一种强韧性聚丙烯纤维增强水泥基复合材料及其制备方法

摘要

一种强韧性聚丙烯纤维增强水泥基复合材料及其制备方法是涉及一种强韧性聚丙烯纤维增强水泥基复合材料及其制备方法。本发明提供了一种原料易得、成本低、对加工工艺及操作环境要求较低、力学性能稳定、韧性好的强韧性聚丙烯纤维增强水泥基复合材料及其制备方法。本发明的组成及重量配比为：水泥16.7％～52.5％、粉煤灰13.1％～39％、硅砂22.2％～26.3％、水6.6％～16.7％、减水剂1.3％～2.8％、增稠剂0.03％～0.1％、聚丙烯纤维1.47％～2.5％。本发明的制备方法为：将水泥、粉煤灰和硅砂添加到搅拌机的搅拌桶内进行干拌，直到各基体材料搅拌均匀为止；将水加入上述基体材料中搅拌，直到形成均匀的流动性较好的糊状浆体为止；加入减水剂和增稠剂，然后继续搅拌，直到纤维分散均匀为止。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种用于建筑结构、路桥水利等工程的纤维增强水泥基复合材料及其制备方法，特别是涉及一种强韧性聚丙烯纤维增强水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术：

近现代大量的试验研究和工程实践都表明混凝土结构开裂几乎是不可避免的，在现有的经济和技术水平下，一般是将混凝土的裂缝控制在有害程度允许的范围内。为减少乃至消除混凝土早期收缩裂缝、减少荷载裂缝、提高材料韧性，近年来纤维混凝土材料得到了广泛的应用并取得了良好的效果。但这些纤维混凝土在荷载作用下仍然无法有效控制裂缝宽度的开展，在直接拉伸荷载作用下仍显示应变软化特性，在展示高于混凝土韧性的同时，常以较宽的有害裂缝为代价。即使为人们所熟知的高性能纤维水泥基复合材料，如砂浆渗浇钢纤维混凝土和砂浆渗浇钢纤维网混凝土，其裂缝宽度也仅能控制在几百个μm量级内，加之高达4％～20％的纤维体积掺量，不仅成本高，而且需要特殊的工艺才能加工成型，这些都极大地限制了这些高性能纤维水泥基复合材料在实际工程中的推广应用。因此，研究人员对高性能纤维水泥基复合材料进行了进一步的研究开发，例如，公成旭、张君在题为《高韧性纤维增强水泥基复合材料的抗拉性能》的文章中报道了高韧性聚乙烯醇纤维(PVA)增强水泥基复合材料的配合比、制备过程以及拉伸力学性能，其特征在于：以纤维掺量和砂胶比为基本设计参数，通过调整水胶比和粉煤灰掺量来研究其性能；高淑玲、徐世烺在题为《PVA纤维增强水泥基复合材料拉伸特性试验研究》的文章中详细报道了聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料的组分、配比以及制备过程，其特征在于：活性矿物成分选用了粉煤灰和硅灰两种，并且采用1％、1.5％、2％三种纤维体积率；俞家欢、Victor Li在题为《Research on production，performance and fibredispersion of PVA engineering cementitious composites》中详细报道了聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料的制备工艺，其特征在于：采用了两种化学添加剂：增稠剂、超塑剂，并调整了增稠剂的添加量。上述制备方案中给出的聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料虽然都得到了应变硬化现象以及复合开裂效果，但却存在以下的不足：1、聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料对加工工艺、设备以及工作环境要求较高；2、聚乙烯醇纤维价格昂贵，致使成品的成本较高；3、聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料硬化后，力学性能的稳定性不高；4、聚乙烯醇纤维为亲水性材料，与水泥基体的界面结合力非常强，产生化学结合能，在受到外加荷载作用时，聚乙烯醇纤维容易被拉断而很少会产生拉拔引起的滑移，因此PVA纤维混凝土的韧性和极限拉伸应变并不够好，需要对PVA纤维进行表面处理才可以成为强韧性纤维混凝土，日本的Kurrary公司对PVA纤维处理的方式通常为在其表面涂油，从而使其产生厌水的效果，减少其与水泥基体的结合力，这样在PVA聚乙烯醇纤维混凝土受外力过程中，PVA纤维会在发生滑移之后被拉断，从而使得纤维混凝土发生足够的变形，使其达到强韧效果，但是，由聚乙烯醇纤维制成的聚乙烯醇纤维增强水泥复合材料对加载应变率非常敏感，如果加载速率过大，材料表现出一定程度的韧性的下降。

