CN113754382B - 一种高延性水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种高延性水泥基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及建筑材料的技术领域，具体公开了一种高延性水泥基复合材料及其制备方法。一种高延性水泥基复合材料，包括以下重量份的原料：水泥200‑450份、粉煤灰100‑350份、矿粉100‑350份、骨料100‑450份、微硅粉20‑45份、减水剂5‑25份、消泡剂1‑6份、纤维素醚0.1‑0.8份、喷射调节剂0.5‑6份、聚乙烯醇纤维5‑40份、水1000‑3000份；喷射调节剂包括重量比为（2‑6）：1的硅酸镁铝与淀粉醚。本申请的复合材料60d的抗压强度达到61.76N/mm2、抗折强度达到19.44N/mm2、弯曲强度达到15.10N/mm2、弯曲韧性达到138.15KJ/m3，复合材料的强度与韧性较好。

Description

一种高延性水泥基复合材料及其制备方法
技术领域
本申请涉及建筑材料的技术领域，更具体地说，它涉及一种高延性水泥基复合材料及其制备方法。
背景技术
水泥基复合材料指以水泥为主要胶结材料，与水、砂、石或一些必要的外加剂按比例调配、搅拌、密实成型，经养护硬化而成的建筑材料。
水泥基复合材料有时候需要进行喷射施工，喷射施工时将预先配好的水泥、砂、石子、水和一定数量的外加剂，装入喷射机，利用高压空气将其送到喷头和速凝剂混合后，以很高的速度喷向岩石或混凝土的表面。
针对上述相关技术，申请人发现现有用于喷射施工的水泥基复合材料断裂韧性较差，容易发生开裂现象，给建筑物带来一定的危害。
发明内容
为了提高水泥基复合材料的韧性，本申请提供一种高延性水泥基复合材料及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种高延性水泥基复合材料，采用如下的技术方案：
一种高延性水泥基复合材料，由包括以下重量份的原料制备而成：水泥200-450份、粉煤灰100-350份、矿粉100-350份、骨料100-450份、微硅粉20-45份、减水剂5-25份、消泡剂1-6份、纤维素醚0.1-0.8份、喷射调节剂0.5-6份、聚乙烯醇纤维5-40份、水1000-3000份；喷射调节剂包括重量比为(2-6)：1的硅酸镁铝与淀粉醚。
通过采用上述技术方案，水泥、粉煤灰、矿粉、硅粉等作为胶材将骨料、聚乙烯醇纤维粘接在一起，同时在减水剂、消泡剂、纤维素醚的作用下形成致密的基体结构。聚乙烯醇纤维强度高、弹性模量高、伸度低、耐磨、耐候性好，与水泥等基材有良好的亲和力和结合性，聚乙烯醇纤维在基体结构形成三维网络结构，对骨料起到拉拽作用，使得骨料之间不易产生分离，从而降低裂缝的产生，提高水泥基复合材料的韧性。
本申请水灰比使得水泥基复合材料无需早强剂与速凝剂，既可实现喷射作业，但是此水灰比使得水泥基复合材料的流动性较普通喷射水泥基复合材料低，低流动性不利于水泥基复合材料的喷射。添加喷射调节剂硅酸镁铝与淀粉醚，硅酸镁铝有高度亲水性，与水混合后形成非牛顿液体的凝胶，在水中高度分散，形成立体空间网状结构，对水泥基复合材料体系中的粉体颗粒进行托举作用；在硅酸镁铝与淀粉醚的配合作用下，使得水泥基复合材料体系受到外力作用时粘性下降，提高喷射性能，在外力消失后，粘性增加提高抗下垂性与抗滑移性，降低水泥基复合材料发生开裂的几率，提高水泥基复合材料韧性，水泥基复合材料养护3d、28d、60d的弯曲强度可分别达到11.6N/mm2、12.91N/mm2、15.10N/mm2；水泥基复合材料养护3d、28d、60d的弯曲韧性可分别达到187.15KJ/m3、161.20KJ/m3、138.15KJ/m3。
而且硅酸镁铝与纤维素醚共同作用，在较低的纤维素醚的用量下既可以提高水泥基复合材料体系的保水性能。
优选的，由包括以下重量份的原料制备而成：水泥250-350份、粉煤灰150-300份、矿粉150-300份、骨料200-400份、微硅粉25-35份、减水剂11-20份、消泡剂1-4份、纤维素醚0.1-0.5份、喷射调节剂1-4份、聚乙烯醇纤维10-30份、水1500-2500份。
