CN117865565A - 由纳米氧化锆-氯纶-高硅氧玻璃纤维复合增强的水泥基材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种由纳米氧化锆‑氯纶‑高硅氧玻璃纤维复合增强的水泥基材料及其制备方法，旨在解决现有水泥基复合材料的韧性和耐久性不足的问题。该水泥基材料由水、水泥、粉煤灰、砂、KH‑550偶联剂、萘基高效减水剂、氯纶、高硅氧玻璃纤维及纳米氧化锆混合制成，且水泥：粉煤灰比0.4～0.5，砂灰比2.7～3.3，以水泥质量为基准，减水剂占其质量的0.32％～0.38%，氯纶占0.2%～0.3%，高硅氧玻璃纤维占0.1%～0.5%，KH‑550偶联剂占0.1%～1.0%，纳米氧化锆的占0.5%～5%，水占水泥和粉煤灰质量的0.40～0.50倍。本申请中复合增强的水泥基材料力学性能好及寿命长，如抗折强度、韧性等性能得到极大的改善。
Description
技术领域
本申请涉及道路工程材料技术领域，具体涉及一种由纳米氧化锆-氯纶-高硅氧玻璃纤维复合增强的水泥基材料及其制备方法。
背景技术
随着现代社会的高速发展，道路、建筑、水利等的材料需求明显加大，而在所需的材料中以水泥应用范围最广。而传统水泥基材料抗拉强度低、抗裂性差、弯曲韧性低、耐久性能差、属于脆性材料，这些缺点限制了水泥基材料更广泛的应用。
实际工程应用中，长期使用会出现裂缝和损伤等现象，尤其是高楼大厦、跨海大桥、核电站、水利大坝服役期间更易开裂，氯离子等有害离子更易锈蚀钢筋，加速结构碳化，严重影响结构耐久性。后期维护成本极高，且维修工艺复杂，不利于城市现代化的发展。因此，针对现存的问题，亟需深入的研究一种新型改性水泥基复合材料，从而显著改善水泥基复合材料的力学性能。
公开于该背景技术部分的信息仅用于加深对本公开的背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本申请提供一种由纳米氧化锆-氯纶-高硅氧玻璃纤维复合增强的水泥基复合材料及其制备方法，旨在解决现有水泥基复合材料的韧性和耐久性不足的问题。
为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：
提供一种由纳米氧化锆-氯纶-高硅氧玻璃纤维复合增强的水泥基复合材料，其主要由水、水泥、粉煤灰、砂、KH-550偶联剂、萘基高效减水剂、氯纶、高硅氧玻璃纤维及纳米氧化锆混合而成，且各原料满足以下配比要求：使得水泥和粉煤灰的比为0.4～0.5，砂灰比为2.7～3.3，萘基高效减水剂质量为水泥质量的0.32％～0.38%，氯纶质量为水泥质量的0.2%～0.3%，高硅氧玻璃纤维质量为水泥质量的0.1%～0.5%，KH-550偶联剂质量为水泥质量的0.1%～1.0%，纳米氧化锆的质量为水泥质量的0.5%～5%，水占水泥和粉煤灰质量的0.40～0.50倍。
在本申请的一些实施例中，所述水泥和粉煤灰的比为0.45，砂灰比为3，萘基高效减水剂质量为水泥质量的0.35%，氯纶质量为水泥质量的0.25%，高硅氧玻璃纤维质量为水泥质量的0.3%，KH-550偶联剂质量为水泥质量的0.5%，纳米氧化锆的质量为水泥质量的1%，水占水泥和粉煤灰质量的0.45倍。
根据本公开的另一个方面，提供一种水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）备料：将上述原料按配比配置预处理，将氯纶、高硅氧玻璃纤维加入到KH-550偶联剂中分散，将纳米氧化锆加入水泥中干拌分散；
（2）混合物Ⅰ的制备：将氯纶、高硅氧玻璃纤维、水、水泥质量的0.4～0.6%的偶联剂，加入到超声波分散器中搅拌4～6min，即得；
（3）混合物Ⅱ的制备：将纳米氧化锆、萘基高效减水剂加入到混合物Ⅰ中，在锅中搅拌20～40s，即得；
（4）混合物Ⅲ的制备：将混合物Ⅲ总质量的0.6～1.0%的水泥、混合物Ⅲ总质量的0.1～0.3%的粉煤灰加入混合物Ⅱ中快搅20～40s，下个20～40s开始的同时均匀地加入总质量2～4%的砂，高速搅拌20～40s，再停拌80～100s后，再高速搅拌50～70s，即得；
（5）水泥基材料的制备：将上步所得混合料注入对应的成型模具中，静置凝固后拆模养护，即成。
