一种超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料及其制备方法 |
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| 申请号 | CN201710116954.2 | 申请日 | 2017-03-01 | 公开(公告)号 | CN106866075A | 公开(公告)日 | 2017-06-20 |
| 申请人 | 上海理工大学; | 发明人 | 阚黎黎; 徐超; 朱瑨; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种超高韧性的大掺量 粉 煤 灰 水 泥基 复合材料 及制备方法，所述超高韧性的大掺量粉煤 灰水 泥基复合材料按重量份数计算，由554份胶凝材料、167份砂子、141份水玻璃、31份NaOH、108份水、14份PVA 纤维 组成，其中胶凝材料由高 钙 粉煤灰：低钙粉煤灰： 水泥 按 质量 比为4:1:0‑2.1的比例混合均匀而成。其制备方法即将NaOH与水混合并搅拌溶解，加入水玻璃，得到激发剂溶液；将凝胶材料和砂子混匀后加入激发剂溶液，再加入PVA纤维继续搅拌直至PVA纤维分散均匀，即得超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料。其利用了大量的粉煤灰，从而降低能耗、减少环境污染并提高工业废渣的利用率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料，其特征在于所述的超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料按重量份数计算，其原料组成及含量如下： |
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| 说明书全文 | 一种超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料及其制备方法技术领域背景技术[0002] 1998年吴中伟院士提出了“绿色混凝土”的概念。其指出，可持续发展是人类最迫切的问题。中国必须走绿色混凝土道路，绿色混凝土是节约资源及环境友好型的可持续发展的建筑材料，其精髓在于环保和可持续发展。 [0003] 在过去的一个半世纪，混凝土作为重要的土木工程材料，凭借取材简便、工艺简便、造价低、适应性强、抗压强度高等诸多优点，应用量越来越大，应用范围也越来越广泛。但是，由于混凝土自身的抗拉强度低、自重大、脆性大等固有弱点，加上混凝土结构在建设和使用过程中易出现不同程度和不同形式的裂缝，且混凝土能耗较大，环境污染严重等问题，制约着混凝土这种建筑材料的应用。美国密西根大学Victor Li教授和麻省理工大学Christopher Leung教授于1992年在美国ASCE Journal of Engineering Mechanics发表的论文建立了纤维增强水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites，ECC)的微观力学基础及设计准则，其后世界各地研究学者对ECC材料及其应用展开了深入的研究。 这给人们一个新的启示，可以在胶凝材料中添加纤维增强其韧性。 [0004] 由于粉煤灰作为工业废渣，近年来国际上对粉煤灰作为复合材料、修补材料、建筑材料等方面展开了大量的研究。但是，水泥基材料中粉煤灰用量的提高导致其强度的降低，这严重限制了其在需要一定承载能力、要求可靠性高的高技术材料领域的广泛应用。 [0005] 鉴于此，受ECC理论启发，本发明欲制备一种纤维增强型超高韧性大掺量粉煤灰水泥基复合材料，这种复合材料不仅环保，而且具有良好韧性等诸多优点，在工程上具有广泛的应用前景。 发明内容[0006] 本发明的目的之一是为了解决上述大掺量粉煤灰水泥基材料强度低、脆性大、裂缝控制能力差等技术问题而提供了一种超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料，该超高韧性大掺量粉煤灰水泥基复合材料具有强度大、韧性高等特点。 [0007] 本发明的目的之二是提供上述一种超高韧性大掺量粉煤灰水泥基复合材料的制备方法，该制备方法具有工艺流程简单、产品质量好等特点。 [0008] 本发明的技术方案 [0009] 一种超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料，按重量份数计算，其原料组成及含量下： [0010] [0011] 所述的胶凝材料，由高钙粉煤灰、低钙粉煤灰、水泥混合而成，按质量比计算，高钙粉煤灰：低钙粉煤灰：水泥为4:1:0-2.1； [0012] 其中：低钙粉煤灰为I级低钙粉煤灰，中位径D50为4.73μm； [0013] 高钙粉煤灰为I级高钙粉煤灰，中位径D50为19.45μm； [0015] 所述的砂为30-100目的石英砂，最大粒径不超过0.6mm； [0016] 所述的水玻璃，模数为3.3，波美度为40； [0017] 所述的NaOH为含量为99％粒碱型NaOH； [0018] 所述的PVA纤维，其长度为12mm，直径为39μm，抗拉强度为1600Mpa，弹性模量42.8Gpa。 [0019] 上述的一种超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤： [0020] (1)、将NaOH晶体与水混合并搅拌溶解，得到NaOH溶液，然后加入水玻璃，得到激发剂溶液； [0021] (2)、将凝胶材料和砂子倒入水泥胶砂搅拌机中在公转57-67r/min，自转135-145r/min的条件下干搅2～4min至混合均匀； [0022] 所述的胶凝材料是由低钙粉煤灰、高钙粉煤灰和水泥进行混合均匀而成； [0023] 然后将步骤(1)所得的激发剂溶液加入到水泥胶砂搅拌机中，在公转115-135r/min，自转275-295r/min的条件下搅拌3～5min； [0024] 然后加入PVA纤维，在公转115-135r/min，自转275-295r/min的条件下继续搅拌5～8min，直至PVA纤维分散均匀，即得超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料。 [0025] 本发明的技术效果 [0026] 本发明的一种超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料，由于利用了大量的粉煤灰作为原材料，消耗了现有的有害于环境的工业废渣、减少了水泥及其复合物的碳排放，使得超高韧性大掺量粉煤灰水泥基复合材料更加绿色化。 [0027] 进一步，本发明的一种超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料，经检测，其在7d时的平均应力可达到2.07-2.37MPa，平均应变可达到3.51-4.57％，因此超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料具有强度大、韧性高等特点。 [0028] 进一步，本发明的一种超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料的制备方法，由于整个制备过程仅需将原料混合搅拌，且搅拌过程用时仅为10～17min，即普通的混凝土搅拌设备即可满足制备的需要，且所得材料的应变均高于3.5％，因此该制备方法具有流程简单、最终所得的产品质量好等特点。附图说明 [0029] 图1、实施例1-3所得的一种超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料的应力-应变示意图。 具体实施方式[0030] 下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。 [0031] 本发明所用到的设备及原材料信息详见表1： [0032] 表1所用到的设备及原材料 [0033] [0034] 实施例1 [0035] 一种超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料，按重量份数计算，其原料组成及含量下： [0036] [0037] [0038] 所述的胶凝材料，由高钙粉煤灰、低钙粉煤灰和水泥进行混合均匀而成，按质量比计算，高钙粉煤灰：低钙粉煤灰：水泥为4:1:2.1； [0039] 其中：低钙粉煤灰为一级低钙粉煤灰，中位径D50为4.73μm； [0040] 高钙粉煤灰为一级高钙粉煤灰，中位径D50为19.45μm； [0042] 所述的砂为30-100目的石英砂，最大粒径不超过0.6mm； [0043] 所述的水玻璃，模数为3.3，波美度为40； [0044] 所述的NaOH为含量为99％粒碱型NaOH； [0045] 所述的PVA纤维，其长度为12mm，直径为39μm，抗拉强度为1600Mpa，弹性模量42.8Gpa。 [0046] 上述的一种超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤： [0047] (1)、将NaOH与水混合并搅拌溶解，得到NaOH溶液，然后加入水玻璃，得到激发剂溶液； [0048] (2)、将凝胶材料和砂子倒入水泥胶砂搅拌机中在公转57-67r/min，自转135-145r/min的条件下干搅2～4min至混合均匀； [0049] 所述的胶凝材料是由低钙粉煤灰、高钙粉煤灰和水泥进行混合均匀而成； [0050] 然后将步骤(1)所得的激发剂溶液加入到水泥胶砂搅拌机中，在公转115-135r/min，自转275-295r/min的条件下搅拌3～5min； [0051] 然后加入PVA纤维，在公转115-135r/min，自转275-295r/min的条件下继续搅拌5～8min，直至PVA纤维分散均匀，即得超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料。 [0052] 实施例2 [0053] 一种超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料，按重量份数计算，其原料组成及含量下： [0054] [0055] 所述的胶凝材料，由高钙粉煤灰、低钙粉煤灰和水泥进行混合均匀而成，按质量比计算，高钙粉煤灰：低钙粉煤灰：水泥为4:1:0.9； [0056] 其中：低钙粉煤灰为I级低钙粉煤灰，中位径D50为4.73μm； [0057] 高钙粉煤灰为I级高钙粉煤灰，中位径D50为19.45μm； [0058] 水泥为P·II 52.5型硅酸盐水泥； [0059] 所述的砂为30-100目的石英砂，最大粒径不超过0.6mm； [0060] 所述的水玻璃，模数为3.3，波美度为40； [0061] 所述的NaOH为含量为99％粒碱型NaOH； [0062] 所述的PVA纤维，其长度为12mm，直径为39μm，抗拉强度为1600Mpa，弹性模量42.8Gpa。 [0063] 上述的一种超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料的制备方法，具体步骤同实施例1。 [0064] 实施例3 [0065] 一种超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料，按重量份数计算，其原料组成及含量下： [0066] [0067] [0068] 所述的胶凝材料，由高钙粉煤灰、低钙粉煤灰和水泥进行混合均匀而成，按质量比计算，高钙粉煤灰：低钙粉煤灰：水泥为4:1:0； [0069] 其中：低钙粉煤灰为I级低钙粉煤灰，中位径D50为4.73μm； [0070] 高钙粉煤灰为I级高钙粉煤灰，中位径D50为19.45μm； [0071] 水泥为P·II 52.5型硅酸盐水泥； [0072] 所述的砂为30-100目的石英砂，最大粒径不超过0.6mm； [0073] 所述的水玻璃，模数为3.3，波美度为40； [0074] 所述的NaOH为含量为99％粒碱型NaOH； [0075] 所述的PVA纤维，其长度为12mm，直径为39μm，抗拉强度为1600Mpa，弹性模量42.8Gpa。 [0076] 上述的一种超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料的制备方法，具体步骤同实施例1。 [0077] 将上述实施例1-3所得的超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料在露天养护7d后，在电子拉力试验机上进行抗拉试验，同时对实验数据进行实时采集，并绘制出应力-应变关系曲线，实验过程中可以看出，随着超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料中水泥的减少，试件的应力有稍许减少，但是应变有一定的提高。所得的应力-应变关系曲线结果见图1所示，从图1中可以看出，实施例1试件在7d时的平均应力可达到2.37MPa，平均应变可达到3.51％。实施例2试件在7d时的平均应力可达到2.19MPa，平均应变可达到3.95％。实施例3试件在7d时的平均应力可达到2.07MPa，平均应变可达到4.57％。 [0078] 综上所述，本发明提供的一种超高韧性的大掺量粉煤灰水泥基复合材料具有强度大、韧性高等特点，该制备方法具有流程简单、产品质量好等特点。 [0079] 以上所述仅是本发明的实施方式的举例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。 |
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