一种树脂裹覆无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料及其制备方法

1.本发明涉及一种水泥基材料及其制备方法。


背景技术：

2.交通运输网络的建设不仅要关注其速度和长度，更要高度重视高质量和高效用的建设理念，以智能化交通和绿色可持续交通为核心目标的高质量综合立体交通网络的建设成为了现代交通运输领域的重要任务。因此uhpc这一超高性能建筑材料在更广范围内的应用成为了研究热点。
3.在机场道面的应用过程中，由于飞机起降过程中产生的高荷载和冲击荷载作用，容易引起普通水泥混凝土道面板的破坏并产生裂缝。不仅如此，在冬季为了清除道面和机翼上的积雪而常采用的乙二醇等融雪剂，对机场道面的耐久性提出了较高的要求。因此将uhpc应用于机场道面的建设中，利用其高抗弯拉强度、高抗冲击韧性和高耐久性保证机场道面长期稳定的服役性能。然而uhpc中常含有的钢纤维，不仅存在锈蚀破坏的隐患，同时在飞机起降过程中飞机轮胎和机场道面产生较大的冲击应力对飞机轮胎产生扎刺作用。由于存在严重的生命财产安全隐患，在机场道面中限制了钢纤维的使用。作为钢纤维的替代，大部分有机高分子纤维的弹性模量低于uhpc基体，在承受荷载时不能有效承载拉应力，而失去其在uhpc中的增韧作用。然而，玄武岩纤维的弹性模量高于uhpc基体的弹性模量，能够有效抵抗弯拉应力，同时又避免了扎破轮胎的风险。因此掺加玄武岩纤维的超高性能混凝土适用于机场道面。然而，考虑到单根玄武岩纤维的直径在20μm以下，极细的玄武岩纤维在搅拌、浇筑、振捣、成型乃至服役过程中，由于集料的冲击很容易发生挫断和缠绕成团现象，使得玄武岩纤维失去其提高抗拉和抗冲击的作用。同时，玄武岩纤维或玻璃纤维等无机非金属纤维的原料中含有较高的氧化硅含量，经过高温拉丝工艺后，导致其内部活性氧化硅含量增加。而且uhpc中的水泥含量是普通混凝土的3～4倍，内部碱当量远高于0.6％，这提高了玄武岩纤维或玻璃纤维中活性氧化硅和水泥中碱发生碱硅酸反应的风险。碱硅酸反应形成凝胶状产物，易吸水膨胀引起混凝土开裂破坏。同时由于碱硅酸反应会使玄武岩纤维或玻璃纤维粉化失效，不能有效起到增韧作用，因此玻璃纤维不得用于水泥基材料，即便是抗碱玻璃纤维也仅限于应用在碱度远低于通用水泥的低碱度硫铝酸盐水泥中。虽然，玄武岩纤维的耐碱性较玻璃纤维强，但理论上在长期服役过程中仍存在粉化失效的隐患。在实际工程中，碱硅酸反应的潜伏期长，在早期无明显特征，难以及时发现，而后期碱硅酸反应的危害暴露后无法进行维修补救，只能作废处理，造成极大的经济损失。因此，减少或解决碱硅酸反应问题，成为了亟待研究的课题方向。


技术实现要素：

4.本发明的目的是要解决无机非金属纤维直径过细易发生挫断，以及其中的活性氧化硅与水泥中的碱发生碱硅酸反应而粉化失效等原因，导致无机非金属纤维在水泥基材料
中无法有效发挥其增韧作用的问题，而提供一种树脂裹覆无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料及其制备方法。
5.一种树脂裹覆无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料按质量份数由407～911份水泥、182～254份水、1366～1524份细集料、2～18份外加剂和树脂裹覆无机非金属纤维复合束制备而成，树脂裹覆无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料中树脂裹覆无机非金属纤维复合束的质量份数为9～73份。
6.一种树脂裹覆无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料还包括183～365份矿物掺合料和2049～2286份粗集料；树脂裹覆无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料中树脂裹覆无机非金属纤维复合束的质量份数为15～124份。
7.一种树脂裹覆无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料的制备方法，是按以下步骤完成的：
8.一、称料：
9.按质量份数称取407～911份水泥、182～254份水、1366～1524份细集料、2～18份外加剂和9～73份树脂裹覆无机非金属纤维复合束；
10.二、将步骤一中称取的水泥和细集料投入到搅拌锅中，以自转转速为90～160r/min，公转转速为50～80r/min的转速搅拌1min；
