一种混杂纤维高延性水泥基复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及水泥领域，具体涉及一种混杂纤维高延性水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、高延性水泥基复合材料（ecc）以其优异的拉伸延性和裂缝控制能力，在建筑结构加固、桥梁修复、隧道衬砌等领域得到广泛应用。聚乙烯醇（pva）纤维具有柔韧性好、亲水性强的特点，是制备高延性水泥基复合材料的常用增强纤维，掺入后可通过纤维桥接作用抑制裂缝扩展、提高材料的延性和韧性。然而，单掺pva纤维存在成本较高、掺量较高时易缠绕团聚、纤维过短时易从基体中拔出等问题，增强效果有限。

2、玄武岩纤维是以天然玄武岩矿石为原料，经高温熔融拉丝制得的高性能无机纤维，其抗拉强度可达3000～4800 mpa，具有耐酸碱腐蚀、耐高温、电绝缘性好、绿色环保、成本低廉等优点，且其化学成分与水泥基体相近，与水泥基体具有良好的相容性，是一种极具应用前景的纤维增强材料。

3、近年来，已有研究尝试将玄武岩纤维与pva纤维混掺，以弥补单一纤维增强的不足。但玄武岩纤维与pva纤维混掺体系仍存在以下不足：一方面，纤维的掺入会显著降低水泥浆体的流动度，纤维长度越长、掺量越高，流动度损失越大，影响复合材料的施工性能；另一方面，玄武岩纤维表面光滑、化学惰性较强，与水泥基体之间的界面结合较弱，受力时纤维容易从基体中被拔出，难以充分发挥其增强增韧作用，制约了混杂纤维体系性能的进一步提升。

4、为改善玄武岩纤维与水泥基体的界面结合，现有技术提出了酸蚀刻、硅烷偶联剂处理、等离子体处理等表面改性方法，但这些方法普遍存在工艺复杂、条件苛刻、能耗高、易污染环境、改性层与纤维结合不牢、改性不均匀等缺陷。因此，开发一种工艺简单、绿色环保且能显著增强玄武岩纤维与水泥基体界面结合的纤维改性方法，并将其应用于混杂纤维高延性水泥基复合材料，具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有玄武岩纤维与水泥基体界面结合差、玄武岩纤维/pva纤维混杂体系流动度损失大且力学性能提升受限的缺陷，提供一种混杂纤维高延性水泥基复合材料及其制备方法。该复合材料通过对玄武岩纤维进行聚多巴胺辅助zno纳米线生长改性，显著提高纤维与水泥基体的界面结合性能，进而提高复合材料的力学性能，同时保持良好的施工性能。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种混杂纤维高延性水泥基复合材料，由以下重量份的原料组成：水泥100份、石英砂80份、水55份、减水剂0.7份、增稠剂0.02份、pva纤维1份、以及聚多巴胺辅助生长zno纳米线改性玄武岩纤维0.7～1.6份。

4、进一步地，所述聚多巴胺辅助生长zno纳米线改性玄武岩纤维的用量为1.0份。

5、进一步地，所述水泥为p·c32.5型复合硅酸盐水泥。

6、进一步地，所述减水剂为高效聚羧酸减水剂。

7、进一步地，所述增稠剂为羟丙基甲基纤维素。

8、进一步地，所述聚多巴胺辅助生长zno纳米线改性玄武岩纤维的制备方法包括以下步骤：步骤s1，表面热处理除胶：将玄武岩纤维置于马弗炉中，于300℃下灼烧1 h，以去除纤维表面原有的有机浸润剂或涂层，得到洁净的玄武岩纤维基体；

9、步骤s2，聚多巴胺界面层的构建：将步骤s1所得洁净的玄武岩纤维浸入ph值为8.5的tris-hcl缓冲溶液中，向体系中加入盐酸多巴胺，使其在缓冲液中的浓度为2 g/l，于30℃下恒温搅拌反应8 h，使多巴胺在纤维表面发生氧化自聚合反应；反应完毕后取出纤维，依次用去离子水和无水乙醇洗涤，经真空干燥，得到表面包覆聚多巴胺的玄武岩纤维；

