CN114920522A - 一种扁平纤维织物增强水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种扁平纤维织物增强水泥基复合材料及其制备方法，用以解决传统纤维织物增强水泥基复合材料中纤维织物的实际利用率低的技术问题，包括高强基体和镶嵌在高强基体中的扁平纤维织物，扁平纤维织物采用经向纤维束与纬向纤维束编织而成，经向纤维束和纬向纤维束的截面均为扁平状；高强基体内部掺杂有短纤维。并公开了扁平纤维织物增强水泥基复合材料的制备方法。本发明所制备复合材料在纤维织物截面面积不变时，其拉伸强度相较于传统纤维织物增强的水泥基复合材料，极限抗拉强度最高可提升69%，扁平纤维织物与高强基体间黏结面积的提升，改善了纤维织物与基体间的界面性能，提高了纤维织物增强水泥基复合材料中的纤维利用率。

Description

一种扁平纤维织物增强水泥基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑工程的技术领域，尤其涉及一种扁平纤维织物增强水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术

纤维织物增强水泥基复合材料由于其高抗拉强度、高拉伸应变和多缝开裂特征，已经被广泛应用于砌体结构和混凝土结构加固中。纤维织物增强水泥基复合材料的抗拉强度和内嵌的纤维织物的利用率显著影响结构的加固效果和材料的利用率。如果纤维织物的强度没有充分的发挥，不仅浪费了纤维织物和水泥基基体等加固材料，也会导致纤维织物增强水泥基复合材料的抗拉强度被高估。在结构加固设计中这会导致严重的结构安全隐患，在地震等极端条件下甚至引起结构的局部或整体倒塌，危及加固结构使用者的生命和财产安全。

目前提高纤维织物增强水泥基复合材料抗拉强度的主要方法有加大纤维织物的涂层渗透度、采用更高强度的纤维织物、纤维织物表面黏砂、对纤维织物施加预应力、纤维织物端部加倒钩等方法。例如专利公开号CN101666137A通过玄武岩纤维和碳纤维交错排列编织而成混杂织物格栅，利用碳纤维高强高弹的优点提高混凝土的强度；专利公开号CN114014694A通过无机纤维网格布较高的拉伸性能，提高其混凝土预制构件的力学性能。然而，加大纤维织物的涂层渗透度需采用大量稀释度较高的环氧树脂，不仅危及工人健康也大幅增加了材料的整体造价；采用更高强度的纤维织物虽可提高纤维织物增强水泥基复合材料的抗拉强度，但是以牺牲纤维织物利用率实现的；纤维织物表面黏砂后，刚度增大，不利于运输和结构转角处的加固应用；对纤维织物施加预应力可以提高复合材料的开裂强度，但整体利用率未有提升；纤维织物端部加倒钩则因其施工复杂而鲜有工程应用。因此，从提高纤维织物的实际利用率角度来提高纤维织物增强水泥基复合材料的整体抗拉强度是更有效、便捷的方式。

发明内容

针对传统纤维织物增强水泥基复合材料中纤维织物的实际利用率低的技术问题，本发明提出一种扁平纤维织物增强水泥基复合材料及其制备方法，大幅提高纤维织物增强水泥基复合材料的抗拉强度。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种扁平纤维织物增强水泥基复合材料，包括高强基体和镶嵌在高强基体中的扁平纤维织物，扁平纤维织物采用经向纤维束与纬向纤维束编织而成，经向纤维束和纬向纤维束的截面均为扁平状；高强基体内部掺杂有短纤维。

所述经向纤维束和纬向纤维束的厚度均不大于0.5mm，经向纤维束和纬向纤维束的宽度均不大于5mm，经向纤维束和纬向纤维束的宽厚比均为（5-10）：1。

所述径向纤维束和纬向纤维束其中束加捻，另一束不加捻，不加捻纤维束穿过加捻纤维束形成交织点，扁平纤维织物的纬向纤维束或经向纤维束均为受力方向，纤维织物可双向受力。

所述扁平纤维织物采用碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维其中任意一种或两种以上组合编制而成，扁平纤维织物面密度为100-350g/m²；扁平纤维织物中纬向纤维束和径向纤维束形成的网孔间距为5-35mm。

