專利名稱：一種硬化水泥基材料防干縮開裂用纖維材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料科學(xué)與工程科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種防止硬化水泥基材料(水泥凈漿、砂漿、混凝土及其復(fù)合材料)干燥失水收縮開裂的纖維材料。
背景技術(shù)：
水泥混凝土材料是當(dāng)今世界上用量最大，使用最廣泛的人造建筑材料之一。2004年我國水泥年產(chǎn)量已達(dá)8.6億噸，每年水泥混凝土用量已達(dá)20億立方米。在今后相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，水泥混凝土仍將是我國現(xiàn)代工程建設(shè)的主要建筑材料。并且，由于其具有適用范圍廣，價(jià)格便宜，易澆注成型，比較耐久，還可有效利用一些工業(yè)固體廢料制作節(jié)能環(huán)保型建筑材料等優(yōu)點(diǎn)，而在眾多建筑工程領(lǐng)域中發(fā)揮其它材料無法替代的作用。
但是水泥混凝土也具有抗拉強(qiáng)度低，極限拉應(yīng)變小，抗沖擊強(qiáng)度差，易于失水收縮開裂等缺點(diǎn)，尤其是由于干燥失水造成混凝土收縮開裂使工程外觀、使用功能、使用壽命等受到很大影響，且目前國內(nèi)外均無很好的應(yīng)對措施，使得研究發(fā)明硬化水泥基材料的防裂材料變得十分重要。水泥混凝土一旦失水收縮開裂，將極大地影響其抗?jié)B、抗凍、抗化學(xué)介質(zhì)侵蝕、抗鋼筋銹蝕等性能，造成混凝土使用壽命大大縮短，混凝土維護(hù)修復(fù)費(fèi)用大量上升，一旦路面開裂，將嚴(yán)重影響路面使用性能，修復(fù)十分困難，費(fèi)用巨大，據(jù)有關(guān)資料，美國每年用于混凝土修復(fù)費(fèi)用高達(dá)上千億美元，我國也將在數(shù)千億元。若開裂問題得不到妥善的解決，用于維修的費(fèi)用將隨著混凝土的廣泛使用而進(jìn)一步增加。在各種混凝土改性技術(shù)中，纖維混凝土的開發(fā)應(yīng)用可認(rèn)為是近年來混凝土技術(shù)的最大進(jìn)展之一。據(jù)國內(nèi)外研究表明，當(dāng)在混凝土中摻加1.0％(體積分?jǐn)?shù))以上的高彈性模量的纖維材料，如鋼纖維、碳纖維等，可在明顯減少水泥基材料硬化后的干燥失水收縮裂縫，有效地提高水泥混凝土施工質(zhì)量和耐久性，但該材料在使用過程中存在影響水泥混凝土施工和易性、大幅度增加材料造價(jià)的缺陷，故有必要發(fā)明一種用于硬化水泥基材料防裂的新型纖維材料，以技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行的方式大幅度地減少水泥基材料硬化后的干燥失水收縮開裂，提高其工程質(zhì)量和使用壽命。
本發(fā)明專利申請者針對硬化水泥基材料干燥失水收縮開裂問題的開展了研究，首先從對硬化水泥基材料的干燥失水收縮開裂機(jī)理分析探討入手，在搞清其機(jī)理的基礎(chǔ)上采取針對性抗裂措施，最終解決了硬化水泥基材料的干燥失水收縮開裂問題，為解決工程中的開裂問題提供了一種新型防干縮開裂纖維材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可用于硬化水泥基材料防止干燥失水收縮開裂的纖維材料及其制備方法。
本發(fā)明提出的防裂纖維材料，由有機(jī)合成纖維、無機(jī)纖維或有機(jī)無機(jī)混雜纖維和改性劑組成，其組份的體積百分比如下有機(jī)合成纖維0～55％無機(jī)纖維10～70％改性劑 2～30％總量滿足100％。
各組份較佳的體積百分比如下
有機(jī)合成纖維 0～50％無機(jī)纖維 15～65％改性劑4～25％總量滿足100％。
本發(fā)明中，有機(jī)合成纖維包括聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維、尼龍纖維、聚丙烯腈纖維等；無機(jī)纖維包括鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維、石棉纖維、陶瓷纖維等；改性劑包括有機(jī)聚合物乳液、界面偶聯(lián)劑、表面活性劑等。
本發(fā)明中，有機(jī)合成纖維的彈性模量為2～10GPa，抗拉強(qiáng)度為300～800MPa，極限拉伸率為8～60％，纖維截面直徑(或等效直徑)為10～100μm，纖維長度為8～20mm；無機(jī)纖維的彈性模量為60～350GPa，抗拉強(qiáng)度為800～4500MPa，極限拉伸率為2～6％，纖維截面直徑(或等效直徑)為3～500μm，纖維長度為5～35mm。有機(jī)合成纖維截面形狀有圓形、矩形、三葉形等形狀，纖維軸向形狀有直線形、波浪形等，纖維端頭形狀有平齊形、啞鈴形等；無機(jī)纖維截面形狀有圓形、矩形、三角形等形狀，纖維軸向形狀有直線形、波浪形、壓痕形等，纖維端頭形狀有平齊形、啞鈴形、端鉤形等。
