CN109466154B - 一种水泥基复合材料的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水泥基复合材料的制造方法，目的是使得水泥基复合材料的制作工艺变得更为简单，同时防止水泥基复合材料渗漏等不良现象，本发明涉及混凝土建筑制造领域，该水泥基复合材料的制造方法包括含有无机长纤维的无捻长纤维编织成网状纤维布、短纤维和网状纤维布热压成无纺布、水泥复合材料的预制、水泥基复合材料的制造，本发明的水泥基复合材料成本低，综合性能优越，使用方便，节约成本，广泛用于护坡、护沟、护渠、护堰等难于施工的地方。

Description

一种水泥基复合材料的制造方法
技术领域
本发明涉及混凝土建筑制造领域，特别涉及一种水泥基复合材料的制造方法。
背景技术
建筑结构在其服役过程中都不可避免的会遭遇到动荷载的作用，如强震区工程结构的设计需要考虑地震作用；核电厂安全壳的设计要考虑可能发生的飞机撞击作用；国防建筑中防护结构的设计要抵御爆炸作用；桥梁需要考虑车辆、船舶的撞击等。近年来，由于反恐怖袭击的需要和地震频发，结构动态特性研究的重要性更显得突出。
普通钢筋混凝土结构被广泛应用于承受地震和冲击荷载，如高层建筑、机场跑道、桥梁和军事掩体等重要建筑物，但由于混凝土材料的抗拉强度、延性、损伤容限和能量吸收能力较低，为了使混凝土结构能满足地震荷载作用下的性能需求，常需要在混凝土结构中配置大量的钢筋，这造成了结构的施工困难、费用高，而且其抗震能力有限，在高速冲击荷载作用下，混凝土材料容易开裂和发生脆性破坏，引起被撞击结构背面碎片高速弹出从而造成掩体内人员伤亡，因此，急需改善普通钢筋混凝土在地震和冲击荷载作用下的材料性能。据资料显示在混凝土内加入短纤维可以显著提高混凝土的抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、断裂能以及抵抗疲劳和抗冲击的能力。因此，纤维混凝土是解决上述问题的一种有效途径。聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料具有极限拉应变大、拉伸应变硬化和多裂缝开展的特点，应用于承受疲劳荷载、地震荷载和有耐久性要求的结构有很好的效果，而聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料在动力冲击方面的性能还缺乏研究，在动力冲击荷载作用下材料不仅要具有很好的能量耗散能力而且对强度也有一定的要求，聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料加入钢纤维以得到更好的抗冲击性能，采用霍普金森杆装置对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料和 PVA/钢混合增强水泥基复合材料进行动态压缩和动态劈拉试验，对比分析了不同纤维含量对动态性能的影响，在此基础上建立了材料的动态模型并进行了二次开发，最后进行了材料的动态响应的数值模拟分析。
短纤维增强水泥基复合材料国内称为超高韧性水泥基复合材料或设计水泥基复合材料，在国外有资料显示短纤维增强水泥基复合材料微观力学、统计学和断裂力学设计出纤维掺量不超过总复合材料体积掺量 2%，具有应变硬化、极限拉应变超过 3%和多裂缝开展特性的一种纤维增强水泥基复合材料。
强度是材料最基本的力学性能，国内外研究者对超高性能水泥基复合材料的强度性能进行了大量的研究。抗压强度的测试较为简单，而由于轴拉试验操作起来较为复杂，因此研究者经常采用抗折强度来对超高性能水泥基复合材料的抗拉性能进行表征。文献中在对超高性能水泥基复合材料强度性能进行研究时，主要从胶凝材料组成、纤维掺量、制备工艺以及养护制度等方面进行探索。同时也研究了在一定温度和蒸汽压力条件下，养护一定时间时，矿渣和粉煤灰取代部分水泥后对超高性能水泥基复合材料力学性能的影响。也研究了在掺合料掺量不高于40％的条件下，材料的力学性能损失很小。
