專利名稱：陶瓷纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料科學(xué)與建筑工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種摻加有無機(jī)纖維的增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
混凝土是世界上用量最大，使用最廣泛的建筑材料之一。目前，我國(guó)每年混凝土用量已達(dá)10億立方米左右。到2010年，我國(guó)水泥產(chǎn)量將增至8-8.5億噸，即比1996年的4.9億噸差不多翻一倍，相應(yīng)地混凝土用量也將大幅度增加。因此可以肯定，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，混凝土將仍將是我國(guó)現(xiàn)代工程建設(shè)的主要建筑材料。并且，由于其具有適用范圍廣，價(jià)格便宜，易澆注成型，比較耐久，還可有效利用一些工業(yè)固體廢料制作節(jié)能環(huán)保型建筑材料等優(yōu)點(diǎn)，而在眾多建筑工程領(lǐng)域中發(fā)揮其他材料無法替代的作用。
但是，不可否認(rèn)，混凝土也具有抗拉強(qiáng)度低、極限拉應(yīng)變小、抗沖強(qiáng)度差、易開裂等缺點(diǎn)，不能滿足結(jié)構(gòu)工程對(duì)其高強(qiáng)度高韌性的要求。在混凝土中摻加纖維材料是改善和提高上述性能的有效措施。1967年英國(guó)Majumdar試制成功含鋯的抗堿玻璃纖維，并用其增強(qiáng)普通硅酸鹽水泥混凝土，取得了良好的效果。1980年英國(guó)BRE公布了抗堿玻璃纖維增強(qiáng)普通硅酸鹽水泥的耐久性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明其在硅酸鹽水泥中的耐久性仍不理想。二十世紀(jì)九十年代中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院采用抗堿玻璃纖維與低堿度硫鋁酸鹽水泥相復(fù)的技術(shù)路線，在玻璃纖維耐久性方面取得了顯著效果，并用此技術(shù)制作了大量水泥基薄壁制品，如糧倉(cāng)、盒子衛(wèi)生間、遮陽板、復(fù)合外墻板等。鑒于當(dāng)今世界所用水泥的95％左右仍為硅酸鹽水泥系統(tǒng)，故采用上述技術(shù)路線勢(shì)必受到很大限制，需要解決抗堿玻璃纖維在此水泥系統(tǒng)中的耐久性問題。本發(fā)明申請(qǐng)者曾采用在硅酸鹽水泥中摻加大量硅灰的方法使其堿度大幅度降低，從而使抗堿玻璃纖維在硅酸鹽水泥中的耐久性得到大幅度提高。但由于硅灰資源有限，其大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用也受很大約束。另外，鑒于石棉纖維被認(rèn)為有致癌作用、鋼纖維易結(jié)團(tuán)、碳纖維和芳綸纖維價(jià)格昂貴等，故有必要尋找一種新型的能夠在普通硅酸鹽水泥中穩(wěn)定存在、施工便利、經(jīng)濟(jì)可行的高彈模纖維增強(qiáng)材料。迄今國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了CA-IMS(calcia/alumena fibers formed by the invicid melt spinning process)纖維、硅灰石纖維、銅纖維等的探索研究，取得了一定的增強(qiáng)增韌效果。陶瓷纖維是以高嶺土與耐火粘土、或石英砂與氧化鋁為原料，在電弧爐內(nèi)2000±100℃左右的高溫下熔融后，經(jīng)離心或噴吹而形成的一種高彈模無機(jī)纖維。主要用作高溫窯爐的耐高溫絕熱材料。由于其化學(xué)成分主要為氧化鋁和二氧化硅，較玻璃纖維組分系統(tǒng)簡(jiǎn)單，且其礦物成分中的莫來石在堿性環(huán)境中的自由能遠(yuǎn)小于玻璃系統(tǒng)中二氧化硅的自由能，從而可使陶瓷纖維在普通硅酸鹽水泥中的化學(xué)穩(wěn)定性大大優(yōu)于抗堿玻璃纖維，使其成為水泥混凝土材料較為理想的纖維增強(qiáng)材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種化學(xué)性能穩(wěn)定、施工操作方便的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。
本發(fā)明提出的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，以水泥為基材、以陶瓷纖維為增強(qiáng)材料配合組成，陶瓷纖維的摻加量為水泥質(zhì)量的2-10％。此外，還可添加有硅灰，硅灰的加入量為水泥質(zhì)量的0-40％。
