CN107602021A - 纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料及其制备方法，1)按配方比例称取水泥、粉煤灰、消泡剂、纳米二氧化钛、砂于搅拌容器中，利用砂浆搅拌机搅拌至颜色均匀的干粉；2)将减水剂和水混合均匀并加入到所述步骤1)得到的干粉中，通过5～6分钟的低速、高速搅拌流程制备浆体；3)将钢纤维加入拌合物浆体中，进行2～3分钟搅拌使得钢纤维分散均匀；4)将所述步骤3)得到的拌合物浇筑到模具中并进行适当的振捣；5)在标准养护48小时后进行96小时的85℃蒸汽养护，制备出所述水泥基材料。发挥了纳米二氧化钛与超高性能水泥基复合材料相互协同的增强作用，同时具备良好的工作性能，适用于大型土木工程对结构材料具有超高性能的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种掺有纳米二氧化钛的超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料及其制备方法技术,属于建筑材料和基础工程建设技术领域。
背景技术
超高性能水泥基复合材料是上世纪末发展起来的一类新型水泥基材料，具有优异的静、动态力学性能、抗裂性能和耐久性能，符合土木、建筑、市政、交通和国防防护等多个领域对新材料的要求，应用范围和应用潜力巨大。
纳米材料相比常规材料，具有显著更大的比表面积、显著更高的表面活性以及显著更大的表面原子所占比例，加入到水泥基材料中不仅可以起到填充效应，弥补水泥、矿物掺和料等填充性能的不足，增加机体的密实性，同时其高表面活性和大比表面积可以促进胶凝材料的水化，为水化产物的生成提供更多的成核位点，产生晶核效应。鉴于纳米材料的这些特性，纳米材料完全可以应用到水泥基材料中作为增强材料。
高性能纤维是超高性能水泥基材料的重要组成部分，相比于使用单一种类的纤维，进行两种或两种以上的不同类型、不同弹性模量、不同尺寸的纤维混杂有助于提高纤维的增强作用和改善材料的破坏形态。
因此，充分发挥纳米材料以及混杂纤维的协同增强作用，是研制低能耗、高性价比、性能优异的超高性能水泥基材料的重要途径。
发明内容
技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种制备纳米二氧化钛超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料的方法，该方法发挥了纳米二氧化钛的填充效应和晶核效应，同时由于纤维混杂也改善了材料的力学性能和破坏机理。
技术方案：本发明的纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料包括以下组分且各组分的单方用量配比(kg/m3)如下：
水泥 579～633；
纳米二氧化钛 8～45；
粉煤灰 304～318；
硅灰 101～106；
砂 1010～1060；
超细镀铜钢纤维 190～200；
减水剂 16～20；
消泡剂 9～11；
水 168～205；
所述的水泥是强度等级52.5的硅酸盐水泥；
所述的纳米二氧化钛是属于金红石型的，粒径范围为5～60nm，其纯度超过99.5％；
所述的粉煤灰是Ⅰ级低钙粉煤灰；
所述的硅灰是比表面积达到22000m2/kg的微硅灰；
所述的砂是最大粒径不超过2.36mm的石英质河砂；
所述的超细镀铜钢纤维是直径为0.2mm，长度13mm的平直形或端钩形镀铜钢纤维；
所述的减水剂是减水率大于40％的聚羧酸系外加剂；
所述的消泡剂是高效有机硅消泡粉。
本发明还提供了一种制备纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)按配方比例依次称取水泥、粉煤灰、硅灰、消泡剂于搅拌锅中手动搅拌均匀，再依次加入纳米二氧化钛和砂，利用实验室用砂浆搅拌机搅拌至颜色均匀的干粉；
2)称取减水剂和水混合均匀成水剂，缓慢加入到所述步骤1)得到的干粉中。首先以140±5r/min的转速搅拌4～5分钟，然后以285±10r/min的转速搅拌1分钟左右，形成工作性良好的浆体；
3)将称取好的钢纤维均匀加入搅拌容器中，持续搅拌2～3分钟，使钢纤维在基体中分散均匀；
4)把所述步骤3)制备的拌合物浇筑到模具中，利用振动台振动至内部气泡排出；
5)进行标准养护48小时后拆模，接着进行96小时的85℃蒸汽养护，得到所述的复合材料试件。
有益效果：本发明提供的纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料及其制备方法，与同类技术相比具有高性价比、制备工艺简单、生态环保等特点，可在土木工程材料领域广泛推广。
本发明的纳米二氧化钛具有纳米尺寸效应，将其加入到水泥基材料中可以起到填充效应和晶核效应，从而促进水泥的水化和基体的密实，提高复合材料的力学性能。本发明结合纳米二氧化钛和混杂钢纤维增强超高性能水泥基复合材料两者的优点，通过上述方法制备的复合材料可以应用于建筑工程、交通工程、市政工程、隧道工程以及有特殊要求的工程结构等土木工程材料领域。
本发明着眼于微纳米材料和混杂钢纤维的多元复合效应，通过掺入纳米二氧化钛、硅灰和粉煤灰弥补了水泥粒子填充性能的不足，同时通过钢纤维混杂改善了复合材料的力学性能和破坏机理，在简单成型工艺和养护条件下成功制备出易于施工操作、抗压强度180MPa～240MPa、抗折强度35MPa～55MPa的纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料。
具体实施方式
以下结合具体实例对本发明的纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料作进一步详细说明。
一种纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料，含有水泥、纳米二氧化钛、粉煤灰、硅灰、砂、减水剂、消泡剂、钢纤维和水，单方用量配比(kg/m3)如下：
水泥 579～633；
纳米二氧化钛 8～45；
粉煤灰 304～318；
