CN109809778A - 超早强改性pva纤维增强海砂水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料及其制备方法，该材料按重量份包括以下组分：硫铝酸盐水泥450～650份、海水190～300份、海砂440～630份、磨细矿渣85～150份、粉煤灰50～65份、PVA纤维5～11份、碳纤维2～5份、高效减水剂2～5份、早强剂0～2份。本发明提出利用海砂及海水等岛礁上已有材料，与水泥、矿渣、粉煤灰、纤维、减水剂、早强剂组合，配置成快硬水泥，满足7h内达到40Mpa以上的抗压强度要求，实现快速建造海上工程。掺入改性PVA纤维和碳纤维来提高复合材料的韧性，同时增强基体的抗拉、抗压和抗折强度。采用有机无机复合早强剂来提高材料的早期强度，减小掺入粉煤灰带来的不利影响。

Description

超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，具体是指一种超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术

海上基岛远离祖国大陆，缺少砂、石和淡水资源，海上建筑如果采用普通混凝土材料就需要耗费大量人力物力进行材料运输，并且一旦建筑受损后所需要的维护修补材料也无法立刻取得。直接利用海水海砂资源，则可大幅度降低材料运输量，提高修建速度，节约成本。但海砂中的氯盐和贝壳含量是限制其在混凝土中使用的两大主要原因。海砂中的氯盐会影响硅酸盐水泥的水化过程，尤其是对混凝土中的钢筋有腐蚀作用，贝壳则可能影响混凝土的工作性、强度及耐久性等。由于不合理使用或滥用海砂，早期日本、英国、中国及中国台湾等国家和地区均出现过严重的混凝土质量和钢筋腐蚀问题，尤其在地震等突发性荷载作用下，海砂混凝土结构可能显得更为脆弱。众多失败的经验表明，滥用或乱用海砂存在很大的风险，但经过科学了解海砂及海砂混凝土的特性后，海砂可以被合理的资源化利用。

目前我国对于海砂的运用，大多需要经过海砂淡化处理这个步骤。而现阶段海砂处理的方法，主要有淡水冲洗法、河砂混合使用法和自然放置法。这些处理方法施工较复杂，带来施工成本增加或者耗费时间增长，不适宜工程上大规模使用。现有海砂混凝土相比于河砂混凝土工作性能还会稍有下降，其抗压强度、抗拉强度均有所降低，脆性较大。部分通过纤维增强的海砂混凝土韧性有一定的提高，但其早期强度又损失较大，因此无法同时达到高韧性和早强。在现有研究基础下，需提出一种施工方法简单可行，基体材料具备一定的韧性，同时能满足早强的要求，还需具有一定经济性的新型复合材料，满足工程需求。

发明内容

本发明的主要目的在于，充分利用海洋资源，将海水、海砂等材料运用到混凝土浇筑中，提出一种超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料及其制备方法。此种新型材料，能够满足海洋建筑的工程需求，并极大地缓解资源压力，节省建筑成本。

为实现本发明的目的，本发明提供的超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料，其特征在于：以质量份计，包括以下组分：硫铝酸盐水泥450～650份、海水190～300份、海砂440～630份、磨细矿渣85～150份、粉煤灰50～65份、PVA纤维5～11份、碳纤维2～5份、高效减水剂2～5份、早强剂0～2份。

作为优选方案，以质量份计，包括以下组分：硫铝酸盐水泥500份、海水217份、海砂620份、磨细矿渣120份、粉煤灰80份、PVA纤维10.5份、碳纤维4.5份、高效减水剂2.5份、早强剂1.2份。

进一步地，所述早强剂采用有机早强剂和无机早强剂按质量比为1:16比例复合成复合早强剂，有机早强剂采用氨醇类，无机早强剂采用氯化物类；将用氨基硅油表面处理后的PVA纤维和碳纤维混合使用，所述PVA纤维长度为8-8.5mm。

本发明还提供一种超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：它包含如下步骤：

(1)将水泥、海砂、磨细矿粉、粉煤灰充分混合并搅拌3～5分钟，得到第一混合物；所述矿粉为粒化高炉矿粉微粉，产品等级为S95级；所述粉煤灰为高铝粉煤灰，氧化铝含量大于37％；

