CN114920502A - 一种高延性高强聚甲醛纤维增强水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合混凝土材料领域，公开了一种高延性高强聚甲醛纤维增强水泥基复合材料及其制备方法，该复合材料由如下重量份比例的原料制成：水泥1204份，细砂963份，水240份，聚甲醛纤维28份，聚羧酸型减水剂8.8份；其中，所述聚甲醛纤维的密度为1400kg/m³，长度为12mm，直径为0.2mm。本发明提供的复合材料及制备方法，利用聚甲醛纤维作为增韧材料掺入到高强水泥基材料中，基于聚甲醛纤维与水泥基体系良好的相容性和优异的粘结性能，在保持强度的同时解决其延性低的问题，实现了水泥基材料的延性与强度相匹配。

Description

一种高延性高强聚甲醛纤维增强水泥基复合材料及其制备 方法

技术领域

本发明涉及复合混凝土材料领域，具体涉及一种高延性高强聚甲醛纤维增强水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术

传统高强水泥基材料具有可塑性良好、抗压强度高、耐久性能好等优势，现已被广泛应用于建筑领域，尤其在高层建筑结构、大跨度桥梁结构等。然而，随着现代建筑工程的逐步发展，人类对建筑材料的要求也在逐步提高，尤其对于重要的消能减震构件或桥面板连接构件，高强水泥基材料在应用方面的不足逐渐显现，如抗拉强度低、脆性大、延性低等。为提高高强水泥基材料的受拉变形能力，常用的做法是掺入聚乙烯醇纤维以增强其延性与韧性，然而，试验结果表明聚乙烯醇纤维与水泥基材料的相容性、粘结性不高，其对高强水泥基材料的增韧效果十分有限，尤其对高强水泥基材料的变形能力增强效果并不显著。因此，寻求一种与高强水泥基体系相容性良好的纤维，是实现水泥基材料延性与强度相匹配的关键。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种高延性高强聚甲醛纤维增强水泥基复合材料及其制备方法。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

一种高延性高强聚甲醛纤维增强水泥基复合材料，按重量份数计，其由如下原料制成：水泥1204份，细砂963份，水240份，聚甲醛纤维28份，聚羧酸型减水剂8.8份；

所述聚甲醛纤维的密度为1400kg/m³，长度为12mm，直径为0.2mm。

优选的，所述聚甲醛纤维的拉伸断裂强度为1030MPa，弹性模量为8.5GPa，断裂伸长率为15.0％。

优选的，所述聚甲醛纤维体积占所述复合材料体积的2.0％。

优选的，所述细砂为天然河砂，粒径为0.075-0.6mm。

优选的，所述聚羧酸型减水剂的减水率为46％，固含量为40％。

作为本发明的另一方面，本发明还提供一种前述高延性高强聚甲醛纤维增强水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将所述水泥、所述细砂、所述聚羧酸型减水剂和所述水按比混合；

S2、在步骤S1制得的混合物中加入所述聚甲醛纤维并再次混合。

本发明的有益效果为：

1、本发明利用聚甲醛纤维作为增韧材料掺入到高强水泥基材料中，基于聚甲醛纤维与水泥基体系良好的相容性和优异的粘结性能，在保持强度的同时解决其延性低的问题，实现了水泥基材料的延性与强度相匹配。本发明所采用的聚甲醛塑料是一种综合性能优良的工程材料，得益于结晶度高，且分子链中含有亲水性的醛基基团，聚甲醛的抗拉强度高，耐磨性能、耐疲劳性能优异，能在酸或碱性环境中稳定存在。

