CN113264738A - 一种高性能水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种高性能水泥基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能水泥基复合材料及其制备方法，属于建筑材料技术领域，所述复合材料原料包括：水、石英砂、粉煤灰、减水剂、纳米SiO2、水泥及聚乙烯醇纤维；所述制备方法包括：将水泥、粉煤灰和石英砂混合得到砂浆；将纳米SiO2与减水剂混合后加入部分水、搅拌，将得到的分散液加入所述砂浆中并搅拌，之后加入剩余的水，搅拌后加入聚乙烯醇纤维即得所述水泥基复合材料；本发明通过在水泥基复合材料中同时掺入一定比例的纳米SiO2和聚乙烯醇纤维，显著增强了水泥基复合材料在湿热盐耦合作用下的性能，更有利于水泥基复合材料在水工结构物及海洋工程中的应用。

Description

一种高性能水泥基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种高性能水泥基复合材料及其制备方法。
背景技术
随着对海洋资源的开发，沿海建造的大型项目也越来越多，建筑物的结构也越来越复杂、规模越来越庞大。但其服役环境也越来越复杂，恶劣环境因素对结构性能会产生不利的影响。如海洋环境中含有多种侵蚀物质，如氯离子、镁离子和硫酸根等，有害离子通过渗透、毛细管和扩散等形式进入到混凝土的内部，并与混凝土中的氢氧化钙及水化铝酸钙作用生成新的盐类物质，不仅破坏混凝土的胶凝体，而且生成的难溶盐类物质往往产生较大的体积膨胀，在内部产生很大的内应力，导致混凝土强度迅速降低；同时由于其导致的体积膨胀产生裂缝使更多的氯离子进入构件内部，增大了氯离子渗入混凝土内部的速度，加速了构件内部钢筋的锈蚀，导致混凝土结构耐久性的降低。并且很多地区的水工结构或海工结构在服役过程中往往遭受的不是单一的环境作用，而是温度变化、湿度变化、盐类侵蚀、冻融循环等耦合环境作用，这些环境因素耦合对混凝土结构造成的损伤劣化程度远大于单个环境因素作用后的效应叠加。工程结构长期处于湿热盐耦合环境作用下，将导致钢筋混凝土结构强度的下降，使结构构件的使用寿命和安全性受到严重的威胁。而且，水工结构或海洋环境中的工程结构一旦发生损坏，就需要花费巨额资金进行维护或重修，这不但严重浪费资源，而且会对生态环境造成不容忽视的影响。因此，提高湿热盐耦合作用下水泥基复合材料力学性能，以延长其在湿热盐耦合环境下的使用寿命和安全性具有重要意义。
发明内容
为解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种高性能水泥基复合材料及其制备方法，以提升湿热盐耦合作用下水泥基复合材料的力学性能，提高其耐久性。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明提供了一种高性能水泥基复合材料，原料按重量份计包括：水320～370份、石英砂480～520份、粉煤灰320～370份、减水剂1.5～9.5份、纳米SiO2 3.25～16.25份及水泥633.75～646.75份，每立方米所述水泥基复合材料中还掺加0.3～1.5％的聚乙烯醇纤维。
优选的，原料按重量份计包括：水350份、石英砂500份、粉煤灰350份、减水剂5.5份、纳米SiO2 3.25份及水泥646.75份，每立方米所述水泥基复合材料中还掺加1.2％的聚乙烯醇纤维。
优选的，所述水泥为P.O.42.5水泥。
优选的，所述粉煤灰的吸水率大于85％。
优选的，所述聚乙烯醇纤维的抗拉强度≥1400MPa，断裂伸长率≥6.0％。
优选的，所述纳米SiO2的平均粒径≤35nm。
优选的，所述减水剂的减水率≥20.0％。
本发明还提供了上述高性能水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：将水泥、粉煤灰和石英砂混合得到砂浆；将纳米SiO2与减水剂混合后加入部分水、搅拌，将得到的分散液加入所述砂浆中并搅拌，之后加入剩余的水，搅拌后加入聚乙烯醇纤维即得所述高性能水泥基复合材料。
