CN112897948A - 一种轻质韧性水泥基复合材料及制备方法 - Google Patents

一种轻质韧性水泥基复合材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻质韧性水泥基复合材料及制备方法，该材料包含的各组分配比如下：水泥30～50重量份，工业废渣3～5重量份，轻质细集料6～10重量份，水15～20重量份，减水剂0.08～0.12重量份，膨胀剂2～2.5重量份，消泡剂0.08～0.12重量份，有机高分子纤维1.5～2重量份。本发明通过优化基础配合比，配制出表观密度小于1650kg/m3、收缩应变小于850με、抗压强度大于60MPa、弯曲强度大于12MPa、拉伸强度大于3MPa、拉伸应变大于1.5％的轻质韧性水泥基复合材料。此外，本发明材料具有性能稳定，抗冲击能力强、耐久性好、绿色环保以及廉价的优点，适用于防火防灾的建筑物和隧道工程衬砌结构、桥梁工程的铺装结构等。

Description

一种轻质韧性水泥基复合材料及制备方法
技术领域
本发明属于路面材料技术领域，尤其涉及一种轻质韧性水泥基复合材料及制备方法。
背景技术
普通混凝土材料由于具有自重大、脆性大、易开裂等缺点，在桥梁长时间承受荷载作用下，桥面铺装往往由于混凝土材料的极限拉应变低、抗冲击性能不足以及疲劳性能较差，从而容易出现横纵向裂缝甚至网状裂缝，严重影响桥梁的安全性和美观性。目前，由于工程水泥基复合材料的生产成本高昂，而且由于其在材料组成上未使用粗骨料，导致正常养护条件下所形成的强度提高有限，基体水化过程中产生的干缩较大，而且材料硬化后的弹性模量较低，与既有结构间的协同受力作用也较差，阻碍了其在工程应用中的广泛推广。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种轻质韧性水泥基复合材料及制备方法，以解决相关技术中存在的水泥混凝土自重大、韧性差和当前水泥基复合材料造价高问题。该材料能同时具有轻质，较高的力学性能、较强的变形能力、低收缩性以及廉价等特性，并且具有性能稳定，抗冲击能力强、耐久性好、绿色环保的优点，尤其适用于桥梁工程中的桥面铺装工程。
为了实现上述技术目标，本发明实施例是通过以下技术方案来实现的：
第一方面，提供一种轻质韧性水泥基复合材料，该材料包含的各组分配比如下：水泥30～50重量份，工业废渣3～5重量份，轻质细集料6～10重量份，水15～20重量份，减水剂0.08～0.12重量份，膨胀剂2～2.5重量份，消泡剂0.08～0.12重量份，有机高分子纤维1.5～2重量份。
进一步地，所述水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥中的一种或多种。
进一步地，所述工业废渣为超细硅灰，其SiO2含量大于90％，平均粒径为8～12μm。
进一步地，所述轻质细集料为分选热电厂的废弃灰分获得的空心微珠，其粒径为45～300μm。
进一步地，所述空心微珠的主要物相为莫来石和石英。
进一步地，所述减水剂为聚羧酸盐固体粉末、木质素磺酸钙减水剂、萘系高效减水剂中的一种或多种。
进一步地，所述膨胀剂为硫铝酸钙固体粉末、氧化钙膨胀剂中的一种或多种。
进一步地，所述消泡剂为粘度为1000～4500mPa·s的不透明淡黄色液体，其活性物质为有机硅。
进一步地，所述有机高分子纤维的弹性模量为42～110GPa，抗拉强度为1250～3000GPa。
第二方面，提供根据第一方面所述的轻质韧性水泥基复合材料的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
(1)将水泥、工业废渣、轻质细集料、减水剂、膨胀剂和消泡剂混合搅拌均匀；
(2)再加入水，继续搅拌至物料达到流动状态；
(3)最后投入有机高分子纤维，搅拌使其均匀地分散在物料中，得到轻质韧性水泥基复合材料。
在加水搅拌前将水泥、工业废渣、轻质细集料、减水剂、膨胀剂和消泡剂混合搅拌均匀，从而避免外加剂分散不均匀；有机高分子纤维在加水搅拌后投入，有利于有机高分子纤维在材料的分散均匀。
根据以上技术方案，本发明实施例的有益效果是：本发明的轻质韧性水泥基复合材料主要是由水泥、工业废渣、轻质细集料、有机高分子纤维、减水剂、膨胀剂、消泡剂以及水组成。通过掺杂工业废渣、轻质细集料以及有机高分子纤维优化其力学性能，从而到达降低造价的目的。本发明通过优化基础配合比，配制出表观密度小于1600kg/m3、收缩应变小于850με、抗压强度大于60MPa、弯曲强度大于12MPa、拉伸强度大于3MPa、拉伸应变大于1.5％的轻质韧性水泥基复合材料。此外，本发明材料具有性能稳定，抗冲击能力强、耐久性好、绿色环保以及廉价的优点，尤其适用于桥梁工程中桥面铺装工程。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1为实施实例1中的轻质韧性水泥基复合材料进行单轴拉伸试验时所测得的应力—应变关系曲线示意图。
