CN111848021A - 聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ecc材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种聚乙烯醇‑聚酯混杂纤维ECC材料及其制备方法，该新型ECC材料包括如下质量份数的组分：普通硅酸盐水泥3.6‑9.0份、粉煤灰9.0‑14.4份、石英砂3.6‑5.4份、聚乙烯醇纤维0.145‑0.381份、聚酯纤维0.150‑0.269份、水5.04‑5.76份、减水剂0.092‑0.108份。本发明聚乙烯醇‑聚酯混杂纤维ECC材料及其制备方法，该材料具有良好的力学性能，同时显著降低ECC材料的使用成本，促进高性能ECC材料在建筑工程中的应用。

Description

聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料及其制备方法
技术领域
本发明属于土木工程材料及制备领域，特别是涉及聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料及其制备方法。
背景技术
高延性纤维增强水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites,简称ECC)是一种基于细观断裂理论设计的高性能材料，在拉弯荷载下呈现出多缝开裂、应变硬化的特性，延性可达传统混凝土的数百倍、普通FRC的数十倍、钢筋的数倍，被誉为“可弯曲的混凝土”。同时，ECC可将极限荷载下的裂缝宽度控制在80μm以下，且具有自愈合能力。所以，ECC的推广应用可以极大地提高混凝土结构的抗渗透性能、抗开裂能力和抗震性能。目前，这种性能优异的材料已经被应用于高速公路伸缩缝、连梁、外墙保温板等领域。
在ECC的推广中，首要的问题是降低ECC的成本和提高ECC的拉伸稳定性。然而，无论是目前ECC研究中应用最为广泛的日本产K-II REC15聚乙烯醇纤维，还是国内厂商生产的聚乙烯醇纤维，都存在价格过高的问题。因此，采用价格较为低廉的聚酯纤维与聚乙烯醇纤维进行混杂来制备ECC材料，可显著降低ECC的成本。同时，纤维的混杂存在着一定的混杂效应，可以改善单一纤维的力学性能，充分发挥多种纤维的优点，实现优势互补。将聚乙烯醇纤维和聚酯纤维混杂起来，可以实现不同裂缝宽度下的协同桥接机制。裂缝宽度小于0.1mm时，聚酯纤维的桥接效率比聚乙烯醇纤维高；裂缝宽度在0.3mm左右时，聚乙烯醇纤维起主要桥接作用；当裂缝宽度大于1mm时，聚乙烯醇纤维基本丧失承载力，仅由聚酯纤维来提供桥接力。此外，如果使用再生料聚酯纤维，可以实现塑料垃圾的回收利用，减轻塑料垃圾填埋带来的环境压力。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料及其制备方法，具有良好的力学性能，同时显著降低ECC材料的使用成本，促进高性能ECC材料在建筑工程中的应用，为达此目的，本发明聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料，包括如下质量份数的组分：普通硅酸盐水泥3.6-9.0份、粉煤灰9.0-14.4份、石英砂3.6-5.4份、聚乙烯醇纤维0.145-0.381份、聚酯纤维0.150-0.269份、水5.04-5.76份、减水剂0.092-0.108份。
作为本发明材料进一步改进，所述普通硅酸盐水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，烧失量不得大于5.0％，通过80μm方孔筛的筛余小于10.0％，初凝为1h，终凝时间为3h。
作为本发明材料进一步改进，所述粉煤灰为I级F类低钙粉煤灰，其中游离氧化钙的质量含量＜1％。
作为本发明材料进一步改进，所述石英砂为80-100目规格，SiO2含量不小于99％。
作为本发明材料进一步改进，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率为30％。
作为本发明材料进一步改进，所述聚乙烯醇纤维极限拉伸强度为900-1100MPa，弹性模量不小于10GPa，直径为40μm，长度为12mm。