此外，研究者对比了预压工艺对材料强度的影响，发现在浇筑后对材料进行8h的预压（30MPa）处理后，材料的力学性能大幅提升。
研究了纤维掺量对超高性能水泥基复合材料强度性能的影响，抗压强度和抗折强度随纤维掺量的增加而呈现不同的变化规律。当纤维掺量由0％增至1％时，抗压强度增长较为明显，而抗折强度增长十分有限。当继续增加纤维掺量时，抗压强度增长速率放慢，而抗折强度出现大幅增长。此外，该研究还对比了纤维形状对超高性能水泥基复合材料力学性能的影响。
设计水泥基复合材料所采用的纤维材料一般为钢纤维、聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维，其中采用钢纤维制作 ECC 材料虽然会出现应变硬化特征，但纤维掺量大，极限拉应变小，而采用聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维则能在纤维掺量比较小的情况下，制作出具有应变硬化、极限拉应变大和多裂缝开展的特点的设计水泥基复合材料，目前由于聚乙烯醇纤维相比聚丙烯纤维具有更好的物理和化学特性，从而被广泛用来制作设计水泥基复合材料。
在中国专利申请号码No:201310460907.1中介绍了一种水泥基复合材料毯的制作工艺，在该水泥基复合材料毯中，是由上织物层、底织物层和设置在上织物层和底织物层之间的网状纤维织物层组成，而在上织物层、底织物层和网状纤维织物层却采用纤维丝线针刺连接或缝纫连接而成，在上织物层和底织物层之间设置加水即可固化的水泥基复合材料填充。但是，就该水泥基复合材料来说，在用作护渠时存在可能渗漏或脆裂等缺陷。
在中国专利申请号码No：201320614213.4中介绍了一种水泥基复合材料毯的组成结构，受该水泥基复合材料毯的制作工艺工序的限制，使得浇筑水泥基复合材料时存在一定的难度，同时，在该水泥基复合材料用于护坡和护渠时，容易发生渗漏。
为此，本发明为了克服以上技术存在的不足，在本发明的过程中，在水泥基复合材料的表面采用粘结技术，使得水泥基复合材料的制作工艺变得更为简单，同时，也会因采用粘结剂，可以防止水泥基复合材料渗漏等不良现象。
发明内容
本发明提供了一种水泥基复合材料的制造方法，目的是使水泥基复合材料的制作工艺变得更为简单，同时防止水泥基复合材料渗漏等不良现象。
本发明采用的技术方案为：
一种水泥基复合材料的制造方法，该制造方法包括由含有无机长纤维的无捻长纤维编织成网状纤维布、短纤维和网状纤维布热压成无纺布、水泥复合材料的预制、水泥基复合材料的制造，具体制造工艺如下：
（1）将含18～38%wt无机玄武岩纤维或/和玻璃纤维或/和陶瓷纤维的芳纶1313纤维或/和芳纶1414纤维或/和尼龙纤维或/和维尼纶纤维输入纤维成捻机编织成64支的纤维线；
（2）将步骤（1）得到的纤维线输入纤维布编织机织成网格为1m×1m、幅宽为2.00m的网状纤维布；
（3）将含8～18%wt且长为16～18mm、直径为6～9µm的陶瓷纤维或/和E型玻璃纤维或/和玄武岩无机纤维的短纤维的聚乙烯纤维或/和聚丙烯纤维或/和聚酯纤维或/和聚苯硫醚纤维或/和聚丙烯腈纤维的短纤维与步骤（2）得到的网状纤维布由传输带输入温度为60～120℃的保温甬道，在保温甬道内安装有可以将短纤维压成无纺布的压轧机，无机短纤维经压轧机压制成含有无机短纤维的有机纤维无纺布，含有无机短纤维的有机纤维无纺布的透气率为12～18m3/min；