图2为实施实例2中的轻质韧性水泥基复合材料进行单轴拉伸试验时所测得的应力—应变关系曲线示意图。
图3为实施实例3中的轻质韧性水泥基复合材料进行单轴拉伸试验时所测得的应力—应变关系曲线示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的具体实施例，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1：
本实施例提供过的一种适用于桥面铺装的轻质韧性水泥基复合材料的配比为水泥50重量份，工业废渣5重量份，轻质细集料6重量份，水20重量份，减水剂0.12重量份，膨胀剂2.5重量份，消泡剂0.12重量份，有机高分子纤维2重量份。上述水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥中的一种或多种，本实例采用强度等级为52.5R的硅酸盐水泥；工业废渣为超细硅灰，其SiO2含量大于90％，平均粒径为8～12μm。轻质细集料为分选热电厂的废弃灰分获得的空心微珠，粒径45～300μm，所述空心微珠的主要物相为莫来石和石英；减水剂为聚羧酸盐固体粉末、木质素磺酸钙减水剂、萘系高效减水剂中的一种或多种，本实施例采用减水率为24～30％的聚羧酸盐固体粉末；膨胀剂为硫铝酸钙固体粉末、氧化钙膨胀剂中的一种或多种，本实例采用低碱含量的硫铝酸钙固体粉末，消泡剂为活性物质为粘度为1000～4500mPa·s的不透明淡黄色液体，其活性物质为有机硅，有机高分子纤维为长度为12mm，直径为39mm，弹性模量为42GPa，抗拉强度为1250GPa的聚乙烯醇纤维。将水泥、工业废渣、轻质细集料、减水剂、膨胀剂和消泡剂混合搅拌均匀；再加入水，继续搅拌至物料达到流动状态；最后投入有机高分子纤维，搅拌使其均匀地分散在物料中，得到轻质韧性水泥基复合材料。如表1所示，该实例制得的轻质韧性水泥基复合材料的密度为1559.6kg/m3，抗压强度为65.0MPa，抗弯强度为13.6MPa，收缩应变为816.7με。图1为实施例1中的轻质韧性水泥基复合材料进行单轴拉伸试验时所测得的应力—应变关系曲线示意图。从图中可以看出该实施例1得到的轻质韧性水泥基复合材料具有显著的应***化现象，在加载过程中将裂缝无害化分散为细密的饱和裂缝，从图1得到实施例1的拉伸强度为4.1MPa，拉伸应变为1.56％。
实施例2：
本实施例提供过的一种适用于桥面铺装的轻质韧性水泥基复合材料的配比为水泥30重量份，工业废渣3重量份，轻质细集料10重量份，水15重量份，减水剂0.08重量份，膨胀剂2重量份，消泡剂0.08重量份，有机高分子纤维2重量份。上述水泥为强度等级为52.5R的硅酸盐水泥，工业废渣为超细硅灰，轻质细集料为粒径45～300μm的空心微珠，减水剂为减水率为24～30％的聚羧酸盐固体粉末，膨胀剂为低碱含量的硫铝酸钙固体粉末，消泡剂为活性物质为有机硅的消泡剂，有机高分子纤维为长度为12mm，直径为39mm，弹性模量为42GPa，抗拉强度为1250GPa的聚乙烯醇纤维。将水泥、工业废渣、轻质细集料、减水剂、膨胀剂和消泡剂混合搅拌均匀；再加入水，继续搅拌至物料达到流动状态；最后投入有机高分子纤维，搅拌使其均匀地分散在物料中，得到轻质韧性水泥基复合材料。如表1所示，该实例制得的轻质韧性水泥基复合材料的密度为1559.6kg/m3，抗压强度为63.9MPa，抗弯强度为14.7MPa，收缩应变为726.3με。图2为实施实例2中的轻质韧性水泥基复合材料进行单轴拉伸试验时所测得的应力—应变关系曲线示意图。从图中可以看出该实施例2得到的轻质韧性水泥基复合材料具有显著的应***化现象，在加载过程中将裂缝无害化分散为细密的饱和裂缝，从图2得到实施例2的拉伸强度为3.6MPa，拉伸应变为1.58％。
实施例3：
本实施例提供过的一种适用于桥面铺装的轻质韧性水泥基复合材料的配比为水泥50重量份，工业废渣5重量份，轻质细集料6重量份，水20重量份，减水剂0.12重量份，膨胀剂2.5重量份，消泡剂0.12重量份，有机高分子纤维1.5重量份。上述水泥为强度等级为52.5R的硅酸盐水泥，工业废渣为超细硅灰，轻质细集料为粒径45～300μm的空心微珠，减水剂为减水率为24～30％的聚羧酸盐固体粉末，膨胀剂为低碱含量的硫铝酸钙固体粉末，消泡剂为活性物质为有机硅的消泡剂，有机高分子纤维为长度为12mm，直径为24mm，弹性模量为110GPa，抗拉强度为3000GPa的聚乙烯纤维。将水泥、工业废渣、轻质细集料、减水剂、膨胀剂和消泡剂混合搅拌均匀；再加入水，继续搅拌至物料达到流动状态；最后投入有机高分子纤维，搅拌使其均匀地分散在物料中，得到轻质韧性水泥基复合材料。如表1所示，该实例制得的轻质韧性水泥基复合材料的密度为1620.9kg/m3，抗压强度为75.5MPa，抗弯强度为16.6MPa，收缩应变为843.2με。图3为实施实例3中的轻质韧性水泥基复合材料进行单轴拉伸试验时所测得的应力—应变关系曲线示意图。从图中可以看出该实施例3得到的轻质韧性水泥基复合材料具有显著的应***化现象，在加载过程中将裂缝无害化分散为细密的饱和裂缝，从图3得到实施例3的拉伸强度为3.3MPa，拉伸应变为2.56％。
