CN107602013B - 膨润土水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种膨润土水泥基复合材料，其特征在于:该材料由PVA纤维、普通硅酸盐水泥、铁尾矿砂、天然砂、水、增稠剂、聚羧酸性减水剂和钙基膨润土组成，通过利用膨润土的吸附性和PVA纤维强度高、模量高、伸度低的特点，使得本发明具有早期强度高、初凝时间短、泌水率低的优点，同时增强了水泥基复合材料的抗折性和抗劈拉性，从而达到双增韧的效果。

Description

膨润土水泥基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域。涉及一种水泥基复合材料的制备方法。具体的讲涉及一种适用于在建筑行业和地下工程及桥梁工程的修补的膨润土水泥基复合材料。

背景技术

水泥基复合材料是由水泥基胶凝材料、水泥基添加剂等组成,与水或乳液搅拌后稍加辅助性施工的防水材料。它具有良好的粘结性、抗渗性、抗冻性和柔韧性,而且施工速度快、力学性能好、龟裂少,另外水泥基聚复合材料还具有耐碱和硫酸盐腐蚀等功能特性。由于具有这些特征,使得该类材料的发展受到重视,目前正处于快速发展和快速扩大应用的阶段。

传统的水泥基复合材料存在着强度低、抗裂性差、耐久性指标不能满足需要，骨料的颗粒过大或过小，对加固的环境适应性差等缺点，严重威胁混凝土结构的安全性和耐久性。目前国内外对水泥基结构修补砂浆的制备一般针对具体的工程类别进行水泥基结构修补砂浆研制,即进行某种具有特殊用途或具备某项特点的加固材料的研制,比如高强、大流动性等,并且对原材料的种类、质量要求高,对施工工艺要求严格,适用范围小。并且,在实际的应用中水泥基结构修补砂浆存在着不同特性之间的矛盾,比如早期强度高的加固材料的收缩比较大,容易产生微裂缝加入早强剂后对后期强度又有一定的影响骨料的类型及尺寸对加固材料的微膨胀性能产生抑制作用从而限制了水泥基结构修补砂浆的生产和应用。

发明内容

发明目的：

本发明提供一种膨润土水泥基复合材料及其制备方法，是一种适用于建筑防渗工作以及一些地下工程及桥梁工程的修补工作中的建筑材料。目的是为了改进现有膨润土与水泥基复合材料不同性能之间存在的矛盾以及水泥基复合材料力学性能的不足，由不同的膨润土、水胶比、水泥用量和PVA纤维掺量等材料按一定重量配比组成的在合理配比下的水泥复合材料，其脆性得到很大的改善，并且具有自行硬化、吸湿膨胀性、较好的抗折性及抗劈拉性，还具有价格低廉的优点。未来此材料将会有广泛的研究和应用。