10、步骤s3，zno晶种液的配制：将氢氧化钠和二水合乙酸锌分别溶解于无水乙醇中，分别配制成浓度为20 mm的氢氧化钠乙醇溶液和12.5 mm的二水合乙酸锌乙醇溶液；将上述两种溶液按体积比1:1混合，在60℃下恒温搅拌30 min，随后迅速置于冰水浴中冷却至室温，得到澄清透明的zno晶种液；

11、步骤s4，zno种子层的浸涂负载：将步骤s2所得表面包覆聚多巴胺的玄武岩纤维浸入步骤s3所得的zno晶种液中，静置15 min后取出，置于160℃下干燥；重复上述浸涂-干燥操作2次，使zno晶种均匀、致密地附着于聚多巴胺涂层表面，得到负载zno种子层的玄武岩纤维；

12、步骤s5，zno纳米线的水热生长：将步骤s4所得负载zno种子层的玄武岩纤维浸入生长溶液中，所述生长溶液由六亚甲基四胺和六水合硝酸锌溶于去离子水配制而成，其中六亚甲基四胺的浓度为250 mm，六水合硝酸锌的浓度为25 mm；将上述体系于75℃下水热反应9 h；反应结束后，取出纤维，用去离子水反复冲洗，经干燥，即得聚多巴胺辅助生长zno纳米线改性玄武岩纤维。

13、本发明还提供一种混杂纤维高延性水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：按重量份将水泥进行低速搅拌10min，然后加入pva纤维和聚多巴胺辅助生长zno纳米线改性玄武岩纤维再低速搅拌10min，加入减水剂和水低速搅拌30s；再加入石英砂高速搅拌2min，再加入增稠剂搅拌1min后停止搅拌。

14、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

15、本发明利用多巴胺在弱碱性条件下的氧化自聚合反应，在玄武岩纤维表面形成均匀、致密且具有强粘附性的聚多巴胺界面层。本发明以聚多巴胺层为粘附桥梁，通过zno晶种浸涂和水热生长，在玄武岩纤维表面均匀生长zno纳米线，构筑纳米级粗糙表面结构，显著增大纤维的比表面积和表面粗糙度，增强了纤维与水泥基体之间的机械啮合与界面摩擦作用，有效抑制纤维拔出，充分发挥纤维的增强增韧作用。本发明制备方法工艺简单、条件温和、绿色环保、易于工业化生产；聚多巴胺自聚合过程在水相中进行，无需有机溶剂和复杂设备。

1.一种混杂纤维高延性水泥基复合材料，其特征在于，由以下重量份的原料组成：水泥100份、石英砂80份、水55份、减水剂0.7份、增稠剂0.02份、pva纤维1份、以及聚多巴胺辅助生长zno纳米线改性玄武岩纤维0.7～1.6份。

2.根据权利要求1所述的混杂纤维高延性水泥基复合材料，其特征在于，所述聚多巴胺辅助生长zno纳米线改性玄武岩纤维的用量为1.0份。

3.根据权利要求1或2所述的混杂纤维高延性水泥基复合材料，其特征在于，所述水泥为p·c32.5型复合硅酸盐水泥。

4.根据权利要求1或2所述的混杂纤维高延性水泥基复合材料，其特征在于，所述减水剂为高效聚羧酸减水剂。

5.根据权利要求1或2所述的混杂纤维高延性水泥基复合材料，其特征在于，所述增稠剂为羟丙基甲基纤维素。

6.根据权利要求1所述的混杂纤维高延性水泥基复合材料，其特征在于，所述聚多巴胺辅助生长zno纳米线改性玄武岩纤维的制备方法包括以下步骤：步骤s1，表面热处理除胶：将玄武岩纤维置于马弗炉中，于300℃下灼烧1 h，以去除纤维表面原有的有机浸润剂或涂层，得到洁净的玄武岩纤维基体；

7.一种权利要求1至6中任一项所述混杂纤维高延性水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按重量份将水泥进行低速搅拌10min，然后加入pva纤维和聚多巴胺辅助生长zno纳米线改性玄武岩纤维再低速搅拌10min，加入减水剂和水低速搅拌30s；再加入石英砂高速搅拌2min，再加入增稠剂搅拌1min后停止搅拌。