一种橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料及其制备方法，属于土木工程材料技术领域。

背景技术

传统混凝土由于其本身脆性大，在其实际服役过程中容易出现脆性开裂现象。随着现代建筑不断进步，建筑结构性能要求更高，结构体型更为复杂，混凝土容易开裂问题已无法满足使用要求。开发一种具有高应变能力的新型材料是未来需求，ECC(工程水泥基复合材料)出现在上世纪90年代，其应变达到3％-5％，这是混凝土应变的数百倍。

PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)是一种常用塑料，如今仅在北京一年浪费的PET就超过150吨。废旧PET在自然界中需要很长时间才能分解。与此同时每年都有大量的废轮胎被丢弃到环境中，橡胶屑(CR)是从汽车和卡车废轮胎中回收的橡胶，并且每年乘用车生产约10亿个旧轮胎。橡胶屑的处理由于其不可生物降解的特性、火灾的危险、有害昆虫和啮齿动物的繁殖地点，已成为大多数国家的一个主要环境问题。

同时，目前全世界对混凝土需求量巨大，尤其在中国等发展中国家，并且河砂最近已成为一种稀缺自然资源。若能将废旧橡胶粉以及塑料粉应用到混凝土当中不仅能解决环境问题，而且由于塑料粉和橡胶粉本身的柔软特性能以及自重轻能减轻混凝土重量为高层建筑使用提供解决方案，有望作为新型工程水泥基复合材料的新选择。此外现有工程水泥基复合材料已在桥梁路面有广泛应用，对混凝土磨损性有较高要求，而橡胶粉加入能提高混凝土耐磨性能。再者塑料粉、橡胶粉取代石英砂还能减轻建筑行业对天然河砂的依赖，因此，研发一种橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料具有十分重要的意义。

由于橡胶粉以及塑料粉在混凝土中的混合较为困难，目前关于橡胶粉以及塑料粉在ECC上使用比较有限，在保证其工作性能的前提下保证力学性能是行业内研究难点，橡胶粉与塑料粉同时使用在工程水泥基复合材料 (ECC)上的研究尚未出现。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有传统混凝土易开裂，资源消耗多等技术问题，提供一种工艺简单、能耗低、生产成本低、对环境友好、废弃物利用率高的环保工程水泥基复合材料及其制备方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明公开一种橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料，该材料按重量计包括以下组分：

进一步地，在上述一种橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料中，所述的胶凝材料包括：普通硅酸盐水泥、高炉矿渣、硅灰的混合，所述矿渣的质量占胶凝材料总质量37-52％，所述高炉矿渣的质量占胶凝材料总质量的37-52％，所述硅灰的质量占胶凝材料总质量的8-12％。

进一步地，在上述一种橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料中，所述的普通硅酸盐水泥为PII-52.5级普通硅酸盐水泥。

进一步地，在上述一种橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料中，所述的高炉矿渣为S105级矿渣，其物理、化学特性应符合GB/T 18046-2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》标准要求。

进一步地，在上述一种橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料中，所述的硅灰中SiO

进一步地，在上述一种橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料中，所述的普通硅酸盐水泥粒径为10-20μm，所述的高炉矿渣粒径为8-10μm，所述的硅灰粒径为0.1-1μm。

进一步地，在上述一种橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料中，所述的石英砂为9#号砂，粒径0.076-0.15mm，密度 2.5-2.7g/cm

进一步地，在上述一种橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料中，所述的橡胶粉为废旧轮胎中回收经历粉碎、分级筛选后优选所得，其粒径分布与上述石英砂分布接近。粒径100-150目，密度 1.1-1.2g/cm

进一步地，在上述一种橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料中，所述的塑料粉为粉碎的PET瓶子后、分级筛选后优选所得，其粒径分布与上述石英砂粒径分布接近。粒径100-150目，密度 0.7-0.8g/cm

进一步地，在上述一种橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料中，所述的水为普通自来水，符合《混凝土用水标准》 (JG163-2006)的要求。

进一步地，在上述一种橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料中，所述的PE纤维为超高分子量聚乙烯纤维，直径为 12-24um，长度大于等于12mm，长径比为700-1000，弹性模量大于等于 100Gpa，抗拉强度大于等于3000Mpa。

本发明还提供了所述的橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型工程水泥基复合材料及其制备方法，具体包括以下步骤：

先取普通硅酸盐水泥、高炉矿渣、硅灰、石英砂、橡胶粉、塑料粉、水、聚羧酸减水剂、PE纤维。利用行星式搅拌机将普通硅酸盐水泥、高炉矿渣、硅灰、石英砂、橡胶粉、塑料粉搅拌均匀，得到均匀混合干料。再将聚羧酸减水剂与水均匀混合后缓慢加入上述混合干料中，得到新鲜均匀混合流动性上佳的浆体后低速搅拌下加入PE纤维均匀混合后便得到上述所说的橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明提供的橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料，能够充分利用橡胶粉、塑料粉、PE纤维等材料的特性及优点，使混凝土材料具有较高的力学性能、工作性能以及经济环保价值。

