專利名稱：三維定向纖維增強水泥基復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種建筑材料，尤其是一種超高強、高性能的漬漿三維定向纖維 增強混凝土。
背景技術(shù)：
對于高摻量鋼纖維增強的水泥基復(fù)合材料，國際上采用漬漿工藝，即將流動 性砂漿注入事先放置于模板內(nèi)的纖維骨架中，研制了一種鋼纖維體積率為5% 20%的漬漿纖維增強混凝土，獲得的抗彎強度為27 69MPa，抗壓強度為63 190MPa。但漬漿纖維增強混凝土中的鋼纖維屬于三維亂向分布，其增強與增韌作 用沒有發(fā)揮出最佳的效果。為了克服這一缺陷，國際上又出現(xiàn)漬漿纖維網(wǎng)片增強 混凝土，其基體材料和施工方法與漬漿纖維增強混凝土相同，不同的是在模板內(nèi) 預(yù)鋪的是二維定向纖維網(wǎng)片，有效提高了纖維的方向有效系數(shù)，更容易制備出性 能優(yōu)異的纖維增強水泥基復(fù)合材料。在達到相同彎曲力學(xué)性能的條件下，漬漿纖 維網(wǎng)片增強混凝土的鋼纖維用量比漬漿纖維增強混凝土的鋼纖維用量減少50 60%。但是，漬漿纖維網(wǎng)片增強混凝土仍然存在缺陷采用二維定向纖維網(wǎng)片增 強以后，另一個方向缺少增強纖維，屬于典型的各向異性材料，導(dǎo)致不同方向的 結(jié)構(gòu)受力不均勻，而且在受彎、受扭時容易發(fā)生分層開裂失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中材料受力不均勻、容易層裂的缺陷，提出一種纖維成 三維空間分布且強度更高的三維定向纖維增強水泥基復(fù)合材料。
一種三維定向纖維增強水泥基復(fù)合材料，包括膠凝材料組份、細集料、水、 三維定向排列纖維和超塑化劑，其中膠凝材料組份與細集料、水、超塑化劑的重 量比為1: (1 2.5) : (0.13 0. 25) : (0. 01 0. 03),所述的膠凝材料 組份包括水泥和礦物摻合料，其重量比為(0.4 0.9) : (0.1 0.6)，所述 的三維定向排列纖維的體積為全部組份混和后總體積的5% 35%。
本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點是O采用三維定向排列纖維，提高了纖維的方向有效系 數(shù)，其增強與增韌效果成倍增加，例如在鋼纖維體積率為15%時，與漬漿纖維 增強混凝土相比，髙性能定向纖維增強水泥基復(fù)合材料的纖維方向有效系數(shù)提高 了65%，纖維平均間距減小了35%。 0采用三維定向排列纖維，能夠進一步提高 漬漿工藝的纖維體積率，增強與增韌效果可以更高，其抗壓強度不低于150MPa, 最高可以達到220MPa以上，15.5倍初裂應(yīng)變的特征點壓縮韌性指數(shù)為11 42，抗
彎強度不低于28MPa，最好可以達到73MPa，彎曲韌性為7 65N m, 15. 5倍初裂 撓度的特征點彎曲韌性指數(shù)為17 39，劈裂抗拉強度為18 34MPa，因此，本發(fā) 明是一種高吸收能量的新型結(jié)構(gòu)材料，具有較高的抗彎強度和彎曲變形能力、很 高的抗壓強度和壓縮變形能力，其最髙抗壓強度接近同等纖維體積的漬漿纖維增 強混凝土的2倍，抗彎強度、抗拉強度優(yōu)于漬漿纖維增強混凝土和漬漿纖維網(wǎng)片 增強混凝土。 Q)由于本發(fā)明使用了粉煤灰、礦渣、硅灰和偏高嶺土作為其原料， 消耗了污染人類生存環(huán)境的工業(yè)廢渣，既降低了成本，又有利于環(huán)境保護，具有 良好的節(jié)能減排效果和可持續(xù)發(fā)展的特點。@采用預(yù)先用鋼絲和高性能有機纖維 編制的三維鋼纖維網(wǎng)架和三維混雜纖維網(wǎng)架，既保證了纖維在高性能定向纖維增 強水泥基復(fù)合材料的定向排列，又進一步發(fā)揮了長的連續(xù)纖維的增強作用，而且 可以提高施工效率，降低了本發(fā)明的生產(chǎn)成本。


