一种低碳低收缩型工程水泥基复合材料及其制备方法

1.本发明涉及工程水泥基材料技术领域，具体是一种低碳低收缩型工程水泥基复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.水泥基材料是土木工程领域应用最广泛的建筑材料，但由于传统水泥基存在抗拉强度低、脆性大、容易开裂等固有特点，其发展受到了一定程度的限制。近年来，通过在其中加入纤维来改善传统水泥基材料固有的缺点，使得纤维增强水泥基复合材料得到逐步的应用。其中，以ecc为代表的水泥基复合材料因其极限拉伸变形大、延性好得到了快速发展。ecc有着较高的延性以及极好的裂缝控制能力。已被广泛应用于公路及桥面建设、大坝表面修复、砌体抗震加固等工程中。
3.ecc中的胶凝组分通常为水泥与粉煤灰。粉煤灰是火力发电的副产品，随意排放会造成严重的污染，将其用于ecc的制备是治理粉煤灰、减少环境污染的有效途径。虽然粉煤灰的产量巨大，但可用于水泥基材料的粉煤灰仅占总量的30％左右。此外，随着人们环保意识的进一步提高，大量的火电厂会在未来关闭，导致可用的粉煤灰减少。煅烧粘土石灰石复合水泥(lc3)是近年来比较热门的一个话题，通过将煅烧粘土和石灰石粉(lc2)替代水泥熟料，并掺加一定量的石膏，使其具有与普通硅酸盐水泥相媲美的力学性能及良好的耐久性能。由于采用煅烧粘土和石灰石以高比例替代水泥熟料，能够有效降低碳排放，实现可持续发展的要求。
4.传统的ecc中所用的纤维多为单一品种的纤维，而ecc的破坏是由微观至宏观的渐变过程，宏观的纤维无法阻止微观尺度上裂缝的发展与演变，因此，形成多尺度的纤维组裂体系是必要的。硫酸钙晶须，又称石膏晶须，是具有特定的横截面积、完整的外形和结构的纤维状单晶体，性能优良且价格低廉。此外，由于lc2大比例掺入硅酸盐水泥，需要添加额外的石膏来调节体系的水化反应，而硫酸钙晶须刚好能弥补这一点，本发明产品在保证其良好的拉伸性能和多缝开裂特征的同时，最大的降低硅酸盐水泥的用量，该方法制备工序简单，原材料种类少，促进ecc的规模化应用。