所述扁平纤维织物表面涂覆有环氧树脂涂层，环氧树脂涂层平均厚度为0.1-0.3mm。

所述短纤维为聚乙烯醇（PVA）纤维，短纤维的长度为10-30mm，短纤维的长径比为300-600。PVA中含“羟基”，呈现出亲水性，因此在搅拌过程中加入PVA纤维，PVA纤维的整体分散性能特别好，在高强基体中分布的比较均匀。

所述短纤维的掺杂量为高强基体体积的0.5-2.0%，掺加短纤维后高强基体具有拉伸应变硬化和多裂缝开展的特点，在拉伸荷载作用下，高强基体与扁平纤维织物可以协同受力，有效提高纤维织物的利用率，提高纤维织物增强水泥基复合材料的抗拉强度。

所述高强基体主要由以下重量份原料制得：水泥357-448、粉煤灰247-495、硅灰60-70、矿粉88-176、精细河沙400-425和水314-393。

优选的，高强基体主要由以下重量份原料制得：水泥447、粉煤灰495、硅灰60、矿粉176、精细河沙425和水354。

所述水泥为P.O42.5硅酸盐水泥；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；硅灰的烧失量小于6%、二氧化硅含量大于85%、比表面积大于15000 m²/kg；矿粉为S95级，其活性钙、硅和铝无机物的含量大于30%；精细河沙粒径不大于1.05mm。

所述纤维织物增强水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将水泥、粉煤灰、硅灰、矿粉、精细河沙和水混合搅拌，随后加入短纤维继续搅拌混合均匀，制得高强基体浆料；

（2）将高强基体浆料进行浇筑，形成一层基体，将扁平纤维织物放置在基体上并嵌入基体表面；

（3）重复步骤（2）直至扁平纤维织物层数达到目标要求，再次在基体上浇筑高强基体浆料，浇筑完成后将表面收光抹平并进行养护，制得扁平纤维织物增强水泥基复合材料。

当高强基体中铺设多层扁平纤维织物时，需保证外侧基体厚度不小于4mm，以保护内部纤维束；相邻扁平纤维织物之间高强基体厚度不小于1.5mm，以保证扁平纤维织物层之间的剪力传递。

本发明的有益效果：

（1）在纤维织物截面面积不变时，扁平纤维织物拉伸强度相较于传统的圆形或椭圆截面纤维织物增强的水泥基复合材料，拉伸强度可大幅提高，极限抗拉强度最高可提升69%。

（2）扁平纤维织物与高强基体间黏结面积的提升，改善了纤维织物与基体间的界面性能，提高了纤维织物增强水泥基复合材料中的纤维利用率。

（3）PVA短纤维可吸附在扁平纤维织物的表面，形成新的交叉连结。紧靠扁平纤维织物的PVA纤维起到了类似的钢筋的“销栓作用”；PVA纤维作为高强基体和织物之间的交联键，能够阻止纤维织物在基体中的滑移，增加二者界面的黏结性能。纤维织物增强水泥基复合材料在加固时的利用率大幅提升、避免了用于结构加固时效率低下和因材料性能不足导致的潜在安全风险问题。

（4）本申请解决了传统材料加固时外侧基体容易剥离、脱落导致的基体与织物不能协同受力的问题。

（5）本申请成本低、不额外增加高纤维织物增强水泥基复合材料的成本，也不改变原有施工方式，操作简便，便于在目前市场下推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为扁平纤维织物增强水泥基复合材料的构造意图。

图2为扁平纤维束编织的纤维织物结构示意图。

图3a为椭圆纤维织物增强水泥基复合材料应力应变曲线；图3b为扁平纤维织物增强水泥基复合材料应力应变曲线。

图4为纤维束表面形貌图。

图中：1、高强基体；2、短纤维；3、扁平纤维织物；4、环氧树脂涂层；5、纬向纤维束；6、经向纤维束。

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付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。