2、本发明将聚甲醛纤维作为增韧材料掺入到高强水泥基材料当中，通过高倍电子显微镜观察纤维与水泥基材料的接触界面发现，由于聚甲醛纤维强度高，与水泥基材料粘结性能优异，当聚甲醛纤维增强水泥基材料受拉出现裂痕时，纤维在裂痕处起桥接作用且没有断裂，复合材料整体的延性得到提高。此外，由于聚甲醛纤维的桥接作用，水泥基材料的极限抗拉强度增长了近20倍。通过立方体试块压缩试验表明，相比于高强水泥基体，掺入聚甲醛纤维之后材料的抗压强度降低幅度在6.4％以内，抗压性能没有太大幅度的降低，在可接受的范围之内。因此，以聚甲醛纤维作为增韧材料掺入到高强水泥基材料当中，实现了纤维增强水泥基材料的强度与延性相匹配。

3、本发明通过配合比与制备工艺的优化设计，为纤维增强水泥基材料的高强化提供了一个研发设计思路。这不仅对于水泥基材料的高强化发展具有重要的指导意义，而且对提高工程质量，促进技术进步，赋能水泥基材料行业结构调整，实现建筑结构功能多样化功能亦具有重大意义。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是实施例1所述聚甲醛纤维的宏观形貌图；

图2是实施例1所述聚甲醛纤维的微观形貌图；

图3是实施例1所述水泥和天然河砂的级配分布图；

图4是实验例中四点抗折弯曲试验的板试件正视图；

图5是实验例中四点抗折弯曲试验的板试件俯视图；

图6是四点抗折弯曲试验中加载点处的力与试件挠度变化曲线；

图7是实验例中单轴拉伸试验的试件正视图；

图8是实验例中单轴拉伸试验的试件俯视图；

图9是单轴拉伸试验中单轴拉伸应力与应变关系变化曲线；

图10是对比例1拉伸试件破坏后的断裂面；

图11是对比例2拉伸试件断裂面的放大图(×50)；

图12是实施例1拉伸试件断裂面的放大图(×50)。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

实施例：

一种高延性高强聚甲醛纤维增强水泥基复合材料，按重量份数计，其由如下原料制成：水泥1204份，细砂963份，水240份，聚甲醛纤维28份，聚羧酸型减水剂8.8份；所述聚甲醛纤维的密度为1400kg/m3，长度为12mm，直径为0.2mm。

所述聚甲醛纤维的拉伸断裂强度为1030MPa，弹性模量为8.5GPa，断裂伸长率为15.0％。

所述聚甲醛纤维体积占所述复合材料体积的2.0％。

所述细砂为天然河砂，粒径为0.075-0.6mm。

所述聚羧酸型减水剂的减水率为46％，固含量为40％。

一种前述高延性高强聚甲醛纤维增强水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将所述水泥、所述细砂、所述聚羧酸型减水剂和所述水按比混合；

S2、在步骤S1制得的混合物中加入所述聚甲醛纤维并再次混合。

实施例1

本实施例提供的高延性高强聚甲醛纤维增强水泥基复合材料，该材料的制备原料及配比见表1，按重量份计：

表1.实施例1所用原料配比

水胶比	砂胶比	水泥	水	天然河砂	聚甲醛纤维	减水剂
							0.2	0.8	1204	240	963	28	8.8

本实施例中所使用的聚甲醛纤维由重庆云天化天聚新材料有限公司生产，密度为1400kg/m³，长度为12mm，直径为0.2mm，拉伸断裂强度为1030MPa，弹性模量为8.5GPa，断裂伸长率为15.0％；其宏观与微观形貌分别如附图1-2所示；从附图1中可以看出，该纤维分散性良好，不会缠绕成团；从附图2的微观形貌图可以观察得到，纤维表面有纵向沟槽，直径为200μm。

本实施例中，聚甲醛纤维的用量为复合材料体积的2.0％。

本实施例中，所述水胶比指水与胶凝材料的质量比，胶凝材料为水泥。

本实施例中，所述砂胶比指天然河砂与胶凝材料的质量比，胶凝材料为水泥。

本实施例中所使用的水泥为广州石井水泥公司生产的P.O 42.5R级普通硅酸盐水泥、表观密度3100kg/m³，颗粒级配如附图3所示。

本实施例中所使用的天然河砂为广州地区的天然河砂，表观密度2600kg/m³，颗粒级配如附图3所示。

本实施例中所使用的减水剂为江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸型高性能减水剂，减水率46％，固含量40％。

