CN102092996A

CN102092996A - 一种耐高温超高性能水泥基复合材料及其制备方法

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Publication number: CN102092996A
Application number: CN2010105651369A
Authority: CN
Inventors: 赖建中; 徐升; 张士华; 杨春梅; 李培培
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2011-06-15

Abstract

本发明公开了一种耐高温超高性能水泥基复合材料及其制备方法，其原料为：胶凝材料、骨料、纤维、减水剂、水，所述胶凝材料为水泥和活性矿物掺合料的混合物，骨料为黄砂或黄砂和石子的混合物，纤维是有机纤维或有机纤维和金属纤维的混合物。本发明在普通混凝土制作的基础上进行了改进，所制得的水泥基复合材料，不仅具有超高的力学性能，同时具有耐高温的特性，适用于耐高温的工程结构，可以避免建筑结构在火灾下的坍塌破坏。

Description

一种耐高温超高性能水泥基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种水泥基复合材料，具体涉及一种耐高温超高性能水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术

在火灾高温情况下，混凝土容易出现剥落、爆裂、坍塌等破坏，这些破坏会对人们的生命财产造成威胁，对建筑造成损伤，对经济造成损失，如果可以使混凝土的耐高温性能提高，发生火灾时不但可以使人们的生命财产损失降到最低，而且为救援工作提供宝贵的时间。

公开号为CN101712542A中国发明专利公开的一种耐热混凝土，包括重量百分比8-30％的水泥、50-80％的高炉水淬矿渣和/或铁矿围岩构成的骨料、2-14％的粉煤灰或矿渣粉构成的填充料，可满足耐热度为700℃的施工要求，但700℃时强度仅为24.8MPa。目前的水泥混凝土材料在高温下强度很低，缺乏对超高性能水泥基复合材料耐高温性能的系统研究，制备一种既有耐高温性能，并且混凝土强度等级高的超高性能水泥基复合材料具有重要意义。

发明内容

本发明提供了一种耐高温超高性能水泥基复合材料及其制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种耐高温超高性能水泥基复合材料，其原料组成及其百分比为：

胶凝材料	27.2％～41.3％
		骨料	46.6％～66.0％
纤维	0.5％～6.3％
		减水剂	0.5％～0.8％
水	5.4％～7.9％

一种制备上述耐高温超高性能水泥基复合材料的方法，包括如下的步骤：

(1)将胶凝材料和骨料按27.2％～41.3％、46.6％～66.0％的质量比例在搅拌机中干拌均匀；胶凝材料是水泥和活性矿物掺合料的混合物，活性矿物掺合料为硅灰、粉煤灰、矿渣微粉或其他具有火山灰活性的矿物掺合料中的一种或两种及以上的混合物。骨料为黄砂或黄砂与石子的混合物。

(2)将纤维按照0.5％～6.3％的质量比例撒在混凝土搅拌机内并搅拌均匀；纤维是有机纤维或有机纤维和金属纤维的混合物，有机纤维为聚乙烯醇纤维或其他高强高弹性模量有机纤维，有机纤维长6-20mm，直径小于50μm。金属纤维为高强钢纤维，钢纤维长6-20mm，直径小于0.22mm。

(3)将减水剂与水按照0.5％～0.8％和5.4％～7.9％的质量比例混合均匀后，倒入搅拌机里并继续搅拌均匀。减水剂为聚羧酸高效减水剂或其他减水率在30％以上的高效减水剂。

(4)将步骤(3)搅拌均匀后所得的混合料倒入模具中，振动成型。

(5)将成型后的试件在标准条件下静置24小时后拆模，将试件在标准条件下养护30天以上。标准条件为：温度20±2℃，相对湿度大于95％的养护箱或养护室。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1)显著降低了高强混凝土在高温下的爆裂。有机纤维的熔点较低，纤维加入后均匀分布在水泥混凝土基体中。当混凝土中的温度升高到纤维的熔点时，有机纤维开始熔化并挥发，在水泥基体中留下相互贯通的孔道。这些孔道的存在为水泥基体中蒸汽压的释放提供了条件，使得蒸汽压达不到临界蒸汽压值，同时水分也可以通过孔道溢出，这样就避免了高强的混凝土爆裂、剥落、坍塌的发生。2)在提高混凝土耐高温性能的同时，提高了混凝土的强度。金属纤维强度高并乱向分布于水泥基体中，当有机纤维熔化后，金属纤维继续发挥增强和增韧的作用，这使得高温后的混凝土仍可以承受较大的载荷。因此二种类型的纤维加入不但可以提高水泥混凝土材料的耐高温性能，同时能使混凝土维持很高的强度。3)活性矿物微粉的加入，使水泥基材料的密实度提高，抗压强度高达170MPa以上，抗渗性好，耐久性好，适合重要建筑结构的使用。4)本发明的一种耐高温超高性能水泥基复合材料，节省水泥熟料，成本低廉，生产工艺简单，采用常规的混凝土设备，可操作性强。5)本发明的混凝土材料在高温作用后损伤程度低，适用于耐高温的工程结构，可以避免建筑结构在火灾下的坍塌破坏，保护人民生命财产安全，为后续的救援工作提供有利保障。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的实施例1在600℃保温4小时后的情况图。