(2)本发明使用橡胶分和塑料粉替代适应砂，可以减少因天然河沙开采带来的环境破坏，响应了国家绿色建筑的号召。

(3)本发明使用了高掺量的高炉矿渣代替一部分水泥的火山灰反应，能够减少因生产水泥带来的碳排放，进一步提高工程水泥基复合材料的绿色环保的优势。

(4)本发明提供的橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料。自重可低至1800kg/m

更具体的，为得到上述橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料，其制备方法包括以下步骤：

(1)为保证纤维在浆体中分散均匀需对纤维预分散处理：将集聚的 PE纤维置于布袋中然后使用空气压缩机对布袋中的PE纤维吹气处理，更具体操作步骤为：

1)空气压缩机开机充气，直到气压值达到并保证持续1.2Mpa以上时开始操作。

2)使用出气口直径为2-3mm的气枪链接空气压缩机并保证中间气管不漏气。

3)将不超过25克的PE纤维置于可闭口的布袋中，然后对布袋中集聚的PE纤维喷出强有力而短促的气束，气束将PE纤维打散。

4)多次重复步骤3，得到比较分散的PE纤维，然后持续吹气并多次吹气改变方向30秒-60秒，使PE充分分散至蓬松状(类似棉花糖蓬松状)。

5)若还观察到还有未充分分散的PE纤维可先将已充分分散的纤维先行取出，然后对剩下纤维重复步骤3-4直到所有纤维都成棉花糖似蓬松状时停止吹气。

(2)称取普通硅酸盐水泥、高炉矿渣、硅灰、石英砂、橡胶粉、塑料粉、水、减水剂、PE纤维。

(3)用湿布将搅拌机的搅拌扇叶以及模具充分湿润。

(4)取普通硅酸盐水泥、高炉矿渣、硅灰、石英砂、橡胶粉、塑料粉，利用充分湿润的行星式搅拌机将干料低速(70转/min)下搅拌2-4 分钟混合均匀，得到均匀混合干料。

(5)将一半聚羧酸减水剂与一半水混合，用玻璃棒搅拌均匀后缓慢加入上述混合干料中，低速(70转/min)下搅拌2-3分钟。再假如另一半聚羧酸减水剂与水均匀混合物缓慢加入其中后继续低速(70转/min) 搅拌8-12分钟，之后高速(135转/min)下搅拌2-4分钟便得到新鲜均匀混合浆体。

(6)得到新鲜均匀混合浆体后，在低速下(70转/min)继续搅拌2- 3分钟并在第一1分钟内缓慢均匀加入一半PE纤维，然后重复上述操作加入另一半PE纤维，加入所有纤维之后高速下(135转/min)搅拌2-3 分钟。

(7)将混凝土浆料入模成形、养护，得到橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料

在本发明中，步骤(7)中成型优选为本领域技术人员熟知的成型方式即可，没有特殊限制。

在本发明中，步骤(7)中养护优选为在混凝土养护室中室温养护28 天。

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

原料：以重量kg/m

制备：先用湿布将搅拌机的搅拌扇叶以及模具充分湿润，分散纤维。称取普通硅酸盐水泥、高炉矿渣、硅灰、石英砂、水、减水剂、PE纤维。取普通硅酸盐水泥、高炉矿渣、硅灰、石英砂、橡胶粉、塑料粉，利用充分湿润的行星式搅拌机将干料低速下搅拌混合均匀，得到均匀混合干料。将一半聚羧酸减水剂与一半水混合，用玻璃棒搅拌均匀后缓慢加入上述混合干料中，低速下搅拌2分钟。后再将另一半聚羧酸减水剂与水均匀混合物缓慢加入其中后继续低速搅拌6分钟，之后高速下搅拌2分钟便得到新鲜均匀混合浆体。得到新鲜均匀混合浆体后，在低速下继续搅拌2分钟并缓慢均匀加入一半PE纤维，然后重复上述操作加入另一半PE纤维，加入所有纤维之后高速下搅拌2分钟。测量扩展度，便得到上述所说的橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料。将新搅拌橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料装入上述模具(50mm×50mm×50mm立方体试件3个、330mm×60mm×13mm狗骨头试件 6个、100mm×100mm×100mm立方体试件3个)浇筑成型，并在振捣台上振捣3分钟，随后连同模具一起放入室内常温覆膜养护24小时后拆模，随后置于常温水中养护28天。

