一种抗冲击螺旋结构水泥基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于水泥基复合材料技术领域，具体涉及一种抗冲击螺旋结构水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术

水泥基材料是现代工程应用中最为广泛的建筑材料，提高水泥基材料抗冲击能力和研究其抗冲击性能是当前研究重点关注的问题。目前，单一材料的性能往往比不上复合材料，复合材料能够实现1+1＞2的效果，尤其是添加聚氨酯这种高抗冲击的材料，同时制备这种多孔螺旋结构的水泥基，为添加软填料提供了空间，同时不仅注重“层”的力学性能，还关注到“层”与“层”整体的力学性能。传统水泥基材料存在脆性大，耐久性能差，而超高性能复合螺旋梯度复合材料功能性更强，具有高强度、耐冲击性和结构可靠性，达到了提高水泥基材料抗侵彻抗爆炸防护作用效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗冲击螺旋结构水泥基复合材料及其制备方法，用冰模板法将螺旋结构引入水泥基复合材料的多层有序结构中，大大提高采用定向冰模板法构建超高性能螺旋结构水泥基骨架水泥基复合材料整体力学性能，引入聚氨酯材料，在基于功能梯度材料的基础上，充分利用聚氨酯材料的强抗冲击性能，来达到提高水泥基材料防护性能的目的，且基于水化反应的裂缝自主修复技术，提高材料的耐久性能。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种抗冲击螺旋结构水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤(1)：采用定向冰模板法构建具有多孔螺旋结构的超高性能水泥基骨架：制备四氟乙烯圆柱形模具，模具外壁设有呈螺旋形的滑槽，滑槽用于线性冷源的滑动，滑槽底部与待冷却的水泥相接触的面由铜板制备而成，通过在滑槽内由下到上依次移动线性冷源得到具有多孔螺旋结构的超高性能水泥基骨架；

步骤(2)：配置固含量20％的水性PUD乳液；

步骤(3)：采用真空负压浸渍的方式将固含量20％的水性PUD乳液填充到螺旋结构水泥基骨架的孔隙中；

步骤(4)：采用“冷冻-解冻”多次循环的方式得到抗冲击螺旋结构水泥基复合材料。

进一步的，步骤(1)的具体步骤如下：

步骤(11)：制备水泥砂浆：将水泥、粉煤灰、石英砂和去离子水按照1：0.15：0.29：0.6的比例混合放入搅拌机中，在高温下搅拌均匀，并放在振荡台上进行振荡，排空气泡；

步骤(12)：准备好冰模板法制备所需模具，将步骤(11)制备好的水泥砂浆倒入模具中，从下到上滑动冷源，多次循环滑动后，直至水泥砂浆中的水完全结晶，形成螺旋结构的冷冻态水泥砂浆；

步骤(13)：将冷冻态水泥砂浆在2-6℃下冷藏48-54h，使其缓慢解冻后，将其放入水中固化5-7d，得到水泥基体；

步骤(14)：将养护后的水泥基体放入真空烘箱中，在65-70℃下烘干2-3d，得到具有多孔螺旋结构的超高性能水泥基骨架。

进一步的，滑槽的升角为

进一步的，步骤(11)水泥为普通硅酸盐水泥P.Ⅰ52.5，石英砂为1mm细骨料。

进一步的，步骤(12)中从下到上冷源滑动所需时间为

进一步的，步骤(13)固化环境为18-22℃，相对湿度在95％ RH及以上。

进一步的，步骤(2)具体包括如下步骤：

步骤(21)：在装有电动搅拌器、回流冷凝管、温度计、氮气装置的四口烧瓶中，加入100g聚醚二元醇和40g异佛尔酮二异氰酸酯IPDI，加催化剂在80℃下反应2-3h；

步骤(22)：降温至60℃后，加入10g二羟甲基丙酸DMPA反应30min，再加入10g三乙胺TEA中和，充分搅拌后，倒出预聚体；

步骤(23)：在剪切下，加入800ml去离子水进行分散，得到固含量为15％的水性聚氨酯分散液；

步骤(24)：将15％的水性聚氨酯分散液加入另一个装有电动搅拌器、回流冷凝管、温度计、氮气装置的1000ml四口烧瓶中，加入5g乙二胺EDA扩链，反应30min，得到固含量为20％的水性聚氨酯乳液。

进一步的，所述步骤(21)中用二正丁胺滴定法测定预聚体中异氰酸基基团NCO含量值是否达到理论值，若未达到则继续反应，若超过则继续加入聚醚二元醇调整；

步骤(21)中催化剂采用二月桂酸二丁基锡。

进一步的，步骤(4)具体为：当PUD溶液稳定存在后，将填充的水泥试件置于-30±2℃的环境中8-12h，再在室温下解冻2-4h，完成第一次冻融循环；重复上述操作，经过多次冻融循环后，得到内孔填充PUD的抗冲击螺旋结构水泥基复合材料。

一种抗冲击螺旋结构水泥基复合材料，采用上述的方法制备。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明通过控制温度梯度，引入冰模板法，采用特殊模具浇筑，通过控制从下到上的滑动所需时间为

