CN103664025A - 一种改善纤维束与磷酸钾镁水泥基材料粘结性能的方法 - Google Patents

Abstract

一种改善纤维束与磷酸钾镁水泥基材料粘结性能的方法，涉及一种纤维增强磷酸钾镁水泥复合材料的制作技术。该方法配制的新型纤维浸润剂，具有渗透性强、固化快、固化速度可控、粘结强度高、耐酸、耐压和耐高温等特点。经其固化处理的纤维束中，-Si-O-Si-的网络结构将纤维丝粘结成整体，所有纤维丝可同时受力，纤维束的轴向拉力较未处理的纤维束提高2～3倍。用其固化处理的纤维束制备的纤维增强MPC基复合材料，沉积在纤维束表面的死烧氧化镁粉参与了MPC基体的水化反应，增强了纤维束与MPC基体界面粘结，纤维束在MPC基体中的拉拔力较环氧树脂浸润剂处理的纤维束提高15～40％。该发明制备工艺简单、使用方便，成本仅为环氧树脂类纤维浸润剂的1/10～1/6。

Description

一种改善纤维束与磷酸钾镁水泥基材料粘结性能的方法

技术领域

本发明涉及一种新型建筑材料，尤其是纤维增强磷酸钾镁水泥复合材料的制作技术，特别是一种改善纤维束与磷酸钾镁水泥基材料粘结性能的方法。

背景技术

我国改革开放以来，国民经济得到快速增长，“科技创新，自主创新”已成为我国目前工业发展的主流，我国工业逐步向集约型，节能减排，低碳的方向发展。近年来我国的土木工程建设得到快速发展，带来了下游建材行业兴业旺盛，但是在各种水泥基复合材料技术上有美中不足。经检索国内外纤维增强磷酸镁水泥基复合材料制作技术目前的概况：磷酸镁水泥(MPC)是由死烧氧化镁与可溶性磷酸盐、化学添加剂以及矿物掺合料按照一定比例，在酸性条件下通过酸碱化学反应及物理作用而变化生成以磷酸盐为黏结相的无机胶凝材料；根据所用磷酸盐种类的不同，可分为磷酸铵镁水泥(以铵磷酸盐为酸组份)和磷酸钾镁水泥(以钾磷酸盐为酸组份)等。该类材料在常温下通过化学键结合，具备了硅酸盐类胶凝材料和陶瓷材料的主要特点，即低温固化、高早强、高体积稳定性、粘结性强、硬化体偏中性和良好的耐久性等。与硅酸盐水泥比较，MPC与纤维有更好的粘结强度和相容性，由玻璃纤维、聚丙烯纤维和钢纤维增强的MPC基复合材料的力学性能和耐久性均优于硅酸盐水泥基复合材料，掺适量的聚丙烯纤维或钢纤维可使MPC基砂浆表现出应变硬化特性和较高的弯曲韧性，且在湿热环境下仍保持较好的稳定性。用短纤维增强水泥基材料，可改善其抗裂性和脆性，但复合材料的抗拉强度和抗折性能提高有限；用织物纤维束增强水泥基材料，织物纤维束粗纱能沿构件应力主向布置，纤维对基体的增强效率得到有效地提高，该复合材料具有良好的承载能力和韧性；用混杂纤维(短纤维与织物纤维束)增强水泥基材料，利用两种纤维的优势互补可获得更为优良的抗裂、裂缝控制能力，并得到更高承载能力的水泥基复合材料。

在纤维增强水泥基复合材料的制备技术中，水泥基体与纤维界面粘结性能的改善，关系到纤维增强水泥基复合材料的强度、韧性和阻裂性能的提高，直接影响了纤维增强水泥基复合材料的应用范围。已有改善水泥基体与纤维束界面粘结性能的主要技术如下：

(1)用稀水泥浆增强水泥基体与纤维束界面的粘结性能。用稀水泥浆浸涂纤维束，稀水泥浆能很好的渗入纤维束中，固化后可将纤维丝粘成一体。纤维束的轴向抗拉强度以及其与水泥基体的粘结强度均有一定程度的提高。但稀水泥浆固化速度慢，粘结强度低，且呈碱性的水泥浆硬化体对玻璃纤维有腐蚀作用。

