一种水泥基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术的目的在于提供一种水泥基复合材料及其制备方法，该水泥基复合材料同时掺入纳米粒子和聚乙烯醇纤维，不但具有较高的抗折强度和断裂韧性，而且具有较好的耐久性，特别适用于结构补强加固工程。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于建筑材料
，具体涉及一种水泥基复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着现代工程结构向大跨度、轻型、高耸结构的发展和向地下、海洋的扩展，以及未来的人类社会将向智能化社会发展，使工程结构对水泥基复合材料性能的要求越来越高，例如自重轻、强度高、韧性高、耐久性高以及造型美观等。而普通的水泥基复合材料抗拉强度低、韧性差、脆性大、可靠性低，而且开裂后裂缝宽度难以控制，致使许多工程结构在使用过程中甚至是建设过程中就出现了不同程度、不同形式的裂缝。公开号为CN10337384A的《多尺度纤维增强的高性能水泥基复合材料及其制备方法》所制备高韧性水泥基复合材料采用了多尺度纤维体系包括钢纤维、聚乙烯醇纤维和碳酸钙晶须。公开号为CN103664090A的《一种纤维复掺的高延性水泥基复合材料及其制备方法》所制备的水泥基复合材料采用的纤维为聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维或玻璃纤维中的两种以上。但是上述文献所采用的纤维体系均比较复杂，不利于建筑材料大规模的生产推广，此外，上述文献所制备的纤维增强水泥基复合材料均掺入较多纤维，纤维掺入易导致水泥基复合材料强度的降低。纳米材料是指粒径介于1nm～100nm的粒子。凭着特有的“纳米效应”，纳米材料作为一种新材料已在国防、电子、化工、航天航空、生物和医学等领域展现出广阔的应用前景，被科学家们喻为“21世纪最有前途的材料”。近年来，随着纳米材料研究的深入和制造成本的降低，其应用领域逐渐扩展至建筑材料，如水泥混凝土和水泥基复合材料等。公开号为CN103319129A的《一种生态纳米颗粒增强水泥基复合材料及其制备方法》以及公开号为CN103224374A的《生态型纳米超高性能水泥基复合材料及其制备方法》采用工业废渣、纳米粒子和钢纤维制备出了抗压强度和抗弯强度较高的水泥基复合材料，提升了工业废渣的高效再生利用率。公开号为CN104446264A的《一种水泥基纳米复合材料及其制备方法》采用硅灰、纤维状纳米硅酸钙和钢纤维配制出力学性能良好的水泥基复合材料。但是上述文献所用的纤维材料均为钢纤维，钢纤维属于金属材料，易受水汽、杂物等的腐蚀，尤其是处在长期的室外环境中，因此钢纤维的采用将对水泥基复合材料的耐久性会产生不利影响。公开号为CN104150834A的《中粗骨料高韧性聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料》所制备聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料具有较高的韧性，可用于旧水泥道面以及旧桥面的修补加固，但由于其掺入的碎石材料相当于粗骨料，其性能类似于混凝土，不适于结构构件的加固。因此，既具有较高抗折强度和断裂韧性又具有较好的耐久性的水泥基复合材料急需研发，以供应结构补强加固工程的大规模应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种水泥基复合材料及其制备方法，该水泥基复合材料同时掺入纳米粒子和聚乙烯醇纤维，不但具有较高的抗折强度和断裂韧性，而且具有较好的耐久性，特别适用于结构补强加固工程。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种水泥基复合材料，以1m3水泥基复合材料计，包括以下重量的组分：水泥600~700kg；石英砂400~600kg；纳米二氧化硅6~17kg；聚乙烯醇纤维2~20kg；粉煤灰300~400kg；减水剂2~5kg；水350~420kg。上述的水泥基复合材料，以1m3水泥基复合材料计，包括以下重量的组分：水泥630~650kg；石英砂500kg；纳米二氧化硅10~15kg；聚乙烯醇纤维10~15kg；粉煤灰350kg；减水剂3kg；水380kg。上述的水泥基复合材料，所述水泥为强度等级为P.O42.5的普通硅酸盐水泥。上述的水泥基复合材料，所述石英砂的粒径为212μm~380μm，SiO2含量为99.3%。上述的水泥基复合材料，所述纳米二氧化硅的粒径小于30nm，SiO2含量大于99.5%，比表面积为200m2/g（BET法），杂质含量小于0.1%。上述的水泥基复合材料，所述聚乙烯醇纤维的长度大于9mm，直径小于31μm，抗拉强度大于1400MPa，干断裂伸度为17%±3%，耐碱性为98%-100%。上述的水泥基复合材料，所述粉煤灰为级粉煤灰，细度为9.2%上述的水泥基复合材料，所述减水剂为减水率大于22%的聚羧酸盐减水剂。