在本申请的一些实施例中，在所述步骤（1）中，将氯纶和高硅氧玻璃纤维加入到KH-550偶联剂中，并使用超声分散仪器分散10min，仪器设置为每超声4s，停1s，功率比50%，温度报警设置为35℃。
在本申请的一些实施例中，在所述步骤（3）中，搅拌的自转速度为140r/min，公转速度为62r/min。
在本申请的一些实施例中，在所述步骤（4）中，快搅的自转速度为280 r/min，公转速度为120r/min，高速搅拌的自转速度为280r/min，公转速度为120r/min。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下任一技术效果或优点：
1. 本申请在水泥中添加纳米氧化锆和高硅氧玻璃纤维，能够充分利用纳米氧化锆与高硅氧玻璃纤维的优异力学性能(尤其是抗压强度和抗折强度)，能够在水泥水化过程中诱导水化形成更加致密的水泥基复合材料，能够增强纤维提高水泥基复合材料的力学性能及延长其寿命。
2．本申请中基于纳米氧化锆的纳米尺寸效应，能够诱导水化，增加水化产物，改善界面过渡区结构，增强与骨料和胶凝材料之间的粘结力；高硅氧玻璃纤维具有填充作用，能够优化孔隙，提高基体致密性；两者之间相互配合，能使本申请水泥材料在承受外力荷载时发挥更佳的作用，进而提升复合材料的抗折强度、韧性等性能，大大改善了复合材料的力学性能。
3. 纳米氧化锆、氯纶纤维和高硅氧玻璃纤维相互协同作用，共同提高水泥基复合材料的综合性能，使得水泥基复合材料更加坚固、耐久和适应各种复杂环境的要求。纳米氧化锆可以增强水泥的微观结构，提高材料的硬度和强度，以及抗冲击性能；氯纶纤维可以增加材料的韧性、提高抗冲击性能，并减少裂缝的产生，提高材料的耐久性；高硅氧玻璃纤维可以提高材料的耐高温和抗腐蚀性能，从而提高材料的稳定性和使用寿命。
4. 本申请的制备工艺简单，生产方式绿色环保，环境污染小，能够实现大规模的实施应用。
具体实施方式
为了更好的理解本申请技术方案，下面将结合具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的原料如无特别说明，均为市售常规产品；所涉及的试验及检测方法，如无特别说明，均为常规方法。
以下实施例中水泥基复合材料的制备方法包括以下步骤：
（1）原料：水、水泥、粉煤灰、砂、KH-550偶联剂、萘基高效减水剂、氯纶、高硅氧玻璃纤维、纳米氧化锆；
使得水灰比为0.4～0.5，砂灰比为2.7～3.3，萘基高效减水剂质量为水泥质量的0.32％～0.38%，氯纶质量为水泥质量的0.2%～0.3%，高硅氧玻璃纤维质量为水泥质量的0.1%～0.5%，KH-550偶联剂质量为水泥质量的0.1%～1.0%。
（2）分散预处理：将氯纶和高硅氧玻璃纤维加入到KH-550偶联剂中，并使用超声分散仪器分散5min～30min，仪器设置为每超声4s，停1s，功率比50%，温度报警设置为35℃；
将纳米氧化锆加入水泥中进行干拌分散，其中，纳米氧化锆的质量为水泥质量的0.5%～5%。
（3）混合物Ⅰ的制备：将氯纶、高硅氧玻璃纤维、水泥质量的0.5%的偶联剂、水，加入到超声波分散器中分散5min，即得。
（4）混合物Ⅱ的制备：将纳米氧化锆、萘基高效减水剂加入到混合物Ⅰ中，在锅中搅拌30s，自转速度为135r/min～145r/min，公转速度为57r/min～67r/min，即得。
其中，纳米氧化锆的生产厂家是：上海肴戈合金材料有限公司。
（5）混合物Ⅲ的制备：将混合物Ⅲ总质量的0.5%～1.0%的水泥、混合物Ⅲ总质量的0.1%～0.3%的粉煤灰加入混合物Ⅱ中快搅30s，其中，自转速度为275r/min～285 r/min，公转速度为115r/min～125r/min，下个30s开始的同时均匀地加入1%～5%砂，高速搅拌30s，其中，自转速度为275r/min～285 r/min，公转速度为115r/min～125r/min，再停拌90s后，再高速搅拌60s，其中，自转速度为275r/min～285 r/min，公转速度为115r/min～125r/min，即得。
（6）水泥基材料的制备：将混合物Ⅲ倒入刷好机油的模具中，模具的尺寸为40mm×40mm×160mm，在平板振动台上振实，每次振动30s，期间用铁棒辅以插捣，重复两次直至装满模具。振捣密实后抹去表面多余浮浆，静置24h后拆模并放置于恒温19℃～21℃恒湿90%～100%养护箱中养护28d，养护结束，即得。
