一种纤维复合磷铝酸盐水泥及其浆体和混凝土的制备方法

[技术领域]

本发明属于无机材料领域，特别涉及能水化硬化的复合了纤维的 胶凝材料及其浆体和混凝土的制备方法。

[背景技术]

普通水泥混凝土由于材料自身的结构缺陷易产生裂缝，在外力的 作用下导致结构的破坏。针对一般混凝土材料存在的脆性大、易开裂 和抗冲击性能差的问题，各国学者纷纷展开提高混凝土材料韧性的研 究。主要有超细粉增韧技术、纤维增韧技术和添加高分子化合物技术 等。由于高分子化合物存在易老化的弊端，在纤维增韧混凝土的研究 方面比较活跃。

纤维混凝土是以水泥净浆、砂浆或者混凝土为基体，以非连续的 短纤维或连续的长纤维作为增强材料所组成的水泥基复合材料。按照 单位体积混凝土中所掺加纤维的重量和体积大小还可以分为高掺量和 低掺量纤维混凝土。20世纪50年代以来，世界上许多工业发达国家关 于纤维混凝土的研究取得了明显的成就，其中包括：钢纤维混凝土、 玻璃纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土和碳纤维混凝土等。纤维混凝土 研究与应用的实质性进展，得益于合成纤维技术的突破。特别是最近 二十多年来，以美国为代表的技术发达国家研制生产出一系列可以掺 入混凝土当中的单丝合成纤维，如：改性聚丙烯、尼龙、聚酯、聚乙 烯等。然而目前国内外仍局限于传统的硅酸盐水泥与某种纤维复合， 这对改善水泥混凝土的抗收缩，抗裂，抗渗，抗冲击等力学性能有一 定的效果，但是，由于硅酸盐水泥的高碱性，使某些纤维会受到腐蚀 而品质下降，如：玻璃纤维，而且浆体与纤维界面粘结性能较差。硅 酸盐水泥混凝土抗拉强度仅是抗压强度的1/8到1/16，混凝土的标号 越高，这个比值越小。混凝土的极限伸长率极小，仅为0.005-0.05。 只有塑料的极限伸长率的1/10-1/20。因此在受拉或者受弯时的抗变形 能力很差，呈现脆性破坏，也即韧性差、断裂能低，其抗冲击性也相 应的比较低。并且硅酸盐水泥浆体早强低。这些都造成了硅酸盐水泥 及其混凝土本征性能与纤维复合的局限性。另外，建筑用含有纤维的 水泥混凝土，大多数都是在制备混凝土时现场掺入所需纤维，这对混 凝土质量的稳定性不利。作为脆性材料，纤维硅酸盐水泥混凝土及其 制品已经无法满足某些特殊场合的要求，也制约了水泥材料的应用。 因而开发出一种高性能的纤维复合磷铝酸盐水泥是现代工程的需要。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种水泥浆体与纤维相容性好， 结合界面良好，最终产品抗收缩，抗裂，抗渗，抗冲击等力学性能良 好的纤维复合磷铝酸盐水泥。本发明还要提供一种由该种纤维复合磷 铝酸盐水泥浆体和混凝土的制备方法。

本发明的技术方案是，一种纤维复合磷铝酸盐水泥，主要由磷铝 酸盐水泥和纤维组成，其组分的重量份为：

磷铝酸盐水泥        95.00-99.96；

纤维                0.04-5.00。

以上所述的纤维复合磷铝酸盐水泥，所采用的纤维可以是聚脂纤 维，其组分的重量份为：

磷铝酸盐水泥    96.00-98.00；

聚脂纤维        2.00-4.00。

以上所述的纤维复合磷铝酸盐水泥，所采用的纤维也可以是玻璃 纤维，其组分的重量份为：

磷铝酸盐水泥    97.00-99.00；

玻璃纤维        1.00-3.00。

以上所述的纤维复合磷铝酸盐水泥，所采用的纤维还可以是碳纤 维，其组分的重量份为：

磷铝酸盐水泥    99.00-99.96；

碳纤维          0.04-1.00

一种纤维复合磷铝酸盐水泥浆体的制备方法，其特点是，按照上 述纤维复合磷铝酸盐水泥的配比将磷铝酸盐水泥、纤维、适量的砂、 适量的水混合均匀；水泥浆体的pH值控制在10.5-11.8的范围内。