硅灰 101～106；
砂 1010～1060；
超细镀铜钢纤维(平直形和端钩形两种纤维质量比2:1混杂) 190～200；
减水剂 16～20；
消泡剂 9～11；
水 168～205；
所述的水泥是强度等级52.5的硅酸盐水泥；
所述的纳米二氧化钛是属于金红石型的，粒径范围为5～60nm，其纯度超过99.5％；
所述的粉煤灰是Ⅰ级低钙粉煤灰；
所述的硅灰是比表面积达到22000m2/kg的微硅灰；
所述的砂是最大粒径不超过2.36mm的石英质河砂；
所述的超细镀铜钢纤维是直径为0.2mm，长度13mm的平直形或端钩形镀铜钢纤维；
所述的减水剂是减水率大于40％的聚羧酸系外加剂；
所述的消泡剂是高效有机硅消泡粉。
本发明的一种纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料的制备方法包括以下步骤：
1)按配方比例依次称取水泥、粉煤灰、硅灰、消泡剂于搅拌锅中手动搅拌均匀，再依次加入纳米二氧化钛和砂，利用实验室用砂浆搅拌机搅拌至颜色均匀的干粉；
2)称取减水剂和水混合均匀成水剂，缓慢加入到所述步骤1)得到的干粉中。首先以140±5r/min的转速搅拌4～5分钟，然后以285±10r/min的转速搅拌1分钟左右，形成工作性良好的浆体；
3)将称取好的钢纤维均匀加入搅拌容器中，持续搅拌2～3分钟，使钢纤维在基体中分散均匀；
4)把所述步骤3)制备的拌合物浇筑到模具中，利用振动台振动至内部气泡排出；
5)进行标准养护48小时后拆模，接着进行96小时的85℃蒸汽养护，得到所述的复合材料试件。
本发明实施例及其对照组制备的水泥基材料均按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)中的方法测试复合材料的力学性能，按照《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005)测试复合材料在不含纤维时的操作性能。
实施例1：
具有高工作性、抗压强度180MPa～210MPa的超高性能水泥基复合材料，其单方用量配比(kg/m3)如表1所示：
表1高工作性、抗压强度180MPa～210MPa的水泥基复合材料配比(kg/m3)
注：纳米二氧化钛掺量采用内掺法，平直形与端钩形超细钢纤维质量比为2：1。
根据上述配比，制得的超高性能水泥基复合材料对应的工作性能和抗压强度如表2所示：
表2抗压强度180MPa～210MPa的水泥基复合材料的工作性能和力学强度
实施例2：
抗压强度高于220MPaa的超高性能水泥基复合材料，其单方用量配比(kg/m3)如表3所示：
表3抗压强度高于220MPa的水泥基复合材料配比(kg/m3)
注：纳米二氧化钛掺量采用内掺法，平直形与端钩形超细钢纤维质量比为2：1。
根据上述配比，制得的水泥基复合材料对应的工作性能和抗压强度如表4所示：
表4抗压强度高于220MPa的水泥基复合材料的工作性能和力学强度
以上所述仅是对本发明较佳的具体实施方式，本领域技术人员根据上述内容做的等同替换、改进和润饰都应视为本发明的保护内容。
Claims (10)
1.一种纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述的水泥基复合材料各成分的单方用量配比如下：单位为kg/m3，
水泥 579～633；
纳米二氧化钛 8～45；
粉煤灰 304～318；
硅灰 101～106；
砂 1010～1060；
超细镀铜钢纤维 190～200；
减水剂 16～20；
消泡剂 9～11；
水 168～205。
2.根据权利要求1所述的纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述的水泥是强度等级52.5的硅酸盐水泥。
3.根据权利要求1所述的纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述的纳米二氧化钛是属于金红石型的，粒径范围为5～60nm，其纯度超过99.5％。
4.根据权利要求1所述的纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述的粉煤灰是Ⅰ级低钙粉煤灰。
5.根据权利要求1所述的纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述的硅灰是比表面积达到22000m2/kg的微硅灰。
6.根据权利要求1所述的纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述的砂是最大粒径不超过2.36mm的石英质河砂。
7.根据权利要求1所述的纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述的超细镀铜钢纤维是直径为0.2mm，长度13mm的平直形和端钩形镀铜钢纤维按质量比2:1混杂。
8.根据权利要求1所述的纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述的减水剂是减水率大于40％的聚羧酸系外加剂。
9.根据权利要求1所述的纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述的消泡剂是高效有机硅消泡粉。
10.一种如权利要求1所述的纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1)按配方比例称取水泥、粉煤灰、消泡剂、纳米二氧化钛、砂于搅拌容器中，利用砂浆搅拌机搅拌至颜色均匀的干粉；
2)将减水剂和水混合均匀并加入到所述步骤1)得到的干粉中，通过5～6分钟的低速、高速搅拌流程制备浆体；
3)将钢纤维加入拌合物浆体中，进行2～3分钟搅拌使得钢纤维分散均匀；
4)将所述步骤3)得到的拌合物浇筑到模具中并进行适当的振捣；
5)在标准养护48小时后进行96小时的85℃蒸汽养护，制备所述水泥基材料。
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