CN108358564A - 一种高延性水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种高延性水泥基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高延性水泥基复合材料及其制备方法，其由一定配比的水泥、粉煤灰、洁净细河砂、橡胶粉、纤维、减水剂、乳胶粉、速凝剂和水组成。本发明的高延性水泥基复合材料，因具有较高的断裂能和极限拉应变，出色的抗裂能力，可调整的四点弯曲韧性指数，合理的抗压强度，可用于煤矿深井巷道支护结构体系中的喷射混凝土材料，可用于铁路工程、公路工程山岭隧道特别是大变形隧道和严重偏压隧道初期支护的喷射混凝土材料。

Description

一种高延性水泥基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及土木工程材料及制备技术领域，特别是涉及一种高延性水泥基复合材料及其制备方法。
背景技术
我国的煤矿深井巷道普遍采用锚网喷支护、锚网喷＋锚索支护、锚网喷＋梁＋锚索支护等联合支护方式。这些支护方式中所采用的喷射混凝土由水泥、粗细骨料、水、速凝剂组成，常用的喷射有干喷、潮喷和湿喷等三中形式。这种传统的喷射混凝土的主要缺点是抗拉强度低、延性小、韧性差等，在对具有非线性大变形特征的深井巷道围岩的支护过程中，喷射混凝土层和围岩在刚度、变形上出现不耦合，不能使围岩充分卸压，导致局部喷层出现应力集中，诱发喷层过早发生开裂、脱落等现象，弱化乃至丧失了对围岩的封闭及表面支护作用，由于开裂或脱落，使得支护结构的整体性丧失，无法形成联合支护的效果。铁路工程、公路工程等的山岭隧道，特别是围岩软弱、破碎、节理发育的隧道和严重偏压隧道，开挖后具有非线性大变形特征，传统喷射混凝土因与岩面的变形协调性严重不足，常导致初期支护层开裂、错层甚至整体脱落，使初期支护的封闭和支护功能不能实现。因此，急需为深井巷道支护和大变形隧道研制一种满足强度且延性高、韧性好的材料代替普通混凝土喷层用作支护结构，提高支护结构的可靠性，增强安全性。
发明内容
本发明目的在于针对喷射混凝土材料的缺陷，提供一种断裂能和极限拉应变高，抗裂能力强，四点弯曲韧性指数可调整，抗压强度满足初期支护要求，与岩面变形协调优良的高延性水泥基复合材料及制备方法。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种高延性水泥基复合材料，其由水泥、粉煤灰、洁净细河砂、橡胶粉、纤维、减水剂、乳胶粉、速凝剂和水组成；所述水泥单位体积用量为420~630Kg/m3，所述粉煤灰单位体积用量为420~630Kg/m3，所述洁净细河砂单位体积用量为517~700Kg/m3，所述橡胶粉单位体积用量为34~66Kg/m3，所述纤维单位体积用量为31~44.2Kg/m3，所述乳胶粉单位体积用量为6.3~8.4Kg/m3，所述减水剂单位体积用量为2.1~10.5Kg/m3，所述速凝剂为单位体积用量为63~84Kg/m3，水胶比为0.36，当纤维为PVA时胶砂比为0.49，当纤维为PP时胶砂比为0.70；橡胶粉作为部分洁净河砂的取代物掺入到水泥基复合材料中。
进一步地，所述的水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5MPa；粉煤灰为I级粉煤灰；洁净细河砂为最大粒径不超过1.18mm、细度模数1.0、经水洗净的普通河砂；橡胶粉为40目~80目未经表面处理的橡胶粉；乳胶粉为可分散乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)；减水剂为聚羧酸盐减水剂，固含量为20%，减水率为20%～30%；速凝剂为无碱液体速凝剂；水为洁净的饮用水或自来水。
进一步地，所述的纤维为聚乙烯醇（PVA）纤维或聚丙烯（PP）纤维，所述聚乙烯醇（PVA）纤维抗拉强度1200~1500MPa，当量直径39μm，密度1.3g/cm3，单位体积用量为18.3~26.0Kg/m3；所述聚丙烯（PP）纤维，抗拉强度400~650MPa，当量直径48μm，密度0.91g/cm3，单位体积用量为12.7~18.2Kg/m3。