实施例1 一种水泥基复合材料，其制备方法包括以下步骤：
（1）原料：水、水泥、粉煤灰、砂、KH-550偶联剂、萘基高效减水剂、氯纶、高硅氧玻璃纤维、纳米氧化锆；
使得水泥和粉煤灰的比为0.45，砂灰比为3，萘基高效减水剂质量为水泥质量的0.35%，氯纶质量为水泥质量的0.25%，高硅氧玻璃纤维质量为水泥质量的0.3%，KH-550偶联剂质量为水泥质量的0.5%，
（2）分散预处理：将氯纶和高硅氧玻璃纤维加入到KH-550偶联剂中，并使用超声分散仪器分散5min，仪器设置为每超声4s，停1s，功率比50%，温度报警设置为35℃；
将水泥质量0.5%的纳米氧化锆加入水泥中进行干拌分散，其中，纳米氧化锆的质量为水泥质量的0.5%；
（3）混合物Ⅰ的制备：将氯纶、高硅氧玻璃纤维、水泥质量的0.5%的偶联剂、水，加入到超声波分散器中搅拌5min，即得。
（4）混合物Ⅱ的制备：将纳米氧化锆、萘基高效减水剂加入到混合物Ⅰ中，在锅中搅拌30s，自转速度为140r/min，公转速度为62r/min，即得。
其中，纳米氧化锆的生产厂家是：上海肴戈合金材料有限公司。
（5）混合物Ⅲ的制备：将混合物Ⅲ总质量的0.8%的水泥、混合物Ⅲ总质量的0.2%的粉煤灰加入混合物Ⅱ中快搅30s，其中，自转速度为280 r/min，公转速度为120r/min，下个30s开始的同时均匀地加入3%砂，高速搅拌30s，其中，自转速度为280 r/min，公转速度为120r/min，再停拌90s后，再高速搅拌60s，其中，自转速度为280 r/min，公转速度为120r/min，即得。
（6）水泥基材料的制备：将混合物Ⅲ倒入刷好机油的模具中，模具的尺寸为40mm×40mm×160mm，在平板振动台上振实，每次振动30s，期间用铁棒辅以插捣，重复两次直至装满模具。振捣密实后抹去表面多余浮浆，静置24h后拆模并放置于恒温20℃恒湿95%养护箱中养护28d，养护结束，即得。
实施例2 一种水泥基复合材料，其制备方法包括以下步骤：
与实施例1的区别在于：步骤（2）中所述的分散时间为10min。所掺入的纳米氧化锆为水泥质量的1%，其余材料掺量和步骤与实施方式1相同。
实施例3 一种水泥基复合材料，其制备方法包括以下步骤：
与实施例1的区别在于：步骤（2）中所述的分散时间为15min。所掺入的纳米氧化锆为水泥质量的2%，其余材料掺量和步骤与实施方式1相同。
实施例4 一种水泥基复合材料，其制备方法包括以下步骤：
与实施例1的区别在于：步骤（2）中所述的分散时间为20min。所掺入的纳米氧化锆为水泥质量的3%，其余材料掺量和步骤与实施方式1相同。
实施例5 一种水泥基复合材料，其制备方法包括以下步骤：
与实施例1的区别在于：步骤（2）中所述的分散时间为30min。所掺入的纳米氧化锆为水泥质量的5%，其余材料掺量和步骤与实施方式1相同。
对比例1 一种水泥基复合材料，包括以下步骤：
与实施例1的区别在于：不掺入纳米氧化锆，其他与实施例1相同。
对比例2 一种水泥基复合材料，包括以下步骤：
与实施例1的区别在于：不掺入氯纶、高硅氧玻璃纤维，其他与实施例1相同。
对比例3 一种水泥基复合材料，包括以下步骤：
与实施例1的区别在于：不掺入纳米氧化锆、氯纶、高硅氧玻璃纤维，其它与实施例1相同。
对实施例1-5、对比例1-3中的水泥基材料进行性能测试，试验项目包括抗压试验、抗折试验、劈裂抗拉试验和干缩试验，用以测试本发明由纳米氧化锆-氯纶-高硅氧玻璃纤维复合增强的水泥基材料的力学性能，并与不添加预处理氯纶&高硅氧玻璃纤维的普通水泥基材料进行对比分析，试验结果见下表1。
表1实施例1-5中纳米氧化锆-氯纶-高硅氧玻璃纤维复合增强的水泥基材料力学性能试验数据
。
从表1可知，在不含纳米氧化锆的水泥基复合材料无论是28d抗压强度、28d抗折强度、还是28d干缩量，其效果均不如含有纳米氧化锆的效果；在不含氯纶、高硅氧玻璃纤维的水泥基复合材料无论是28d抗压强度、28d抗折强度、还是28d干缩量，其效果均不如含有氯纶、高硅氧玻璃纤维的效果；在不含纳米氧化锆、氯纶、高硅氧玻璃纤维的水泥基复合材料无论是28d抗压强度、28d抗折强度、还是28d干缩量，其效果均不如含有纳米氧化锆、氯纶、高硅氧玻璃纤维的效果。由此可见，本申请水泥基复合材料可以明显提高水泥基材料的力学性能和抗干缩性能，改善了普通水泥基材料力学性能差，易干缩变形的缺陷，主要原因是纳米氧化锆的高强、氯纶的高韧与高硅氧玻璃纤维高耐腐蚀性相互协同发挥特性，从而提高水泥基相关性能。
