CN102367208A - 纤维增强无机浆料复合材料及其制备方法 - Google Patents
纤维增强无机浆料复合材料及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102367208A CN102367208A CN2011101809005A CN201110180900A CN102367208A CN 102367208 A CN102367208 A CN 102367208A CN 2011101809005 A CN2011101809005 A CN 2011101809005A CN 201110180900 A CN201110180900 A CN 201110180900A CN 102367208 A CN102367208 A CN 102367208A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- inorganic slurry
- matrix material
- fiber reinforcement
- fiber
- material according
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)
Abstract
本发明提供一种纤维增强无机浆料复合材料及其制备方法。本发明的纤维增强无机浆料复合材料包含无机浆料和纤维片，其中无机浆料包含氯氧镁水泥，以及可任选的添加剂。本发明的纤维增强无机浆料复合材料是一种更安全、经济可靠以及环境友好型的新的替代性增强复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料和材料科学领域。具体而言，本发明涉及一种纤维增强无机浆料(Fiber reinforced inorganic paste(FRiP))复合材料及其制备方法。
背景技术
纤维增强聚合物(Fiber-reinforced polymer(FRP))(也称为纤维增强塑料)是一种由聚合物基质形成的复合材料，其中聚合物基质采用纤维来增强。纤维通常为玻璃纤维、碳、或芳族聚酰胺，而聚合物通常为环氧树脂、乙烯酯或聚酯热固性塑料。纤维增强聚合物常用于航空航天、汽车、船舶和建筑工业中。
在结构工程应用中，由于其在建造和修复方面的潜在优势，在过去二十年纤维增强聚合物成为一种越来越受到关注的复合材料。在工业上，其可用于翻新改造以加强现有结构，也可在结构构件中从一开始就取代钢材作为增强材料。
在土木工程中翻新改造已成为复合材料越来越重要的用途，其应用包括：提高原有结构(例如桥梁)的负载能力，其中原有结构当初设计时能够承受的工作负载远低于目前其所承受的工作负载；抗震加固；以及修复损坏的结构。由于将有缺陷的结构替换掉的成本远高于使用纤维增强聚合物对该结构进行加固的成本，所以在许多情况下都采用的是翻新改造。
将纤维增强聚合物应用至钢筋混凝土结构中以改进挠曲性能时，其通常对强度有很大影响，但是在刚度方面却仅有中等程度的提高。这是因为在这样的应用中，所用的材料的强度通常非常高，但是其刚度不是特别高。小面积的具有高强度但是中等刚度的修复材料会显著地提高强度，而非刚度。
也可通过将织物或纤维缠绕在需强化的结构部分上，从而应用纤维增强聚合物来增强钢筋混凝土的剪切强度。对结构部分(例如桥梁或建筑物的柱子)进行缠绕也能够增强该部分的延性，从而极大地提高了在地震载荷下的抗倒塌能力。在地震多发地区主要采用这样的“抗震加固”方式，因为这比其它方法经济得多。
人们还在继续研究将纤维增强聚合物用于翻新改造、以及将其作为加固用材料或预应力材料来替代钢材。但是，应当指出的是，虽然通常认为纤维增强聚合物具有优越的性能，但是它在建筑工业中是一种昂贵的材料。成本是一方面的问题，而长期耐用性也是一方面的问题。虽然相关机构已经起草了设计规范，但是在工程界，人们对于使用这些代用材料仍存在一些迟疑。在某种程度上，这是由于缺乏标准，也是由于纤维增强聚合物在高温下(适当低于100℃)的脆性。
纤维增强聚合物中最常用的基质材料为环氧树脂，其在凝固和硬化过程中释放出令人作呕的腐蚀性气味。即使固化后***，如果复合材料的温度达到环氧树脂的玻璃转换温度(仅为60℃左右)，环氧树脂也能够发生软化。该温度很容易达到，例如在炎热的夏天持续日晒或直接与涂覆的沥青接触的情况。当达到聚合物基质的玻璃转换温度时，复合材料开始失去其硬度和增强性能，并开始显示出黏弹性，之后其抗拉强度将大幅下降。
因此，当天气炎热或有火灾发生时，任何由纤维增强聚合物所强化的建筑结构都变得对位于该建筑结构中或其附近的人们非常危险。此外，在火灾中，即使强化的结构尚未受到影响，环氧树脂的燃烧也将释放出有毒气体。
人们已开始研究采用其它材料来替代上述纤维增强聚合物。例如，美国专利US4265979提供了一种制备纤维增强石膏板的方法，包括：首先在气流中将增强纤维(例如玻璃纤维)与水泥矿物材料(半水合硫酸钙)共混合，其中二者均为干燥状态；将混合物置于移动的孔表面上，利用气流使其形成板材；以喷雾的方式在混合物中加入足以将半水合硫酸钙水合为二水合硫酸钙的水，以使混合物具有足够的塑性；对板材进行压缩致密；以及将板材进行固定干燥。在该专利中，采用的基质材料为石膏。
也有人研究采用氯氧镁水泥(Magnesium oxychloride cement(MOC))浆料作为基质材料。例如，美国专利US5571317提供了一种纤维增强氯氧镁粘合物，其中采用了短玻璃纤维，其纤维长度为1/16-2英寸；并且在所用的氯氧镁浆料中(参见实施例1)，MgO粉末的重量为约37.47盎司(计算方法是：表1中MgO+高岭土总重(46.84盎司)的4/5并假设纯度约为95％)，而29％的MgCl2水溶液的重量为42.87盎司。因此，MgO/MgCl2的摩尔比值(M)仅为约6.8。