通过采用上述技术方案，进一步调配原料间的配比，从而提升水泥基复合材料的性能。
优选的，按重量百分比，所述骨料包括30-50％的20-40目的石英砂，50-70％的45-70目的石英砂。
通过采用上述技术方案，对骨料的级配进行调控，此级配的骨料与粉体料配合，可以降低水泥基复合材料体系的水化热，从而降低水泥基复合材料内外的温度差，降低因内外温差产生热应力导致水泥基复合材料开裂的几率，有利于提高水泥基复合材料的韧性。
优选的，其还包括重量份为5-30份的聚甲醛纤维。
通过采用上述技术方案，聚甲醛纤维具有高强度、高模量及优异的尺寸稳定性、热稳定性和耐腐蚀、耐光、耐磨等性能，是一种综合性能优异的有机合成纤维，其分子结构中含有大量醚键，与无机材料具有良好的相容性，聚甲醛纤维与聚乙烯醇纤维复掺加入水泥基复合材料中，在水泥基复合材料体系内交错穿插，可以形成更加稳定的网络结构，拉拽骨料，降低水泥基复合材料发生开裂的几率，提高水泥基复合材料韧性。
优选的，所述聚乙烯醇纤维中长度为6-9mm与10-12mm的重量比为1：(2-4)，聚甲醛纤维中长度为6-9mm与10-12mm的重量比为1：(1-2)。
通过采用上述技术方案，水泥基复合材料内的纤维过长可能会在水泥基复合材料内部发生打结、团聚等现象，而纤维过短则会降低纤维对骨料的拉拽作用，本申请中首先限定纤维的长度，然后将两种不同长度的纤维复掺，使得纤维形成的网络结构更加稳定，有利于提高水泥基复合材料的韧性。
优选的，所述聚乙烯醇纤维为改性聚乙烯醇纤维，其制备方法为：
用聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物、脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯钾盐、高碳醇磷酸酯盐共同与乳化剂复配，制得分散剂，然后用将聚乙烯醇纤维吸附分散剂，干燥制得改性聚乙烯醇纤维。
通过采用上述技术方案，聚乙烯醇纤维因自身材质、结构及纤维表面润湿性等特征，使其在水泥基复合材料基体中分布不均、易结团、易聚集，影响了纤维增强水泥基复合材料材料的性能。用聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物、脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯钾盐、高碳醇磷酸酯盐三种单体复配制备分散剂，然后用分散剂对聚已烯醇纤维进行改性处理，提高聚乙烯醇纤维的亲水性，降低聚乙烯醇纤维与水的接触角，从而使得聚乙烯醇纤维在水泥基复合材料内分散的更加均匀，降低聚乙烯醇纤维在水泥基复合材料内发生团聚、打结的几率，有利于提高水泥基复合材料的韧性。
优选的，所述聚甲醛纤维为改性聚甲醛纤维，其制备方法为：
将聚甲醛纤维进行活化预处理，然后在活化预处理后的聚甲醛纤维上接枝纳米SiO2，制得改性聚甲醛纤维。
通过采用上述技术方案，在聚甲醛纤维表面接枝纳米SiO2，弥补聚甲醛纤维表面的缺陷，提高聚甲醛纤维的力学性能。另外，水泥基复合材料体系在水化过程中，体系中的Ca2+、Mg2+与聚甲醛纤维表面的SiO2发生水化反应，形成C-S-H凝胶，促使聚甲醛纤维与水泥基复合材料之间的黏附力增强，提升聚甲醛纤维与水泥基复合材料之间的拉拔强力，进一步增强水泥基复合材料的韧性。
第二方面，本申请提供一种高延性水泥基复合材料的制备方法，采用如下的技术方案：
一种高延性水泥基复合材料的制备方法，以下步骤：
S1.将水泥、粉煤灰、矿粉、骨料、微硅粉混合均匀，得到混合料；
S2.将减水剂、消泡剂、纤维素醚、喷射调节剂、水混合均匀得到混合液，将1/4-1/3的混合液加入到S1所得的混合料中并混合均匀，得到初混料；
S3.将聚乙烯醇纤维加入到初混料中搅拌均匀，然后再加入剩余混合液，混合均匀得到高延性水泥基复合材料。
优选的，随着聚乙烯醇纤维的加入，加入聚甲醛纤维。
