一种低碳低收缩型高强高延性水泥基复合材料及其制备方法与流程

1.本发明属于建工材料领域，具体涉及一种低碳低收缩型高强高延性水泥基复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.高延性水泥基复合材料的制备是以微观力学模型为理论基础对短纤维增强水泥基复合材料进行设计，合理控制纤维、基体的性能以及纤维/基体界面参数，使其具有应变硬化特性。高延性水泥基复合材料通常加入2％体积掺量的聚乙烯醇和聚乙烯纤维，在单轴拉伸情况下其极限拉应变可稳定超过3％，而且受拉时裂缝宽度小、间距小，最终以多缝开裂的形式失效。
3.但是由于制备高延性水泥基复合材料所用的硅酸盐水泥用量较大，会造成大量温室气体co2的释放和能源消耗。并且较大的水泥体积占比使高延性水泥基复合材料在硬化过程中容易产生收缩裂纹,28d收缩应变可达到了1500με。于是，一种低碳低能耗的新型高贝利特硫铝酸盐水泥应运而生。这种水泥的矿物组成的含量c2s》c4a3$》c4af，煅烧过程中的能耗降低，并且co2的释放量大幅减少。c2s和c4a3$搭配使用不仅能解决硫铝酸盐水泥后期强度倒缩的体积稳定性问题，而且能避免贝利特水泥因水化慢而导致水泥及混凝土早期强度低等劣势。此外，高贝利特硫铝酸盐水泥因水化放热量小和膨胀成分多致使收缩明显低于硅酸盐水泥。目前，并没有关于使用高贝利特硫铝酸盐水泥制备高延性水泥基复合材料的研究。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种低碳低收缩型高强高延性水泥基复合材料，在保持良好的机械强度和韧性的基础上，拥有低碳低收缩的特性。此外，本发明还提供一种低碳低收缩型高强高延性水泥基复合材料的制备方法，该方法制备工序简单，原材料种类少。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.本发明的第一方面，提供一种低碳低收缩型高强高延性水泥基复合材料，按照重量份计，由以下各组分组成：水泥650-750份、硅灰100-150份、粉煤灰500-600份、黄砂400-450份、石膏0-100份，高效减水剂30-40份、合成纤维15-25份、水200-250份；该水泥基复合材料的制成品8d抗压强度大于80mpa，84d干燥收缩和自收缩分别小于670με和500με，最大单位co2释放量为500kg/t，最小拉应变为4.4％。
7.进一步地，所述水泥为高贝利特硫铝酸盐水泥，其矿物成分占比为c2s(42％-45％)，c4a3$(35-40％)，c4af(5-10％)和c$(4-6％)，比表面积为450-480m2/kg，初凝时间和终凝时间分别为25-35min和50-60min，3d、7d和28d抗压强度分别为40-45mpa、50-55mpa和60-65mpa。
8.进一步地，所述硅灰活性指数大于95％，堆积密度为450-480kg/m3，比表面积为
210000-220000m2/kg，粒径分布主要位于0.1-0.3μm之间。
9.进一步地，所述粉煤灰为ii级粉煤灰，活性指数大于80％，含碳量小于1％。
10.进一步地，黄砂为中砂，细度模数为2.3-2.5，堆积密度为1550-1600kg/m3。
11.进一步地，所述石膏为中c$含量大于95％，比表面积为530-570m2/kg，其中，c$表示硫酸钙caso4，是caso4的标准简写。
12.进一步地，所述高效减水剂为pca型聚羧酸减水剂，减水率＞30％，密度为1050-1110kg/m3。