（4）将P032.5R水泥、UNF-6减水剂、河沙、砾石、含8～18%wt玄武岩纤维或/和玻璃纤维或/和陶瓷无机纤维的聚乙烯纤维或/和聚丙烯纤维或/和聚酯纤维或/和聚苯硫醚纤维或/和聚丙烯腈纤维短纤维、硅藻土、水以480～530∶0.3～0.8∶800～1000∶1100～1300∶25～38∶9～18∶120～140kg/m3的比例加入混凝土搅拌机中，搅拌均匀；
（5）将步骤（4）得到的水泥混凝土浆料浇筑成且长为2000～2400mm、宽为1000～1200mm、厚为80～130mm的混凝土块；
（6）当混凝土块表面刚好凝固时，喷施E-51610环氧树脂粘胶剂或含羟基聚氨酯粘胶剂，随即将步骤（3）得到的有机纤维无纺布，粘结在混凝土块的表面，当混凝土达到安定期后，就制成了水泥基复合材料。
本发明的有益效果：
1、本发明为了降低水泥基复合材料的制造成本和制造难度，采用熔喷短纤维直接压制成无纺布，其目的是，一方面是利用高压热氮气的温度，另外一方面是熔喷短纤维在没有完全冷却下来的条件下，直接输入保温甬道，在这样的保温甬道中，热压成无纺布，这样节约了无纺布的成本，又缩短了无纺布的制造工艺工序，同时还提高了无纺布纤维之间的粘结，从而提高无纺布的强度。
2、本发明采用熔喷短纤维直接压制成无纺布的目的是，在无纺布的制造过程中，不使用粘结剂，而是充分利用熔喷纤维可以在一定温度条件下，可以发生自粘的特性。
3、本发明为了提高水泥基复合材料的性能特征，需要在水泥混凝土中适当加入一定量的无机短纤维，其目的是为了提高了水泥基复合材料的抗冲击强度和抗冻性能，充分利用含有有机非金属纤维混凝土在成形后尺寸稳定性很好的特点，提高水泥基复合材料的成品率，降低水泥基复合材料在养护处理过程中的翘曲变形率，同时减少水泥基复合材料裂纹的产生。
4、在本发明的过程中，为了提高水泥基复合材料的抗冲击强度，在水泥基复合材料的浇筑过程中，适当使用一定量的减水剂和石英砂，同时，控制石英砂和砾石的颗粒粒径，其目的是适当缩短水泥基复合材料成型时间，同时养护温度不同其成型速率也会不同，因此，需要控制水泥基复合材料养护温度和湿度，一方面，控制水泥基复合材料的成型速率，另一方面，降低水泥基复合材料的翘曲变形率，进而使水泥基复合材料的各种性能达到最优的目的。
5、本发明为了扩大水泥基复合材料的应用范围，在水泥的表面粘结一层或多层纤维无纺布，其目的是将水泥基复合材料用作防护护栏、人工造景和恶劣环境防护治理方面，以及道路护坡、护沟、以人工护渠等。
本发明工艺流程简介：
本发明的水泥基复合材料的制造方法，该水泥基复合材料是由含有一定量无机长纤维的无捻长纤维编织成网状纤维布，再将短纤维和网状纤维布热压成无纺布；水泥复合材料预制成一定长度、宽度和后的水泥基、当水泥基的混净土刚好凝固时，在其表面喷施粘胶剂，将短纤维无纺布粘结在水泥基表面，这样就完成了水泥基复合材料的制造。
具体实施方式
实施例1
水泥基复合材料的制造方法：
（1）将含18%wt玄武岩纤维的芳纶1313纤维输入纤维成捻机编织成64支的纤维线；
（2）由编织机织成网格为1m×1m、幅宽为2.00m的网状纤维布；
（3）将含18%wt且长为16mm、直径为6µm的陶瓷纤维的聚乙烯纤维和聚丙烯短纤维与上述网状纤维布由传输带输入温度为80℃的保温甬道，在保温甬道内安装有可以将短纤维压成无纺布的压轧机，短纤维经压机压制成无纺布，无纺布的透气率为18m3/min；
（4）将P032.5R水泥、UNF-6减水剂、河沙、砾石、含8%wt玄武岩纤维的聚乙烯短纤维、硅藻土、水以480∶0.8∶800∶1100∶25∶9∶120kg/m3的比例加入混凝土搅拌机中，搅拌均匀，得水泥混凝土浆料；
（5）将上述水泥混凝土浆料浇筑成且长为2000mm、宽为1000mm、厚为80mm的混凝土块；
