一种纤维编织网增强纳米水泥基复合材料及其制备方法

1.本发明属于工程材料技术领域，具体涉及一种高强高韧纤维编织网增强纳米水泥基复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.在极端自然灾害频发的环境下，长期服役的既有建筑结构由于承载力不足引发的结构安全问题日益突出，亟需寻求一种能经济、高效地进行加固补强的新型材料。而现有纤维编织网增强混凝土(trc)是以水泥净浆、砂浆或混凝土作为基材，以适量的非连续的短纤维或连续的长纤维作为增强材料，均布地掺和在混凝土中，从而形成的一种新型增强建筑材料。
3.目前，制备trc材料时，通常按实际需求将裁剪好的纤维网绷紧后均匀地放置在木模具内，使用具有一定厚度的木条固定(按构件实际需求的厚度)，不同层纤维网的受力纤维束要相互对齐；然后将搅拌好的精细混凝土直接浇筑在模具之中，之后置于振动台上轻微振动、表面抹平收面，室温养护24小时后拆模，再进行标准养护到28天龄期，即完成trc材料或构件的制作。但是这种方法存在一定的技术缺陷，现有纤维编织网增强混凝土由于纤维与混凝土基体界面性能不佳，界面孔隙较多粘结等问题使得纤维束的受力不均匀，导致纤维编织网利用率不高，仍有待进一步改进。


技术实现要素：

4.基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种高强高韧纤维编织网增强纳米水泥基复合材料及其制备方法，使纳米材料(多壁碳纳米管、多层石墨烯等)在羧基溶液中均匀分散制成混合溶液，并与水泥、砂、矿渣、水、外加剂等一起制备纤维编织网增强混凝土(简称trc)基体，使之能与不同种类的纤维编织网组合，构成高强高韧性trc复合材料，尤其是解决了基体水泥的孔隙率、与纤维束的界面粘结能力及普通trc中纤维网利用率较低的问题。
5.为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种高强高韧性纤维编织网增强纳米水泥基复合板，包括混凝土浆液和纤维编织网。
7.作为优选方案，所述混凝土浆液包括水泥550～705重量份、粉煤灰300～455重量份、偏高岭土25～45重量份、硅灰70～80重量份、减水剂4.5～6.0重量份、精细砂830～950重量份、羧基纳米材料500～700重量份。
8.作为优选方案，所述羧基纳米材料包括纳米二氧化硅、多壁碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯纳米片中的一种或几种。
9.一种高强高韧性纤维编织网增强纳米水泥基复合板的制备方法，包括以下步骤：
10.(1)将分散液溶解加热，加入纳米材料，得到纳米材料分散液；
11.(2)加入精细水泥砂浆，得混凝土浆液；
12.(3)向纤维编织网中浇筑或喷射步骤(2)中配置的混凝土浆液，硬化后脱模养护。
13.作为优选方案，所述步骤(1)中分散液是由羧基分散剂配置纳米材料而成的分散液。
14.作为优选方案，所述步骤(1)中加热温度不超过其浊点温度68～70℃。
15.作为优选方案，所述步骤(2)中精细水泥砂浆包括水泥、粉煤灰、偏高岭土、硅灰、纯净水、减水剂、精细砂。
16.作为优选方案，所述步骤(3)中纤维编织网包括玄武岩纤维编织网、碳纤维编织网、芳纶纤维编织网、耐碱玻璃纤维编织网或纤维的混杂编织网中的一种。
17.作为优选方案，所述步骤(3)中纤维编织网网格尺寸是25mm*25mm，设置1～4层，各层编织网距离设置为3mm，保护层设置为5mm。
18.作为优选方案，所述步骤(3)中的养护为室温24小时后拆模，再进行标准养护到28天龄期。
19.本发明与现有技术相比，有益效果是：
20.(1)新型trc复合材料通过纳米材料分散液的掺加降低界面孔隙率提高了纤维编织网与基体的粘结能力，保证了纤维编织网与基体的协同工作能力，从而提高了普通trc中纤维网的利用率。
21.(2)本发明保证其抗压、抗折性能情况下大幅提高极限拉伸性能，能进一步提高结构的抗震性能，降低结构在罕遇地震下的破坏的可能性及程度，减少修复的成本，节约城市建设的相关费用，对我国科技创新、经济发展、自然环境与社会的进步具有重大意义和实用效益。
附图说明
22.图1是本发明实施例1的纳米水泥基复合材料基体制备流程
23.图2是本发明实施例1的纤维编织网增强水泥基复合板制备流程
24.图3是本发明实施例1石墨烯纳米片与硅灰在复合材料水泥基体中分散示意图
