專利名稱：一種強韌性聚丙烯纖維增強水泥基復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于建筑結構、路橋水利等工程的纖維增強水泥基復合材料及其 制備方法，特別是涉及一種強韌性聚丙烯纖維增強水泥基復合材料及其制備方法。
背景技術：
近現代大量的試驗研究和工程實踐都表明混凝土結構開裂幾乎是不可避免的，在 現有的經濟和技術水平下，一般是將混凝土的裂縫控制在有害程度允許的范圍內。為減少 乃至消除混凝土早期收縮裂縫、減少荷載裂縫、提高材料韌性，近年來纖維混凝土材料得到 了廣泛的應用并取得了良好的效果。但這些纖維混凝土在荷載作用下仍然無法有效控制 裂縫寬度的開展，在直接拉伸荷載作用下仍顯示應變軟化特性，在展示高于混凝土韌性的 同時，常以較寬的有害裂縫為代價。即使為人們所熟知的高性能纖維水泥基復合材料，如 砂漿滲澆鋼纖維混凝土和砂漿滲澆鋼纖維網混凝土，其裂縫寬度也僅能控制在幾百個μ m 量級內，加之高達4% 20%的纖維體積摻量，不僅成本高，而且需要特殊的工藝才能加工 成型，這些都極大地限制了這些高性能纖維水泥基復合材料在實際工程中的推廣應用。因 此，研究人員對高性能纖維水泥基復合材料進行了進一步的研究開發(fā)，例如，公成旭、張君 在題為《高韌性纖維增強水泥基復合材料的抗拉性能》的文章中報道了高韌性聚乙烯醇纖 維(PVA)增強水泥基復合材料的配合比、制備過程以及拉伸力學性能，其特征在于以纖維 摻量和砂膠比為基本設計參數，通過調整水膠比和粉煤灰摻量來研究其性能；高淑玲、徐世 烺在題為《PVA纖維增強水泥基復合材料拉伸特性試驗研究》的文章中詳細報道了聚乙烯 醇纖維增強水泥基復合材料的組分、配比以及制備過程，其特征在于活性礦物成分選用 了粉煤灰和硅灰兩種，并且采用1%、1. 5%、2%三種纖維體積率；俞家歡、Victor Li在題 為((Research on production, performance and fibredispersion of PVA engineering cementitious composites》中詳細報道了聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料的制備工藝， 其特征在于采用了兩種化學添加劑增稠劑、超塑劑，并調整了增稠劑的添加量。上述制 備方案中給出的聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料雖然都得到了應變硬化現象以及復合 開裂效果，但卻存在以下的不足1、聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料對加工工藝、設備以 及工作環(huán)境要求較高；2、聚乙烯醇纖維價格昂貴，致使成品的成本較高；3、聚乙烯醇纖維 增強水泥基復合材料硬化后，力學性能的穩(wěn)定性不高；4、聚乙烯醇纖維為親水性材料，與水 泥基體的界面結合力非常強，產生化學結合能，在受到外加荷載作用時，聚乙烯醇纖維容易 被拉斷而很少會產生拉拔引起的滑移，因此PVA纖維混凝土的韌性和極限拉伸應變并不夠 好，需要對PVA纖維進行表面處理才可以成為強韌性纖維混凝土，日本的Kurrary公司對 PVA纖維處理的方式通常為在其表面涂油，從而使其產生厭水的效果，減少其與水泥基體的 結合力，這樣在PVA聚乙烯醇纖維混凝土受外力過程中，PVA纖維會在發(fā)生滑移之后被拉 斷，從而使得纖維混凝土發(fā)生足夠的變形，使其達到強韌效果，但是，由聚乙烯醇纖維制成 的聚乙烯醇纖維增強水泥復合材料對加載應變率非常敏感，如果加載速率過大，材料表現 出一定程度的韌性的下降。

發(fā)明內容