作为本发明材料进一步改进，所述聚酯纤维包含新料聚酯纤维和再生料聚酯纤维，极限拉伸强度为400-900MPa，弹性模量不小于4GPa，直径为20-40μm，长度为12-18mm。
本发明一种权利要求1-8之一所述的聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料的制备方法，该制备方法可以分为如下步骤：
(1)将上述原料分成粉体颗粒、液体和纤维三组，以质量分数计，第一组为普通硅酸盐水泥、粉煤灰和石英砂，第二组为水和减水剂，第三组为聚乙烯醇纤维和聚酯纤维；水泥砂浆搅拌机的搅拌速率分两档，慢速档为140rpm，快速档为285rpm；
(2)将第一组中的粉体材料加入搅拌机，慢速搅拌2分钟，接着将第二组中的液体材料加入混合物中，慢速搅拌3分钟，使得混合物完全分散均匀；
(3)将第三组中聚乙烯醇纤维加入到步骤(2)的新拌混合物中，先慢速搅拌1分钟，再快速搅拌2分钟，待聚乙烯醇纤维完全分散均匀后，将聚酯纤维加入其中并搅拌，搅拌步骤同加入聚乙烯醇纤维时，即可得到所述混杂纤维ECC材料。
本发明提供一种聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料及其制备方法，该新型ECC材料包括如下质量份数的组分：普通硅酸盐水泥3.6-9.0份、粉煤灰9.0-14.4份、石英砂3.60-5.40份、聚乙烯醇纤维0.190-0.381份、聚酯纤维0.150-0.269份、水5.04-5.76份、减水剂0.092-0.108份。本发明聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料及其制备方法，该材料具有良好的力学性能，同时显著降低ECC材料的使用成本，促进高性能ECC材料在建筑工程中的应用。
附图说明
此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1实施例1试件拉伸应力-应变曲线；
图2实施例2试件拉伸应力-应变曲线；
图3实施例3试件拉伸应力-应变曲线；
图4实施例4试件拉伸应力-应变曲线；
图5实施例5试件拉伸应力-应变曲线；
图6实施例6试件拉伸应力-应变曲线；
图7实施例7试件拉伸应力-应变曲线；
图8实施例8试件拉伸应力-应变曲线；
图9实施例9试件拉伸应力-应变曲线；
图10实施例10试件拉伸应力-应变曲线。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料及其制备方法，具有良好的力学性能，同时显著降低ECC材料的使用成本，促进高性能ECC材料在建筑工程中的应用。
实施例1
一种聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料，由以下组分的原料配制而成(按质量计)：普通硅酸盐水泥9.0份、粉煤灰9.0份、石英砂3.6份、聚乙烯醇纤维0.381份、直径为40μm的新料聚酯纤维0.202份、水5.40份、减水剂0.108份。
先将水泥、粉煤灰和石英砂等粉体材料加入搅拌机，慢速搅拌2分钟；接着将水、减水剂等液体材料加入混合物中，慢速搅拌3分钟，使得混合物完全分散均匀；然后将聚乙烯醇纤维加入新拌混合物中，先慢速搅拌1分钟，再快速搅拌2分钟；待聚乙烯醇纤维完全分散均匀后，将聚酯纤维加入其中并搅拌，先慢速搅拌1分钟，再快速搅拌2分钟，最终可得到所述混杂纤维ECC材料。
实验结果：实施例1的混杂纤维ECC材料拉伸性能差，仅出现一条裂缝，呈现出应变软化的特征，其中试件拉伸应力-应变曲线如图1所示。
实施例2
一种聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料，由以下组分的原料配制而成(按质量计)：普通硅酸盐水泥6.0份、粉煤灰12.0份、石英砂3.6份、聚乙烯醇纤维0.381份、直径为40μm的新料聚酯纤维0.202份、水5.40份、减水剂0.103份。