（6）当混凝土块表面刚好凝固时，喷施E-51610环氧树脂粘胶剂，随即将上述压制好的无纺布，粘结在水泥混凝土块的表面，当混凝土达到安定期后，就制成了水泥基复合材料。
实施例2
（1）将含38%wt陶瓷纤维的芳纶1414纤维输入纤维成捻机编织成64支的纤维线；
（2）由编织机织成网格为1m×1m、幅宽为2.00m的网状纤维布；
（3）将含8%wt且长为18mm、直径为9µm的E型玻璃纤维的聚乙烯短纤维与上述网状纤维布由传输带输入温度为60℃的保温甬道，在保温甬道内安装有可以将短纤维压成无纺布的压轧机，短纤维经压机压制成无纺布，无纺布的透气率为18m3/min；
（4）将P032.5R水泥、UNF-6减水剂、河沙、砾石、含18%wt玻璃纤维的聚酯短纤维、硅藻土、水以530∶0.3∶1000∶1300∶38∶18∶140kg/m3的比例加入混凝土搅拌机中，搅拌均匀，得水泥混凝土浆料；
（5）将上述水泥混凝土浆料浇筑成且长为2400mm、宽为1200mm、厚为130mm的混凝土块；
（6）当混凝土块表面刚好凝固时，喷施含羟基聚氨酯粘胶剂，随即将上述压制好的无纺布，粘结在水泥混凝土块的表面，当混凝土达到安定期后，就制成了水泥基复合材料。
实施例3
（1）将含21%wt陶瓷纤维的尼龙纤维输入纤维成捻机编织成64支的纤维线；
（2）由编织机织成网格为1m×1m、幅宽为2.00m的网状纤维布；
（3）将含10%wt且长为17mm、直径为7µm玄武岩纤维的聚酯短纤维与上述网状纤维布由传输带输入温度为120℃的保温甬道，在保温甬道内安装有可以将短纤维压成无纺布的压轧机，短纤维经压机压制成无纺布，无纺布的透气率为14m3/min；
（4）将P032.5R水泥、UNF-6减水剂、河沙、砾石、含11%wt陶瓷短纤维的聚苯硫醚短纤维、硅藻土、水以490∶0.4∶863∶1181∶28∶11∶123kg/m3的比例加入混凝土搅拌机中，搅拌均匀，得水泥混凝土浆料；
（5）将上述水泥混凝土浆料浇筑成且长为2200mm、宽为1199mm、厚为90mm的混凝土块；
（6）当混凝土块表面刚好凝固时，喷施E-51610环氧树脂粘胶剂，随即将上述压制好的无纺布，粘结在水泥混凝土块的表面，当混凝土达到安定期后，就制成了水泥基复合材料。
对比实例1
（1）将含60%wt玄武岩纤维的芳纶1414纤维输入纤维成捻机编织成64支的纤维线；
（2）由编织机织成网格为1mx1m、幅宽为2.00m的网状纤维布；
（3）将含40%wt且长为6mm、直径为6µm陶瓷纤维的聚乙烯短纤维与上述网状纤维布由传输带输入温度为60℃的保温甬道，在保温甬道内安装有可以将短纤维压成无纺布的压轧机，短纤维经压机压制成无纺布，无纺布的透气率为12m3/min；
（4）将P032.5R水泥、UNF-6减水剂、河沙、砾石、水以480∶ 0.3∶800∶1100∶120kg/m3的比例加入混凝土搅拌机中，搅拌均匀，得水泥混凝土浆料；
（5）将上述水泥混凝土浆料浇筑成长2000mm、宽为1000mm、厚为80mm的混凝土块；
（6）当混凝土块表面刚好凝固时，喷施E-51610环氧树脂粘胶剂，随即将上述压制好的无纺布，粘结在水泥混凝土块的表面，当混凝土达到安定期后，就制成了水泥基复合材料。
实施例4
（1）将含25%wt玄武岩纤维、玻璃纤维和陶瓷纤维的维尼纶纤维输入纤维成捻机编织成64支的纤维线，其中，玄武岩纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维的质量比为23∶27∶50；
（2）由编织机织成网格为1mx1m、幅宽为2.00m的网状纤维布；
（3）将含12%wt且长为18mm、直径为9µm陶瓷纤维、E型玻璃纤维和玄武岩纤维的聚丙烯腈短纤维与上述网状纤维布由传输带输入温度为110℃的保温甬道，在保温甬道内安装有可以将短纤维压成无纺布的压轧机，短纤维经压机压制成无纺布，无纺布的透气率为13m3/min，其中，陶瓷纤维、E型玻璃纤维、玄武岩纤维的质量比为15∶33∶52；