对按上述配比、制备方法和养护制度而成型的试件，参照GBT 29417-2012《水泥砂浆和混凝土干燥收缩开裂性能试验方法》、GB 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》以及JC/T 2461-2018《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》，测得轻质韧性水泥基复合材料28d龄期的密度、抗压强度、抗弯强度、收缩应变。其中，表1中的抗拉强度以及极限拉应变从附图1、2、3中的应力应变曲线中得到，试验结果如表1所示。
表1：不同配比28d性能测试结果
Figure BDA0002927219200000071
由上表结果表明，对比C50混凝土，轻质韧性水泥基复合材料的密度下降约30～40％，而抗压强度却增加10MPa以上，实现了轻质高强的效果。由于有机高分子纤维出色的桥接作用，抗弯强度和抗拉强度相比C50混凝土提高两倍以上，同时轻质韧性水泥基复合材料的极限拉应变也是其五百倍以上，附图也展现出了明显的应***化现象。此外，目前工业废渣以及电厂产生的固体废弃物尚未得到充分利用，并且仅是填埋处理会对环境造成巨大危害。若将工业废渣以及电厂产生的固体废弃物作为再生胶凝材料和再生细集料加入轻质韧性水泥基复合材料中，大量的废弃物能得到再生利用，减少了环境污染，且大大降低了轻质韧性水泥基复合材料的原材料成本。用密度小的空心微珠作为轻质细集料，同时掺杂有机高分子纤维增加材料韧性，由于空心微珠的强度较高，可以保证轻质韧性水泥基复合材料力学性能，同时空心微珠与水泥基体的界面粘结较弱，作为引入的缺陷有利于纤维的拔出，从而充分发挥有机高分子纤维的桥接作用，表现出更高的弯曲韧性和拉伸延性。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种轻质韧性水泥基复合材料，其特征在于，该材料包含的各组分配比如下：水泥30～50重量份，工业废渣3～5重量份，轻质细集料6～10重量份，水15～20重量份，减水剂0.08～0.12重量份，膨胀剂2～2.5重量份，消泡剂0.08～0.12重量份，有机高分子纤维1.5～2重量份。
2.根据权利要求1所述的轻质韧性水泥基复合材料，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的轻质韧性水泥基复合材料，其特征在于，所述工业废渣为超细硅灰，其SiO2含量大于90％，平均粒径为8～12μm。
4.根据权利要求1所述的轻质韧性水泥基复合材料，其特征在于，所述轻质细集料为分选热电厂的废弃灰分获得的空心微珠，其粒径为45～300μm。
5.根据权利要求1所述的轻质韧性水泥基复合材料，其特征在于，所述空心微珠的主要物相为莫来石和石英。
6.根据权利要求1所述的轻质韧性水泥基复合材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸盐固体粉末、木质素磺酸钙减水剂、萘系高效减水剂中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的轻质韧性水泥基复合材料，其特征在于，所述膨胀剂为硫铝酸钙固体粉末、氧化钙膨胀剂中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的轻质韧性水泥基复合材料，其特征在于，所述消泡剂为粘度为1000～4500mPa·s的不透明淡黄色液体，其活性物质为有机硅。
9.根据权利要求1所述的轻质韧性水泥基复合材料，其特征在于，所述有机高分子纤维的弹性模量为42～110GPa，抗拉强度为1250～3000GPa。
10.根据权利要求1所述的轻质韧性水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
(1)将水泥、工业废渣、轻质细集料、减水剂、膨胀剂和消泡剂混合搅拌均匀；
(2)再加入水，继续搅拌至物料达到流动状态；
(3)最后投入有机高分子纤维，搅拌使其均匀地分散在物料中，得到轻质韧性水泥基复合材料。
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