先将水泥、粉煤灰和石英砂等粉体材料加入搅拌机，慢速搅拌2分钟；接着将水、减水剂等液体材料加入混合物中，慢速搅拌3分钟，使得混合物完全分散均匀；然后将聚乙烯醇纤维加入新拌混合物中，先慢速搅拌1分钟，再快速搅拌2分钟；待聚乙烯醇纤维完全分散均匀后，将聚酯纤维加入其中并搅拌，先慢速搅拌1分钟，再快速搅拌2分钟，最终可得到所述混杂纤维ECC材料。
实验结果：实施例2的混杂纤维ECC材料拉伸性能一般，极限抗拉强度5MPa左右，应变硬化现象不明显，其中试件拉伸应力-应变曲线如图2所示。
实施例3
一种聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料，由以下组分的原料配制而成(按质量计)：普通硅酸盐水泥4.5份、粉煤灰13.5份、石英砂3.6份、聚乙烯醇纤维0.381份、直径为40μm的新料聚酯纤维0.202份、水5.40份、减水剂0.099份。
先将水泥、粉煤灰和石英砂等粉体材料加入搅拌机，慢速搅拌2分钟；接着将水、减水剂等液体材料加入混合物中，慢速搅拌3分钟，使得混合物完全分散均匀；然后将聚乙烯醇纤维加入新拌混合物中，先慢速搅拌1分钟，再快速搅拌2分钟；待聚乙烯醇纤维完全分散均匀后，将聚酯纤维加入其中并搅拌，先慢速搅拌1分钟，再快速搅拌2分钟，最终可得到所述混杂纤维ECC材料。
实验结果：实施例3的混杂纤维ECC材料拉伸性能良好，出现应变硬化现象，其中试件拉伸应力-应变曲线如图3所示。
实施例4
一种聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料，由以下组分的原料配制而成(按质量计)：普通硅酸盐水泥3.6份、粉煤灰14.4份、石英砂3.6份、聚乙烯醇纤维0.381份、直径为40μm的新料聚酯纤维0.202份、水5.40份、减水剂0.095份。
先将水泥、粉煤灰和石英砂等粉体材料加入搅拌机，慢速搅拌2分钟；接着将水、减水剂等液体材料加入混合物中，慢速搅拌3分钟，使得混合物完全分散均匀；然后将聚乙烯醇纤维加入新拌混合物中，先慢速搅拌1分钟，再快速搅拌2分钟；待聚乙烯醇纤维完全分散均匀后，将聚酯纤维加入其中并搅拌，先慢速搅拌1分钟，再快速搅拌2分钟，最终可得到所述混杂纤维ECC材料。
实验结果：实施例4的混杂纤维ECC材料拉伸性能优异，应变硬化特征明显，裂缝宽度控制能力较好，其中试件拉伸应力-应变曲线如图4所示。
实施例5
一种聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料，由以下组分的原料配制而成(按质量计)：普通硅酸盐水泥3.6份、粉煤灰14.4份、石英砂3.6份、聚乙烯醇纤维0.190份、直径为40μm的新料聚酯纤维0.202份、水5.40份、减水剂0.092份。
先将水泥、粉煤灰和石英砂等粉体材料加入搅拌机，慢速搅拌2分钟；接着将水、减水剂等液体材料加入混合物中，慢速搅拌3分钟，使得混合物完全分散均匀；然后将聚乙烯醇纤维加入新拌混合物中，先慢速搅拌1分钟，再快速搅拌2分钟；待聚乙烯醇纤维完全分散均匀后，将聚酯纤维加入其中并搅拌，先慢速搅拌1分钟，再快速搅拌2分钟，最终可得到所述混杂纤维ECC材料。
实验结果：实施例5的混杂纤维ECC材料拉伸性能一般，多缝开裂行为较为稳定，其中试件拉伸应力-应变曲线如图5所示。
实施例6
一种聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料，由以下组分的原料配制而成(按质量计)：普通硅酸盐水泥3.6份、粉煤灰14.4份、石英砂3.6份、聚乙烯醇纤维0.190份、直径为20μm的新料聚酯纤维0.202份、水5.40份、减水剂0.092份。
先将水泥、粉煤灰和石英砂等粉体材料加入搅拌机，慢速搅拌2分钟；接着将水、减水剂等液体材料加入混合物中，慢速搅拌3分钟，使得混合物完全分散均匀；然后将聚乙烯醇纤维加入新拌混合物中，先慢速搅拌1分钟，再快速搅拌2分钟；待聚乙烯醇纤维完全分散均匀后，将聚酯纤维加入其中并搅拌，先慢速搅拌1分钟，再快速搅拌2分钟，最终可得到所述混杂纤维ECC材料。
实验结果：实施例6的混杂纤维ECC材料拉伸性能良好，出现应变硬化现象，其中试件拉伸应力-应变曲线如图6所示。
实施例7
