CN105948665B - 一种早强低收缩高韧性水泥基工程材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑材料领域。一种早强低收缩高韧性水泥基工程材料，其特征在于它由包含硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅灰、钢纤维、聚乙烯醇纤维、水、减水剂、早强剂、缓凝剂和河砂原料制备而成，各原料的含量为：硫铝酸盐水泥460~500kg/m³，普通硅酸盐水泥50~70kg/m³，硅灰50~70kg/m³，钢纤维40~60kg/m³，聚乙烯醇纤维8~10kg/m³，水200~220kg/m³，减水剂7.0~7.4kg/m³，早强剂0.2~0.22kg/m³，缓凝剂1.7~1.9kg/m³，河砂1180~1220kg/m³。制得的水泥基工程材料工作性能好、早期强度高、后期强度增长大，力学性能、体积稳定性能优良，且韧性高，具有良好的力学性能和耐久性能，实际应用价值大。

Description

一种早强低收缩高韧性水泥基工程材料及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种早强低收缩高韧性水泥基工程材料及其制备方法。

背景技术

水泥基工程材料(engineered cementitious composite，ECC)是基于微观物理力学原理优化设计的一种新型工程用水泥基复合材料，由美国密歇根大学的Li Victor C于20世纪90年代率先提出来其设计理念。其以特殊的有机合成纤维为主要材料之一，加上特殊的调配工艺制成，具有比传统的水泥基材料更好的抗拉、耐磨、韧性、耐酸碱、致密性、抗冲击等一系列优质特性，在混凝土结构保护层、桥面板修复、无伸缩桥面板等工程中得到了较为广泛的应用。

但是普通的水泥基工程材料也存在下列缺点：1)自身不含有粗骨料，水泥浆体含量大，收缩大，易造成修补层与基层脱粘和开裂；2)PVA纤维掺量高，粘度大，不易施工；3)成本高。

这些缺点限制了其在混凝土结构快速修复领域的大规模应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种早强低收缩高韧性水泥基工程材料及其制备方法，制得的水泥基工程材料的工作性能好、早期强度高、后期强度增长大，具有良好的力学性能和耐久性能。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种早强低收缩高韧性水泥基工程材料，其特征在于它由包含硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅灰、钢纤维、聚乙烯醇纤维、水、减水剂、早强剂、缓凝剂和河砂原料制备而成，各原料的含量为：硫铝酸盐水泥460～500kg/m³，普通硅酸盐水泥50～70kg/m³，硅灰50～70kg/m³，钢纤维40～60kg/m³，聚乙烯醇纤维8～10kg/m³，水200～220kg/m³，减水剂7.0～7.4kg/m³，早强剂0.2～0.22kg/m³，缓凝剂1.7～1.9kg/m³，河砂1180～1220kg/m³。

根据上述方案，所述硫铝酸盐水泥为R.SAC42.5硫铝酸盐水泥，比表面积≥400m²/kg，0.08mm筛筛余≤10.0％，0.2％≤28d自由膨胀率≤0.4％。

根据上述方案，所述普通硅酸盐水泥(即硅酸盐水泥)为PO42.5硅酸盐水泥，比表面积≥300m²/kg。

根据上述方案，所述硅灰为微硅粉，比表面积≥20000m²/kg，活性指数≥90％。

根据上述方案，所述钢纤维为镀铜短丝钢纤维，直径0.2mm，长度10mm，抗拉强度≥1800MPa，弹性模量≥200MPa。

根据上述方案，所述聚乙烯醇纤维的长度为12mm，长径比316，断裂强度≥1600MPa，弹性模量≥28GPa。

根据上述方案，所述减水剂为超分散降粘聚羧酸系高效减水剂，分子式为(-CH₂CR₁COOM-)_x{CH₂CR₁COO-[(CH₂CH₂O)_n]-R₂}_y，分子量15000～20000，x＝25～40，y＝30～45，n＝10～15。