按照美国ASTM C109测试混凝土28d抗压强度；按照JSCE 2008测试混凝土拉伸性能；按照《普通混凝土拌合物性能方法试验标准》 (GBT50080-2016)测试混凝土容重；按照IS：1237-1980测试混凝土耐磨性。

性能测试：

按照实施例1的测试方法对所得混凝土进行物理力学性能测试，结果显示，28d平均抗压强度为109MPa；平均极限抗拉强度14Mpa，相应抗拉应变7.5％，平均自重为2350Kg/m

实施例2

原料：以重量kg/m

制备：先用湿布将搅拌机的搅拌扇叶以及模具充分湿润，分散纤维。称取普通硅酸盐水泥、高炉矿渣、硅灰、石英砂、橡胶粉、水、减水剂、 PE纤维。取普通硅酸盐水泥、高炉矿渣、硅灰、石英砂、橡胶粉、塑料粉，利用充分湿润的行星式搅拌机将干料低速下搅拌混合均匀，得到均匀混合干料。将一半聚羧酸减水剂与一半水混合，用玻璃棒搅拌均匀后缓慢加入上述混合干料中，低速下搅拌2分钟。后再将另一半聚羧酸减水剂与水均匀混合物缓慢加入其中后继续低速搅拌6分钟，之后高速下搅拌2分钟便得到新鲜均匀混合浆体。得到新鲜均匀混合浆体后，在低速下继续搅拌2分钟并缓慢均匀加入一半PE纤维，然后重复上述操作加入另一半PE 纤维，加入所有纤维之后高速下搅拌2分钟。测量扩展度，便得到上述所说的橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料。将新搅拌橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料装入上述模具(50mm×50mm×50mm立方体试件、3个330mm×60mm×13mm狗骨头试件6个、100mm×100mm×100mm立方体试件3个))浇筑成型，并在振捣台上振捣3分钟，随后连同模具一起放入室内常温覆膜养护24小时后拆模，随后置于常温水中养护28天。

性能测试：

按照实施例1的测试方法对所得混凝土进行物理力学性能测试，结果显示，28d平均抗压强度为70MPa；平均极限抗拉强度7.1Mpa，相应抗拉应变12％，平均自重为2220Kg/m

实施例3

原料：以重量kg/m3计称取水泥760kg/m3、高炉矿渣760kg/m3，硅灰161kg/m3、石英砂250kg/m3、橡胶粉80.4kg/m3、塑料粉13.4kg/m3、水280、减水剂30kg/m3、PE纤维20kg/m3。

制备：先用湿布将搅拌机的搅拌扇叶以及模具充分湿润，分散纤维。称取普通硅酸盐水泥、高炉矿渣、硅灰、石英砂、橡胶粉、塑料粉、水、减水剂、PE纤维。取普通硅酸盐水泥、高炉矿渣、硅灰、石英砂、橡胶粉、塑料粉，利用充分湿润的行星式搅拌机将干料低速下搅拌混合均匀，得到均匀混合干料。将一半聚羧酸减水剂与一半水混合，用玻璃棒搅拌均匀后缓慢加入上述混合干料中，低速下搅拌2分钟。后再将另一半聚羧酸减水剂与水均匀混合物缓慢加入其中后继续低速搅拌6分钟，之后高速下搅拌2分钟便得到新鲜均匀混合浆体。得到新鲜均匀混合浆体后，在低速下继续搅拌2分钟并缓慢均匀加入一半PE纤维，然后重复上述操作加入另一半PE纤维，加入所有纤维之后高速下搅拌2分钟。测量扩展度，便得到上述所说的橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料。将新搅拌橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料装入上述模具(50mm×50mm×50mm立方体试件3个、330mm×60mm ×13mm狗骨头试件6个、100mm×100mm×100mm立方体试件3个))浇筑成型，并在振捣台上振捣3分钟，随后连同模具一起放入室内常温覆膜养护24小时后拆模，随后置于常温水中养护28天。

性能测试：

按照实施例1的测试方法对所得混凝土进行物理力学性能测试，结果显示，28d平均抗压强度为55MPa；平均极限抗拉强度6.2Mpa，相应抗拉应变14％，平均自重为2173Kg/m

由以上测试结果可知，本发明提供橡胶粉、塑料粉、耐磨超大应变新型绿色工程水泥基复合材料在减轻自重的基础上，还能充分利用废旧橡胶粉、塑料粉减轻日益加重的固体废料对环境的破坏并且保持了良好的抗压强度、抗拉强度更难得的是产生了更大的极限应变，此外还将混凝土的磨损深度从1.2mm降低到0.7mm，表现出更强的耐磨性为复杂工程提供新材料。