CN113149574A - 一种耐高温水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐高温水泥基复合材料及其制备方法，属于建筑材料技术领域，所述复合材料的原料包括：水泥、石英砂、粉煤灰、纳米SiO2、水、环氧树脂、固化剂、氧化石墨烯、减水剂及聚乙烯醇纤维；所述制备方法包括以下步骤：将环氧树脂及氧化石墨烯混合、搅拌，得混合物A；将纳米SiO2、固化剂及聚乙烯醇纤维混合并搅拌，得混合物B；将水泥、石英砂和粉煤灰混合，得混合物C；将混合物A和混合物B混合并搅拌后，加入混合物C，搅拌，然后加入水和减水剂，搅拌即得所述水泥基复合材料；本发明的水泥基复合材料具有优异的抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度，且在高温作用后，依然能够保持较好的力学性能。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种耐高温水泥基复合材料及其制备方法。
背景技术
目前，以混凝土为主的水泥基材料在基础设施建设中发挥着重要作用，被广泛应用到住宅及其它大型工程中。相比于木结构，水泥基复合材料是一种热惰性材料，在一定温度下不会像木材那样燃烧，短时间作用后，传热慢，力学强度损失小。然而，随着高温长时间作用后，水泥基材料内部将发生各种物理化学反应，导致强度显著下降，内部结构损伤从而造成结构承载力不足，进而导致建筑物坍塌。因此建筑物发生火灾时，水泥基材料伴随着火灾产生的高温，极易发生开裂等问题，造成其结构承载力的丧失。部分建筑物经火灾后，短时间内其结构外表看上去依然完整，但是由于经历了火灾的高温，建筑物的内部结构已遭到破坏，此类建筑物的服役寿命将大大缩短，而且使用过程中，还存在一定的安全隐患。因此，研究如何提升水泥基材料的耐高温性能具有重要的意义。
发明内容
为解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种耐高温水泥基复合材料及其制备方法，以提升高温作用下水泥基复合材料的力学性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明提供了一种耐高温水泥基复合材料，原料按重量份计包括：水泥600～700份、石英砂400～450份、粉煤灰300～350份、纳米SiO2 7～10份、水350～400份、环氧树脂80～100份、固化剂30～40份、氧化石墨烯10～20份、减水剂5～20份及聚乙烯醇纤维5～10份。
优选的，原料按重量份计包括：水泥650份、石英砂420份、粉煤灰330份、纳米SiO29份、水370份、环氧树脂90份、固化剂35份、氧化石墨烯15份、减水剂10份及聚乙烯醇纤维8份。
优选的，所述水泥为P.O.42.5水泥。
优选的，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂；所述固化剂为常温固化剂。
优选的，所述聚乙烯醇纤维的抗拉强度≥1400MPa，延伸率≥6.0％。
优选的，所述纳米SiO2的平均粒径≤35nm。
本发明还提供了一种上述所述的水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：将环氧树脂及氧化石墨烯混合、搅拌，得混合物A；将纳米SiO2、固化剂及聚乙烯醇纤维混合并搅拌，得混合物B；将水泥、石英砂和粉煤灰混合，得混合物C；将混合物A和混合物B混合并搅拌后，加入混合物C，搅拌，然后加入水和减水剂，搅拌即得所述水泥基复合材料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过在水泥基复合材料中加入环氧树脂及固化剂，使得在制备过程中，环氧树脂固化形成网络结构时，其它原料掺加进入网络结构中，从而使得材料致密度显著提升，力学性能得到提升；同时原料中还加入纳米SiO2、聚乙烯醇纤维及氧化石墨烯，高温作用时，各原料及其反应产物能够发生新的结合作用，使得本发明的水泥基复合材料在高温作用后，依然能够保持较好的力学性能。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
以下实施例中，所采用的水泥为河南省新乡孟电集团生产的P.O.42.5水泥，所采用的粉煤灰为洛阳电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，其吸水量范围为89～130％，平均吸水量为106％，其密度范围为1.95～2.87g/cm3，平均密度为2.16g/cm3；所采用的石英砂为巩义市元亨净水材料厂生产的特细石英砂材料，粒径范围：75～120μm；所采用的PVA纤维为日本可乐丽公司生产的高强度，高弹模量PVA纤维，其抗拉强度为1560MPa，杨氏模量为42GPa，延伸率为6.5％；所采用的纳米SiO2为杭州万景新材料有限公司生产的松散白色粉末状纳米SiO2，其表观密度为54g/L，平均粒径为30nm，比表面积为200m2/g；所采用的减水剂为聚羧酸高效减水剂，是由山东省莱阳市宏祥建筑外加剂厂生产，其减水率≥23％，活性成分含量≥90％；所述氧化石墨烯由唐山建华科技发展有限责任公司生产。
以下不再重复描述。
实施例1～3
水泥基复合材料的制备，包括以下步骤：
(1)按照表1中的原料用量称取各原料；
(2)将双酚A型E-51环氧树脂及氧化石墨烯混合、搅拌均匀，得混合物A；
(3)将纳米SiO2、环氧树脂常温固化剂及聚乙烯醇纤维混合并搅拌均匀，得混合物B，其中环氧树脂常温固化剂为三乙烯四胺；
(4)将水泥、石英砂和粉煤灰混合并搅拌均匀，得混合物C；
(5)将步骤(2)所得混合物A和步骤(3)所得混合物B混合并搅拌均匀，之后加入步骤(4)所得混合物C，搅拌均匀，然后加入水和减水剂，搅拌均匀即得水泥基复合材料。
实施例1～3均采用上述步骤制备水泥基复合材料，区别在于所加入的原料的配合比不同，具体如表1所示：
表1
实施例4
同实施例1，区别在于，步骤(4)为将水泥、石英砂、粉煤灰和50kg的Ⅱ-型聚磷酸铵混合并搅拌均匀，得混合物C。
实施例5
水泥基复合材料的制备，包括以下步骤：
(1)按照实施例1中的原料用量称取各原料；