尽管已描述了本申请的一些优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离其发明的精神和范围。这样，倘若这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种由纳米氧化锆-氯纶-高硅氧玻璃纤维复合增强的水泥基材料，其特征在于，其由水、水泥、粉煤灰、砂、KH-550偶联剂、萘基高效减水剂、氯纶、高硅氧玻璃纤维及纳米氧化锆混合而成，且各原料满足以下配比要求：使得水泥和粉煤灰的比为0.4～0.5，砂灰比为2.7～3.3，萘基高效减水剂用量为水泥质量的0.32％～0.38%，氯纶用量为水泥质量的0.2%～0.3%，高硅氧玻璃纤维用量为水泥质量的0.1%～0.5%，KH-550偶联剂用量为水泥质量的0.1%～1.0%，纳米氧化锆的用量为水泥质量的0.5%～5%，水占水泥和粉煤灰质量的0.40～0.50倍。
2.根据权利要求1 所述的水泥基材料，其特征在于，所述水泥和粉煤灰的比为0.45，砂灰比为3，萘基高效减水剂用量为水泥质量的0.35%，氯纶用量为水泥质量的0.25%，高硅氧玻璃纤维用量为水泥质量的0.3%，KH-550偶联剂用量为水泥质量的0.5%，纳米氧化锆的用量为水泥质量的1%，水占水泥和粉煤灰质量的0.45倍。
3.权利要求1所述水泥基材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）备料：权利要求1中所述原料配比配置预处理，将氯纶、高硅氧玻璃纤维加入到KH-550偶联剂中分散，将纳米氧化锆加入水泥中干拌分散；
（2）混合物Ⅰ的制备：将氯纶、高硅氧玻璃纤维、水、水泥质量的0.4～0.6%的偶联剂，加入到超声波分散器中搅拌4～6min，即得；
（3）混合物Ⅱ的制备：将纳米氧化锆、萘基高效减水剂加入到混合物Ⅰ中，在锅中搅拌20～40s，即得；
（4）混合物Ⅲ的制备：将混合物Ⅲ总质量的0.6～1.0%的水泥、混合物Ⅲ总质量的0.1～0.3%的粉煤灰加入混合物Ⅱ中快搅20～40s，下个20～40s开始的同时均匀地加入总质量2～4%的砂，高速搅拌20～40s，再停拌80～100s后，再高速搅拌50～70s，即得；
（5）水泥基复合材料的制备：将上步所得混合料注入对应的成型模具中，静置凝固后拆模养护，即成。
4.根据权利要求3中所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，将氯纶和高硅氧玻璃纤维加入到KH-550偶联剂中，并使用超声分散仪器分散10min，仪器设置为每超声4s，停1s，功率比50%，温度报警设置为35℃。
5.根据权利要求3中所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，搅拌的自转速度为140r/min，公转速度为62r/min。
6.根据权利要求3中所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤（4）中，快搅的自转速度为280 r/min，公转速度为120r/min，所述高速搅拌的自转速度为280 r/min，公转速度为120r/min。
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| CN202311697229.0A CN117865565A (zh) | 2023-12-12 | 2023-12-12 | 由纳米氧化锆-氯纶-高硅氧玻璃纤维复合增强的水泥基材料及其制备方法 |
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| CN202311697229.0A CN117865565A (zh) | 2023-12-12 | 2023-12-12 | 由纳米氧化锆-氯纶-高硅氧玻璃纤维复合增强的水泥基材料及其制备方法 |
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2023
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