CN115353356A - 一种超高强轻质水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高强轻质水泥基复合材料及其制备方法，属于建筑材料技术领域，所述超高强轻质水泥基复合材料由水泥、硅粉、陶瓷空心微珠、水、减水剂和镀铜钢纤维组成，水胶比为0.14，以超高强轻质水泥基复合材料的总体积为参考，硅粉为总体积的9％，镀铜钢纤维为总体积的2％。在制备的超高强轻质水泥基复合材料时加入的陶瓷空心微珠起到了双重效应，不仅作为了轻质填料，而且作为了辅助胶凝材料。本发明的超高强轻质水泥基复合材料中加入了钢纤维，水泥基复合材料韧性好、不易收缩，而且耐久性好。采用密度较低的空心陶瓷微珠作为填料，降低了水泥基复合材料的密度，密度降至1600kg/m3～1700kg/m3，抗压强度高于100MPa，平衡了高强度和轻质两特性。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其是涉及一种超高强轻质水泥基复合材料及其制备方法。
背景技术
近年来随着超高层建筑、大跨度桥梁和海洋平台需求的不断增加，各种问题也日益突出，例如垂直运输问题、结构的静载问题和安全问题等等，对超高强轻质水泥基复合材料发展的实际需求越来越大。同时，超高强轻质水泥基复合材料的制备对于模块化集成结构的快速发展也尤为必要，使用超高强轻质水泥基复合材料有利于提高提升效率、降低运输成本和改善隔音效果。超高强水泥基复合材料表观密度大且抗压强度高，表观密度2400-2700kg/m3，抗压强度大于100MPa，结构承载力大。轻质水泥基复合材料表观密度小且抗压强度低，一般表观密度小于1950kg/m3，抗压强度小于60MPa，常用于保温结构，很少用于承重结构。
随着现代城市进程的快速发展和建筑科技的进步，高强、轻质是水泥基复合材料发展的两个重要趋势，然而如何平衡这两个特性仍然是一个挑战。高强度和轻质似乎是相反的，因为水泥基复合材料的强度通常随着密度的降低而降低。除了轻质和高强度外，大量研究表明，与传统水泥基复合材料相比超高强轻质水泥基复合材料也有其他的优点，例如良好的隔热性、更好的耐久性和更低廉的成本。
如今有关超高强水泥基复合材料的研究已经较为成熟，而使水泥基复合材料轻质的常用方法是加入空隙/气泡或轻质材料。与加入空隙/气泡相比，加入轻质材料能够更有效的减少水泥基复合材料的重量和提高结构强度，所以研究人员通常引入轻质材料生产超高强轻质水泥基复合材料。使用轻质材料是解决建筑行业可持续发展问题的方案之一，它有助于降低大型建筑工程(高层建筑和桥梁)项目的总体成本。轻质水泥基复合材料可大大减轻自重，从而减少梁柱的钢筋用量，减少运输、起重和人工成本。与其他建筑材料相比，超高强轻质水泥基复合材料具有轻质、抗震性能和耐久性能好、经济效益好等优点。
一种改性橡胶颗粒轻质超高性能混凝土及其制备方法(C N202010066119.4)所得改性橡胶颗粒轻质超高性能混凝土抗压强度等级可达C100以上，容重为1950～2100kg/m3。一种免蒸养轻质超高性能混凝土及其制备方法(CN201910355477.4)公开了免蒸养轻质超高性能混凝土的配合比，容重为1980～2000kg/m3，抗压强度为100MPa以上的混凝土。一种轻质高强混凝土及其制备方法(CN202010094172.5)公开了一种轻质高强混凝土，制备出了表观密度为1850kg/m3、抗压强度为70MP a的混凝土。
发明内容
本发明的目的是提供一种超高强轻质水泥基复合材料及其制备方法，采用密度较低的空心陶瓷微珠作为填料，降低了水泥基复合材料的密度，密度降至1600kg/m3～1700kg/m3，抗压强度高于100MPa，平衡了高强度和轻质两特性。
为实现上述目的，本发明提供了一种超高强轻质水泥基复合材料，所述超高强轻质水泥基复合材料由水泥、硅粉、陶瓷空心微珠、水、减水剂和镀铜钢纤维组成，水胶比为0.14，以超高强轻质水泥基复合材料的总体积为参考，硅粉为总体积的9％，镀铜钢纤维为总体积的2％。
