CN112062537B

CN112062537B - 一种快凝抗冲击复合薄板及其制备方法

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Publication number: CN112062537B
Application number: CN202010693575.1A
Authority: CN
Inventors: 余睿; 周凤娇; 丁梦茜; 宋秋磊
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2020-07-17
Filing date: 2020-07-17
Publication date: 2022-06-03
Anticipated expiration: 2040-07-17
Also published as: CN112062537A

Abstract

本发明公开了一种快凝抗冲击新型复合薄板，通过将磷酸盐基快硬胶凝粉体填充至多层纤维织物中，并喷水固化而成；其中多层纤维织物包括表层纤维织物、中层纤维织物和底层纤维织物。本发明通过对磷酸盐基快硬胶凝粉体的配方体系和纤维织物结构进行优化，具有携带方便、操作简单、强度发展迅速、抗冲击性能优异等优点，且涉及的制备方法简单，在应急防护、抢险加固以及军工特殊的防护工程领域具有良好的应用前景。

Description

一种快凝抗冲击复合薄板及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种快凝抗冲击复合薄板及其制备方法。

背景技术

众所周知，快凝、快硬胶凝材料凝结速度快、早期强度高、耐久性良好，因此在桥梁结构加固、路面抢修等工程领域具有广阔的应用前景。然而，由于硬化的胶凝材料通常表现出明显的脆性，在冲击作用下易产生裂纹并迅速扩展，最终导致整体材料/结构的破坏。因此，有效改善快凝、快硬胶凝材料脆性这一固有缺陷，优化材料整体抗裂纹扩展能力，提升材料对冲击能量的吸收能力，是促进以快凝、快硬胶凝材料为基体制备的复合材料在工程防护和抢修加固领域应用的重要举措。

目前，诸多研究人员对上述问题进行了较深入的研究和剖析。其中，较为主流的对策是在胶凝粉体种添加不用种类的纤维(钢纤维、碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维)制备成纤维增强材料；或者在硬化胶凝材料表面粘贴碳纤维、玻璃纤维等方式，用于改善其韧性。纤维材料的加入可以减少裂纹的产生和扩展，使得硬化胶凝材料强度提高的同时也提高了它的延性。但是，由于尺寸和形态效应的限制，短切纤维的加入对于提高快凝、快硬胶凝材料抗高速冲击(如：弹丸侵彻、爆炸等)的能力比较有限，同时存在纤维难以分散均匀、施工难度大等不足，不能满足部分工程的特殊需求。所以，针对快凝、快硬胶凝材料的纤维增强模式上急需新思路的引入。

混凝土帆布是一种新型的三维间隔织物增强水泥基复合材料，通过预先在3D纤维织物中填充胶凝粉料而成；使用时，直接在表面加水固化成型进而形成薄的混凝土层。相比于普通的混凝土和纤维增强混凝土材料，混凝土帆布具有韧性好、成型方便、灵活度高等优点。例如：鲍步传等人探讨了不同种类的水泥和纺织纤维组合制备混凝土帆布的可能性；韩方宇等人在此基础上优化了最适合制备混凝土帆布的水泥基质，以无水硬石膏部分替代硫铝酸盐水泥，制备了10d强度为40MPa的样品；Ansari等人研究了铝筋混凝土帆板的弯曲性能，加入铝筋可以显著提高混凝土帆布的抗弯性能；张方圆通过弹道冲击试验研究了混凝土帆布层数、FRP增强和迎弹面对混凝土帆布的抗侵彻性能的影响。

然而，目前针对混凝土帆布基体材料的研究更多局限于硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥，总体上原材料的组分比较单一、针对基体的优化设计还不够充分、材料的利用率还有待提升；且常规混凝土帆布还存在着凝结速度较慢(约30min以上)、强度等级较低(3小时强度不超过40MPa)、后期性能不稳定等问题(存在后期强度倒缩、收缩开裂等现象)；而现有基于磷酸盐快硬、快硬胶凝体系的优化方案大多考虑单因素影响，从而造成其早期强度较低(3h强度基本不超过40MPa)，无法满足快凝、快硬的高要求，且由于三维间隔织物中间隔纱的存在，使得磷酸盐体系应用到混凝土帆布中还存在喷水之后样品发生塌陷现象、不宜成型的问题，因此可以考虑从胶凝材料与纤维的结合方式进行改善。

上述混凝土帆布所面临的技术瓶颈限制了其在相关应急防护和工程抢修中的有效应用，因此，进一步探索和优化兼具快速凝结、快速硬化、抵抗冲击等性能的新型复合薄板，具有重要的研究和推广意义。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种基于磷酸盐胶凝体系和复合纤维织物复合薄板，它具有携带方便、操作简单、强度发展迅速、抗冲击性能优异等优点，且涉及的制备方法简单，在应急防护、抢险加固以及军工特殊的防护工程领域具有良好的应用前景。