本發(fā)明就是針對上述問題，提供了一種原料易得、成本低、對加工工藝及操作環(huán)境 要求較低、力學性能穩(wěn)定、韌性好的強韌性聚丙烯纖維增強水泥基復合材料及其制備方法。為了實現本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案，本發(fā)明的組成及重量配 比為水泥16. 7% 52. 5%、粉煤灰13. 39%、硅砂22. 2 % 26. 3 %、水6. 6 % 16. 7%,減水劑1. 3% 2. 8%、增稠劑0. 03% 0. 1 %、聚丙烯纖維1. 47% 2. 5%，聚丙 烯纖維的化學結合能為0、界面剪切力為0. 5 1. 3MPa、界面滑移強化系數為0. 005 1. 2。減水劑為聚羧酸系高性能減水劑或萘系高效減水劑。增稠劑為羥丙基甲基纖維素、羥乙基纖維素或甲基羥乙基纖維素。本發(fā)明的制備方法為將重量配比依次為16. 7% 52. 5%U3. 39%、22. 2% 26. 3%的水泥、粉 煤灰和硅砂添加到攪拌機的攪拌桶內進行干拌，直到各基體材料攪拌均勻為止；將重量配 比為6. 6% 16. 7%的水加入上述基體材料中，進行攪拌，直到形成均勻的流動性較好的 糊狀漿體為止；加入重量配比分別為1. 3% 2. 8%,0. 03% 0. 的減水劑和增稠劑，添 加過程應緩慢，然后繼續(xù)攪拌，直到纖維分散均勻為止。本發(fā)明的有益效果1、原料易得、成本低聚乙烯醇纖維為日本產纖維，購買困難，而聚丙烯纖維在國內即可買到，且價格與 聚乙烯醇纖維相比要低廉很多，使成品的成本降低，僅為聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材 料的四分之一左右；2、對加工工藝及操作環(huán)境要求較低在對聚丙烯纖維增強水泥基復合材料進行制備時，在室溫下即可進行，對加工工 藝及操作環(huán)境要求較低，而且操作更為簡便；3、力學性能穩(wěn)定聚丙烯纖維增強水泥基復合材料成 后，力學性能也較穩(wěn)定，不會出現同配比下 力學性能相差較多的情況；4、韌性好本發(fā)明所使用的聚乙烯纖維為厭水纖維且化學結合能為零，在受到外加荷載作用 時，聚丙烯纖維會產生拉拔和滑移的現象，而不容易被拉斷，使本發(fā)明與聚乙烯醇纖維增強 水泥基復合材料相比，韌性更強、更持久。本發(fā)明同時對聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料和聚丙烯纖維增強水泥基復合 材料的性能進行了測試和比較，可見表1、表2、表3。表1單軸拉伸試驗
表2彎曲試驗 從表中可知，與聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料相比，聚丙烯纖維增強水泥基 復合材料的韌性更強，應變硬化效果更明顯，復合裂縫更多。


圖1為本發(fā)明的工藝流程圖。
具體實施例方式實施例1 水泥52. 5%、粉煤灰13. 1 %、硅砂26. 3%、水6. 6%、ΤΗ_928聚羧酸高性 能減水劑1. 3%、羥丙基甲基纖維素0. 03%、聚丙烯纖維1. 47%，聚丙烯纖維的化學結合能 為0、界面剪切力為0. 5MPa、界面滑移強化系數為0. 005。實施例2 水泥30%、粉煤灰24%、硅砂30%、水12%、FDN-A II規(guī)格的萘系高效 減水劑2. 1%、羥乙基纖維素0. 07%、聚丙烯纖維1.83%，聚丙烯纖維的化學結合能為0、界 面剪切力為0. 65MPa、界面滑移強化系數為1. 2。
實施例3 水泥16. 7%、粉煤灰39%、硅砂22. 2%、水16. 7%,YSP-I規(guī)格的萘系高 性能減水劑2. 8%、甲基羥乙基纖維素0. 1%、聚丙烯纖維2. 5%，聚丙烯纖維的化學結合能 為0、界面剪切力為1. 3MPa、界面滑移強化系數為0. 56。本發(fā)明的制備方法的實施例如下實施例4 先將重量配比依次為52. 5%,26. 3%U3. 1 %的水泥、硅砂和粉煤灰填加到攪拌機 的攪拌筒內，以勻速攪拌25 35分鐘，直至這三種基材攪拌均勻為止；接著把重量配比為 6. 6%的水加入攪拌筒內，加入要緩慢，待水全部加入之后持續(xù)攪拌5 15分鐘；然后把重 量配比為1. 3%的TH-928聚羧酸高性能減水劑和重量配比為0. 03%的羥丙基甲基纖維素 加入攪拌筒，持續(xù)勻速攪拌25 35分鐘，留給這些化學添加劑足夠的反應時間；最后沿著 攪拌筒旋轉方向慢慢加入重量配比為1. 47%的聚丙烯纖維，攪拌25 35分鐘，直到纖維分 散均勻為止。