本發(fā)明中，有機(jī)聚合物乳液包括丙烯酸乳液、苯丙乳液、聚乙烯醇乳液等；界面偶聯(lián)劑包括硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑；表面活性劑包括陰離子表面活性劑、非離子表面活性劑、高分子表面活性劑等。
本發(fā)明的制備方法如下選取不同直徑、長度、截面形狀、軸向形狀、端頭形狀的有機(jī)、無機(jī)或有機(jī)無機(jī)混雜纖維，將改性劑溶于醇類、醚類、水等溶劑中，按上述體積百分比計(jì)量纖維材料和改性材料，將纖維置于混料容器中加入改性劑攪拌均勻，經(jīng)適當(dāng)烘干即得到本發(fā)明產(chǎn)品。
本發(fā)明為固體纖維狀材料，產(chǎn)品計(jì)量后包裝成袋，儲(chǔ)存時(shí)應(yīng)注意密封保存，遠(yuǎn)離熱源。
本發(fā)明防裂纖維的使用方法①本發(fā)明防裂纖維的摻量為水泥基材料總體積的0.1～0.5％。
②可在攪拌水泥基材料的同時(shí)，將防裂纖維與其它水泥基材料一起加入攪拌；也可在水泥基材料攪拌完成后，再加入防裂纖維繼續(xù)攪拌。
③其后的澆注、振搗、抹面、養(yǎng)護(hù)等工序同未摻纖維者一樣。
本發(fā)明可廣泛用于水泥基材料工程，如水泥混凝土路面、橋面、地坪、護(hù)坡、大壩、機(jī)場跑道、墻體抹面等工程，以提高水泥基材料硬化后抗干燥失水收縮開裂等性能。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)①摻加本產(chǎn)品后，水泥基材料硬化后的干燥失水收縮開裂性能可大幅度減小，采用園環(huán)法測試時(shí)，其收縮開裂總權(quán)重值比不摻者可減少40％～85％。
②摻加本產(chǎn)品后，水泥基材料的和易性、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等不受影響，甚至可以有所提高，抗沖擊強(qiáng)度可提高30～300％。
③摻加本產(chǎn)品后，水泥基材料的抗?jié)B性、抗凍性等可得到一定程度的改善。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。
實(shí)施例1防裂纖維體積百分比為聚丙烯纖維 48％鋼纖維 50％
改性劑2％聚丙烯纖維選用三葉形，纖維等效直徑為10μm，纖維長度為18mm；鋼纖維選用三角形、端鉤形，纖維直徑為500μm、纖維長度為35mm；改性劑選用苯丙乳液(其固體含量為40％，改性劑摻量以固體成分計(jì)量為2％摻入)。將防裂纖維以0.2％體積分?jǐn)?shù)摻入水泥砂漿(32.5普通水泥∶中砂∶5-25碎石∶水＝1∶0.5∶0.5∶0.5)后，采用園環(huán)法測得其對干燥收縮開裂的減少率約為50％，材料的和易性、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等不受影響，抗沖擊強(qiáng)度可提高300％。
實(shí)施例2防裂纖維體積百分比為聚丙烯腈纖維 55％碳纖維 10％改性劑 25％聚丙烯腈纖維選用矩形，纖維等效直徑為100μm，纖維長度為20mm；碳纖維選用PAN基碳纖維，纖維直徑為13μm，纖維長度為10mm；改性劑選用陰離子表面活性劑。將防裂纖維以0.5％體積分?jǐn)?shù)摻入水泥砂漿(32.5普通水泥∶中砂∶5-25碎石∶水＝1∶0.5∶0.5∶0.5)后，采用園環(huán)法測得其對干燥收縮開裂的減少率約為80％，材料的和易性、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等不受影響，抗沖擊強(qiáng)度可提高200％。
實(shí)施例3防裂纖維體積百分比為石棉纖維 70％改性劑 30％石棉纖維選用溫石棉，纖維直徑為5μm，纖維長度為15mm；改性劑選用硅烷偶聯(lián)劑。將防裂纖維以0.10％體積分?jǐn)?shù)摻入水泥混凝土(32.5普通水泥∶5～25mm碎石∶中砂∶水＝1∶0.5∶0.5∶0.5)后，采用園環(huán)法測得其對干燥收縮開裂的減少率約為40％，材料的和易性、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等不受影響，抗沖擊強(qiáng)度可提高30％。