一种聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料，由以下组分的原料配制而成(按质量计)：普通硅酸盐水泥3.6份、粉煤灰14.4份、石英砂3.6份、聚乙烯醇纤维0.143份、直径为40μm的新料聚酯纤维0.253份、水5.76份、减水剂0.092份。
先将水泥、粉煤灰和石英砂等粉体材料加入搅拌机，慢速搅拌2分钟；接着将水、减水剂等液体材料加入混合物中，慢速搅拌3分钟，使得混合物完全分散均匀；然后将聚乙烯醇纤维加入新拌混合物中，先慢速搅拌1分钟，再快速搅拌2分钟；待聚乙烯醇纤维完全分散均匀后，将聚酯纤维加入其中并搅拌，先慢速搅拌1分钟，再快速搅拌2分钟，最终可得到所述混杂纤维ECC材料。
实验结果：实施例7的混杂纤维ECC材料拉伸性能较差，多缝开裂行为不稳定，其中试件拉伸应力-应变曲线如图7所示。
实施例8
一种聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料，由以下组分的原料配制而成(按质量计)：普通硅酸盐水泥3.6份、粉煤灰14.4份、石英砂5.4份、聚乙烯醇纤维0.152份、直径为20μm的新料聚酯纤维0.269份、水5.40份、减水剂0.092份。
先将水泥、粉煤灰和石英砂等粉体材料加入搅拌机，慢速搅拌2分钟；接着将水、减水剂等液体材料加入混合物中，慢速搅拌3分钟，使得混合物完全分散均匀；然后将聚乙烯醇纤维加入新拌混合物中，先慢速搅拌1分钟，再快速搅拌2分钟；待聚乙烯醇纤维完全分散均匀后，将聚酯纤维加入其中并搅拌，先慢速搅拌1分钟，再快速搅拌2分钟，最终可得到所述混杂纤维ECC材料。
实验结果：实施例8的混杂纤维ECC材料拉伸性能较差，多缝开裂行为较不稳定，其中试件拉伸应力-应变曲线如图8所示。
实施例9
一种聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料，由以下组分的原料配制而成(按质量计)：普通硅酸盐水泥3.6份、粉煤灰14.4份、石英砂4.5份、聚乙烯醇纤维0.246份、直径为40μm的新料聚酯纤维0.157份、水5.40份、减水剂0.094份。
先将水泥、粉煤灰和石英砂等粉体材料加入搅拌机，慢速搅拌2分钟；接着将水、减水剂等液体材料加入混合物中，慢速搅拌3分钟，使得混合物完全分散均匀；然后将聚乙烯醇纤维加入新拌混合物中，先慢速搅拌1分钟，再快速搅拌2分钟；待聚乙烯醇纤维完全分散均匀后，将聚酯纤维加入其中并搅拌，先慢速搅拌1分钟，再快速搅拌2分钟，最终可得到所述混杂纤维ECC材料。
实验结果：实施例9的混杂纤维ECC材料拉伸性能良好，出现应变硬化现象，裂缝宽度较小，其中试件拉伸应力-应变曲线如图9所示。
实施例10
一种聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料，由以下组分的原料配制而成(按质量计)：普通硅酸盐水泥3.6份、粉煤灰14.4份、石英砂3.6份、聚乙烯醇纤维0.235份、直径为20μm的再生料聚酯纤维0.150份、水5.04份、减水剂0.092份。
先将水泥、粉煤灰和石英砂等粉体材料加入搅拌机，慢速搅拌2分钟；接着将水、减水剂等液体材料加入混合物中，慢速搅拌3分钟，使得混合物完全分散均匀；然后将聚乙烯醇纤维加入新拌混合物中，先慢速搅拌1分钟，再快速搅拌2分钟；待聚乙烯醇纤维完全分散均匀后，将聚酯纤维加入其中并搅拌，先慢速搅拌1分钟，再快速搅拌2分钟，最终可得到所述混杂纤维ECC材料。
实验结果：实施例10的混杂纤维ECC材料拉伸性能良好，出现应变硬化现象，裂缝细密，其中试件拉伸应力-应变曲线如图10所示。
根据国家建材行业标准《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》
(JC/T2461-2018)，制作拉伸性能用试件，对上述实施例的聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料进行单轴拉伸试验。
表1为本发明所举实施例的聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料的拉伸性能参数对比：
极限拉伸强度/MPa 标准差/MPa 极限应变/％ 标准差/％
