一种共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术

超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete，简称UHPC)是一种新型的水泥基复合材料，有着超高的抗压强度(≥120MPa)和抗拉强度(≥5MPa)、良好的韧性和优异耐久性，将其应用于土木建筑领域，可减小构件截面尺寸、减轻结构自重，满足现代工程结构向着高耸、大跨、重载方向发展。

虽然超高性能混凝土有着超高强度，但存在脆性较大、自收缩严重、造价高等不足，而纤维用于混凝土中可起到增强、增韧的效果，通常将钢纤维掺入超高性能混凝土中，提升UHPC的延性和韧性。然而，钢纤维的掺入导致UHPC的生产成本大幅度增加，UHPC的生产成本约为普通混凝土的10～20倍；UHPC的密度也因钢纤维的掺入明显增加，传统UHPC的密度为2500～2600kg/m

因此，有必要研发一种具有超高强、韧性好的共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料，本发明将共聚甲醛纤维替代钢纤维掺入超高性能水泥基复合材料中，可提高超高性能水泥基复合材料的抗拉和抗折强度，显著改善超高性能水泥基复合材料的延性，增强其抗高温爆裂性能；共聚甲醛纤维有着耐强碱腐蚀性和耐候性，不会存在锈蚀风险，提高超高性能水泥基复合材料的长期稳定性；在超高性能水泥基复合材料中掺入粗骨料，可减少胶凝材料的用量，增强其抗自收缩的能力，降低生产成本。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料，包括以下重量份数的原料：水泥600～800份，矿物掺合料160～440份，超细石粉180～300份，细骨料500～750份，粗骨料600～900份，高效减水剂11～22份，水120～198份，共聚甲醛纤维7～28份。

优选的，所述共聚甲醛纤维长度为6～16mm，共聚甲醛纤维的体积掺量为0.5～2％，直径0.2mm，抗拉强度≥500MPa，断裂强度≥900MPa，弹性模量≥5GPa，断裂伸长率≥13％。

优选的，所述共聚甲醛纤维长度为6～12mm。

优选的，所述水泥为PO.52.5的普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥，所述矿物掺合料为硅灰、粉煤灰、矿渣粉中的一种或几种。

优选的，所述超细石粉为石英石粉，二氧化硅含量≥95％，规格为40～70目或80～120目。

优选的，所述细骨料为石英砂、河砂、海砂、机制砂的一种或几种，粒径为0.5～1mm，所述粗骨料为石英石、玄武岩、花岗岩，粒径为5～12mm。

优选的，所述高效减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率不低于30％，固含量为40％。

本发明的另一个目的是提供一种上述任一所述共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取以下重量份数的原料：水泥600～800份，矿物掺合料160～440份，超细石英粉180～300份，细骨料500～750份，粗骨料600～900份，高效减水剂11～22份，水120～198份，共聚甲醛纤维7～28份；

(2)将粗骨料、细骨料、超细石英粉、水泥和矿物掺合料混合干拌，搅拌均匀，得到混合干料；

(3)将高效减水剂溶入水中形成混合溶液，加入步骤(2)的混合干料中湿拌得到浆体；

(4)将共聚甲醛纤维均匀撒入浆体中，搅拌至纤维均匀分散在浆体中，得到新拌混凝土；

(5)将新拌混凝土装入模具中固化，养护1天后脱模，将固化后的混凝土放入水中养护28天，即得到共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料。

优选的，步骤(2)中混合干拌时间为3～4min，步骤(3)中湿拌时间为4～6min，步骤(4)中搅拌时间为3～5min。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、本发明采用共聚甲醛纤维取代传统超高性能水泥基复合材料中的钢纤维，可降低超高性能水泥基复合材料的密度，提升超高性能水泥基复合材料抗高温爆裂性能，共聚甲醛纤维对超高性能水泥基复合材料的劈裂抗拉、抗折强度、延性和韧性提升效果明显，其优异的耐碱性使得共聚甲醛纤维中长期强度保持超过99％，共聚甲醛纤维不存在锈蚀风险，耐有机溶液和盐溶液，耐候性和耐磨性优异，显著提升超高性能水泥基复合材料的长期稳定性。