实施例1

一种扁平纤维织物增强水泥基复合材料，如图1和图2所示，复合材料的厚度为15mm，包括高强基体1和镶嵌在高强基体1中的扁平纤维织物3，扁平纤维织物3水平设置，上下两部分高强基体1厚度均为7.5mm。扁平纤维织物3采用经向纤维束6与纬向纤维束5编织而成，经向纤维束6和纬向纤维束5的截面均为扁平状，经向纤维束6与纬向纤维束5由碳纤维制备而成，扁平纤维织物3面密度为100g/m²。经向纤维束6和纬向纤维束5的宽度均为4.12mm，厚度均为0.42mm，宽厚比为9.8，截面面积为0.88mm²。经向纤维束6加捻，纬向纤维束5从加捻的经向纤维束6中部穿过，形成稳定的网孔结构，扁平纤维织物3的网孔间距为20mm。扁平纤维织物3表面涂覆有一层厚度为0.1mm的环氧树脂涂层4，用于固定扁平纤维织物3的网格形状和纤维束截面形状。

高强基体1由以下质量比组分制得，水泥：粉煤灰：硅灰：矿粉：精细河沙：水=447：495：60：176：425：354，其中PVA短纤维2掺量为2.0%，所述短纤维2为PVA纤维，其中PVA纤维长径比为308，长度12mm，直径39μm，抗拉强度1600MPa，弹性模量40GPa，伸长率7%，密度1.29g/cm³。所述水泥为P.O.42.5硅酸盐水泥；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；硅灰的烧失量为3%、二氧化硅含量为87%、比表面积15700 m²/kg；矿粉为S95级，其活性钙、硅和铝无机物的含量为31%；精细河沙粒径不大于1.05mm。

上述扁平纤维织物增强水泥基复合材料按如下步骤制备：

（1）将高强基体1各干料组份混合搅拌后，加入水继续搅拌2分钟，随后加入PVA短纤维继续搅拌2分钟，制得高强基体浆料；

（2）然后将此高强基体浆料倒入模具内，在模具内摊平第一层基体，将扁平纤维织物3裁剪至模具大小后放置在第一层基体上，并轻轻拍入基体内。

（3）铺设第二层基体，并收光抹平，扁平纤维织物增强水泥基复合材料在浇筑24h后拆模，并洒水养护28d。

实施例2

一种扁平纤维织物增强水泥基复合材料，如图1和图2所示，复合材料的厚度为10mm，包括高强基体1和镶嵌在高强基体1中的两层扁平纤维织物3，扁平纤维织物3水平设置，上下两部分高强基体1厚度均为4mm，两层扁平纤维织物3之间高强基体1厚度为2mm。扁平纤维织物3采用经向纤维束6与纬向纤维束5编织而成，经向纤维束6和纬向纤维束5的截面均为扁平状，经向纤维束6与纬向纤维束5由玄武岩纤维制备而成，扁平纤维织物3面密度为200g/m²。经向纤维束6和纬向纤维束5的宽度均为5mm，厚度均为1mm，宽厚比为5，截面面积为5mm²。纬向纤维束5加捻，经向纤维束6从加捻的纬向纤维束5中部穿过，形成稳定的网孔结构，扁平纤维织物3的网孔间距为35mm。扁平纤维织物3表面涂覆有一层厚度为0.2mm的环氧树脂涂层4，用于固定扁平纤维织物3的网格形状和纤维束截面形状。

高强基体1由以下质量比组分制得，水泥：粉煤灰：硅灰：矿粉：精细河沙：水=357：247：70：88：400：314，其中PVA短纤维2掺量为1.0%，所述短纤维2为PVA纤维，其中PVA纤维长径比为500，长度30mm，直径60μm。所述水泥为P.O.42.5硅酸盐水泥；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；硅灰的烧失量为5%、二氧化硅含量为90%、比表面积16100 m²/kg；矿粉为S95级，其活性钙、硅和铝无机物的含量为40%；精细河沙粒径不大于1.05mm。

上述扁平纤维织物增强水泥基复合材料按如下步骤制备：

（1）将高强基体1各干料组份混合搅拌后，加入水继续搅拌2分钟，随后基体内加入PVA短纤维继续搅拌2分钟，制得高强基体浆料；

（2）然后将此高强基体浆料倒入模具内，在模具内摊平第一层基体，将扁平纤维织物3裁剪至模具大小后放置在第一层基体上，并轻轻拍入基体内。

（3）铺设第二层基体，再次将扁平纤维织物3放第二层基体上，再在上方铺设一层高强基体1浆料。并收光抹平，扁平纤维织物增强水泥基复合材料薄板在浇筑24h后拆模，并洒水养护28d。

