一种高性能NCF纤维水泥基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及水泥复合材料技术领域，具体为一种高性能NCF纤维水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术

水泥是当前土木工程中应用最广泛的建筑材料之一，普通水泥基材料具有抗压强度较高、成本低廉等优点，但作为一种脆性材料，其抗折和抗拉强度低、易开裂，常导致结构承载力和耐久性降低。随着纳米科技的发展，越来越多的纳米材料被应用于水泥基材料。其中纳米纤维素因此环境友好特性和优良物理性能受到了广泛关注。

虽然在水泥基材料中掺入纳米纤维素，可以促进水泥水化，起到桥接作用，改善水泥基体微观结构，起到阻裂、改善物理性能的作用。但是纳米纤维素在碱性水泥基体中存在性能退化的缺点，且掺入植物纳米纤维的混凝土试块抗压强度、劈裂抗拉强度提升明显，抗折强度提升不大；而矿物掺和料(如硅灰、偏高岭土)可以有效改善水泥基材料抗折性能，能通过与水泥水化产物氢氧化钙发生火山灰反应起到降低水泥基体碱性的作用，可以有效的补足单掺纳米纤维素的不足之处。因此，综合考虑矿物掺和料、纳米纤维素二者对水泥基材料的影响，探索合适的配合比，研究二者协同作用机理，得到综合二者优点的水泥基材料，使其能够更广泛的应用于工程建筑领域，表现出更加优秀的物理性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能NCF纤维水泥基复合材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高性能NCF纤维水泥基复合材料，包括以下组成成分，硅酸盐水泥，标准砂，硅灰，碎石，聚羧酸型减水剂，水，纳米纤维素，所述硅酸盐水泥和硅灰构成胶凝材料，各组分的配合比设计为：按质量份数：水泥：315份，标准砂：1350份，硅灰：135份，减水剂：1.5份，水：225份，纳米纤维素：1.35份。

优选的，所述水泥为普通硅酸盐水泥。

优选的，所述标准砂为中国ISO标准石英砂执行标准为(GSB08-1337-2001)。

优选的，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率大于25％。

优选的，所述纳米纤维为NC阴离子型改性纳米纤维素，外观呈透明水凝胶状，纤维长度≤50nm，长径比≥300，Zeta电位为-63mV，固含量≥2％。

优选的，所述纳米纤维为NC阴离子型改性纳米纤维素，外观呈透明水凝胶状，纤维长度≤50nm，长径比≥300，Zeta电位为-63mV，固含量≥2％。

一种高性能NCF纤维水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：先使用高速均质搅拌机(型号为FJ200-S)高速搅拌30min将纳米纤维素溶于水中制备成纳米纤维素纤维水溶液；

步骤二：首先按比例加入水、纳米纤维素溶液、矿物掺合料低速搅拌30s；

步骤三：在第2个30s开始的同时均匀地将标准砂加入，再加入减水剂高速搅拌30s，；

步骤四：停拌90s，在停拌过程中将搅拌锅内壁和叶片上的浆体刮入锅内，再高速搅拌60s，从而获得高性能NCF纤维水泥基复合材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明制备的高性能NCF纤维水泥基复合材料具有密实度较高、微观结构桥接紧密、物理性能良好的优点。

2、本发明利用其密实度较高、微观结构桥接紧密、物理性能良好的优点可以用于机场道面、建筑等结构的建设与维修，延长工程结构的使用寿命。

3、本发明在制备方法上，采用机械分散方法，及先使用高速均匀搅拌机(型号为FJ200-S)高速搅拌30min将纳米纤维素溶于水中制备成纳米纤维素纤维水溶液，搅拌均匀，使其具有较好的流动性，随后再将纳米纤维素溶液加入到混凝土的制备过程中，使得纳米纤维素分散的更加均匀。

附图说明

图1为本发明一种高性能NCF纤维水泥基复合材料的多种材料抗压强度性能对比图；

图2为本发明一种高性能NCF纤维水泥基复合材料的多种材料断裂模数性能对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。

请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种高性能NCF纤维水泥基复合材料，包括以下组成成分，硅酸盐水泥，标准砂，硅灰，碎石，聚羧酸型减水剂，水，纳米纤维素，所述硅酸盐水泥和硅灰构成胶凝材料，各组分的配合比设计为：按质量份数：水泥：315份，标准砂：1350份，硅灰：135份，减水剂：1.5份，水：225份，纳米纤维素：1.35份。

实施例1

普通水泥胶砂配比如下表1：

表1

配制方法

步骤二：首先按比例加入水、矿物掺合料低速搅拌30s；

步骤三：在第2个30s开始的同时均匀地将标准砂加入，再加入减水剂高速搅拌30s，；

步骤四：停拌90s，在停拌过程中将搅拌锅内壁和叶片上的浆体刮入锅内，再高速搅拌60s。

按上述步骤可得到普通水泥胶砂。

实施例2

NCF纤维的水泥基复合材料配比如下表2(NCF掺量：0.3％胶凝材料质量)：

表2

配制方法

步骤一：先使用高速均质搅拌机(型号为FJ200-S)高速搅拌30min将纳米纤维素溶于水中制备成纳米纤维素纤维水溶液；

步骤二：首先按比例加入水、纳米纤维素溶液，低速搅拌30s；

步骤三：在第2个30s开始的同时均匀地将标准砂加入，再加入减水剂高速搅拌30s，；

步骤四：停拌90s，在停拌过程中将搅拌锅内壁和叶片上的浆体刮入锅内，再高速搅拌60s。

按上述步骤可得到NCF纤维水泥基复合材料。

实施例3

高性能NCF纤维水泥基复合材料配比如下表3(硅灰掺量：10％胶凝材料质量，NCF掺量：0.3％胶凝材料质量)：

表3

配制方法

步骤一：先使用高速均质搅拌机(型号为FJ200-S)高速搅拌30min将纳米纤维素溶于水中制备成纳米纤维素纤维水溶液；

步骤二：首先按比例加入水、纳米纤维素溶液、矿物掺合料低速搅拌30s；

步骤三：在第2个30s开始的同时均匀地将标准砂加入，再加入减水剂高速搅拌30s，；

步骤四：停拌90s，在停拌过程中将搅拌锅内壁和叶片上的浆体刮入锅内，再高速搅拌60s，从而获得高性能NCF纤维水泥基复合材料。

按上述步骤可得到高性能NCF纤维水泥基复合材料。

实施例4

高性能NCF纤维水泥基复合材料配比如下表4(硅灰掺量：20％胶凝材料质量，NCF掺量：0.3％胶凝材料质量)：

表4

制备方法同上述实施例3。

实施例5

高性能NCF纤维水泥基复合材料配比如下表5(硅灰掺量：30％胶凝材料质量，NCF掺量：0.3％胶凝材料质量)：

表5

制备方法同上述实施例3。

对按上述配比、制备方法和养护制度而成型的试件，参考GB177-1985《水泥胶砂强度检验方法》，测3d、7d、28d龄期的抗压强度、抗折强度，试验结果如表6、7、8所示。

表7：不同配比3d、7d、28d抗折试验测定结果

表8：不同配比3d、7d、28d抗压试验测定结果

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如上表7-8所示，实施例5的本发明制备的纳米混杂合成聚丙烯纤维混凝土的28d抗压强度为62.67MPa，抗折强度为11.97MPa；通过对比可知本发明(实施例五)制备的高性能NCF纤维水泥基复合材料，抗压强度与抗折强度较普通水泥胶砂、NCF纤维水泥胶砂有明显提升。因此，本发明制备的高性能NCF纤维水泥基复合材料具有良好的物理性能。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。