CN1880257A - 一种硬化水泥基材料防干缩开裂用纤维材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料科学与工程科学技术领域，具体涉及一种硬化水泥基材料(水泥净浆、砂浆、混凝土及其复合材料)防干缩开裂用纤维材料，由有机合成纤维、无机纤维或有机无机混杂纤维和改性剂组成。本发明防裂纤维可对水泥基材料硬化后的干燥失水收缩开裂有很好的抑制减少作用，较之不掺者可使干缩裂缝减少40－85％，且对材料的和易性、抗压强度、抗折强度等不产生明显不良影响，本发明可广泛应用于水泥基材料工程，如水泥混凝土路面、桥面、地坪、护坡、大坝、墙体抹面等工程中，以提高工程质量和使用寿命。

Description

一种硬化水泥基材料防干缩开裂用纤维材料及其制备方法

技术领域

本发明属于材料科学与工程科学技术领域，具体涉及一种防止硬化水泥基材料(水泥净浆、砂浆、混凝土及其复合材料)干燥失水收缩开裂的纤维材料。

背景技术

水泥混凝土材料是当今世界上用量最大，使用最广泛的人造建筑材料之一。2004年我国水泥年产量已达8.6亿吨，每年水泥混凝土用量已达20亿立方米。在今后相当长的一段时间内，水泥混凝土仍将是我国现代工程建设的主要建筑材料。并且，由于其具有适用范围广，价格便宜，易浇注成型，比较耐久，还可有效利用一些工业固体废料制作节能环保型建筑材料等优点，而在众多建筑工程领域中发挥其它材料无法替代的作用。

但是水泥混凝土也具有抗拉强度低，极限拉应变小，抗冲击强度差，易于失水收缩开裂等缺点，尤其是由于干燥失水造成混凝土收缩开裂使工程外观、使用功能、使用寿命等受到很大影响，且目前国内外均无很好的应对措施，使得研究发明硬化水泥基材料的防裂材料变得十分重要。水泥混凝土一旦失水收缩开裂，将极大地影响其抗渗、抗冻、抗化学介质侵蚀、抗钢筋锈蚀等性能，造成混凝土使用寿命大大缩短，混凝土维护修复费用大量上升，一旦路面开裂，将严重影响路面使用性能，修复十分困难，费用巨大，据有关资料，美国每年用于混凝土修复费用高达上千亿美元，我国也将在数千亿元。若开裂问题得不到妥善的解决，用于维修的费用将随着混凝土的广泛使用而进一步增加。在各种混凝土改性技术中，纤维混凝土的开发应用可认为是近年来混凝土技术的最大进展之一。据国内外研究表明，当在混凝土中掺加1.0％(体积分数)以上的高弹性模量的纤维材料，如钢纤维、碳纤维等，可在明显减少水泥基材料硬化后的干燥失水收缩裂缝，有效地提高水泥混凝土施工质量和耐久性，但该材料在使用过程中存在影响水泥混凝土施工和易性、大幅度增加材料造价的缺陷，故有必要发明一种用于硬化水泥基材料防裂的新型纤维材料，以技术经济可行的方式大幅度地减少水泥基材料硬化后的干燥失水收缩开裂，提高其工程质量和使用寿命。

本发明专利申请者针对硬化水泥基材料干燥失水收缩开裂问题的开展了研究，首先从对硬化水泥基材料的干燥失水收缩开裂机理分析探讨入手，在搞清其机理的基础上采取针对性抗裂措施，最终解决了硬化水泥基材料的干燥失水收缩开裂问题，为解决工程中的开裂问题提供了一种新型防干缩开裂纤维材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于硬化水泥基材料防止干燥失水收缩开裂的纤维材料及其制备方法。

本发明提出的防裂纤维材料，由有机合成纤维、无机纤维或有机无机混杂纤维和改性剂组成，其组份的体积百分比如下：

有机合成纤维        0～55％

无机纤维            10～70％

改性剂              2～30％

总量满足100％。

各组份较佳的体积百分比如下：

有机合成纤维      0～50％

无机纤维          15～65％

改性剂            4～25％

总量满足100％。

本发明中，有机合成纤维包括聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、聚丙烯腈纤维等；无机纤维包括钢纤维、碳纤维、玻璃纤维、石棉纤维、陶瓷纤维等；改性剂包括有机聚合物乳液、界面偶联剂、表面活性剂等。