11.三、将树脂裹覆无机非金属纤维复合束投入到搅拌锅中，再以自转转速为90～160r/min，公转转速为50～80r/min的转速搅拌2min；
12.四、将水和外加剂混合均匀后放入搅拌锅中，以自转转速为90～160r/min，公转转速为50～80r/min的转速搅拌3min，停拌30s，再以自转转速为160～300r/min，公转转速为80～140r/min的转速搅拌2min；
13.五、将搅拌均匀的拌合物浇筑到模具中，充分振捣并刮去多余部分，表面加以覆盖密封后养护，再放入温度为20
±
2℃、相对湿度大于95％的标准养护室养护，得到树脂裹覆无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料；
14.步骤五中所述的养护为室温下养护24h或在50～80℃中高温养护。
15.一种树脂裹覆无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料的制备方法是按以下步骤完成的：
16.一、称料：
17.按质量份数称取407～911份水泥、182～254份水、1366～1524份细集料、2～18份外加剂、183～365份矿物掺合料、2049～2286份粗集料和15～124份树脂裹覆无机非金属纤维复合束；
18.二、将粗集料、细集料、水泥、矿物掺合料依次投入到搅拌锅中，以转速为50～60r/min的转速搅拌1min；
19.三、将树脂裹覆无机非金属纤维复合束投入到搅拌锅中，以转速为50～60r/min的转速搅拌2min；
20.四、将水和外加剂混合均匀后放入搅拌锅中，以转速为50～60r/min的转速搅拌3min；
21.五、将搅拌均匀的拌合物浇筑到模具中，充分振捣并刮去多余部分，表面加以覆盖密封后养护，再放入温度为20
±
2℃、相对湿度大于95％的标准养护室养护，得到树脂裹覆
无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料；
22.步骤五中所述的养护为室温下养护24h或在50～80℃中高温养护。
23.本发明的原理：
24.本发明制备的树脂裹覆无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料通过树脂的裹覆粘接作用，在受到冲击作用和弯拉应力时，保证纤维整体受力，相较于单丝纤维在受到冲击作用和弯拉应力下容易发生挫断，整体纤维在受力时能够有效抵抗冲击作用和弯拉应力，从而显著提高水泥基材料的抗冲击韧性和抗弯拉强度；同时，通过裹覆树脂，将无机非金属纤维与水泥基体隔开，可以有效防止无机非金属纤维中的活性氧化硅与水泥基体中的碱发生碱硅酸反应，碱硅酸反应结果不仅会产生凝胶状膨胀产物，还会使得无机非金属纤维粉化失效，导致无法充分发挥无机非金属纤维在水泥基材料的增韧作用。
25.本发明的优点：
26.裹覆树脂后的无机非金属纤维不同于不裹覆树脂的无机非金属纤维，由于所有纤维被树脂紧紧结合，能够在冲击作用和弯拉应力的作用下共同受力，间接增大了纤维直径，能够有效避免挫断引起的纤维失效问题，能够有效起到纤维的增强增韧作用，其抗冲击韧性能够提高10倍以上；不仅如此，由于树脂将玄武岩纤维和水泥基体相隔开，可以有效避免或大幅度减少碱硅酸反应，防止纤维粉化失效。
27.本发明可获得一种树脂裹覆无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料。
具体实施方式
28.以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。
29.具体实施方式一：本实施方式一种树脂裹覆无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料按质量份数由407～911份水泥、182～254份水、1366～1524份细集料、2～18份外加剂和树脂裹覆无机非金属纤维复合束制备而成，树脂裹覆无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料中树脂裹覆无机非金属纤维复合束的质量份数为9～73份。
30.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：一种树脂裹覆无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料还包括183～365份矿物掺合料和2049～2286份粗集料；树脂裹覆无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料中树脂裹覆无机非金属纤维复合束的质量份数为15～124份。其它步骤与具体实施方式一相同。
