CN111072351B - 一种改性竹纤维增强水泥砂浆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于纤维增强水泥基复合材料领域，具体涉及竹原纤维改性技术及改性竹原纤维增强水泥砂浆制备方法。采用水玻璃对竹原纤维进行改性，将获得的改性竹原纤维与水泥、砂、水以一定质量分数进行均匀搅拌，注入模具固化成型，在相对湿度90±5%，温度20±2℃条件下养护28d，制得性能较好且环境友好的改性竹原纤维增强水泥砂浆，所得的水泥砂浆材料具有较高的抗折强度与抗拉强度。
Description
技术领域
本发明属于纤维增强水泥基复合材料领域，具体涉及一种改性竹纤维增强水泥砂浆及其制备方法。
背景技术
水泥基材料是当前世界上使用最多的一种建筑材料，具有抗压强度高和抗弯强度低的特点，由于其自身凝结硬化的特点，水泥基体内部有着大量尺寸不同的原生微裂缝、缺陷和空隙存在。当基体所受外力超过自身的极限荷载时内部微裂缝开始产生并渐渐发展、扩张为宏观裂缝，最终导致整体发生破坏。在水泥基体中加入纤维可提高其抗拉性能。一旦水泥基体出现裂缝，连接裂缝两端的纤维将承担拉应力，从而起到抑制裂缝开裂的作用。纤维增强水泥基结构可在较强的荷载压力、大变形条件下保证其工作性能正常。只有当基体与纤维之间的粘结力遭到破坏或是纤维到达抗拉强度的极限荷载值，整体结构才会发生破坏。因此，纤维增强水泥基材料的抗拉工作性能较好，尤其是韧性有较大的改善。
虽然大多数使用的增强体如钢纤维、碳纤维、玻璃纤维具有较高抗拉强度和弹性模量，且对水泥基复合材料的力学性能都有所提高，但其价格高，对设备技术要求较高且其在基体中分散性差。竹子具有再生力强、生长周期短、生长快、产量高的优势。然而竹纤维增强水泥基复合材料的耐久性问题却大大地限制了其在建筑工程中的实际应用。竹纤维水泥基复合材料耐久性下降最主要的问题是：长期处于碱性环境导致纤维断裂性能和拉伸强度下降；水泥水化产物迁移到竹纤维孔隙导致的纤维矿化；竹纤维极强的亲水性导致纤维的体积发生变化。另外，竹纤维表面多羟基的特点，导致其与水泥基体的界面结合力很弱，这也是竹纤维水泥基复合材料性能制备与应用的瓶颈问题。
本发明采用水玻璃对竹纤维进行表面改性，根据水玻璃的特性以及水泥水化后的环境条件来看，采用水玻璃处理处理竹原纤维可以屏蔽竹纤维遭受强碱环境的损害，而且有助于竹原纤维与水泥基体间形成良好的界面结合。同时，本发明所制备的改性竹原纤维水泥砂浆生产过程环保节能，符合绿色建材的要求。
水玻璃的固化可以通过加热硬化或物理脱水进行，在硬化过程中水玻璃脱水后为脱水硅酸凝胶。常温下水玻璃溶胶中的水分蒸发，水玻璃中的硅酸阴离子聚集成膜。水玻璃凝胶中存在较多的Si-OH键，遇水易溶。当温度升高，相邻硅醇基能进行缩合反应，当温度达到120°时，剩下的水分子促使硅醇基发生缩合，形成Si-O-Si键，而竹原纤维表面富含羟基，硅醇基也可能与竹纤维中的羟基发生缩合反应，形成稳定的Si-O-C结合。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种改性竹原纤维水泥砂浆制备方法，以解决水泥砂浆易开裂、干缩、耐久性差等问题；制得的改性竹原纤维水泥砂浆价格较低、环境友好，且具有很好的抗折性能、抗拉性能及耐久性能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种改性竹原纤维增强水泥砂浆，所述的改性竹原纤维增强水泥砂浆的原料组成包括水泥砂浆基体材料、改性竹原纤维；其中改性竹原纤维占水泥砂浆质量百分数为1~5%；所述改性竹原纤维是通过改性剂溶液对竹原纤维改性获得的；其中改性剂溶液为水玻璃水溶液，其质量分数为改性竹原纤维的1~20wt%；所述水泥砂浆基体材料由水泥、砂和水组成，水泥、砂与水的质量比为：水泥﹕砂﹕水=1﹕0.78﹕0.4。