图2为本发明的实施例2在800℃保温4小时后的情况图。

图3为本发明的实施例3在400℃保温4小时后的情况图。

图4为本发明的实施例4在600℃保温4小时后的情况图。

具体实施方式

本发明的一种耐高温超高性能水泥基复合材料，其原料组成及其百分比为：

胶凝材料	27.2％～41.3％
		骨料	46.6％～66.0％
纤维	0.5％～6.3％

减水剂	0.5％～0.8％
		水	5.4％～7.9％

上述胶凝材料是水泥和活性矿物掺合料的混合物，活性矿物掺合料为硅灰、粉煤灰、矿渣微粉或其他具有火山灰活性的矿物掺合料中的一种或两种及以上的混合物。骨料为黄砂或黄砂与石子的混合物。纤维是有机纤维或有机纤维和金属纤维的混合物，有机纤维为聚乙烯醇纤维或其他高强高弹性模量有机纤维，有机纤维长6-20mm，直径小于50μm；金属纤维为高强钢纤维，钢纤维长6-20mm，直径小于0.22mm，抗拉强度大于1800MPa。减水剂为聚羧酸高效减水剂或其他减水率在30％以上的高效减水剂。

一种制备权利要求1所述水泥基复合材料的方法，包括以下步骤：

(1)将胶凝材料和骨料按27.2％～41.3％、46.6％～66.0％的质量比例在混凝土搅拌机中干拌均匀；所述的胶凝材料是水泥和活性矿物掺合料的混合物，其中活性矿物掺合料为硅灰、粉煤灰、矿渣微粉或其他具有火山灰活性的矿物掺合料中的一种或两种及以上的混合物；骨料为黄砂或黄砂与石子的混合物。

(2)将纤维按照0.5％～6.3％的质量比例撒在搅拌机内并搅拌均匀；纤维是有机纤维或有机纤维和金属纤维的混合物，有机纤维为聚乙烯醇纤维或其他高强高弹性模量有机纤维，有机纤维长6-20mm，直径小于50μm；金属纤维为高强钢纤维，钢纤维长6-20mm，直径小于0.22mm，抗拉强度大于1800MPa。

下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细的描述，其中附图为水泥混凝土试件在高温下的破坏情况。

实施例1

将胶凝材料和骨料按表1的比例称量后在混凝土搅拌机中干拌均匀；将纤维按表1的比例称量后撒在搅拌机内并搅拌均匀；将减水剂与水按照表1的比例混合均匀后，倒入搅拌机里并继续搅拌均匀；将搅拌均匀后所得的混合料倒入边长为70.7的立方体模具中，振动成型；将成型后的试件在温度为20±2℃、相对湿度大于95％的标准养护箱中静置24小时后拆模，将试件在标准养护箱中养护30天以上。实施例1中的胶凝材料是质量比例为5∶2∶3的52.5硅酸盐水泥、硅灰和矿渣微粉；骨料是粒径小于3mm的黄砂；纤维是长12mm、直径39μm的聚乙烯醇纤维；减水剂是减水率大于40％的聚羧酸高效减水剂。

采用高温电阻炉对本例中的水泥混凝土试件进行耐高温实验，升温速度为5℃/min，分别升温至400℃、600℃、800℃后保温4h，再以5℃/min的速度降到室温，然后测试经过高温处理后的水泥基材料的抗压强度，表2中列出了测试结果。

实施例2

按表1中指定的各组分的比例重复实施例1的方法制备水泥基复合材料，然后重复实施例1的方法对本例的水泥混凝土试件进行耐高温实验，表2中列出了测试结果。实施例2中的胶凝材料是质量比例为5∶2∶3的52.5硅酸盐水泥、硅灰和矿渣微粉；骨料是粒径小于3mm的黄砂；纤维是质量比例为1∶12的聚乙烯醇纤维和钢纤维，聚乙烯醇纤维长12mm、直径39μm，钢纤维长12mm、直径0.2mm、抗拉强度大于1800MPa；减水剂是减水率大于40％的聚羧酸高效减水剂。

实施例3

按表1中指定的各组分的比例重复实施例1的方法制备水泥基复合材料，然后重复实施例1的方法对本例的水泥混凝土试件进行耐高温实验，表2中列出了测试结果。实施例3中的胶凝材料是质量比例为5∶2∶3的52.5硅酸盐水泥、硅灰和矿渣微粉；骨料是质量比例为1∶1的黄砂和石子，黄砂的粒径小于3mm，石子是粒径小于16mm的玄武岩碎石；纤维是长12mm、直径39μm的聚乙烯醇纤维；减水剂是减水率大于40％的聚羧酸高效减水剂。