通过采用上述技术方案，采用半干拌法制备水泥基复合材料，可以降低搅拌过程对纤维造成损伤，改善纤维在水泥基复合材料基体中的分布，有利于提高水泥基复合材料的韧性。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、本申请调配特定的粉料、骨料以及水的配比，并加入聚乙烯醇纤维与喷射调节剂，制得的水泥基复合材料3d抗压强度达到31.13-36.12N/mm2、抗折强度达到11.62-12.89N/mm2、弯曲强度达到10.45-11.6N/mm2、弯曲韧性达到162.15-187.15KJ/m3；28d抗压强度达到48.85-55.05N/mm2、抗折强度达到14.80-16.45N/mm2、弯曲强度达到11.63-12.91N/mm2、弯曲韧性达到138.08-161.2KJ/m3；60d抗压强度达到54.94-61.76N/mm2、抗折强度达到17.46-19.44N/mm2、弯曲强度达到13.63-15.10N/mm2、弯曲韧性达到118.5-138.15KJ/m3，提高了水泥基复合材料的强度与韧性。
2、本申请中优选采用聚甲醛纤维与聚乙烯醇纤维复掺使用，并对聚甲醛纤维以及聚乙烯醇纤维进行改性，制得的水泥基复合材料3d抗压强度达到35.34-36.12N/mm2、抗折强度达到12.09-12.89N/mm2、弯曲强度达到10.88-11.60N/mm2、弯曲韧性达到183.15-187.15KJ/m3；28d抗压强度达到54.18-55.05N/mm2、抗折强度达到15.41-16.45N/mm2、弯曲强度达到12.12-12.91N/mm2、弯曲韧性达到157.76-161.2KJ/m3；60d抗压强度达到60.80-61.76N/mm2、抗折强度达到18.19-19.44N/mm2、弯曲强度达到14.19-15.10N/mm2、弯曲韧性达到135.23-138.15KJ/m3，进一步提高了水泥基复合材料的强度与韧性。
3、本申请采用半干拌法制备水泥基复合材料，可以降低搅拌过程对纤维造成损伤，改善纤维在水泥基复合材料基体中的分布，有利于提高水泥基复合材料的韧性。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
原料和中间体的制备例
原料
水泥为PO5 2.5水泥；
粉煤灰为一级粉煤灰；
矿粉为S105矿粉；
减水剂为高效聚羧酸减水剂；
淀粉醚为马铃薯淀粉醚；
聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物，CAS号9003-11-6，分子量102.132；
脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯钾盐，型号MOA3PK；
高碳醇磷酸酯盐为十六十八醇磷酸酯盐；
乳化剂为脂肪醇聚氧乙烯醚，型号为AE09。
制备例
制备例1
改性聚乙烯醇纤维的制备方法：
A1.将10kg聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物、10kg脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯钾盐、10kg高碳醇磷酸酯盐混合均匀，然后再加入2000kg乳化剂混合均匀，制得分散剂；
A2.将聚乙烯醇纤维浸泡在丙酮溶液中，加热回流5小时后，取出聚乙烯醇纤维，并用清水清洗两遍，然后在100℃下干燥至恒重；
A3.将A2处理后的聚乙烯醇纤维与A1所得分散剂混合，固液比为1:200，在室温下振荡0.5h，振荡速度135r/min，然后取出样品在100℃下干燥至恒重，得到改性聚乙烯醇纤维
制备例2
改性聚甲醛纤维的制备方法：
B1.用无水乙醇清洗聚甲醛纤维，然后将聚甲醛纤维在90℃下真空干燥2h；
B2.将经过B1清洗的聚甲醛纤维在等离子体处理仪中处理60s，等离子处理仪的处理参数：空气氛围、400W功率、两电极间距3mm；
B3.经B2处理后的聚甲醛纤维立刻浸入质量浓度为3％的纳米SiO2水溶液中，并在60℃温度下，振荡反应3h，振荡速度135r/min，然后取出聚甲醛纤维，用清水清洗三遍，90℃下烘干至恒重，既得改性聚甲醛纤维。
实施例
实施例1
高延性水泥基复合材料，其制备方法为：
S1.将200kg水泥、350kg粉煤灰、100kg矿粉、450kg骨料、20kg微硅粉混合均匀，得到混合料；
