CN109133796A - 一种可喷射超高韧性水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可喷射超高韧性水泥基复合材料及其制备方法，该复合材料主要由以下重量份比例的原料制成：普通硅酸盐水泥908‑956份、粉煤灰52‑98份、石英砂446‑452份、减水剂6‑10份、纤维16‑20份、增稠剂1‑2份、水382‑402份。本发明制备方法及工艺简单易行，采用水泥胶砂行星式搅拌机即可制备出易喷射、高韧性等性能优异的可喷射超高韧性水泥基复合材料。其次，本发明在各种外加剂的协同作用下，能够实现在喷射和施工过程中对于可喷射超高韧性水泥基复合材料不同流变性要求。此外，有机纤维的引入大大提高了材料的韧性，增强了其抗裂性，有效控制了后期开裂风险。本发明具有制备工艺简单、施工工艺高效、工作与力学性能优异等优点，在工程实际中有广泛应用前景。

Description

一种可喷射超高韧性水泥基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种可喷射超高韧性水泥基复合材料及其制备方法，属于土木工程材料领域。
背景技术
近几十年，港口水利工程、地下工程、大跨度结构工程等建筑工程不断出现且发展趋势日渐强劲，但是由于混凝土材料具有脆性大、韧性差、易开裂、耐久性差、传统施工方法的局限等诸多缺点，进而直接影响着工程结构的安全性、适用性、耐久性以及经济性等。可喷射超高韧性水泥基复合材料概念来源于喷射混凝土和纤维混凝土，可喷射超高韧性水泥基复合材料结合了两者的优点，具有高效施工和超高韧性的特点。目前，喷射混凝土和纤维混凝土已经广泛应用于各种工程，但是对于可喷射超高韧性水泥基复合材料的应用依然缺乏深入的研究。
可喷射水泥基复合材料为了满足高效施工的特点，对于材料流变性能有十分苛刻的要求。制备过程中需要满足喷射和施工双阶段的不同流变性能要求，在喷射阶段需要具有良好的流变性能，施工阶段需要具有优异的粘结性能。但是为了提高材料韧性增强其抗裂性，通常会在基体中加入纤维，而引入的纤维会大量吸附浆体中的自由水，降低材料的流变性能，影响材料的可泵性能，导致堵塞管道等情况，给施工带来意外风险。因此，制备一种具有双阶段流变性能的可喷射超高韧性水泥基复合材料势在必行。
发明内容
发明目的：为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可喷射超高韧性水泥基复合材料及其制备方法。
技术方案：为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种可喷射超高韧性水泥基复合材料，其主要由以下重量份比例的原料制成：
普通硅酸盐水泥908-956份、粉煤灰52-98份、石英砂446-452份、减水剂6-10份、纤维16-20份、增稠剂1-2份、水382-402份。
所述的普通硅酸盐水泥为P.O·52.5级普通硅酸盐水泥，与聚羧酸减水剂相容性较好。
所述的粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，连续粒径分布，其中位粒径为18-20um，其中SiO2含量为47-49％，Al2O3含量为28-29％，CaO含量为7-8％，Fe2O3含量为7.0-7.5％。
所述的石英砂为普通石英砂，其目数为100目，粒径为125-150um，密度为1.4-1.5g/cm3。
所述的减水剂为聚羧酸高效减水剂，外观呈浅黄色，密度为1.10-1.15g/ml，固含量大于等于50％(质量含量)，PH值为4±2，减水率大于等于33.9％。