13.进一步地，所述合成纤维为高弹模高强聚乙烯纤维，长度为6-12mm，直径为21.7μm，密度为970kg/m3，抗拉强度为3360mpa，弹性模量为115gpa。
14.本发明的第二方面，提供一种低碳低收缩型高强高延性水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
15.步骤一、按重量份称取水泥、硅灰、粉煤灰、黄砂、石膏、高效减水剂、合成纤维、水；
16.步骤二、将水泥、硅灰、粉煤灰、石膏、黄砂依次倒入滚筒式搅拌机中搅拌1min，得到干混料a；
17.步骤三、将高效减水剂加入水中搅拌均匀，加入干混料a中，混合搅拌3-4min，得到具有均匀性和流动性良好的砂浆料b；
18.步骤四、将合成纤维分散撒入砂浆料b内，搅拌2-3min得到低碳低收缩型高强高延性水泥基复合材料。
19.一种低碳低收缩型高强高延性水泥基复合材料的应用，该高延性水泥基复合材料具有良好的力学性能和耐久性能，能够广泛用于抗震承重结构、墙体修补以及钢桥面的铺装。
20.与现有技术相比，本发明低碳低收缩型高强高延性水泥基复合材料的有益效果为：
21.(1)本发明制备的高延性水泥基复合材料因原材料中含有一定量的c4a3$，在参与水化时会在早期生成大量的膨胀性水化产物钙矾石，能够有效补偿收缩。于是，本发明的干燥收缩和自收缩显著降低，最低的84d干燥收缩和自收缩分别仅为535με和401με。
22.(2)本发明制备的高延性水泥基复合材料使用的是高贝利特硫铝酸盐水泥，其主要成分包含c4a3$。水泥孰料中这种矿物成分的生成不会分解出大量的二氧化碳，而且煅烧的温度相较于硅酸盐水泥熟料更低。因此，使用这种水泥制备高延性水泥基复合材料的能耗更低，co2排放量更少，是一种低能耗低碳的新型绿色高性能材料。本发明的高延性水泥基复合材料单位co2排放量仅为432.3kg/t，而硅酸盐水泥基的单位co2排放量527.0kg/t。
23.(3)本发明制备的高延性水泥基复合材料强度高，尤其因为高贝利特硫铝酸盐水泥中c2s含量最高，后期强度会有较大的增长，解决高强混凝土后期强度出现倒缩的问题，28d抗压强度值最大为93.6mpa。
24.(4)本发明制备的高延性水泥基复合材料韧性高，主要是由于水化产物中非胶凝水化产物钙矾石含量更多，导致pe纤维与基体的界面粘结性能适中，有助于纤维能够产生适当滑移而不至于发生断裂或者脱粘，由此产生了更高的拉应变。本发明的最大拉应变高达5.1％，具备很高的延性。
25.(5)本发明中所需原材料种类少，工艺流程简单，制备成本较低。
附图说明
26.图1是实施例1-5中高强高延性水泥基复合材料干燥收缩图。
27.图2是实施例1-5中高强高延性水泥基复合材料自收缩图。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.实施例中所使用的原材料若非特指，均为公知的，市售化工原料。
30.本发明是一种低碳低收缩型高强高延性水泥基复合材料，按照重量份计，由以下各组分组成：水泥650-750份、硅灰100-150份、粉煤灰500-600份、黄砂400-450份、石膏0-100份，高效减水剂30-40份、合成纤维15-25份、水200-250份；
31.该水泥基复合材料的制成品8d抗压强度大于80mpa，84d干燥收缩和自收缩分别小于670με和500με，最大单位co2释放量为500kg/t，最小拉应变为4.4％。
32.实施例1
33.一种高强高延性水泥基复合材料，由以下的制备步骤所得：
34.步骤一、将700份pii52.5硅酸盐水泥、125份硅灰、560份粉煤灰、420份黄砂依次倒入滚筒式搅拌机中搅拌1min，得到干混料a；