根据上述方案，所述早强剂为碳酸锂，工业级，含量≥98％(质量)。

根据上述方案，所述缓凝剂为硼酸，工业级，含量≥98％(质量)。

根据上述方案，所述河砂含泥量为0％(质量)，粒径不大于1.18mm，细度模数≤1.7，表观密度≤2700kg/m³。

上述一种早强低收缩高韧性水泥基工程材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)按各原料的含量为：硫铝酸盐水泥460～500kg/m³，普通硅酸盐水泥50～70kg/m³，硅灰50～70kg/m³，钢纤维40～60kg/m³，聚乙烯醇纤维8～10kg/m³，水200～220kg/m³，减水剂7.0～7.4kg/m³，早强剂0.2～0.22kg/m³，缓凝剂1.7～1.9kg/m³，河砂1180～1220kg/m³，称取原料；

2)取部分水加热成温水(所述温水的温度为45～60℃)，分别将早强剂(碳酸锂)和缓凝剂(硼酸)在温水中溶解{水的用量够溶解就行，在总水量(水200～220kg/m³)之内，没严格要求}，得到碳酸锂溶液和硼酸溶液；

3)将硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅灰和河砂进行混合干拌1min，得到混合料；在所得混合料中加入剩余的水(即扣除溶解碳酸锂和硼酸的水)、减水剂，搅拌2-3min，制得混合浆体；

4)分别将钢纤维和聚乙烯醇纤维均匀地加入到混合浆体中，搅拌3min至混杂纤维均匀地分散在混合浆体中，得到含纤维的混合浆体；

5)将碳酸锂溶液和硼酸溶液加入步骤4)所得的含纤维的混合浆体中，搅拌1min；

6)将5)所得浆体倒入模具中成型，静置4～5h后脱模，进行养护，得到早强低收缩高韧性水泥基工程材料。

本发明的原理为：目前通常选用硅酸盐水泥为胶凝材料制备水泥基工程材料，但是硅酸盐水泥水化放热量大，收缩也较大，因而以其为胶材制备的ECC干缩变形大，不适宜用作修补材料。而硫铝酸盐水泥虽然具有早强、水化产物钙钒石膨胀补偿收缩的特点，但是后期强度增长小，也不适宜于单独作为胶材制备水泥基工程材料。硅灰作矿物掺合料具有较强的火山灰活性和微集料填充效应，能够改善胶凝浆体硬化后的微观结构，显著提高力学性能和耐久性能。因此结合硫铝酸盐水泥早强、抗冻、抗渗性能好、微膨胀的特点与硅酸盐水泥后期高强的特性采用硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和硅灰复配作胶凝材料，从而实现性能上的叠加与互补。胶凝材料的反应方程式如下：

C₂S+2H＝C-S-H(gel)+CH (1-2)

C₃A+CH+12H＝C₄A·H₁₃ (1-3)

C₃S+3H＝C-S-H(gel)+2CH (1-4)

AH₃(gel)+3CH+3CSH₂＝C₃A·3CSH₃₂ (1-5)

SiO₂+CH＝C-S-H (1-6)

并通过复配缓凝早强组分，采用超分散降粘高效减水剂调节改善水泥基工程材料的工作性能和早期力学性能，混杂低弹模钢纤维和高弹模聚乙烯醇纤维，发挥增强增韧减缩的作用，设计制备早强低收缩高韧性水泥基工程材料。

本发明的早强低收缩高韧性水泥基工程材料利用硫铝酸盐水泥水化产物微膨胀特性，取代部分普通硅酸盐水泥，内掺活性矿物组分硅灰，复配缓凝早强组分，应用超分散降粘高效减水剂，混杂钢纤维、聚乙烯醇纤维制备而成。制得的水泥基工程材料工作性能好、早期强度高、后期强度增长大，力学性能、体积稳定性能优良，且韧性高。本发明显著改善了水泥基工程材料收缩大易造成修补层与基层脱粘和开裂、粘度大不易施工、成本高的缺点，具有重要的实际应用意义。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)采用硫铝酸盐水泥取代部分硅酸盐水泥，发挥二者性能叠加互补的优势，利用硫铝酸盐水泥水化产物钙钒石早强、微膨胀的特点并通过复配调凝组分实现水泥基工程材料的早强、低收缩性能，增强界面粘结的耐久性，可以将其应用在快速修复领域，拓宽了水泥基工程材料的应用范围；