技术方案：

一种膨润土水泥基复合材料，该材料由PVA纤维、普通硅酸盐水泥、铁尾矿砂、天然砂、水、增稠剂、聚羧酸性减水剂和钙基膨润土组成，各组分的配合比如下：

普通硅酸盐水泥：95-120㎏/m³

钙基膨润土：掺量为水泥重量的60%~120%

PVA纤维：掺量为水泥体积的1-3%

铁尾矿砂及天然砂混合物：占水泥质量的15-30%

铁尾矿砂占铁尾矿砂及天然砂混合物混合物总质量的30%~50%

水：46~107㎏

粉煤灰：掺量为水泥质量的10-20%

增稠剂：占所加胶凝材料质量的百分比为0.1-0.18%

减水剂:占所加胶凝材料质量的百分比为0.6-1.2%。

该材料由PVA纤维、普通硅酸盐水泥、铁尾矿砂、天然砂、水、增稠剂、聚羧酸性减水剂和钙基膨润土组成，各组分的配合比如下：

普通硅酸盐水泥：100㎏/m³

钙基膨润土：掺量为水泥重量的60%~120%

PVA纤维：掺量为水泥体积的2%

铁尾矿砂及天然砂混合物：占水泥质量的20%

铁尾矿砂占铁尾矿砂及天然砂混合物混合物总质量的30%~50%

水：46~107㎏

粉煤灰：掺量为水泥质量的15%

增稠剂：占所加胶凝材料质量的百分比为0.15%

减水剂:占所加胶凝材料质量的百分比为1.0%。

所述胶凝材料质量为粉煤灰、普通硅酸盐水泥和钙基膨润土的总质量。

制备上述的膨润土水泥基复合材料所用的制备方法，其特征在于:将上述普通硅酸盐水泥、不同掺量的钙基膨润土（分三次对比试验）、PVA纤维（做0%、2%两种变化）混合，通过水泥胶砂搅拌机搅拌后，通过插入式振捣器机械振捣均匀，至无气泡排出为止，搅拌振捣时间为2-5分钟，静置一分钟过后，沿壁倒出减少气泡的产生，得到拌合物A；将上述减水剂、增稠剂和水按照实验配合比设计所取掺量调配得到溶液B；将溶液B和拌合物A混合沿顺时针方向搅拌均匀，搅拌时间为3-6分钟，即制得所需膨润土-PVA纤维水泥基复合材料。

PVA纤维需经过预处理之后再与普通硅酸盐水泥和不同掺量的钙基膨润土混合，预处理步骤如下：

（1）、将PVA纤维的长度剪为5-10mm；

（2）、取白乳胶和水混合，白乳胶与水混合的质量比为1:20，充分混合成待雾化液体备用；

（3）、取硅藻土过200目，备用；

（4）、将PVA纤维置于容器中，然后将该容器四周相对密封，在容器侧壁设置有向容器内吹风的吹风口、向容器内喷雾的喷雾口和喷料口，然后利用吹风口的风将容器内的PVA纤维吹起，使得PVA纤维被均匀吹散，在吹风5分钟后，利用喷雾口向容器内吹（2）步骤被雾化后的液体，喷入的液体的质量为PVA纤维质量的4-5倍，当喷入的液体的质量为PVA纤维质量的2-2.5倍的时候，向容器内，喷入（3）步骤细粉，喷入的细粉的质体积是PVA纤维体积的2/5，直到雾化液体全部喷完，之后迅速将PVA纤维与普通硅酸盐水泥和不同掺量的钙基膨润土混合。

（4）步骤雾化液体全部喷完后继续吹风1分钟。

优点效果：

膨润土水泥基复合材料及其制备方法，本方法深入研究了膨润土在水泥基材料中的作用，并通过改变混合材料配比，研究膨润土在不同状况下水泥基复合材料的性能，最终找出具有优良性能的膨润土-PVA纤维水泥复合材料的合理配比。

本发明是一种具有优良的抗劈拉、抗折、抗压以及抗渗性能的水泥基材料。具体由不同的掺量的钙基膨润土、水胶比、水泥用量和PVA纤维等材料按一定体积及重量配比组成。通过添加一定量的钙基膨润土和PVA纤维，使得材料具有良好的抗折及抗劈拉性。在合理配比下，通过加入钙基膨润土提高材料的吸湿膨胀性和缩短初凝时间，采用普通硅酸盐水泥提高材料的早期强度，添加PVA纤维优化材料的抗折性及抗劈拉性。

综上所述，本发明较以往的传统水泥基复合材料具备高抗压性，耐腐性和吸水性。相较于普通的水泥基复合材料具有初凝时间较短，早期强度高的优点。通过在水泥基材料里添加膨润土提高黏稠性，和PVA纤维抑制材料的早期收缩，达到双增韧的效果，提高了材料的抗拉，抗折强度。

具体实施内容

本发明探究膨润土在水泥基复合材料中的应用，通过调整水胶比、钙基膨润土及普通硅酸盐水泥的配比以及PVA纤维的掺量，来改善材料的力学性能。通过使用Ⅰ级粉煤灰，由于I级粉煤灰相较于II级粉煤灰的细度更小，强度更大，能够增加水泥基复合材料的强度，用尾矿砂替代一定量的砂石，来达到环保的目的。通过抗压、抗折、抗拉强度和防渗实验，得到数据并分析其性能。