所述水玻璃水溶液，模数为3.0~5.0，浓度20wt%~40wt%，其中二氧化硅含量20wt%~30wt%，氧化钠含量5wt%~10wt%。
所述的改性竹原纤维制备过程为：
（1）将竹原纤维用纤维开松机对纤维进行开松、梳理处理，随后放入103℃的烘箱中烘干6h，将烘干的纤维从烘箱取出，放置在塑料袋中密封后备用；
（2）用生石灰泡水静置24h，得到饱和澄清石灰水备用；取水玻璃，加饱和石灰澄清液，按钙硅比1：1配置成水玻璃水溶液；
（3）将烘干后的纤维浸泡在配置的水玻璃水溶液中3min，将处理后的竹纤维置入水热反应釜中，再将反应釜放入烘箱120℃加热4h；
（4）取出加热后的纤维放在20目尼龙过滤袋将多余的水分过滤掉，再用真空袋密封包装好备用，即得所述改性竹原纤维。
所述的改性竹原纤维增强水泥砂浆的制备方法，是将改性竹原纤维和水泥砂浆基体材料按比例制备成胶凝材料，均匀搅拌后浇筑，手工插捣并置于振动台震动成型；凝固24h后脱模，试件放入相对湿度90±5%，温度20±5℃标准恒温恒湿养护箱中养护28d，即得所述改性竹原纤维增强水泥砂浆试件。
本发明的显著优点在于：
本发明改性竹纤维增强水泥基材料克服了传统水泥基材料抗拉强度低、收缩变形大、干缩开裂明显，存在严重的干缩与脆性问题，本发明能够显著提高水泥基材料的抗折强度与抗拉强度，其中抗折强度提高14.7%，劈裂抗拉强度提高16.2%，改善了水泥基材料的韧性，为其在工程上的应用提供了理论基础。
附图说明
注：Control表示未加纤维的水泥砂浆复合材料，Unmodified表示加入未改性处理竹原纤维水泥复合材料，Modified表示加入水玻璃改性处理竹原纤维水泥复合材料。数据以95%的置信区间进行单因素方差分析。当两组上方无共同字母时，表示任何两组数据之间存在显著差异。
图1是改性竹原纤维水泥砂浆试件7d、28d抗压强度。
图2是水泥砂浆试件7d、28d抗折强度。
图3是水泥砂浆试件28d立方体抗压强度。
图4是水泥砂浆试件28d 立方体劈裂抗拉强度。
具体实施方式
为进一步公开而不是限制本发明，以下结合实例对本发明作进一步的详细说明。
原料：水玻璃，模数为3.4，浓度38.4%，属中性水玻璃，其中二氧化硅含量27.09wt%，氧化钠含量8.13wt%，购自福建南平嘉联化工厂；生石灰，生石灰细度为120目，含钙量90%，购自湖南益阳益佳欣石灰厂；竹原纤维购自福建海博斯化学技术有限公司；水泥选用建福牌P.O42.5普通硅酸盐水泥；砂选用河砂，细度模数为2.7。
实施例1
改性竹原纤维增强水泥砂浆：
改性竹原纤维制备过程：将126g竹原纤维用纤维开松机对纤维进行开松、梳理处理，随后放入103℃的烘箱中烘干6h，将烘干的纤维从烘箱取出，放置在塑料密封袋中备用。用10.5g生石灰泡730g水静置24h，得到饱和澄清石灰水备用。取756g水玻璃，加饱和石灰澄清液，按钙硅比1：1配置成水玻璃水溶液。将烘干后的126g纤维浸泡在配置的1378g水玻璃水溶液中3min，将处理后的竹纤维置入水热反应釜中，再放入烘箱120℃加热4h，取出加热后的纤维放在20目尼龙过滤袋，将多余的948.2g水过滤掉，此时竹纤维与水玻璃总质量为429.8g，再用真空袋密封包装好备用，即得所述改性竹原纤维。反应过程中，竹原纤维和水玻璃水溶液的质量比例为1﹕6。
改性竹原纤维增强水泥砂浆的制备方法：改性竹原纤维是竹原纤维经饱和石灰澄清液和水玻璃按钙硅比为1：1配置成溶液处理得到，在水泥胶砂搅拌机中加入改性竹原纤维和水泥基体材料搅拌均匀，水泥基体材料由水泥、砂和水组成，水泥、砂与水的质量分数比例为：水泥﹕砂﹕水=1﹕0.78﹕0.4，均匀搅拌2min；在试模内涂抹机油，砂浆制备成型后分两次装入刷好脱模剂的模具中，每层用抹刀插捣并将表面抹平，装好后再放到振动台震动1min，使得基材变得密实，刮去模具周围的砂浆。在室温下放置24h后拆模，放入相对湿度90±5%，温度20±5℃标准恒温恒湿养护箱中养护28d，即得所述改性竹原纤维增强水泥砂浆试件。