实施例4

按表1中指定的各组分的比例重复实施例1的方法制备水泥基复合材料，然后重复实施例1的方法对本例的水泥混凝土试件进行耐高温实验，表2中列出了测试结果。实施例4中的胶凝材料是质量比例为5∶2∶3的52.5硅酸盐水泥、硅灰和矿渣微粉；骨料是质量比例为1∶1的黄砂和石子，黄砂的粒径小于3mm，石子是粒径小于16mm的玄武岩碎石；纤维是质量比例为1∶6的聚乙烯醇纤维和钢纤维，聚乙烯醇纤维长12mm、直径39μm，钢纤维长12mm、直径0.2mm、抗拉强度大于1800MPa；；减水剂是减水率大于40％的聚羧酸高效减水剂。

从图1、图2、图3和图4中可以看出，高温作用后水泥混凝土试件的结构完整性较好，仅在部分试件的表面出现少量裂纹或剥落。聚乙烯醇纤维在高温作用下会熔化，缓解了混凝土基体的内部压力，避免了混凝土基体的爆裂。金属纤维的加入能显著提高材料的抗压强度，因此一定纤维体积率的有机纤维和金属纤维混合加入，不但提高了水泥基材料的耐高温性能，同时让材料维持了较高的力学性能。从测试结果可以看出，高温后混凝土强度能达到100MPa以上，400℃下最高强度达174MPa，800℃下最高强度达117MPa。

表1水泥基复合材料各组分的质量百分比(％)

表2高温处理后不同试件的抗压强度(MPa)

Claims

1.一种耐高温超高性能水泥基复合材料，其特征在于，原料组成及其百分比为：

胶凝材料 27.2％～41.3％骨料 46.6％～66.0％纤维 0.5％～6.3％减水剂 0.5％～0.8％水 5.4％～7.9％

2.根据权利要求1所述的一种耐高温超高性能水泥基复合材料，其特征在于：所述的胶凝材料是水泥和活性矿物掺合料的混合物，其中活性矿物掺合料为硅灰、粉煤灰、矿渣微粉或其他具有火山灰活性的矿物掺合料中的一种或两种及以上的混合物。

3.根据权利要求1所述的一种耐高温超高性能水泥基复合材料，其特征在于：所述的骨料为黄砂或黄砂与石子的混合物。

4.根据权利要求1所述的一种耐高温超高性能水泥基复合材料，其特征在于：所述的纤维是有机纤维或有机纤维和金属纤维的混合物，有机纤维为聚乙烯醇纤维或其他高强高弹性模量有机纤维，有机纤维长6-20mm，直径小于50μm；金属纤维为高强钢纤维，钢纤维长6-20mm，直径小于0.22mm，抗拉强度大于1800MPa。

5.根据权利要求1所述的一种耐高温超高性能水泥基复合材料，其特征在于：所述的减水剂为聚羧酸高效减水剂或其他减水率在30％以上的高效减水剂。

6.一种制备权利要求1所述耐高温超高性能水泥基复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将胶凝材料和骨料按27.2％～41.3％、46.6％～66.0％的质量比例在混凝土搅拌机中干拌均匀；

(2)将纤维按照0.5％～6.3％的质量比例撒在搅拌机内并搅拌均匀；

(3)将减水剂与水按照0.5％～0.8％和5.4％～7.9％的质量比例混合均匀后，倒入搅拌机里并继续搅拌均匀；

(4)将步骤(3)搅拌均匀后所得的混合料倒入模具中，振动成型；

(5)将成型后的试件在标准条件下静置24小时后拆模，然后将试件在标准条件下养护30天以上。

7.根据权利要求6所述制备耐高温超高性能水泥基复合材料的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的胶凝材料是水泥和活性矿物掺合料的混合物，其中活性矿物掺合料为硅灰、粉煤灰、矿渣微粉或其他具有火山灰活性的矿物掺合料中的一种或两种及以上的混合物；骨料为黄砂或黄砂与石子的混合物。

8.根据权利要求6所述制备耐高温超高性能水泥基复合材料的方法，其特征在于，步骤(2)中纤维是有机纤维或有机纤维和金属纤维的混合物，有机纤维为聚乙烯醇纤维或其他高强高弹性模量有机纤维，有机纤维长6-20mm，直径小于50μm；金属纤维为高强钢纤维，钢纤维长6-20mm，直径小于0.22mm，抗拉强度大于1800MPa。

9.根据权利要求6所述制备耐高温超高性能水泥基复合材料的方法，其特征在于，步骤(3)中的减水剂为聚羧酸高效减水剂或其他减水率在30％以上的高效减水剂。