實施例5 先將重量配比依次為30%、24%、30%的水泥、硅砂和粉煤灰填加到攪拌機的攪拌 筒內，以勻速攪拌25 35分鐘，直至這三種基材攪拌均勻為止；接著把重量配比為12%的 水加入攪拌筒內，加入要緩慢，待水全部加入之后持續(xù)攪拌5 15分鐘；然后重量配比為 2. 的FDN-A II規(guī)格的萘系高效減水劑和重量配比為0. 07%的羥乙基纖維素加入攪拌 筒，持續(xù)勻速攪拌25 35分鐘，留給這些化學添加劑足夠的反應時間；最后沿著攪拌筒旋 轉方向慢慢加入重量配比為1. 83%的聚丙烯纖維，攪拌25 35分鐘，直到纖維分散均勻為 止。實施例6 先將重量配比依次為16. 7%、22. 2%、39%的水泥、硅砂和粉煤灰填加到攪拌機 的攪拌筒內，以勻速攪拌25 35分鐘，直至這三種基材攪拌均勻為止；接著把重量配比為 16. 7%的水加入攪拌筒內，加入要緩慢，待水全部加入之后持續(xù)攪拌5 15分鐘；然后把重 量配比為2. 8%的YSP-I規(guī)格的萘系高性能減水劑和重量配比為0. 的甲基羥乙基纖維 素加入攪拌筒，持續(xù)勻速攪拌25 35分鐘，留給這些化學添加劑足夠的反應時間；最后沿 著攪拌筒旋轉方向慢慢加入重量配比為2. 5%的聚丙烯纖維，攪拌25 35分鐘，直到纖維 分散均勻為止。本發(fā)明選用了大量的國內廠家生產的聚丙烯纖維進行分析和界面設計，但是大多 數聚丙烯纖維混凝土仍然表現出局部裂紋的脆性破壞，而無法出現強韌性纖維混凝土的多 重飽和裂紋擴展現象。根據大量的纖維拉拔試驗，本發(fā)明最終確定纖維表面有三個參數 對纖維混凝土的韌性有影響，即化學結合能(Gd)、界面剪切力(τ)和界面滑移強化系數 (β )，其中起決定作用的是界面剪切力，當τ ^在0. 5-1. 3MPa區(qū)間內時纖維才能夠出現拉 拔和滑移兩種現象，使其成為強韌性纖維混凝土。本發(fā)明所使用的水泥、硅砂和粉煤灰在建材市場上即可購買；本發(fā)明所使用的減 水劑和增稠劑為普通的化工原料，在市場上即可購買；本發(fā)明所使用的聚丙烯纖維也是在 市場上購買的，纖維廠家根據提供的具體的三個參數的值，即化學結合能為0，界面剪切力 為0. 5 1. 3MPa，界面滑移強化系數為0. 005 1. 2便可生產出本發(fā)明所使用的聚丙烯纖維。
權利要求
一種強韌性聚丙烯纖維增強水泥基復合材料，其特征在于本發(fā)明的組成及重量配比為水泥16.7％～52.5％、粉煤灰13.1％～39％、硅砂22.2％～26.3％、水6.6％～16.7％、減水劑1.3％～2.8％、增稠劑0.03％～0.1％、聚丙烯纖維1.47％～2.5％，聚丙烯纖維的化學結合能為0、界面剪切力為0.5～1.3MPa、界面滑移強化系數為0.005～1.2。
2.根據權利要求1所述的一種強韌性聚丙烯纖維增強水泥基復合材料，其特征在于減 水劑為聚羧酸系高性能減水劑或萘系高效減水劑。
3.根據權利要求1所述的一種強韌性聚丙烯纖維增強水泥基復合材料，其特征在于增 稠劑為羥丙基甲基纖維素、羥乙基纖維素或甲基羥乙基纖維素。
4.根據權利要求1所述的一種強韌性聚丙烯纖維增強水泥基復合材料，其特征在于本 發(fā)明的組成及重量配比為水泥52. 5%、粉煤灰13. 1%、硅砂26. 3%、水6.6%、TH-928聚 羧酸高性能減水劑1. 3%、羥丙基甲基纖維素0. 03%、聚丙烯纖維1. 47%，聚丙烯纖維的化 學結合能為0、界面剪切力為0. 5MPa、界面滑移強化系數為0. 005。
5.根據權利要求1所述的一種強韌性聚丙烯纖維增強水泥基復合材料，其特征在于本 發(fā)明的組成及重量配比為水泥30%、粉煤灰24%、硅砂30%、水12%、FDN-A II規(guī)格的萘 系高效減水劑2. 1%、羥乙基纖維素0. 07%、聚丙烯纖維1. 83%，聚丙烯纖維的化學結合能 為0、界面剪切力為0. 65MPa、界面滑移強化系數為1. 2。
6.根據權利要求1所述的一種強韌性聚丙烯纖維增強水泥基復合材料，其特征在于本 發(fā)明的組成及重量配比為水泥16. 7%、粉煤灰39%、硅砂22. 2%、水16. 7%, YSP-1規(guī)格 的萘系高性能減水劑2. 8%、甲基羥乙基纖維素0. 1%、聚丙烯纖維2. 5%，聚丙烯纖維的化 學結合能為0、界面剪切力為1. 3MPa、界面滑移強化系數為0. 56。