本發(fā)明中陶瓷纖維是以高嶺土與耐火粘土、或石英砂與氧化鋁為原料，在電弧爐內(nèi)2000±100℃左右的高溫下熔融后，經(jīng)離心或噴吹而形成的一種高彈模無機(jī)纖維。其化學(xué)成分主要為氧化鋁(Al2O3)和二氧化硅(SiO2)，組分含量如下(質(zhì)量比)Al2O330～80％SiO270～20％。
此外，還含有少量其它元素，例如Fe2O30.2～1％CaO 0.1～0.5％MgO 0.1～0.5％Na2O、K2O 0.1～0.3％上述百分以Al2O3和SiO2的總質(zhì)量為基數(shù)。
其較優(yōu)的組分含量如下(質(zhì)量比)Al2O345～60％SiO255～40％其它元素的含量為Fe2O30.2～0.5％CaO 0.1～0.2％MgO 0.1～0.2％Na2O、K2O 0.1～0.2％本發(fā)明中所用陶瓷纖維的彈性模量為80～300GPa，抗拉強(qiáng)度2500～4500MPa，極限拉伸率為2～5％，纖維直徑為2～10μm，纖維長(zhǎng)度為3～15mm。
本發(fā)明提出的陶瓷纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的制備方法如下首先將陶瓷纖維按所需長(zhǎng)度進(jìn)行剪切，然后按所確定的纖維摻量計(jì)量陶瓷纖維，一般陶瓷纖維摻量為2～10％(水泥質(zhì)量)，將纖維材料與其它已計(jì)量的水泥基組成材料一起加入到攪拌容器中，可加入0.5～1％(水泥質(zhì)量)的分散劑(如SN-II、NF、FDN等)以幫助陶瓷纖維在水泥基材料中的分散，再加入硅灰，以輪碾機(jī)輪碾或普通強(qiáng)制式攪拌，使纖維水泥混合料混和均勻。攪拌(或混合)時(shí)間一般可為2～10分鐘，即得到本發(fā)明陶瓷纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，其后的成型、振動(dòng)、抹面、養(yǎng)護(hù)等工序與普通水泥基材料相同。
本發(fā)明陶瓷纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果①本發(fā)明陶瓷纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，當(dāng)陶瓷纖維直徑為2～10μm，纖維長(zhǎng)度為3～15m，摻量為2～10％(水泥質(zhì)量)時(shí)，陶瓷纖維28天齡期抗彎增強(qiáng)效果為30～50％，抗沖強(qiáng)度增強(qiáng)效果為150～300％。
②在上述組成條件下，若摻加10～40％的硅灰(比表面積為20m2/g)，則陶瓷纖維28天齡期抗彎增強(qiáng)效果可達(dá)100％，抗沖強(qiáng)度增強(qiáng)效果可達(dá)500％。
③本發(fā)明陶瓷纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗彎、抗沖增強(qiáng)效果，在70℃濕熱條件、至少一年可以完全保持，而同條件下，抗堿玻璃纖維的抗彎、抗沖增強(qiáng)效果則完全喪失。
④本發(fā)明陶瓷纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗?jié)B性、抗凍性、耐磨性等與不摻者相比分別可提高30～50％、50～300％和20～50％⑤本發(fā)明陶瓷纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的塑性收縮開裂總權(quán)重值(采用平板法測(cè)試)比不摻者可減少約30～50％，硬化早期的干燥收縮比不摻者約減少10～30％。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。
實(shí)施例1采用氧化鋁含量45％、纖維直徑8μm、纖維長(zhǎng)度5mm的陶瓷纖維，按以下比例(質(zhì)量比)32.5普通硅酸鹽水泥∶水∶SN-II∶陶瓷纖維＝1∶0.30∶0.005∶0.02成型水泥凈漿試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至28天，測(cè)得陶瓷纖維的抗彎增強(qiáng)效果為30％、抗沖增強(qiáng)效果為150％，且在70℃濕熱條件、至少一年可以完全保持上述增強(qiáng)效果。