2、本发明将共聚甲醛纤维替代钢纤维掺入超高性能水泥基复合材料中，可提高超高性能水泥基复合材料的抗拉和抗折强度，显著改善超高性能水泥基复合材料的延性，增强其抗高温爆裂性能；共聚甲醛纤维有着耐强碱腐蚀性和耐候性，不会存在锈蚀风险，提高超高性能水泥基复合材料的长期稳定性；共聚甲醛纤维水分散性好，在超高性能水泥基复合材料制备过程中不易发生团聚，缩短搅拌时间，减少超高性能水泥基复合材料成型过程中产生的孔隙，在高性能混凝土技术领域具有很高的实用价值和推广价值。

3、本发明采用的共聚甲醛纤维具有较高的抗拉强度和弹性模量，以及很高的硬度和刚度，其比强度和比刚度接近于金属；抗疲劳强度高，抗重复冲击性能优异，几何稳定性和抗蠕变性能好；有着良好的耐有机溶液和耐化学腐蚀性能，耐强碱腐蚀，耐候性好，与金属纤维相比，不存在腐蚀的风险；热稳定性和耐磨性好，是一种综合性能优异的合成纤维。与无机材料有着很好的相容性，用于增强水泥基复合材料，可显著改善混凝土的性能，达到阻裂和增韧的效果。与工程常用合成纤维(聚丙烯、聚乙烯醇、聚乙烯)相比，共聚甲醛纤维有着更高的抗拉强度和弹性模量，抗拉强度为常见合成纤维的2～3倍，共聚甲醛纤维在新拌混凝土中有着很好的分散性和更低的引气性，不易卷曲结团，缩短搅拌时间，改善混凝土搅拌效果。

4、本发明在超高性能水泥基复合材料中掺入了粗骨料，粒径为5～12mm，用量为600～900份，可减少胶凝材料的用量，降低超高性能水泥基复合材料的生产成本，提升其抗自收缩能力，增强其体积稳定性，提高弹性模量；粗骨料和纤维对超高性能水泥基复合材料的力学性能存在协同作用，掺入适量粗骨料使得纤维的分布变得密集，进而增强纤维的增韧阻裂效果。

附图说明

图1为本发明新拌共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料；

图2为本发明共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料不同纤维体积掺量下立方体试块受压破坏图，(a)0.1％，(b)0.5％，(c)1％，(d)2％；

图3为本发明共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料不同纤维体积掺量下在弯曲载荷下破坏图，(a)0.1％，(b)0.5％，(c)1％，(d)2％；

图4为本发明共聚甲醛纤维桥接示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明。

实施例1

一种共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取以下重量份数的原料：水泥：616kg·m

(2)将粗骨料、细骨料、超细石英粉、水泥和矿物掺合料干拌3min，搅拌均匀，得到混合干料；

(3)将75％的高效减水剂溶入水中形成溶液，加入步骤(2)的混合干料中湿拌5min，得到浆体；

(4)待浆体呈现出较好的流动性，将长度为12mm的共聚甲醛纤维均匀撒入浆体中，加入余下的高效减水剂，搅拌4min，至纤维均匀分散在浆体中，得到新拌混凝土；

(5)将新拌混凝土装入模具中固化，养护1天后脱模，将固化后的混凝土放入水中养护28天，即得到共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料。

实施例2

(1)称取以下重量份数的原料：水泥：616kg·m

(2)将粗骨料、细骨料、超细石英粉、水泥和矿物掺合料干拌3min，搅拌均匀，得到混合干料；

(3)将75％的高效减水剂溶入水中形成溶液，加入步骤(2)的混合干料中湿拌5min，得到浆体；

(4)待浆体呈现出较好的流动性，将长度为12mm的共聚甲醛纤维均匀撒入浆体中，加入余下的高效减水剂，搅拌4min，至纤维均匀分散在浆体中，得到新拌混凝土；

(5)将新拌混凝土装入模具中固化，养护1天后脱模，将固化后的混凝土放入水中养护28天，即得到共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料。

实施例3

(1)称取以下重量份数的原料：水泥616kg·m

(2)将粗骨料、细骨料、超细石英粉、水泥和矿物掺合料干拌3min，搅拌均匀，得到混合干料；

(3)将75％的高效减水剂溶入水中形成溶液，加入步骤(2)的混合干料中湿拌5min，得到浆体；

(4)待浆体呈现出较好的流动性，将长度为12mm的共聚甲醛纤维均匀撒入浆体中，加入余下的高效减水剂，搅拌4min，至纤维均匀分散在浆体中，得到新拌混凝土；

(5)将新拌混凝土装入模具中固化，养护1天后脱模，将固化后的混凝土放入水中养护28天，即得到共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料。