还例如，美国专利申请公开US2010/0136269提供了一种经挤出的纤维增强水泥产品及其制备方法，这种产品具有类似木材的性能以及超高的硬度，但不具有结构修复的功能。虽然其中提到了氯氧镁水泥，但是却没有给出具体配比。
基质的选择对最终得到的复合材料的性能有深远的影响。因此，特别需要开发出一种新的纤维增强无机浆料，其在增强复合材料中利用优化的无机氯氧镁水泥浆料作为基质材料，以取代昂贵的且在高温下易碎的常规聚合物。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种纤维增强无机浆料复合材料及其制备方法。
具体而言，本发明提供：
(1)一种纤维增强无机浆料复合材料，其包含无机浆料和纤维片。
(2)根据(1)所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的无机浆料包含氧化镁、氯化镁以及水，并且所述氧化镁和所述氯化镁的摩尔比值为9-15，所述水和所述氯化镁的摩尔比值为10-20。
(3)根据(2)所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的无机浆料还包含磷酸二氢钾，并且所述的磷酸二氢钾的含量为所述氧化镁的重量的0.15％至1.5％。
(4)根据(2)所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的无机浆料还包含流变改性剂，并且所述的流变改性剂的含量为所述氧化镁的重量的0.5％至1.5％。
(5)根据(4)所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的流变改性剂选自：甲基纤维素或聚丙烯酰胺。
(6)根据(2)所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的无机浆料还包含其含量为所述氧化镁的重量的0％至15％的偏高龄土。
(7)根据(6)所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的偏高龄土的含量为所述氧化镁的重量的1％至10％。
(8)根据(2)所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的无机浆料还包含其含量为所述氧化镁的重量的0％至10％的沸石。
(9)根据(8)所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的沸石的含量为所述氧化镁的重量的1％至5％。
(10)根据(2)所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的无机浆料还包含其含量为所述氧化镁的重量的0％至10％的白垩。
(11)根据(10)所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的白垩的含量为所述氧化镁的重量的1％至5％。
(12)根据(1)所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述纤维片是以连续的方式嵌入在由所述无机浆料形成的基质中的，从而形成纤维片嵌入层。
(13)根据(12)所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的纤维片嵌入层的数目为1至5。
(14)根据(12)所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的纤维片选自碳纤维片、玄武岩纤维片、或玻璃纤维片。
(15)根据(1)-(14)中任一项所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述纤维片为经过表面处理的纤维片。
(16)根据(15)所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的经过表面处理的纤维片是在表面处理液中浸泡处理过的纤维片，所述表面处理液选自：0.1-10重量％的硅烷溶液、20-50重量％的硫酸溶液或50-100重量％的丙酮溶液。
(17)根据(16)所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述表面处理液为50-100重量％的丙酮溶液。
(18)根据(17)所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述表面处理液为99.5重量％的丙酮溶液。
(19)一种制造根据(1)-(18)中任一项所述的纤维增强无机浆料复合材料的方法。
(20)根据(19)所述的方法，其包括：采用湿法敷涂层工艺制备所述的纤维增强无机浆料复合材料。
(21)根据(20)所述的方法，其中所述的湿法敷涂层工艺的步骤为：
1)在一个平滑的表面上均匀地涂覆无机浆料；
2)在所涂覆的无机浆料上铺设一层纤维片，再次在所述纤维片的表面上均匀地涂覆无机浆料；
3)任选地重复所述步骤2)1-4次。
本发明和现有技术比较具有以下有益效果：
与采用常规的聚合物环氧树脂基质(其将在玻璃转换温度60℃左右发生软化，并在高温下释放有毒气体)的纤维增强聚合物相比，本发明在最新开发的纤维增强无机浆料体系中，用氯氧镁水泥取代聚合物基质，并在其中嵌入长纤维片，从而形成新的复合材料。本发明中采用的无机氯氧镁水泥浆料在高温、紫外线照射、化学腐蚀、以及机械性磨损等条件下更耐用。本发明的另一个显著优点是纤维增强无机浆料复合材料的耐火性得到增强。在某些功能上，本发明的纤维增强无机浆料复合材料可达到常规的纤维增强聚合物体系的效果；因此在工业中使用本发明的纤维增强无机浆料复合材料不仅能够用于翻新改造以加强现有结构，也可在结构构件中从一开始就取代钢材作为增强材料。