圖1是三維定向纖維增強水泥基復(fù)合材料的彎曲荷載-撓度曲線示意圖。 圖2是三維定向纖維增強水泥基復(fù)合材料的壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€示意圖。 圖3是三維定向纖維增強水泥基復(fù)合材料在一(17土2)r +(8士2rc快速
凍融制度下的相對動彈性模量一凍融循環(huán)次數(shù)曲線示意圖。
圖4是三維定向纖維增強水泥基復(fù)合材料在一(17士2)'C +(8士2)'C快速
凍融制度下的質(zhì)量損失率一凍融循環(huán)次數(shù)曲線示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明即一種三維定向纖維增強水泥基復(fù)合材料，包括膠凝材料組份、細 集料、水、三維定向排列纖維和超塑化劑。膠凝材料組份包括水泥和礦物摻合 料，其重量比為水泥礦物摻合料=(0.4 0.9) : (0.1 0.6)，可以選用 0.9: 0.1，也可以選用0.4: 0.6,還可以選用0.8 : 0.2或0.6: 0.4等，本 發(fā)明的膠凝材料組份還可以包括膨脹劑，水泥、礦物摻合料和膨脹劑的重量比為 水泥礦物摻合料膨脹劑=(0.35 0.85) : (0.1 0. 5): (0. 05 0.15)， 可以選用0.85: 0.1:0.05，也可以選用0.35: 0.5: 0.15，還可以選用0.6 : 0.3: 0.1或0.72: 0.2: 0.08等。本發(fā)明的三維定向排列纖維可以選用短切鋼纖維， 也可以選用鋼絲編制的三維鋼纖維網(wǎng)架，還可以選用鋼絲和高性能有機纖維編制 的三維混雜纖維網(wǎng)架。在本實施例中，所加入的三維定向排列纖維的體積為全部 組份混和后總體積的5% 35%，可以選用5%，也可以選用10%，還可以選用 20%或35%等。本發(fā)明的礦物摻合料可以是粉煤灰、礦渣、硅灰和偏高嶺土中
的任何一種，或者是兩種及兩種以上的混合物。在本實施例中，所加入的細集料 為天然砂或鋼珠，也可以由天然砂和鋼珠組成的混合物。本發(fā)明的膠凝材料組份 與細集料、水、超塑化劑的重量比為1: (1 2.5): (0. 13 0.35): (0.01 0.03)。本發(fā)明的制造工藝如下(l)將膠凝材料組份和細集料攪拌均勻(若 采用粉末型超塑化劑，則與膠凝材料組份和細集料同時攪拌)；(2)將水(若采用 液體型超塑化劑，則與水同時加入)加入前面的拌合料中，攪拌均勻；(3)將上 述拌合料采用纖維漬漿工藝(即將流動性砂漿滲澆到事先放置于模板內(nèi)的纖維骨 架中)裝模(若采用短切鋼纖維，可以分層鋪放三維定向排列纖維，若采用三維 鋼纖維網(wǎng)架或混雜纖維網(wǎng)架，可以將纖維網(wǎng)架預(yù)先將放置在模具中)，同時振動 成型，帶模養(yǎng)護24小時后脫模；(4)將脫模后的試件進行標準養(yǎng)護，或于自然 保濕環(huán)境中養(yǎng)護若干天。
以下用實施例對本發(fā)明作更詳細的說明。
實施例1