一种膨润土水泥基复合材料，其特征在于:该材料由PVA纤维、普通硅酸盐水泥、铁尾矿砂、天然砂、水、增稠剂、聚羧酸性减水剂和钙基膨润土组成，各组分的配合比如下：

普通硅酸盐水泥：100㎏/m³

钙基膨润土：掺量为水泥重量的60%~120%

PVA纤维：掺量为水泥体积的2%

铁尾矿砂及天然砂混合物：占水泥质量的20%

铁尾矿砂占铁尾矿砂及天然砂混合物混合物总质量的30%~50%

水：46~107㎏

粉煤灰：掺量为水泥质量的15%

增稠剂：占所加胶凝材料质量的百分比为0.15%

减水剂:占所加胶凝材料质量的百分比为1.0%

所述胶凝材料质量为粉煤灰、普通硅酸盐水泥和钙基膨润土的总质量。

制备上述的膨润土水泥基复合材料所用的制备方法，其特征在于:将上述普通硅酸盐水泥、不同掺量的钙基膨润土（分三次对比试验）、PVA纤维（做0%、2%两种变化）混合，通过水泥胶砂搅拌机搅拌后，通过插入式振捣器机械振捣均匀，至无气泡排出为止，搅拌振捣时间为2-5分钟，静置一分钟过后，沿壁倒出减少气泡的产生，得到拌合物A；将上述减水剂、增稠剂和水按照实验配合比设计所取掺量调配得到溶液B；将溶液B和拌合物A混合沿顺时针方向搅拌均匀，搅拌时间为3-6分钟，即制得本发明所需膨润土-PVA纤维水泥基复合材料。

其中用一定量的普通硅酸盐水泥，能够提高材料的早期强度，缩短凝结时间。

其中在水泥基中加入钙基膨润土，增强水泥基复合材料的吸湿膨胀性，降低泌水率。

其中在水泥基复合材料中加入PVA纤维，提高材料的抗折性及抗劈拉性。

其中在水泥基中使用增稠剂，提高物系粘度，使水泥保持均匀的稳定的悬浮状态，乳浊状态或形成凝胶，提高水泥基复合材料的稳定性。

其中在水泥基复合材料中加入减水剂，能改善其工作性，减少单位用水量，改善水泥基复合材料的流动性。

本发明的技术方案为：膨润土-PVA纤维水泥基复合材料，其特征在于其原料组分及各组分占原料总量的重量及体积百分比如下

表一 钙基膨润土各项性能指标：

表二 PVA纤维各项性能指标：

表三 普通硅酸盐水泥各强度等级各龄期的强度值（GB175-2007)MPa：

表四 聚羧酸性减水剂

所述普通硅酸盐水泥掺量为100kg/m3，各项基本性能如表三所示。

所述减水剂掺量为胶凝材料的1.0%，采用聚羧酸性减水剂，能有效的提高材料的和易性和耐久性。

所述增稠剂掺量胶凝材料的0.15%，能够有效提高材料的保水性和可塑性，防止裂纹，增强水泥强度。

粉煤灰掺量为水泥体积的15%，采用

级粉煤灰，相较于

级粉煤灰颗粒更细，增大了与材料接触的表面积，提高了活性，使得强度更高。

天然砂与铁尾矿砂的混合物掺量占水泥质量的20%，采用铁尾矿砂替代天然砂，其替代率为50%，材料粒径为0.315-0.15㎜。

PVA纤维各项基本性能如表二所示，且PVA纤维与硅酸盐水泥有良好的 化学相容性，亲水性好能均匀地分布在水泥基材料中。

另外，PVA纤维需经过预处理之后再与普通硅酸盐水泥和不同掺量的钙基膨润土混合，预处理步骤如下：

（1）、将PVA纤维的长度剪为5-10mm；

（2）、取白乳胶和水混合，白乳胶与水混合的质量比为1:20，充分混合成待雾化液体备用；

（3）、取硅藻土过200目，备用；

（4）、将PVA纤维置于容器中，然后将该容器四周相对密封，在容器侧壁设置有向容器内吹风的吹风口、向容器内喷雾的喷雾口和喷料口，然后利用吹风口的风将容器内的PVA纤维吹起，使得PVA纤维被均匀吹散，在吹风5分钟后，利用喷雾口向容器内吹（2）步骤被雾化后的液体，喷入的液体的质量为PVA纤维质量的4-5倍，当喷入的液体的质量为PVA纤维质量的2-2.5倍的时候，向容器内，喷入（3）步骤细粉，喷入的细粉的质体积是PVA纤维体积的2/5，直到雾化液体全部喷完，之后将PVA纤维与普通硅酸盐水泥和不同掺量的钙基膨润土混合。（4）步骤雾化液体全部喷完后继续吹风1分钟吹干。

这样处理的好处是增加PVA纤维与其他物质的连接牢固性，PVA纤维属于一种绳状限位材料，其本身并不十分粗壮且表面相对摩擦力较小，在与其他物质结合连接时或多或少会存在拉伸连接不是特别牢靠的问题，采用这个方法可以很好的解决这个问题，利用容器吹起的方式使得PVA纤维与掺有白乳胶水吵闹股份混合，之后再在PVA纤维表面不均匀的粘接细化的硅藻土，使得PVA纤维出现增大摩擦的面，然后，将其与普通硅酸盐水泥和不同掺量的钙基膨润土混合时就会产生很好的接触摩擦力增强连接牢靠性，同时，硅藻土具有很好的吸水性，也更加有利于增加连接的牢固性。