优选的，所述超高强轻质水泥基复合材料中各组分的含量为：水泥637kg/m3、硅粉232kg/m3、陶瓷空心微珠301kg/m3、水129kg/m3、减水剂64kg/m3、镀铜钢纤维156kg/m3。
优选的，所述水泥为P.O52.5硅酸盐水泥，强度等级为52.5，比表面积320-350kg/m2、密度2900-3100kg/m3。
优选的，所述硅粉粒度为5000目，其中SiO2质量含量≥99.3％，比表面积≥19500m2/kg，用量为水泥的用量范围5％-25％，更优选的硅粉用量为水泥用量的10％，以保证良好的工作性能。
优选的，所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂，减水大于30％。
优选的，所述镀铜钢纤维的公称长度为12-14mm，当量直径为0.18-0.23mm，抗拉强度不低于3000MPa，密度为7.8kg/m3。
优选的，所述陶瓷空心微珠为硅、铝的氧化物，粒径为10-74μm，真密度为600-800kg/m3，其中SiO2约为50-60％，Al2O3约为30-40％。
使用的水符合《混凝土拌合用水标准》(JGJ63-2006)的要求。
一种超高强轻质水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、配料：将水泥、硅粉、陶瓷空心微珠、水、减水剂和镀铜钢纤维按照水泥基复合材料各组分的单方用量比例进行称量；
S2、投料、拌制顺序：将水泥和硅粉加入搅拌机，搅拌120s，再将1/3的水添入搅拌机中，湿拌120s，再将剩余的水和减水剂加入搅拌机，搅拌180s，再将陶瓷空心微珠加入搅拌机中，搅拌150s，最后在搅拌机中均匀撒入镀铜钢纤维拌低速搅拌120s，得到均匀的水泥基复合材料拌合物；
S3、试件制作：先将水泥基复合材料拌合物浇筑满模具容量的1/3，进行振捣，然后再浇筑1/3模具容量的水泥基复合材料拌合物，进行振捣，最后倒1/3模具容量的水泥基复合材料拌合物，振捣成型后，刮除试件表面多于的水泥基复合材料拌合物并抹平得到带模试件；
S4、养护：标准养护24小时后试样脱模，随后在90℃蒸汽养护24h，然后放入标准养护，将试件养护至28d。
优选的，所述步骤S4中标准养护的温度为20±2℃，相对湿度大于95％。
使用的陶瓷空心微珠在水泥基复合材料中的优点：
(1)陶瓷空心微珠高强度壳体保证了水泥基复合材料的强度，低表观密度保证了水泥基复合材料的轻质。
(2)陶瓷空心微珠拥有光滑的表面且吸水率很低，降低了水泥基复合材料较低的需水量。
(3)陶瓷空心微珠为较小颗粒的光滑球形，具有极佳的“滚珠效应”，减少了与浆体之间的摩擦力，能大幅度降低胶凝材料浆体的剪切应力和塑性黏度，使水泥基复合材料拌合物获得更好的流动性。
(4)陶瓷空心微珠的火山灰活性很高，可作为催化剂加速熟料相的溶解并形成低碱度水合硅酸钙，提高界面黏结强度，细化水泥基复合材料胶凝浆体内部的孔结构，对水泥基复合材料的机械和微观结构性能产生积极影响。
本发明中的陶瓷空心微珠起到了双重效应，不仅作为了轻质填料，而且作为了辅助胶凝材料。
因此，本发明采用上述一种超高强轻质水泥基复合材料及其制备方法，具备以下优点：
(1)本发明制备的超高强轻质水泥基复合材料在密度小于1700kg/m3的同时，28d抗压强度达到在100MPa以上。
(2)本发明通过空心陶瓷微珠的“滚珠效应”和减水剂的调配，使得到水泥基复合材料在低水胶比下满足较好的施工流动性。同时使用的钢纤维能显著提高水泥基复合材料的强度，提高其韧性、抗折和抗拉性能。
(3)本发明提供了上述超高强轻质水泥基复合材料的制备方法，原材料不需要进行预处理，简化了制备工艺，缩短了生产周期。