采用P. 1152.5R硅酸鹽水泥、I級粉煤灰、S95級礦渣、硅灰(Si02含量在92 %以上)、低堿U型混凝土膨脹劑(UEA-N)、盾鈴型鋼纖維(纖維等效直徑為 0. 73mm，纖維長度為25腿，長徑比為34. 2，纖維抗拉強度為900MPa以上)、HP400R 緩凝型超塑化劑(聚羧酸系高效減水劑)和普通黃砂(細度模數(shù)2.28)為原料， 膠凝材料組分的重量比為水泥粉煤灰:礦渣:硅灰膨脹劑=0. 6: 0.1: 0. 1: 0.1: 0.1，膠凝材料組份與細集料、水、超塑化劑的重量比為膠凝材料組份 細集料:水:超塑化劑=1: 1: 0.24: 0.0195，鋼纖維的體積為全部組份混和后 總體積的5%。采用纖維漬漿成型40ramX40mmX160mm試件，鋼纖維在高性能定 向纖維增強水泥基復(fù)合材料中呈現(xiàn)三維正交定向排列。成型后的試件用聚酯薄膜 覆蓋，在實驗室室溫條件下靜停24h后拆膜，之后在(20土3)'C的飽和石灰水中 進行標準養(yǎng)護至少28d。在標準養(yǎng)護齡期達到50d時測定試件的物理力學(xué)性能和抗 凍性。測試結(jié)果如下:三維定向纖維增強水泥基復(fù)合材料的抗壓強度為164. 2MPa， 15.5倍初裂應(yīng)變的特征點壓縮韌性指數(shù)為11.66，抗彎強度為28. lMPa，彎曲韌性 為7N，m， 15.5倍初裂撓度的特征點彎曲韌性指數(shù)為17.16，劈裂抗拉強度為 18. OlMPa，在一(17±2) °C + (8±2) 'C下經(jīng)過800次快速凍融循環(huán)時體現(xiàn)出非常 高的抗凍性，其相對動彈性模量為86.3%，質(zhì)量損失率為0.37%。
實施例2
采用與實施例l相同的原料、配合比、成型工藝和養(yǎng)護方法，制成40mmX40mmX 160咖的高性能定向纖維增強水泥基復(fù)合材料試件，僅將鋼纖維的 體積摻量增加到全部組份混和后總體積的10X。在標準養(yǎng)護齡期達到50d時測定 試件的物理力學(xué)性能和抗凍性，結(jié)果如下三維定向纖維增強水泥基復(fù)合材料的 抗壓強度為206.8MPa， 15. 5倍初裂應(yīng)變的特征點壓縮韌性指數(shù)為15. 43，抗彎強 度為52.0MPa,彎曲韌性為26.91N，m, 15. 5倍初裂撓度的特征點彎曲韌性指數(shù)為 28.33，劈裂抗拉強度為23. 29MPa，在一(17±2) °C +(8±2) 。C下經(jīng)過800次快 速凍融循環(huán)時體現(xiàn)出非常高的抗凍性，其相對動彈性模量為86.3%，質(zhì)量損失率 為O. 11%。 實施例3
采用與實施例l相同的原料、配合比、成型工藝和養(yǎng)護方法，制成 40mraX40mmX 160mm的高性能定向纖維增強水泥基復(fù)合材料試件，僅將鋼纖維的 體積摻量增加到全部組份混和后總體積的15% 。在標準養(yǎng)護齡期達到50d時測定 試件的物理力學(xué)性能和抗凍性，結(jié)果如下三維定向纖維增強水泥基復(fù)合材料的 抗壓強度為222. 8MPa， 15. 5倍初裂應(yīng)變的特征點壓縮韌性指數(shù)為31. 52，抗彎強 度為69.1MPa，彎曲韌性為42.73N，m， 15. 5倍初裂撓度的特征點彎曲韌性指數(shù)為 20.45，劈裂抗拉強度為31. 27MPa，在一(17±2) °C +(8±2) 。C下經(jīng)過800次快 速凍融循環(huán)時體現(xiàn)出非常高的抗凍性，其相對動彈性模量為83.3%,質(zhì)量損失率 為O. 27%。
圖1所示的是，由實施例l、 2、 3制成的三維定向纖維增強水泥基復(fù)合材料 的彎曲荷載一撓度曲線(SC5-2、 SC10-2和SC15-2的三維定向排列鋼纖維的體 積摻量為全部組份混和后總體積的5%、 10%和15%);
圖2所示的是，由實施例l、 2、 3制成的三維定向纖維增強水泥基復(fù)合材料 的壓應(yīng)力一應(yīng)變?nèi)€(SC5-2、 SC10-2和SC15-2的三維定向排列鋼纖維的體 積摻量為全部組份混和后總體積的5%、 10%和15%)。