技术实现要素：

5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：所述一种低碳低收缩型工程水泥基复合材料，主要成分由以下重量份比例的原料制成：
6.普通硅酸盐水泥240～360份，煅烧粘土560～650份，石灰石粉280～320份，石英砂340～370份，pva纤维26份，水420份，高效减水剂3～4.5份，硫酸钙晶须27～54份；
7.石灰石，其化学成分按重量百分比例，35％≤cao≤47％，mgo≤20％，烧失量≥35％；
8.石英砂为细砂，最大粒径不超过0.2mm，平均粒径为150μm。pva纤维长度为10～15mm，直径为35～45mm，抗拉强度≥1500mpa，弹性模量≥40gpa。
9.本发明的进一步的技术方案为，所述普通硅酸盐水泥优选pⅰ型硅酸盐水泥。
10.本发明的进一步的技术方案为，所述煅烧粘土选矿尾矿、低品位或高品位的高岭土，其矿物组成按重量百分比例，高岭石类矿物≥35％，优选1250目及以上。
11.本发明的进一步的技术方案为，所述石灰石其矿物组成主要矿物为方解石和白云石的一种或两种复合，优选800目及以上。
12.本发明的进一步的技术方案为，所述pva纤维为表面经过涂油处理的高弹性模量纤维。
13.本发明的进一步的技术方案为，所述水为清洁的自来水或饮用水。
14.本发明的进一步的技术方案为，所述高效减水剂为粉体的聚羧酸减水剂。
15.所述一种低碳低收缩型工程水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
16.步骤一：将按照上述重量份准备的水泥、煅烧粘土、石灰石粉、石英砂、减水剂和硫酸钙晶须倒入搅拌机并搅拌均匀，形成混合粉料；
17.步骤二：将按照上述重量份准备的水分两次添加到装有混合粉料的搅拌机中，第一次加入80％的水，采用搅拌机低速搅拌，直至形成均匀流动的砂浆；保持搅拌机在低速档搅拌运行；
18.步骤三：将按照上述重量比准备的pva纤维分多次加入均匀流动的砂浆中，低速搅拌一分钟，然后加入剩余的20％的水，接着将搅拌机调至高速档，搅拌两分钟以上，直至pva纤维均匀分布在砂浆中，即可停止搅拌；
19.步骤四：将所制备的新拌水泥基复合材料倒入模具中，并进行振捣和养护成型，即可制得性水泥基复合材料。
20.本发明的有益效果是：
21.将煅烧粘土和石灰石粉用来大量的替代水泥，实现了硅酸盐水泥用量的显著减少，环保效益显著，且将煅烧粘土和石灰石粉掺入有利于水泥基复合材料力学性能的提升。将硫酸钙晶须引入复合材料之中，一方面利用硫酸盐来调节水泥基体的水化反应，另一方面，多尺度的纤维混杂，可以在不同尺度上对复合材料进行增强，能够大幅度提高水泥基复合材料的韧性和强度，为水泥基复合材料的推广应用提供了更大的可能，本发明所述的水泥基复合材料，与传统的水泥基复合材料相比，具有优良的力学性能，其抗压、抗拉性能都有显著的提升，并具有明显的应变硬化及多缝开裂特征。
附图说明
22.图1是本发明中实施例1-5中水泥基复合材料28天的抗压强度图。
23.图2是本发明中实施例1-5中水泥基复合材料28天的拉伸应力应变曲线图。
24.图3是本发明中的具体实施例中对照组1单轴拉伸后的试验图
25.图4是本发明中的具体实施例中实施例5单轴拉伸后的试验图。
26.图中：1、实施例1的拉伸应力应变曲线；2、实施例2的拉伸应力应变曲线；3、实施例3的拉伸应力应变曲线；4、实施例4的拉伸应力应变曲线；5、实施例5的拉伸应力应变曲线。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
28.一种低碳低收缩型工程水泥基复合材料，主要成分由以下重量份比例的原料制成：
29.普通硅酸盐水泥240～360份，普通硅酸盐水泥优选pⅰ型硅酸盐水泥，煅烧粘土560～650份，煅烧粘土选矿尾矿、低品位或高品位的高岭土，其矿物组成按重量百分比例，高岭石类矿物≥35％，优选1250目及以上，石灰石粉280～320份，石灰石其矿物组成主要矿物为方解石和白云石的一种或两种复合，优选800目及以上，石英砂340～370份，pva纤维26份，pva纤维为表面经过涂油处理的高弹性模量纤维，水420份，水为清洁的自来水或饮用水，符合《混凝土用水标准》(jgj63-2006)的要求，高效减水剂3～4.5份，高效减水剂为粉体的聚羧酸减水剂，硫酸钙晶须27～54份；
30.石灰石，其化学成分按重量百分比例，35％≤cao≤47％，mgo≤20％，烧失量≥35％；
31.石英砂为细砂，最大粒径不超过0.2mm，平均粒径为150μm。pva纤维长度为10～15mm，直径为35～45mm，抗拉强度≥1500mpa，弹性模量≥40gpa。
32.一种低碳低收缩型工程水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
33.步骤一：将按照上述重量份准备的水泥、煅烧粘土、石灰石粉、石英砂、减水剂和硫酸钙晶须倒入搅拌机并搅拌均匀，形成混合粉料；
34.步骤二：将按照上述重量份准备的水分两次添加到装有混合粉料的搅拌机中，第一次加入80％的水，采用搅拌机低速搅拌，直至形成均匀流动的砂浆；保持搅拌机在低速档搅拌运行；
35.步骤三：将按照上述重量比准备的pva纤维分多次加入均匀流动的砂浆中，低速搅拌一分钟，然后加入剩余的20％的水，接着将搅拌机调至高速档，搅拌两分钟以上，直至pva纤维均匀分布在砂浆中，即可停止搅拌；
36.步骤四：将所制备的新拌水泥基复合材料倒入模具中，并进行振捣和养护成型，即可制得性水泥基复合材料
37.本发明设置五个实施例，具体的配比如下：
[0038][0039]
为使本发明的目的、方案和有益效果更加明确，下面首先结合实施例对本发明的方案做出说明。实施例1为传统的水泥基复合材料配比，作为对比例，实施例2和3为采用不同lc2替代水泥，并与实施例1的对比例进行比较。实施例4和5为添加了不同的硫酸钙晶须的实施例。