为实现上述方案，本发明采用的技术方案为：

一种快凝、抗冲击复合薄板，通过将磷酸盐基快硬胶凝粉体填充至多层纤维织物中，并喷水固化而成；其中多层纤维织物包括表层纤维织物、中层纤维织物和底层纤维织物。

上述方案中，所述表层纤维织物选材为亚麻纤维，中层纤维织物选材为棉纤维，底层纤维织物选材为玄武岩纤维。

进一步地，所述中层纤维织物包括多层结构，层数为3～9层。

上述方案中，所述磷酸盐基快硬胶凝粉体与复合纤维织物的体积比为(80～90):(10～20)。

上述方案中，所述表层纤维织物、中层纤维织物或底层纤维织物之间填充的磷酸盐基快硬胶凝粉体厚度为1.5～3.5mm。

上述方案中，所述磷酸盐基快硬胶凝粉体中各组分及其所占重量份数包括：磷酸盐20～28份，重烧氧化镁72～80份，缓凝剂5～7份。

上述方案中，所述磷酸盐选自磷酸二氢铵或磷酸二氢钾等。

上述方案中，所述缓凝剂为硼酸或硼砂等。

上述方案中，所述磷酸盐为磨细磷酸盐，其平均粒径为52～276μm；重烧氧化镁的平均粒径为20～90μm；缓凝剂的平均粒径为56～158μm。

上述方案中，所述快凝、高强、抗冲击复合薄板的厚度为10～15mm。

上述一种快凝、高强、抗冲击复合薄板的制备方法，它包括如下步骤：

1)磷酸盐基快硬胶凝粉体的制备；按配比称取各组分，各组分及其所占重量份数包括：磷酸盐20～28份，重烧氧化镁72～80份，缓凝剂5～7份；将称取的各组分混合均匀，得磷酸盐基快硬胶凝粉体；

2)将磷酸盐基快硬胶凝粉体逐层填充至多层纤维织物的功能层(表层纤维织物、中层纤维织物、底层纤维织物)之间，进行超声振动；最后在所得复合材料表面喷水，固化成型，即得所述快凝、高强、抗冲击复合薄板。

上述方案中，步骤2)中喷水过程控制的水胶比为0.10～0.13。

本发明的原理为：

1)本发明基于防护工程和修复工程领域对材料在凝结时间、硬化强度、抗冲击能力等方面的要求，将快凝、快硬胶凝粉体与复合纤维织物相结合，提出一种快凝、高强、抗冲击复合薄板：以磷酸镁盐基快硬材料为胶凝体系，基于紧密颗粒堆积的思想，并结合响应面法的设计方法，综合考虑磷酸盐与氧化镁的比值、硼酸的掺量以及水胶比三种影响因子对磷酸盐材料凝结时间和抗压强度的影响；综合物理堆积和化学反应的思路对快硬胶凝粉体材料性能进行优化，在保证凝结时间不超过15min的同时，显著提升胶凝体系的早期抗压强度，达到快凝、超早强的效果；

2)本发明所述多层复合纤维织物包括自下而上依次设置的玄武岩纤维层(纤维3)、棉纤维层(纤维2)和亚麻纤维层(纤维1)；引入的表面纤维层满足高透水性的需求、中间层满足与固化胶凝材料高粘接性的需求、底层需满足高抗冲击拉伸的需求，可显著改善硬化胶凝材料的脆性、提升其抗冲击性能，且薄板局部破坏之后依然具有一定的抗冲击能力，能适用于反复的冲击工况；

3)本发明将优化的快凝、快硬胶凝粉体均匀混合于复合纤维织物的空间结构中，在遇水凝结后实现超早强和优异的抗冲击性能。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明采用高氧化镁、低缓凝剂含量、低水胶比的磷酸盐基快硬胶凝体系配方，在有效缩短凝结时间的同时，可兼顾所得胶凝体系的早期强度(3小时抗压强度超过60MPa)和后期性能稳定(7天抗压强度为100MPa左右，且无体积收缩现象)；

2)本发明采用的复合纤维织物在横向和纵向方向上均具有良好的力学性能和尺寸稳定性，可有效抑制应力作用下的裂纹产生和扩展，显著降低材料局部冲击破坏之后对非破坏区域的正常服役影响较小，保障所得复合薄板抵抗单次和多次冲击的能力；

3)本发明所述复合薄板在成型之前属于柔性材料，可满足弯曲、折叠等方面的需求，且质量较轻、携带方便；在使用过程中，可根据不同实际环境的需求快速硬化形成不同形状，并具备较好的抗冲击能力，整个过程操作简便、环境适应性强。