实施例2
改性竹原纤维增强水泥砂浆：
改性竹原纤维制备过程：将126g竹原纤维用纤维开松机对纤维进行开松、梳理处理，随后放入103℃的烘箱中烘干6h，将烘干的纤维从烘箱取出，放置在塑料袋中密封备用。用10.5g生石灰泡730g水静置24h，得到饱和澄清石灰水备用。取630g水玻璃，加饱和石灰澄清液，按钙硅比1：1配置成水玻璃水溶液。将烘干的126g纤维浸泡在配置的1360g水玻璃水溶液中3min，将处理后的竹纤维置入水热反应釜中，再放入烘箱120℃加热4h，取出加热后的纤维放在20目尼龙过滤袋将多余的水分过滤掉，此时竹纤维与水玻璃的总质量为401.4g，再用真空袋密封包装好备用，即得所述改性竹原纤维。反应过程中，竹原纤维和水玻璃水溶液的质量比例为1﹕5。
改性竹原纤维增强水泥砂浆试件的制备方法同实施例1。
实施例3
改性竹原纤维增强水泥砂浆：
改性竹原纤维制备过程：将126g竹原纤维用纤维开松机对纤维进行开松、梳理处理，随后放入103℃的烘箱中烘干6h，将烘干的纤维从烘箱取出，放置在塑料袋中密封备用。用10.5g生石灰泡730g水静置24h，得到饱和澄清石灰水备用。取504g水玻璃，加饱和石灰澄清液，按钙硅比1：1配置成水玻璃水溶液。将烘干的126g纤维浸泡在配置的1234g水玻璃水溶液中3min，将处理后的竹纤维置入水热反应釜中，再放入烘箱120℃蒸煮4h，取出蒸煮完后的纤维放在20目尼龙过滤袋将多余的水分过滤掉，此时竹纤维的重量为275.4g，再用真空袋密封包装好备用，即得所述改性竹原纤维。反应过程中，竹原纤维和水玻璃水溶液的质量比例为1﹕4。
改性竹原纤维增强水泥砂浆试件的制备方法同实施例1。
改性竹原纤维增强水泥砂浆力学性能测试：
抗压抗折强度：改性竹原纤维增强水泥砂浆抗压抗折试件采用40mm × 40mm ×160mm标准棱柱体，抗折强度每组3个试件，抗压强度每组6个试件。依据《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T17671）进行；测试在美特斯工业系统有限公司生产的CDT1305-2型微机控制电子压力试验机上完成。
水泥砂浆试件7d抗压强度：由图1知，水玻璃改性竹原纤维增强水泥砂浆试件7d抗压强度为35.2MPa，未加竹原纤维水泥砂浆试件7d抗压强度为33.4MPa，两组无显著差异；未改性竹原纤维增强水泥砂浆试件7d抗压强度36.2MPa，与之相比，改性竹原纤维增强水泥砂浆试件7d抗压强度无显著差异。
水泥砂浆试件28d抗压强度：由图1知，未加竹纤维（对照）、加未改性竹纤维及改性竹原纤维水泥砂浆试件28d抗压强度分别为49.2MPa、41.7MPa、44.6MPa。与对照比较，改性竹纤维水泥砂浆试件28d抗压强度无显著差异，但其比未改性纤维水泥砂浆试件的提高6.9%，有显著提升。
水泥砂浆试件7d抗折强度：由图2知，未加纤维、加未改性及改性竹原纤维水泥砂浆试件的7d抗折强度分别为6.7MPa、7.1MPa和7.3MPa。与对照比较，未改性竹原纤维水泥砂浆试件7d抗折强度提高5.9%，无显著差异；但改性竹原纤维增强水泥砂浆试件7d抗折强度显著提高了9.0%。
水泥砂浆试件28d抗折强度：由图2知，未加纤维、加未改性及改性竹原纤维水泥砂浆试件的28d抗折强度分别为8.8MPa、9.7MPa和10.1MPa。与对照比较，未改性竹原纤维水泥砂浆试件28d抗折强度提高10.2%，无显著差异；但改性竹原纤维增强水泥砂浆试件28d抗折强度提高14.7%，有显著提升。
