本發(fā)明屬于建筑材料，具體涉及一種實(shí)現(xiàn)基體增韌的水化硅酸鈣纖維水泥基復(fù)合材料及制備方法。

背景技術(shù)：

1、作為重要的建筑材料之一，水泥因其在加水?dāng)嚢韬缶哂幸欢〞r(shí)間的可施工性和凝結(jié)硬化后長(zhǎng)久提供高強(qiáng)度等方面的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在土木建筑、水工等各個(gè)領(lǐng)域，成為社會(huì)基礎(chǔ)建設(shè)的基石。隨著施工環(huán)境日益嚴(yán)苛和建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，國(guó)家對(duì)水泥基材料的強(qiáng)度、耐久性和安全性提出了更高的要求。其中，水泥基材料的較高脆性導(dǎo)致其在承載荷載過(guò)程中容易發(fā)生開(kāi)裂和斷裂，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，是威脅建筑的安全穩(wěn)定的關(guān)鍵問(wèn)題。

2、為克服這一固有缺陷，多種高強(qiáng)高韌材料被摻入水泥基體，以期望提高材料的韌性。如論文“氧化石墨烯在水泥基復(fù)合材料中應(yīng)用的研究進(jìn)展”記載了氧化石墨烯納米二維材料在韌性提升方面的潛力。如申請(qǐng)?zhí)枮閏n202311053429.2的發(fā)明專利公開(kāi)了一種超韌性仿貝殼層狀結(jié)構(gòu)水泥基復(fù)合材料的制備方法，采用定向冰模板法、真空負(fù)壓浸漬、多次凍融循環(huán)等工藝將pva水凝膠填充至水泥骨架孔隙中。

3、相較于價(jià)格高昂的二維材料和施工復(fù)雜的層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，纖維材料可以在改善水泥基材料韌性的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化施工工藝，降低成本，得到了廣泛的應(yīng)用。為提升纖維材料的增韌潛力，纖維材料與水泥基體間薄弱的結(jié)合作用成為了增強(qiáng)關(guān)鍵。如論文“grafting?sio2nanoparticles?on?polyvinyl?alchohol?fibers?to?enhance?the?interfacial?bondingstrength?with?cement”記載了在pva纖維上接枝納米二氧化硅在模擬計(jì)算中有效增強(qiáng)纖維與水泥基體的結(jié)合作用，實(shí)現(xiàn)了力學(xué)性能上相較于摻雜pva纖維水泥基材料的韌性提升。因此，研發(fā)一種新型的無(wú)機(jī)有機(jī)復(fù)合纖維材料配方，能夠簡(jiǎn)化纖維制備和后續(xù)接枝處理的工藝，降低能耗且減少安全隱患；并保證有機(jī)組分提供韌性，無(wú)機(jī)組分加強(qiáng)纖維與基體結(jié)合作用。不僅能夠更大地提升纖維水泥基復(fù)合材料的基體韌性，減少裂縫的產(chǎn)生，阻礙有害離子的侵入；還能夠降低纖維的熱傳導(dǎo)作用，更大程度保障基體安全，具有良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種水化硅酸鈣纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明以聚乙烯醇(pva)為有機(jī)模板，引入一定量的納米片層水化硅酸鈣(c-s-h)，充分?jǐn)嚢韬髮⒃摶旌先芤鹤鳛榧徑z原液，并選用硫酸鈉水溶液為凝固浴，通過(guò)濕法紡絲技術(shù)制備獲得具有高強(qiáng)度、高韌性的c-s-h/pva雜化纖維。所述的這種有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合纖維與水泥基材料復(fù)合使用從而解決現(xiàn)有技術(shù)中混凝土易開(kāi)裂、脆性大的技術(shù)問(wèn)題。

2、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案如下：

3、一種水化硅酸鈣纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

4、(1)合成干燥的c-s-h粉末；

5、(2)將c-s-h與無(wú)水乙醇通過(guò)機(jī)械攪拌均勻混合，然后通過(guò)超聲分散對(duì)水化硅酸鈣結(jié)構(gòu)破壞；隨后靜置分離得到上層清液，經(jīng)懸蒸干燥得到納米片狀c-s-h；

6、(3)將納米片狀c-s-h通過(guò)機(jī)械攪拌分散于去離子水中，然后加入pva并在95±5℃加熱和攪拌條件下溶于水，充分混合后降至60℃±5℃并攪拌去除氣泡，得到混合溶液作為紡絲原液；

7、(4)以60℃的飽和硫酸鈉水溶液作為凝固浴，利用濕法紡絲技術(shù)將紡絲原液進(jìn)行紡絲，得到初生纖維；

8、(5)將初生纖維進(jìn)行2次延伸，先將初生纖維在60℃下進(jìn)行延伸，再將第一次延伸后的纖維在100℃下進(jìn)行延伸，獲得高強(qiáng)高韌c-s-h/pva雜化纖維；

9、(6)以水泥、石、砂、水、減水劑、以及步驟(5)得到的c-s-h/pva雜化纖維為原料，成型得到水化硅酸鈣纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。

10、具體地，步驟(1)中，所述的c-s-h粉末合成方法為：將氧化鈣粉末和納米二氧化硅粉末以鈣硅比為1.0、水固比為15均勻分散于去離子水中，在隔絕二氧化碳的手套箱中均勻混合反應(yīng)14天。然后用50％的乙醇溶液抽濾清洗去除多余離子，在45℃真空干燥箱中干燥至恒重，研磨過(guò)200目篩得到c-s-h粉末。