附图说明

图1为本发明实施例3～4所得复合薄板的结构示意图；

图2为实施例1～2和对比例1～6所述磷酸盐基快硬胶凝材料的抗压性能测试结果；

图3为实施例1～2所述磷酸盐基快硬胶凝材料的强度变化趋势；

图4为实施例3所得复合薄板的抗冲击实验(多次)表面形貌图；(a)正面，(b)反面。

图5为实施例4所得复合薄板的抗冲击实验(多次)表面形貌图；(a)正面，(b)反面。

图6为实施例3所得复合薄板的抗冲击实验(单次)表面形貌图；(a)正面，(b)反面。

图7为实施例4所得复合薄板的抗冲击实验(单次)表面形貌图；(a)正面，(b)反面。

图8为对比例8所得复合薄板的抗冲击实验(多次)表面形貌图；

图9为对比例9所得复合薄板的抗冲击实验(多次)表面形貌图；(a)正面，(b)反面。

图10为对比例9所得复合薄板的抗冲击实验(单次)表面形貌图；(a)正面，(b)反面。具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下实施例中，所述球磨步骤采用高能行星球磨机和氧化锆磨球。

以下实施例中，采用的磷酸盐为磨细磷酸二氢铵，其平均粒径为153μm；重烧氧化镁的平均粒径为52μm；缓凝剂为硼酸，其平均粒径为100μm。

实施例1～2

磷酸盐基快硬胶凝粉体的配方优化，按表1所述配方条件称取各原料，将称取的磷酸盐、氧化镁和硼酸混合均匀，再加水混合均匀，自然环境养护，得基于不同磷酸盐基快硬胶凝粉体的水化产物。

表1对比例和实施例所述磷酸盐基快硬胶凝材料的配合比

将实施例1～2和对比例1～6所得水化产物分别进行凝胶时间、抗压强度等性能测试，具体如下：

1)凝结时间

采用GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测方法》中所规定的仪器及器具，在凝结时间的测试过程中，临近初凝时每隔30s测定一次，临近终凝时间时每隔15s测定一次，具体测试结果如表2所示。

表2凝结时间测试结果

从表2中可以得出，本发明所述胶凝粉体的凝结时间均不超过10min，满足快凝、快硬的需求。

2)抗压强度

将不同组的胶凝粉体材料混合、搅拌均匀后成型，并在1h内完成脱模，放置自然环境下进行养护，在特定的龄期进行抗压强度检测，测试结果如图2和图3所示。其中，图3展现了本发明两组实施例在强度发展过程中的优势，可以看出通过调整各原料比例在不影响凝结速度的情况下可以加速早期水化进程，进而改善力学性能，而且效果显著；其中实施例2的3小时强度已接近70MPa，明显超过现有文献中报道的数值。

此外，由图3可以看出，实施例2的7d强度已经接近100MPa，说明本发明所述胶凝体系可表现出优异的后期稳定性，可有效改善现有技术中后期强度倒缩的弊端。

本发明所述胶凝体系在水胶比控制在0.10～0.13范围内时，凝结时间不超过15min，3h抗压强度值达到60MPa以上，后期强度稳定增长且不倒缩。

实施例3～4

一种快凝抗冲击复合薄板，其制备方法包括如下步骤：

1)磷酸盐基快硬胶凝粉体的制备；按表3所述配比称取各组分，将称取的磷酸盐、氧化镁和硼酸混合均匀，得磷酸盐基快硬胶凝粉体；

2)采用封边模具，将磷酸盐基快硬胶凝粉体逐层与复合纤维织物按表4所述体积比进行混合，进行超声振动，保证粉料的填充均匀性与密实性；按图1所示结构进行材料制备，其中纤维1选择麻纤维，纤维2选择棉纤维，纤维3为玄武岩纤维，表5为复合纤维织物结构组成；其中，实施例3的单层胶凝粉体厚度为3mm，纤维层厚度为2.25mm，实施例4的单层胶凝粉体厚度为1.2mm，纤维层厚度为3mm；最后在所得复合材料表面喷水，控制水胶比分别为0.12、0.13，固化成型，15分钟内即得所述快凝、高强、抗冲击复合薄板。

