CN103496894B - 一种钢纤维与高性能合成纤维混杂的增韧型rpc及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种钢纤维与高性能合成纤维混杂的增韧型RPC及制备方法,属于混凝土技术领域。其原料包括普通水泥、超细水泥、掺合料、外加剂、钢纤维、粗聚丙烯纤维、细聚乙烯醇纤维、水,水胶比为0.18~0.21,普通水泥、超细水泥分别占混凝土总质量的17%~20%、8%~9%,钢纤维、粗聚乙烯醇纤维、细聚乙烯醇纤维分别为整个混凝土体积的1%~3%、1.2%~1.7%、0.3%~0.6%。制备时,将砂和粉料倒入搅拌机搅拌均匀,然后加入外加剂和水,待拌合物由颗粒状转变为胶体时,掺入纤维进行搅拌,待纤维分散均匀后进行浇筑,振动密实或振捣成型并养护。本发明可以提高RPC的力学韧性,并提高材料的经济性和广泛应用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢纤维与高性能合成纤维混杂的增韧型RPC及制备方法,属于混凝土技术领域,适用于桥梁、道路、房屋建筑结构构件等对韧性要求较高的混凝土工程结构,属于混凝土技术领域。
背景技术
RPC(ReactivePowderConcrete,以下简写为RPC),是一种具有超高强、高耐久性和高体积稳定性的新型高性能混凝土。由于其制备、施工工艺的不同,使其力学性能、变形能力和耐久性明显区别于普通混凝土和高强混凝土,包括:无粗骨料,最大限度地减小尺寸缺陷;掺加钢纤维,增加韧性;使用高效减水剂,降低水胶比和孔隙率;高温养护,促进胶凝材料的水化反应。RPC适用于对结构有高耐久、高强和轻质要求的工程领域。但是,未加钢纤维的RPC变形能力较差,脆性大,属于无预兆的脆性破坏。掺入钢纤维虽有一定的阻裂性能,增加材料韧性,但钢纤维掺量较少时,其增韧效果有限,而加入过多则可能造成搅拌困难,混凝土不密实与造价过高等缺点。由于RPC的韧性主要由钢纤维与基体之间的相对滑移摩擦力提供,而摩擦力的大小由基体的密实程度和纤维的掺量决定。如果加入过多的钢纤维,基体密实性得不到保障、流动性差,从而减少了纤维与基体的粘结强度,RPC的高强度和韧性又实现不了,因此只掺入钢纤维对提高RPC韧性的作用有限。
如果在RPC中加入掺入钢纤维的同时,掺入粗聚乙烯醇纤维和高强度和高模量聚乙烯细纤维。粗聚乙烯醇纤维是一种合成纤维,其分散性很好,强度高,表面有羟基,与水泥基体粘结粘结性能优越,其增韧效果非常明显;聚乙烯醇纤维生产原料来源广、制备简单、价格较低、应用广泛。另外粗聚乙烯醇纤维直径较大、表面为压痕异形且粗糙,与基体之间接触面积大,机械锚固力强,纤维在于基体滑移的工程中,显著改善RPC的韧性和耗能能力。但由于粗聚乙烯醇纤维对微观、细观微裂纹的阻裂效果较小,而细聚乙烯纤维具有亲水性、高强度、高弹性模量、以及良好的界面粘结性能,该纤维耐磨、抗酸碱、耐候性等优势。因属于亲水性材料,与水泥等组成的基体结合紧密,可以显著改善混凝土微观结构和提高韧性。RPC中加入细聚乙烯纤维,纤维在胶体中均匀分布可以延缓RPC的微细裂缝的萌生和扩展,增加基体抗裂性和耗能能力,最终提高RPC的韧性。但细聚乙烯纤维直径小、掺量高时影响分散性,因此增韧效果受到限制。将钢纤维、粗聚乙烯醇纤维和细聚乙烯纤维同时加入RPC,充分发挥粗聚聚乙烯醇纤维易分散和可以较高掺量的优势,同时掺入的细聚乙烯纤维与混凝土基体粘结性能优异、强度和弹性模量高、阻裂效果显著等优势。因此钢纤维、粗聚乙烯醇纤维和细聚乙烯纤维在RPC中能够交错分布相互补充、优势互补,实现在不同尺度、不同层次的增韧和增强,以充分发挥各自的特性和优势,最终达到良好的混合增韧效果。
发明内容
粗聚乙烯醇纤维表面有羟基,属于亲水材料,其直径大、表面压痕、粗糙,与基体之间接触面积大,机械锚固力强,能够很好的增加混凝土的韧性;另外,粗聚乙烯醇纤维分散性很好,掺量可较高,而不结团。细聚乙烯纤维具有亲水性、高强高模量的特点,与水泥等组成的基体结合较为紧密,在混凝土中具有很好的分散性,与RPC界面粘结牢靠,可改善RPC微观结构,可延缓RPC内部微细裂缝的萌生和扩展,实现多裂缝扩展。但细聚乙烯纤维直径小、比较柔软,不宜掺量高。因此,经发明人实践,将钢纤维和这两种合成纤维按照一定的体积掺量同时加入到RPC中,既利用粗聚乙烯醇纤维分散性优异和增韧效果显著的特点,同时也充分利用细聚乙烯纤维的亲水性、高强高模量和界面粘结性能优越的特点,进而每种纤维的优势得到充分利用,最终实现RPC增韧的目的。