进一步而言，与普通的硅酸盐水泥相比，本发明中采用的氯氧镁水泥具有众多的优势。它的耐火性高、导热率低、抗磨性好；并且不受油、油脂、油漆影响。它可适用于各种团聚物(包括碎石、沙、大理石粉、木材颗粒、以及膨胀粘土)中，用量也可以较大。与普通水泥的高碱性相比，本发明中采用的氯氧镁水泥的低碱性可使其适合与玻璃纤维一起使用，从而防止纤维的老化问题。通过优化所选的矿物和化学掺混物，能够使本发明的纤维增强无机浆料复合材料实现大范围的物理强度和性能，使其适用于广泛的用途和环境条件。从而，本发明的纤维增强无机浆料复合材料是一种更安全、经济可靠以及环境友好型的新的替代性增强复合材料。
附图说明
图1为空气固化7天后的不同混合物的强度的图；
图2为代表性混合物的强度发展的图；
图3为MgO-MgCl2-H2O三元体系的相图，其中(a)为室温的等温截图；(b)为(a)的放大图，其中所选的混合物的标记分别是：a.M07/H10；b.M07/H12；c.M07/H14；d.M07/H16；e.M09/H12；f.M09/H16；g.M11/H12；h.M13/H12；i.M13/H14；j.M13/H16；以及k.M17/H16；
图4分别示出混合物(a)M07/H10(对应于图3中的点a)、(b)M07/H12(对应于图3中的点b)、以及(c)M09/H12(对应于图3中的点e)的X-射线衍射谱图；
图5分别示出混合物(a)M11/H12(对应于图3中的点g)、(b)M13/H12(对应于图3中的点h)、(c)M13/H14(对应于图3中的点i)、以及(d)M13/H16(对应于图3中的点j)的X-射线衍射谱图；
图6为相5的束针状结晶的交错的微观结构图；
图7为拉伸试验的试验装置图，其中阴影区为夹钳的结合部位(gripping lay-up)，并且图中所示的各数值表示相应部分的尺寸(mm)；
图8为具有4层单向碳片的FRiP样品的拉伸强度的图；
图9为FRiP复合材料的纤维细丝在硬化的MOC基质中的分布图；
图10为在纤维细丝之间生长的MOC结晶相的形态图；
图11为FRiP的耐火性试验的温度示意图；
图12为持续暴露于高温后的FRiP样品的拉伸强度的图，其中：(a)FRiP_025表示处于25℃(没有持续暴露于高温)的FRiP样品，(b)FRiP_100表示暴露于100℃后的FRiP样品，(c)FRiP_200表示暴露于200℃后的FRiP样品，(d)FRiP_300表示暴露于300℃后的FRiP样品；
图13为弯曲试验的试验装置图，阴影区为FRiP复合材料，其中P/2表示施加荷载的一半(根据四点弯曲试验而设)，并且图中所示的各数值表示相应部分的尺寸(mm)；
图14为通过FRiP复合材料加固的混凝土梁的挠曲强度图，其中：(a)FRiP_025表示处于25℃(没有持续暴露于高温)的FRiP样品，(b)FRiP_100表示暴露于100℃后的FRiP样品，(c)FRiP_200表示暴露于200℃后的FRiP样品，(d)FRiP_300表示暴露于300℃后的FRiP样品；
图15为单剪试验的试验装置图，其中阴影区为FRiP复合材料，并且图中所示的各数值表示相应部分的尺寸(mm)；
图16为FRiP复合材料在无筋混凝土上的单剪试验的试验结果图，其中(a)FRiP_AcT表示其纤维经丙酮溶液处理的FRiP样品，(b)FRiP_Silane表示其纤维经硅烷溶液处理的FRiP样品，(c)FRiP_SuL表示其纤维经硫酸溶液处理的FRiP样品，(d)FRiP表示其纤维未经表面处理的FRiP样品；
图17为钢筋混凝土梁的弯曲试验的试验装置图，其中阴影区为FRiP复合材料，其中P/2表示施加荷载的一半，2T8表示两根直径为8mm的钢筋，2T10表示两根直径为10mm的钢筋，并且图中所示的各数值表示相应部分的尺寸(mm)；
图18为通过FRiP复合材料加固的钢筋混凝土梁的挠曲强度图，其中：(a)RC_FRiP_AcT表示其上设置有纤维经丙酮溶液处理的FRiP样品的RC梁；(b)RC_FRiP表示其上设置有纤维未经表面处理的FRiP样品的RC梁；(c)Plain RC表示其上没有设置FRiP样品的RC梁；
图19为含有不同添加剂的氯氧镁基质的耐水性试验结果图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式的描述并参照附图对本发明作进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。
本文中所述的氯氧镁水泥具有广泛的应用(例如作为结构修复材料)，并因而引发了众多的研究兴趣。作为化学结合型无机材料，氯氧镁水泥(也称为索雷尔镁质水泥)是一种非水硬性水泥。它是通过将粉末状轻烧氧化镁与氯化镁的浓缩液混合而形成的。氯氧镁水泥的凝固和硬化是在溶液反应中发生的。在三元氯氧镁体系中四个主结晶相为2Mg(OH)2·MgCl2·4H2O(相2)、3Mg(OH)2·MgCl2·8H2O(相3)、5Mg(OH)2·MgCl2·8H2O(相5)、和9Mg(OH)2·MgCl2·5H2O(相9)。其中，相3和相5可于室温下存在，而相2和相9仅在温度高于100℃下才能稳定存在。其它可能的反应产物为氢氧化镁或水镁石(Mg(OH)2)的二元相。氯氧镁的结晶良好的针状相5为轴-管状晶须。由这些晶须的交互生长造成的机械联锁与密集的微观结构为氯氧镁水泥的强度发展的主要来源。因此，氯氧镁水泥的机械性能很大程度上依赖于相构造，其次为原材料的适当比例。
本发明中采用的氯氧镁水泥中，优选的是，氧化镁和氯化镁的摩尔比值为9-15，更优选为10-14，进一步优选为11-13；优选的是，水和氯化镁的摩尔比值为10-20，更优选为12-18，进一步优选为12-14。更进一步优选的是，氧化镁和氯化镁的摩尔比值为13，且水和氯化镁的摩尔比值为12。