所述的纤维为聚乙烯醇纤维，长度为12mm，抗拉强度1400-1600MPa，干断裂伸度14-20％。
所述的增稠剂为羟甲基纤维素醚，外观呈白色或微黄色絮状纤维粉末，可溶于水，形成胶黏状液。
所述水为自来水或饮用水，复合《混凝土用水标准》(JGJ63-2006)的要求。
所述的可喷射超高韧性水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)取普通硅酸盐水泥、粉煤灰、石英砂，混合干拌搅拌均匀得到混合原料；
(2)将增稠剂加入上述混合原料中，干拌搅拌均匀得到混合料；
(3)向上述混合料中加入水和减水剂的混合溶液，得到均匀浆体。
(4)调节搅拌速度，向上述浆体中缓慢且均匀地加入聚乙烯醇纤维，搅拌后，即得。
步骤(1)中混合原料加入水泥胶砂行星式搅拌机中，慢速搅拌，搅拌时间为60-90S；
步骤(2)中增稠剂加入过程中，先暂停搅拌，将增稠剂加入至混合原料内部，然后慢搅30S。
步骤(3)中减水剂与水按质量比1:10混合，搅拌得到混合溶液加入原料中，剩余水缓慢加入上述原料中，上述过程在30S内完成；水与减水剂加完后，慢速搅拌90-120S，再快速搅拌30-40S；
步骤(4)中，调节搅拌速度为慢搅，均匀加入聚乙烯醇纤维，加入过程在30S内完成，聚乙烯醇纤维加入后，慢速搅拌30-60S。
技术效果：相对于现有技术，本发明制备方法及工艺简单易行，采用水泥胶砂行星式搅拌机即可制备出易喷射、高韧性等性能优异的可喷射超高韧性水泥基复合材料。其次，本发明在各种外加剂的协同作用下，能够实现在喷射和施工过程中对于可喷射超高韧性水泥基复合材料不同流变性要求。此外，有机纤维的引入大大提高了材料的韧性，增强了其抗裂性，有效控制了后期开裂风险。本发明具有制备工艺简单、施工工艺高效、工作与力学性能优异等优点，在工程实际中有广泛应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实例，进一步阐明本发明。
以下实施例中所用原料均为以下要求：
普通硅酸盐水泥为P.O·52.5级普通硅酸盐水泥，与聚羧酸减水剂相容性较好。
粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，连续粒径分布，其中位粒径为18-20um，其中SiO2含量为47-49％，Al2O3含量为28-29％，CaO含量为7-8％，Fe2O3含量为7.0-7.5％。
石英砂为普通石英砂，其目数为100目，粒径为125-150um，密度为1.4-1.5g/cm3。
减水剂为聚羧酸高效减水剂，外观呈浅黄色，密度为1.10-1.15g/ml，固含量大于等于50％(质量含量)，PH值为4±2，减水率大于等于33.9％。
纤维为聚乙烯醇纤维，长度为12mm，抗拉强度1400-1600MPa，干断裂伸度14-20％。
增稠剂为羟甲基纤维素醚，外观呈白色或微黄色絮状纤维粉末，可溶于水，形成胶黏状液。
水为自来水或饮用水，复合《混凝土用水标准》(JGJ63-2006)的要求。
使用的搅拌机为标准水泥胶砂行星搅拌机。
实施例1
一种可喷射超高韧性水泥基复合材料，按重量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥910份、粉煤灰90份、石英砂450份、减水剂8份、纤维16份、增稠剂1份、水384份。
制备方法：
(1)准确称取普通硅酸盐水泥、粉煤灰、石英砂，润湿搅拌机设备以及其他相关工具，在水泥胶砂行星式搅拌机混合干拌上述材料直至搅拌均匀得到混合原料，搅拌挡位为慢速挡位，搅拌时间为80S；
(2)暂停搅拌，在(1)中混合原料中部挖一凹槽，将增稠剂加入上述混合原料凹槽中，在增稠剂上覆盖混合料，慢速搅拌30S得到混合料；
