CN110759682A

CN110759682A - 一种环保型高韧性纤维增强水泥基复合材料及其制备方法

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Publication number: CN110759682A
Application number: CN201911202560.4A
Authority: CN
Inventors: 许莉; 刘智; 毛祚财; 徐秀华; 黄强; 张勇林
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2020-02-07

Abstract

本发明公开了一种环保型高韧性纤维增强水泥基复合材料及其制备方法，其所用原料按质量百分数计为：水泥10%~25%、铜尾矿砂15%~35%、磨细铜尾矿粉15%~35%、聚丙烯腈纤维0.2%~1.2%、粉煤灰5%~15%、减水剂0.1%~0.5%、水10%~30%，各原料的质量百分数之和为100%。本发明通过掺入大量的铜尾矿废料，使这些工业废料被二次利用，减小了对周边环境的污染；同时通过掺入聚丙烯腈短纤维，进一步优化了材料的抗弯、抗拉、抗裂、抗渗、防腐蚀等性能，使其适于复杂环境中使用。

Description

一种环保型高韧性纤维增强水泥基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种环保型高韧性纤维增强水泥基复合材料（ECC材料）及其制备方法。

背景技术

随着现代冶金工业的快速发展，我国各地丰富的矿产资源逐渐被开发利用(如福建宁德禅地铜矿)，但是随之而来的尾矿、废料问题也亟待解决。这些工业废料的堆积，产生了各种环境污染。其实，尾矿只是放错了地方的资源，由于我国矿业起步晚，技术发展不平衡，大量有价值的资源存留于尾矿之中无法利用，造成资源巨大浪费，如何充分地、有价值地利用各种工业尾矿、废料，是我们当前不得不面临的一个难题。

聚丙烯腈纤维是一种以聚丙烯为主要材料，以独特生产工艺制成的高强度束状单丝纤维，聚丙烯腈纤维加入水泥基材料中可以有效地控制材料的塑性收缩，同时使水泥基材料的粘聚力变大，使材料中的水分很难自由移动，减小了材料开裂的可能性。聚丙烯腈纤维有较高的弹模，其弹性模量甚至与水泥差不多，当承受荷载时，纤维本身具有传递荷载的作用。在材料塑性发展阶段，纤维数量越多，纤维与水泥基材料之间的界面吸附粘结力﹑机械啮合力也会越大，纤维也将承担更大的塑性抗裂应力，这样，也就增加了材料抗裂的塑性强度。同时，大量纤维的掺入，使水泥基材料有很好的抗渗性能，在沿海地区可以满足一定的抗渗防腐蚀要求。而聚丙烯腈纤维在水泥基材料抵抗塑性变形以及抗渗防腐蚀方面更加优越。

工程用水泥基复合材料（ECC材料）是一种新型高性能水泥基复合材料，其通过在材料中掺加掺量不超过复合材料总体积2.5%的短纤维，使得硬化后的材料具有显著的应***化特性，在拉伸荷载作用下，其产生的细密裂缝可均匀分布，其极限拉应变可稳定地达到3%以上，最高可达8%，因此，较传统水泥基材料而言，ECC材料具有高韧性、高抗渗性，高抗冲击性能、高耐磨性等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环保型高韧性纤维增强ECC材料及其制备方法，该ECC材料以不同粒径的铜尾矿砂完全取代河砂，以磨细后的铜尾矿粉取代部分水泥，同时采用聚丙烯腈纤维制得，具有明显的抗拉、抗弯、抗折性能，以及良好的抗裂、抗渗、防腐蚀性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种环保型高韧性纤维增强水泥基复合材料，其所用原料按质量百分数计为：水泥10%~25%、铜尾矿砂15%~35%、磨细铜尾矿粉15%~35%、聚丙烯腈纤维0.2%~1.2%、粉煤灰5%~15%、减水剂0.1%~0.5%、水10%~30%，各原料的质量百分数之和为100%。