本实施例中所述高延性高强聚甲醛纤维增强水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、按重量份计，将8.8份的聚羧酸型减水剂溶于240份的水中，搅拌均匀形成减水剂溶液；将1204份水泥和963份天然河砂混合；

S2、将全部水泥与天然河砂的混合物加入搅拌机，减水剂水溶液搅拌30s后加入搅拌机，搅拌3min；接着将聚甲醛纤维缓缓撒入搅拌锅中，时间应该控制在5min之内完成，撒入过程不能太快，尽量使纤维在混合物中分布均匀。

对比例1

本对比例为一种高强水泥基材料，该材料的制备原料及配比见表2配合比设计。

表2.对比例1所用原料配比

水胶比	砂胶比	水泥	水	天然河砂	减水剂
						0.2	0.8	1204	240	963	8.8

所述水泥、天然河砂和减水剂同实施例1；

所述高强水泥基材料的制备方法包括如下步骤：

S1、按重量份计，将8.8份的聚羧酸型减水剂溶于240份的水中，搅拌均匀形成减水剂溶液；将1204份水泥和963份天然河砂混合。

S2、将全部水泥与天然河砂的混合物加入搅拌机，减水剂水溶液搅拌30s后加入搅拌机，搅拌8min。

对比例2

本对比例为一种聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料，该材料的制备原料及配比见表3配合比设计。

表3.对比例2所用原料配比

水胶比	砂胶比	水泥	水	天然河砂	聚乙烯醇纤维	减水剂
							0.2	0.8	1204	240	963	26	8.8

本对比例中所使用的聚乙烯醇纤维为日本可乐丽公司生产，密度为1300kg/m³，长度为12mm，直径为0.039mm，拉伸断裂强度为1620MPa，弹性模量为42.8GPa，断裂伸长率为6.0％。

本对比例中，聚乙烯醇纤维的用量为复合材料体积的2.0％。

所述水泥、天然河砂和减水剂同实施例1；

本对比例所述聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料的制备方法包括如下步骤：

S1、按重量份计，将8.8份的聚羧酸型减水剂溶于240份的水中，搅拌均匀形成减水剂溶液；将1204份水泥和963份天然河砂混合；

S2、将全部水泥与天然河砂的混合物加入搅拌机，减水剂水溶液搅拌30s后加入搅拌机，搅拌3min；接着将聚乙烯醇纤维缓缓撒入搅拌锅中，时间应该控制在5min之内完成，撒入过程不能太快，尽量使纤维在混合物中分布均匀。

实验例

1、延性增强效果

对对比例1、对比例2以及实施例1进行四点抗折弯曲试验。用于四点抗折弯曲试验的板试件尺寸如附图4-5所示，长度为330mm，宽为60mm，高为13mm，利用环氧树脂，将应变片粘贴在板状试件正中央，以测试板状试件底部中央处在弯曲试验过程中的应力与应变的关系。板试件的两个加载点分别位于试件沿长边方向的中轴线左右两边各50mm处，支撑点分别位于试件沿长边方向的中轴线左右两边各150mm处。四点抗折弯曲试验采用位移控制的加载模式进行加载，位移控制速率为0.5mm/min。在试验过程中，抗折试验机记录了每个时刻加载点的力与位移数值，应变箱同步采集板试件底部中央处的应变。