实施例4

(1)称取以下重量份数的原料：水泥600kg·m

(2)将粗骨料、细骨料、超细石英粉、水泥和矿物掺合料干拌3min，搅拌均匀，得到混合干料；

(3)将75％的高效减水剂溶入水中形成溶液，加入步骤(2)的混合干料中湿拌5min，得到浆体；

(4)待浆体呈现出较好的流动性，将长度为6mm的共聚甲醛纤维均匀撒入浆体中，加入余下的高效减水剂，搅拌4min，至纤维均匀分散在浆体中，得到新拌混凝土；

(5)将新拌混凝土装入模具中固化，养护1天后脱模，将固化后的混凝土放入水中养护28天，即得到共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料。

实施例5

(1)称取以下重量份数的原料：水泥700kg·m

(2)将粗骨料、细骨料、超细石英粉、水泥和矿物掺合料干拌3min，搅拌均匀，得到混合干料；

(3)将75％的高效减水剂溶入水中形成溶液，加入步骤(2)的混合干料中湿拌5min，得到浆体；

(4)待浆体呈现出较好的流动性，将长度为10mm的共聚甲醛纤维均匀撒入浆体中，加入余下的高效减水剂，搅拌4min，至纤维均匀分散在浆体中，得到新拌混凝土；

(5)将新拌混凝土装入模具中固化，养护1天后脱模，将固化后的混凝土放入水中养护28天，即得到共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料。

实施例6

(1)称取以下重量份数的原料：水泥800kg·m

(2)将粗骨料、细骨料、超细石英粉、水泥和矿物掺合料干拌3min，搅拌均匀，得到混合干料；

(3)将75％的高效减水剂溶入水中形成溶液，加入步骤(2)的混合干料中湿拌5min，得到浆体；

(4)待浆体呈现出较好的流动性，将长度为16mm的共聚甲醛纤维均匀撒入浆体中，加入余下的高效减水剂，搅拌4min，至纤维均匀分散在浆体中，得到新拌混凝土；

(5)将新拌混凝土装入模具中固化，养护1天后脱模，将固化后的混凝土放入水中养护28天，即得到共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料。

对比例1

(1)称取以下重量份数的原料：水泥616kg·m

(2)将粗骨料、细骨料、超细石英粉、水泥和矿物掺合料干拌3min，搅拌均匀，得到混合干料；

(3)将75％的高效减水剂溶入水中形成溶液，加入步骤(2)的混合干料中湿拌5min，得到浆体；

(4)待浆体呈现出较好的流动性，将长度为12mm的共聚甲醛纤维均匀撒入浆体中，加入余下的高效减水剂，搅拌4min，至纤维均匀分散在浆体中，得到新拌混凝土；

(5)将新拌混凝土装入模具中固化，养护1天后脱模，将固化后的混凝土放入水中养护28天，即得到共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料。

对比例2

(1)称取以下重量份数的原料：水泥616kg·m

(2)将粗骨料、细骨料、超细石英粉、水泥和矿物掺合料干拌3min，搅拌均匀，得到混合干料；

(3)将75％的高效减水剂溶入水中形成溶液，加入步骤(2)的混合干料中湿拌5min，得到浆体；

(4)待浆体呈现出较好的流动性，将长度为12mm的共聚甲醛纤维均匀撒入浆体中，加入余下的高效减水剂，搅拌4min，至纤维均匀分散在浆体中，得到新拌混凝土；

(5)将新拌混凝土装入模具中固化，养护1天后脱模，将固化后的混凝土放入水中养护28天，即得到共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料。

对比例3

(1)称取以下重量份数的原料：水泥616kg·m

(2)将粗骨料、细骨料、超细石英粉、水泥和矿物掺合料干拌3min，搅拌均匀，得到混合干料；

(3)将75％的高效减水剂溶入水中形成溶液，加入步骤(2)的混合干料中湿拌5min，得到浆体；

(4)待浆体呈现出较好的流动性，将长度为12mm的共聚甲醛纤维均匀撒入浆体中，加入余下的高效减水剂，搅拌4min，至纤维均匀分散在浆体中，得到新拌混凝土；

(5)将新拌混凝土装入模具中固化，养护1天后脱模，将固化后的混凝土放入水中养护28天，即得到共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料。