一种高延性水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：通过将称量好的水泥、粉煤灰、橡胶粉、乳胶粉、洁净细河砂一起倒入搅拌机中，混合干拌2~3min至各种材料混合均匀；然后将称量好的水和聚羧酸盐减水剂混合均匀，将混合溶液倒入搅拌机中，低速搅拌3~4 min至浆体能够均匀流动；在低速搅拌的同时缓慢加入纤维，加入纤维后快速搅拌5~6min得新拌浆体；在使用时将称量好的速凝剂在喷射装置喷嘴后端通过真空负压吸入与新拌浆体混合，得到本发明的高延性水泥基复合材料并喷射使用。
与现有技术相比，本发明具备的有益效果为：本发明的高延性水泥基复合材料，因具有较高的断裂能和极限拉应变，出色的抗裂能力，可调整的四点弯曲韧性指数，合理的抗压强度，可用于煤矿深井巷道支护结构体系中的喷射混凝土材料，可用于铁路工程、公路工程山岭隧道特别是大变形隧道和严重偏压隧道初期支护的喷射混凝土材料。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1: 一种高延性水泥基复合材料，其由水泥、粉煤灰、洁净细河砂、橡胶粉、纤维、减水剂、乳胶粉、速凝剂和水组成；所述水泥单位体积用量为520Kg/m3，所述粉煤灰单位体积用量为520Kg/m3，所述洁净细河砂单位体积用量为610Kg/m3，所述橡胶粉单位体积用量为50Kg/m3，所述纤维为聚乙烯醇（PVA）纤维，单位体积用量为38Kg/m3，所述乳胶粉单位体积用量为7.4Kg/m3，所述减水剂单位体积用量为6Kg/m3，所述速凝剂为单位体积用量为74Kg/m3，水胶比为0.36，胶砂比为0.49。
实施例2: 一种高延性水泥基复合材料，其由水泥、粉煤灰、洁净细河砂、橡胶粉、纤维、减水剂、乳胶粉、速凝剂和水组成；所述水泥单位体积用量为420Kg/m3，所述粉煤灰单位体积用量为420Kg/m3，所述洁净细河砂单位体积用量为517Kg/m3，所述橡胶粉单位体积用量为34Kg/m3，所述纤维为聚丙烯（PP）纤维，单位体积用量为31Kg/m3，所述乳胶粉单位体积用量为6.3Kg/m3，所述减水剂单位体积用量为2.1Kg/m3，所述速凝剂为单位体积用量为63Kg/m3，水胶比为0.36，胶砂比为0.70。
实施例3: 一种高延性水泥基复合材料，其由水泥、粉煤灰、洁净细河砂、橡胶粉、纤维、减水剂、乳胶粉、速凝剂和水组成；所述水泥单位体积用量为630Kg/m3，所述粉煤灰单位体积用量为630Kg/m3，所述洁净细河砂单位体积用量为700Kg/m3，所述橡胶粉单位体积用量为66Kg/m3，所述纤维为聚乙烯醇（PVA）纤维，单位体积用量为44.2Kg/m3，所述乳胶粉单位体积用量为8.4Kg/m3，所述减水剂单位体积用量为10.5Kg/m3，所述速凝剂为单位体积用量为84Kg/m3，水胶比为0.36，胶砂比为0.49。
实施例4: 一种高延性水泥基复合材料，其由水泥、粉煤灰、洁净细河砂、橡胶粉、纤维、减水剂、乳胶粉、速凝剂和水组成；所述水泥单位体积用量为630Kg/m3，所述粉煤灰单位体积用量为420Kg/m3，所述洁净细河砂单位体积用量为700Kg/m3，所述橡胶粉单位体积用量为34Kg/m3，所述纤维为聚乙烯醇（PVA）纤维，单位体积用量为44.2Kg/m3，所述乳胶粉单位体积用量为6.3Kg/m3，所述减水剂单位体积用量为10.5Kg/m3，所述速凝剂为单位体积用量为63Kg/m3，水胶比为0.36，胶砂比为0.49。
实施例5: 一种高延性水泥基复合材料，其由水泥、粉煤灰、洁净细河砂、橡胶粉、纤维、减水剂、乳胶粉、速凝剂和水组成；所述水泥单位体积用量为600Kg/m3，所述粉煤灰单位体积用量为500Kg/m3，所述洁净细河砂单位体积用量为550Kg/m3，所述橡胶粉单位体积用量为60Kg/m3，所述纤维为聚丙烯（PP）纤维，单位体积用量为40Kg/m3，所述乳胶粉单位体积用量为7Kg/m3，所述减水剂单位体积用量为8Kg/m3，所述速凝剂为单位体积用量为70Kg/m3，水胶比为0.36，胶砂比为0.70
上述实施例1-5中，水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5MPa；粉煤灰为I级粉煤灰，主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO3、Na2O、K2O；洁净细河砂为最大粒径不超过1.18mm、细度模数1.0、经水洗净的普通河砂；橡胶粉为40目~80目未经表面处理的橡胶粉；纤维为聚乙烯醇（PVA）纤维或聚丙烯（PP）纤维，聚乙烯醇（PVA）纤维抗拉强度1200~1500MPa，当量直径39μm，密度1.3g/cm3；聚丙烯（PP）纤维抗拉强度400~650MPa，当量直径48μm，密度0.91g/cm3；乳胶粉为可分散乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)；减水剂为聚羧酸盐减水剂，固含量为20%，减水率为20%～30%；速凝剂为无碱液体速凝剂；水为洁净的饮用水或自来水。