发明内容：

本发明就是针对上述问题，提供了一种原料易得、成本低、对加工工艺及操作环境要求较低、力学性能稳定、韧性好的强韧性聚丙烯纤维增强水泥基复合材料及其制备方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明的组成及重量配比为：水泥16.7％～52.5％、粉煤灰13.1％～39％、硅砂22.2％～26.3％、水6.6％～16.7％、减水剂1.3％～2.8％、增稠剂0.03％～0.1％、聚丙烯纤维1.47％～2.5％，聚丙烯纤维的化学结合能为0、界面剪切力为0.5～1.3MPa、界面滑移强化系数为0.005～1.2。

减水剂为聚羧酸系高性能减水剂或萘系高效减水剂。

增稠剂为羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素或甲基羟乙基纤维素。

本发明的制备方法为：

将重量配比依次为16.7％～52.5％、13.1％～39％、22.2％～26.3％的水泥、粉煤灰和硅砂添加到搅拌机的搅拌桶内进行干拌，直到各基体材料搅拌均匀为止；将重量配比为6.6％～16.7％的水加入上述基体材料中，进行搅拌，直到形成均匀的流动性较好的糊状浆体为止；加入重量配比分别为1.3％～2.8％、0.03％～0.1％的减水剂和增稠剂，添加过程应缓慢，然后继续搅拌，直到纤维分散均匀为止。

本发明的有益效果：

1、原料易得、成本低

聚乙烯醇纤维为日本产纤维，购买困难，而聚丙烯纤维在国内即可买到，且价格与聚乙烯醇纤维相比要低廉很多，使成品的成本降低，仅为聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料的四分之一左右；

2、对加工工艺及操作环境要求较低

在对聚丙烯纤维增强水泥基复合材料进行制备时，在室温下即可进行，对加工工艺及操作环境要求较低，而且操作更为简便；

3、力学性能稳定

聚丙烯纤维增强水泥基复合材料成品后，力学性能也较稳定，不会出现同配比下力学性能相差较多的情况；

4、韧性好

本发明所使用的聚乙烯纤维为厌水纤维且化学结合能为零，在受到外加荷载作用时，聚丙烯纤维会产生拉拔和滑移的现象，而不容易被拉断，使本发明与聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料相比，韧性更强、更持久。

本发明同时对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料和聚丙烯纤维增强水泥基复合材料的性能进行了测试和比较，可见表1、表2、表3。

表1单轴拉伸试验

表2弯曲试验

从表中可知，与聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料相比，聚丙烯纤维增强水泥基复合材料的韧性更强，应变硬化效果更明显，复合裂缝更多。

附图说明：

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式：

实施例1：水泥52.5％、粉煤灰13.1％、硅砂26.3％、水6.6％、TH-928聚羧酸高性能减水剂1.3％、羟丙基甲基纤维素0.03％、聚丙烯纤维1.47％，聚丙烯纤维的化学结合能为0、界面剪切力为0.5MPa、界面滑移强化系数为0.005。

实施例2：水泥30％、粉煤灰24％、硅砂30％、水12％、FDN-A II规格的萘系高效减水剂2.1％、羟乙基纤维素0.07％、聚丙烯纤维1.83％，聚丙烯纤维的化学结合能为0、界面剪切力为0.65MPa、界面滑移强化系数为1.2。