31.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：所述的水泥为通用水泥或硫铝酸盐水泥。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
32.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：所述的矿物掺合料包括粉煤灰、矿渣粉或硅灰；所述的矿物掺合料密度为2.2～2.8g/cm3；所述的粗集料为破碎岩石或陶粒；所述的粗集料的表观密度为2.5～3.1g/cm3或0.8～2.0g/cm3。其它步骤与具体实施方式一至三相同。
33.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：所述的细集料为天然砂或机制砂或陶砂；所述的细集料的表观密度为2.5～3.0g/cm3或0.8～2.0g/cm3。其它步骤与具体实施方式一至四相同。
34.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：所述的外加剂为聚羧酸减水剂，减水率为30％～40％，含气量小于3.0％。其它步骤与具体实施方式一至五相同。
35.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：所述的树脂裹覆无机非金属纤维复合束为：无机非金属纤维纱，浸渍裹覆了树脂；所述的树脂裹覆无机非金属纤维复合束的长度为10～60mm，直径为0.1～0.5mm。其它步骤与具体实施方式一至六相同。
36.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：所述的树脂为热固性树脂或热塑性树脂；所述的无机非金属纤维纱为玻璃纤维纱或玄武岩纤维纱；所述的无机非金属纤维纱的质量分数为70％～90％，树脂的质量分数为10％～30％。其它步骤与具体实施方式一至七相同。
37.具体实施方式九：本实施方式是一种树脂裹覆无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料的制备方法是按以下步骤完成的：
38.一、称料：
39.按质量份数称取407～911份水泥、182～254份水、1366～1524份细集料、2～18份外加剂和9～73份树脂裹覆无机非金属纤维复合束；
40.二、将步骤一中称取的水泥和细集料投入到搅拌锅中，以自转转速为90～160r/min，公转转速为50～80r/min的转速搅拌1min；
41.三、将树脂裹覆无机非金属纤维复合束投入到搅拌锅中，再以自转转速为90～160r/min，公转转速为50～80r/min的转速搅拌2min；
42.四、将水和外加剂混合均匀后放入搅拌锅中，以自转转速为90～160r/min，公转转速为50～80r/min的转速搅拌3min，停拌30s，再以自转转速为160～300r/min，公转转速为80～140r/min的转速搅拌2min；
43.五、将搅拌均匀的拌合物浇筑到模具中，充分振捣并刮去多余部分，表面加以覆盖密封后养护，再放入温度为20
±
2℃、相对湿度大于95％的标准养护室养护，得到树脂裹覆无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料；
44.步骤五中所述的养护为室温下养护24h或在50～80℃中高温养护。
45.具体实施方式十：本实施方式是一种树脂裹覆无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料的制备方法是按以下步骤完成的：
46.一、称料：
47.按质量份数称取407～911份水泥、182～254份水、1366～1524份细集料、2～18份外加剂、183～365份矿物掺合料、2049～2286份粗集料和15～124份树脂裹覆无机非金属纤维复合束；
48.二、将粗集料、细集料、水泥、矿物掺合料依次投入到搅拌锅中，以转速为50～60r/min的转速搅拌1min；
49.三、将树脂裹覆无机非金属纤维复合束投入到搅拌锅中，以转速为50～60r/min的转速搅拌2min；
50.四、将水和外加剂混合均匀后放入搅拌锅中，以转速为50～60r/min的转速搅拌3min；
51.五、将搅拌均匀的拌合物浇筑到模具中，充分振捣并刮去多余部分，表面加以覆盖密封后养护，再放入温度为20
±