實(shí)施例4防裂纖維體積百分比為聚酯纖維 25％陶瓷纖維 50％改性劑25％聚酯纖維選用圓形纖維，纖維直徑為25μm，纖維長度為8mm；陶瓷纖維選用氧化鋁含量為45％的陶瓷纖維，纖維直徑為3μm，纖維長度為5mm改性劑選用鈦酸酯偶聯(lián)劑。將防裂纖維以0.40％體積分?jǐn)?shù)摻入水泥砂漿(32.5普通水泥∶中砂∶水＝1∶1∶0.5)后，采用園環(huán)法測得其對干燥收縮開裂的減少率約為60％，材料的和易性、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等不受影響，抗沖擊強(qiáng)度可提高50％。
權(quán)利要求
1.一種硬化水泥基材料防干縮開裂用纖維材料，其特征在于由有機(jī)合成纖維、無機(jī)纖維或有機(jī)無機(jī)混雜纖維和改性劑組成，其組份的體積百分比如下有機(jī)合成纖維0～55％無機(jī)纖維10～70％改性劑 2～30％總量滿足100％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬化水泥基材料防干縮開裂用纖維材料，其特征在于各組份較佳的體積百分比如下有機(jī)合成纖維0～50％無機(jī)纖維15～65％改性劑 4～25％總量滿足100％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬化水泥基材料防干縮開裂用纖維材料，其特征在于有機(jī)纖維為聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、聚酯纖維、尼龍纖維之一種，無機(jī)纖維為鋼纖維、玻璃纖維、陶瓷纖維之一種，改性劑為聚合物乳液、表面活性劑、偶聯(lián)劑之一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬化水泥基材料防干縮開裂用纖維材料，其特征在于有機(jī)合成纖維的彈性模量為2～10GPa，抗拉強(qiáng)度為300～800MPa，極限拉伸率為8～60％，纖維截面直徑為10～100μm，纖維長度為8～20mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬化水泥基材料防干縮開裂用纖維材料，其特征在于無機(jī)纖維的彈性模量為60～350GPa，抗拉強(qiáng)度為800～4500MPa，極限拉伸率為2～6％，纖維截面直徑為3～500μm，纖維長度為5～35mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬化水泥基材料防干縮開裂用纖維材料，其特征在于有機(jī)合成纖維的截面形狀為圓形、矩形、三葉形之一種，纖維軸向形狀為直線形、波浪形之一種，纖維端頭形狀為平齊形、啞鈴形之一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬化水泥基材料防干縮開裂用纖維材料，其特征在于無機(jī)纖維的截面形狀為圓形、矩形、三角形之一種，纖維軸向形狀為直線形、波浪形、壓痕形之一種，纖維端頭形狀為平齊形、啞鈴形、端鉤形之一種。
8.一種硬化水泥基材料防干縮開裂用纖維材料的制備方法，其特征在于選取不同直徑、長度、截面形狀、軸向形狀、端頭形狀的纖維，按上述有機(jī)、無機(jī)纖維、改性劑體積百分比計(jì)量各種纖維材料和改性劑材料，將纖維置于混料容器中加入改性劑攪拌，混合均勻，經(jīng)適當(dāng)干燥即得到本產(chǎn)品。
9.一種如權(quán)利要求1所述的硬化水泥基材料防干縮開裂用纖維材料，其特征在于使用時(shí)防裂纖維摻加量為水泥基材料總體積的0.1～0.5％。
全文摘要
本發(fā)明屬于材料科學(xué)與工程科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種硬化水泥基材料(水泥凈漿、砂漿、混凝土及其復(fù)合材料)防干縮開裂用纖維材料，由有機(jī)合成纖維、無機(jī)纖維或有機(jī)無機(jī)混雜纖維和改性劑組成。本發(fā)明防裂纖維可對水泥基材料硬化后的干燥失水收縮開裂有很好的抑制減少作用，較之不摻者可使干縮裂縫減少40－85％，且對材料的和易性、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等不產(chǎn)生明顯不良影響，本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于水泥基材料工程，如水泥混凝土路面、橋面、地坪、護(hù)坡、大壩、墻體抹面等工程中，以提高工程質(zhì)量和使用壽命。
文檔編號(hào)C04B16/06GK1880257SQ20051002684
公開日2006年12月20日 申請日期2005年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月16日
發(fā)明者馬一平 申請人:同濟(jì)大學(xué)