(2)引入PUD材料，PUD材料对于混凝土基材的附着力较好，当水分挥发之后形成弹性膜，大大提高材料抗冲击性能。

(3)采用循环冻融的方式，填补螺旋结构水泥基材料的剩余孔隙，同时起到帮助水化，辅助水泥基材料定型的作用。

(4)冷源呈滑动模式，更易通过冰模板法形成螺旋结构水泥基材料，与铺层结构相比性能，螺旋结构对于材料整体性能的提升是显著的。

(5)“水泥-聚氨酯”复合螺旋梯度材料功能性更强，具有高强度、耐冲击性和结构可靠性，提高水泥基材料抗侵彻抗爆炸防护作用效果。

(6)该水泥基复合材料具有合理的经济型和环境友好性。

附图说明

图1为本发明的冰模板法所需圆柱形模具示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

一种抗冲击螺旋结构水泥基复合材料及其制备方法，

一种抗冲击螺旋结构水泥基复合材料及其制备方法，包括以下步骤：

步骤一：采用定向冰模板法构建超高性能螺旋结构水泥基骨架；

步骤二：采用聚氨酯材料(PUD)作为添加剂，并配置固含量20％水性PUD乳液；

步骤三：采用真空负压浸渍的方式将固含量20％水性PUD乳液填充到孔隙中；

步骤四：采用“冷冻-解冻”多次循环的方式得到所述抗冲击螺旋结构水泥基复合材料。

所述步骤一具体包括：

(1.1)水泥基砂浆的制备：将水泥、粉煤灰、石英砂和去离子水按照1：0.15：0.29：0.6的比例混合放入搅拌机中，并在高温条件下搅拌均匀，并放在振荡台上进行振荡，排空气泡；

(1.2)冰模板法制备超高性能螺旋水泥基骨架：准备好冰模板法制备所需模具，将步骤(1.1)制备好的水泥砂浆倒入模具中，按照一定的速度从下到上滑动冷源，多次循环滑动后，等待水泥砂浆中的水完全结晶，形成螺旋结构的冷冻态水泥砂浆；

(1.3)将冷冻后的水泥砂浆在2-6℃下冷藏48-54h，使其缓慢解冻后，将其放入水中固化5-7d；

(1.4)在固化完成后，将水泥基基体放入真空烘箱中，在65-70℃下烘干2-3d，得到具有多孔螺旋结构的超高性能水泥基骨架。

所述步骤(1.1)中的水泥为普通硅酸盐水泥P.Ⅰ52.5，石英砂为1mm细骨料。

所述步骤(1.1)高温条件搅拌主要是为了达成形成超高性能混凝土的条件。

所述步骤(1.2)中的冰模板法模具的示意图如图1所示，模具是由四氟乙烯制备而成的圆柱体，外表面带有宽度为L

所述步骤(1.2)中的一次从下到上的滑动所需时间为

所述步骤(1.2)中的冷源温度为恒-80℃。

所述步骤(1.3)中的固化环境为18-22℃，相对湿度在95％ RH及以上。

所述步骤(1.4)中的具有螺旋结构的水泥骨架需要完全干燥，以便后续操作步骤的实现。

所述步骤二具体包括：

(2.1)在装有电动搅拌器、回流冷凝管、温度计、氮气装置的四口烧瓶中，加入100g聚醚二元醇和40g异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)，加适量催化剂在80℃下反应2-3h；

(2.2)降温至60℃之后，加入10g二羟甲基丙酸(DMPA)反应30min，再加入10g三乙胺(TEA)中和，充分搅拌后，倒出预聚体；

(2.3)在高速剪切下，加入800ml去离子水进行分散，得到固含量为15％的水性聚氨酯分散液；

(2.4)将15％的水性聚氨酯分散液加入另一个装有电动搅拌器、回流冷凝管、温度计、氮气装置的1000ml四口烧瓶中，加入5g乙二胺(EDA)扩链，反应30min，得到固含量为20％的水性聚氨酯乳液。

所述步骤(2.1)中需要检测异氰酸基基团(NCO)含量是否达到理论值(约为2.5％)，用二正丁胺滴定法测定预聚体中异氰酸基基团(NCO)含量值，若未达到则继续反应，若超过则继续加入少量聚醚二元醇调整，反应过程中视体系粘度大小加入丙酮。

所述步骤(2.1)中催化剂采用二月桂酸二丁基锡。

所述步骤三具体包括：

采用真空负压将固含量20％水性PUD乳液持续压入螺旋结构水泥基骨架中，直到水泥基骨架中未出现明显的气泡。

为了便于将聚氨酯材料(PUD)填充到水泥间隙中，我们首先选择了水性填充溶液，其次选择了固含量较低的PUD以及更长的真空负压浸渍时间。

所述步骤四具体包括：

当PUD溶液稳定存在后，将填充的水泥试件置于-30±2℃的环境中8-12h，再在室温下解冻2-4h，完成第一次冻融循环。重复上述操作，经过多次冻融循环后，得到内孔填充PUD的抗冲击螺旋结构水泥基复合材料。