[0040]
测试试验
[0041]
(1)抗压试验：采用70.7mm
×
70.7mm
×
70.7mm的立方体试件，每实施例成型3个试件并标准养护28天，养护温度为20
±
2℃，相对湿度≥95％，测试指标为抗压强度。
[0042]
(2)单轴拉伸试验：采用60mm
×
13mm
×
320mm的狗骨头试件，每实施例成型3个试件并标准养护28天，养护温度为20
±
2℃，相对湿度≥95％，测试指标为抗拉强度、极限拉应变。
[0043]
附表1实施例1-5水泥基复合材料28天抗压强度结果
[0044]
编号28天抗压强度结果(mpa)127.2241.6329.7448.5543.6
[0045]
由图可知相较于粉煤灰，在相同的替代量下采用lc2替代水泥，抗压强度都有明显的上升(1相较于2、4、5)。即使增大lc2的用量进一步减少水泥的用量，其抗压强度仍然比采用更多水泥的对照组要高(3相较于1)。硫酸钙晶须的适量掺入，会提升抗压强度(4相较于2)，但随着硫酸钙晶须掺量的进一步增加，抗压强度又出现下降(5相较于4)，但依旧高于不掺硫酸钙晶须的组别(5相较于2)。
[0046]
附表2实施例1-5中28天直接拉伸性能测试结果
[0047]
编号拉伸强度(mpa)拉伸应变(％)12.301.1825.092.2734.160.9245.501.3254.642.60
[0048]
从上述图表可知，所有的实施例都展现出了拉伸应变硬化的性能，且采用lc2替代水泥的组别的拉伸强度都要高于采用粉煤灰的对照组，且拉伸应变与对照组相似或高于对照组。说明采用lc2，水泥基复合材料的拉伸性能提升显著，但掺量过大，拉伸性能会有所降低。实施例2为不添加硫酸钙晶须，实施例4和实施例5分别添加了1％和2％体积率的硫酸钙晶须，对比试验结果可以看出，1％的硫酸钙晶须能够提升抗拉强度，但会降低拉伸应变，而2％的硫酸钙晶须，会降低抗拉强度，但会提升拉伸应变，但都高于采用粉煤灰的对照组。
[0049]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0050]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员
可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种低碳低收缩型工程水泥基复合材料，其特征是，主要成分由以下重量份比例的原料制成：普通硅酸盐水泥240～360份，煅烧粘土560～650份，石灰石粉280～320份，石英砂340～370份，pva纤维26份，水420份，高效减水剂3～4.5份，硫酸钙晶须27～54份；石灰石，其化学成分按重量百分比例，35％≤cao≤47％，mgo≤20％，烧失量≥35％；石英砂为细砂，最大粒径不超过0.2mm，平均粒径为150μm。pva纤维长度为10～15mm，直径为35～45mm，抗拉强度≥1500mpa，弹性模量≥40gpa。2.根据权利要求1所述的一种低碳低收缩型工程水泥基复合材料，其特征是，所述普通硅酸盐水泥优选pⅰ型硅酸盐水泥。3.根据权利要求2所述的一种低碳低收缩型工程水泥基复合材料，其特征是，所述煅烧粘土选矿尾矿、低品位或高品位的高岭土，其矿物组成按重量百分比例，高岭石类矿物≥35％，优选1250目及以上。4.根据权利要求3所述的一种低碳低收缩型工程水泥基复合材料，其特征是，所述石灰石其矿物组成主要矿物为方解石和白云石的一种或两种复合，优选800目及以上。5.根据权利要求4所述的一种低碳低收缩型工程水泥基复合材料，其特征是，所述pva纤维为表面经过涂油处理的高弹性模量纤维。6.根据权利要求5所述的一种低碳低收缩型工程水泥基复合材料，其特征是，所述水为清洁的自来水或饮用水。7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种低碳低收缩型工程水泥基复合材料，其特征是，所述高效减水剂为粉体的聚羧酸减水剂。8.根据权利要求7所述的一种低碳低收缩型工程水泥基复合材料的制备方法，其特征是：包括以下步骤：步骤一：将按照上述重量份准备的水泥、煅烧粘土、石灰石粉、石英砂、减水剂和硫酸钙晶须倒入搅拌机并搅拌均匀，形成混合粉料；步骤二：将按照上述重量份准备的水分两次添加到装有混合粉料的搅拌机中，第一次加入80％的水，采用搅拌机低速搅拌，直至形成均匀流动的砂浆；保持搅拌机在低速档搅拌运行；步骤三：将按照上述重量比准备的pva纤维分多次加入均匀流动的砂浆中，低速搅拌一分钟，然后加入剩余的20％的水，接着将搅拌机调至高速档，搅拌两分钟以上，直至pva纤维均匀分布在砂浆中，即可停止搅拌；步骤四：将所制备的新拌水泥基复合材料倒入模具中，并进行振捣和养护成型，即可制得性水泥基复合材料。

技术总结
本发明提供一种低碳低收缩型工程水泥基复合材料及其制备方法，涉及工程水泥基材料技术领域，该一种低碳低收缩型工程水泥基复合材料，主要成分由以下重量份比例的原料制成：普通硅酸盐水泥240～360份，煅烧粘土560～650份，石灰石粉280～320份，将煅烧粘土和石灰石粉用来大量的替代水泥，实现了硅酸盐水泥用量的显著减少，环保效益显著，且将煅烧粘土和石灰石粉掺入有利于水泥基复合材料力学性能的提升，将硫酸钙晶须引入复合材料之中，一方面利用硫酸盐来调节水泥基体的水化反应，另一方面，多尺度的纤维混杂，可以在不同尺度上对复合材料进行增强，能够大幅度提高水泥基复合材料的韧性和强度，为水泥基复合材料的推广应用提供了更大的可能。提供了更大的可能。


技术研发人员：程晟钊 陈璐 朱海堂 陈静 陈巍戈 叶雨山 曾凤娟 孟庆鑫
受保护的技术使用者：河南工程学院 郑州大学
技术研发日：2023.07.25
技术公布日：2023/10/20