专利名称：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
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μ m 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. 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%U3. 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勻为止；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，直到形成均勻的流动性较好的 糊状浆体为止；加入重量配比分别为1. 3% 2. 8%,0. 03% 0. 的减水剂和增稠剂，添 加过程应缓慢，然后继续搅拌，直到纤维分散均勻为止。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 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。
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施例方式实施例1 水泥52. 5%、粉煤灰13. 1 %、硅砂26. 3%、水6. 6%、ΤΗ_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-I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%U3. 1 %的水泥、硅砂和粉煤灰填加到搅拌机 的搅拌筒内，以勻速搅拌25 35分钟，直至这三种基材搅拌均勻为止；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，持续勻速搅拌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 散均勻为止。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，以勻速搅拌25 35分钟，直至这三种基材搅拌均勻为止；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. 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，持续勻速搅拌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，直到纤维分散均勻为 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，以勻速搅拌25 35分钟，直至这三种基材搅拌均勻为止；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-I规格的萘系高性能减水剂和重量配比为0. 的甲基羟乙基纤维 素加入搅拌筒，持续勻速搅拌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 分散均勻为止。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(Gd)、界面剪切力(τ)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τ ^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。
权利要求
一种强韧性聚丙烯纤维增强水泥基复合材料，其特征在于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。
2.根据权利要求1所述的一种强韧性聚丙烯纤维增强水泥基复合材料，其特征在于减 水剂为聚羧酸系高性能减水剂或萘系高效减水剂。
3.根据权利要求1所述的一种强韧性聚丙烯纤维增强水泥基复合材料，其特征在于增 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。
4.根据权利要求1所述的一种强韧性聚丙烯纤维增强水泥基复合材料，其特征在于本 发明的组成及重量配比为水泥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。
5.根据权利要求1所述的一种强韧性聚丙烯纤维增强水泥基复合材料，其特征在于本 发明的组成及重量配比为水泥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。
6.根据权利要求1所述的一种强韧性聚丙烯纤维增强水泥基复合材料，其特征在于本 发明的组成及重量配比为水泥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。
7.一种强韧性聚丙烯纤维增强水泥基复合材料的制备方法，其特征在于将重量配比依 次为16. 7% 52. 5%U3. 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勻为止；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，直到形成均勻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. 的减水剂和增稠剂，添加过程应缓慢，然后继续 搅拌，直到纤维分散均勻为止。
8.根据权利要求7所述的一种强韧性聚丙烯纤维增强水泥基复合材料的制备方法，其 特征在于先将重量配比依次为52. 5%,26. 3%U3. 1 %的水泥、硅砂和粉煤灰填加到搅拌机 的搅拌筒内，以勻速搅拌25 35分钟，直至这三种基材搅拌均勻为止；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，持续勻速搅拌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 散均勻为止。
9.根据权利要求7所述的一种强韧性聚丙烯纤维增强水泥基复合材料的制备方法，其 特征在于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，以勻速搅拌25 35分钟，直至这三种基材搅拌均勻为止；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. 的FDN-AII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，持续勻速搅拌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，直到纤维分散均勻为止。
10.根据权利要求7所述的一种强韧性聚丙烯纤维增强水泥基复合材料的制备方法， 其特征在于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，以勻速搅拌25 35分钟，直至这三种基材搅拌均勻为止；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 量配比为规格的萘系高性能减水剂和重量配比为0. 的甲基羟乙基纤维 素加入搅拌筒，持续勻速搅拌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 分散均勻为止。
全文摘要
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。
文档编号C04B16/06GK101891417SQ20101001015
公开日2010年11月24日 申请日期2010年1月20日 优先权日2010年1月20日
发明者俞家欢 申请人:沈阳美洋建设项目管理有限公司