(2)用环氧树脂浸润剂增强水泥基体与纤维束界面的粘结性能。用环氧树脂浸润剂浸润和固化纤维束，使其抗拉强度和初始弹性模量大幅度的提高。由于经处理的纤维束中纤维丝相互粘结成整体，受拉时部分有缺陷的纤维丝抗拉能力的不足可被临近纤维丝及时的搭接修补，保证所有纤维丝的协同受力。经处理的纤维束与水泥基体的粘结强度亦有一定程度的提高。但环氧树脂类浸润剂成本高、固化速度慢，且不耐高温。

(3)用环氧树脂浸润剂粘砂增强水泥基体与纤维束界面的粘结性能。在已涂环氧树脂浸润剂且尚未固化的纤维束表面粘粒径为0.6mm～1.2mm的石英砂，能够提高纤维束表面的摩擦能力，甚至可与基体产生了一种咬合效应，从而进一步提高纤维束与水泥基体的粘结力。但表面所粘的砂粒在受力时，易从纤维束表面剥落，并带动表面层的粗纱一同剥落，造成纤维束断裂，不能继续承载。

因此，高校、相关科研机构和企业的科技人员在不断地研究探索改善纤维束与磷酸钾镁水泥基材料粘结性能的技术，虽然取得一些成果，但在实际运用中仍然存在着尚未克服的技术难题。

发明内容

本发明在于克服以上不足，提供了一种改善纤维束与磷酸钾镁水泥基材料粘结性能的方法，所配制的新型纤维浸润剂，具有渗透性强、固化快、固化速度可控、粘结强度高、耐酸、耐压和耐高温等特点。经新型纤维浸润剂处理的纤维束轴向拉力大幅度得到提高，用其制备纤维增强MPC基复合材料，具有优良的抗裂、裂缝控制能力，纤维束在MPC基材料中的拉拔力高于经环氧树脂浸润剂处理的纤维束拉拔力。该发明制备工艺简单、使用方便、节能环保、成本较低。

本发明解决其技术问题所采用的技术步骤是：(1)取硅酸钠水溶液作为基本组份，用于玻璃纤维束时需选择高模数的中性硅酸钠水溶液，用于其他品种的纤维束时选择模数低的碱性硅酸钠水溶液；(2)取氟硅酸钠作为固化剂、死烧氧化镁粉作为填料，将适当氟硅酸钠和死烧氧化镁粉掺入硅酸钠水溶液中，充分搅拌均匀，得到固化速度可控的新型纤维浸润剂；(3)用新型纤维浸润剂均匀涂刷纤维束表面，充分浸润纤维束，待纤维束固化后用于制备纤维增强MPC基复合材料。

一种改善纤维束与磷酸钾镁水泥基材料粘结性能的方法的具体过程如下：

第一步骤：选择模数为2.6～3.0、波美度为38.4～50.3的硅酸钠水溶液作为基本组份。考虑碱性硅酸钠水溶液易对玻璃纤维产生腐蚀，选择高模数(n＝3)的中性硅酸钠水溶液用于玻璃纤维束，其他品种的纤维束(碳纤维、玄武岩纤维等)可选择模数低(n＝2.6～2.8)的碱性硅酸钠水溶液。取工业级氟硅酸钠粉作为固化剂，MPC的基本组份之一死烧氧化镁粉(MgO含量≥95％，比表面积2.0～2.5m²/kg)作为填料。

第二步骤：取0～10质量份的氟硅酸钠(其掺量根据气温、湿度、水玻璃的模数和波美度、要求的固化速度等在上述范围内适当调整)、10～20质量份的死烧氧化镁粉(其掺量根据硅酸钠水溶液的模数和波美度在上述范围内适当调整)和100质量份的硅酸钠水溶液；首先将氟硅酸钠加入硅酸钠水溶液中，用行星式液体搅拌机以60～90r/min的转速搅拌1～2min，使氟硅酸钠晶体充分溶解；之后调节行星式液体搅拌机的转速为30r/min左右，将死烧氧化镁粉慢慢加入硅酸钠水溶液中，再以60～90r/min的转速搅拌混合液2～3min，得到固化速度可控的新型纤维浸润剂。

第三步骤：将纤维束悬挂，用新型纤维浸润剂均匀涂刷纤维束表面，充分浸润纤维束；其中渗透性强的硅酸钠水溶液迅速渗入纤维丝间，渗透性差的部分死烧氧化镁粉沉积在纤维束表面；随着硅酸钠水溶液的碳化和脱水结晶，新型纤维浸润剂逐步固化，形成了-Si-O-Si-的网络结构，将纤维丝粘结成整体；