11、具體地，步驟(2)中，無(wú)水乙醇與c-s-h的質(zhì)量比為100。為保證c-s-h的結(jié)構(gòu)被充分打散，機(jī)械攪拌的轉(zhuǎn)速為250～400rpm，攪拌時(shí)間為7天；超聲分散的時(shí)間為12h，采用冰浴以保證超聲溫度不超過(guò)30℃，防止溫度上升造成的片層顆粒沉積；靜置沉淀時(shí)間為1～3天。納米片狀c-s-h二維平面尺寸為300nm以下。

12、優(yōu)選地，步驟(3)中，所述的混合溶液中，pva的濃度為12～17wt％，納米片狀c-s-h的濃度為0.5～3wt％，攪拌混合24h，去除氣泡時(shí)間控制在1～2h。以上條件制備得到的紡絲原液含氣泡量少，可紡性好；合成的纖維中c-s-h分布均勻，與pva的交聯(lián)作用提高了纖維的強(qiáng)度和耐溫性。

13、進(jìn)一步地，步驟(5)中，水化硅酸鈣纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料中各原料質(zhì)量份數(shù)如下：

14、水泥：100份；

15、碎石：150～300份；

16、石英砂：100～200份；

17、水：25～60份；

18、減水劑：0.1～0.25份；

19、以及占水化硅酸鈣纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料總體積0.3～2％的c-s-h/pva雜化纖維。

20、具體地，本發(fā)明水化硅酸鈣纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的成型步驟主要包括：

21、s1：將水泥、石子、石英砂和c-s-h/pva雜化纖維到攪拌鍋中，持續(xù)攪拌，直至纖維分散均勻，沒(méi)有成團(tuán)；

22、s2：將減水劑加入到水中混合均勻，然后加入到步驟s1的攪拌鍋中繼續(xù)攪拌，直至漿體流動(dòng)性達(dá)到要求；

23、s3：將攪拌均勻的漿體倒入模具中成型，取出后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

24、本發(fā)明的有益效果在于：

25、本發(fā)明先將水化產(chǎn)物無(wú)機(jī)c-s-h以納米片狀形式摻入pva中混合共同制備無(wú)機(jī)有機(jī)復(fù)合纖維材料，將c-s-h/pva雜化纖維加入水泥漿料中進(jìn)一步值得纖維水泥基復(fù)合材料。納米片狀c-s-h參與到pva纖維的形成過(guò)程中，不僅有助于提升纖維的強(qiáng)度，并且通過(guò)自身誘導(dǎo)水化產(chǎn)物生成堆積作用加強(qiáng)了纖維與水泥基體的結(jié)合作用，極大提升了水泥材料的韌性；同時(shí)，c-s-h/pva雜化纖維較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)有利于保障結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，綜合提高了混凝土材料的耐久性、安全性，可滿足各類工程的安全需求。

技術(shù)特征：

1.一種c-s-h/pva雜化纖維的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，c-s-h粉末的鈣硅比為1.0，水固比為15。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，納米片狀c-s-h二維平面尺寸為300nm以下。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，無(wú)水乙醇與c-s-h的質(zhì)量比為100。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，所述的混合溶液中，pva的濃度為12～17wt％，納米片狀c-s-h的濃度為0.5～3wt％。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(4)中，紡絲過(guò)程中紡絲原液推注速度為50～100μl/min，噴絲孔直徑為0.08～0.16mm，凝固浴溫度為60±5℃。

7.根據(jù)權(quán)利要求1～6任一所述的制備方法制得的c-s-h/pva雜化纖維。

8.權(quán)利要求7所述的c-s-h/pva雜化纖維在制備水化硅酸鈣纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，提升水泥基體韌性和降低導(dǎo)熱系數(shù)中的應(yīng)用方法。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用方法，其特征在于：包括以下步驟：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的應(yīng)用方法，其特征在于：所述c-s-h/pva雜化纖維占水化硅酸鈣纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料總體積的0.3～2％。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種水化硅酸鈣纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料及其制備方法，包括步驟：將C?S?H與無(wú)水乙醇均勻混合，然后通過(guò)超聲分散對(duì)水化硅酸鈣結(jié)構(gòu)破壞；隨后靜置分離得到上層清液，干燥得到納米片狀C?S?H；將納米片狀C?S?H分散于去離子水中，然后加入PVA并在95±5℃加熱和攪拌，充分混合后降至60℃±5℃并攪拌去除氣泡，得到混合溶液作為紡絲原液；以飽和硫酸鈉水溶液作為凝固浴，利用濕法紡絲技術(shù)將紡絲原液進(jìn)行紡絲，得到初生纖維；將初生纖維進(jìn)行2次延伸，先在60℃下進(jìn)行延伸，再將第一次延伸后的纖維在100℃下進(jìn)行延伸，獲得C?S?H/PVA雜化纖維；以水泥、石、砂、水、減水劑、C?S?H/PVA雜化纖維為原料，成型得到水化硅酸鈣纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。本發(fā)明可以解決混凝土易開(kāi)裂、脆性大的問(wèn)題。

技術(shù)研發(fā)人員：馮攀,蔡雨曦,劉新,邵麗靜,張熠瑋
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2