2℃、相对湿度大于95％的标准养护室养护，得到树脂裹覆无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料；
52.步骤五中所述的养护为室温下养护24h或在50～80℃中高温养护。
53.采用以下实施例验证本发明的有益效果：
54.实施例1：实施例1为不掺加玄武岩纤维的对照组，不掺加玄武岩纤维的水泥基材料的制备方法，按照gb/t 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(iso法)》制备不掺加玄武岩纤维的水泥基材料是按以下步骤完成的：
55.一、称料：
56.按质量份数称取508份水泥、254份水、1524份标准砂；
57.其中，水泥选用亚泰集团哈尔滨水泥有限公司的天鹅牌p
·
o 42.5普通硅酸盐水泥，水泥的各项指标符合gb 175-2007《通用硅酸盐水泥》的标准；
58.标准砂选用厦门艾思欧标准砂有限公司的标准砂，其表观密度为2.63g/cm3；
59.二、将步骤一中称取的水泥和水投入到搅拌锅中，以自转转速为135～145r/min，公转转速为57～67r/min的转速搅拌30s；
60.三、以自转转速为135～145r/min，公转转速为57～67r/min的转速持续搅拌，并将标准砂在30s内投入搅拌锅中，再以自转转速为275～295r/min，公转转速为115～135r/min的转速充分搅拌30s；
61.四、停拌90s，在第一个15s内将叶片和锅壁上的水泥砂浆刮入锅中，然后以自转转速为275～295r/min，公转转速为115～135r/min的转速充分搅拌60s；
62.五、将拌合物浇筑到40
×
40
×
160mm模具中，充分振捣并刮去多余部分，表面加以覆盖密封后放置于室温下养护24h，脱模，再放入温度为20
±
2℃、相对湿度大于95％的标准养护室养护28天，得到不掺加玄武岩纤维的水泥基材料试件。
63.检测试验：
64.使用落球法测试试件的抗冲击韧性，其中选用的铁球质量分别有67g和258g两种，下落高度为400mm。
65.(1)在试件的非成型面(40
×
160mm)中心向两边距离20mm处绘制两条线作为标记。
66.(2)将试件中部悬空放置于平整地面上，试件上表面放置一块40
×
40mm的铁片，使试件均匀受力，并紧贴铁片上方放置400mm高的pvc管。
67.(3)测试时，抓住铁球置于pvc管上部的开口处，松开手，使铁球自由落体砸落至铁片(铁球无初速度)，铁球造成的冲击作用均匀作用在试件上。
68.(4)反复重复步骤(3)，直至试件底面出现裂缝，记录裂缝宽度和冲击次数，此时的裂缝宽度记为初裂宽度d1，落球次数记为初裂冲击次数n1；继续重复步骤(3)直至试件破坏，记录冲击次数并记为破坏冲击次数n2。根据式1和式2分别计算抗初裂冲击耗能w1和抗破坏冲击耗能w2。
69.w1＝n1mgh
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式1
70.w2＝n2mgh
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式2
71.式中：w1——抗初裂冲击耗能(j)；
72.w2——抗破坏冲击耗能(j)；
73.n1——初裂冲击次数；
74.n2——破坏冲击次数；
75.m——铁球质量(g)；
76.g——重力加速度(m/s2)，取9.81m/s2；
77.h——落球高度(mm)。
78.按照以上检测试验测试实施例1不掺加玄武岩纤维的水泥基材料对照组试件的抗冲击韧性，得到如表1的结果。
79.表1实施例1的对照组试件抗冲击韧性
[0080][0081]
实施例2：实施例2为掺加不裹覆树脂的玄武岩纤维(玄武岩纤维无捻纱)的对照组，掺加不裹覆树脂的玄武岩纤维的水泥基材料的制备方法，是按以下步骤完成的：
[0082]
一、称料：
[0083]
按质量份数称取508份水泥、254份水、1524份标准砂、13份玄武岩纤维纱和2份减水剂；
[0084]
其中，水泥选用亚泰集团哈尔滨水泥有限公司的天鹅牌p
·
o 42.5普通硅酸盐水泥，水泥的各项指标符合gb 175-2007《通用硅酸盐水泥》的标准；
[0085]
标准砂选用厦门艾思欧标准砂有限公司的标准砂，其表观密度为2.63g/cm3；
[0086]
玄武岩纤维纱选用江苏天龙玄武岩连续纤维股份有限公司的玄武岩纤维连续无捻纱，单丝纤维直径为11μm，共400根纤维，短切为15mm，其密度为2.7g/cm3；
[0087]
减水剂选用上海臣启华工科技有限公司的540p型聚羧酸减水剂，密度为0.6g/cm3，ph值为10.5，减水率为35％；
