一種噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料及其制備方法，屬于建筑材料【技術(shù)領(lǐng)域】。其配方比例按重量份計(jì)：包括水泥19-36份、橡膠粉1.9-5.7份、粉煤灰11-40份、河砂12-35份、水9.5-18份、速凝劑1-2.2份、減水劑0.19-0.7份，可再分散乳膠粉1.0-1.5份，PVA纖維0.8-2份。通過一次攪拌、二次攪拌和終凝得到產(chǎn)品噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。本發(fā)明制備的產(chǎn)品成本低、加工簡(jiǎn)單、對(duì)加工工藝及操作環(huán)境要求較低、力學(xué)性能穩(wěn)定。
【專利說明】一種噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料【技術(shù)領(lǐng)域】[0001]本發(fā)明涉及一種用于鐵路公路隧道、礦山巷道支護(hù)等工程的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料及其制備方法，特別是涉及一種噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料及其制備方法，屬于建筑材料【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]高延性纖維混凝土材料理論最早是由美國(guó)University of Michigan的Victor C.Li 教授和Massachusetts Institute of Technology 的 Christopher Κ.Y.Leung 教授于1992年提出來的,最早是試圖用聚乙烯纖維(Polyethylene,簡(jiǎn)稱PE)來解決水泥基復(fù)合材料的增強(qiáng)、增韌問題。1997年Victot.C.Li等人開始將PVA用于ECC，制成了聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，簡(jiǎn)稱PVA)纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。PVA纖維親水、無毒、環(huán)保,其成本是等體積高彈模PE纖維的I/ 8且明顯低于鋼纖維，高強(qiáng)、高彈PVA纖維的抗拉強(qiáng)度和彈性模量都高于聚丙烯(Polypropy-lene,簡(jiǎn)稱PP)纖維。
[0003]我國(guó)研究人員對(duì)高性能纖維水泥基復(fù)合材料進(jìn)行了進(jìn)一步的研究開發(fā)，例如，公成旭、張君在題為《高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗拉性能》的文章中報(bào)道了高韌性聚乙烯醇纖維(PVA)增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的配合比、制備過程以及拉伸力學(xué)性能，其特征在于:以纖維摻量和砂膠比為基本設(shè)計(jì)參數(shù)，通過調(diào)整水膠比和粉煤灰摻量來研究其性能；沈陽美洋建設(shè)項(xiàng)目管理有限公司的俞家歡在2012年申請(qǐng)了專利(201010010157.4) “一種強(qiáng)韌性聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料及其制備方法”，其專利特征在于:采用了兩種化學(xué)添加劑:增稠劑、超塑劑，并調(diào)整了增稠劑的添加量。上述制備方案中給出的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料雖然都得到了應(yīng)變硬化現(xiàn)象以及復(fù)合開裂效果，但都是采用模注施工方法。2012年3月14日東南大學(xué)的錢吮智、張志剛、趙婷、孫佳、崔凱、吳進(jìn)、章靜然申報(bào)了專利(201210066241.7) “高延性水泥基復(fù)合材料預(yù)拌方法”，該發(fā)明提供了高延性水泥基復(fù)合材料預(yù)拌技術(shù)，主要是在在大型攪拌站/樓/機(jī)中，對(duì)加入的水泥、粉煤灰、纖維、石英砂和粉狀高效減水劑等進(jìn)行攪拌，使得各組分混合均勻，運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)加水?dāng)嚢瑁Ｗ⑹┕ぁ?br> [0004]深部開采巷道支護(hù)一直是國(guó)內(nèi)外采礦界公認(rèn)的難題之一。