附图6为板试件在四点抗折弯曲试验过程中，加载点处的力与试件挠度变化曲线。从附图6可以看出，对比例1达到极限荷载之后，试件出现突然断裂。相比之下，由于纤维的掺入起桥接作用，对比例2与实施例1在达到极限荷载之后板试件并没有突然断裂，弯曲能力与延性都得到了提高。此外，通过比对极限挠度也可用于评价试件的延性。在本试验中，极限挠度指的是当板试件的挠度超过某一定值时，加载点处的力随着挠度的增加而下降，这一定值被定义为极限挠度。从附图6可以看出，对比例1的极限挠度仅为0.422±0.020mm，而对比例2的极限挠度为3.200±1.431mm，极限挠度是对比例1的7.6倍，延性得到增强。值得注意的是，实施例1的延性增强效果更为显著，实施例1的极限挠度为17.395±0.451mm，为对比例1的17.5倍，聚甲醛纤维对高强水泥基材料的延性增强效果比聚乙烯醇纤维好。

2、拉伸延展性的增强效果

对对比例1、对比例2以及实施例1进行单轴拉伸试验。用于单轴拉伸试验的试件尺寸如附图7-8所示，该试件由夹持区、过渡区与标距区组成，夹持区位于试件两端，用于连接设备，中间的标距区是试件的主体部分，介于夹持区与标距区之间的过渡区用于传递力。拉伸试件整体尺寸为长330mm，宽60mm，厚13mm。标距区长为80mm，宽30mm，厚13mm，通过测试标距区沿长边方向上的应力与应变关系，以获得水泥基材料的单轴拉伸性能。单轴拉伸试验装置通过位移计固定支架，在试件两侧分别布置一位移计，以测试拉伸试件标距区沿长边方向上的拉伸位移。同时，试验仪器同步记录在拉伸试验过程中的力数值。对拉伸位移与拉伸力数值分别换算为拉伸应变与拉伸应力，即可得到拉伸试件标距区的单轴拉伸应力与应变关系，如附图9所示，拉伸试验采用位移控制的加载模式进行加载，加载速率为0.15mm/min。

从附图9可以看出，实施例1的拉伸应力与应变曲线在对比例1与对比例2的上方，这表明聚甲醛纤维对高强水泥基材料的延性增强效果优于聚乙烯醇纤维。为了进一步说明这种增强效果，表4记录了对比例1、对比例2以及实施例1拉伸试件在拉伸试验过程中的一些延性评价指标，如拉伸开裂应力(ε_fc)、拉伸开裂应变(ε_fc)、极限抗拉应力(σ_t)以及极限抗拉应变(ε_t)。通过比对数据得知，对比例1与实施例1的拉伸开裂应变相差不大，对比例2的拉伸开裂应变最大，为0.026±0.000％。对于拉伸开裂应力而言，对比例2的开裂应力为1.681±0.218MPa，是对比例1的10.9倍。值得注意的是，实施例1的拉伸开裂应力最高，为2.981±0.333MPa，是对比例1的19.36倍。这表明聚甲醛纤维对高强水泥基材料的抗开裂能力的增强效果优于聚乙烯醇纤维。此外，由于纤维的桥接作用，聚乙烯醇纤维与聚甲醛纤维对高强水泥基材料的极限抗拉应力与极限抗拉应变都有不同程度的提高，但前者的增韧效果不如后者。如对比例2的极限抗拉应变与极限抗拉应力分别为对比例1的8.13倍与1.79倍，而实施例1分别为对比例1的10.27倍与23.16倍，聚甲醛纤维对高强水泥基材料的延性增强效果比聚乙烯纤维更为显著。