(2)采用价格便宜的低弹模钢纤维取代部分昂贵的高弹模聚乙烯醇纤维，既发挥了混杂纤维的性能效应和尺寸效应，综合提高增强增韧减缩效果，又显著地降低了原材料成本；

(3)制备工艺简单，采用细河砂取代石英砂，降低了成本；采用超分散降粘高效减水剂分散水泥颗粒，降低浆体的粘聚性，制得的水泥基工程材料工作性能好，早期强度高，且具有良好的力学性能和耐久性能，应用在桥面板快速修复中，可实现快速修补，快速通车。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

下述实施例中：所述硫铝酸盐水泥为R.SAC42.5硫铝酸盐水泥，比表面积≥400m²/kg，0.08mm筛筛余≤10.0％，0.2％≤28d自由膨胀率≤0.4％。所述普通硅酸盐水泥(即硅酸盐水泥)为PO42.5硅酸盐水泥，比表面积≥300m²/kg。所述硅灰为微硅粉，比表面积≥20000m²/kg，活性指数≥90％。所述钢纤维为镀铜短丝钢纤维，直径0.2mm，长度10mm，抗拉强度≥1800MPa，弹性模量≥200MPa。所述聚乙烯醇纤维的长度为12mm，长径比316，断裂强度≥1600MPa，弹性模量≥28GPa。所述减水剂为超分散降粘聚羧酸系高效减水剂。所述早强剂为碳酸锂，工业级，含量≥98％(质量)。所述缓凝剂为硼酸，工业级，含量≥98％(质量)。所述河砂含泥量为0％(质量)，粒径不大于1.18mm，细度模数≤1.7，表观密度≤2700kg/m³。

实施例1：

一种早强低收缩高韧性水泥基工程材料，各原料的重量配比(kg/m³)为：水210，硫铝酸盐水泥480，普通硅酸盐水泥60，硅灰60，钢纤维50，聚乙烯醇纤维10，减水剂7.2，早强剂0.21，缓凝剂1.8，河砂1200。

上述一种早强低收缩高韧性水泥基工程材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按照上述原料配比称取原料；

2)取部分水加热成温水(所述温水的温度为45～60℃)，分别将早强剂(碳酸锂)和缓凝剂(硼酸)在温水中溶解，得到碳酸锂溶液和硼酸溶液；

3)将硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅灰和河砂进行混合干拌1min，得到混合料；在所得混合料中加入剩余的水(即扣除溶解碳酸锂和硼酸的水)、减水剂，搅拌2-3min，制得混合浆体；

4)分别将钢纤维和聚乙烯醇纤维均匀地加入到混合浆体中，搅拌3min至混杂纤维均匀地分散在混合浆体中，得到含纤维的混合浆体；

5)将碳酸锂溶液和硼酸溶液加入步骤4)所得的含纤维的混合浆体中，搅拌1min；

6)将5)所得浆体倒入模具中成型，抹平，覆盖薄膜，静置4～5h后脱模，进行养护，得到早强低收缩高韧性水泥基工程材料。

本实施例制备的早强低收缩高韧性水泥基工程材料的配合比见表1，工作性能、力学性能和耐久性能参数见表2和表3。

实施例2：

一种早强低收缩高韧性水泥基工程材料，各原料的重量配比(kg/m³)为：水220，硫铝酸盐水泥470，普通硅酸盐水泥70，硅灰60，钢纤维60，聚乙烯醇纤维8，减水剂7，早强剂0.2，缓凝剂1.7，河砂1200。

上述一种早强低收缩高韧性水泥基工程材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按照上述原料配比称取原料；