(2)将减水剂、复合早强剂、加入水中，充分混合后搅拌均匀，得到第二混合物；

(3)将步骤(2)中得到的第二混合物加入到步骤(1)中得到的第一混合物中，充分混合后搅拌3～5分钟，得到第三混合物；

(4)用注射器抽取0～1.5份的氨基硅油，均匀喷洒到PVA纤维上，手工进一步使氨基硅油分散更加均匀，以降低纤维-界面之间的粘结力，并降低基体本身的粘聚力；所述PVA纤维长度为8-8.5mm；

(5)向步骤(3)中得到的第三混合物中加入处理后的PVA纤维和碳纤维，高速搅拌3分钟，得到超早强改性PVA纤维增强水泥基复合材料；所述复合材料以质量份计，组分为：硫铝酸盐水泥450～650份、海水190～300份、海砂440～630份、磨细矿渣85～150份、粉煤灰50～65份、PVA纤维5～11份、碳纤维2～5份、高效减水剂2～5份、早强剂0～2份。

本发明的优点在于：本发明超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料,通过调整配合比来获得性能优越的混凝土材料。通过改变胶凝材料的用量及掺入矿粉使混凝土孔结构更加密实，提高混凝土的强度，缓解海砂直接使用导致混凝土强度降低的问题。

PVA纤维和碳纤维混杂使用，利用弹性模量高，极限延伸率大，分散性好的PVA纤维改善水泥基材料韧性，利用碳纤维进一步提高基体韧性，同时改善基体的抗压和抗折强度。同时用氨基硅油对PVA纤维进行预处理，将破坏形态由PVA纤维全部拉断变为部分拉断部分拔出，最大程度的发挥纤维的作用，改善结构的韧性。并掺入粉煤灰替代部分水泥，粉煤灰具备改善混杂纤维与基材界面的功能，使得混杂纤维的增强增韧作用可以得到充分发挥。但由于粉煤灰的水化速度较水泥慢，故掺加粉煤灰后水泥基材料的早期强度会有所降低。因此需要使用效果更好的早强剂。

采用有机无机早强剂复合的办法，有机早强剂采用氨醇类，无机早强剂采用氯化物类，按质量比1:16比例复合。氨醇类早强剂吸附于水泥颗粒表面，减低溶液表面张力，促进水泥颗粒的水解。氯化物类早强剂通过水解反应加速水泥水化。两种作用机理不同的早强剂复合使用，从而取得更好的工作性能，大幅度提高基体的早期强度。通过上述处理，本发明得到一种兼顾高韧性和早强，同时具备一定的经济性的水泥基复合材料。

本发明使用硫铝酸盐水泥，在混凝土早期强度上具有一定的优势。海砂、海水的直接使用，极大的方便了施工并节省建设成本，并通过调整水灰比和掺入矿粉来消除海砂直接使用对强度造成的影响。采用硫铝酸盐水泥，配合复合早强剂的使用，通过不同的作用机理多方面的提升混凝土材料的早起强度，满足快速建造的需求。采用海水、海砂配置混凝土，实现就地取材，极大程度的节省施工成本，降低施工难度。并且通过对组分的调整，使海砂可以不经过淡化处理直接使用，相比于河砂还具有含泥量低、细度模数均匀、颗粒硬度好等优点，且不影响其工作性能。

在节省施工成本、时间上具有很大的优势。与普通混凝土相比，不含粗骨料，具有轻质的特点。同时在混凝土中加入磨细矿渣、粉煤灰等矿物掺合料，可以显著改善混凝土的结构，增加致密性，并且降低超早强混凝土的早期收缩和徐变，一定程度的缓解海砂中的贝壳对强度造成的影响。在PVA纤维和碳纤维共同工作下，减小混凝土的干燥收缩变形，增强结构的韧性，提高构件的抗裂性能，减小构件的宽度。并对PVA进行油剂处理，用氨基硅油浸润，能够降低纤维-界面之间的粘结力，并降低基体本身的粘聚力，使纤维发挥更好的效果。将这种材料运用于快速建造海上工程，不仅能满足其工程需求，还能极大地减小建设成本。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例一：