7.一種強韌性聚丙烯纖維增強水泥基復合材料的制備方法，其特征在于將重量配比依 次為16. 7% 52. 5%U3. 39%、22. 2% 26. 3%的水泥、粉煤灰和硅砂添加到攪拌 機的攪拌桶內進行干拌，直到各基體材料攪拌均勻為止；將重量配比為6. 6% 16. 7%的 水加入上述基體材料中，進行攪拌，直到形成均勻的流動性較好的糊狀漿體為止；加入重量 配比分別為1. 3% 2. 8%,0. 03% 0. 的減水劑和增稠劑，添加過程應緩慢，然后繼續(xù) 攪拌，直到纖維分散均勻為止。
8.根據權利要求7所述的一種強韌性聚丙烯纖維增強水泥基復合材料的制備方法，其 特征在于先將重量配比依次為52. 5%,26. 3%U3. 1 %的水泥、硅砂和粉煤灰填加到攪拌機 的攪拌筒內，以勻速攪拌25 35分鐘，直至這三種基材攪拌均勻為止；接著把重量配比為 6. 6%的水加入攪拌筒內，加入要緩慢，待水全部加入之后持續(xù)攪拌5 15分鐘；然后把重 量配比為1. 3%的TH-928聚羧酸高性能減水劑和重量配比為0. 03%的羥丙基甲基纖維素 加入攪拌筒，持續(xù)勻速攪拌25 35分鐘，留給這些化學添加劑足夠的反應時間；最后沿著 攪拌筒旋轉方向慢慢加入重量配比為1. 47%的聚丙烯纖維，攪拌25 35分鐘，直到纖維分 散均勻為止。
9.根據權利要求7所述的一種強韌性聚丙烯纖維增強水泥基復合材料的制備方法，其 特征在于先將重量配比依次為30%、24%、30%的水泥、硅砂和粉煤灰填加到攪拌機的攪拌 筒內，以勻速攪拌25 35分鐘，直至這三種基材攪拌均勻為止；接著把重量配比為12% 的水加入攪拌筒內，加入要緩慢，待水全部加入之后持續(xù)攪拌5 15分鐘；然后重量配比 為2. 的FDN-AII規(guī)格的萘系高效減水劑和重量配比為0. 07%的羥乙基纖維素加入攪拌筒，持續(xù)勻速攪拌25 35分鐘，留給這些化學添加劑足夠的反應時間；最后沿著攪拌筒旋 轉方向慢慢加入重量配比為1. 83%的聚丙烯纖維，攪拌25 35分鐘，直到纖維分散均勻為止。
10.根據權利要求7所述的一種強韌性聚丙烯纖維增強水泥基復合材料的制備方法， 其特征在于先將重量配比依次為16. 7%,22. 2%、39%的水泥、硅砂和粉煤灰填加到攪拌機 的攪拌筒內，以勻速攪拌25 35分鐘，直至這三種基材攪拌均勻為止；接著把重量配比為 16. 7 %的水加入攪拌筒內，加入要緩慢，待水全部加入之后持續(xù)攪拌5 15分鐘；然后把重 量配比為規(guī)格的萘系高性能減水劑和重量配比為0. 的甲基羥乙基纖維 素加入攪拌筒，持續(xù)勻速攪拌25 35分鐘，留給這些化學添加劑足夠的反應時間；最后沿 著攪拌筒旋轉方向慢慢加入重量配比為2. 5%的聚丙烯纖維，攪拌25 35分鐘，直到纖維 分散均勻為止。
全文摘要
一種強韌性聚丙烯纖維增強水泥基復合材料及其制備方法是涉及一種強韌性聚丙烯纖維增強水泥基復合材料及其制備方法。本發(fā)明提供了一種原料易得、成本低、對加工工藝及操作環(huán)境要求較低、力學性能穩(wěn)定、韌性好的強韌性聚丙烯纖維增強水泥基復合材料及其制備方法。本發(fā)明的組成及重量配比為水泥16.7％～52.5％、粉煤灰13.1％～39％、硅砂22.2％～26.3％、水6.6％～16.7％、減水劑1.3％～2.8％、增稠劑0.03％～0.1％、聚丙烯纖維1.47％～2.5％。本發(fā)明的制備方法為將水泥、粉煤灰和硅砂添加到攪拌機的攪拌桶內進行干拌，直到各基體材料攪拌均勻為止；將水加入上述基體材料中攪拌，直到形成均勻的流動性較好的糊狀漿體為止；加入減水劑和增稠劑，然后繼續(xù)攪拌，直到纖維分散均勻為止。
文檔編號C04B16/06GK101891417SQ20101001015
公開日2010年11月24日 申請日期2010年1月20日 優(yōu)先權日2010年1月20日
發(fā)明者俞家歡 申請人:沈陽美洋建設項目管理有限公司