(3)准确称取减水剂以及水，减水剂与水按质量比1:10混合，搅拌得到混合溶液加入原料中，剩余水缓慢加入上述原料中，上述过程在30S内完成；水与减水剂加完后，慢速搅拌100S，再快速搅拌35S，得到均匀浆体。
(4)调节搅拌机搅拌速度为慢搅，向上述浆体中缓慢且均匀地加入聚乙烯醇纤维，加入过程在30S内完成，聚乙烯醇纤维加入后，慢速搅拌40S，搅拌完成后加入至喷射装备中，即可得到所述的可喷射超高韧性水泥基复合材料。
实施例2
一种可喷射超高韧性水泥基复合材料，按重量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥910份、粉煤灰90份、石英砂450份、减水剂8份、纤维20份、增稠剂1份、水384份。
制备方法：
(1)准确称取普通硅酸盐水泥、粉煤灰、石英砂，润湿搅拌机设备以及其他相关工具，在水泥胶砂行星式搅拌机混合干拌上述材料直至搅拌均匀得到混合原料，搅拌挡位为慢速挡位，搅拌时间为80S；
(2)暂停搅拌，在(1)中混合原料中部挖一凹槽，将增稠剂加入上述混合原料凹槽中，在增稠剂上覆盖混合料，慢速搅拌30S得到混合料；
(3)准确称取减水剂以及水，减水剂与水按质量比1:10混合，搅拌得到混合溶液加入原料中，剩余水缓慢加入上述原料中，上述过程在30S内完成；水与减水剂加完后，慢速搅拌100S，再快速搅拌35S，得到均匀浆体。
(4)调节搅拌机搅拌速度为慢搅，向上述浆体中缓慢且均匀地加入聚乙烯醇纤维，加入过程在30S内完成，聚乙烯醇纤维加入后，慢速搅拌40S，搅拌完成后加入至喷射装备中，即可得到所述的可喷射超高韧性水泥基复合材料。
实施例3
一种可喷射超高韧性水泥基复合材料，按重量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥945份、粉煤灰55份、石英砂450份、减水剂10份、纤维16份、增稠剂1份、水400份。
制备方法：
(1)准确称取普通硅酸盐水泥、粉煤灰、石英砂，润湿搅拌机设备以及其他相关工具，在水泥胶砂行星式搅拌机混合干拌上述材料直至搅拌均匀得到混合原料，搅拌挡位为慢速挡位，搅拌时间为80S；
(2)暂停搅拌，在(1)中混合原料中部挖一凹槽，将增稠剂加入上述混合原料凹槽中，在增稠剂上覆盖混合料，慢速搅拌30S得到混合料；
(3)准确称取减水剂以及水，减水剂与水按质量比1:10混合，搅拌得到混合溶液加入原料中，剩余水缓慢加入上述原料中，上述过程在30S内完成；水与减水剂加完后，慢速搅拌100S，再快速搅拌35S，得到均匀浆体。
(4)调节搅拌机搅拌速度为慢搅，向上述浆体中缓慢且均匀地加入聚乙烯醇纤维，加入过程在30S内完成，聚乙烯醇纤维加入后，慢速搅拌40S，搅拌完成后加入至喷射装备中，即可得到所述的可喷射超高韧性水泥基复合材料。
实施例4
一种可喷射超高韧性水泥基复合材料，按重量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥945份、粉煤灰55份、石英砂450份、减水剂10份、纤维20份、增稠剂1份、水400份。
制备方法：
(1)准确称取普通硅酸盐水泥、粉煤灰、石英砂，润湿搅拌机设备以及其他相关工具，在水泥胶砂行星式搅拌机混合干拌上述材料直至搅拌均匀得到混合原料，搅拌挡位为慢速挡位，搅拌时间为80S；
(2)暂停搅拌，在(1)中混合原料中部挖一凹槽，将增稠剂加入上述混合原料凹槽中，在增稠剂上覆盖混合料，慢速搅拌30S得到混合料；
(3)准确称取减水剂以及水，减水剂与水按质量比1:10混合，搅拌得到混合溶液加入原料中，剩余水缓慢加入上述原料中，上述过程在30S内完成；水与减水剂加完后，慢速搅拌100S，再快速搅拌35S，得到均匀浆体。