圖3所示的是，由實施例l、 2、 3制成的三維定向纖維增強水泥基復(fù)合材料 在一 (17±2) °C + (8±2) 'C快速凍融制度下的相對動彈性模量一凍融循環(huán)次數(shù) 曲線(SC5-2、 SC10-2和SC15-2的三維定向排列鋼纖維的體積摻量為全部組份 混和后總體積的5%、 10%和15%)。
圖4所示的是，由實施例l、 2、 3制成的三維定向纖維增強水泥基復(fù)合材料 在一 (17±2) °C + (8±2) 'C快速凍融制度下的質(zhì)量損失率一凍融循環(huán)次數(shù)曲線 (SC5-2、 SC10-2和SC15-2的三維定向排列鋼纖維的體積摻量為全部組份混和 后總體積的5%、 10%和15%)。
權(quán)利要求
1.一種三維定向纖維增強水泥基復(fù)合材料，其特征在于，由膠凝材料組份、細集料、水、三維定向排列纖維和超塑化劑組成，其中所述的膠凝材料組份與細集料、水、超塑化劑的重量比為1∶(1～2.5)∶(0.13～0.35)∶(0.01～0.03)，所述的三維定向排列纖維的體積為全部組份混和后總體積的5％～35％。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的三維定向纖維增強水泥基復(fù)合材料，其特征在于, 所述的三維定向排列纖維是短切鋼纖維或者是用鋼絲編制的三維鋼纖維網(wǎng)架，或 者是用鋼絲和高性能有機纖維編制的三維混雜纖維網(wǎng)架。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的三維定向纖維增強水泥基復(fù)合材料，其特征在于， 所述的膠凝材料組份包括水泥和礦物摻合料，其重量比為水泥礦物摻合料 =(0.4 0.9) : (0. 1 0.6)，或者包括水泥、礦物摻合料和膨脹劑，其重量 比為水泥礦物摻合料膨脹劑=(0.35 0.85) : (0.1 0.5): (0.05 0.15)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的三維定向纖維增強水泥基復(fù)合材料，其特征在于， 所述的細集料是天然砂和鋼珠中的任何一種，或者是兩者的混合物。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維定向纖維增強水泥基復(fù)合材料，其特征在于， 礦物摻合料是粉煤灰、礦渣、硅灰和偏高嶺土中的任何一種，或者是兩種及兩種 以上的混合物。
全文摘要
一種三維定向纖維增強水泥基復(fù)合材料，屬建筑材料中的混凝土。本復(fù)合材料包括膠凝材料組份、細集料、水、三維定向排列纖維和超塑化劑，其中凝膠材料組份∶細集料∶水∶超塑化劑的重量比為1∶(1～2.5)∶(0.13～0.35)∶(0.01～0.03)，膠凝材料組份包括水泥和礦物摻合料，其重量比為(0.4～0.9)∶(0.1～0.6)，或者包括水泥、礦物摻合料和膨脹劑，其重量比為(0.35～0.85)∶(0.1～0.5)∶(0.05～0.15)，礦物摻合料是粉煤灰、礦渣、硅灰和偏高嶺土中的任何一種，三維定向排列纖維的體積為全部組份混和后總體積的5％～35％，可選用短切鋼纖維、鋼絲編制的三維鋼纖維網(wǎng)架、鋼絲和高性能有機纖維編制的三維混雜纖維網(wǎng)架。本發(fā)明保證了纖維在高性能定向纖維增強水泥基復(fù)合材料的定向排列，利用了粉煤灰、礦渣、硅灰和偏高嶺土作為原料，有利于環(huán)保，降低了成本，并使本發(fā)明具有強度高、韌性好和耐久性高的優(yōu)點。
文檔編號C04B28/00GK101172824SQ200710133940
公開日2008年5月7日 申請日期2007年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月16日
發(fā)明者余紅發(fā), 斌 季, 麻海燕 申請人:南京航空航天大學(xué)