第四步骤：按一定配合比配制MPC基材料浆体，浇注成型和密实，其中辅设已经固化处理的纤维束，制备成纤维增强MPC基复合材料，其中纤维束表面的死烧氧化镁粉颗粒参与了MPC基体的水化反应，水化产物将纤维束与MPC基体的界面粘结。

本发明的有益效果是：该方法配制的新型纤维浸润剂，具有渗透性强、固化快、固化速度可控、粘结强度高、耐酸、耐压和耐高温等特点。经新型纤维浸润剂固化处理的纤维束中，-Si-O-Si-的网络结构将纤维丝粘结成整体，受拉时部分有缺陷的纤维丝抗拉能力的不足可被临近纤维丝及时搭接修补，保证所有纤维丝同时受力，纤维束的轴向拉力较未处理的纤维束提高2～3倍。用新型纤维浸润剂固化处理的纤维束制备纤维增强MPC基复合材料，具有优良的抗裂、裂缝控制能力。沉积在纤维束表面的死烧氧化镁粉与MPC基材料中的磷酸盐反应生成磷酸盐水化物，使纤维束与MPC基体界面产生化学结合力，纤维束在MPC基体中的拉拔力可较经环氧树脂浸润剂处理的纤维束的拉拔力提高15～40％。该发明的制备工艺简单、使用方便，成本仅为环氧树脂类纤维浸润剂的1/10～1/6。

附图说明

图1是一种改善纤维束与磷酸钾镁水泥基材料粘结性能的方法的工艺流程。

图2是未处理、涂环氧树脂浸润剂、涂新型纤维浸润剂的不同处理方式的玄武岩纤维束的轴向拉力效果示意图。

图3是未处理、涂环氧树脂浸润剂、涂新型纤维浸润剂的不同处理方式的玄武岩纤维束在MPC基体中的拉拔力效果示意图。

图4是未处理、涂环氧树脂浸润剂、涂新型纤维浸润剂的不同处理方式的玻璃纤维束的微观结构的示意图。

图5是未处理、涂环氧树脂浸润剂、涂新型纤维浸润剂的不同处理方式的碳纤维束与MPC基体的界面微观结构的示意图。

图6是涂新型纤维浸润剂的碳纤维束在MPC基体中，纤维束表面水化的死烧氧化镁粉的微观结构的示意图。

具体实施方式

下面是结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

在图1中：(1)在自然环境条件下，将硅酸钠水溶液、氟硅酸钠和死烧氧化镁粉按照一定比例混合均匀，制成新型纤维浸润剂；

(2)将纤维束悬挂，用新型纤维浸润剂均匀涂刷纤维束表面，充分浸润纤维束；其中渗透性强的硅酸钠水溶液迅速渗入纤维丝间，渗透性差的部分死烧氧化镁粉沉积在纤维束表面；随着硅酸钠水溶液的碳化和脱水结晶，新型纤维浸润剂逐步固化，形成了-Si-O-Si-的网络结构，将纤维丝粘结成整体；

(3)按一定配合比配制MPC基材料浆体，浇注成型和密实，其中辅设已固化处理的纤维束，制备成纤维增强MPC基复合材料；经新型纤维浸润剂处理的纤维束表面的死烧氧化镁粉颗粒参与MPC基体的水化反应，增强了纤维束与MPC基体的界面粘结。

根据图1的工艺过程可将整个制备过程按制备顺序分为三个阶段：第一阶段为新型纤维浸润剂的制备，第二阶段为用新型纤维浸润剂浸涂、固化纤维束，第三阶段为用已固化的纤维束制备纤维增强MPC基复合材料。

在图2中：为不同处理方式的玄武岩纤维束的轴向拉力，在进行纤维束的轴向拉力试验时，将纤维束两端涂环氧树脂浸润剂，中间留部分未处理，固化后进行轴向拉力试验，得到未处理纤维束的轴向拉力。试验时，对玄武岩纤维束采用了未处理、涂环氧树脂浸润剂和涂新型纤维浸润剂三种表面处理方式，轴向拉伸试验结果表明，涂环氧树脂浸润剂和新型纤维浸润剂的玄武岩纤维束的轴向拉力大幅度提高，且新型纤维浸润剂对玄武岩纤维束的增强作用优于环氧树脂浸润剂。