以上所述的纤维复合磷铝酸盐水泥浆体的制备方法，可以将纤维 加入到混合均匀的相应比例的水泥和适量的砂中搅拌后，再加适当比 例的水混合搅拌均匀。

以上所述的纤维复合磷铝酸盐水泥浆体的制备方法，也可以将纤 维均匀地加入到搅拌中的水泥内干混后，再分别加入适量的砂和水混 合搅拌均匀。

以上所述的纤维复合磷铝酸盐水泥浆体的制备方法，还可以将纤 维加入适量的水中混合后再加入相应比例的水泥混合后，再相继加入 适量的砂混合并搅拌均匀。

一种纤维复合磷铝酸盐水泥混凝土的制备方法，其特点是，将磷 铝酸盐水泥、纤维、适量的砂、适量的水混合时掺入适量的建筑石子， 或在磷铝酸盐水泥、纤维、适量的砂、适量的水混合均匀后掺入适量 的建筑石子和适量的水混合而成。

水泥砂浆或混凝土是脆性材料，如果在其中掺入一定量分散良好 的纤维，可以阻止裂缝的发生或扩展，增强材料的韧性，从而提高材 料的抗收缩，抗裂，抗渗，抗冲击等力学性能。磷铝酸盐水泥具有早 强、高强以及长期强度稳定增长的优点，它是制作纤维水泥的理想的 胶凝材料。磷铝酸盐水泥水化产物表面结构中的基团能与多种阴，阳 离子或离子团结合，所以在水泥与纤维结合后，其二者表面能产生优 良的物理(机械)，物理化学，甚至是化学结合，从而形成优良的水泥 石与纤维的界面结构和水泥浆体中的三维网络结构，明显地改善了水 泥混凝土的抗裂，抗收缩，抗渗以及其耐久性。而且，磷铝酸盐水泥 的低碱性，使复合在水泥中的纤维在浆体溶液环境中不会受到腐蚀。 这赋予纤维磷铝酸盐水泥本征上的物理化学优势，使其在性能上优于 国内外现有的其它水硬性胶凝材料。

本发明纤维磷铝酸盐复合水泥是低碱复合水泥，磷铝酸盐水泥浆 体中的水化产物与纤维界面有优良的机械结合和化学相容性，对多种 金属，非金属以及有机合成纤维的适应性强。本发明纤维复合磷铝酸 盐水泥的纤维来源广泛，可以是各种金属，非金属无机纤维和有机合 成纤维，如钢纤维、玻璃纤维、木纤维、植物纤维、碳纤维等；还可 以采用合成有机纤维，如聚乙烯，聚丙烯，聚丙烯酰胺，聚丙烯腈， 聚酯纤维等。本发明纤维复合磷铝酸盐水泥混凝土的断裂能，抗冲击 性能，抗渗，V氏硬度以及力学强度等性能同现有技术相比有明显改善。

[附图说明]

图1是本发明纤维复合磷铝酸盐水泥实施例1聚酯纤维与磷铝酸 盐水泥浆体的电子扫描形貌(SEM)图。

图2是本发明纤维复合磷铝酸盐水泥实施例2玻璃纤维与磷铝酸 盐水泥浆体的电子扫描形貌(SEM)图。

图3是本发明纤维复合磷铝酸盐水泥实施例1碳纤维与磷铝酸盐 水泥浆体的电子扫描形貌(SEM)图。

[具体实施方式]

本发明纤维复合磷铝酸盐水泥的原料来源于商品磷铝酸盐水泥以 及各种商品金属或非金属，无机或有机纤维。如，钢纤维、玻璃纤维、 木纤维、植物纤维、碳纤维等，还可以采用合成有机纤维，如聚乙烯， 聚丙烯，聚丙烯酰胺，聚丙烯腈，聚酯纤维等。本发明纤维复合磷铝 酸盐水泥混凝土使用的集料是普通建筑砂和建筑石子。

本发明纤维复合磷铝酸盐水泥浆体的制备方法：

纤维在水泥基体中的分散性是关键。在本发明中，纤维掺入方式 可以有以下三种：

1.把所设计比例量的纤维均匀地加入到搅拌中的水泥内干混。使用时 再分别加入相应比例的砂和水混合搅拌；

2.把所设计比例量的纤维加入到混合均匀的相应比例的水泥、砂中搅 拌后，再加适当比例的水混合搅拌；

3.把所设计比例量的纤维加入一定比例的水中混合后再加入相应比 例的水泥混合，再后相继加入适当比例的砂混合搅拌。

实施例1，聚酯纤维磷铝酸盐复合水泥(其组分的重量份为)：

52.5级磷铝酸盐水泥：97.20；

聚酯纤维(纤维长：6mm)：2.80。

实施例2，玻璃纤维磷铝酸盐复合水泥(其组分的重量份为)：

52.5级磷铝酸盐水泥：98.00；

玻璃纤维(纤维长：6mm)：2.00。

实施例3，碳纤维磷铝酸盐复合水泥(其组分的重量份为)：

52.5级磷铝酸盐水泥：99.50；

碳纤维：0.50。

在实施例1至3中，把所设计比例量的纤维均匀地加入到搅拌中 的磷铝酸盐水泥内干混形成磷铝酸盐复合水泥产品。使用时再在磷铝 酸盐复合水泥产品中加入相应比例的砂和水混合搅拌形成砂浆。表1 是纤维磷铝酸盐复合水泥净浆在标准养护下的主要力学性能。