其中，所述水泥为强度等级为P.O 42.5的普通硅酸盐水泥。

所述铜尾矿砂是将来源于福建宁德地区的粒径为0.35~0.5mm的铜尾矿中砂及粒剂为0.6~0.75mm的铜尾矿粗砂按重量比4:6混合制得。

所述磨细铜尾矿粉是将来源于福建宁德地区的铜尾矿渣磨细至粒径为0.01~0.015mm而制得。

所述聚丙烯腈纤维的长度为6 mm，直径为10-20μm。

所述粉煤灰为I级粉煤灰。

所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。

所述环保型高韧性纤维增强水泥基复合材料的制备方法包括如下步骤：

（1）将水泥、铜尾矿砂、磨细铜尾矿粉与粉煤灰按比例混合并搅拌1min~2min；

（2）将减水剂与水按比例混合并搅拌形成溶液后，分三次加入到步骤（1）所得混合材料中，每次加入后搅拌1min~2min，使其混合均匀；

（3）按比例将聚丙烯腈纤维分三次加入步骤（2）所得混合料液中，每次加入后搅拌2min，使其混合均匀，即得。

与现有材料相比，本发明具备的特点和有益效果如下：

（1）本发明采用铜尾矿砂完全替代河砂细集料，在降低材料成本的同时，充分利用不同粒径规格的工业废料，达到节约资源、保护环境的目的。

（2）本发明利用磨细铜尾矿粉与粉煤灰替代部分水泥原料，替代率达60%左右，可在降低成本、节约资源的同时，探索了资源二次利用的最大化。

（3）本发明加入铜尾矿砂和磨细铜尾矿粉，由于铜尾矿砂采取两种粒径不同的铜尾矿粗砂及中砂进行配比设计，可增大材料基体与纤维之间的胶结性能，有效提高材料密实度、降低孔隙率，进而提高材料的韧性、抗渗抗裂等性能。

（4）本发明中采用的聚丙烯腈纤维的直径小，单位体积内根数多，而纤维数量越多，纤维与水泥基材之间的界面吸附粘结力﹑机械啮合力等也会越大，数量更多的纤维掺杂在材料中，对于材料的抗裂、抗渗、防腐蚀性能有明显提高，且聚丙烯腈纤维拥有较高的弹性模量，可使材料抵抗塑性变形方面的性能更加优越，此外，聚丙烯腈纤维的抗酸性腐蚀性能也可以改善水泥基材料的防腐蚀要求。

具体实施方式

为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明，但所述实施例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。下面是两例具体实施例：

所用水泥为强度等级为P.O 42.5的普通硅酸盐水泥。

所用铜尾矿砂是将来源于福建宁德地区的粒径为0.35~0.5mm的铜尾矿中砂及粒径为0.6~0.75mm的铜尾矿粗砂按重量比4:6混合制得。

所用磨细铜尾矿粉是将来源于福建宁德地区的铜尾矿渣磨细至粒径为0.01~0.015mm而制得。

所用聚丙烯腈纤维的长度为6 mm，直径约15μm。

所用粉煤灰为I级粉煤灰。

所用减水剂为聚羧酸高效减水剂。

实施例1：

将水泥18%、铜尾矿砂24%、磨细铜尾矿粉27.5%、粉煤灰10%拌合1min；将水20%和减水剂0.2%混合制成的溶液分三次加入到拌合好的干料中，每次加入后搅拌1min；将聚丙烯腈纤维（PAN）0.3%分三次加入上述混合均匀的材料中，每次加入后搅拌2min，制得环保型高韧性纤维增强水泥基复合材料。

实施例2：

将水泥15%、铜尾矿砂28%、磨细铜尾矿粉24%、粉煤灰10%拌合1min；将水22%和减水剂0.3%混合制成的溶液分三次加入到拌合好的干料中，每次加入后搅拌1min；将聚丙烯腈纤维（PAN）0.7%分三次加入上述混合均匀的材料中，每次加入后搅拌2min，制得环保型高韧性纤维增强水泥基复合材料。