实施例1-5所述的高延性水泥基复合材料在制备使用时，通过将设定质量的水泥、粉煤灰、橡胶粉、乳胶粉、洁净细河砂等材料称量后一起倒入搅拌机中，混合干拌2~3min至各种材料混合均匀；将设定质量的水和高性能减水剂混合均匀，然后将该混合溶液倒入搅拌机中，低速搅拌3~4 min至浆体能够均匀流动；在低速搅拌的同时缓慢加入纤维，加入纤维后快速搅拌5~6 min；将新拌浆体装入试模，振动密实后抹平表面，室内养护24h后拆模；试件在进行标准养护（20±2℃，RH＞95%）条件下养护28天制作而成。当用于深井巷道或大变形隧道喷射混凝土材料时，速凝剂在喷嘴后端通过真空负压吸入与新拌浆体混合，喷射至岩面上成为初期支护材料。
经测试，上述实施例1-5制得的高延性水泥基复合材料的抗压强度为20.5~30.9MPa，极限拉应变为0.32%~1.35%，断裂能为1.08~4.93J，四点弯曲韧性指数为30.0~108.0。
应当说明的是，以上所述实施例仅为本发明的几种具体的实施方式，但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。对于熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明思路的前提下做出的若干演变或者改进，都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高延性水泥基复合材料，其特征在于：由水泥、粉煤灰、洁净细河砂、橡胶粉、纤维、减水剂、乳胶粉、速凝剂和水组成；所述水泥单位体积用量为420~630Kg/m3，所述粉煤灰单位体积用量为420~630Kg/m3，所述洁净细河砂单位体积用量为517~700Kg/m3，所述橡胶粉单位体积用量为34~66Kg/m3，所述纤维单位体积用量为31~44.2Kg/m3，所述乳胶粉单位体积用量为6.3~8.4Kg/m3，所述减水剂单位体积用量为2.1~10.5Kg/m3，所述速凝剂为单位体积用量为63~84Kg/m3；水胶比为0.36，胶砂比为0.49或0.70；所述的水胶比和胶砂比中的胶为由水泥和粉煤灰所组成的胶凝剂，砂为洁净细河砂。
2.根据权利要求1所述的一种高延性水泥基复合材料，其特征在于：所述的水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5MPa；粉煤灰为I级粉煤灰；洁净细河砂为最大粒径不超过1.18mm、细度模数1.0、经水洗净的普通河砂；橡胶粉为40目~80目未经表面处理的橡胶粉；乳胶粉为可分散乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)；减水剂为聚羧酸盐减水剂，固含量为20%，减水率为20%～30%；速凝剂为无碱液体速凝剂；水为洁净的饮用水或自来水。
3.根据权利要求1所述的一种高延性水泥基复合材料，其特征在于：所述的纤维为聚乙烯醇（PVA）纤维或聚丙烯（PP）纤维，所述聚乙烯醇（PVA）纤维抗拉强度1200~1500MPa，当量直径39μm，密度1.3g/cm3，单位体积用量为18.3~26.0Kg/m3；所述聚丙烯（PP）纤维，抗拉强度400~650MPa，当量直径48μm，密度0.91g/cm3，单位体积用量为12.7~18.2Kg/m3；当纤维为聚乙烯醇（PVA）纤维时胶砂比为0.49，当纤维为聚丙烯（PP）纤维时胶砂比为0.70。
4. 一种高延性水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：通过将称量好的水泥、粉煤灰、橡胶粉、乳胶粉、洁净细河砂一起倒入搅拌机中，混合干拌2~3min至各种材料混合均匀；然后将称量好的水和聚羧酸盐减水剂混合均匀，将混合溶液倒入搅拌机中，低速搅拌3~4 min至浆体能够均匀流动；在低速搅拌的同时缓慢加入纤维，加入纤维后快速搅拌5~6 min得新拌浆体；在使用时将称量好的速凝剂在喷射装置喷嘴后端通过真空负压吸入与新拌浆体混合，得到本发明的高延性水泥基复合材料并喷射使用。
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