S2.将25kg减水剂、1kg消泡剂、0.8kg纤维素醚、0.5kg喷射调节剂、1000kg水混合均匀得到混合液，将1/4的混合液加入到S1所得的混合料中并混合均匀，得到初混料；
S3.将40kg聚乙烯醇纤维加入到初混料中搅拌均匀，然后再加入剩余混合液，混合均匀得到高延性水泥基复合材料；
其中，骨料为20-40目的石英砂，喷射调节剂为重量比为2:1的硅酸镁铝与淀粉醚，聚乙烯醇纤维的长度为6-9mm。
实施例2
与实施例1不同的是原料配比不同，详见表1，并且步骤S2中将1/3的混合液加入到S1所得的混合料中并混合均匀，得到初混料。
实施例3-5
与实施例2不同的是，原料配比的不同，详见表1。
表1 实施例1-5原料配比表(kg)
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
水泥 200 250 300 350 450
粉煤灰 350 300 200 150 100
矿粉 100 150 200 300 350
骨料 450 400 300 200 100
微硅粉 20 25 30 35 45
减水剂 25 20 15 11 5
消泡剂 1 2 3 4 6
纤维素醚 0.8 0.5 0.3 0.2 0.1
喷射调节剂 0.5 1 3 4 6
聚乙烯醇纤维 40 30 21 10 5
水 1000 1500 2000 2500 3000
实施例6
与实施例3不同的是，喷射调节剂为重量比为4:1的硅酸镁铝与淀粉醚。
实施例7
与实施例3不同的是，喷射调节剂为重量比为6:1的硅酸镁铝与淀粉醚。
实施例8-10
与实施例6不同的是，骨料配比的不同，详见表2。
表2 实施例6与实施例8-10中骨料配比表(％)
实施例6 实施例8 实施例9 实施例10
20-40目 100 30 50 20
45-70目 0 70 50 80
实施例11
与实施例8不同的是，原料中还包括5kg聚甲醛纤维，聚甲醛纤维长度为10-12mm，聚甲醛纤维随聚乙烯醇纤维一同加入。
实施例12-14
与实施例11不同的是聚甲醛纤维的含量分别为21kg、30kg、90kg。
实施例15-18
与实施例12不同的是，聚乙烯醇纤维以及聚甲醛纤维长度的不同，详见表3。
表3 实施例12与实施例15-18中聚乙烯醇纤维以及聚甲醛纤维长度配比表(kg)
Figure BDA0003292966770000071
实施例19
与实施例16不同的是，用等量来自于制备例1的改性聚乙烯醇纤维替换聚乙烯醇纤维。
实施例20
与实施例16不同的是，用等量来自于制备例2的改性聚甲醛纤维替换聚甲醛纤维。
实施例21
与实施例19不同的是，用等量来自于制备例2的改性聚甲醛纤维替换聚甲醛纤维。
对比例
对比例1
喷射水泥基复合材料的原料包括：将水泥250kg，粉煤灰140kg，碎石900kg，机制砂400kg，石灰岩石粉540kg，水160kg，矿粉80kg，聚酯型聚羧酸减水剂4kg，聚醚性聚羧酸减水剂9kg，引气剂2kg，聚乙烯醇纤维5kg，速凝剂2kg。
对比例2
与实施例2不同的是，用等量淀粉醚替换硅酸镁铝。
对比例3
与实施例2不同的是，用等量硅酸镁铝替换淀粉醚。
对比例4
与实施例2不同的是，喷射调节剂为重量比为1:1的硅酸镁铝与淀粉醚。
对比例5
与实施例1不同的是，直接将所有原料混合制备水泥基复合材料。
性能检测试验
检测方法/试验方法
按照JGJ/T 372 2016《喷射混凝土应用技术规程》中附录B的要求，制备实施例1-21与对比例1-5中水泥基混合材料试件。
按照B62/T3159 2019《高延性混凝土应用技术规程》中的相关要求测定实施例1-21与对比例1-5中水泥基混合材料试件养护3d、28d、60d后的抗压强度、抗折强度、等效弯曲强度、等效弯曲韧性，检测结果见表4、表5。
表4 性能检测结果
Figure BDA0003292966770000081
Figure BDA0003292966770000091
表5 性能检测结果
Figure BDA0003292966770000092
Figure BDA0003292966770000101