本发明的纤维增强无机浆料复合材料中可含有磷酸二氢钾，其具有提高MOC耐水性的作用。优选的是，磷酸二氢钾的含量为氧化镁的重量的0.15％-1.5％，更优选为氧化镁的重量的0.5％-1.2％，进一步优选为氧化镁的重量的1％。
本发明的纤维增强无机浆料复合材料中可含有流变改性剂。优选的是，流变改性剂的含量为氧化镁的重量的0.5％至1.5％，更优选为氧化镁的重量的0.8％-1.2％，进一步优选为氧化镁的重量的1％。流变改性剂优选为甲基纤维素或聚丙烯酰胺，更优选为聚丙烯酰胺。
本发明的纤维增强无机浆料复合材料中可任选地含有偏高龄土(metakaolin)、沸石(zeolite)和/或白垩(chalk)，这些矿物材料可提高MOC的耐久性。优选的是，偏高龄土的含量为氧化镁的重量的0％至15％，更优选为氧化镁的重量的1％-10％。优选的是，沸石的含量为氧化镁的重量的0％至10％，更优选为氧化镁的重量的1％-5％。优选的是，白垩的含量为氧化镁的重量的0％至10％，更优选为氧化镁的重量的1％-5％。优选的是，本发明的纤维增强无机浆料复合材料中含有偏高龄土、沸石和白垩的混合物。
在本发明的纤维增强无机浆料复合材料中，纤维片可以是以连续的方式嵌入在由所述无机浆料形成的基质中的，从而形成纤维片嵌入层。纤维片嵌入层的数目优选为1至5层(例如为1、2、3、4、5层)，更优选为2至4层。
本发明中采用的纤维片可选自碳纤维片、玄武岩纤维片、或玻璃纤维片。
优选的是，本发明中采用的纤维片是经过表面处理的纤维片，更优选为在表面处理液中浸泡处理过的纤维片，表面处理液可选自：0.1-10重量％的硅烷溶液、20-50重量％的硫酸溶液或50-100重量％的丙酮溶液。表面处理液优选为50-100重量％的丙酮溶液，进一步优选为99.5重量％的丙酮溶液。具体而言本发明中采用的纤维片可经如下三种表面处理方式中的任意一种方式处理：
(I)在70±5℃下将纤维片在浓度为0.1-10重量％的硅烷溶液中浸泡适当时间；例如在70℃下将纤维片在0.5重量％的硅烷溶液中浸泡2小时；
(II)在25±5℃下将纤维片在浓度为20-50重量％的硫酸溶液中浸泡适当时间；例如在室温下将纤维片在40重量％的硫酸溶液中浸泡24小时；
(III)在25±5℃下将纤维片在浓度为50-100重量％的丙酮溶液中浸泡适当时间；例如在室温下将纤维片在99.5重量％的丙酮溶液中浸泡24小时。
优选的是，在室温下将纤维片在99.5重量％的丙酮溶液中浸泡24小时。在进行上述处理后，可以用水对纤维片进行清洗，并缓慢加热至70℃±5℃直至干燥，备用。
对本发明中采用的纤维片的类型没有特别限制，只要其适用于本发明即可。纤维片可以是(例如)单向长纤维片。其密度优选为150-250g/m2，更优选为180-220g/m2；其厚度优选为0.1-0.2mm，更优选为0.13-0.18mm。
可以采用湿法敷涂层工艺制备所述的纤维增强无机浆料复合材料。湿法敷涂层工艺的步骤通常为：首先在一个平滑的表面涂上适量的无机浆料，然后铺上第一层的纤维片，再在纤维片之上涂上适量的无机浆料，把无机浆料均匀的分布在纤维片的表面，可以用滚筒把多余的空气排走，这样就完成一层纤维片的铺设。如果需要铺设多层纤维片，可用上述相同的方法继续铺设其余的纤维片。
以下通过具体例子进一步解释或说明本发明内容，但这些例子不应被理解为对本发明保护范围的限制。
原材料
纤维增强无机浆料复合材料的原材料为氧化镁、氯化镁、水、和长碳纤维。本研究中所用的氧化镁为纯度为96％的煅烧氧化镁粉末(得自位于中国山东省济南市的济南鲁东耐火材料有限公司)。所用的氯化镁为纯度为98％的六水合物(MgCl2·6H2O)晶体(得自位于香港的KinShing Ind.Material有限公司)。通过X-射线荧光光谱仪(JEOLJSX-3201Z)分析得到的MgO粉末的化学成分和六水合镁的化学成分分别见表1和表2。首先将氯化镁六水合物溶解在水中，然后与氧化镁粉末混合形成氯氧镁水泥浆料。本研究中所用的单向长碳纤维片的密度为200g/m2，抗拉强度为4,200MPa，弹性模量为235GPa，以及厚度为0.11mm(得自Advanced Structures and Materials Ltd.H.K.公司)。
表1 氧化镁粉末的化学成分
| 成分 | MgO | SiO2 | P2O5 | SO4 | K2O | CaO | MnO | Fe2O3 | Eu2O3 |
| 质量分数(％) | 96.58 | 0.766 | 0.037 | 0.162 | 0.020 | 1.408 | 0.137 | 0.774 | 0.116 |
表2 六水合镁的化学成分
| 成分 | MgCl2 | H2O | CaCl2 | NaCl | KCl |
| 质量分数(％) | 45.8 | 52.0 | 1.3 | 0.6 | 0.3 |
制备例1 氯氧镁基质的配方
首先，***地检测氯氧镁基质的性质，以得出用于制备纤维增强无机浆料复合材料所用的材料的合适范围。对于室温下的MgO-MgCl2-H2O的三元体系，通常使用MgO/MgCl2和H2O/MgCl2的2个摩尔比值描述该体系。大范围的氯氧镁水泥的样品基质以及摩尔比值的组合参见表3。MgO/MgCl2的摩尔比值从7开始，其高于相5的理论值，这是因为需要过量的MgO以促进形成相5的结晶。MgO/MgCl2的最高摩尔比值可达到17，这是因为对于待检测的氯氧镁相的不同的组合，需要足量的氢氧化镁的反应产物。但是选择H2O/MgCl2的摩尔比值受限于MgCl2溶液的浓度、流动性、以及混合物的粘结性。这些也是氯氧镁水泥的常规应用中所面临的问题(甚至需要满足更严格要求)。
表3 具有不同摩尔比值的MOC水泥的样品基质
为了便于讨论，将使用以下缩写来表示各混合物不同的摩尔比值。对于MgO/MgCl2的摩尔比值为xx和H2O/MgCl2的摩尔比值为yy的混合物，其表示为Mxx/Hyy。例如，表3左上角的混合物表示为M07/H10，而表中右下角的混合物表示为M17/H20。