在图3中：为不同处理方式的玄武岩纤维束在MPC基体中的拉拔力，其中玄武岩纤维束与MPC基体的接触面长度为10mm，MPC基体龄期为3d，试验时玄武岩纤维束均为拔出破坏。将纤维束裸露部分涂环氧树脂浸润剂，埋入MPC基体部分未处理，固化后进行拉拔力试验，得到未处理纤维束的拉拔力。试验结果表明涂环氧树脂浸润剂和新型纤维浸润剂的玄武岩纤维束在MPC基体中的拉拔力较未处理的玄武岩纤维束高出一倍以上，且涂新型纤维浸润剂的玄武岩纤维束在MPC基材料中的拉拔力高于涂环氧树脂浸润剂的玄武岩纤维束。

在图4中：为不同处理方式的玻璃纤维束的微观结构。未经处理的玻璃纤维束中纤维丝整齐分散排列，玻璃纤维束受拉时纤维丝各自单独受力；涂环氧树脂浸润剂的玻璃纤维束中，由于环氧树脂浸润剂填充纤维丝的间隙并将纤维丝粘结成整体，玻璃纤维束受拉时纤维丝能协同受力；涂新型纤维浸润剂的玻璃纤维束中，浸润剂亦填满纤维丝的间隙并将纤维丝粘结成整体，玻璃纤维束表面粘附着少量氧化镁粉，玻璃纤维束受拉时纤维丝亦能协同受力。

在图5中：为不同处理方式的碳纤维束与MPC基体的界面微观结构。对于未作任何处理的碳纤维束，由于MPC浆体的渗透性有限，仅少量MPC硬化体填充于碳纤维之间，无法将碳纤维丝粘结成一体，埋在MPC基体中的大部分碳纤维丝仍然分散排列，无法形成协同受力的效果；涂环氧树脂浸润剂的碳纤维束与MPC基体界面粘结紧密，浸润剂渗入纤维束内部将纤维丝牢固的粘结在一起，碳纤维束表面较光滑；涂新型纤维浸润剂的碳维束与MPC基体界面粘结紧密，纤维丝间的空隙被浸润剂填满，纤维丝被牢固的粘结在一起，碳纤维束表面粘附着一些死烧氧化镁粉颗粒。

在图6中：涂新型纤维浸润剂的碳纤维束在MPC基体中，碳纤维束表面水化的死烧氧化镁粉颗粒参与了MPC基体的水化反应，在其表面有晶体状的水化产物产生。

实施例1：取2质量份的氟硅酸钠、10质量份的死烧氧化镁粉和100质量份的硅酸钠水溶液(模数为3.0、波美度为50.3)，用行星式液体搅拌机以60～90r/min的转速搅拌混合液3～5min，得到固化速度可控的新型纤维浸润剂。用新型纤维浸润剂均匀涂刷玻璃纤维束表面，充分浸润玻璃纤维束，待玻璃纤维束被处理3d后(已固化)，用DL-5000型电子拉力试验机进行轴向拉力试验，同时对未处理的玻璃纤维束和经涂环氧树脂浸润剂处理的玻璃纤维束进行轴向拉力试验；按一定配合比配制MPC基材料浆体，浇注成型和密实，其中辅设经不同方式处理的玻璃纤维束，制备成纤维增强MPC基复合材料拉拔试件，用DL-5000型电子拉力试验机测试未处理、涂环氧树脂浸润剂、涂新型纤维浸润剂的不同处理方式的玻璃纤维束在MPC基体中的拉拔力。测试结果见表1：

表1不同处理方式的玻璃纤维束的轴向拉力和在MPC基体中的拉拔力

实施例2：取8～10质量份的氟硅酸钠、15～20质量份的死烧氧化镁粉和100质量份的硅酸钠水溶液(模数为2.6～2.8、波美度为38.4～48.3)，用行星式液体搅拌机以60～90r/min的转速搅拌混合液2～3min，得到固化速度可控的新型纤维浸润剂。用新型纤维浸润剂均匀涂刷碳纤维束表面，充分浸润碳纤维束，待碳纤维束被处理3d后(已固化)，用DL-5000型电子拉力试验机进行轴向拉力试验，同时对未处理的碳纤维束和经涂环氧树脂浸润剂处理的碳纤维束进行轴向拉力试验；按一定配合比配制MPC基材料浆体，浇注成型和密实，其中辅设经不同方式处理的碳纤维束，制备成纤维增强MPC基复合材料拉拔试件，用DL-5000型电子拉力试验机测试未处理、涂环氧树脂浸润剂、涂新型纤维浸润剂的不同处理方式的碳纤维束在MPC基体中的拉拔力。测试结果见表2：

