[发明专利]纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种掺有纳米二氧化钛的超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料及其制备方法技术,属于建筑材料和基础工程建设技术领域。

背景技术

超高性能水泥基复合材料是上世纪末发展起来的一类新型水泥基材料，具有优异的静、动态力学性能、抗裂性能和耐久性能，符合土木、建筑、市政、交通和国防防护等多个领域对新材料的要求，应用范围和应用潜力巨大。

纳米材料相比常规材料，具有显著更大的比表面积、显著更高的表面活性以及显著更大的表面原子所占比例，加入到水泥基材料中不仅可以起到填充效应，弥补水泥、矿物掺和料等填充性能的不足，增加机体的密实性，同时其高表面活性和大比表面积可以促进胶凝材料的水化，为水化产物的生成提供更多的成核位点，产生晶核效应。鉴于纳米材料的这些特性，纳米材料完全可以应用到水泥基材料中作为增强材料。

高性能纤维是超高性能水泥基材料的重要组成部分，相比于使用单一种类的纤维，进行两种或两种以上的不同类型、不同弹性模量、不同尺寸的纤维混杂有助于提高纤维的增强作用和改善材料的破坏形态。

因此，充分发挥纳米材料以及混杂纤维的协同增强作用，是研制低能耗、高性价比、性能优异的超高性能水泥基材料的重要途径。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种制备纳米二氧化钛超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料的方法，该方法发挥了纳米二氧化钛的填充效应和晶核效应，同时由于纤维混杂也改善了材料的力学性能和破坏机理。

技术方案：本发明的纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料包括以下组分且各组分的单方用量配比(kg/m³)如下：

水泥 579～633；

纳米二氧化钛 8～45；

粉煤灰 304～318；

硅灰 101～106；

砂 1010～1060；

超细镀铜钢纤维 190～200；

减水剂 16～20；

消泡剂 9～11；

水 168～205；

所述的水泥是强度等级52.5的硅酸盐水泥；

所述的纳米二氧化钛是属于金红石型的，粒径范围为5～60nm，其纯度超过99.5％；

所述的粉煤灰是Ⅰ级低钙粉煤灰；

所述的硅灰是比表面积达到22000m²/kg的微硅灰；

所述的砂是最大粒径不超过2.36mm的石英质河砂；

所述的超细镀铜钢纤维是直径为0.2mm，长度13mm的平直形或端钩形镀铜钢纤维；

所述的减水剂是减水率大于40％的聚羧酸系外加剂；

所述的消泡剂是高效有机硅消泡粉。

本发明还提供了一种制备纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按配方比例依次称取水泥、粉煤灰、硅灰、消泡剂于搅拌锅中手动搅拌均匀，再依次加入纳米二氧化钛和砂，利用实验室用砂浆搅拌机搅拌至颜色均匀的干粉；

2)称取减水剂和水混合均匀成水剂，缓慢加入到所述步骤1)得到的干粉中。首先以140±5r/min的转速搅拌4～5分钟，然后以285±10r/min的转速搅拌1分钟左右，形成工作性良好的浆体；

3)将称取好的钢纤维均匀加入搅拌容器中，持续搅拌2～3分钟，使钢纤维在基体中分散均匀；

4)把所述步骤3)制备的拌合物浇筑到模具中，利用振动台振动至内部气泡排出；

5)进行标准养护48小时后拆模，接着进行96小时的85℃蒸汽养护，得到所述的复合材料试件。

有益效果：本发明提供的纳米超高性能混杂钢纤维增强水泥基复合材料及其制备方法，与同类技术相比具有高性价比、制备工艺简单、生态环保等特点，可在土木工程材料领域广泛推广。

本发明的纳米二氧化钛具有纳米尺寸效应，将其加入到水泥基材料中可以起到填充效应和晶核效应，从而促进水泥的水化和基体的密实，提高复合材料的力学性能。本发明结合纳米二氧化钛和混杂钢纤维增强超高性能水泥基复合材料两者的优点，通过上述方法制备的复合材料可以应用于建筑工程、交通工程、市政工程、隧道工程以及有特殊要求的工程结构等土木工程材料领域。