图1中绘制和比较了空气固化7天后的不同混合物的抗压强度。它显示了在MgO/MgCl2为固定摩尔比值下，混合物的强度随着H2O/MgCl2的摩尔比值的降低而增加。此外，在H2O/MgCl2为固定摩尔比值下，混合物的抗压强度随着MgO/MgCl2的摩尔比值的改变而改变。MgO/MgCl2的摩尔比值越高，强度越高。最高强度为混合物M13/H12的150MPa，而最低强度为混合物M07/H16的42MPa。混合物间的最高强度和最低强度如此大的差别可能在于混合物(其具有氯氧镁相的不同组合)的微观结构和性能的差别。
具有最高的7天抗压强度的混合物对应于MgO/MgCl2的各摩尔比值分别为M07/H10、M09/H10、M11/H12、M13/H12、M15/H14以及M17/H16。这些混合物在浇注后的最初2个星期内的强度发展如图2所示。如图所示，M13/H12在所有阶段具有最高的强度，而M07/H10具有最低的强度。图中还显示了混合物M13/H12相比于其它混合物还具有最快速的强度发展。这意味着混合物M13/H12在机械性能方面具有最佳的MgO/MgCl2和H2O/MgCl2的摩尔比值组合。
一些选定的混合物的组成点标示在如图3所示的三元体系MgO-MgCl2-H2O的相图中，其中MgO消耗率为约50％。图3所标示的混合物的相对应的X-射线衍射图在图4(点a、b和e)、图5(点g、h、i和j)中进行了比较。图4显示了混合物M07/H10主要包含相3和过量的MgO，而混合物M07/H12和M09/H12则包含相3和相5作为主要的反应产物。此外，图5显示了混合物M11/H12、M13/H12、M13/H14、以及M13/H16主要包含相5和过量MgO。通过比较这些混合物的强度测量值和相标记表明，M13/H12在为氯氧镁水泥获得相5晶体以及良好的机械性能方面，具有最佳的MgO/MgCl2和H2O/MgCl2的摩尔比值组合。相5多晶的束针状结晶的交错的微观结构的典型形态如图6所示。考虑到新制成的混合物的可加工型和硬化的氯氧镁基质的最终的抗压强度，2个摩尔比值的合适的范围为：对于M为9-15，对于H为10-20。此外，为了提高氯氧镁基质的耐水性，向基质的组分中加入其含量为MgO的重量的1％的磷酸二氢钾(KDP)。
制备例2
为了进一步改善氯氧镁的耐久性，可以在氯氧镁基质中使用KDP和适当的矿物添加剂，如偏高龄土、沸石和白垩(均可得自山东大元实业有限公司)。选用在制备例1当中的M11/H13配方，比较单掺其含量为MgO的重量的0.5％的KDP，单掺1％的KDP，复合添加1％的KDP以及10％的偏高龄土、5％的沸石和5％的白垩的耐水性能。各试件先在空气中养护一周，测试其抗压强度，然后将部分试件完全浸泡于水中，分别浸泡3、7、10和14天后取出，再测试其抗压强度。浸泡后的强度除以空气养护一周后的强度，得到的百分数称为该试件的强度保留系数。结果显示于图19中。由图19可见，没有任何添加剂的试件在浸泡于水中14天后，其强度明显下降至不足一半；单掺0.5％的KDP的试件的耐水性能有所改善；增加KDP的掺量至1％后，试件的耐水性能得到进一步提升；最后，复合添加1％的KDP以及10％的偏高龄土、5％的沸石和5％的白垩，试件连续浸泡于水中2周后的抗压强度，仍可保持在接近原来的九成。结果表明，选用适当用量的矿物添加剂，不仅可以节省成本和环境友好，还可以改善氯氧镁基质的耐水性能。
实施例1纤维增强无机浆料复合材料的抗拉强度
通过湿法敷涂层法，制备具有4层单向碳纤维片的纤维增强无机浆料(FRiP)样品。其中，首先在一个平滑的表面涂上适量的无机浆料，然后铺上第一层的纤维片，再在纤维片之上涂上适量的无机浆料，把无机浆料均匀的分布在纤维片的表面，并用滚筒把多余的空气排走，这样就完成一层纤维片的铺设，其余的3层纤维片可用相同的方法叠加。
为了在敷涂碳纤维片的过程中，增强新制成的氯氧镁浆料的可加工性和坚固性，加入其含量为MgO的重量的1％的PAM(聚丙烯酰胺)。为了便于证明，选择制备M11/H13，并利用其制造纤维增强无机浆料复合材料。将氯氧镁基质硬化后，将纤维增强无机浆料样品切成4×20×300mm尺寸大小，并在实验室空气中熟化。用如图7所示的试验装置在14天的阶段中进行样品的单轴向拉伸测试。
纤维增强无机浆料复合材料在单轴向拉伸载荷下的典型表现如图8所示，其表现出的拉伸应变为约10％。复合材料的平均厚度为约4mm，预计其拉伸能力高于180MPa。通过使用光学显微镜，检测纤维增强无机浆料复合材料的纤维丝在硬化的氯氧镁基质中的分布情况。如图9所示，碳纤维丝均匀分布在氯氧镁基质中。此外，在如图10所示的扫描电子显微镜(SEM)观测结果中，可发现相5多晶在纤维丝之间生长，这将在拉伸载荷下提供良好的机械联锁。
为了进一步评价纤维增强无机浆料强化型复合材料的耐火性，将样品暴露于炉内的持续高温下。按照图11中显示的时间，最终温度水平分别设置在100℃、200℃、300℃，升温速率为每分钟10℃，暴露时间为2小时。降温后，在经炉加热的样品上进行单向拉伸试验，结果如图12所示，在图中可以清晰地看到，加热处理后样品的刚度低于处理前的刚度。但是在高达300℃的高温持续暴露120分钟后，样品的抗拉强度仍在原有强度的80％的范围内。这意味着纤维增强无机浆料复合材料本身具有出色的耐火性。以下将检测纤维增强无机浆料复合材料在高温下的抗弯加固能力。
实施例2 纤维增强无机浆料复合材料的抗弯加固能力
按照与实施例1类似的方法制备具有2层单向碳纤维片的纤维增强无机浆料(FRiP)样品。
首先，以100×100×380mm的尺寸(适合炉的弧度)浇注无筋混凝土梁。混凝土基质具有28天的约50MPa的抗压强度。在将具有2层碳纤维片的纤维增强无机浆料复合材料(其宽度为梁的一半)进行敷涂之前，通过电子振动器使混凝土梁的表面变得粗糙。