(4)由于密度较低，本发明提供的超高强轻质水泥基复合材料在应用时降低结构自重，减少地震对结构的破坏作用。同时也可以减少其起重、运输以及人工成本，可以有效节约资源，提高经济效益。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种超高强轻质水泥基复合材料及其制备方法实施例的制备方法流程图。
具体实施方式
在本发明中，若无特殊说明，所有的原料组分均为本领域技术人员熟知的市售商品。
如图1所示，本发明提供了一种超高强轻质水泥基复合材料，所述超高强轻质水泥基复合材料由水泥、硅粉、陶瓷空心微珠、水、减水剂和镀铜钢纤维组成，水胶比为0.14，以超高强轻质水泥基复合材料的总体积为参考，硅粉为总体积的9％，镀铜钢纤维为总体积的2％。
所述水泥为诸城市杨春水泥有限公司生产的P.O52.5硅酸盐水泥，强度等级为52.5，比表面积320-350kg/m2、密度2900-3100kg/m3，符合GB 175的有关规定。所述硅粉选用上海汇精亚纳米新材料有限公司生产的5000目硅微粉，其中SiO2质量含量≥99.3％，比表面积≥19500m2/kg，符合T/CECS 10107-2020的有关规定，用量为水泥的用量范围5％-25％，更优选的硅粉用量为水泥用量的10％，以保证良好的工作性能。减水剂采用江苏苏博特PCA-V聚羧酸高性能减水剂，具有高减水、高增强、超早强、低收缩等特点，减水30％，符合GB 8076和GB 50119的规定。所述镀铜钢纤维为雷克丝镀铜钢纤维，公称长度为12-14mm，当量直径为0.18-0.23mm，抗拉强度不低于3000MPa，密度为7.8kg/m3。所述陶瓷空心微珠采用上海汇精亚纳米新材料有限公司生产的200目陶瓷空心微珠，主要成分为硅、铝的氧化物，粒径为10-74μm，真密度为600-800kg/m3，其中SiO2约为50-60％，Al2O3约为30-40％。
使用的水符合《混凝土拌合用水标准》(JGJ63-2006)的要求。
一种超高强轻质水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、配料：将水泥、硅粉、陶瓷空心微珠、水、减水剂和镀铜钢纤维按照水泥基复合材料各组分的单方用量比例进行称量；
S2、投料、拌制顺序：将水泥和硅粉加入搅拌机，搅拌120s，再将1/3的水添入搅拌机中，湿拌120s，再将剩余的水和减水剂加入搅拌机，搅拌180s，再将陶瓷空心微珠加入搅拌机中，搅拌150s，最后在搅拌机中均匀撒入镀铜钢纤维拌低速搅拌120s，得到均匀的水泥基复合材料拌合物；
S3、试件制作：先将水泥基复合材料拌合物浇筑满模具容量的1/3，进行振捣，然后再浇筑1/3模具容量的水泥基复合材料拌合物，进行振捣，最后倒1/3模具容量的水泥基复合材料拌合物，振捣成型后，刮除试件表面多于的水泥基复合材料拌合物并抹平得到带模试件；
S4、养护：标准养护(温度为20±2℃，相对湿度大于95％)24小时后试样脱模，随后在90℃蒸汽养护24h，然后放入标准养护，将试件养护至28d。
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
一种超高强轻质水泥基复合材料，由以下的制备步骤所得：
(1)按水泥基复合材料各组分的单方用量比例进行称量，包括以下组分：679份水泥、232份硅粉、290份陶瓷空心微珠、64份减水剂、135份水和156份镀铜钢纤维。
(2)将679份水泥和232份硅粉加入搅拌机，搅拌120s，再将45份水添入搅拌机中，湿拌120s，再将剩余的90份水和64份减水剂加入搅拌机，搅拌180s，再将290份陶瓷空心微珠加入搅拌机中，搅拌150s，最后在搅拌机中均匀撒入156份镀铜钢纤维拌低速搅拌120s，得到均匀的水泥基复合材料拌合物。
(3)先将拌合料浇筑满模具容量的1/3，进行振捣，然后再浇筑1/3模具容量的拌合料，进行振捣，最后倒1/3模具容量的拌合料，振捣成型后，刮除试件表面多于的拌合物并抹平得到带模试件。
(4)标准养护(温度20±2℃，相对湿度95％以上)24小时后试样脱模。随后在90℃蒸汽养护24h，然后放入标准养护，将试件养护至28d。