（4）将P032.5R水泥、UNF-6减水剂、河沙、砾石、含16%wt玄武岩纤维、玻璃纤维和陶瓷纤维的聚苯硫醚短纤维、硅藻土、水以500∶0.5∶911∶1218∶29∶13∶135kg/m3的比例加入混凝土搅拌机中，搅拌均匀，得水泥混凝土浆料；
（5）将上述水泥混凝土浆料浇筑成且长为2400mm、宽为1000mm、厚为130mm的混凝土块；
（6）当混凝土块表面刚好凝固时，喷施含羟基聚氨酯粘胶剂，随即将上述压制好的无纺布，粘结在水泥混凝土块的表面，当混凝土达到安定期后，就制成了水泥基复合材料。
实施例5
（1）将33%wt玻璃纤维和陶瓷纤维的芳纶1313纤维和芳纶1414纤维输入纤维成捻机编织成64支的纤维线，其中，玻璃纤维和陶瓷纤维的质量比为9∶11；
（2）由编织机织成网格为1m×1m、幅宽为2.00m的网状纤维布；
（3）将含14%wt且长为18mm、直径为6µm陶瓷纤维的聚乙烯纤维和聚丙烯短纤维与上述网状纤维布由传输带输入温度为90℃的保温甬道，在保温甬道内安装有可以将短纤维压成无纺布的压轧机，短纤维经压机压制成无纺布，无纺布的透气率为17m3/min，其中，聚乙烯纤维和聚丙烯纤维的质量比为9∶16；
（4）将P032.5R水泥、UNF-6减水剂、河沙、砾石、含16%wt玄武岩纤维和玻璃纤维的聚酯纤维和聚苯硫醚短纤维、硅藻土、水以520∶0.7∶884∶1243∶31∶14∶131kg/m3的比例加入混凝土搅拌机中，搅拌均匀，得水泥混凝土浆料，其中，玄武岩纤维和玻璃纤维的质量比为41∶9，聚酯纤维和聚苯硫醚短纤维的质量比为3∶1；
（5）将上述水泥混凝土浆料浇筑成且长为2000mm、宽为1200mm、厚为110mm的混凝土块；
（6）当混凝土块表面刚好凝固时，喷施含羟基聚氨酯粘胶剂，随即将上述压制好的无纺布，粘结在水泥混凝土块的表面，当混凝土达到安定期后，就制成了水泥基复合材料。
实施例6
（1）将含31%wt陶瓷纤维的芳纶1313纤维和维尼纶纤维输入纤维成捻机编织成64支的纤维线；
（2）由编织机织成网格为1m×1m、幅宽为2.00m的网状纤维布；
（3）将含16%wt且长为16mm、直径为6µm陶瓷纤维和玄武岩纤维的聚乙烯纤维、聚丙烯纤维和聚丙烯腈短纤维与上述网状纤维布由传输带输入温度为110℃的保温甬道，在保温甬道内安装有可以将短纤维压成无纺布的压轧机，短纤维经压机压制成无纺布，无纺布的透气率为14m3/min，其中，陶瓷纤维和玄武岩纤维的质量比为1∶3，聚乙烯纤维、聚丙烯纤维和聚丙烯腈短纤维的质量比为1∶2.5∶1.5；
（4）将P032.5R水泥、UNF-6减水剂、河沙、砾石、含15%wt玄武岩纤维、玻璃纤维和陶瓷纤维的聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚苯硫醚纤维和聚丙烯腈短纤维、硅藻土、水以511∶0.6∶937∶1266∶35∶14∶136kg/m3的比例加入混凝土搅拌机中，搅拌均匀，得水泥混凝土浆料；
（5）将上述水泥混凝土浆料浇筑成且长为2000mm、宽为1200mm、厚为120mm的混凝土块；
（6）当混凝土块表面刚好凝固时，喷施E-51610环氧树脂粘胶剂，随即将上述压制好的无纺布，粘结在水泥混凝土块的表面，当混凝土达到安定期后，就制成了水泥基复合材料。
对比实例2
（1）将含38%wt玄武岩纤维的芳纶1414纤维输入纤维成捻机编织成64支的纤维线；
（2）由编织机织成网格为1m×1m、幅宽为2400mm的网状纤维布；