图13中描述的是用于进行经纤维增强无机浆料增强的无筋混凝土梁的弯曲试验的试验装置。图14中比较的是经前述热处理后的增强的混凝土梁的挠曲强度。通常在纤维增强无机浆料复合材料和混凝土基质的界面开始脱粘之后，在撤除载荷之后所有样品表现出应***化行为。如图所示，如果周围温度低于200℃，并没有太多地影响到纤维增强无机浆料复合材料的加固能力(适当高于80％)。经纤维增强无机浆料增强的混凝土梁主要的失效模式是纤维增强无机浆料复合材料的分层，而非复合材料和混凝土基质间的脱粘。据信，分层是由于碳丝的光滑表面(其为纤维制造过程中特殊处理的结果)造成的。
实施例3 纤维增强无机浆料和混凝土的粘合
可通过如图15所示的单剪试验，更直接地检测纤维增强无机浆料和混凝土的粘合。对于这个试验，以100×100×500mm的尺寸浇注无筋混凝土梁，并使用与实施例2中所述的相同的混凝土混合物(即，具有28天的约50MPa的抗压强度的混凝土)。在将具有2层碳纤维片的纤维增强无机浆料复合材料(其宽度为梁的一半)进行敷涂之前，通过电子振动器使混凝土梁的表面变得粗糙。
本实施例中所用的具有2层碳纤维片的纤维增强无机浆料复合材料样品是按照与实施例1类似的方法制备的，不同之处在于其中的碳纤维片经过如下所述的表面处理。
为了增强纤维丝和氯氧镁基质间的粘合力，以及为了防止纤维增强无机浆料复合材料中纤维分层，对碳纤维片进行特殊处理，以除去细丝上的表面涂层。分别使用了三种表面处理方法：(i)在70℃下将纤维片在0.5％的硅烷溶液中浸泡2小时；(ii)在室温下将纤维片在40％的硫酸溶液中浸泡24小时；以及(iii)在室温下将纤维片在99.5％的丙酮溶液中浸泡24小时。处理后，用自来水对纤维片进行彻底的清洗，并缓慢加热至70℃直至干燥，备用。
在图16中比较的是无筋混凝土梁的单剪试验的结果，其中无筋混凝土梁由具有碳纤维片的纤维增强无机浆料加固，其中碳纤维片分别用不同的表面处理方法进行了处理。可以看出，在进行各种表面处理之后，增强了单剪负荷，对于使用了在丙酮溶液中浸泡后的碳纤维片的样品尤其如此。剪切负荷的增加多达30％，采用经改进的纤维增强无机浆料复合材料增强的钢筋混凝土梁的失效模式为脱粘，而非纤维分层。这也可以通过在直接剪切下样品具有更大的剪切变形(高于20％)得以反映。此外，在本研究中，与使用其它两种化学试剂的方法相比，使用丙酮的方法的成本更低且操作更安全。
实施例4 具有改进的纤维的纤维增强无机浆料的抗弯加固能力
最后，对纤维增强无机浆料复合材料在钢骨钢筋混凝土(RC)梁上的抗弯加固能力进行评估，其中纤维增强无机浆料复合材料使用经丙酮改进的碳纤维片。弯曲试验的试验设备以及钢筋混凝土的钢筋布置如图17所示。纤维增强无机浆料复合材料(其横向尺寸为梁的宽度的一半)具有2层经丙酮改进的碳纤维片敷涂层。如图18所示，实验结果证实了，具有经丙酮改进的碳纤维片的纤维增强无机浆料复合材料，由于其偏向脱粘失效模式，从而具有更好的加固能力以及更高的延展性。
Claims (21)
1.一种纤维增强无机浆料复合材料，其包含无机浆料和纤维片。
2.根据权利要求1所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的无机浆料包含氧化镁、氯化镁以及水，并且所述氧化镁和所述氯化镁的摩尔比值为9-15，所述水和所述氯化镁的摩尔比值为10-20。
3.根据权利要求2所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的无机浆料还包含磷酸二氢钾，并且所述的磷酸二氢钾的含量为所述氧化镁的重量的0.15％至1.5％。
4.根据权利要求2所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的无机浆料还包含流变改性剂，并且所述的流变改性剂的含量为所述氧化镁的重量的0.5％至1.5％。
5.根据权利要求4所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的流变改性剂选自：甲基纤维素或聚丙烯酰胺。
6.根据权利要求2所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的无机浆料还包含其含量为所述氧化镁的重量的0％至15％的偏高龄土。
7.根据权利要求6所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的偏高龄土的含量为所述氧化镁的重量的1％至10％。
8.根据权利要求2所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的无机浆料还包含其含量为所述氧化镁的重量的0％至10％的沸石。
9.根据权利要求8所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的沸石的含量为所述氧化镁的重量的1％至5％。
10.根据权利要求2所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的无机浆料还包含其含量为所述氧化镁的重量的0％至10％的白垩。
11.根据权利要求10所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的白垩的含量为所述氧化镁的重量的1％至5％。
12.根据权利要求1所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述纤维片是以连续的方式嵌入在由所述无机浆料形成的基质中的，从而形成纤维片嵌入层。
13.根据权利要求12所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的纤维片嵌入层的数目为1至5。