表1.纤维磷铝酸盐复合水泥净浆1(标准养护)的主要力学性能/MPa

  试样   抗压强度/MPa   劈裂强度/MPa   水化龄期/d   水化龄期/d   1   28   1   28  实施例1  实施例2  实施例3   (掺聚酯纤维)   (掺玻璃纤维)   (掺碳纤维)   80.1   78.9   71.4   122.4   120.3   120.0   8.1   7.6   7.2   9.8   9.5   8.9  对比例12  对比例23   31.8   68.3   100.7   113.2   2.8   6.1   6.2   7.1

1.净浆标准稠度：试针下降深度：30mm

2.对比例1：复合有聚酯纤维的相应硅酸盐水泥(52.5级)净浆。

3.对比例2：未复合纤维的磷铝酸盐水泥净浆。

实施例4，聚酯纤维磷铝酸盐复合水泥(其组分的重量份为)：

52.5级磷铝酸盐水泥：97.20；

聚酯纤维(纤维长：6mm)：2.80；

集料(砂)：100。

复合水泥浆体的制备过程：

把2.80克(纤维长：6mm)的聚酯纤维均匀地加入到混合均匀的 97.20克磷铝酸盐水泥和100克的砂中搅拌5分钟后，再加44.71克 的水混合搅拌3分钟，进行砂浆制品的正常成型。聚酯纤维磷铝酸盐 复合水泥新拌砂浆的pH值维持在11.2。相应的力学性能见表2。

实施例5，玻璃纤维磷铝酸盐复合水泥(其组分的重量份为)：

52.5级磷铝酸盐水泥：98.00；

玻璃纤维(纤维长：6mm)：2.00；

集料(砂)：300。

复合水泥浆体的制备过程：

把2.00克的玻璃纤维(纤维长：6mm)均匀地加入到搅拌中的98克 水泥内干混5分钟后，再300克砂和45.08克水混合搅拌，进行砂浆 制品的正常成型。玻璃纤维磷铝酸盐复合水泥新拌砂浆的pH值为 10.7。相应力学性能：见表2。

实施例6，碳纤维磷铝酸盐复合水泥(其组分的重量份为)：

52.5级磷铝酸盐水泥：99.50；

碳纤维：0.50；

集料(砂)：200

复合水泥浆体的制备过程：

把0.50克的碳纤维加入到45.77克的水中混合5分钟后加入 99.50克水泥，再混合5分钟，然后再加入200克的砂混合搅拌3分钟， 进行砂浆制品的正常成型。碳纤维复合磷铝酸盐水泥新拌砂浆的pH值 为11.8。相应力学性能：见表2。

实施例7：

纤维复合磷铝酸盐水泥的混凝土，按重量配比，由实施例4中的 聚酯纤维磷铝酸盐复合水泥35份，建筑中砂和建筑石子(0.5cm-2.5cm) 65份和适量的水混合而成。相应力学性能：见表3。

表2纤维磷铝酸盐复合水泥砂浆标准养护28d的主要性能

  试样   砂浆试   样抗折   强度   /MPa   砂浆试   样剪切   强度   /MPa   砂浆试样   抗冲击强   度   /10-3·MPa   砂浆试样抗渗性(1.5MPa   压强，14小时后，1.6MPa   压强作用16小时)  实施例4  实施例5  实施例6  对比例1    对比例2     11.05   10.02   11.31   9.25     9.51     3.08   3.17   3.47   2.63     2.36     12.87·   12.16·   10.47·   7.19     7.54     不渗透   不渗透   不渗透   1.5MPa压强，12小时渗透   1.5MPa压强，14小时不   渗，继后1.6MPa压强10   小时渗透

对比例1：复合有聚酯纤维的相应硅酸盐水泥(52.5级)