结合实施例1-21和对比例1,并结合表4和表5可以看出，本申请制得的喷射水泥基复合材料在养护3天、28天、60天的抗压强度、抗折强度、弯曲强度、弯曲韧性都优于对比例1，本申请在不添加早强剂、速凝剂的情况下，仍然可以更好的早期强度，而且本申请的后期强度以及弯曲性能等方面的效果均可以达到更好的效果。
结合实施例2、实施例6-7与对比例1-3，并结合表1可以看出，实施例1中水泥基复合材料的性能优于对比例1，这可能是因为喷射调节剂中的硅酸镁铝与淀粉醚配合作用，提高了水泥基复合材料的可喷射性，同时提高喷射后的水泥基复合材料的抗下垂性与抗滑移能力，从而提高水泥基复合材料的性能，且本申请中硅酸镁铝与淀粉醚的配比可以达到更好的效果。
结合实施例6与实施例8-10，并结合表4与表5可以看出，实施例8-10中水泥基复合材料的的抗压强度、抗折强度、弯曲强度、弯曲韧性都优于实施例6，这说明对骨料进行合适的级配与本申请中的粉料进行配合，可以提高水泥基复合材料的性能。
结合实施例9与实施例11-14，并结合表4与表5可以看出，实施例11-14中水泥基复合材料的的抗压强度、抗折强度、弯曲强度、弯曲韧性都优于实施例9，这说明聚甲醛纤维与聚乙烯醇纤维复掺，可以进一步提高水泥基复合材料的性能。
结合实施例16与实施例19-21，并结合表4与表5可以看出，实施例19-21中水泥基复合材料的的抗压强度、抗折强度、弯曲强度、弯曲韧性都优于实施例16，这说明对聚甲醛纤维以及聚乙烯醇纤维进行改性处理，对提高水泥基复合材料性能有正向作用。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.一种高延性水泥基复合材料，其特征在于，包括以下重量份的原料制备而成：水泥200-450份、粉煤灰100-350份、矿粉100-350份、骨料100-450份、微硅粉20-45份、减水剂5-25份、消泡剂1-6份、纤维素醚0.1-0.8份、喷射调节剂0.5-6份、聚乙烯醇纤维5-40份、水1000-3000份、聚甲醛纤维5-30份；
喷射调节剂包括重量比为4-6：1的硅酸镁铝与淀粉醚；
所述聚甲醛纤维为改性聚甲醛纤维，其制备方法为：
将聚甲醛纤维进行活化预处理，然后在活化预处理后的聚甲醛纤维上接枝纳米SiO2，制得改性聚甲醛纤维；
所述聚乙烯醇纤维为改性聚乙烯醇纤维，其制备方法为：
用聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物、脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯钾盐、高碳醇磷酸酯盐共同与乳化剂复配，制得分散剂，然后用聚乙烯醇纤维吸附分散剂，干燥制得改性聚乙烯醇纤维。
2.根据权利要求1所述的一种高延性水泥基复合材料，其特征在于：由包括以下重量份的原料制备而成：水泥250-350份、粉煤灰150-300份、矿粉150-300份、骨料200-400份、微硅粉25-35份、减水剂11-20份、消泡剂1-4份、纤维素醚0.1-0.5份、喷射调节剂1-4份、聚乙烯醇纤维10-30份、水1500-2500份。
3.根据权利要求1所述的一种高延性水泥基复合材料，其特征在于：按重量百分比，所述骨料包括30-50%的20-40目的石英砂，50-70%的45-70目的石英砂。
4.根据权利要求1所述的一种高延性水泥基复合材料，其特征在于：所述聚乙烯醇纤维中长度为6-9mm与10-12mm的重量比为1：（2-4），聚甲醛纤维中长度为6-9mm与10-12mm的重量比为1： 1-2。
5.一种权利要求1-4任一所述的高延性水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.将水泥、粉煤灰、矿粉、骨料、微硅粉混合均匀，得到混合料；
S2.将减水剂、消泡剂、纤维素醚、喷射调节剂、水混合均匀得到混合液，将1/4-1/3的混合液加入到S1所得的混合料中并混合均匀，得到初混料；
S3.将聚乙烯醇纤维加入到初混料中搅拌均匀，随着聚乙烯醇纤维的加入，加入聚甲醛纤维，然后再加入剩余混合液，混合均匀得到高延性水泥基复合材料。
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