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同时掺入一定比例的纳米SiO2和聚乙烯醇纤维(PVA纤维)，使所得水泥基复合材料湿热盐耦合作用下的抗压性能、抗折性能、静力受压弹性模量及断裂性能均得到显著提升，从而显著增强了水泥基复合材料在湿热盐耦合作用下的性能，更有利于水泥基复合材料在水工结构物及海洋工程中的应用。
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型普通硅酸盐水泥，密度为3160kg/m3；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1.9～2.9g/cm3，平均密度为2.1g/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；所采用的聚乙烯醇纤维(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，断裂伸长率为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系高性能减水剂，其减水率为25％。
以下不再重复描述。
实施例1～16
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)将水泥、粉煤灰和石英砂混合，搅拌均匀，得到砂浆；
(3)将纳米SiO2与减水剂混合后加入部分水，搅拌，待分散均匀后加入步骤(2)所得砂浆中，继续搅拌2min，之后加入剩余的水，搅拌1min，然后将PVA纤维粉四次加入，每次加入后搅拌2min，待PVA纤维完全加入后，再次搅拌均匀，即得所述水泥基复合材料。
实施例1～16均采用上述步骤制备水泥基复合材料，水泥基复合材料采用水胶比为0.35，灰砂比为2，粉煤灰等量取代35％质量的水泥，各实施例所加入的原料的配合比如表1所示：
表1
Figure BDA0003130248140000041
注：M-1代表未掺加纳米SiO2和PVA纤维；P代表单掺PVA纤维；N代表掺纳米SiO2。其中纳米SiO2等质量取代水泥，PVA纤维以体积占比掺加，如PN-0.6-1.5代表PVA纤维掺量为0.6vol.％，纳米SiO2掺量为1.5wt％(水泥和纳米SiO2总质量的1.5％)。
效果验证
将实施例1～18制备得到的水泥基复合材料装入试模，振捣、抹面后水平置于常温处，经过24小时后脱模，并将试件放入标准养护室(养护温度为20±2℃、湿度为95％以上)中进行养护，养护28天龄期后取出，在自然环境下放置45天后，置于湿热盐耦合环境模拟试验箱中进行湿热盐耦合环境处理，将试验箱的温度设置为50℃、湿度设置为100％、采用的盐为5wt％的NaCl溶液(采用纯度为99.7wt％的NaCl和蒸馏水配制而成)，为实现室内加速侵蚀效果，通过把试件浸泡到配好的盐溶液内以及环境模拟试验箱的盐雾环境来保证湿热盐耦合环境模拟试验过程所需湿度和盐浓度的恒定。试验过程中，将试件浸泡在5％NaCl溶液中，并置于环境模拟试验箱中，在环境模拟试验箱中设置5％NaCl盐雾和50℃的温度，保持试验环境中的湿度为100％。在环境模拟试验箱中劣化处理30天后，将试件取出放置在室内环境中48小时后，对经过湿热盐耦合环境作用后的试件进行立方体抗压强度试验、轴心抗压强度试验、抗折强度试验、折后小立方体抗压强度试验、静力受压弹性模量试验和断裂性能试验。
同时将实施例1制备得到的水泥基复合材料不经湿热盐耦合环境作用作为对照组，编号为M-0，直接对其进行立方体抗压强度试验、轴心抗压强度试验、抗折强度试验、抗折后小立方体抗压强度试验、静力受压弹性模量试验和断裂性能试验，其中抗折后小立方体抗压强度试验是在试件进行抗折强度试验后，采用一组三个分属于三个棱柱体上得到的试件继续进行。各试验所依据的标准及采用的仪器如表2所示。