对比例4

(1)称取以下重量份数的原料：水泥616kg·m

(2)将粗骨料、细骨料、超细石英粉、水泥和矿物掺合料干拌3min，搅拌均匀，得到混合干料；

(3)将75％的高效减水剂溶入水中形成溶液，加入步骤(2)的混合干料中湿拌5min，得到浆体；

(4)待浆体呈现出较好的流动性，将长度为12mm，体积掺量为1％共聚甲醛纤维均匀撒入浆体中，加入余下的高效减水剂，搅拌4min，至纤维均匀分散在浆体中，得到新拌混凝土；

(5)将新拌混凝土装入模具中固化，养护1天后脱模，将固化后的混凝土放入水中养护28天，即得到共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料。

对比例5

(1)称取以下重量份数的原料：水泥616kg·m

(2)将粗骨料、细骨料、超细石英粉、水泥和矿物掺合料干拌3min，搅拌均匀，得到混合干料；

(3)将75％的高效减水剂溶入水中形成溶液，加入步骤(2)的混合干料中湿拌5min，得到浆体；

(4)待浆体呈现出较好的流动性，将长度为6mm的共聚甲醛纤维均匀撒入浆体中，加入余下的高效减水剂，搅拌4min，至纤维均匀分散在浆体中，得到新拌混凝土；

(5)将新拌混凝土装入模具中固化，养护1天后脱模，将固化后的混凝土放入水中养护28天，即得到共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料。

对比例6

(1)称取以下重量份数的原料：水泥616kg·m

(2)将粗骨料、细骨料、超细石英粉、水泥和矿物掺合料干拌3min，搅拌均匀，得到混合干料；

(3)将75％的高效减水剂溶入水中形成溶液，加入步骤(2)的混合干料中湿拌5min，得到浆体；

(4)待浆体呈现出较好的流动性，将长度为8mm的共聚甲醛纤维均匀撒入浆体中，加入余下的高效减水剂，搅拌4min，至纤维均匀分散在浆体中，得到新拌混凝土；

(5)将新拌混凝土装入模具中固化，养护1天后脱模，将固化后的混凝土放入水中养护28天，即得到共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料。

对比例7

(1)称取以下重量份数的原料：水泥616kg·m

(2)将粗骨料、细骨料、超细石英粉、水泥和矿物掺合料干拌3min，搅拌均匀，得到混合干料；

(3)将75％的高效减水剂溶入水中形成溶液，加入步骤(2)的混合干料中湿拌5min，得到浆体；

(4)待浆体呈现出较好的流动性，将长度为6mm的共聚甲醛纤维均匀撒入浆体中，加入余下的高效减水剂，搅拌4min，至纤维均匀分散在浆体中，得到新拌混凝土；

(5)将新拌混凝土装入模具中固化，养护1天后脱模，将固化后的混凝土放入水中养护28天，即得到共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料。

对比例8

(1)称取以下重量份数的原料：水泥616kg·m

(2)将粗骨料、细骨料、超细石英粉、水泥和矿物掺合料干拌3min，搅拌均匀，得到混合干料；

(3)将75％的高效减水剂溶入水中形成溶液，加入步骤(2)的混合干料中湿拌5min，得到浆体；

(4)待浆体呈现出较好的流动性，将长度为8mm的共聚甲醛纤维均匀撒入浆体中，加入余下的高效减水剂，搅拌4min，至纤维均匀分散在浆体中，得到新拌混凝土；

(5)将新拌混凝土装入模具中固化，养护1天后脱模，将固化后的混凝土放入水中养护28天，即得到共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料。

对比例9

(1)称取以下重量份数的原料：水泥616kg·m

(2)将粗骨料、细骨料、超细石英粉、水泥和矿物掺合料干拌3min，搅拌均匀，得到混合干料；

(3)将75％的高效减水剂溶入水中形成溶液，加入步骤(2)的混合干料中湿拌5min，得到浆体；

(4)待浆体呈现出较好的流动性，将长度为6mm的共聚甲醛纤维均匀撒入浆体中，加入余下的高效减水剂，搅拌4min，至纤维均匀分散在浆体中，得到新拌混凝土；

(5)将新拌混凝土装入模具中固化，养护1天后脱模，将固化后的混凝土放入水中养护28天，即得到共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料。