35.步骤二、将33份高效减水剂加入235份水中搅拌均匀，加入干混料a中，混合搅拌3min，得到具有均匀性和流动性良好的砂浆料b；
36.步骤三、将17.5份聚乙烯纤维分散撒入砂浆料b内，搅拌2min得到高强高延性水泥基复合材料。
37.实施例2
38.一种低碳低收缩型高强高延性水泥基复合材料，由以下的制备步骤所得：
39.步骤一、将700份高贝利特硫铝酸盐水泥、125份硅灰、560份粉煤灰、420份黄砂依次倒入滚筒式搅拌机中搅拌1min，得到干混料a；
40.步骤二、将33份高效减水剂加入235份水中搅拌均匀，加入干混料a中，混合搅拌3min，得到具有均匀性和流动性良好的砂浆料b；
41.步骤三、将17.5份聚乙烯纤维分散撒入砂浆料b内，搅拌2min得到低碳低收缩型高强高延性水泥基复合材料。
42.实施例3
43.一种低碳低收缩型高强高延性水泥基复合材料，由以下的制备步骤所得：
44.步骤一、将700份高贝利特硫铝酸盐水泥、125份硅灰、560份粉煤灰、35份石膏、420份黄砂依次倒入滚筒式搅拌机中搅拌1min，得到干混料a；
45.步骤二、将33份高效减水剂加入235份水中搅拌均匀，加入干混料a中，混合搅拌3min，得到具有均匀性和流动性良好的砂浆料b；
46.步骤三、将17.5份聚乙烯纤维分散撒入砂浆料b内，搅拌2min得到低碳低收缩型高强高延性水泥基复合材料。
47.实施例4
48.一种低碳低收缩型高强高延性水泥基复合材料，由以下的制备步骤所得：
49.步骤一、将700份高贝利特硫铝酸盐水泥、125份硅灰、560份粉煤灰、70份石膏、420份黄砂依次倒入滚筒式搅拌机中搅拌1min，得到干混料a；
50.步骤二、将33份高效减水剂加入235份水中搅拌均匀，加入干混料a中，混合搅拌3min，得到具有均匀性和流动性良好的砂浆料b；
51.步骤三、将17.5份聚乙烯纤维分散撒入砂浆料b内，搅拌2min得到低碳低收缩型高强高延性水泥基复合材料。
52.实施例5
53.一种低碳低收缩型高强高延性水泥基复合材料，由以下的制备步骤所得：
54.步骤一、将700份高贝利特硫铝酸盐水泥、125份硅灰、560份粉煤灰、105份石膏、420份黄砂依次倒入滚筒式搅拌机中搅拌1min，得到干混料a；
55.步骤二、将33份高效减水剂加入235份水中搅拌均匀，加入干混料a中，混合搅拌3min，得到具有均匀性和流动性良好的砂浆料b；
56.步骤三、将17.5份聚乙烯纤维分散撒入砂浆料b内，搅拌2min得到低碳低收缩型高强高延性水泥基复合材料。
57.实施例1-5中性能参数的检测数据如下表1所示。
[0058][0059]
实施效果：
[0060]
由实施例1-5可知，高贝利特硫铝酸盐水泥基复合材料7d强度均高于硅酸盐水泥基复合材料，28d龄期时，高贝利特硫铝酸盐水泥基复合材料抗压强度也出现了较大的增长，这得益于高贝利特硫铝酸盐水泥中c4a3$促进早期强度大幅提高，c2s促进后期强度不断增长。
[0061]
如图1和图2所示，上述高贝利特硫铝酸盐水泥基复合材料的自收缩和干燥收缩均小于硅酸盐水泥基复合材料，而且增加石膏的含量进一步降低高贝利特硫铝酸盐水泥基复合材料的收缩，这是因为石膏参与水化反应生成更多的膨胀相钙矾石减少自身的收缩。另
外，相较硅酸盐水泥基复合材料，高贝利特硫铝酸盐水泥基复合材料在生产过程中大幅降低了co2的释放量，使这种材料的制备更加绿色环保。
[0062]
还有，所有实施例的拉应变都超过了3％，高贝利特硫铝酸盐水泥基复合材料具有更高的拉应变。
[0063]
尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。