專利名稱：超高強水泥材料組成及其制造方法
技術領域：
本發明涉及水硬性水泥組成及其制造方法，特別是具有很高抗彎曲強度和抗沖擊強度的水硬性水泥材料的組成和制造方法。
水泥材料的一個最大弱點是低的抗彎曲強度，通常不超過5～10MPa，因此，其應用范圍受到很大限制。在受彎、受壓的情況下，必須用其它輔助材料來增強。例如，鋼筋混凝土就是最常見的一種，類似的輔助材料還有石棉纖維、玻璃纖維、有機和植物纖維等各種纖維類物質。但是，卽使加了輔助材料，其抗彎曲強度提高的幅度還是不大，一般只能提高到15～20MPa，最大也不超過40MPa。
傳統水泥材料強度低，尤其是抗彎曲強度低，其主要原因就是水泥制品中存在著大量尺寸較大的孔隙。這些大的孔隙一般是由水泥中多余的自由水形成的。水硬性水泥的理論需用水量約30%左右。但由于施工或制造上的要求，用水量往往加大到40～50%，甚至更大。為了解決這一問題，近年來在水硬性水泥中使用了水泥減水劑。但減水作用還是不夠理想，在保持施工所需的流動度的情況下，用水量可減少到35%左右，這并不能從本質上解決水泥材料的弱點。
以水泥材料為主，加入部分有機聚合物，降低水灰比，不摻入任何纖維增強材料，而又能大幅度提高材料抗彎強度的新型水泥材料，是英國帝國化學公司Birchall.J.D.等人首先發明的。據歐洲專利(EuropeanPatentApplicationNo.80301909.0No.80301907.4.No.81301228.3)介紹，這種材料選用的有機聚合物是甲基羥丙基纖維素、聚丙烯酰胺，水泥以硅酸鹽水泥為主。這類方法所制得的水泥材料，其抗彎曲強度可達40～60MPa。但該技術方法對水泥的顆粒級配要求較高，因此篩選水泥的工藝復雜，個別發明甚至提出要加入＜0.04μm的硅粉、鋁粉等，這在經濟上是不合算的，在工業上也是不容易實現的。
歐洲專利(EuropeanPatentApplicationNo.81305530.6)介紹了一種抗彎曲強度達100～150MPa的水泥材料。其基本組成是，選用高鋁水泥，摻入占水泥重量1～15%的部分醇解聚醋酸乙烯酯，加入一定份量的水(水泥重量的25%以下)。在選擇水泥和有機聚合物外加劑配比時，他們自制了一種稱之為小管流速計(Capillaryrheometer)的檢驗儀器。把一定配比的水泥、醇解聚醋酸乙烯酯和水混合后，攪拌成均勻的物料，物料經過擠壓通過小管流速計，當變化剪切比十倍時，觀察其剪切應力是否增加，剪切應力至少增加50%才能被選用，要制造抗彎曲強度達到100MPa以上的水泥材料，物料配方檢驗時，其剪切應力必須增加90%以上，要達到這一條件，在部分醇解聚醋酸乙烯酯的選擇上，就必須滿足聚醋酸乙烯酯的醇解度＜85%，遺憾的是，醇解度低于85%的醇解聚醋酸乙烯酯不容易生產，因而價格昂貴，國內市場供貨極缺，從而限制了該技術方法的應用。
本發明的目的在于利用市場貨源充足，價格便宜的醇解度為85%以上的聚醋酸乙烯酯，來制備超高強度水泥材料。
本發明選用醇解度高達88%以上，尤其是91%～98%的醇解聚醋酸乙烯酯，加入一定的水和輔助劑，與水泥混合，通過高剪切攪拌，再熱壓成所需形狀的水泥制品，然后在一定條件下養護，獲得了抗彎曲強度達150MPa以上，楊氏彈性模量為5.21×105kg/cm2、泊松比為0.14，密度為2.4克/cm3，表面硬度為91.5(巴氏度)、熱膨脹系數為8.11×10-6(1/℃)、導熱系數為1.6822×10-3卡/cm.s.℃，體積電阻率為1.32～7.01×1012Ω.cm的水泥材料。
本發明的配方如下①至少一種水硬性水泥;
