅拌1-2min；
(3)加入聚乙烯纤维，充分搅拌2-3min；
(4)待搅拌结束后，转移至模具中，振捣1-2min成型，进行养护，养护至指定龄期脱模，得到产品。
制得的产品的力学性能试验结果如表6所示。
表6产品力学性能试验测试结果
标号 初裂拉伸强度MPa 极限拉伸强度MPa 拉伸应变％
3-1 1.15 3.58 3.31
3-2 1.43 4.28 4.39
3-3 2.10 4.76 6.33
本发明实施例1-3中1-2、2-2和3-2的各配方直接拉伸试件应力-应变图如图3所示，从图中可知，本发明纤维石膏的抗拉强度在0.8-5MPa，抗拉延伸率达到5-8％，具有良好的微裂缝分布性能和耗能性能。
对比例1
本对比例为普通石膏材料，包括以下组分及重量份含量：β型石膏粉1635份，缓凝剂1.5份，水600份。本对比例采用普通石膏制品的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)按照以下组分及重量份含量进行备料：β型石膏粉1635份，缓凝剂1.5份，水600份；
(2)将石膏粉、缓凝剂加入搅拌机中搅拌30s；
(3)加入水，之后继续搅拌3min，制得浆体；
(4)将浆体注入模具中，脱模后放入养护室中进行标准养护，养护7天。
测定所得石膏抗拉强度0.2MPa，极限拉应变约0.01％。
对比例2
本对比例为高强石膏材料，包括以下组分及重量份含量：α型石膏粉1720份，缓凝剂1.5份，水600份。本对比例的制备方法具体包括以下步骤：
(1)按照以下组分及重量份含量进行备料：α型石膏粉1720份，缓凝剂1.5份，水600份。
(2)将石膏粉、缓凝剂加入搅拌机中搅拌30s；
(3)加入水，之后继续搅拌3min，制得浆体；
(4)将浆体注入模具中，脱模后放入养护室中进行标准养护，养护7天。
测定所得石膏抗拉强度1.01MPa，极限拉应变约0.01％。
经检测，石膏由于受拉时为脆性破坏，拉应变很小，对比实施例1-3，可以发现，纤维增强石膏复合材料由于纤维的作用使受拉时的破坏形式发生了转变，材料有较好的延性，峰值应力处对应的应变比普通石膏材料提高了上百倍。
上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所在领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也法对所有的实施方式予以穷举，而由此引出的显而易见的变化或变动仍属于本发明创造权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有超高延性的纤维增强石膏复合材料，其特征在于，包括以下组分及重量份含量：石膏粉1205-1720份，水泥0-85份，粉煤灰0-430份，缓凝剂1-3份，增稠剂3-5份，水450-650份，聚乙烯纤维15-25份。
2.根据权利要求1所述的一种具有超高延性的纤维石膏复合材料，其特征在于，所述的石膏粉为α型半水石膏粉或β型半水石膏粉。
3.根据权利要求1所述的一种具有超高延性的纤维石膏复合材料，其特征在于，所述的水泥为复合硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥，并且所述水泥的28天抗压强度≥52.5MPa，28天抗折强度≥7.0MPa，比表面积≥300m2/kg。
4.根据权利要求1所述的一种具有超高延性的纤维石膏复合材料，其特征在于，所述的粉煤灰为二级粉煤灰，其比表面积≥400m2/kg，密度为2.6g/cm3。
5.根据权利要求1所述的一种具有超高延性的纤维石膏复合材料，其特征在于，所述的聚乙烯纤维的直径为20-40μm，长度为9-24mm，长径比＞600，断裂延伸率为2-3％，抗拉强度为3000MPa。
6.根据权利要求1所述的一种具有超高延性的纤维石膏复合材料，其特征在于，所述的缓凝剂为植物蛋白型缓凝剂。
7.根据权利要求1所述的一种具有超高延性的纤维石膏复合材料，其特征在于，所述的增稠剂为聚丙烯酰胺增稠剂，其固体含量≥90％，分子量400-800万。
8.一种如权利要求1至7任一项所述的具有超高延性的纤维石膏复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)将按重量份称好的石膏粉、水泥、粉煤灰、缓凝剂加入搅拌机中，干粉搅拌2-3min，使之充分混合均匀；
(2)再按比例加入水，浆体搅拌均匀后加入增稠剂，继续搅拌1-2min；
(3)随后在慢速搅拌状态下加入聚乙烯纤维，快速搅拌2-3min，使纤维分散均匀；
(4)待搅拌结束后，转移至模具中，振捣1-2min成型，养护、脱模，即制得产品。
9.根据权利要求8所述的一种具有超高延性的纤维石膏复合材料的制备方法，其特征在于，慢速搅拌的转速为135-145r/min，快速搅拌的转速为275-295r/min。
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