(2)将双酚A型E-51环氧树脂、氧化石墨烯、纳米SiO2、三乙烯四胺及聚乙烯醇纤维混合并搅拌均匀，得混合物A；
(3)将水泥、石英砂和粉煤灰混合并搅拌均匀，得混合物B；
(5)将步骤(2)所得混合物A和步骤(3)所得混合物B混合并搅拌均匀，然后加入水和减水剂，搅拌均匀即得水泥基复合材料。
实施例6
水泥基复合材料的制备，包括以下步骤：
(1)按照实施例1中的原料用量称取各原料；
(2)将双酚A型E-51环氧树脂及纳米SiO2混合、搅拌均匀，得混合物A；
(3)将氧化石墨烯、三乙烯四胺及聚乙烯醇纤维混合并搅拌均匀，得混合物B；
(4)将水泥、石英砂和粉煤灰混合并搅拌均匀，得混合物C；
(5)将步骤(2)所得混合物A和步骤(3)所得混合物B混合并搅拌均匀，之后加入步骤(4)所得混合物C，搅拌均匀，然后加入水和减水剂，搅拌均匀即得水泥基复合材料。
实施例7
同实施例1，区别在于，步骤(2)中不加入氧化石墨烯。
实施例8
同实施例1，区别在于，步骤(3)中不加入纳米SiO2。
效果验证
将实施例1～8制备得到的水泥基复合材料放置于标准养护室(温度20±2℃，相对湿度≥95％)养护28d后取出，移至室外通风处晾干，分别取每个实施例制备得到的试件12个，平均分为A、B两组，A组用于常温检测其立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度，B组进行800℃高温加热处理，高温加热处理在箱式电炉中进行，先将箱式电炉预热至100℃，放入试件后，以10℃/min的速率升温至相应的温度，加热完成后电炉运转显示窗口会闪烁出现Stop，这时打开炉门，试件取出进行喷水降温。然后将高温处理后的各试件在室内放置3天后进行立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度检测。其中立方体抗压强度依据《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ70-2009)的要求，试验在郑州大学水工结构试验大厅采用上海华龙测试仪器股份有限公司生产的200吨电液伺服试验机上进行；轴心抗压强度：依据《钢丝网水泥用砂浆力学性能试验方法》(GB/T 7897-2008)中第九章的要求进行操作，试验在郑州大学水工结构试验室的300kN微机控制压力试验机上进行；抗折强度：依据《钢丝网水泥用砂浆力学性能试验方法》(GB/T 7897-2008)中第六章的要求进行，试验在郑州大学水工结构试验室的300kN微机控制压力试验机上进行；劈裂抗拉试验需采用劈裂抗拉夹具进行，并自制木制垫条，宽度约20mm，长度略大于试块的长度，试验时应使垫条与试件成型时的顶面垂直，在上、下两个圆弧形垫块与试块之间放垫条，垫块与垫条要放置在试件的中心线上。劈裂试验也是在2000kN微机控制压力试验机上进行，试验时，在压力机的上压面下降时不断调整试件、垫块的位置，保证接触均衡，可使压力通过垫块、垫条均匀的传给试块，加载速度为1.5kN/s，连续均匀加荷，直至试件破坏，记下破坏荷载，劈裂强度按式(1)计算：
式中：ftx—劈裂强度(MPa)
F—试件破坏荷载(N)
A—试件破裂面面积(mm2)。
立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度检测结果如表1所示。
表1
由表1可以看出，本发明制备得到的水泥基复合材料常温下具有优异的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度，经过800℃高温处理后，各项性能虽然均有所下降，但是依然保持了较好的力学性能，由此表明本发明制备得到水泥基复合材料耐高温性能优异；而且，通过表1还可以看出，在制备过程中加入原料Ⅱ-型聚磷酸铵所得的水泥基复合材料的常温力学性能最佳，其经过高温处理后，各项性能降低程度也最小，由此说明，在水泥基复合材料中加入一定量的Ⅱ-型聚磷酸铵可以有效提高其常温力学性能及耐高温性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种耐高温水泥基复合材料，其特征在于，原料按重量份计包括：水泥600～700份、石英砂400～450份、粉煤灰300～350份、纳米SiO2 7～10份、水350～400份、环氧树脂80～100份、固化剂30～40份、氧化石墨烯10～20份、减水剂5～20份及聚乙烯醇纤维5～10份。
2.根据权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于，原料按重量份计包括：水泥650份、石英砂420份、粉煤灰330份、纳米SiO2 9份、水370份、环氧树脂90份、固化剂35份、氧化石墨烯15份、减水剂10份及聚乙烯醇纤维8份。
3.根据权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于，所述水泥为P.O.42.5水泥。
4.根据权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂；所述固化剂为常温固化剂。
5.根据权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于，所述聚乙烯醇纤维的抗拉强度≥1400MPa，延伸率≥6.0％。
6.根据权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于，所述纳米SiO2的平均粒径≤35nm。
7.一种权利要求1～6任一项所述的水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将环氧树脂及氧化石墨烯混合、搅拌，得混合物A；将纳米SiO2、固化剂及聚乙烯醇纤维混合并搅拌，得混合物B；将水泥、石英砂和粉煤灰混合，得混合物C；将混合物A和混合物B混合并搅拌后，加入混合物C，搅拌，然后加入水和减水剂，搅拌即得所述水泥基复合材料。
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2021
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