（3）将含5%wt且长为18mm、直径为9µm陶玄武岩纤维的聚乙烯短纤维与上述网状纤维布由传输带输入温度为83℃的保温甬道，在保温甬道内安装有可以将短纤维压成无纺布的压轧机，短纤维经压机压制成无纺布，无纺布的透气率为13m3/min；
（4）将P032.5R水泥、UNF-6减水剂、河沙、砾石、硅藻土、水以530∶0.8∶1000∶1300∶18∶140kg/m3的比例加入混凝土搅拌机中，搅拌均匀，得水泥混凝土浆料；
（5）将上述水泥混凝土浆料浇筑成且长为2400mm、宽为1200mm、厚为8130mm的混凝土块；
（6）当混凝土块表面刚好凝固时，喷施含羟基聚氨酯粘胶剂，随即将上述压制好的无纺布，粘结在水泥混凝土块的表面，当混凝土达到安定期后，就制成了水泥基复合材料。
从以上实例中得到的水泥基复合材料经过性能测试发现，在水泥基表面粘结熔喷纤维无纺布之后，其渗透水率与市售的纤维无纺布相比降低了94.56%，同时，本发明的无纺布在采用环氧树脂和含有异氰酸酯基聚氨酯胶粘剂作为粘结剂时，可以弥补水泥混凝土中一些缺陷，进而提高水泥基复合材料的性能特征。

Claims (6)

1.一种水泥基复合材料的制造方法，其特征在于，所述制造方法为：
（1）将含18～38%wt无机长纤维的无捻长纤维输入纤维成捻机编织成64支的纤维线；
（2）将步骤（1）所述的纤维线输入纤维布编织机织成网格为1 m×1m、幅宽为2.00m的网状纤维布；
（3）将含8～18wt%且长为16～18mm的无机纤维的短纤维与步骤（2）所述的网状纤维布由传输带输入温度为60～120℃的保温甬道，在保温甬道内安装有可以将短纤维压成无纺布的压轧机，无机短纤维经压轧机压制成含有无机短纤维的有机纤维无纺布，所述含有无机短纤维的有机纤维无纺布的透气率为12～18m3/min；
（4）将P032.5R水泥、UNF-6减水剂、河沙、砾石、含8～18%wt无机纤维的短纤维、硅藻土、水以480～530∶0.3～0.8∶800～1000∶1100～1300∶25～38∶9～18∶120～140kg/m3的比例加入混凝土搅拌机中，搅拌均匀，得水泥混凝土浆料；
（5）将步骤（4）所述的水泥混凝土浆料浇筑成且长为2000～2400mm、宽为1000～1200mm、厚为80～130mm的混凝土块；
（6）当步骤（5）所述的混凝土块表面刚好凝固时，喷施粘胶剂，随即将步骤（3）所述的有机纤维无纺布，粘结在所述混凝土块的表面，当混凝土达到安定期后，即得水泥基复合材料。
2.根据权利要求1所述的水泥基复合材料的制造方法，其特征在于：步骤（1）所述的无机长纤维是玄武岩纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的水泥基复合材料的制造方法，其特征在于：步骤（1）所述的无捻长纤维是芳纶1313纤维、芳纶1414纤维、尼龙纤维、维尼纶纤维中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的水泥基复合材料的制造方法，其特征在于：步骤（3）所述的无机纤维是直径为6～9µm的陶瓷纤维、E型玻璃纤维、玄武岩纤维中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的水泥基复合材料的制造方法，其特征在于：步骤（3）所述的短纤维是聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚苯硫醚纤维、聚丙烯腈纤维中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的水泥基复合材料的制造方法，其特征在于：步骤（6）所述的粘胶剂是E-51610环氧树脂粘胶剂或含羟基聚氨酯粘胶剂。
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