1)将450份硫铝酸盐水泥、440份海砂、85份磨细矿渣、50份粉煤灰混合并搅拌3～5分钟，得到第一混合物；

2)将2份高效减水剂、1份早强剂加入到190份拌合海水中，拌合均匀，得到第二混合物；

3)将步骤2中得到的第二混合物加入到步骤1中得到的第一混合物中，充分混合后搅拌3～5分钟，得到第三混合物；

4)用注射器抽取0.5份氨基硅油，均匀喷洒到5份PVA纤维上，手工进一步使氨基硅油分散更加均匀；

5)向步骤3中得到的第三混合物中加入5份处理后的PVA纤维和2份碳纤维，高速搅拌3分钟，得到一种超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料。

通过本方法制备出的超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料，依据国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2016)对混凝土的立方体抗压强度进行测试，7h后测得抗压强度为45.46MPa，劈裂抗拉强度24.36MPa。满足实际工程需求。

实施例二：

1)将500份硫铝酸盐水泥、620份海砂、120份磨细矿渣、80份粉煤灰混合并搅拌3～5分钟，得到第一混合物；

2)将2.5份高效减水剂、1.2份复合早强剂加入到217份拌合海水中，拌合均匀，得到第二混合物；

3)将步骤2中得到的第二混合物加入到步骤1中得到的第一混合物中，充分混合后搅拌3～5分钟，得到第三混合物；

4)用注射器抽取1份氨基硅油，均匀喷洒到10.5份PVA纤维上，手工进一步使氨基硅油分散更加均匀；

5)向步骤3中得到的第三混合物中加入10.5份处理后的PVA纤维和4.5份碳纤维，高速搅拌3分钟，得到一种超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料。

通过本方法制备出的超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料，依据国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2016)对混凝土的立方体抗压强度进行测试，7h后测得抗压强度为43.23MPa，劈裂抗拉强度24.80MPa。满足实际工程需求。

实施例三：

1)将650份硫铝酸盐水泥、630份海砂、150份磨细矿渣、65份粉煤灰混合并搅拌3～5分钟，得到第一混合物；

2)将5份高效减水剂、2份早强剂加入到300份拌合海水中，拌合均匀，得到第二混合物；

3)将步骤2中得到的第二混合物加入到步骤1中得到的第一混合物中，充分混合后搅拌3～5分钟，得到第三混合物；

4)用注射器抽取1.1份氨基硅油，均匀喷洒到11份PVA纤维上，手工进一步使氨基硅油分散更加均匀；

5)向步骤3中得到的第三混合物中加入11份处理后的PVA纤维和5份碳纤维，高速搅拌3分钟，得到一种超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料。

通过本方法制备出的超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料，依据国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2016)对混凝土的立方体抗压强度进行测试，7h后测得抗压强度为48.26MPa，劈裂抗拉强度30.2MPa。满足实际工程需求。

实施例四：

1)将450份硫铝酸盐水泥、448份海砂、85份磨细矿渣、50份粉煤灰混合并搅拌3～5分钟，得到第一混合物；

2)将2.1份高效减水剂、1份早强剂加入到196份拌合海水中，拌合均匀，得到第二混合物；

3)将步骤2中得到的第二混合物加入到步骤1中得到的第一混合物中，充分混合后搅拌3～5分钟，得到第三混合物；

4)用注射器抽取0.5份氨基硅油，均匀喷洒到5.5份PVA纤维上，手工进一步使氨基硅油分散更加均匀；

5)向步骤3中得到的第三混合物中加入5.5份处理后的PVA纤维和2份碳纤维，高速搅拌3分钟，得到超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料。

通过本方法制备出的一种超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料，依据国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2016)对混凝土的立方体抗压强度进行测试，7h后测得抗压强度为45.46MPa，劈裂抗拉强度24.36MPa。满足实际工程需求。