为实现上述目的,本发明采用了如下技术方案:
一种钢纤维与高性能合成纤维混杂的增韧型RPC,其特征在于:其原料组份包括普通水泥、超细水泥、石英砂、掺合料、外加剂、钢纤维、粗聚乙烯醇纤维、细聚乙烯纤维、水;其中水胶比为0.18~0.21,普通水泥、超细水泥分别占混凝土总质量的17%~20%、8%~9%,钢纤维长度为10~13mm、直径为0.15~0.25mm;粗聚乙烯醇纤维长度为35~45mm、直径为0.9~1.2mm;细聚乙烯纤维长度为8~14mm、直径为10~14μm;纤维掺量按占混凝土总体积的百分比计算,钢纤维、粗聚乙烯醇纤维、细聚乙烯纤维分别为整个混凝土体积的1%~3%、1.2%~1.7%、0.3%~0.6%、石英砂的用量为混凝土总质量的40-44%。
所述的掺合料为粒化高炉矿渣,比表面积为400-440m2/kg,其用量为混凝土总质量的16-17%。
所述的外加剂包括减水剂、消泡剂,可以改善混凝土性能的材料。减水剂的掺量为胶凝材料质量的1%~1.5%,减水剂重量不包括减水剂中水的重量,如果减水剂含有水,计算时把其中的水折算到水的用量中。消泡剂的掺量为胶凝材料质量的0.15%~0.5%。
所述的石英砂为天然石英砂,石英砂为40~70目,粒径为0.2~0.4mm。
所述的水应符合《混凝土拌合用水标准》JGJ63-89的规定。
所述的超细水泥比表面积不低于570m2/kg。
所述的普通水泥比表面积为350m2/kg。
一种钢纤维与高性能合成纤维混杂增韧型RPC的制备方法,制作步骤包括如下:
搅拌:将砂和普通水泥、超细水泥、掺合料倒入搅拌机,搅拌1~2分钟,均匀后,将水和外加剂混合液体缓慢倒入搅拌机里,倒入过程控制在50秒-1分钟;当拌合物由颗粒状转变为胶体状态时,均匀的掺入钢纤维、粗聚烯烃纤维和细聚乙烯醇纤维进行搅拌,搅拌2~3分钟待纤维分散均匀后进行试块浇筑,并按需要选用振动台振动密实或采用振捣棒进行振捣成型。
养护:标准静置养护48h,然后在温度为90度,湿度为95%的环境下养护72h,最后常温养护至试验。
本发明的有益效果如下:
该混杂纤维增韧型RPC,除具有一般RPC的高强度、高耐久性等特性,同时由于不同品种纤维的混掺,可以改善RPC内部结构,延缓RPC微观/细观裂纹的萌生和扩展,保证RPC开裂后的持续承载,显著提高RPC的韧性,具有一般合成纤维混凝土和单一钢纤维增强RPC没有的应***化效应和多裂缝扩展特性。因为粗聚乙烯醇纤维的加入可以明显提高RPC的韧性和降低开裂后承载力的下降速率;细聚乙烯纤维的加入不仅有提高RPC的韧性作用,改善了RPC内部细观结构、延缓了RPC微观裂缝的萌生和扩展;钢纤维的加入则保证了RPC的强度,三种纤维在基体的乱向分布,优势互补,可以充分发挥每种纤维的特性,从而使得增韧效果达到最佳。
在使用过程中通过对纤维掺量、水胶比的改变和优化,可以提高RPC的力学韧性,并提高材料的经济性和广泛应用性。
说明书附图
图1Nemkumar韧性计算示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明,但本发明并不限于以下实施例。
实施例采用的以下典型的材料配合比列于表1。
实施例采用的以下典型的材料配合比列于表1。
表1实施例材料配合比
对于表格中所用的材料:
所用的普通水泥等级为PO.42.5;
所用的石英砂为天然石英砂,粒径为0.2~0.4mm;
所用的水符合《混凝土拌合用水标准》JGJ63-89的规定,上表格中水的质量为去外加剂中所含水后的水的质量;
所用的钢纤维直径0.2mm,长度13mm,密度7.8×103kg/m3,,抗拉强度达到2850MPa;
所用的粗聚乙烯醇纤维直径1mm,长度40mm,密度1.1×103kg/m3;
所用的细聚乙烯纤维直径为14μm,长度为12mm;密度0.98×103kg/m3;
所用的减水剂为巴斯夫高效聚羧酸类减水剂;
所用的消泡剂为PRS-6复合消泡剂(液体)。
其制作过程如下:
将砂和粉料倒入搅拌机,慢搅拌2分钟,均匀后,将水和外加剂的混合液缓慢倒入搅拌机里,倒入时间控制在1分钟左右;当拌合物由颗粒状转变为胶体状态时,根据实施例中掺纤维的种类和掺量缓慢均匀的掺入钢纤维、粗聚乙烯醇纤维和细聚乙烯纤维进行搅拌,快速搅拌2分钟后进行试块浇筑,然后在振动台上振动30秒。把浇筑好的试块放在标准养护室里静置养护48h,然后在温度为90度,湿度为95%的环境下养护72h,最后常温养护至试验。