实施例2
一种超高强轻质水泥基复合材料，由以下的制备步骤所得：
(1)按水泥基复合材料各组分的单方用量比例进行称量，包括以下组分：637份水泥、232份硅粉、301份陶瓷空心微珠、64份减水剂、129份水和156份镀铜钢纤维。
(2)将637份水泥和232份硅粉加入搅拌机，搅拌120s，再将43份水添入搅拌机中，湿拌120s，再将剩余的86份水和64份减水剂加入搅拌机，搅拌180s，再将301份陶瓷空心微珠加入搅拌机中，搅拌150s，最后在搅拌机中均匀撒入156份镀铜钢纤维拌低速搅拌120s，得到均匀的水泥基复合材料拌合物。
(3)先将拌合料浇筑满模具容量的1/3，进行振捣，然后再浇筑1/3模具容量的拌合料，进行振捣，最后倒1/3模具容量的拌合料，振捣成型后，刮除试件表面多于的拌合物并抹平得到带模试件。
(4)标准养护(温度20±2℃，相对湿度95％以上)24小时后试样脱模。随后在90℃蒸汽养护24h，然后放入标准养护，将试件养护至28d。
实施例3
一种超高强轻质水泥基复合材料，由以下的制备步骤所得：
(1)按水泥基复合材料各组分的单方用量比例进行称量，包括以下组分：593份水泥、232份硅粉、312份陶瓷空心微珠、64份减水剂、123份水和156份镀铜钢纤维。
(2)将593份水泥和232份硅粉加入搅拌机，搅拌120s，再将41份水添入搅拌机中，湿拌120s，再将剩余的82份水和64份减水剂加入搅拌机，搅拌180s，再将312份陶瓷空心微珠加入搅拌机中，搅拌150s，最后在搅拌机中均匀撒入156份镀铜钢纤维拌低速搅拌120s，得到均匀的水泥基复合材料拌合物。
(3)先将拌合料浇筑满模具容量的1/3，进行振捣，然后再浇筑1/3模具容量的拌合料，进行振捣，最后倒1/3模具容量的拌合料，振捣成型后，刮除试件表面多于的拌合物并抹平得到带模试件。
(4)标准养护(温度20±2℃，相对湿度95％以上)24小时后试样脱模。随后在90℃蒸汽养护24h，然后放入标准养护，将试件养护至28d。
实施例4
一种超高强轻质水泥基复合材料，由以下的制备步骤所得：
(1)按水泥基复合材料各组分的单方用量比例进行称量，包括以下组分：593份水泥、232份硅粉、225份标准砂、237份陶瓷空心微珠、64份减水剂、129份水和156份镀铜钢纤维。
(2)将593份水泥和232份硅粉加入搅拌机，搅拌120s，再将43份水添入搅拌机中，湿拌120s，再将剩余的86份水和64份减水剂加入搅拌机，搅拌180s，再将225份标准砂和237份陶瓷空心微珠加入搅拌机中，搅拌150s，最后在搅拌机中均匀撒入156份镀铜钢纤维拌低速搅拌120s，得到均匀的水泥基复合材料拌合物。
(3)先将拌合料浇筑满模具容量的1/3，进行振捣，然后再浇筑1/3模具容量的拌合料，进行振捣，最后倒1/3模具容量的拌合料，振捣成型后，刮除试件表面多于的拌合物并抹平得到带模试件。
(4)标准养护(温度20±2℃，相对湿度95％以上)24小时后试样脱模。随后在90℃蒸汽养护24h，然后放入标准养护，将试件养护至28d。
所述的超高强轻质水泥基复合材料各组分配合比见表1。
表1
检测方法：取各实施例所制备的水泥基复合材料进行以下性能检测。
相关性能检测分别依据GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》、GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行检测。
实施例1至4制备得到的水泥基复合材料测试结果如表2所示。
表2检测数据
从上述检测数据可以看出，本发明的超高强轻质水泥基复合材料可以配置出在1700kg/m3左右，28d抗压强度超过100MPa的超高强水泥基复合材料，且其扩展度为620-680mm，56天自收缩低于5.0×10-4。本发明制备的超高性能轻质水泥基复合材料，拌合物的工作性能良好，同时具备优异的力学性能、较低密度和良好的体积稳定性。