2)取部分水加热成温水(所述温水的温度为45～60℃)，分别将早强剂(碳酸锂)和缓凝剂(硼酸)在温水中溶解，得到碳酸锂溶液和硼酸溶液；

3)将硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅灰和河砂进行混合干拌1min，得到混合料；在所得混合料中加入剩余的水(即扣除溶解碳酸锂和硼酸的水)、减水剂，搅拌2-3min，制得混合浆体；

4)分别将钢纤维和聚乙烯醇纤维均匀地加入到混合浆体中，搅拌3min至混杂纤维均匀地分散在混合浆体中，得到含纤维的混合浆体；

5)将碳酸锂溶液和硼酸溶液加入步骤4)所得的含纤维的混合浆体中，搅拌1min；

6)将5)所得浆体倒入模具中成型，抹平，覆盖薄膜，静置4～5h后脱模，进行养护，得到早强低收缩高韧性水泥基工程材料。

本实施例制备的早强低收缩高韧性水泥基工程材料的配合比见表1，工作性能、力学性能和耐久性能参数见表2和表3。

实施例3：

一种早强低收缩高韧性水泥基工程材料，各原料的重量配比(kg/m³)为：水200，硫铝酸盐水泥490，普通硅酸盐水泥60，硅灰50，钢纤维50，聚乙烯醇纤维9，减水剂7.1，早强剂0.22，缓凝剂1.8，河砂1210。

上述一种早强低收缩高韧性水泥基工程材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按照上述原料配比称取原料；

2)取部分水加热成温水(所述温水的温度为45～60℃)，分别将早强剂(碳酸锂)和缓凝剂(硼酸)在温水中溶解，得到碳酸锂溶液和硼酸溶液；

3)将硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅灰和河砂进行混合干拌1min，得到混合料；在所得混合料中加入剩余的水(即扣除溶解碳酸锂和硼酸的水)、减水剂，搅拌2-3min，制得混合浆体；

4)分别将钢纤维和聚乙烯醇纤维均匀地加入到混合浆体中，搅拌3min至混杂纤维均匀地分散在混合浆体中，得到含纤维的混合浆体；

5)将碳酸锂溶液和硼酸溶液加入步骤4)所得的含纤维的混合浆体中，搅拌1min；

6)将5)所得浆体倒入模具中成型，抹平，覆盖薄膜，静置4～5h后脱模，进行养护，得到早强低收缩高韧性水泥基工程材料。

本实施例制备的早强低收缩高韧性水泥基工程材料的配合比见表1，工作性能、力学性能和耐久性能参数见表2和表3。

实施例4：

一种早强低收缩高韧性水泥基工程材料，各原料的重量配比(kg/m³)为：水200，硫铝酸盐水泥460，普通硅酸盐水泥50，硅灰70，钢纤维50，聚乙烯醇纤维8，减水剂7.1，早强剂0.22，缓凝剂1.8，河砂1220。

上述一种早强低收缩高韧性水泥基工程材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按照上述原料配比称取原料；

2)取部分水加热成温水(所述温水的温度为45～60℃)，分别将早强剂(碳酸锂)和缓凝剂(硼酸)在温水中溶解，得到碳酸锂溶液和硼酸溶液；

3)将硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅灰和河砂进行混合干拌1min，得到混合料；在所得混合料中加入剩余的水(即扣除溶解碳酸锂和硼酸的水)、减水剂，搅拌2-3min，制得混合浆体；

4)分别将钢纤维和聚乙烯醇纤维均匀地加入到混合浆体中，搅拌3min至混杂纤维均匀地分散在混合浆体中，得到含纤维的混合浆体；

5)将碳酸锂溶液和硼酸溶液加入步骤4)所得的含纤维的混合浆体中，搅拌1min；

6)将5)所得浆体倒入模具中成型，抹平，覆盖薄膜，静置4～5h后脱模，进行养护，得到早强低收缩高韧性水泥基工程材料。

本实施例制备的早强低收缩高韧性水泥基工程材料的配合比见表1，工作性能、力学性能和耐久性能参数见表2和表3。

实施例5：

一种早强低收缩高韧性水泥基工程材料，各原料的重量配比(kg/m³)为：水220，硫铝酸盐水泥480，普通硅酸盐水泥60，硅灰70，钢纤维50，聚乙烯醇纤维8，减水剂7，早强剂0.21，缓凝剂1.9，河砂1180。