实施例1 5.72 0.66 0.55 0.25
实施例2 5.22 0.07 2.97 0.99
实施例3 4.93 0.23 3.77 0.56
实施例4 4.85 0.04 5.11 0.43
实施例5 2.95 0.14 2.09 0.57
实施例6 3.22 0.21 3.87 0.59
实施例7 2.47 0.08 1.95 0.38
实施例8 2.70 0.32 2.90 0.58
实施例9 3.16 0.15 3.95 0.12
实施例10 3.43 0.22 4.01 0.26
由表1可以看出，通过对基体的配方进行优化，可以显著增强混杂纤维ECC的多缝开裂和应变硬化能力。无论使用新料还是再生料聚酯纤维，提高聚酯纤维的长径比可以增强复合材料的极限拉伸强度。当纤维总体积掺量为2％时，如果使用聚酯纤维替换聚乙烯醇纤维的比例大于50％(实施例7和实施例8)，会导致材料拉伸表现差，且拉伸性能稳定性差。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (8)

1.聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料，其特征在于，包括如下质量份数的组分：普通硅酸盐水泥3.6-9.0份、粉煤灰9.0-14.4份、石英砂3.6-5.4份、聚乙烯醇纤维0.145-0.381份、聚酯纤维0.150-0.269份、水5.04-5.76份、减水剂0.092-0.108份。
2.根据权利要求1所述的聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料，其特征在于：所述普通硅酸盐水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，烧失量不得大于5.0％，通过80μm方孔筛的筛余小于10.0％，初凝为1h，终凝时间为3h。
3.根据权利要求1所述的聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料，其特征在于：所述粉煤灰为I级F类低钙粉煤灰，其中游离氧化钙的质量含量＜1％。
4.根据权利要求1所述的聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料，其特征在于：所述石英砂为80-100目规格，SiO2含量不小于99％。
5.根据权利要求1所述的聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率为30％。
6.根据权利要求1所述的聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料，其特征在于：所述聚乙烯醇纤维极限拉伸强度为900-1100MPa，弹性模量不小于10GPa，直径为40μm，长度为12mm。
7.根据权利要求1所述的聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料，其特征在于：所述聚酯纤维包含新料聚酯纤维和再生料聚酯纤维，极限拉伸强度为400-900MPa，弹性模量不小于4GPa，直径为20-40μm，长度为12-18mm。
8.一种权利要求1-8之一所述的聚乙烯醇-聚酯混杂纤维ECC材料的制备方法，其特征在于：该制备方法可以分为如下步骤：
(1)将上述原料分成粉体颗粒、液体和纤维三组，以质量分数计，第一组为普通硅酸盐水泥、粉煤灰和石英砂，第二组为水和减水剂，第三组为聚乙烯醇纤维和聚酯纤维；水泥砂浆搅拌机的搅拌速率分两档，慢速档为140rpm，快速档为285rpm；
(2)将第一组中的粉体材料加入搅拌机，慢速搅拌2分钟，接着将第二组中的液体材料加入混合物中，慢速搅拌3分钟，使得混合物完全分散均匀；
(3)将第三组中聚乙烯醇纤维加入到步骤(2)的新拌混合物中，先慢速搅拌1分钟，再快速搅拌2分钟，待聚乙烯醇纤维完全分散均匀后，将聚酯纤维加入其中并搅拌，搅拌步骤同加入聚乙烯醇纤维时，即可得到所述混杂纤维ECC材料。
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