实施例1

普通硅酸盐水泥100㎏/m³ 铁尾矿砂和天然砂混合掺量为水泥质量的20%、 Ⅰ级粉煤灰掺量为水泥的15%、 增稠剂掺量为胶凝材料的0.15%、 减水剂掺量为胶凝材料的1.0%钙基膨润土60%~120% 上述组份制备的水泥基复合材料具备高抗压性和吸水性，通过加入钙基膨润土来降低材料的初凝时间，但是会影响材料的强度，当钙基膨润土掺量从0增加到60%，水泥基复合材料的抗压强度从44.7MPa下降到41.8MPa，降幅为6.5%；当掺量从60%增加到100%时，水泥基复合材料的抗压强度从41.8MPa下降到33.4MPa，降幅为20.1%；当掺量从100%增加到120%时，水泥基复合材料的抗压强度从33.4MPa下降到29.7MPa，降幅为11.1%。实施例2 PVA纤维2%、 普通硅酸盐水泥100㎏/m³、 铁尾矿砂和天然砂混合掺量为水泥质量的20%、Ⅰ级粉煤灰掺量为水泥的15%、 增稠剂为胶凝材料的0.15%、 减水剂掺量为胶凝材料的1.0%、 上述组份制备的材料，通过加入一定量的PVA纤维，有效的抑制材料的早期收缩，相较于上一实例抗压强度均未降低，且大多数增加范围在0%~25%。水泥基复合材料的抗折强度及抗劈拉强度随PVA纤维的掺入而增加，加入2%的PVA纤维使得水泥基复合材料的抗折强度提高了18%~21%，抗劈拉强度提高了10~13%。但是由于PVA纤维在水泥基复合材料中不易搅拌开，会产生PVA材料分布不均的缺点。 实施例3 PVA纤维2%； 普通硅酸盐水泥：100㎏/m³； 铁尾矿砂和天然砂混合掺量为水泥质量的20%、Ⅰ级粉煤灰掺量为水泥质量的15%、增稠剂为胶凝材料的0.15%、 减水剂掺量为胶凝材料的1.0%、 钙基膨润土60%~120%、 上述组份制备的材料，相较于第一组实例，加入了PVA纤维，增强了水泥基复合材料的抗拉性、抗折性。相较于第二组实例，加入了的钙基膨润土，通过自身具有的增稠性增加了材料的韧度，与PVA纤维共同加入水泥基复合材料中达到双增韧效果。同时钙基膨润土的增稠性使得PVA纤维能更好的的分布在水泥基材料中，也增加了材料的力学性能使得材料能更好的应用于实际施工中。

实施例4 PVA纤维3%；

普通硅酸盐水泥：95㎏/m³；铁尾矿砂和天然砂混合掺量为水泥质量的15%（其中铁尾矿砂占铁尾矿砂及天然砂混合物混合物总质量的30%）Ⅰ级粉煤灰掺量为水泥质量的20%、增稠剂为胶凝材料的0.18%、减水剂掺量为胶凝材料的0.6%、钙基膨润土为水泥质量的60%；余量为水，水的质量为46~107㎏；

上述组份制备的材料，相较于第一组实例，加入了PVA纤维，增强了水泥基复合材料的抗拉性、抗折性。水泥基复合材料的抗折强度及抗劈拉强度随PVA纤维的掺入而增加，加入3%的PVA纤维使得水泥基复合材料的抗折强度提高了20%~22%，抗劈拉强度提高了11~13%。相较于第二组实例，加入了的钙基膨润土，通过自身具有的增稠性增加了材料的韧度，与PVA纤维共同加入水泥基复合材料中达到双增韧效果。同时钙基膨润土的增稠性使得PVA纤维能更好的的分布在水泥基材料中，弥补了实施例2中的不足，也增加了材料的力学性能使得材料能更好的应用于实际施工中。

实施例5： PVA纤维1%； 普通硅酸盐水泥：120㎏/m³； 铁尾矿砂和天然砂混合掺量为水泥质量的30%（其中铁尾矿砂占铁尾矿砂及天然砂混合物混合物总质量的50%）；Ⅰ级粉煤灰掺量为水泥质量的10%、 增稠剂为胶凝材料的0.1%、 减水剂掺量为胶凝材料的1.2%、钙基膨润土为水泥质量的120%；