上述一种早强低收缩高韧性水泥基工程材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按照上述原料配比称取原料；

2)取部分水加热成温水(所述温水的温度为45～60℃)，分别将早强剂(碳酸锂)和缓凝剂(硼酸)在温水中溶解，得到碳酸锂溶液和硼酸溶液；

3)将硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅灰和河砂进行混合干拌1min，得到混合料；在所得混合料中加入剩余的水(即扣除溶解碳酸锂和硼酸的水)、减水剂，搅拌2-3min，制得混合浆体；

4)分别将钢纤维和聚乙烯醇纤维均匀地加入到混合浆体中，搅拌3min至混杂纤维均匀地分散在混合浆体中，得到含纤维的混合浆体；

5)将碳酸锂溶液和硼酸溶液加入步骤4)所得的含纤维的混合浆体中，搅拌1min；

6)将5)所得浆体倒入模具中成型，抹平，覆盖薄膜，静置4～5h后脱模，进行养护，得到早强低收缩高韧性水泥基工程材料。

本实施例制备的早强低收缩高韧性水泥基工程材料的配合比见表1，工作性能、力学性能和耐久性能参数见表2和表3。

对比的实施例6

一种普通水泥基工程材料，各组分的重量配比(kg/m³)为：水370，普通硅酸盐水泥900，粉煤灰100，石英砂900，普通减水剂10，聚乙烯醇纤维26。

所述普通水泥基工程材料的制备方法包括：按照上述原料配比称取原料，将水泥、粉煤灰和聚乙烯醇纤维混合干拌1min，使胶凝材料与聚乙烯醇纤维充分混合均匀，随后加入水、减水剂搅拌4min，使浆体充分搅拌，将混合浆体倒入模具中成型，抹平，覆盖薄膜，静置24h后脱模，进行养护，得所述的普通水泥基工程材料。

本实施例所述普通水泥基工程材料的配合比见表1，工作性能、力学性能和耐久性能参数见表2和表3。

表1为实施例1～5制备的早强低收缩高韧性水泥基工程材料和实施例6制备的普通水泥基工程材料的配合比。

表1实施例1～6水泥基工程材料配合比(kg/m³)

将实施例1～5制得的早强低收缩高韧性水泥基工程材料与实施例6制得的普通水泥基工程材料的工作性能和力学性能进行测试，结果见表2。

表2实施例1～6制得的水泥基工程材料的工作性能及力学性能参数

表2说明：与普通水泥基工程材料相比，本发明制备的早强低收缩高韧性水泥基工程材料工作性能好、早期强度高，说明应用超分散降粘高效减水剂和钢纤维取代部分聚乙烯醇纤维二者共同作用下能有效降低水泥基工程材料浆体的粘度，改善水泥基工程材料的工作性能；也说明了缓凝剂和早强剂复配，既能有效调节水泥基工程材料的凝结时间又能保证较高的早期强度，满足快速修补材料快硬早强的要求。

与普通水泥基工程材料相比，本发明制备的早强低收缩高韧性水泥基工程材料后期力学性能好，弯曲韧性相当。说明低弹模钢纤维和高弹模聚乙烯醇纤维混杂可优势互补，在砂浆中充分发挥二者的性能效应和尺寸效应，综合提高增韧、增强效果。