14.根据权利要求12所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的纤维片选自碳纤维片、玄武岩纤维片、或玻璃纤维片。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述纤维片为经过表面处理的纤维片。
16.根据权利要求15所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述的经过表面处理的纤维片是在表面处理液中浸泡处理过的纤维片，所述表面处理液选自：0.1-10重量％的硅烷溶液、20-50重量％的硫酸溶液或50-100重量％的丙酮溶液。
17.根据权利要求16所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述表面处理液为50-100重量％的丙酮溶液。
18.根据权利要求17所述的纤维增强无机浆料复合材料，其中，所述表面处理液为99.5重量％的丙酮溶液。
19.一种制造根据权利要求1-18中任一项所述的纤维增强无机浆料复合材料的方法。
20.根据权利要求19所述的方法，其包括：采用湿法敷涂层工艺制备所述的纤维增强无机浆料复合材料。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述的湿法敷涂层工艺的步骤为：
1)在一个平滑的表面上均匀地涂覆无机浆料；
2)在所涂覆的无机浆料上铺设一层纤维片，再次在所述纤维片的表面上均匀地涂覆无机浆料；
3)任选地重复所述步骤2)1-4次。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US34430410P | 2010-06-25 | 2010-06-25 | |
| US61/344,304 | 2010-06-25 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102367208A true CN102367208A (zh) | 2012-03-07 |
Family
ID=45759805
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2011101809005A Pending CN102367208A (zh) | 2010-06-25 | 2011-06-27 | 纤维增强无机浆料复合材料及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102367208A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105350707A (zh) * | 2015-09-28 | 2016-02-24 | 成都理工大学 | 一种矿物纤维增强绿色节能环保新型墙体及制备方法 |
| CN106278125A (zh) * | 2016-08-15 | 2017-01-04 | 马鞍山十七冶工程科技有限责任公司 | 一种改性生态纤维加强的再生骨料轻质墙材及制备方法 |
| CN115432991A (zh) * | 2017-11-07 | 2022-12-06 | 米泰克控股公司 | 超稳定水泥基材料配制物、其制造方法以及超稳定瓷砖背衬板配制物和其制造方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1283666A (zh) * | 1999-08-05 | 2001-02-14 | 陈志敏 | 防腐阻燃材料及其制造方法 |
-
2011
- 2011-06-27 CN CN2011101809005A patent/CN102367208A/zh active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1283666A (zh) * | 1999-08-05 | 2001-02-14 | 陈志敏 | 防腐阻燃材料及其制造方法 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105350707A (zh) * | 2015-09-28 | 2016-02-24 | 成都理工大学 | 一种矿物纤维增强绿色节能环保新型墙体及制备方法 |
| CN106278125A (zh) * | 2016-08-15 | 2017-01-04 | 马鞍山十七冶工程科技有限责任公司 | 一种改性生态纤维加强的再生骨料轻质墙材及制备方法 |
| CN115432991A (zh) * | 2017-11-07 | 2022-12-06 | 米泰克控股公司 | 超稳定水泥基材料配制物、其制造方法以及超稳定瓷砖背衬板配制物和其制造方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Blazy et al. | Polypropylene fiber reinforced concrete and its application in creating architectural forms of public spaces | |
| Zareei et al. | Recycled ceramic waste high strength concrete containing wollastonite particles and micro-silica: A comprehensive experimental study | |
| Nawaz et al. | Geopolymers in construction-recent developments | |
| Bankir et al. | Performance optimization of hybrid fiber concretes against acid and sulfate attack | |