本发明中，有机合成纤维的弹性模量为2～10GPa，抗拉强度为300～800MPa，极限拉伸率为8～60％，纤维截面直径(或等效直径)为10～100μm，纤维长度为8～20mm；无机纤维的弹性模量为60～350GPa，抗拉强度为800～4500MPa，极限拉伸率为2～6％，纤维截面直径(或等效直径)为3～500μm，纤维长度为5～35mm。有机合成纤维截面形状有圆形、矩形、三叶形等形状，纤维轴向形状有直线形、波浪形等，纤维端头形状有平齐形、哑铃形等；无机纤维截面形状有圆形、矩形、三角形等形状，纤维轴向形状有直线形、波浪形、压痕形等，纤维端头形状有平齐形、哑铃形、端钩形等。

本发明中，有机聚合物乳液包括丙烯酸乳液、苯丙乳液、聚乙烯醇乳液等；界面偶联剂包括硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂；表面活性剂包括阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂、高分子表面活性剂等。

本发明的制备方法如下：选取不同直径、长度、截面形状、轴向形状、端头形状的有机、无机或有机无机混杂纤维，将改性剂溶于醇类、醚类、水等溶剂中，按上述体积百分比计量纤维材料和改性材料，将纤维置于混料容器中加入改性剂搅拌均匀，经适当烘干即得到本发明产品。

本发明为固体纤维状材料，产品计量后包装成袋，储存时应注意密封保存，远离热源。

本发明防裂纤维的使用方法：

①本发明防裂纤维的掺量为水泥基材料总体积的0.1～0.5％。

②可在搅拌水泥基材料的同时，将防裂纤维与其它水泥基材料一起加入搅拌；也可在水泥基材料搅拌完成后，再加入防裂纤维继续搅拌。

③其后的浇注、振捣、抹面、养护等工序同未掺纤维者一样。

本发明可广泛用于水泥基材料工程，如水泥混凝土路面、桥面、地坪、护坡、大坝、机场跑道、墙体抹面等工程，以提高水泥基材料硬化后抗干燥失水收缩开裂等性能。

本发明具有以下优点：

①掺加本产品后，水泥基材料硬化后的干燥失水收缩开裂性能可大幅度减小，采用园环法测试时，其收缩开裂总权重值比不掺者可减少40％～85％。

②掺加本产品后，水泥基材料的和易性、抗压强度、抗折强度等不受影响，甚至可以有所提高，抗冲击强度可提高30～300％。

③掺加本产品后，水泥基材料的抗渗性、抗冻性等可得到一定程度的改善。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

实施例1

防裂纤维体积百分比为：

聚丙烯纤维       48％

钢纤维           50％

改性剂                2％

聚丙烯纤维选用三叶形，纤维等效直径为10μm，纤维长度为18mm；钢纤维选用三角形、端钩形，纤维直径为500μm、纤维长度为35mm；改性剂选用苯丙乳液(其固体含量为40％，改性剂掺量以固体成分计量为2％掺入)。将防裂纤维以0.2％体积分数掺入水泥砂浆(32.5普通水泥∶中砂∶5-25碎石∶水＝1∶0.5∶0.5∶0.5)后，采用园环法测得其对干燥收缩开裂的减少率约为50％，材料的和易性、抗压强度、抗折强度等不受影响，抗冲击强度可提高300％。

实施例2

防裂纤维体积百分比为：

聚丙烯腈纤维           55％

碳纤维                 10％

改性剂                 25％

聚丙烯腈纤维选用矩形，纤维等效直径为100μm，纤维长度为20mm；碳纤维选用PAN基碳纤维，纤维直径为13μm，纤维长度为10mm；改性剂选用阴离子表面活性剂。将防裂纤维以0.5％体积分数掺入水泥砂浆(32.5普通水泥∶中砂∶5-25碎石∶水＝1∶0.5∶0.5∶0.5)后，采用园环法测得其对干燥收缩开裂的减少率约为80％，材料的和易性、抗压强度、抗折强度等不受影响，抗冲击强度可提高200％。

