CN111056790A - 一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种复掺微‑纳米级纤维高性能混凝土及制备方法，本发明属于混凝土技术领域，实现了宏观纤维与微观纳米级纤维在混凝土破坏的不同阶段协同作用，从而提高混凝土力学性能及耐久性。该混凝土掺入聚乙烯醇纤维与纳米碳纤维，抗压、抗折强度和抗裂性能均得到显著提高，可应用于对强度和抗裂性能均有要求的结构。制备方法是按重量称取水泥、粉煤灰、粗骨料及细骨料并投入到混合料中，拌合均匀，将聚乙烯醇纤维分多次加入混合料中，而后将纳米碳纤维、减水剂及适量水混合，经超声波分散，制得碳纳米管浆体；最后将剩余水、减水剂及纳米碳纤维浆体投入混合料中，搅拌均匀，即为混杂聚乙烯醇‑纳米碳纤维纤维混凝土。

Description

一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土及制备方法
技术领域
本发明属于混凝土技术领域，具体涉及一种混杂聚乙烯醇-纳米碳纤维高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
高性能混凝土作为一种新型高技术混凝土，兼具高耐久性、高强和高工作性的特点，被工程界普遍认为是混凝土材料重要的发展方向。但在拥有众多优良性能的同时，其高胶凝材料用量、低水胶比的特点也为其带来了高脆性及更易开裂的特点。为改善这一特点，国内外学者普遍采用在混凝土中掺加纤维的方式提高混凝土的韧性。
研究表明，混凝土内部分布着大量的微裂缝，而混凝土的破坏过程就是裂缝的产生并不断扩展直至失稳的过程。纤维的掺入，有利于约束混凝土的塑性变形，分担混凝土内的应力，推迟或阻碍微裂缝的产生和发展。同时不同尺寸、不同弹性模量的纤维在抑制混凝土破坏过程中的作用机理存在一定差异。因此将多种纤维混掺在混凝土中，以发挥其协同作用，进一步改善混凝土性能是目前纤维混凝土重要的研究方向之一。
聚乙烯醇纤维(PVA纤维)作为一种经先进技术加工而成的新型合成纤维，具有高强、高弹模、耐磨及耐腐蚀性等特点，且与混凝土基体材料的粘结性良好，从而可以有效提升混凝土的韧性。
纳米碳纤维(CNFs)是以转移裂缝、空洞间的荷载的方式来抑制裂缝的发展，实现混凝土的宏观及微观结构的具体的改进。其中，纳米碳纤维作为一种新型碳材料，是化学气相生长碳纤维另一种形式的表现，它是由气相碳氢化合物裂化分解而得到，属于非连续性石墨纤维，其直径为50～200nm，长径比100～1000。与普通碳纤维比较，除了具有一般共有特性之外，它还含有其他一些特殊的优越性，如长径比很大、比表面积大、结构致密等。同时，其作为纳米材料，具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等纳米材料特性。掺入到混凝土中，可以提高混凝土活性，改善混凝土耐久性能，并增强混凝土的功能性要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土及制备方法，本发明属于混凝土技术领域，实现了宏观纤维与微观纳米级纤维在混凝土破坏的不同阶段协同作用，从而提高混凝土力学性能及耐久性，并为实际工程应用提供依据。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土，其特征在于在高性能混凝土基质中掺有为混凝土胶凝材料质量0.05％～0.3％的纳米碳纤维和混凝土体积分数0.05％～0.3％的聚乙烯醇纤维，混凝土基质的重量分数组成为：水1份、水泥2.24份、碎石7.09份、砂3.82份、粉煤灰0.39份、减水剂0.03份。
上述的一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土，所述碎石粒径为5～20mm连续级配；所述砂为河砂且是细度模数为2.64的天然中砂；所述水泥为强度等级为P·O42.5的普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；所述减水剂为聚羧酸减水剂。
上述的一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土，所述纳米碳纤维，直径150nm，长度5-10μm。
上述的一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土，所述所述聚乙烯醇纤维，直径31μm，长度12mm。
上述的一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土，在设计掺量范围内，为提高混凝土的抗压强度，其最佳配合比为：水和胶凝材料的质量比为0.35、粉煤灰体积掺量20％、聚乙烯醇纤维体积掺量0.1％、纳米碳纤维质量分数0.1％。