上述水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：（1）按重量称取水泥、石英砂、粉煤灰和纳米二氧化硅，搅拌至混匀形成干料；（2）按重量称取水和减水剂，将减水剂与部分水混匀形成混合溶液，分多次加入步骤（1）所得干料中，每次加入后均搅拌至混匀，得流动浆体；（3）按重量称取聚乙烯醇纤维且分多次加入步骤（2）所得流动浆体中，每次加入后均搅拌至混匀，即得。上述水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：（1）按重量称取水泥、石英砂、粉煤灰和纳米二氧化硅，搅拌至混匀形成干料；（2）按重量称取水用量的1/3和减水剂用量的1/2，混匀形成混合溶液，加入步骤（1）所得干料中，搅拌至混匀，得流动浆体一；（3）按重量称取用水量的1/3和减水剂用量的1/2，混匀形成混合溶液，加入步骤（2）所得流动浆体一中，搅拌至混匀，得流动浆体二；（4）按重量称取用水量的1/3，加入步骤（3）所得流动浆体二中，搅拌至混匀，得流动浆体三；（5）按重量称取聚乙烯醇纤维且分四次加入步骤（4）所得流动浆体三中，每次加入后均搅拌至混匀，即得。本专利技术的有益效果如下：本专利技术在所述水泥基复合材料的配方中，不仅同时加入了纳米二氧化硅和聚乙烯醇纤维，而且以粉煤灰等量替代水泥，纳米二氧化硅、聚乙烯醇纤维以及粉煤灰的加入不但发挥了各自的作用，还产生了重要的协同效应，这对水泥基复合材料性能的提高发挥了至关重要的作用，现逐一说明。（1）本专利技术在普通水泥基复合材料中加入一定量的纳米二氧化硅和聚乙烯醇纤维。纳米粒子掺入水泥基复合材料可明显改善水泥浆体的结构和性能以及复合材料的界面结构和性能，提高水泥基复合材料早期抗压、抗拉和抗折强度，特别是可以较好地改善水泥基复合材料的抗冻性、抗渗性、抗冲磨等耐久性能。具体而言，一方面纳米二氧化硅的粒径极小，可以填补在石英砂、聚乙烯醇纤维与水泥浆体界面以及浆体内部的微小缝隙内，因此可以提高基体的密实程度，从而使基体的强度有所提高；另一方面由于纳米二氧化硅所具有的火山灰活性，可与水泥浆体中的Ca(OH)2发生火山灰反应，从而促进C-S-H凝胶的产生，进一步提高水泥石的强度。通常，纤维材料掺入水泥基复合材料后，某种程度上会使水泥基复合材料的强度有所降低，而本专利技术中纳米二氧化硅的掺入可弥补纤维材料掺入对水泥基复合材料强度的削弱，在掺入聚乙烯醇纤维的前提下，不但没有削弱而且还提高了水泥基复合材料的抗折强度。（2）本专利技术通过在水泥基复合材料中加入一定量的聚乙烯醇纤维，在诸多纤维材料中，聚乙烯醇纤维的抗拉强度和弹性模量都处于较高水平，与水泥黏结性好、亲水性好、无毒，而且聚乙烯醇纤维耐酸碱性好，适用于各种等级的水泥，能保证材料的耐久性。其中最为显著的是聚乙烯醇纤维阻裂作用的发挥，一方面延缓了水泥基复合材料内部裂缝出现的时机，另一方面当裂缝出现后，跨越裂缝的聚乙烯醇纤维可以有效的阻止裂缝的发展，有效地提高了水泥基复合材料的起裂断裂韧度、失稳断裂韧度和断裂能，从而极大地提高了水泥基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水泥基复合材料，其特征在于，以1 m3水泥基复合材料计，包括以下重量的组分：水泥600~700 kg；石英砂400~600 kg；纳米二氧化硅6~17 kg；聚乙烯醇纤维2~20 kg；粉煤灰300~400 kg；减水剂2~5 kg；水 350~420 kg。

【技术特征摘要】
1.一种水泥基复合材料，其特征在于，以1m3水泥基复合材料计，包括以下重量的组分：水泥600~700kg；石英砂400~600kg；纳米二氧化硅6~17kg；聚乙烯醇纤维2~20kg；粉煤灰300~400kg；减水剂2~5kg；水350~420kg。2.根据权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于，以1m3水泥基复合材料计，包括以下重量的组分：水泥630~650kg；石英砂500kg；纳米二氧化硅10~15kg；聚乙烯醇纤维10~15kg；粉煤灰350kg；减水剂3kg；水380kg。3.根据权利要求1或2所述的水泥基复合材料，其特征在于，所述水泥为强度等级为P.O42.5的普通硅酸盐水泥。4.根据权利要求1或2所述的水泥基复合材料，其特征在于，所述石英砂的粒径为212μm~380μm，SiO2含量为99.3%。5.根据权利要求1或2所述的水泥基复合材料，其特征在于，所述纳米二氧化硅的粒径小于30nm。6.根据权利要求1或2所述的水泥基复合材料，其特征在于，所述聚乙烯醇纤维的长度大于9mm，直径小于31μm，抗拉强度为大于1400MPa。7.根据权利要求1或2所述的水泥基复合材料，其特征在于，所述粉煤灰为级粉煤灰。8.根据权利要求1或2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹏，陈渊召，常海召，赵亚楠，代小兵，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南;41