由于開采深度增加，地應(yīng)力逐漸增大，若不采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)方式，巷道圍巖變形更加劇烈、支護(hù)也更加困難，變形的累積將導(dǎo)致巷道失穩(wěn)破壞。因此研究高強(qiáng)、高韌性的ECC復(fù)合材料(抗壓強(qiáng)度為40MPa左右，彎曲韌性μ 3。為30以上)支護(hù)的課題被提了出來。在目前的支護(hù)方式下，巷道在服務(wù)期內(nèi)屢遭破壞，而需多次翻修(據(jù)江蘇大屯礦區(qū)，安徽淮北礦區(qū)統(tǒng)計(jì)，每米巷道每年的修復(fù)費(fèi)就需要2000元以上)，全國(guó)深部開采巷道每年的修復(fù)費(fèi)高達(dá)36億元以上，這嚴(yán)重影響了礦井
正常生產(chǎn)和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，深井巷道支護(hù)是煤炭開采需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0005]2009年本項(xiàng)目申請(qǐng)組畢遠(yuǎn)志、張大林、姜勇、華淵、姜晨光等人完成了與皖北煤電集團(tuán)公司合作的“纖維混凝土在軟巖巷道支護(hù)的研究項(xiàng)目”。對(duì)改性聚丙烯(粗)纖維混凝土在煤礦埋深620 m的軟巖巷道進(jìn)行了纖維混凝土支護(hù)研究，取得了科研成果。在2009年完成了 “孔莊煤礦深部巷道纖維混凝土支護(hù)應(yīng)用技術(shù)的研究”，課題 申請(qǐng)人:畢遠(yuǎn)志等將科研成果發(fā)表在《煤炭學(xué)報(bào)》2010年第12期上，“高韌性纖維混凝土在深部軟巖巷道支護(hù)中的應(yīng)用”等3篇論文；3篇論文對(duì)改性聚丙烯(粗)和混雜纖維混凝土增強(qiáng)增韌特性及在深井支護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，取得了一些科研成果，為本發(fā)明奠定了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。上述研究課題提出了將高延性PVA纖維與粉煤灰等其他添加劑摻加到水泥基材料中形成高延性的材料，通過噴射工藝使這種水泥基復(fù)合材料在地下空間圍巖表面成形的制備方法，通過噴射工藝完成對(duì)深井地下空間的支護(hù)。
[0006]江南大學(xué)畢遠(yuǎn)志課題組2012年9月在上海能源大屯煤電集團(tuán)公司孔莊煤礦-1050水平大巷進(jìn)行了噴射型PVA (聚乙烯醇纖維)纖維混凝土的試驗(yàn)，取得了非常好的支護(hù)效果，圖1為大板取樣力學(xué)特性檢測(cè)。
[0007]從圖1可以看出高延性復(fù)合水泥基復(fù)合材料具有以下特性:
(I)應(yīng)變硬化特性，不同于金屬材料的冷拉時(shí)效，高延性復(fù)合水泥基復(fù)合材料的應(yīng)變硬化過程伴隨著多裂縫的開展，外力消失后，裂縫自然合攏，是一個(gè)損傷累積的過程，因此也被稱為準(zhǔn)應(yīng)變硬化。 [0008](2)應(yīng)變硬化是在受拉情況下的應(yīng)變硬化。一些纖維體積摻率較大的混凝土在彎曲荷載作用下也呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特性，但在直接拉伸荷載作用下仍表現(xiàn)為應(yīng)變軟化。
[0009](3)普通纖維混凝土(FRC)中摻入的纖維雖然能有效提高斷裂韌性，但材料開裂后皆會(huì)被拉斷或以較小的黏結(jié)應(yīng)力從基體中拔出，荷載也會(huì)隨之突然降低。ECC中纖維在開裂后能有效橋接裂縫、承擔(dān)荷載并隨多裂縫開展逐漸從基體中拔出，在此過程中荷載反而有所提聞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于克服上述不足之處，提供一種成本低、加工簡(jiǎn)單、對(duì)加工工藝及操作環(huán)境要求較低、力學(xué)性能穩(wěn)定、高延性的噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料及其制備方法。
[0011]按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，一種噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，按重量份計(jì)配方比例為:水泥19-36份、橡膠粉1.9-5.7份、粉煤灰11_40份、河砂12-35份、水9.5-18份、速凝劑1-2.2份、減水劑0.19-0.7份，可再分散乳膠粉1.0-1.5份，PVA纖維