(4)调节搅拌机搅拌速度为慢搅，向上述浆体中缓慢且均匀地加入聚乙烯醇纤维，加入过程在30S内完成，聚乙烯醇纤维加入后，慢速搅拌40S，搅拌完成后加入至喷射装备中，即可得到所述的可喷射超高韧性水泥基复合材料。
实施例5
一种可喷射超高韧性水泥基复合材料，按重量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥956份、粉煤灰52份、石英砂452份、减水剂6份、纤维16份、增稠剂1份、水382份。
制备方法：
(1)准确称取普通硅酸盐水泥、粉煤灰、石英砂，润湿搅拌机设备以及其他相关工具，在水泥胶砂行星式搅拌机混合干拌上述材料直至搅拌均匀得到混合原料，搅拌挡位为慢速挡位，搅拌时间为60S；
(2)暂停搅拌，在(1)中混合原料中部挖一凹槽，将增稠剂加入上述混合原料凹槽中，在增稠剂上覆盖混合料，慢速搅拌30S得到混合料；
(3)准确称取减水剂以及水，减水剂与水按质量比1:10混合，搅拌得到混合溶液加入原料中，剩余水缓慢加入上述原料中，上述过程在30S内完成；水与减水剂加完后，慢速搅拌90S，再快速搅拌30S，得到均匀浆体。
(4)调节搅拌机搅拌速度为慢搅，向上述浆体中缓慢且均匀地加入聚乙烯醇纤维，加入过程在30S内完成，聚乙烯醇纤维加入后，慢速搅拌30S，搅拌完成后加入至喷射装备中，即可得到所述的可喷射超高韧性水泥基复合材料。
实施例6
一种可喷射超高韧性水泥基复合材料，按重量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥908份、粉煤灰98份、石英砂446份、减水剂10份、纤维20份、增稠剂2份、水402份。
制备方法：
(1)准确称取普通硅酸盐水泥、粉煤灰、石英砂，润湿搅拌机设备以及其他相关工具，在水泥胶砂行星式搅拌机混合干拌上述材料直至搅拌均匀得到混合原料，搅拌挡位为慢速挡位，搅拌时间为90S；
(2)暂停搅拌，在(1)中混合原料中部挖一凹槽，将增稠剂加入上述混合原料凹槽中，在增稠剂上覆盖混合料，慢速搅拌30S得到混合料；
(3)准确称取减水剂以及水，减水剂与水按质量比1:10混合，搅拌得到混合溶液加入原料中，剩余水缓慢加入上述原料中，上述过程在30S内完成；水与减水剂加完后，慢速搅拌120S，再快速搅拌40S，得到均匀浆体。
(4)调节搅拌机搅拌速度为慢搅，向上述浆体中缓慢且均匀地加入聚乙烯醇纤维，加入过程在30S内完成，聚乙烯醇纤维加入后，慢速搅拌60S，搅拌完成后加入至喷射装备中，即可得到所述的可喷射超高韧性水泥基复合材料。
对比例1：
与实施例1相同，不同之处在于，将纤维份数降低至13份，其他均不变。
对比例2：
与实施例1相同，不同之处在于，将纤维份数提高至23份，其他均不变。
对比例3
与实施例1相同，不同之处在于，将水份数降低至360份，其他组分发生相应变化，其具体组分改变如下：
普通硅酸盐水泥913份、粉煤灰92份、石英砂450份、减水剂8份、纤维17份、增稠剂1份、水360份。
对比例4
与实施例1相同，不同之处在于，将减水剂份数增加至12份，他组分发生相应变化，其具体组分改变如下：
普通硅酸盐水泥908份、粉煤灰89份、石英砂450份、减水剂6份、纤维16份、增稠剂1份、水383份。
性能检测：
对上述实施例1-4及对比例1-4进行工作性能和力学性能试验，采用砂浆流动度测试表征其流变性能，标准养护后测试其7d抗压强度、抗折强度和四点抗折极限挠度。表一列出实施例1-4测试结果。表二列出对比例1-4测试结果。
表一测试结果
表二测试结果