实施例3

防裂纤维体积百分比为：

石棉纤维           70％

改性剂             30％

石棉纤维选用温石棉，纤维直径为5μm，纤维长度为15mm；改性剂选用硅烷偶联剂。将防裂纤维以0.10％体积分数掺入水泥混凝土(32.5普通水泥∶5～25mm碎石∶中砂∶水＝1∶0.5∶0.5∶0.5)后，采用园环法测得其对干燥收缩开裂的减少率约为40％，材料的和易性、抗压强度、抗折强度等不受影响，抗冲击强度可提高30％。

实施例4

防裂纤维体积百分比为：

聚酯纤维          25％

陶瓷纤维          50％

改性剂            25％

聚酯纤维选用圆形纤维，纤维直径为25μm，纤维长度为8mm；陶瓷纤维选用氧化铝含量为45％的陶瓷纤维，纤维直径为3μm，纤维长度为5mm改性剂选用钛酸酯偶联剂。将防裂纤维以0.40％体积分数掺入水泥砂浆(32.5普通水泥∶中砂∶水＝1∶1∶0.5)后，采用园环法测得其对干燥收缩开裂的减少率约为60％，材料的和易性、抗压强度、抗折强度等不受影响，抗冲击强度可提高50％。

Claims (9)

1、一种硬化水泥基材料防干缩开裂用纤维材料，其特征在于：

由有机合成纤维、无机纤维或有机无机混杂纤维和改性剂组成，其组份的体积百分比如下：

有机合成纤维        0～55％

无机纤维            10～70％

改性剂              2～30％

总量满足100％。

2、根据权利要求1所述的硬化水泥基材料防干缩开裂用纤维材料，其特征在于：

各组份较佳的体积百分比如下：

有机合成纤维        0～50％

无机纤维            15～65％

改性剂              4～25％

总量满足100％。

3、根据权利要求1所述的硬化水泥基材料防干缩开裂用纤维材料，其特征在于：

有机纤维为聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酯纤维、尼龙纤维之一种，无机纤维为钢纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维之一种，改性剂为聚合物乳液、表面活性剂、偶联剂之一种。

4、根据权利要求1所述的硬化水泥基材料防干缩开裂用纤维材料，其特征在于：

有机合成纤维的弹性模量为2～10GPa，抗拉强度为300～800MPa，极限拉伸率为8～60％，纤维截面直径为10～100μm，纤维长度为8～20mm。

5、根据权利要求1所述的硬化水泥基材料防干缩开裂用纤维材料，其特征在于：

无机纤维的弹性模量为60～350GPa，抗拉强度为800～4500MPa，极限拉伸率为2～6％，纤维截面直径为3～500μm，纤维长度为5～35mm。

6、根据权利要求1所述的硬化水泥基材料防干缩开裂用纤维材料，其特征在于：

有机合成纤维的截面形状为圆形、矩形、三叶形之一种，纤维轴向形状为直线形、波浪形之一种，纤维端头形状为平齐形、哑铃形之一种。

7、根据权利要求1所述的硬化水泥基材料防干缩开裂用纤维材料，其特征在于：

无机纤维的截面形状为圆形、矩形、三角形之一种，纤维轴向形状为直线形、波浪形、压痕形之一种，纤维端头形状为平齐形、哑铃形、端钩形之一种。

8、一种硬化水泥基材料防干缩开裂用纤维材料的制备方法，其特征在于：

选取不同直径、长度、截面形状、轴向形状、端头形状的纤维，按上述有机、无机纤维、改性剂体积百分比计量各种纤维材料和改性剂材料，将纤维置于混料容器中加入改性剂搅拌，混合均匀，经适当干燥即得到本产品。

9、一种如权利要求1所述的硬化水泥基材料防干缩开裂用纤维材料，其特征在于：

使用时防裂纤维掺加量为水泥基材料总体积的0.1～0.5％。