0.8-2 份。
[0012]速凝劑為環(huán)保型無堿液體速凝劑?？稍俜稚⑷槟z粉為乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物。所述減水劑為奈系聞效減水劑或者聚竣Ife系聞性能減水劑。
[0013]所述噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，按重量份計(jì)配方比例為:水泥23份、橡膠粉2.5份、粉煤灰31份、河砂26.8份，水12份、速凝劑1.5份、減水劑0.5份、可再分散乳膠粉1.2份、PVA纖維1.5份。
[0014]所述PVA纖維直徑為39 μ m,長(zhǎng)度為6_12mm。
[0015]所述噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的制備方法，步驟如下:
(I)一次攪拌:取粉煤灰11-40份、橡膠粉1.9-5.7份、PVA纖維0.8-2份和可再分散乳膠粉1.0-1.5份，在單臥軸無重力攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，其帶飛刀可打散PVA纖維，在攪拌筒內(nèi)勻速攪拌2-3分鐘，直至這四種基材攪拌均勻?yàn)橹?；將攪拌好的料裝袋得到袋裝混合料，運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)待用；
(2)二次攪拌:取步驟(1)攪拌完畢的袋裝混合料，添加入水泥19-36份和河砂12-35份，放入雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)內(nèi)進(jìn)行干攪拌1-3分鐘后，加入水9.5-18份，繼續(xù)攪拌1-3分鐘，最后加入減水劑0.19-0.7份，攪拌2-3分鐘，直至基材攪拌均勻，輸送到濕噴機(jī)； (3)終凝:在濕噴機(jī)的噴槍處將速凝劑1-2.2份添加到濕料內(nèi)，混合料從噴槍噴射到巖壁上，在5分鐘內(nèi)初凝，在12分鐘內(nèi)終凝，最終得到產(chǎn)品噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。
[0016]所述河砂細(xì)度模數(shù)M為2.5-2.8。
[0017]本發(fā)明的有益效果:
1、分散性、相容性、親水性、耐酸堿性好:聚乙烯醇纖維在砂漿、混凝土中分散性很好，不會(huì)因?yàn)槔w維過細(xì)或過長(zhǎng)而造成拌合時(shí)結(jié)團(tuán)；與硅酸鹽水泥有很好的相容性；親水性好，使纖維能均勻分布在水泥基質(zhì)中；耐酸堿性好，能適用于各種等級(jí)的水泥。
[0018]2、對(duì)加工工藝及操作環(huán)境要求較低:在對(duì)聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料進(jìn)行制備時(shí)，在室溫下即可進(jìn)行，對(duì)加工工藝及操作環(huán)境要求較低，而且操作更為簡(jiǎn)便。
[0019]3、力學(xué)性能穩(wěn)定:聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料成品后，力學(xué)性能也較穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)同配比下力學(xué)性能相差較多的情況。
[0020]4、高強(qiáng)高彈模，韌性好:聚乙烯醇纖維機(jī)械性能良好，可提高建筑材料的韌性和抗沖擊強(qiáng)度，抗彈性疲勞也可以提高，且可以防止龜裂；抗拉強(qiáng)度和彈性模量高，是聚丙烯纖維的2倍多，這樣更充分加大了材料的抗拉強(qiáng)度，相應(yīng)地減少了材料的開裂，耐久性隨之提聞。
[0021]5、安全、經(jīng)濟(jì)、耐久的巷道支護(hù)材料:在上海能源大屯煤電集團(tuán)公司孔莊煤礦等巷道支護(hù)中發(fā)揮了良好的作用，巷道安全性提高，大幅降低了巷道維護(hù)費(fèi)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是噴射高延性材料加載力一位移曲線。
[0023]圖2是本發(fā)明工藝流程圖。