上述的一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土土，在设计掺量范围内，为提高混凝土的抗折强度，其最佳配合比为：水胶比0.35、粉煤灰体积掺量25％、聚乙烯醇纤维体积掺量0.3％、纳米碳纤维质量分数0.3％。
上述的一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土，在设计掺量范围内，为提高混凝土的断裂韧性，其最佳配合比为：水胶比0.35、粉煤灰体积掺量25％、聚乙烯醇纤维体积掺量0.3％、纳米碳纤维质量分数0.3％。
上述的一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：
一、在强制搅拌机中将称量好的胶凝材料和细骨料搅拌1min；
二、加入粗骨料和减水剂再搅拌1min；
三、当骨料和胶凝材料搅拌均匀后加入1/3水将混合料搅拌至湿润，而后将PVA纤维分多次加入搅拌机搅拌直至纤维无团聚现象；
四、按重量称取水和聚羧酸高性能减水剂，将纳米碳纤维、减水剂和水以质量比1:2:50的比例混合，经超声波分散6min，制得纳米碳纤维混合液；
五、将剩余水、聚羧酸高性能减水剂及步骤四中制得的纳米碳纤维混合液投入步骤三制得的干料中，搅拌均匀，所得即为混杂聚乙烯醇-纳米碳纤维高性能混凝土。
本发明的有益效果如下：
第一，通过以粉煤灰等量取代水泥，提高了混凝土的工作性能；提高混凝土强度的同时更有利于纳米碳纤维的分散。
第二，明确地提出了一种纳米碳纤维分散方法，进而使得纳米碳纤维能够均匀分散在混凝土基体中。
第三，混杂纤维通过对混凝土起到提升材料内部整体性和抑制微裂缝的产生与发展的改性作用，使得混凝土抗压、抗折强度和抗裂提高效果明显。
附图说明
图1为对照组混凝土轴压破坏实验后试件形态照片；
图2为本发明方法制备的混凝土轴压破坏实验后试件形态照片；
图3为对照组混凝土抗折破坏实验后试件形态照片；
图4为本发明方法制备的混凝土抗折破坏实验后试件形态照片；
图5为对照组混凝土疲劳加载实验后试件形态照片；
图6为本发明方法制备的混凝土疲劳加载实验后试件形态照片。
具体实施方式
具体实施方式一：
一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土，其特征在于在高性能混凝土基质中掺有为混凝土胶凝材料质量0.05％～0.3％的纳米碳纤维和混凝土体积分数0.05％～0.3％的聚乙烯醇纤维，混凝土基质的重量分数组成为：水1份、水泥2.24份、碎石7.09份、砂3.82份、粉煤灰0.39份、减水剂0.03份。
上述的一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土，所述碎石粒径为5～20mm连续级配；所述砂为河砂且是细度模数为2.64的天然中砂；所述水泥为强度等级为P·O42.5的普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；所述减水剂为聚羧酸减水剂。
上述的一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土，所述纳米碳纤维，直径150nm，长度5-10μm。
上述的一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土，所述所述聚乙烯醇纤维，直径31μm，长度12mm。
上述的一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：
一、在强制搅拌机中将称量好的胶凝材料和细骨料搅拌1min；所述胶凝材料为水泥；细骨料为河砂；
二、加入粗骨料和减水剂再搅拌1min；所述粗骨料为碎石；减水剂为聚羧酸高性能减水剂；
三、当骨料和胶凝材料搅拌均匀后加入1/3水将混合料搅拌至湿润，而后将PVA纤维分多次加入搅拌机搅拌直至纤维无团聚现象；
四、按重量称取水和聚羧酸高性能减水剂，将纳米碳纤维、减水剂和水以质量比1:2:50的比例混合，经超声波分散6min，制得纳米碳纤维混合液；
五、将剩余水、聚羧酸高性能减水剂及步骤四中制得的纳米碳纤维混合液投入步骤三制得的干料中，搅拌均匀，所得即为混杂聚乙烯醇-纳米碳纤维高性能混凝土。
实施例1：
立方体抗压强度实验：本实施例共制作10组试件，其中1组不添加纤维作为对照组，9组通过正交实验设计掺入混杂纤维作为试验组。基体混凝土的重量分数组成为：水1份、水泥2.24份、碎石7.09份、砂3.82份、粉煤灰0.39份、减水剂0.03份。