②水的用量為組成中水硬性水泥重量的10～30%;
③至少一種水溶性有機聚合物，其用量為組成中水硬性水泥重量的1～15%;
④至少一種輔助劑，其用量為組成中水硬性水泥重量的0.5～10%。
水硬性水泥一般是硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥等，最好是鋁酸鈣水泥，例如，高鋁水泥或礬土水泥。水溶性有機聚合物是甲基纖維素、甲基羥丙基纖維素、聚丙烯酰胺、部分醇解聚醋酸乙烯酯等，這些水溶性有機聚合物中，部分醇解聚醋酸乙烯酯的效果為最好，例如PVA17-88，PVA17-92。輔助劑采用分子量小的醇類或醛類，例如，甘油。
將上述各組分經過高剪切攪拌、熱壓成型、養護，就制成了超高強度的水泥制品。整個制造工藝流程如附圖
。
本發明所采用的高剪切攪拌機與傳統的水泥攪拌機完全不同。由于在水泥中加入了粘度大的水溶性有機聚合物，用傳統的水泥混凝土攪拌設備無法使得物料攪拌均勻，因此，我們選擇了一種高剪切雙輥筒攪拌機作為物料的攪拌設備。物料能否攪拌均勻與下列因素有關水灰比;有機聚合物的種類及用量;雙輥筒攪拌機的輥直徑及雙輥的速度比;輔助劑種類及用量。水灰比一般要求在100∶8～100∶25的范圍內，最好在100∶1～100∶18的范圍內，有機聚合物采用PVA17-88或PVA17-92較好，其用量為水硬性水泥重量1～12%。雙輥筒攪拌機的輥直徑要求不小于50mm，較好是200～400mm，雙輥的速度比不宜過大，也不能太小，輥速比太小，不能把有機聚合物分散均勻，太小又會破壞物料的性能。雙輥的速度比一般要求為1∶1.02～1∶10，最好是在1∶1.2～1∶2的范圍里，輔助劑最好選用丙三醇。輔助劑用量太小不能起著軟化有機聚合物的作用，攪拌時，物料之間難于相對運動，也就難于制出揉塑性、連續性均好的物料。用量太大就會使得攪拌時間相對延長，物料過于柔軟，也難于出料。因此，輔助劑的用量須控制在水硬性水泥重量的0.5～10%的范圍內。最佳用量為1～3%。
按照前述水泥材料的配方配料，經過雙輥筒攪拌機攪拌后，從二輥間隙間出來的物料應該是揉塑性好、連續性好、富有彈性的與橡膠材料很相似的片材。按照不同的要求，可以把片材裁成不同規格的坯體，然后熱壓成型。熱壓條件為溫度不低于40℃;壓力為不小于1MPa;最佳為4～8MPa;熱壓時間不少于5分鐘。熱壓處理后的坯體為半成品，已經能夠承受一定的外界作用力，但還需要養護，才能使其強度充分發揮出來。本發明的養護既可采用濕熱養護，也可采用干熱養護。濕熱養護條件為在常壓環境中，溫度不低于30℃，相對濕度60%以上，養護時間不少于24小時，再移到室溫環境中養護;干熱養護的條件可采用下述兩種之一，(1)熱壓處理后的坯體直接移到溫度為不小于40℃的常壓環境中，干燥時間不少于24小時，再在室溫下養護;(2)熱壓處理后的坯體先在室溫下養護，然后移到溫度為40℃以上的常壓環境中，干燥時間不少于24小時，最后移到室溫下養護。
實例說明水泥材料的配方均以重量比計算。
抗彎曲強度按3356～82規定的彎曲性能試驗方法規定，卽采用簡支梁三點彎曲試驗法，用公式of= (3pι)/(2bh2) 計算彎曲強度。
抗沖擊強度按GB1451-78規定的試驗方法測定，其抗沖擊強度用公式ak＝A/bh求得。
例1100份高鋁水泥，11份水，7份PVA17-88，1.5份甘油，先把稱量好的物料初步攪拌，接著投入雙輥筒攪拌機中反復攪拌，物料均勻后，按要求調整二輥之間的距離至3mm。從二輥間出一片3mm厚的揉塑性好，富有彈性的片板。裁成規格為300×300mm的片板后，用鋼板夾住，再經熱壓處理，熱壓處理條件為溫度80℃，壓力3MPa，時間20分鐘。完畢后移到養護箱中養護。養護條件為常壓，溫度80℃，干燥狀態，時間24小時，從養護箱中移出，在室溫下養護2天。