普通水泥基复合材料的表观密度一般为2400kg/m3，本发明的超高强轻质水泥基复合材料表观密度约为普通混凝土的2/3，抗压强度达100MPa级别。可减轻结构自重、节约材料用量、提高构件运输和吊装效率、减少地基荷载及改善建筑物功能等，大范围用于装配式建筑及高层建筑建设。
因此，本发明采用上述一种超高强轻质水泥基复合材料及其制备方法，采用密度较低的空心陶瓷微珠作为填料，降低了水泥基复合材料的密度，密度降至1600kg/m3～1700kg/m3，抗压强度高于100MPa，平衡了高强度和轻质两特性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种超高强轻质水泥基复合材料，其特征在于：
所述超高强轻质水泥基复合材料由水泥、硅粉、陶瓷空心微珠、水、减水剂和镀铜钢纤维组成，水胶比为0.14，以超高强轻质水泥基复合材料的总体积为参考，硅粉为总体积的9％，镀铜钢纤维为总体积的2％。
2.根据权利要求1所述的一种超高强轻质水泥基复合材料，其特征在于，所述超高强轻质水泥基复合材料中各组分的含量为：水泥637kg/m3、硅粉232kg/m3、陶瓷空心微珠301kg/m3、水129kg/m3、减水剂64kg/m3、镀铜钢纤维156kg/m3。
3.根据权利要求1所述的一种超高强轻质水泥基复合材料，其特征在于：所述水泥为P.O52.5硅酸盐水泥，强度等级为52.5，比表面积320-350kg/m2、密度2900-3100kg/m3。
4.根据权利要求1所述的一种超高强轻质水泥基复合材料，其特征在于：所述硅粉粒度为5000目，其中SiO2质量含量≥99.3％，比表面积≥19500m2/kg，用量为水泥的用量范围5％-25％。
5.根据权利要求1所述的一种超高强轻质水泥基复合材料，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂，减水大于30％。
6.根据权利要求1所述的一种超高强轻质水泥基复合材料，其特征在于：所述镀铜钢纤维的公称长度为12-14mm，当量直径为0.18-0.23mm，抗拉强度不低于3000MPa，密度为7.8kg/m3。
7.根据权利要求1所述的一种超高强轻质水泥基复合材料，其特征在于：所述陶瓷空心微珠为硅、铝的氧化物，粒径为10-74μm，真密度为600-800kg/m3，其中SiO2为50-60％，Al2O3为30-40％。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的超高强轻质水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、配料：将水泥、硅粉、陶瓷空心微珠、水、减水剂和镀铜钢纤维按照水泥基复合材料各组分的单方用量比例进行称量；
S2、投料、拌制顺序：将水泥和硅粉加入搅拌机，搅拌120s，再将1/3的水添入搅拌机中，湿拌120s，再将剩余的水和减水剂加入搅拌机，搅拌180s，再将陶瓷空心微珠加入搅拌机中，搅拌150s，最后在搅拌机中均匀撒入镀铜钢纤维拌低速搅拌120s，得到均匀的水泥基复合材料拌合物；
S3、试件制作：先将水泥基复合材料拌合物浇筑满模具容量的1/3，进行振捣，然后再浇筑1/3模具容量的水泥基复合材料拌合物，进行振捣，最后倒1/3模具容量的水泥基复合材料拌合物，振捣成型后，刮除试件表面多于的水泥基复合材料拌合物并抹平得到带模试件；
S4、养护：标准养护24小时后试样脱模，随后在90℃蒸汽养护24h，然后放入标准养护，将试件养护至28d。
9.根据权利要求8所述的超高强轻质水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中标准养护的温度为20±2℃，相对湿度大于95％。
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