實(shí)施例2采用氧化鋁含量80％、纖維直徑10μm、纖維長(zhǎng)度10mm的陶瓷纖維，按以下比例(質(zhì)量比)32.5普通硅酸鹽水泥∶中砂∶水∶SN-II∶陶瓷纖維＝1∶2.82∶0.42∶0.005∶0.05成型水泥砂漿試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至28天，測(cè)得陶瓷纖維的抗彎增強(qiáng)效果為50％、抗沖增強(qiáng)效果為200％，且在70℃濕熱條件、至少一年可以完全保持上述增強(qiáng)效果。陶瓷纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗?jié)B性、抗凍性、耐磨性等與不摻者相比分別可提高50％、150％和30％。塑性收縮開裂總權(quán)重值(采用平板法測(cè)試)比不摻者可減少約30％，硬化早期的干燥收縮比不摻者約減少10％。
實(shí)施例3采用氧化鋁含量60％、纖維直徑5μm、纖維長(zhǎng)度15mm的陶瓷纖維，按以下比例(質(zhì)量比)42.5普通硅酸鹽水泥∶中砂∶5-25碎石∶水∶SN-II陶瓷纖維＝1∶1.76∶2.65∶0.44∶0.008∶0.08成型混凝土試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至28天，測(cè)得陶瓷纖維的抗彎增強(qiáng)效果為40％、抗沖增強(qiáng)效果為150％，且在70℃濕熱條件、至少一年可以完全保持上述增強(qiáng)效果。陶瓷纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗?jié)B性、抗凍性、耐磨性等與不摻者相比分別可提高30％、180％和40％。塑性收縮開裂總權(quán)重值(采用平板法測(cè)試)比不摻者可減少約50％，硬化早期的干燥收縮比不摻者約減少30％。
實(shí)施例4采用氧化鋁含量45％、纖維直徑3μm、纖維長(zhǎng)度5mm的陶瓷纖維，按以下比例(質(zhì)量比)42.5普通硅酸鹽水泥∶硅灰∶水∶SN-II陶瓷纖維＝1∶0.40∶0.30∶0.01∶0.10成型水泥凈漿試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至28天，測(cè)得陶瓷纖維的抗彎增強(qiáng)效果為100％、抗沖增強(qiáng)效果為500％，且在70℃濕熱條件、至少一年可以完全保持上述增強(qiáng)效果。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，其特征在于以水泥為基材、以陶瓷纖維為增強(qiáng)材料配合組成，陶瓷纖維的摻加量為水泥質(zhì)量的2-10％，此外，還添加有水泥質(zhì)量的0-40％的硅灰。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于所述陶瓷纖維的化學(xué)成分主要為Al2O3和SiO2，其中Al2O3含量為30～80％、SiO2含量為20～70％，采用電弧爐于2000±100℃高溫下熔融后，經(jīng)離心或噴吹而形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料，其特征在于所述陶瓷纖維的彈性模量為80～300GPa，抗拉強(qiáng)度2500～4500MPa，極限拉伸率為2～5％，纖維直徑為2～10μm，纖維長(zhǎng)度為3～15mm。
4.一種如權(quán)利要求1所述的陶瓷纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于按水泥質(zhì)量的2～10％比例的陶瓷纖維摻入水泥基材料中，同時(shí)摻入水泥質(zhì)量的0.5～1％的分散劑，加入硅灰，采用普通強(qiáng)制式攪拌或輪碾機(jī)輪碾使混合料混和均勻。
全文摘要
本發(fā)明為一種陶瓷纖維增強(qiáng)普通硅酸鹽水泥復(fù)合材料，該陶瓷纖維摻入水泥基材料，如水泥凈漿、砂漿、混凝土，主要起增強(qiáng)、增韌作用，較之不摻者可使抗彎強(qiáng)度提高30－100％，抗沖強(qiáng)度提高150－500％，且該纖維在普通硅酸鹽水泥的高堿度環(huán)境中具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，是一種理想的水泥基增強(qiáng)材料，可應(yīng)用在水泥基材料工程，如水泥混凝土結(jié)構(gòu)工程、道路、橋梁、地坪、護(hù)坡、大壩等工程中，具有很大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
文檔編號(hào)C04B28/02GK1526677SQ0315107
公開日2004年9月8日 申請(qǐng)日期2003年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月19日
發(fā)明者馬一平 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)