对比例1：

将水泥15%、粒径为0.35~0.5mm的铜尾矿中砂14%、粒径为0.6~0.75mm的铜尾矿粗砂14%、磨细铜尾矿粉24%、粉煤灰10%拌合1min；将水22%和减水剂0.3%混合制成的溶液分三次加入到拌合好的干料中，每次加入后搅拌1min；将聚丙烯腈纤维（PAN）0.7%分三次加入上述混合均匀的材料中，每次加入后搅拌2min，制得纤维增强水泥基复合材料。

对比例2：

将水泥15%、平均粒径为0.025mm的特细铁尾矿砂52%、粉煤灰10%拌合1min；将水22%和减水剂0.3%混合制成的溶液分三次加入到拌合好的干料中，每次加入后搅拌1min；将聚丙烯腈纤维（PAN）0.7%分三次加入上述混合均匀的材料中，每次加入后搅拌2min，制得纤维增强水泥基复合材料。

对比例3：

将水泥15%、铜尾矿砂28%、磨细铜尾矿粉24%、粉煤灰10%拌合1min；将水22%和减水剂0.3%混合制成的溶液分三次加入到拌合好的干料中，每次加入后搅拌1min；将聚乙烯醇纤维（PVA，长度为6mm，直径约30μm）0.7%分三次加入上述混合均匀的材料中，每次加入后搅拌2min，制得纤维增强水泥基复合材料。

将实施例1、2以及对比例1-3在相同条件下进行性能测试，抗折强度按照《水泥胶砂强度检测方法》(GB 17671-1999)进行，采用40mm×40mm×160mm棱柱体试件，标准养护至28天，进行抗折强度试验，抗冲击韧性使用落锤实验进行测试，劈裂抗拉强度根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)进行。实验结果如下表所示：

由上表可知，相对于对比例1-3所得材料，本发明制备的实施例1、2材料的抗冲击韧性性能提升明显，劈裂抗拉强度以及抗折强度也均有不同程度的提升。

本发明采用工业废弃物作为主要原料制备一种纤维增强水泥基材料，该方法有助于降低制作成本、节约资源，解决工业废料对环境的污染，保护环境。

本发明采用铜尾矿废料、粉煤灰、水泥、减水剂、聚丙烯腈纤维（PAN）及水搅拌制备成ECC材料，其原材料来源广泛，制作工艺简单，可降低材料制作成本，提高纤维增强水泥基材料的性能。

本发明所用的聚丙烯腈纤维（PAN）能有效提高浆体的粘聚性，提高材料的抗拉强度、抗折强度及抗冲击韧性等。同时，大量纤维的掺入，使水泥基材料有很好的抗渗防裂性能，且聚丙烯腈纤维的抗酸性腐蚀性能可以改善水泥基材料的防腐蚀要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种环保型高韧性纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所用原料按质量百分数计为：水泥10%~25%、铜尾矿砂15%~35%、磨细铜尾矿粉15%~35%、聚丙烯腈纤维0.2%~1.2%、粉煤灰5%~15%、减水剂0.1%~0.5%、水10%~30%，各原料的质量百分数之和为100%。

2. 根据权利要求1所述的环保型高韧性纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥。

3.根据权利要求1所述的环保型高韧性纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述铜尾矿砂是将来源于福建宁德地区的粒径为0.35~0.5mm的铜尾矿中砂及粒剂为0.6~0.75mm的铜尾矿粗砂按重量比4:6混合制得。

4.根据权利要求1所述的环保型高韧性纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述磨细铜尾矿粉是将来源于福建宁德地区的铜尾矿渣磨细至粒径为0.01~0.015mm而制得。

5. 根据权利要求1所述的环保型高韧性纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述聚丙烯腈纤维的长度为6 mm，直径为10-20μm。

6.根据权利要求1所述的环保型高韧性纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述粉煤灰为I级粉煤灰。

7.根据权利要求1所述的环保型高韧性纤维增强水泥基复合材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的环保型高韧性纤维增强水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（2）将减水剂与水按比例混合并搅拌形成溶液后，分三次加入到步骤（1）所得混合材料中，每次加入后搅拌1min~2min；

（3）按比例将聚丙烯腈纤维分三次加入步骤（2）所得混合料液中，每次加入后搅拌2min，即得。