[0088]
二、将水泥和标准砂投入到搅拌锅中，以自转转速为135～145r/min，公转转速为57～67r/min的转速充分搅拌1min；
[0089]
三、将玄武岩纤维纱投入到搅拌锅中，以自转转速为135～145r/min，公转转速为57～67r/min的转速，与水泥和砂充分搅拌2min；
[0090]
四、将水和减水剂混合获得减水剂溶液，并将溶液倒入搅拌锅中，以自转转速为135～145r/min，公转转速为57～67r/min的转速充分搅拌3min，停拌30s，再以自转转速为275～295r/min，公转转速为115～135r/min的转速充分搅拌2min；
[0091]
五、将拌合物浇筑到40
×
40
×
160mm模具中，充分振捣并刮去多余部分，表面加以覆盖密封后放置于室温下养护24h，脱模，再放入温度为20℃、相对湿度大于95％的标准养护室养护28天，得到掺加不裹覆树脂的玄武岩纤维的水泥基材料试件。
[0092]
检测试验与实施例1相同。
[0093]
实施例2得到的掺加不裹覆树脂的玄武岩纤维的水泥基材料的对照组(以下简称
无胶组)试件的抗冲击韧性，如表2。
[0094]
表2实施例2的对照组试件抗冲击韧性
[0095][0096]
实施例3：实施例3为掺加树脂裹覆无机非金属纤维复合束的试验组；一种树脂裹覆无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料的制备方法，是按以下步骤完成的：
[0097]
一、称料：
[0098]
按质量份数称取508份水泥、254份水、1524份标准砂、2份减水剂和11份树脂裹覆无机非金属纤维复合束；
[0099]
其中，水泥选用亚泰集团哈尔滨水泥有限公司的天鹅牌p
·
o 42.5普通硅酸盐水泥，水泥的各项指标符合gb 175-2007《通用硅酸盐水泥》的标准；
[0100]
标准砂选用厦门艾思欧标准砂有限公司的标准砂，其表观密度为2.63g/cm3；
[0101]
减水剂选用上海臣启华工科技有限公司的540p型聚羧酸减水剂，密度为0.6g/cm3，ph值为10.5，减水率为35％；
[0102]
树脂裹覆无机非金属纤维复合束为：玄武岩纤维纱，表面裹覆了树脂；所述的树脂裹覆无机非金属纤维复合束的长度为15mm，直径为0.1mm，密度为2.22～2.38g/cm3；其中玄武岩纤维纱选用江苏天龙玄武岩连续纤维股份有限公司的玄武岩纤维无捻纱，单丝纤维直径为11μm，共400根纤维，其密度为2.7g/cm3；树脂为镇江丹宝树脂有限公司的e-44型环氧树脂、低分子650型聚酰胺树脂和天津市恒兴化学试剂制造有限公司的无水乙醇的混合物，其中e-44型环氧树脂、低分子650型聚酰胺树脂和无水乙醇的质量比为1:1:0.1，其密度分别为1.2g/cm3、0.98g/cm3和0.79g/cm3；树脂裹覆无机非金属纤维复合束的制备方法为：将树脂置于浸胶器上，并将连续的玄武岩纤维纱经过浸胶器，使其浸于胶液中充分浸渍，将浸渍裹覆树脂后的玄武岩纤维纱通过一定孔径大小的成型孔，成型直径均匀且连续的树脂裹覆无机非金属纤维复合束，所述的直径为0.5mm；
[0103]
二、将步骤一中称取的水泥和标准砂投入到搅拌锅中，以自转转速为135～145r/min，公转转速为57～67r/min的转速搅拌1min；
[0104]
三、将树脂裹覆无机非金属纤维复合束投入到搅拌锅中，再以自转转速为135～145r/min，公转转速为57～67r/min的转速搅拌2min；
[0105]
四、将水和减水剂混合均匀后放入搅拌锅中，以自转转速为135～145r/min，公转转速为57～67r/min的转速搅拌3min，停拌30s，再以自转转速为275～295r/min，公转转速为115～135r/min的转速搅拌2min；
[0106]
五、将搅拌均匀的拌合物浇筑到模具中，充分振捣并刮去多余部分，表面加以覆盖密封后放置于室温下养护24h，脱模，再放入温度为20
±
2℃、相对湿度大于95％的标准养护室养护28天，得到树脂裹覆无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料试件。
[0107]
实施例3得到的掺加树脂裹覆无机非金属纤维复合束的水泥基材料的试验组(以下简称有胶组)试件的抗冲击韧性，如表3。
[0108]
表3实施例3的试验组试件抗冲击韧性
[0109][0110][0111]
可见，本发明制备的树脂裹覆无机非金属纤维复合束增强增韧水泥基材料抗破坏冲击韧性提高10倍以上。