25.图4是本发明实施例1石墨烯纳米片-硅灰-水泥基复合材料28天龄期扫描电镜图
26.图5是本发明实施例1孔径分布图及累计孔径分布图
具体实施方式
27.为了更清楚地说明本发明实施例，下面描述中的是本发明的一些实施例。显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些实施例替换获得其他的实施方式。
28.本发明通过纳米材料(多壁碳纳米管、多层石墨烯纳米片等)的掺加，不仅改善材料的致密性，还减少孔隙率；通过纳米材料的桥联作用，解决微纳裂缝的扩展，从而提升基体材料的韧性；通过偏高岭土和硅粉的组合优化，不仅提高纤维与基体在静止状态下的粘结性能，同时也改善了动态下的流动性，提高了对纤维编织网的浸润作用，并显著提高了受力状态下纤维编织网的利用率(平均应力水平)；通过分散剂制备纳米材料分散液，实现了纳米材料在水泥碱性环境中的均匀分散，以便于充分发挥其优异的力学性能，阻碍微裂缝
扩展，桥联裂纹，促进水化反应，提高复合材料的力学性能；通过偏高岭土与硅粉的调控改性，使水泥基体动态流动性和静态粘结性能都大大提高，不仅便捷了浇筑、促进了对纤维编织网的浸润、减少了编织网界面的孔洞，同时增加了界面粘结力，提高了复合材料的韧性；通过掺加硅灰后，硅灰因其纳米尺寸可以填充部分空隙中，并在其中发生水化反应，进而增加石墨烯纳米片层间以及石墨烯纳米片与水泥基体的界面作用。
29.也就是说通过羧基分散剂配置分散液，解决纳米材料的分散性问题；通过硅灰和纳米材料的共同作用，解决孔隙率问题，达到致密结构，并达到200mpa以上强度；通过硅灰和偏高岭土的共同调控作用，解决浇筑的流动性及编织网的浸润问题，并使编织网与水泥基体保证协同工作，在高应力下形成应变硬化及高韧性，可使极限拉伸应变稳定达到10％以上。
30.本发明实施例中的水泥采用pⅱ52.5水泥；砂子采用最大尺寸为653μm的精细砂；拌合用水为普通自来水；分散剂为巴斯夫聚羧酸减水剂；消泡剂为德丰157型；碳纳米管为中科院成都有机所研制的含羧基官能团的多壁碳纳米管，相关技术指标见表1。
31.表1碳纳米管的相关技术指标
[0032][0033]
一种高强高韧纤维编织网增强纳米水泥基复合材料的全流程制备工艺，其中羧基纳米材料分散液是按水泥0.1％重量的纳米材料的分散混合液，均采用碳玻混纤编织网，纤维编织网网格尺寸是25mm*25mm，配合比见表2，对比例和实施例的用水相同，对比例是纯净水200kg，实施例是纯净水+分散液＝200kg，因为分散液是带羧基的，自带减水作用，因此，实施例比对比例少用0.5kg减水剂。对比例增加的0.5kg减水剂是为了保证复合材料的流动性，使之与纤维编织网浸润贴合，具体如表3。
[0034]
表2 trc配合比(单位kg/m3)
[0035]
[0036]
实施例1
[0037]
s1：在容器中加入水和聚羧酸分散剂，用玻璃棒搅拌至分散剂完全溶解，再加入称量好的纳米材料(多壁碳纳米管(mwcnts)或多层石墨烯(mlgs))，之后用超声波仪水浴超声振动60分钟得到纳米材料分散溶液；
[0038]
s2：清洗搅拌机，擦干或倒扣沥干后待用，称量好精细砂、水泥、水、硅灰、偏高岭土、减水剂、消泡剂等各原材料的用量；
[0039]
s3：选择合适种类与网格尺寸的纤维编织网；
[0040]
s4：制作一定尺寸(长、宽、厚度)的模具，并把纤维编织网按一定高度分别分层绷紧并固定在模具中；各层编织网距离可设置3mm，保护层设置为5mm；
[0041]
s5：将称量好的水泥、砂子倒入搅拌锅内均匀搅拌；
[0042]
s6：将分散均匀的纳米材料分散液倒入搅拌锅中，剩余的额外水清洗悬浮液器皿后再倒入搅拌锅，再加入消泡剂；
[0043]
s7：先手工均匀搅拌，再采用机械慢速搅拌3分钟再快速搅拌2分钟，得到trc基体材料；
[0044]
s8：将trc基体材料浇注与模具中，置于振动台上，振动密实并表面抹平；
[0045]
s9：室温养护24小时后拆模，再进行标准养护到28天龄期，即完成制备；
[0046]
s10：抗压强度试验将水泥基体倒入160mm
×
40mm
×
40mm的标准模具中。使用外部振动器促进压实，减少气泡数量。所有试样在24h后脱模，在温度20
±
2℃、相对湿度≥95％的条件下标准养护2天后采用自然养护方式养护，至少养护28天。
[0047]