表2
Figure BDA0003130248140000051
Figure BDA0003130248140000061
断裂性能试验采用双K断裂模型，试验方法采用三点弯曲梁法，以水泥基复合材料的峰值荷载、起裂断裂韧度、失稳断裂韧度和断裂能等断裂参数为评价指标，试验的加载装置为WAW-1000微机控制电液伺服万能试验机，采集装置为蚌埠传感器系统工程有限公司生产的量程为30KN、精度为1N的荷载传感器；测量试件跨中挠度使用的是电测位移计；测量裂缝嘴张开位移使用的是量程为10mm精度为0.5级的夹式引伸计；采集数据使用的是江苏东华测试技术有限公司生产的DH3818Y静态应变测试仪，其采集频率为1Hz。
立方体抗压强度试验、轴心抗压强度试验、抗折后小立方体抗压强度试验结果如表3所示：
表3
Figure BDA0003130248140000062
抗折强度试验结果如表4所示
表4
编号 峰值荷载/kN 抗折强度/MPa
M-0 4.24 9.9
M-1 3.62 8.5
P-0.3 4.98 11.7
P-0.6 6.08 14.2
P-0.9 5.29 12.4
P-1.2 4.48 10.5
P-1.5 4.39 10.3
N-0.5 3.80 8.9
N-1.5 3.92 9.2
N-2.5 3.71 8.7
PN-0.3-1.5 4.82 11.3
PN-0.6-1.5 5.73 13.4
PN-0.9-1.5 4.74 11.1
PN-1.2-1.5 4.52 10.4
PN-1.5-1.5 4.27 10.0
PN-1.2-0.5 4.70 11
PN-1.2-1.0 4.52 10.7
PN-1.2-2.0 2.94 6.9
PN-1.2-2.5 2.68 6.3
静力受压弹性模量试验结果如表5所示
表5
Figure BDA0003130248140000071
Figure BDA0003130248140000081
断裂性能试验结果如表6所示
表6
Figure BDA0003130248140000082
由表3～6可以看出：水泥基复合材料经受湿热盐耦合环境作用时，抗压强度、抗折强度、静力受压弹性模量及断裂性能均降低，原因是氯盐通过渗透和扩散等作用，进入材料的内部，与部分水化产物反应生成3CaO·CaCl2·15H2O等一系列新的盐类物质，难溶性的盐会在孔隙中结晶膨胀导致材料内部产生微裂纹，破坏基体的内部结构，可溶性的盐会析出，导致基体的孔隙率增加。因此水泥基复合材料经受湿热盐耦合环境后，试件的各项力学性能均有较大程度的下降。
在水泥基复合材料中单独掺加纳米SiO2或单独掺加PVA纤维均能使水泥基复合材料在湿热盐耦合环境作用下的各项力学性能得到一定程度的提升，且单独掺加纳米SiO2时，掺量为1.5％时，各项力学性能最佳；单独掺加PVA纤维时，掺量为0.3vol％时，抗压强度和静力受压弹性模量均为最佳；掺量为0.6vol％时，抗折强度最佳；掺量为1.5vol％时断裂性能最佳。但是水泥基复合材料中同时掺加纳米SiO2和PVA纤维时，对水泥基复合材料在湿热盐耦合作用下的力学性能的提升作用较单独掺加纳米SiO2或PVA纤维更加显著，且当水泥基复合材料中纳米SiO2的掺加量为水泥和纳米SiO2总质量的0.5％，PVA纤维的掺加量为1.2vol％时，水泥基复合材料的抗压强度、抗折强度、静力受压弹性模量及断裂性能均为最佳。
这是由于，PVA纤维的掺入能明显减少试件表面微裂缝的产生，延缓了氯离子向试件内部的扩散，提高其抵御有害离子侵蚀的能力。但纤维掺量进一步加大时，试件内部初始缺陷增多，抵御有害离子侵蚀的能力有所降低，因此适量掺入PVA纤维有助于增强其力学性能；适量纳米SiO2掺入水泥基复合材料后，由于纳米SiO2的火山灰效应和填充效应，使得基体内部结构更加致密，基体密实程度的提高使得湿热盐耦合环境中的氯离子的侵入过程更加曲折，但是当纳米SiO2的掺入量过大时，纳米SiO2在基体中的分散性变差，易产生团聚现象，从而使得水泥基复合材料的内部缺陷增多，为湿热盐耦合环境中氯离子的进入提供了通道，因此反倒会导致材料力学性能的下降。