表2不同处理方式的碳纤维束的轴向拉力和在MPC基体中的拉拔力

实施例3：取8～10质量份的氟硅酸钠、15～20质量份的死烧氧化镁粉和100质量份的硅酸钠水溶液(模数为2.6～2.8、波美度为38.4～48.3)，用行星式液体搅拌机以60～90r/min的转速搅拌混合液2～3min，得到固化速度可控的新型纤维浸润剂。用新型纤维浸润剂均匀涂刷玄武岩纤维束表面，充分浸润玄武岩纤维束，待玄武岩纤维束被处理3d后(已固化)，用DL-5000型电子拉力试验机进行轴向拉力试验，同时对未处理的玄武岩纤维束和经涂环氧树脂浸润剂处理的玄武岩纤维束进行轴向拉力试验；按一定配合比配制MPC基材料浆体，浇注成型和密实，其中辅设经不同方式处理的玄武岩纤维束，制备成纤维增强MPC基复合材料拉拔试件，用DL-5000型电子拉力试验机测试未处理、涂环氧树脂浸润剂、涂新型纤维浸润剂的不同处理方式的玄武岩纤维束在MPC基体中的拉拔力。测试结果见表3：

表3不同处理方式的玄武岩纤维束的轴向拉力和在MPC基体中的拉拔力

Claims (2)

1.一种改善纤维束与磷酸钾镁水泥基材料粘结性能的方法，其特征是：

(1)取硅酸钠水溶液作为基本组份，用于玻璃纤维束时需选择高模数的中性硅酸钠水溶液，用于其他品种的纤维束时选择模数低的碱性硅酸钠水溶液；

(2)取氟硅酸钠作为固化剂、死烧氧化镁粉作为填料，将适当氟硅酸钠和死烧氧化镁粉掺入硅酸钠水溶液中，充分搅拌均匀，得到固化速度可控的新型纤维浸润剂；

(3)用新型纤维浸润剂均匀涂刷纤维束表面，充分浸润纤维束，待纤维束固化后用于制备纤维增强MPC基复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种改善纤维束与磷酸钾镁水泥基材料粘结性能的方法，其特征是：用新型纤维浸润剂浸涂、固化纤维束后，制备纤维增强MPC基复合材料，具体过程如下：

第一步骤：选择模数为2.6～3.0、波美度为38.4～50.3的硅酸钠水溶液作为基本组份。考虑碱性硅酸钠水溶液易对玻璃纤维产生腐蚀，选择高模数(n＝3)的中性硅酸钠水溶液用于玻璃纤维束，其他品种的纤维束(碳纤维、玄武岩纤维等)可选择模数低(n＝2.6～2.8)的碱性硅酸钠水溶液。取工业级氟硅酸钠粉作为固化剂，MPC的基本组份之一死烧氧化镁粉(MgO含量≥95％，比表面积2.0～2.5m²/kg)作为填料。

第二步骤：取0～10质量份的氟硅酸钠(其掺量根据气温、湿度、水玻璃的模数和波美度、要求的固化速度等在上述范围内适当调整)、10～20质量份的死烧氧化镁粉(其掺量根据硅酸钠水溶液的模数和波美度在上述范围内适当调整)和100质量份的硅酸钠水溶液；首先将氟硅酸钠加入硅酸钠水溶液中，用行星式液体搅拌机以60～90r/min的转速搅拌1～2min，使氟硅酸钠晶体充分溶解；之后调节行星式液体搅拌机的转速为30r/min左右，将死烧氧化镁粉慢慢加入硅酸钠水溶液中，再以60～90r/min的转速搅拌混合液2～3min，得到固化速度可控的新型纤维浸润剂。

第三步骤：将纤维束悬挂，用新型纤维浸润剂均匀涂刷纤维束表面，充分浸润纤维束；其中渗透性强的硅酸钠水溶液迅速渗入纤维丝间，渗透性差的部分死烧氧化镁粉沉积在纤维束表面；随着硅酸钠水溶液的碳化和脱水结晶，新型纤维浸润剂逐步固化，形成了-Si-O-Si-的网络结构，将纤维丝粘结成整体；

第四步骤：按一定配合比配制MPC基材料浆体，浇注成型和密实，其中辅设已经固化处理的纤维束，制备成纤维增强MPC基复合材料，其中纤维束表面的死烧氧化镁粉颗粒参与了MPC基体的水化反应，水化产物将纤维束与MPC基体的界面粘结。

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