注:1代表無重力干粉攪拌機(jī)，2代表單臥軸攪拌機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0024]實(shí)施例中的環(huán)保型無堿液體速凝劑購(gòu)自巴斯夫化學(xué)建材(中國(guó))有限公司，具體型號(hào)為Meyco SA 160型速凝劑；或采用購(gòu)自鄭州市蘭瑞工程材料有限公司的型號(hào)為Swjy液態(tài)速凝劑、江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的環(huán)保型無堿液體速凝劑。
[0025]減水劑購(gòu)自江蘇蘇博特新材料股份有限公司，型號(hào)為SBTJMs-B萘系高效減水劑和SBTJMs-A萘系高效減水劑或者型號(hào)為PCA?-1或PCAe-V的聚羧酸系高性能減水劑，或購(gòu)自巴斯夫化學(xué)建材(中國(guó))有限公司，型號(hào)為RbllOO萘系減水劑或者Rheoplus 26聚羧酸系減水劑；或購(gòu)自鄭州市蘭瑞工程材料有限公司生產(chǎn)的Jssy聚羧酸系高性能減水劑或者FDN萘系聞效減水劑。
[0026]實(shí)施例1
所述噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的制備方法，步驟如下:(O 一次攪拌:取粉煤灰11份、橡膠粉1.9份、PVA纖維0.8份和可再分散乳膠粉1.0份，在單臥軸無重力攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，其帶飛刀可打散PVA纖維，在攪拌筒內(nèi)勻速攪拌2-3分鐘，直至這四種基材攪拌均勻?yàn)橹?；將攪拌好的料裝袋得到袋裝混合料，運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)待用；
(2)二次攪拌:取步驟(1)攪拌完畢的袋裝混合料，添加入水泥19份和河砂12份，放入雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)內(nèi)進(jìn)行干攪拌I分鐘后，加入水9.5-18份，繼續(xù)攪拌I分鐘，最后加入減水劑0.19份，攪拌2分鐘，直至基材攪拌均勻，輸送到濕噴機(jī)；
(3)終凝:在濕噴機(jī)的噴槍處將速凝劑1份添加到濕料內(nèi)，混合料從噴槍噴射到巖壁上，在5分鐘內(nèi)初凝，在12分鐘內(nèi)終凝，最終得到產(chǎn)品噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。
[0027]速凝劑為環(huán)保型無堿液體速凝劑?？稍俜稚⑷槟z粉為乙烯/醋酸乙烯酯的共聚物。所述減水劑為奈系聞效減水劑或者聚竣Ife系聞性能減水劑。
[0028]實(shí)施例2
所述噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的制備方法，步驟如下:
(1)一次攪拌:取粉煤灰40份、橡膠粉5.7份、PVA纖維2份和可再分散乳膠粉1.5份，在單臥軸無重力攪拌機(jī)，其帶飛刀可打散PVA纖維，在攪拌筒內(nèi)勻速攪拌3分鐘，直至這四種基材攪拌均勻?yàn)橹?；將攪拌?的料裝袋得到袋裝混合料，運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)待用；
(2)二次攪拌:取步驟(1)攪拌完畢的袋裝混合料，添加入水泥36份和河砂35份，放入雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)內(nèi)進(jìn)行干攪拌3分鐘后，加入水18份，繼續(xù)攪拌3分鐘，最后加入減水劑0.7份，攪拌3分鐘，直至基材攪拌均勻，得到高延性水泥基復(fù)合材料濕料；
(3)終凝:取步驟(2)得到的攪拌完成的高延性水泥基復(fù)合材料濕料通過濕噴機(jī)噴射到巖壁上，并在噴槍處將速凝劑2.2份添加到濕料內(nèi)，噴層在5分鐘內(nèi)初凝，在12分鐘內(nèi)終凝，最終得到產(chǎn)品噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。
[0029]速凝劑為環(huán)保型無堿液體速凝劑?？稍俜稚⑷槟z粉為乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物。所述減水劑為奈系聞效減水劑或者聚竣Ife系聞性能減水劑。
[0030]實(shí)施例3
所述噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的制備方法，步驟如下:
(1)一次攪拌:取粉煤灰20份、橡膠粉4份、PVA纖維1.5份和可再分散乳膠粉1.2份，在單臥軸無重力攪拌機(jī)，其帶飛刀可打散PVA纖維，在攪拌筒內(nèi)勻速攪拌3分鐘，直至這四種基材攪拌均勻?yàn)橹?；將攪拌好的料裝袋得到袋裝混合料，運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)待用；