实施例五：

1)将550份硫铝酸盐水泥、561份海砂、116.6份矿粉、58份粉煤灰混合并搅拌3～5分钟，得到第一混合物；

2)将2.5份高效减水剂、1.1份复合早强剂加入到218份拌合海水中，拌合均匀，得到第二混合物；

3)将步骤2中得到的第二混合物加入到步骤1中得到的第一混合物中，充分混合后搅拌3～5分钟，得到第三混合物；

4)用注射器抽取0.5份氨基硅油，均匀喷洒到5.2份PVA纤维上，手工进一步使氨基硅油分散更加均匀；

5)向步骤3中得到的第三混合物中加入5.2份处理后的PVA纤维和2.2份碳纤维，高速搅拌3分钟，得到超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料。

通过本方法制备出的一种超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料，依据国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2016)对混凝土的立方体抗压强度进行测试，7h后测得抗压强度为43.23MPa，劈裂抗拉强度24.80MPa。满足实际工程需求。

实施例六：

1)将650份硫铝酸盐水泥、625份海砂、144份矿粉、62份粉煤灰混合并搅拌3～5分钟，得到第一混合物；

2)将3.5份高效减水剂、1.6份早强剂加入到300份拌合海水中，拌合均匀，得到第二混合物；

3)将步骤2中得到的第二混合物加入到步骤1中得到的第一混合物中，充分混合后搅拌3～5分钟，得到第三混合物；

4)用注射器抽取1份氨基硅油，均匀喷洒到10.3份PVA纤维上，手工进一步使氨基硅油分散更加均匀；

5)向步骤3中得到的第三混合物中加入10.3份处理后的PVA纤维和4.2份碳纤维，高速搅拌3分钟，得到超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料。

通过本方法制备出的一种超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料，依据国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2016)对混凝土的立方体抗压强度进行测试，7h后测得抗压强度为48.26MPa，劈裂抗拉强度30.2MPa。满足实际工程需求。

Claims (4)

1.一种超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料，其特征在于：以质量份计，包括以下组分：硫铝酸盐水泥450～650份、海水190～300份、海砂440～630份、磨细矿渣85～150份、粉煤灰50～65份、PVA纤维5～11份、碳纤维2～5份、高效减水剂2～5份、早强剂0～2份。

2.根据权利要求1所述的超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料，其特征在于：以质量份计，包括以下组分：硫铝酸盐水泥500份、海水217份、海砂620份、磨细矿渣120份、粉煤灰80份、PVA纤维10.5份、碳纤维4.5份、高效减水剂2.5份、早强剂1.2份。

3.根据权利要求1或2所述的超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料，其特征在于：所述早强剂采用有机早强剂和无机早强剂按质量比为1:16比例复合成复合早强剂，有机早强剂采用氨醇类，无机早强剂采用氯化物类；将用氨基硅油表面处理后的PVA纤维和碳纤维混合使用，所述PVA纤维长度为8-8.5mm。

4.一种制备权利要求3所述的超早强改性PVA纤维增强海砂水泥基复合材料的方法，其特征在于：它包含如下步骤：

(1)将水泥、海砂、磨细矿粉、粉煤灰充分混合并搅拌3～5分钟，得到第一混合物；所述矿粉为粒化高炉矿粉微粉，产品等级为S95级；所述粉煤灰为高铝粉煤灰，氧化铝含量大于37％；

(2)将减水剂、复合早强剂、加入水中，充分混合后搅拌均匀，得到第二混合物；

(3)将步骤(2)中得到的第二混合物加入到步骤(1)中得到的第一混合物中，充分混合后搅拌3～5分钟，得到第三混合物；

(4)用注射器抽取0～1.5份的氨基硅油，均匀喷洒到PVA纤维上，手工进一步使氨基硅油分散更加均匀，以降低纤维-界面之间的粘结力，并降低基体本身的粘聚力；所述PVA纤维长度为8-8.5mm；

(5)向步骤(3)中得到的第三混合物中加入处理后的PVA纤维和碳纤维，高速搅拌3分钟，得到超早强改性PVA纤维增强水泥基复合材料；所述复合材料以质量份计，组分为：硫铝酸盐水泥450～650份、海水190～300份、海砂440～630份、磨细矿渣85～150份、粉煤灰50～65份、PVA纤维5～11份、碳纤维2～5份、高效减水剂2～5份、早强剂0～2份。