实施例3

一种扁平纤维织物增强水泥基复合材料，如图1和图2所示，复合材料的厚度为30mm，包括高强基体1和镶嵌在高强基体1中的5层扁平纤维织物3，扁平纤维织物3水平设置，上下两部分高强基体1厚度分别为5mm。相邻两层扁平纤维织物3之间高强基体1厚度为5mm。扁平纤维织物3采用经向纤维束6与纬向纤维束5编织而成，经向纤维束6和纬向纤维束5的截面均为扁平状，经向纤维束6与纬向纤维束5由玻璃纤维制备而成，扁平纤维织物3面密度为350g/m²。经向纤维束6和纬向纤维束5的宽度均为3.5mm，厚度均为0.5mm，宽厚比为7，截面面积为1.75mm²。经向纤维束6加捻，纬向纤维束5从加捻的经向纤维束6中部穿过，形成稳定的网孔结构，扁平纤维织物3的网孔间距为5mm。扁平纤维织物3表面涂覆有一层厚度为0.3mm的环氧树脂涂层4，用于固定扁平纤维织物3的网格形状和纤维束截面形状。

高强基体1由以下质量比组分制得，水泥：粉煤灰：硅灰：矿粉：精细河沙：水=401：420：65：121：412：393，其中PVA短纤维2掺量为0.5%，所述短纤维2为PVA纤维，其中PVA纤维长径比为450，长度20mm，直径44μm。所述水泥为P.O.42.5硅酸盐水泥；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；硅灰的烧失量为1%、二氧化硅含量为90%、比表面积16600 m²/kg；矿粉为S95级，其活性钙、硅和铝无机物的含量为35%；精细河沙粒径不大于1.05mm。

上述扁平纤维织物增强水泥基复合材料按如下步骤制备：

（1）将高强基体1各干料组份混合搅拌后，加入水继续搅拌2分钟，随后基体内加入PVA短纤维继续搅拌2分钟，制得高强基体浆料；

（2）然后将此高强基体浆料倒在墙体表面，在摊平第一层基体，将扁平纤维织物3裁剪至模具大小后放置在第一层基体上，并轻轻拍入基体内。

（3）重复步骤（2），共铺设5层扁平纤维织物3，最后再铺设一层高强基体浆料，并收光抹平，纤维织物增强水泥基复合材料洒水养护28d。

实施例4

一种扁平纤维织物增强水泥基复合材料，如图1和图2所示，与实施例1的区别在于复合材料的厚度为15mm，包括高强基体1和镶嵌在高强基体1中的两层扁平纤维织物3，上下两部分高强基体1厚度为5mm，两层扁平纤维织物3之间高强基体1厚度为5mm，其他结构同实施例1相同。

实施例5

一种扁平纤维织物增强水泥基复合材料，如图1和图2所示，与实施例1的区别在于复合材料的厚度为15mm，包括高强基体1和镶嵌在高强基体1中的三层扁平纤维织物3，上下两部分高强基体1厚度为4.5mm，两层扁平纤维织物3之间高强基体1厚度为3mm，其他结构同实施例1相同。

对比例

对扁平纤维织物增强水泥基复合材料进行力学性能测试，样品为实施例1、4和5中的扁平纤维织物增强水泥基复合材料。并分别制备与实施例1、4和5相同结构的水泥基复合材料，其区别点在于所用纤维织物的截面为椭圆形，截面面积与扁平纤维织物相同，制得纤维织物层数为1、2和3的椭圆截面纤维织物增强的纤维织物增强水泥基复合材料，作为对比样品。

测试结果如图3a和图3b所示，图3a为椭圆截面纤维织物增强的纤维织物增强水泥基复合材料，当椭圆截面的纤维织物为1、2、3层时，各组对应的极限抗拉强度分别为6.20MPa、9.13MPa、10.31MPa。图3b中，扁平纤维织物层数为1、2、3层时，各组对应的极限抗拉强度分别为7.35MPa、12.26MPa、17.42MPa。极限抗拉强度分别提升了19%、34%、69%，碳纤维织物的利用率得到显著的提升，这对于充分发挥材料的强度、提高加固构件的承载力是极有益的。