由上表一和表二结果可得，与对比例1相比较，即降低纤维的份量，会明显改善产品流动性能，但会降低产品的韧性，抗折强度和四点抗折极限挠度降低。与对比例2相比较，即提高纤维的份量，会降低产品的流动度，抗压强度基本相当，但会提高产品的抗折强度和四点抗折极限挠度，说明纤维掺量对产品的工作性能和韧性均有影响。此外，与对比例3相比较，即与降低水的份量，产品的流动性能有所下降，抗折强度和四点抗折极限挠度均无明显变化，但抗压强度有所增加，说明水灰比对流动性能和抗压强度影响较大，但对抗折强度和四点抗折极限挠度无明显影响。最后，与对比例4相比较，即提高减水剂的份量，产品的流动性能明显提高，抗折强度和四点抗折极限挠度均无明显变化，但抗压强度有略微降低，表明减水剂对产品的工作性能有较大影响，但会略微影响产品的抗压强度。

Claims (8)

1.一种可喷射超高韧性水泥基复合材料，其特征在于，其主要由以下重量份比例的原料制成：
普通硅酸盐水泥908-956份、粉煤灰52-98份、石英砂446-452份、减水剂6-10份、纤维16-20份、增稠剂1-2份、水382-402份。
2.根据权利要求1所述的可喷射超高韧性水泥基复合材料，其特征在于，所述的普通硅酸盐水泥为P.O·52.5级普通硅酸盐水泥；所述的粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，连续粒径分布，其中位粒径为18-20um，其中SiO2含量为47-49％，Al2O3含量为28-29％，CaO含量为7-8％，Fe2O3含量为7.0-7.5％。
3.根据权利要求1所述的可喷射超高韧性水泥基复合材料，其特征在于，所述的石英砂为普通石英砂，其目数为100目，粒径为125-150um，密度为1.4-1.5g/cm3。
4.根据权利要求1所述的可喷射超高韧性水泥基复合材料，其特征在于，所述的减水剂为聚羧酸高效减水剂，外观呈浅黄色，密度为1.10-1.15g/ml，固含量大于等于50％(质量含量)，PH值为4±2，减水率大于等于33.9％。
5.根据权利要求1所述的可喷射超高韧性水泥基复合材料，其特征在于，所述的纤维为聚乙烯醇纤维，长度为12mm，抗拉强度1400-1600MPa，干断裂伸度14-20％。
6.根据权利要求1所述的可喷射超高韧性水泥基复合材料，其特征在于，所述的增稠剂为羟甲基纤维素醚，外观呈白色或微黄色絮状纤维粉末，可溶于水，形成胶黏状液。
7.权利要求1-6任一项所述的可喷射超高韧性水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取普通硅酸盐水泥、粉煤灰、石英砂，混合干拌搅拌均匀得到混合原料；
(2)将增稠剂加入上述混合原料中，干拌搅拌均匀得到混合料；
(3)向上述混合料中加入水和减水剂的混合溶液，得到均匀浆体。
(4)调节搅拌速度，向上述浆体中缓慢且均匀地加入聚乙烯醇纤维，搅拌后，即得。
8.根据权利要求7所述的可喷射超高韧性水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中混合原料加入水泥胶砂行星式搅拌机中，慢速搅拌，搅拌时间为60-90S；
步骤(2)中增稠剂加入过程中，先暂停搅拌，将增稠剂加入至混合原料内部，然后慢搅30S。
步骤(3)中减水剂与水按质量比1:10混合，搅拌得到混合溶液加入原料中，剩余水缓慢加入上述原料中，上述过程在30S内完成；水与减水剂加完后，慢速搅拌90-120S，再快速搅拌30-40S；
步骤(4)中，调节搅拌速度为慢搅，均匀加入聚乙烯醇纤维，加入过程在30S内完成，聚乙烯醇纤维加入后，慢速搅拌30-60S。
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