将实施例1～5制得的早强低收缩高韧性水泥基工程材料与实施例6制得的普通水泥基工程材料的体积稳定性能和耐久性能进行测试，计算单方成本，结果见表3。

表3实施例1～6制得的水泥基工程材料的体积稳定性能、耐久性能和成本参数

表3说明：与普通水泥基工程材料相比，本发明制备的早强低收缩高韧性水泥基工程材料，具有良好的耐久性能；干缩变形小，是普通水泥基工程材料的1/9，表明用硫铝酸盐水泥复配硅酸盐水泥和硅灰做胶凝材料，能显著改善水泥基工程材料的体积稳定性能；单方成本低，节约了60％的原材料成本，经济效益明显，具有较好的实际应用价值。

检测实施例1～5制备的早强低收缩高韧性水泥基工程材料的工作性能、力学性能和耐久性能参数，结果显示本发明制备的早强低收缩高韧性水泥基工程材料，具有良好的力学性能、体积稳定性能和耐久性能，实际应用价值大。

本发明涉及的各原料和工艺参数的上下限取值、区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

Claims (5)

1.一种早强低收缩高韧性水泥基工程材料，其特征在于它由包含硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅灰、钢纤维、聚乙烯醇纤维、水、减水剂、早强剂、缓凝剂和河砂原料制备而成，各原料的含量为：硫铝酸盐水泥460～500kg/m³，普通硅酸盐水泥50～70kg/m³，硅灰50～70kg/m³，钢纤维40～60kg/m³，聚乙烯醇纤维8～10kg/m³，水200～220kg/m³，减水剂7.0～7.4kg/m³，早强剂0.2～0.22kg/m³，缓凝剂1.7～1.9kg/m³，河砂1180～1220kg/m³；

所述硫铝酸盐水泥为R.SAC42.5硫铝酸盐水泥，比表面积≥400m²/kg，0.08mm筛筛余≤10.0％，0.2％≤28d自由膨胀率≤0.4％；

所述普通硅酸盐水泥为PO42.5硅酸盐水泥，比表面积≥300m²/kg；

所述硅灰为微硅粉，比表面积≥20000m²/kg，活性指数≥90％；

所述钢纤维为镀铜短丝钢纤维，直径0.2mm，长度10mm，抗拉强度≥1800MPa，弹性模量≥200MPa；

所述聚乙烯醇纤维的长度为12mm，长径比316，断裂强度≥1600MPa，弹性模量≥28GPa。

2.根据权利要求1所述的一种早强低收缩高韧性水泥基工程材料，其特征在于，所述减水剂为超分散降粘聚羧酸系高效减水剂。

3.根据权利要求1所述的一种早强低收缩高韧性水泥基工程材料，其特征在于，所述早强剂为碳酸锂，工业级，含量≥98％(质量)。

4.根据权利要求1所述的一种早强低收缩高韧性水泥基工程材料，其特征在于，所述缓凝剂为硼酸，工业级，含量≥98％(质量)；所述河砂含泥量为0％(质量)，粒径不大于1.18mm，细度模数≤1.7，表观密度≤2700kg/m³。

5.根据权利要求1所述的一种早强低收缩高韧性水泥基工程材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)按各原料的含量为：硫铝酸盐水泥460～500kg/m³，普通硅酸盐水泥50～70kg/m³，硅灰50～70kg/m³，钢纤维40～60kg/m³，聚乙烯醇纤维8～10kg/m³，水200～220kg/m³，减水剂7.0～7.4kg/m³，早强剂0.2～0.22kg/m³，缓凝剂1.7～1.9kg/m³，河砂1180～1220kg/m³，称取原料；

2)取部分水加热成温水，分别将早强剂和缓凝剂在温水中溶解，得到碳酸锂溶液和硼酸溶液；

3)将硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅灰和河砂进行混合干拌，得到混合料；在所得混合料中加入剩余的水、减水剂，搅拌，制得混合浆体；

4)分别将钢纤维和聚乙烯醇纤维均匀地加入到混合浆体中，搅拌，得到含纤维的混合浆体；

5)将碳酸锂溶液和硼酸溶液加入步骤4)所得的含纤维的混合浆体中，搅拌；

6)将5)所得浆体倒入模具中成型，静置4～5h后脱模，进行养护，得到早强低收缩高韧性水泥基工程材料。