一种玄武岩纤维增强水泥基材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水泥基材料，具体涉及一种玄武岩纤维增强水泥基材料及其制备方 法。
【背景技术】
[0002] 水泥基材料具有强度高、耐久性好、成本低等一系列优点，但是，水泥基材料自身 存在着收缩变形大，脆性大易开裂等不可忽视的缺点，尤其是掺入化学外加剂开发出的新 型高性能水泥基材料，虽然强度得以提高但同时出现韧性差、裂缝、干缩与脆性大等问题。 前，通过添加纤维改善水泥基材料性能研究较多，添加玄武岩纤维是常用方法之一。玄武岩 纤维是用天然的玄武岩矿石通过高温熔融、拉丝而成的一种纯天然的无机非金属材料，其 具有抗拉强度高、弹性模量大等优点。玄武岩的加入，在水泥基材料基体内部中会行成一种 均匀的三维乱向分布的网络体系，可以防止基体收缩裂缝的产生和扩展，提高材料的综合 性能。
[0003] 现有技术中，专利CN 103771795A公开了一种玄武岩纤维增强抗裂饰面砂浆，该砂 浆水泥、石英砂和玄武岩短切纤维按照一定比例混合而成，具有抗裂、耐候、耐紫外线好、色 泽均匀持久等优点。专利CN 103435305A公开了一种玄武岩纤维混凝土及其制备方法，由水 泥、砂、石子、活性掺合料、玄武岩短纤维、其他短纤维、水、CTF增效剂和减水剂按照一定比 例混合而成，有效提高混凝土的韧性、防裂性能、抗冻性和抗冲击性。但是，随着玄武岩纤维 或其他纤维的添入，严重改变了水泥基材料的堆积结构原理，一定程度上增加了水泥基材 料的孔隙率，同时纤维与水泥胶结物质会存在一个界面层，所述界面层中二者的界面豁结 强度通常较低，故玄武岩纤维的加入在基本力学性能的增强效果上并不明显，甚至导致强 度的降低，集中的体现就是加入玄武岩纤维的水泥基材料脆性大，抗折强度较低。
[0004]为了弥补上述不足，亟需添加其他物质改善材料的结构性能，促进材料的密实度、 增加玄武岩纤维与水泥胶结物质界面豁结强度，从而改善材料的脆性大的性能，提高其抗 压、抗折强度。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是开发一种具有较高的密实度、韧性好，抗压抗折强度高的玄武岩 纤维增强水泥基材料及其制备方法。
[0006] 上述目的是通过如下技术方案实现:一种玄武岩纤维增强水泥基材料，其原料包 括如下组分:水泥400~800kg/m3，活性矿物掺合料150~330kg/m 3，细骨料800~1500kg/m3， 减水剂10~40kg/m3，缓凝剂0.01~0.05kg/m 3，玄武岩纤维0.5 %~3.0 % (体积比），纤维表 面改性剂0.2%~1.0%(质量比）。通过加入纤维表面改性剂，依附在玄武岩纤维表面，首先 避免制备过程搅拌操作导致纤维表面受损，还可以改善纤维单丝间的相互作用，提供一定 的集束作用，即改善了玄武岩纤维自身的性质，使其断裂强力高;其次，玄武岩纤维在碱性 环境下易腐蚀，而水泥基材料，PH-般在12以上，此条件下，玄武岩纤维中网络形成体元素 渗出，并且开始逐层腐蚀，故纤维表面改性剂的使用可以避免玄武岩纤维的碱性腐蚀，提高 玄武岩纤维的耐碱腐蚀性能或延长其在碱性环境下的使用寿命;再次，玄武岩纤维表面呈 化学惰性，与水泥胶凝材料的界面结合性能较差，纤维表面改性剂使得玄武岩纤维表面具 有较多的活性基团，这些活性基团易于水泥胶凝材料发生化学反应，通过化学键的形式牢 固的结合在一起，使得玄武岩纤维与水泥胶凝材料基体之间的结合力大大增强，提高界面 间作用力，进而提高界面层的界面豁结强度，增加玄武岩纤维增强水泥基材料的韧性，抗折 强度显著增加。
[0007] 另外，适量掺加活性矿物掺合料如硅粉、矿渣微粉、粉煤灰等，其中的微细颗粒可 发挥微填充效应，细化水泥基材料中硬化水泥石基体和玄武岩纤维界面过渡区孔结构，同 时减少水泥基材料的孔隙率，增加密实度，大幅度提高玄武岩纤维增强水泥基材料的抗压 强度和耐久性。
[0008] 作为优选，进一步的技术方案是:所述的玄武岩纤维增强水泥基材料其原料包括 如下组分：水泥600~700kg/m3，活性矿物掺合料200~300kg/m 3，细骨料1300~1450kg/m3， 减水剂20~30kg/m3，缓凝剂0.03~0.04kg/m 3，玄武岩纤维2.0 %~2.8% (体积比），纤维表 面改性剂〇. 5 %~0.85 % (质量比）。