制备流程简易图如图1和图2所示，实施例s1中，分散剂为聚羧酸减水剂，制备碳纳米管分散溶液使用洁康ps-20型号的超声仪，在超声过程中，由于长时间超声振动会导致温度升高，当温度超过45℃时，会引起分散剂的絮凝团聚，影响纳米碳材料的分散，因此每超声振动30分钟后，可冷却10min，并更换超声仪中的水。
[0048]
s2中，先洗干净搅拌锅并擦拭使锅内表面湿润无明水，所用搅拌机为j-550型水泥砂浆搅拌机。
[0049]
s6中，由于纳米材料分散溶液中含有一定量的水(50％以下)，所以须在配合比中需要的水中除去这部分已有水以控制水灰比；用配合比中需要的剩下额外水清洗器皿并加入搅拌锅；所用的消泡剂为德丰613型号消泡剂，消泡剂用量为水泥含量的2％；
[0050]
通过采用上述技术方案，利用超声仪制备纳米材料的均匀分散液，使其均匀分散于水泥集体中，起到填充微纳孔隙及成核促进水化作用，通过掺加硅灰后，硅灰因其纳米尺寸可以填充部分空隙中，并在其中发生水化反应，进而增加石墨烯纳米片层间以及石墨烯纳米片与水泥基体的界面作用如图3所示，并利用偏高岭土提升动态流动性与纤维编织网充分浸润，最终可制备成高强高韧性trc复合材料，如图4所示。
[0051]
实施例2
[0052]
实施例2所述trc制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于分别采用表2中记载的配方条件。
[0053]
实施例3
[0054]
实施例3所述trc制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于分别采用表2中记载的配方条件。
[0055]
对比例1
[0056]
对比例1所述trc制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于分别采用表2中记载的配方条件。
[0057]
对比例2
[0058]
对比例2所述trc制备方法与实施例2大致相同，不同之处在于分别采用表2中记载的配方条件。
[0059]
对比例3
[0060]
对比例3所述trc制备方法与实施例3大致相同，不同之处在于分别采用表2中记载的配方条件。
[0061]
将实施例1～3和对比例1～3所得纤维编织网增强水泥基复合材料养护至28d后进行强度、直接拉伸性能测试如表3。试验仪器采用25t和100t高性能疲劳试验机(instron)，测试试件的抗折强度、抗压强度和薄板极限拉伸应变，根据中国规范jtg3420-2020抗折试验和抗压试验的加载速率分别为3kn/min和144kn/min。力学性能按照《普通水泥砂浆力学性能试验方法标准》(gb 50081-2002)、《水泥砂浆强度检验评定标准》(gb50107-2010)的相关规定进行操作。
[0062]
表3实施例和对比例所得trc制品的性能测试结果
[0063][0064]
表4实施例和对比例所得trc基体孔隙结构测试结果
[0065]
编号孔隙率(％)平均孔径(nm)临界孔径(nm)对比例1、2、313.3016.326.3实施例112.7714.821.1实施例211.8310.112.3实施例312.67.85.17
[0066]
事实上，一根纤维束由数百上千根直径为数微米的纤维单丝组成，纤维束通常不会被颗粒粒径较大的精细混凝土基体完全渗透，边缘纤维丝与基体粘结较好。加载过程中，边缘纤维丝容易受到基体传递的应力发生脆性断裂，导致纤维束横截面积减小。因此，定义一个系数k为trc复合材料与等量纤维网的抗拉承载力之比以表征trc中纤维网的利用率(表3)。此外，通过压汞测试，得到了实施例与对比例基体的孔隙率、平均孔径和临界孔径(表4和图5)。从力学性能上的增加可以得出，纤维编织网材料没有改变，随着基体的改变，大幅提升了抗拉性能，意味着粘结性能得到了改善。
[0067]
上述结果表明，本发明所得新型高强高韧纤维编织网增强纳米水泥基复合材料在保证力学性能的同时，拉伸应变性能有了较大幅地提高，不仅改善材料的致密性，还降低了界面孔隙率，提升基体材料的韧性，提高了纤维编织网与基体的粘结能力，保证了纤维编织网与基体的协同工作能力，尤其是显著提高了普通纤维编织网增强混凝土中纤维网的利用率，在保证抗压、抗折下提高拉伸性能，并进一步提高结构抗震性能，对我国科技创新、经济发展、自然环境与社会的进步具有重大意义和实用效益。
[0068]
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的技术构思，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。