实施例3：水泥16.7％、粉煤灰39％、硅砂22.2％、水16.7％、YSP-1规格的萘系高性能减水剂2.8％、甲基羟乙基纤维素0.1％、聚丙烯纤维2.5％，聚丙烯纤维的化学结合能为0、界面剪切力为1.3MPa、界面滑移强化系数为0.56。

本发明的制备方法的实施例如下：

实施例4：

先将重量配比依次为52.5％、26.3％、13.1％的水泥、硅砂和粉煤灰填加到搅拌机的搅拌筒内，以匀速搅拌25～35分钟，直至这三种基材搅拌均匀为止；接着把重量配比为6.6％的水加入搅拌筒内，加入要缓慢，待水全部加入之后持续搅拌5～15分钟；然后把重量配比为1.3％的TH-928聚羧酸高性能减水剂和重量配比为0.03％的羟丙基甲基纤维素加入搅拌筒，持续匀速搅拌25～35分钟，留给这些化学添加剂足够的反应时间；最后沿着搅拌筒旋转方向慢慢加入重量配比为1.47％的聚丙烯纤维，搅拌25～35分钟，直到纤维分散均匀为止。

实施例5：

先将重量配比依次为30％、24％、30％的水泥、硅砂和粉煤灰填加到搅拌机的搅拌筒内，以匀速搅拌25～35分钟，直至这三种基材搅拌均匀为止；接着把重量配比为12％的水加入搅拌筒内，加入要缓慢，待水全部加入之后持续搅拌5～15分钟；然后重量配比为2.1％的FDN-A II规格的萘系高效减水剂和重量配比为0.07％的羟乙基纤维素加入搅拌筒，持续匀速搅拌25～35分钟，留给这些化学添加剂足够的反应时间；最后沿着搅拌筒旋转方向慢慢加入重量配比为1.83％的聚丙烯纤维，搅拌25～35分钟，直到纤维分散均匀为止。

实施例6：

先将重量配比依次为16.7％、22.2％、39％的水泥、硅砂和粉煤灰填加到搅拌机的搅拌筒内，以匀速搅拌25～35分钟，直至这三种基材搅拌均匀为止；接着把重量配比为16.7％的水加入搅拌筒内，加入要缓慢，待水全部加入之后持续搅拌5～15分钟；然后把重量配比为2.8％的YSP-1规格的萘系高性能减水剂和重量配比为0.1％的甲基羟乙基纤维素加入搅拌筒，持续匀速搅拌25～35分钟，留给这些化学添加剂足够的反应时间；最后沿着搅拌筒旋转方向慢慢加入重量配比为2.5％的聚丙烯纤维，搅拌25～35分钟，直到纤维分散均匀为止。

本发明选用了大量的国内厂家生产的聚丙烯纤维进行分析和界面设计，但是大多数聚丙烯纤维混凝土仍然表现出局部裂纹的脆性破坏，而无法出现强韧性纤维混凝土的多重饱和裂纹扩展现象。根据大量的纤维拉拔试验，本发明最终确定纤维表面有三个参数对纤维混凝土的韧性有影响，即化学结合能(G_d)、界面剪切力(τ₀)和界面滑移强化系数(β)，其中起决定作用的是界面剪切力，当τ₀在0.5-1.3MPa区间内时纤维才能够出现拉拔和滑移两种现象，使其成为强韧性纤维混凝土。

本发明所使用的水泥、硅砂和粉煤灰在建材市场上即可购买；本发明所使用的减水剂和增稠剂为普通的化工原料，在市场上即可购买；本发明所使用的聚丙烯纤维也是在市场上购买的，纤维厂家根据提供的具体的三个参数的值，即化学结合能为0，界面剪切力为0.5～1.3MPa，界面滑移强化系数为0.005～1.2便可生产出本发明所使用的聚丙烯纤维。