对比例10

(1)称取以下重量份数的原料：水泥：616kg·m

(2)将粗骨料、细骨料、超细石英粉、水泥和矿物掺合料干拌3min，搅拌均匀，得到混合干料；

(3)将75％的高效减水剂溶入水中形成溶液，加入步骤(2)的混合干料中湿拌5min，得到浆体；

(4)待浆体呈现出较好的流动性，将长度为8mm的共聚甲醛纤维均匀撒入浆体中，加入余下的高效减水剂，搅拌4min，至纤维均匀分散在浆体中，得到新拌混凝土；

(5)将新拌混凝土装入模具中固化，养护1天后脱模，将固化后的混凝土放入水中养护28天，即得到共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料。

结果分析

本发明提出了一种共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料及其制备方法，掺入混凝土的常见纤维有钢纤维、玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维等。本发明考虑在超高性能水泥基复合材料中掺入共聚甲醛纤维替代传统的钢纤维制备共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料，以改善传统超高性能水泥基复合材料生产成本高、钢纤维易生锈、高温抗裂性较差、流动性差的不足。本发明选择长度为6mm、8mm和12mm的共聚甲醛纤维，考虑共聚甲醛纤维的体积掺量为0.05％、0.1％、0.2％、0.3％、0.5％、1％和2％，研究不同纤维长度和掺量下共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料的工作性能、力学性能和表观密度，其配比如表1所示：

表1共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料不同原料配比

在所有实施例和对比例中，水泥为P.O525水泥；硅灰为灰色粉末，比表面积24m

本发明制备的共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料浇筑完成后装入塑料模具，在室温下养护24h后拆模，然后放入水中养护28天。根据配方比例制备相应试件，实施例的工作性能、力学性能和密度如表2所示。

表2不同原料配比下共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料工作性能、力学性能和密度

从表中可看出，本发明提供的共聚甲醛纤维可大幅度提升超高性能水泥基复合材料的劈裂抗拉强度和抗折强度，满足国内规范对超高性能混凝土最低强度要求(抗压强度≥120MPa，抗拉强度≥5MPa)，共聚甲醛纤维的最佳掺量为0.5％～1％，最佳长度为12mm。

图2为本发明不同体积掺量下共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料立方体抗压破坏形态，从图中可以看出共聚甲醛纤维掺量为0.1％的试块呈中部紧缩的压溃破坏，试块被压碎，大量混凝土块崩落，如图2(a)所示，因纤维的掺量较少，对试件的增韧阻裂效果不明显；随着纤维掺量的增加，混凝土整体压碎现象得以减弱，完整性更好，无明显的混凝土块崩落，如图2(d)所示。由于纤维的桥接作用，共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料的抗压强度随纤维掺量的增加而增加。

图3为本发明不同体积掺量下共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料在弯曲载荷下破坏形态，从图中可以看出共聚甲醛纤维掺量为0.1％的试件呈一裂即断的破坏模式，弯曲韧性较差，如图3(a)所示；纤维掺量低于0.5％时，纤维掺量的增加对弯曲韧性的提升效果不明显，试件仍呈现明显的脆性破坏，如图3(b)所示；纤维掺量为1％和2％时，试件在弯曲荷载下，其跨中裂纹随加载的进行逐渐向上延伸，底部共聚甲醛纤维被拉伸，不断从基体中拔出，拔出纤维端部呈卷曲状，如图3(c)和(d)所示。

图4为共聚甲醛纤维桥接示意图，由图中可以看出共聚甲醛纤维在超高性能水泥基复合材料中起到增韧阻裂作用。在早期，共聚甲醛纤维可以抑制微裂纹的萌生和扩展；混凝土开裂后，共聚甲醛纤维可以桥接裂纹，阻止裂纹扩展，促使混凝土产生多裂纹开裂和应变硬化行为，进而提升超高性能水泥基复合材料的延性和韧性。

本发明提供的共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料，在保证抗压、抗拉和抗折强度的条件下，可省去传统超高性能混凝土中的钢纤维，有效降低超高性能混凝土的成本。此外，共聚甲醛纤维耐强碱腐蚀和耐候性好，优于绝大多数的合成纤维，同钢纤维相比在服役过程中不会存在锈蚀风险。

本发明提供的共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料的密度为2300～2400kg/m

本发明提供的共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料，有着更好的抗高温爆裂性能，经历400℃时，素混凝土发生爆裂，经历500℃时，钢纤维增强超高性能水泥基复合材料发生爆裂，而共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料仍保持较好的完整性能，且高温后共聚甲醛纤维增强超高性能水泥基复合材料有着较高残余强度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。