图4为实施例1制备扁平纤维织物增强水泥基复合材料中纤维束表面的扫描电镜图，获得的扫描图像，图中均显示PVA短纤维可吸附在碳纤维束的表面，形成新的交叉连结。紧靠织物的PVA纤维起到了类似的钢筋的“销栓作用”；PVA纤维作为基体和织物之间的交联键，能够阻止纤维织物在基体中的滑移，增加二者界面的黏结性能，这也是PVA与纤维织物之间耦合作用的微观基础。也因此，纤维织物增强复合材料的抗拉强度得到极大的提升（极限抗拉强度提升幅度：19-69%）。PVA纤维不仅能够桥联裂缝、在裂缝处传递拉伸应力，而且能够显著的改善纤维织物与水泥基基体的界面特性，提高纤维织物的利用率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种扁平纤维织物增强水泥基复合材料，包括高强基体(1)和镶嵌在高强基体(1)中的扁平纤维织物(3)，其特征在于，扁平纤维织物(3)采用经向纤维束(6)与纬向纤维束(5)编织而成，经向纤维束(6)和纬向纤维束(5)的截面均为扁平状；高强基体(1)内部掺杂有短纤维(2)。

2.根据权利要求1所述的扁平纤维织物增强水泥基复合材料，其特征在于：所述经向纤维束(6)和纬向纤维束(5)的厚度均不大于0.5mm，宽度不大于5mm，宽厚比为（5-10）：1。

3.根据权利要求2所述的扁平纤维织物增强水泥基复合材料，其特征在于：所述扁平纤维织物(3)上的交织点由不加捻纤维束穿过加捻纤维束形成，其中加捻纤维束为径向纤维束(6)和纬向纤维束(5)中的任一种、不加捻纤维束为另外一种。

4.根据权利要求3所述的扁平纤维织物增强水泥基复合材料，其特征在于：所述扁平纤维织物(3)采用碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维其中任意一种或两种以上组合编制而成，扁平纤维织物(3)面密度为100-350g/m²；扁平纤维织物(3)中纬向纤维束(5)和径向纤维束(6)形成的网孔间距为5-35mm。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的扁平纤维织物增强水泥基复合材料，其特征在于：所述扁平纤维织物(3)表面涂覆有环氧树脂涂层(4)，环氧树脂涂层(4)平均厚度为0.1-0.3mm。

6.根据权利要求5所述的扁平纤维织物增强水泥基复合材料，其特征在于：所述短纤维(2)为聚乙烯醇纤维，短纤维(2)的长度为10-30mm，短纤维(2)的长径比为300-600。

7.根据权利要求6所述的扁平纤维织物增强水泥基复合材料，其特征在于：所述短纤维(2)的掺杂量为高强基体(1)体积的0.5-2.0%。

8.根据权利要求7所述的扁平纤维织物增强水泥基复合材料，其特征在于，所述高强基体(1)主要由以下重量份原料制得：水泥357-448、粉煤灰247-495、硅灰60-70、矿粉88-176、精细河沙400-425和水314-393。

9.根据权利要求8所述的扁平纤维织物增强水泥基复合材料，其特征在于：所述水泥为P.O42.5硅酸盐水泥；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；硅灰的烧失量小于6%、二氧化硅含量大于85%、比表面积大于15000 m²/kg；矿粉为S95级；精细河沙粒径不大于1.05mm。

10.权利要求1-4或6-9任意一项所述扁平纤维织物增强水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将水泥、粉煤灰、硅灰、矿粉、精细河沙和水混合搅拌，随后加入短纤维(2)继续搅拌混合均匀，制得高强基体浆料；

（2）将高强基体浆料进行浇筑，形成一层基体，将扁平纤维织物(3)放置在基体上并嵌入基体表面；

（3）重复步骤（2）直至扁平纤维织物(3)层数达到目标要求，再次在基体上浇筑高强基体浆料，浇筑完成后将表面收光抹平并进行养护，制得扁平纤维织物增强水泥基复合材料。

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