把板材根據測試要求，用金剛鋸鋸成所需要的規格。
測試結果抗彎曲強度185MPa;
抗沖擊強度18.6KJ/m2例2100份高鋁水泥，14份水，7份PVA17-88，1.5份甘油，其他步驟同例1。
測試結果抗彎曲強度154MPa;
抗沖擊強度16.2KJ/m2例3100份高鋁水泥，14份水，7份PVA17-92，2份甘油，其他步驟同例1。
測試結果抗彎曲強度140MPa抗沖擊強度12.8KJ/m權利要求
1.一種超高強水泥材料，其組成包括a、至少一種水泥，主要是鋁酸鹽水泥或硅酸鹽水泥，b、至少一種醇解度不低于50%的水溶性有機聚合物或共聚物，其重量百分比為水硬性水泥的1～15%，c、組分中水的重量百分比為水硬性水泥的10～30%，本發明的特征是水溶性有機聚合物或共聚物是醇解度為91～98%的聚醋酸乙烯酯，其用量為水硬性水泥重量的1～12%，并添加分子量小的醇類或醛類作為輔助劑。
2.按權利要求1所述的材料，其特征是組分中水的重量百分比為水硬性水泥的10～18%。
3.按權利要求1所述的材料，其特征是輔助劑為丙三醇，丙三醇的使用的重量百分比為水硬性水泥的0.5～10%。
4.按權利要求1和3所述的材料，其特征是丙三醇使用的重量百分比為水硬性水泥的1～3%。
5.一種超高強水泥材料的制造方法，本發明的特征是將上述各組分一起經高剪切雙輥筒攪拌機攪拌均勻，通過熱壓成型，養護，卽成超高強水泥材料。
6.按權利要求5所述的方法，其特征是高剪切雙輥筒攪拌機的輥直徑不小于50mm。
7.按權利要求5和6所述的方法，其特征是高剪切雙輥筒攪拌機的輥直徑在200～400mm范圍內。
8.按權利要求5所述的方法，其特征是高剪切雙輥筒攪拌機的輥速比為1∶1.02～1∶10。
9.按權利要求5和8所述的方法，其特征是高剪切雙輥筒攪拌機的輥速比為1∶1.2～1∶2。
10.按權利要求5所述的方法，其特征是熱壓成型的熱壓條件為溫度不小于40℃，壓力不小于1MPa，熱壓時間不小于5分鐘。
11.按權利要求5和10所述的方法，其特征是熱壓條件中的壓力控制在4～8MPa。
12.按權利要求5所述的方法，其特征是養護可采用濕熱養護，也可采用干熱養護。
13.按權利要求5和12所述的方法，其特征是濕熱養護的條件是，在常壓環境中，溫度控制在30℃以上，相對濕度控制在60%以上，養護不少于24小時，再移到室溫環境下養護。
14.按權利要求5和12所述的方法，其特征是干熱養護的條件是，a、熱壓處理后的坯體直接移到溫度為40℃以上的常壓環境中，干燥不少于24小時，再在室溫下養護。b、熱壓處理后的坯體先在室溫下養護，然后移到溫度為40℃以上的常壓環境中，干燥時間不少于24小時，最后移到室溫下養護。
全文摘要
超高強水泥材料組成及其制造方法，以水泥、水、有機聚合物、加上輔助劑為其組成，將各組分一起經高剪切雙輥筒攪拌機攪拌，然后裁成不同規格的坯體，通過熱壓成型，再經養護即成超高強水泥材料。超高強水泥材料的抗彎曲強度較一般水泥材料提高25～30倍，達到150MPa以上，抗沖擊強度達10KJ/m
文檔編號C04B28/02GK1039788SQ8810567
公開日1990年2月21日 申請日期1988年2月15日 優先權日1988年2月15日
發明者王卉, 趙立宇, 陳江, 李發煥, 劉清漢 申請人:湖南省建筑材料研究設計院