水泥砂浆试件立方体抗压强度：改性竹原纤维增强水泥砂浆立方体抗压试件采用70.7mm × 70.7mm × 70.7mm立方体，每组3个试件。依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）进行测试；测试在YAW4306型微机控制电液伺服压力试验机（上海新三思计量仪器制造有限公司）进行。
由图3知，未加纤维（对照）、加未改性及改性竹原纤维水泥砂浆试件的28d立方体抗压强度分别为45.8MPa、38.9MPa和42.0MPa。与对照比较，未改性竹原纤维水泥砂浆试件抗折强度降低15.1%，有显著差异；改性竹原纤维增强水泥砂浆试件的28d立方体抗压强度降低8.3%，无显著差异。
立方体劈裂抗拉强度：改性竹原纤维增强水泥砂浆立方体劈裂抗拉试件采用70.7mm × 70.7mm × 70.7mm立方体，每组3个试件。依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）进行测试；测试在YAW4306型微机控制电液伺服压力试验机（上海新三思计量仪器制造有限公司）进行。
由图4知，未加纤维（对照）、加未改性及改性竹原纤维水泥砂浆试件的立方体劈裂抗拉强度分别为3.21MPa、3.37MPa和3.73MPa。与对照比较，未改性竹原纤维水泥砂浆立方体劈裂抗拉强度提高5.0%，无显著差异；改性竹原纤维增强水泥砂浆试件的立方体劈裂抗拉强度提高16.2%，有显著提升。
Claims (5)
1.一种改性竹原纤维增强水泥砂浆，其特征在于：所述的改性竹原纤维增强水泥砂浆的原料组成包括水泥砂浆基体材料、改性竹原纤维；其中改性竹原纤维占水泥砂浆的质量百分数为1~5%；所述改性竹原纤维是通过改性剂溶液对竹原纤维改性获得的；其中改性剂溶液为水玻璃水溶液，其质量分数为改性竹原纤维的1~20wt%；所述水泥砂浆基体材料由水泥、砂和水组成，水泥、砂与水的质量比为：水泥﹕砂﹕水=1﹕0.78﹕0.4；所述的改性竹原纤维制备过程为：
（1）将竹原纤维用纤维开松机对纤维进行开松、梳理处理，随后放入103℃的烘箱中烘干6h，将烘干的纤维从烘箱取出，放置在塑料袋中密封备用；
（2）用生石灰泡水静置24h，得到饱和澄清石灰水备用；取水玻璃，加饱和石灰澄清液，按钙硅比1﹕1配置成水玻璃水溶液；
（3）将烘干后的纤维浸泡在配置的水玻璃水溶液中3min，然后将处理后的竹纤维置入水热反应釜中，再将反应釜放入烘箱中加热；
（4）取出加热后的纤维放在20目尼龙过滤袋中，将多余的水分过滤掉，再用真空袋密封包装好备用，即得所述改性竹原纤维。
2.根据权利要求1所述的改性竹原纤维增强水泥砂浆，其特征在于：所述水玻璃水溶液，模数为3.0~5.0，浓度20wt%~40wt%，其中二氧化硅含量20wt%~30wt%，氧化钠含量5wt%~10wt%。
3.根据权利要求1所述的改性竹原纤维增强水泥砂浆，其特征在于：所述步骤（3）中的烘箱加热为120℃加热4h。
4.一种如权利要求1所述的改性竹原纤维增强水泥砂浆的制备方法，其特征在于：所述的改性竹原纤维和水泥砂浆基体材料按比例制备成胶凝材料，均匀搅拌后浇筑，手工插捣并置于振动台震动成型；凝固24h后脱模，试件放入标准恒温恒湿养护箱中养护，得到所述改性竹原纤维增强水泥砂浆试件。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述标准恒温恒湿养护箱中养护具体为在相对湿度90±5%，温度20±5℃标准恒温恒湿养护箱中养护28d。
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