对比例2：未复合纤维的磷铝酸盐水泥砂浆，即素砂浆。

表3聚酯纤维磷铝酸盐复合水泥混凝土标准养护28天的主要性能

  试样   断裂能/KJ   劈裂强度/MPa   1天   28天   1天   28天   实施例7   对比例3   对比例4   26.7   9.7   21.8   140.5   84.8   90.8   3.12   0.87   2.03   6.45   4.04   4.65

对比例3：复合有聚酯纤维的相应硅酸盐水泥混凝土C50

对比例4：未复合纤维的磷铝酸盐水泥混凝土C50，即素混凝土。

图1至图3是不同纤维与磷铝酸盐水泥浆体粘结的电子扫描形貌。 如图1至图3所示，本发明的纤维复合磷铝酸盐水泥中的纤维同磷铝 酸盐水泥砂浆粘结状况很好，纤维在浆体颗粒界面处起到了一种桥梁 的作用，所以复合纤维后，使浆体水化颗粒间的粘附力增强，并在水 化及以后的干燥过程中，阻止水泥浆体收缩及裂纹的形成和扩展，从 而能有效地改善了纤维复合磷铝酸盐水泥砂浆和混凝土的机械性能。

根据表1，表2和表3的实施例和对比例可见，本发明的纤维复 合磷铝酸盐水泥砂浆的主要机械性能同现有技术相比有很大提高，尤 其是早期力学性能的提高十分明显：

1.由表1，净浆试样水化的1d和28d劈裂强度，实施例1-3比 对比例1分别提高了157.1％-189％和43.6％-58.1％，比对比例2分别 提高了18.0％-32.8％和25.4％-38.0％。由此可见，所发明的纤维磷铝 酸盐复合水泥比现有的同类产品劈裂强度提高很多，这表明所发明的 复合水泥有很强的抗裂能力。

2.由表2的抗折强度(MPa)结果可见：在28d龄期时，实施例4、 5和6的砂浆试样的抗折强度比素砂浆的提高了5.36-18.93，比复合 有聚酯纤维的相应硅酸盐水泥的提高了8.32-22.27。

2.抗冲击强度(MPa)：在28d龄期时，实施例4、5和6的砂浆 试样的抗冲击强度比素砂浆的提高了38.9-70.7；比复合有聚酯纤维的 相应硅酸盐水泥的提高了45.6-79.0

3.抗渗性能(在恒定压力下水渗透试件的时间)：按照JC474- 1999，聚脂纤维和玻璃纤维磷铝酸盐水泥砂浆试样的抗渗性比素砂浆 高，在1.6MPa水压强作用16小时下不渗透；而对比例2试件在1.5MPa 压强下14小时不渗，继后1.6MPa压强10小时就渗透了，对比例1 的试件在1.5MPa压强，12小时渗透。

4.根据表3可见，本发明的聚酯纤维复合磷铝酸盐水泥混凝土的 主要性能同现有技术相比，也有很大提高：

(1)断裂能(KJ)：聚酯纤维磷铝酸盐水泥混凝土的断裂能比对 比例3素混凝土1天提高了22.5％，28天提高了54.2；比对比例4 复合有聚酯纤维的相应硅酸盐水泥混凝土的1天和28天断裂能分别提 高了175.3和65.7。

(2)劈裂强度：聚酯纤维磷铝酸盐水泥混凝土1天和28天的劈 裂强度比同期对比例3素混凝土的分别提高了53.7和38.7；比同期对 比例4复合有聚酯纤维的相应硅酸盐水泥混凝土的分别提高了258.6 和59.3。

混凝土形成过程中会出现微裂缝，但是由于纤维以单位体积内较 大的数量均匀随机分布于混凝土内部，故微裂缝在发展的过程中必须 遭遇纤维的阻挡，消耗了能量，从而阻断裂缝的发展达到抗裂作用。 同土木工程中加入钢筋一样，纤维的加入犹如在混凝土中掺入纤维 “筋”。这些纤维“筋”抑制了混凝土开裂的进程，提高了混凝土的断 裂韧性。磷铝酸盐水泥水化产物表面结构中的基团能与多种阴，阳离 子或离子团结合，所以在水泥与纤维结合后，其二者表面能产生优良 的物理(机械)，物理化学，甚至是化学结合，从而形成优良的水泥石 与纤维的界面结构和水泥浆体中的三维网络结构，明显地改善了水泥 混凝土的抗裂，抗收缩，抗渗以及其耐久性，所以磷铝酸盐水泥较对 比例中的硅酸盐水泥与纤维有更好的粘结力。磷铝酸盐水泥浆体本征 的高强和早强，使本发明纤维磷铝酸盐水泥及其制品具有优良的力学 性能。