(2)二次攪拌:取步驟(1)攪拌完畢的袋裝混合料，添加入水泥22份和河砂31份，放入雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)內(nèi)進(jìn)行干攪拌3分鐘后，加入水13份，繼續(xù)攪拌2分鐘，最后加入減水劑0.5份，攪拌3分鐘，直至基材攪拌均勻，得到高延性水泥基復(fù)合材料濕料；
(3)終凝:取步驟(2)得到的攪拌完成的高延性水泥基復(fù)合材料濕料通過濕噴機(jī)噴射到巖壁上，并在噴槍處將速凝劑1.8份添加到濕料內(nèi)，噴層在5分鐘內(nèi)初凝，在12分鐘內(nèi)終凝，最終得到產(chǎn)品噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。
[0031]速凝劑為環(huán)保型無堿液體速凝劑。可再分散乳膠粉為乙烯/醋酸乙烯酯的共聚物。所述減水劑為奈系聞效減水劑或者聚竣Ife系聞性能減水劑。
【權(quán)利要求】
1.一種噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，其特征是:按重量份計(jì)配方比例為:水泥19-36份、橡膠粉1.9-5.7份、粉煤灰11-40份、河砂12-35份、水9.5-18份、速凝劑1-2.2份、減水劑0.19-0.7份，可再分散乳膠粉1.0-1.5份，PVA纖維0.8-2份。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，其特征是:速凝劑為環(huán)保型無堿液體速凝劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，其特征是:可再分散乳膠粉為乙烯/醋酸乙烯酯的共聚物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，其特征是:所述減水劑為奈系聞效減水劑或者聚竣Ife系聞性能減水劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，其特征是按重量份計(jì)配方比例為:水泥23份、橡膠粉2.5份、粉煤灰31份、河砂26.8份，水12份、速凝劑1.5份、減水劑0.5份、可再分散乳膠粉1.2份、PVA纖維1.5份。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，其特征是:所述PVA纖維直徑為39 μ m,長(zhǎng)度為6-12mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的制備方法，其特征是步驟如下: (1)一次攪拌:取粉煤灰11-40份、橡膠粉1.9-5.7份、PVA纖維0.8-2份和可再分散乳膠粉1.0-1.5份，在單臥軸無重力攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，其帶飛刀可打散PVA纖維，在攪拌筒內(nèi)勻速攪拌2-3分鐘，直至這四種基材攪拌均勻?yàn)橹?；將攪拌好的料裝袋得到袋裝混合料，運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)待用； (2)二次攪拌:取步驟(1)攪拌完畢的袋裝混合料，添加入水泥19-36份和河砂12-35份，放入雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)內(nèi)進(jìn)行干`攪拌1-3分鐘后，加入水9.5-18份，繼續(xù)攪拌1-3分鐘，最后加入減水劑0.19-0.7份，攪拌2-3分鐘，直至基材攪拌均勻，輸送到濕噴機(jī)； (3)終凝:在濕噴機(jī)的噴槍處將速凝劑1-2.2份添加到濕料內(nèi)，混合料從噴槍噴射到巖壁上，在5分鐘內(nèi)初凝，在12分鐘內(nèi)終凝，最終得到產(chǎn)品噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。
8.如權(quán)利要求7所述噴射型高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的制備方法，其特征是:所述河砂細(xì)度模數(shù)M為2.5-2.8。
【文檔編號(hào)】C04B16/06GK103664069SQ201310386639
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】畢遠(yuǎn)志, 張大林, 姜勇, 華淵, 繆旭紅 申請(qǐng)人:江南大學(xué)