| Shoukry et al. | Flexural strength and physical properties of fiber reinforced nano metakaolin cementitious surface compound | |
| Hosseinzadeh et al. | The effects of steel, polypropylene, and high-performance macro polypropylene fibers on mechanical properties and durability of high-strength concrete | |
| CN104891832A (zh) | 抗疲劳的碱式硫酸镁水泥及其制备方法 | |
| CN104909591A (zh) | 一种抗折弯的碱式硫酸镁水泥及其制备方法 | |
| Karaburc et al. | Evaluation of the basalt fiber reinforced pumice lightweight concrete | |
| Rajak et al. | Effect of micro polypropylene fibre on the performance of fly ash-based geopolymer concrete | |
| Aldred et al. | Guide for the use of silica fume in concrete | |
| CN102367208A (zh) | 纤维增强无机浆料复合材料及其制备方法 | |
| Christina Mary et al. | Experimental investigation on strength and durability characteristics of high performance concrete using ggbs and msand | |
| Yadav et al. | Literature Survey on Evaluation of High Volume Fly Ash (HVFA) Concrete Mechanical Properties after Being Exposed to High Temperatures | |
| Sivagnanaprakash et al. | A study on structural applicability of flyash bricks with quarry dust–An ecofriendly alternative for clay bricks | |
| Diop et al. | Manufacturing brick from attapulgite clay at low temperature by geopolymerization | |
| CN104591664B (zh) | 用于钢-混组合梁负弯矩区的长寿命混凝土及其制备方法 | |
| Chanda et al. | A comprehensive review on the factors influencing engineering characteristics of lightweight geopolymer concrete | |
| CN106699090A (zh) | 一种内墙干粉砂浆 | |
| Ramezanianpour et al. | Engineering properties and durability of concretes containing limestone cements | |
| Lawan et al. | Investigation of concrete strength made with nanoparticles and metakaolin in acid and sulphate solution | |
| Kirupa et al. | Possible materials for producing Geopolymer concrete and its performance with and without Fibre addition-A State of the art review | |
| Kakasor et al. | Geopolymer concrete: Properties, durability and applications | |
| CN102503200A (zh) | 一种纤维复合磷铝酸盐水泥及其浆体和混凝土的制备方法 | |
| Rani et al. | Experimental study of geopolymer concrete by using glass fibers |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| REG | Reference to a national code |
Ref country code: HK Ref legal event code: DE Ref document number: 1166490 Country of ref document: HK |
|
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20120307 |
|
| REG | Reference to a national code |
Ref country code: HK Ref legal event code: WD Ref document number: 1166490 Country of ref document: HK |