[0009] 更进一步的技术方案是:所述纤维表面改性剂为硅烷偶联剂或成膜剂中一种或两 种。成膜剂于可在玄武岩纤维表面成膜，保护其不受碱性腐蚀、提高了其柔软性和光洁度以 及达到上述其他的技术效果;硅烷偶联剂能够使玄武岩纤维上的基团发生偶联作用，然后 通过硅烷偶联剂上的其他基团与水泥胶结材料反应，提高界面豁结强度，使作用后的玄武 岩纤维增强水泥基材料抗拉强度大为提高。尤其是当成膜剂与硅烷偶联剂同时使用时，在 玄武岩纤维表面成膜之前，硅烷偶联剂先与玄武岩纤维表面的基团和原子发生偶联作用， 然后通过硅烷偶联剂上的其他基团与成膜剂反应，这样，成膜剂不是简单的粘结在玄武岩 纤维表面，是通过偶联剂链接在纤维表面，对提高玄武岩纤维增强水泥基材料的性能起到 更大的作用。
[0010] 更进一步的技术方案是:所述成膜剂为环氧型乳液和水性聚氨酯乳液中的一种或 两种配合润滑剂、抗静电剂组合而成。环氧型乳液中含有反应性活泼的环氧基团以及极性 羟基等，具有较好的粘接性和集束性，以环氧型乳液为成膜剂处理后，玄武岩纤维的断裂强 力高，玄武岩纤维增强水泥基材料的力学性能也有一定程度上有所提高。聚氨酯乳液中含 有强极性的异氰酸酯基团，对玄武岩纤维的粘结集束性好，同时聚氨酯分子中又有醚基和 酯基作为分子链中的软段和硬段，可以实现膜的韧性设计，从而提高材料的力学性能。润滑 剂提高玄武岩与水泥基材料的相容性，使玄武岩在水泥基材料中更容易分散。加入抗静电 剂的目的降低摩擦系数，使纤维难于产生静电；同时也会形成导电通道，是电荷能很快地从 纤维表面移走，这样就减弱了纤维之间的斥力，使纤维的集束性能增强。
[0011] 更进一步的技术方案是:所述活性矿物掺合料为粉煤灰、矿渣和硅灰中的一种或 多种。研究表明，掺加粉煤灰可优化水泥和玄武岩纤维的孔结构，提高材料结构的体积稳定 性、强度和抗渗透性;掺加矿渣后本发明的耐磨性增加，孔隙率变小，结构更加致密。与粉煤 灰及矿渣相比，硅粉具有较高的细度和火山灰活性，其密实填充效应和火山灰效应更为显 著。
[0012] 更进一步的技术方案是:所述的缓凝剂为柠檬酸、葡萄糖酸钠、酒石酸中的一种或 多种;所述减水剂为木质素磺酸钠盐减水剂、高效萘系减水剂、高效脂肪族减水剂、高效聚 羧酸减水剂中的一种或多种。缓凝剂和减水剂的配合使用，一方面降低水灰比减小孔隙率 增加密实度提高抗压强度，另一方面增加水泥基胶凝材料的和易性。
[0013] 更进一步的技术方案是：所述的玄武岩纤维增强水泥基材料其原料包括如下组 分：水泥600~7001^/1113，粉煤灰130~1601^/111 3，娃灰70~1401^/1113，细骨料1300~14501^/ m3，高效聚羧酸减水剂20~30kg/m3，梓檬酸0.03~0.04kg/m3，玄武岩纤维2.0%~2.8% (体 积比），环氧型乳液0.15%~0.2%(质量比），水性聚氨酯乳液0.1 %~0.2% (质量比），硅烷 偶联剂〇 . 15%~0.3 % (质量比），润滑剂0.06 %~0.08 % (质量比），抗静电剂0.04%~ 〇.〇7%(质量比）。
[0014] 更进一步的技术方案是：所述的玄武岩纤维增强水泥基材料其原料包括如下组 分：水泥6501^/1113，粉煤灰1501^/111 3，娃灰901^/1113，细骨料14001^/1113，高效聚羧酸减水剂 25kg/m 3，柠檬酸0.035kg/m3，玄武岩纤维2.5 % (体积比），环氧型乳液0.18 % (质量比），水性 聚氨酯乳液〇. 15 % (质量比），硅烷偶联剂0.2 % (质量比），润滑剂0.07 % (质量比），抗静电 剂0.05% (质量比）。
[0015] 本发明另一方面还提供了一种上述玄武岩纤维增强水泥基材料的制备方法，包括 如下步骤：
[0016] (1)将水泥、活性矿物掺合料、细骨料按比例称量，并在混凝土搅拌机内搅拌至混 合均匀；
[0017] (2)按水灰比0.2~0.28加水并将减水剂和缓凝剂分散至水中后加入至步骤（1)中 的搅拌机中继续拌合外加剂分散均匀；
[0018] (3)按比例将玄武岩纤维与纤维表面改性剂混合，然后加入至步骤(2)中的搅拌机 中拌合均匀；
[0019] (4)将步骤(3)搅拌机内的拌合物倒入模具内，并在振动台上振动密实；
[0020] (5)将步骤(4)模具中的材料在标准条件下养护，待其硬化后，拆模，将制得的玄武 岩纤维增强水泥基材料标准养护至强度达到要求。
[0021 ]作为优选，进一步的技术方案是:所述搅拌机的下料装置上设有防止纤维结团的 装置。如此，避免拌