对比例7～9

对比例7～9的制备方法与实施例3大致相同，不同之处分别在于：

对比例7采用表4所述胶凝体系和复合纤维配比条件，且采用表5所述纤维织物结构，单层胶凝粉体厚度为1.2mm；水胶比为0.14；

对比例8采用表4所述胶凝体系和复合纤维配比条件，且采用表5所述纤维织物结构，单层胶凝粉体厚度为15mm；水胶比为0.11；

对比例9采用表3所述胶凝粉体配方体系，表4所述胶凝体系和复合纤维配比条件，且采用表5所述纤维织物结构，单层胶凝粉体厚度为3mm；水胶比为0.13；

表3快凝、快硬胶凝粉体各组分质量份数

表4复合薄板所述磷酸盐基快硬胶凝粉体和复合纤维织物的体积份数

表5复合纤维织物各纤维织物层数

结果表明：对比例7所得水化产物的成型效果较差，喷水之后由于纤维织物所占的比例大，导致水不能完全渗透到粉料底部，部分粉料不能参与反应。

将对比例8～9、实施例3～4所得复合薄板分别进行抗冲击实验1(多次冲击，计算冲击能量总和)，具体步骤为：

将复合材料制备成为200*200*15mm的薄板，采用落球冲击的方法(球为钢球，重1.1kg，落高3m)，待测试的样品放置在工作台上，固定落球反复冲击的冲击点，复合薄板的抗冲击性能以试样能承受的冲击次数来表征，落球反复冲击作用下直至样品底部出现破坏时结束冲击，记录此时的冲击次数，并计算累计冲击能量。

累计冲击能量：

∑＝m₁gh₁+m₂gh₂+m₃gh₃+…+m_ngh_n (1)；

等效冲击速度：

式中：m：球的质量，kg。

g：重力加速度，取9.8m/s²。

h：球下落的高度，m。

∑：累积冲击能量，J。

v′：冲击速度，m/s。

本发明所得复合薄板的反复冲击形貌图分别见图3～5；具体测试结果见表6。

表6反复冲击实验测试结果

由图4、5可以看出，本发明所得复合纤维织物可发挥显著的阻裂效果，缓解了快硬、早强材料的脆性，提高材料的抗冲击能力。只在底层和表层使用纤维增强的混凝土(对比例8)，一次冲击作用下材料已经被破坏(图8)，无法继续抵抗冲击；表6结果表明：复合纤维织物的含量对薄板的抗冲击能力具有较大的影响，随着复合纤维织物体积份数的提升，制备的薄板抗冲击能力能随之增强。当复合纤维织物的体积份数为20％，设计的薄板的累计抗冲击能量在1500J左右，与既有文献中报道的数据相仿。但现有文献中报道的试样厚度大都在40-50mm以上，本发明所得薄板厚度仅为15mm；本发明所述薄板能在保持抗冲击性不降低的同时，有效的减少试样的厚度与质量，具有灵活操作、便于携带的特点。

2)将对比例9、实施例3～4所得复合薄板分别进行抗冲击实验2(单次冲击，观察试样是否被破坏)，具体步骤为：

将复合材料制备成200*200*15mm的薄板，在抗冲击实验1的基础上改变冲击物的接触面积(采用钢锥冲击，钢锥重1.25kg，落高3m)，待测试的样品放置在工作台上，测试一次冲击下试样的破坏情况，具体结果见表6。

上述实验结果表明本发明设计的快凝、高强、抗冲击薄板具有明显的抵御外部尖锐物冲击的作用，尖锥的冲击未能造成贯穿性的破坏，可以保证薄板背后环境的相对安全。同样纤维结构设计条件下，未优化的磷酸盐水泥粉体填充制备得到的薄板，在尖锥的冲击作用下未能保证薄板背后环境的相对安全(图10)。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims

1.一种快凝抗冲击复合薄板，其特征在于，通过将磷酸盐基快硬胶凝粉体填充至多层纤维织物中，并喷水固化而成；其中多层纤维织物包括表层纤维织物、中层纤维织物和底层纤维织物；

所述表层纤维织物选材为亚麻纤维，中层纤维织物选材为棉纤维，底层纤维织物选材为玄武岩纤维；

所述磷酸盐基快硬胶凝粉体中各组分及其所占重量份数包括：磷酸盐20～28份，重烧氧化镁72～80份，缓凝剂5～7份；

所述磷酸盐的平均粒径为52～276μm；重烧氧化镁的平均粒径为20～90μm；缓凝剂的平均粒径为56～158μm；

所述磷酸盐基快硬胶凝粉体与多层纤维织物的体积比为(80～90):(10～20)；

所述表层纤维织物、中层纤维织物或底层纤维织物之间填充的每层磷酸盐基快硬胶凝粉体厚度为1.5～3.5mm；

喷水过程控制的水胶比为0.10～0.13。

2.根据权利要求1所述的快凝抗冲击复合薄板，其特征在于，所述磷酸盐选自磷酸二氢铵或磷酸二氢钾；缓凝剂为硼酸或硼砂。

3.根据权利要求1所述的快凝抗冲击复合薄板，其特征在于，其厚度为10～15mm。

4.权利要求1～3任一项所述快凝抗冲击复合薄板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2)将磷酸盐基快硬胶凝粉体逐层填充至多层纤维织物中，进行超声振动；最后在所得复合材料表面喷水，固化成型，即得所述快凝抗冲击复合薄板。