余量为水，水的质量为46~107㎏； 上述组份制备的材料，相较于第一组实例，加入了PVA纤维，水泥基复合材料的抗折强度及抗劈拉强度随PVA纤维的掺入而增加，加入1%的PVA纤维使得水泥基复合材料的抗折强度提高了17%~19%，抗劈拉强度提高了9~11%。增强了水泥基复合材料的抗拉性、抗折性。相较于第二组实例，加入了的钙基膨润土，通过自身具有的增稠性增加了材料的韧度，与PVA纤维共同加入水泥基复合材料中达到双增韧效果。同时钙基膨润土的增稠性使得PVA纤维能更好的的分布在水泥基材料中，弥补了实施例2中的不足，也增加了材料的力学性能使得材料能更好的应用于实际施工中。

Claims (3)

1.膨润土水泥基复合材料的制备方法，其特征在于:所述膨润土水泥基复合材料由PVA纤维、普通硅酸盐水泥、铁尾矿砂、天然砂、水、增稠剂、聚羧酸性减水剂和钙基膨润土组成，各组分的配合比如下：

普通硅酸盐水泥：95-120㎏/m³

钙基膨润土：掺量为水泥重量的60%~120%

PVA纤维：掺量为水泥体积的1-3%

铁尾矿砂及天然砂混合物：占水泥质量的15-30%

铁尾矿砂占铁尾矿砂及天然砂混合物总质量的30%~50%

水：46~107㎏

粉煤灰：掺量为水泥质量的10-20%

增稠剂：占所加胶凝材料质量的百分比为0.1-0.18%

减水剂:占所加胶凝材料质量的百分比为0.6-1.2%；

所述胶凝材料质量为粉煤灰、普通硅酸盐水泥和钙基膨润土的总质量；

具体制备方法为：

将上述普通硅酸盐水泥、钙基膨润土、PVA纤维混合，通过水泥胶砂搅拌机搅拌后，通过插入式振捣器机械振捣均匀，至无气泡排出为止，搅拌振捣时间为2-5分钟，静置一分钟过后，沿壁倒出减少气泡的产生，得到拌合物A；将上述减水剂、增稠剂和水按照实验配合比设计所取掺量调配得到溶液B；将溶液B和拌合物A混合沿顺时针方向搅拌均匀，搅拌时间为3-6分钟，即制得所需膨润土-PVA纤维水泥基复合材料；

PVA纤维需经过预处理之后再与普通硅酸盐水泥和钙基膨润土混合，预处理步骤如下：

（1）、将PVA纤维的长度剪为5-10mm；

（2）、取白乳胶和水混合，白乳胶与水混合的质量比为1:20，充分混合成待雾化液体备用；

（3）、取硅藻土过200目，备用；

（4）、将PVA纤维置于容器中，然后将该容器四周相对密封，在容器侧壁设置有向容器内吹风的吹风口、向容器内喷雾的喷雾口和喷料口，然后利用吹风口的风将容器内的PVA纤维吹起，使得PVA纤维被均匀吹散，在吹风5分钟后，利用喷雾口向容器内吹（2）步骤被雾化后的液体，喷入的液体的质量为PVA纤维质量的4-5倍，当喷入的液体的质量为PVA纤维质量的2-2.5倍的时候，向容器内，喷入（3）步骤细粉，喷入的细粉的体积是PVA纤维体积的2/5，直到雾化液体全部喷完，之后将PVA纤维与普通硅酸盐水泥和钙基膨润土混合。

2.根据权利要求1所述的膨润土水泥基复合材料的制备方法，其特征在于:该材料由PVA纤维、普通硅酸盐水泥、铁尾矿砂、天然砂、水、增稠剂、聚羧酸性减水剂和钙基膨润土组成，各组分的配合比如下：

普通硅酸盐水泥：100㎏/m³

钙基膨润土：掺量为水泥重量的60%~120%

PVA纤维：掺量为水泥体积的2%

铁尾矿砂及天然砂混合物：占水泥质量的20%

铁尾矿砂占铁尾矿砂及天然砂混合物总质量的30%~50%

水：46~107㎏

粉煤灰：掺量为水泥质量的15%

增稠剂：占所加胶凝材料质量的百分比为0.15%

减水剂:占所加胶凝材料质量的百分比为1.0%。

3.根据权利要求1所述的膨润土水泥基复合材料的制备方法，其特征在于:（4）步骤雾化液体全部喷完后继续吹风1分钟。