表4.对比例1、对比例2以及实施例1的延性评价指标

3、断裂面

为进一步表明聚乙烯醇与聚甲醛纤维对水泥基材料的延性增强效果，借助高倍纤维镜对对比例1、对比例2以及实施例1的拉伸试件断裂面进行了观察，观察结果如附图10-12所示。附图10为对比例1拉伸试件破坏后的断裂面，可以看出拉伸试件在标距区内出现明显断裂，拉伸破坏后试件被分为两部分。附图11为对比例2拉伸试件断裂面的放大图，可以看出，聚乙烯醇纤维由于强度不够，当拉伸试件被拉伸破坏时，纤维出现断裂破坏，延性增强效果有限。附图12为实施例1拉伸试件断裂面的放大图，由于聚甲醛纤维的桥接作用，拉伸试件并没有断裂破坏成单独两部分，而是依靠聚甲醛纤维连接在一起。同时，由于聚甲醛耐碱，在聚甲醛纤维表面未发现有明显被腐蚀痕迹，这表明聚甲醛纤维与水泥基体系的相容性优异。此外，得益于聚甲醛纤维的抗拉强度高，在断裂面未发现有拉伸断裂的纤维。

4、抗压强度

对比例1、对比例2以及实施例1的抗压强度测试结果如表5所示。

表5.对比例1、对比例2以及实施例1的抗压强度(单位：MPa)

序号	f<sub>3d</sub>	f<sub>7d</sub>	f<sub>28d</sub>	f<sub>90d</sub>
					对比例1	59.40	67.34	73.64	79.25
对比例2	60.11	67.60	74.46	85.66
					实施例1	56.51	61.09	68.24	76.01

f_3d，f_7d，f_28d，f_90d：分别为100mm边长的水泥基材料立方体试块在3天，7天，28天，90天龄期时所对应的抗压强度，单位为MPa；

从表5中可以看出，对比例1的28天抗压强度达到了73.64MPa，超过60MPa，属于高强水泥基材料。掺入聚乙烯醇纤维后，高强水泥基材料的抗压强度有细微的提高。然而，掺入聚甲醛纤维后，材料的抗压强度有所降低，相比于对比例1，实施例1不同龄期抗压强度的平均降幅为6.40％。相比于聚乙烯醇纤维，虽然掺入聚甲醛纤维后抗压强度有所下降，但通过测试例1至3可知聚甲醛纤维对高强水泥基材料的延性增强效果显著优于聚乙烯醇纤维。其次，实施例1的28天抗压强度仍然在60MPa以上，符合实际工程中对高强水泥基材料的强度要求。综上所述，聚甲醛纤维比聚乙烯醇纤维更适合用作增韧材料对高强水泥基材料的延性进行增强。

本发明提供的复合材料及制备方法，利用聚甲醛纤维作为增韧材料掺入到高强水泥基材料中，基于聚甲醛纤维与水泥基体系良好的相容性和优异的粘结性能，在保持强度的同时解决其延性低的问题，实现了水泥基材料的延性与强度相匹配。

应当说明的是，在本发明上述实施例记载的范围内，具体的组分、配比、工艺参数等可以根据需要选择，均可以实现本发明记载的技术效果，故不再将其一一列出。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种高延性高强聚甲醛纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，按重量份数计，其由如下原料制成：水泥1204份，细砂963份，水240份，聚甲醛纤维28份，聚羧酸型减水剂8.8份；

所述聚甲醛纤维的密度为1400kg/m³，长度为12mm，直径为0.2mm。

2.根据权利要求1所述的高延性高强聚甲醛纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述聚甲醛纤维的拉伸断裂强度为1030MPa，弹性模量为8.5GPa，断裂伸长率为15.0％。

3.根据权利要求1所述的高延性高强聚甲醛纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述聚甲醛纤维体积占所述复合材料体积的2.0％。

4.根据权利要求1所述的高延性高强聚甲醛纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述细砂为天然河砂，粒径为0.075-0.6mm。

5.根据权利要求1所述的高延性高强聚甲醛纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述聚羧酸型减水剂的减水率为46％，固含量为40％。

6.根据权利要求1-5之一所述的高延性高强聚甲醛纤维增强水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将所述水泥、所述细砂、所述聚羧酸型减水剂和所述水按比混合；

S2、在步骤S1制得的混合物中加入所述聚甲醛纤维并再次混合。

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