用实施例1~4各制备了3个40mm×40mm×160mm试件,采用微机控制电子万能试验机进行弯曲韧性试验。采用Nemkumar方法处理数据得到弯曲韧性指标PCSm(Post-crackstrength)结果见表2,PCSm定义为
式中:Epost,m为峰值荷载后荷载-挠度曲线下的面积;L为两支座之间的跨距(取100mm);δ为峰值荷载对应的挠度值;b、h分别为梁截面的宽和高(均为40mm);L/m为梁的挠,且L/m>δ,取m=25,如图1所示。
表2试验韧性指标PCSm值
编号 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
PCSm(MPa) | 4.295 | 6.013 | 8.979 | 12.230 |
由表2可以看出,实施例2与实施例1对比可知,掺入了钢纤维和粗聚乙烯醇纤维的RPC试件比只单掺入钢纤维的试件韧性指标提高了40%。
实施例3与实施例1对比可知,掺入了钢纤维和细聚乙烯纤维的RPC试件比单掺入钢纤维的试件韧性指标提高了109%,提高的效果不是很明显,并且试件初裂后,承载力有一个明显的跳跃下降。
实施例4与实施例1、2、3对比可知,同时加入钢纤维、粗聚乙烯醇纤维、细聚乙烯纤维的试件,其韧性分别比只掺入钢纤维、掺入钢纤维和粗聚乙烯醇纤维、掺入钢纤维和细聚乙烯纤维的试件分别提高了40%、109%、185%,增韧效果特别明显。试验过程中,即使试件破坏时,试件还保持着很好的整体性,裂缝出现后承载力下降缓慢,并且有应***化现象和多裂缝扩展特征,即在荷载-挠度全曲线的下降段,出现了过峰值荷载后承载力下降一段后,承载力又开始上升,出现了2个峰值荷载,这是一般纤维混凝土和单一纤维增强RPC所没有的特性。通过对破坏截面观察发现截面纤维分布均匀,钢纤维、粗聚乙烯醇纤维和细聚乙烯纤维分布均匀,未出现纤维上浮、结团的现象,各种纤维的特性得到充分利用,实现良好的增韧效果。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种钢纤维与高性能合成纤维混杂的增韧型RPC,其特征在于:其原料组份包括普通水泥、超细水泥、石英砂、掺合料、外加剂、钢纤维、粗聚乙烯醇纤维、细聚乙烯纤维、水;其中水胶比为0.18~0.21,普通水泥、超细水泥分别占混凝土总质量的17%~20%、8%~9%,钢纤维长度为10~13mm、直径为0.15~0.25mm;粗聚乙烯醇纤维长度为35~45mm、直径为0.9~1.2mm;细聚乙烯纤维长度为8~14mm、直径为10~14μm;纤维掺量按占混凝土总体积的百分比计算,钢纤维、粗聚乙烯醇纤维、细聚乙烯纤维分别为整个混凝土体积的1%~3%、1.2%~1.7%、0.3%~0.6%、石英砂的用量为混凝土总质量的40%~44%;
所述的掺合料为粒化高炉矿渣,比表面积为400-440m2/kg,其用量为混凝土总质量的16-17%;
所述的外加剂包括减水剂、消泡剂,可以改善混凝土性能的材料;减水剂的掺量为胶凝材料质量的1%~1.5%,减水剂重量不包括减水剂中水的重量,如果减水剂含有水,计算时把其中的水折算到水的用量中;消泡剂的掺量为胶凝材料质量的0.15%~0.5%。
2.按照权利要求1的一种钢纤维与高性能合成纤维混杂的增韧型RPC,其特征在于:所述的石英砂40~70目,粒径为0.2~0.4mm。
3.按照权利要求1的一种钢纤维与高性能合成纤维混杂的增韧型RPC,其特征在于:所述的超细水泥比表面积不低于570m2/kg。
4.按照权利要求1的一种钢纤维与高性能合成纤维混杂的增韧型RPC,其特征在于:所述的普通水泥比表面积为350m2/kg。
5.制备权利要求1~4所述的任一钢纤维与高性能合成纤维混杂的增韧型RPC的方法,其特征在于:步骤包括如下:
搅拌:将砂和普通水泥、超细水泥、掺合料倒入搅拌机,搅拌1~2分钟,均匀后,将水和外加剂混合液体倒入搅拌机里,倒入过程控制在50秒~1分钟;当拌合物由颗粒状转变为胶体状态时,均匀的掺入钢纤维、粗聚乙烯醇纤维和细聚乙烯纤维进行搅拌,搅拌2~3分钟待纤维分散均匀后进行试块浇筑,并按需要选用振动台振动密实或采用振捣棒进行振捣成型;
养护:标准静置养护48h,然后在温度为90度,湿度为95%的环境下养护72h,最后常温养护至试验。
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