当材料中同时掺加纳米SiO2和PVA纤维时，由于适量的纳米SiO2在基体中均匀分散，可充分发挥纳米SiO2的火山灰效应和填充效应，并与基体内部水化产生的Ca(OH)2发生反应，生成更多C-S-H凝胶，并使的C-S-H凝胶在其表面更加有序的排列，使得基体内部更加密实，并且有效填充了PVA纤维与基体之间的缺陷，可进一步使得PVA纤维与基体的粘结更加紧密，PVA纤维能够更好发挥其阻裂作用，并且填充纤维与基体间、纤维与纤维间界面上的初始微裂纹，使得纤维在受压时，可以更加有效的限制试件因横向变形而产生的裂纹的扩展，提高试件的承载力。在搅拌过程中，一部分纳米SiO2会附着在部分PVA纤维的表面，同时，纳米粒子在水化过程中成为水化产物结晶体的晶核，这使得PVA纤维与基体之间的形成更大的化学胶着力和物理吸附力，当裂缝进入稳定扩展阶段，纳米SiO2和PVA纤维的协同效应使得纤维在代替基体承受应力时，更多的纤维是被拉断而不是被拔出，因此有效提高了水泥基复合材料的失稳断裂韧度和断裂能。随着PVA纤维掺量超过最佳值时，可能因为纳米SiO2的存在，水泥基复合材料的粘稠度较大，导致纤维分散不均匀，易产生较多的气泡和内部缺陷。因此，当水泥基复合材料中同时掺加纳米SiO2和PVA纤维时，纳米SiO2以0.5wt％等质量取代水泥、每立方米水泥基复合材料中PVA纤维掺加量为1.2％时，能够使所得材料在湿热盐耦合环境下的性能达到最佳。
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 (8)

1.一种高性能水泥基复合材料，其特征在于，原料按重量份计包括：水320～370份、石英砂480～520份、粉煤灰320～370份、减水剂1.5～9.5份、纳米SiO23.25～16.25份及水泥633.75～646.75份，每立方米所述水泥基复合材料中还掺加0.3～1.5％的聚乙烯醇纤维。
2.根据权利要求1所述的高性能水泥基复合材料，其特征在于，原料按重量份计包括：水350份、石英砂500份、粉煤灰350份、减水剂5.5份、纳米SiO23.25份及水泥646.75份，每立方米所述水泥基复合材料中还掺加1.2％的聚乙烯醇纤维。
3.根据权利要求1所述的高性能水泥基复合材料，其特征在于，所述水泥为P.O.42.5水泥。
4.根据权利要求1所述的高性能水泥基复合材料，其特征在于，所述粉煤灰的吸水率大于85％。
5.根据权利要求1所述的高性能水泥基复合材料，其特征在于，所述聚乙烯醇纤维的抗拉强度≥1400MPa，断裂伸长率≥6.0％。
6.根据权利要求1所述的高性能水泥基复合材料，其特征在于，所述纳米SiO2的平均粒径≤35nm。
7.根据权利要求1所述的高性能水泥基复合材料，其特征在于，所述减水剂的减水率≥20.0％。
8.一种权利要求1～7任一项所述的高性能水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将水泥、粉煤灰和石英砂混合得到砂浆；将纳米SiO2与减水剂混合后加入部分水、搅拌，将得到的分散液加入所述砂浆中并搅拌，之后加入剩余的水，搅拌后加入聚乙烯醇纤维即得所述高性能水泥基复合材料。
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CN115108843A (zh) * 2022-06-27 2022-09-27 山西禄纬堡太钢耐火材料有限公司 一种长寿命耐剥落90t电弧炉炉顶莫来石预制件及其制备方法
CN115108843B (zh) * 2022-06-27 2023-09-26 山西禄纬堡太钢耐火材料有限公司 一种长寿命耐剥落90t电弧炉炉顶莫来石预制件及其制备方法

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