立方体抗压强度测试采用100mm×100mm×100mm的立方体，每组做3个试件，试验分组及测试结果如下：
Figure BDA0002317048350000041
从表中的试验数据可知，本发明通过适当的聚乙烯醇纤维及纳米碳纤维配比可以充分发挥混杂纤维的增益作用，从而提高了混凝土的抗压强度，其中强度提高幅度最高为组A1B2C2D2，比对照组高出19.6％。
实施例2：
抗折强度：本实施例共制作10组试件，其中1组不添加纤维作为对照组，9组通过正交实验设计掺入混杂纤维作为试验组。
基体混凝土配合比同实施例1。
抗折强度测试采用边长为100mm×100mm×400mm的长方体，每组做3个试件，试验分组及测试结果如下：
Figure BDA0002317048350000051
从表中的试验数据可知，本发明通过适当的聚乙烯醇纤维及纳米碳纤维配比可以充分发挥混杂纤维的增益作用，从而提高了混凝土的抗折强度，其中强度提高幅度最高为组A1B3C3D3，比对照组高出23.9％。
实施例3：
断裂韧性：本实施例共制作10组试件，其中1组不添加纤维作为对照组，9组通过正交实验设计掺入混杂纤维作为试验组。
基体混凝土配合比同实施例1。
断裂韧性测试采用100mm×100mm×515mm尺寸试件，每组做3个试件，试验分组及测试结果如下：
Figure BDA0002317048350000061
从表中的试验数据可知，本发明通过适当的聚乙烯醇纤维及纳米碳纤维配比可以充分发挥混杂纤维的增益作用，从而提高了混凝土的断裂韧性，其中强度提高幅度最高为组A1B3C3D3，比对照组高出249％。
图1和图2是组A1B1C1D1及组A1B2C2D2立方体受压破坏后试件形态。
图3和图4是组A1B1C1D1及组A1B2C2D2抗折试验破坏后试件形态。
图5和图6是组A1B1C1D1及组A1B2C2D2断裂韧性试验破坏后试件形态。

Claims (9)

1.一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土，其特征在于在高性能混凝土基质中掺有为混凝土胶凝材料质量0.05％～0.3％的纳米碳纤维和混凝土体积分数0.05％～0.3％的聚乙烯醇纤维。
2.根据权利要求1所述的一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土，其特征在于高性能混凝土基质的重量分数组成为：水1份、水泥2.24份、碎石7.09份、砂3.82份、粉煤灰0.39份和减水剂0.03份。
3.根据权利要求1或2所述的一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土，其特征在于所述碎石粒径为5～20mm连续级配；所述河砂是细度模数为2.64的天然中砂；所述水泥为强度等级为P·O42.5的普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；所述减水剂为聚羧酸减水剂。
4.根据权利要求1或2所述的一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土，其特征在于所述纳米碳纤维，直径150nm，长度5-10μm。
5.根据权利要求1或2所述的一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土，其特征在于所述聚乙烯醇纤维，直径31μm，长度12mm。
6.根据权利要求1或2所述的一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土，混凝土的配合比为：水胶比0.35、粉煤灰体积掺量20％、聚乙烯醇纤维体积掺量0.1％、纳米碳纤维质量分数0.1％。
7.根据权利要求1或2所述的一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土，混凝土的配合比为：水胶比0.35、粉煤灰体积掺量25％、聚乙烯醇纤维体积掺量0.3％、纳米碳纤维质量分数0.3％。
8.根据权利要求1或2所述的一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土，混凝土的配合比为：水胶比0.35、粉煤灰体积掺量25％、聚乙烯醇纤维体积掺量0.3％、纳米碳纤维质量分数0.3％。
9.一种权利要求1至5任一项所述的一种复掺微-纳米级纤维高性能混凝土的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
一、在强制搅拌机中将称量好的胶凝材料和细骨料搅拌1min；
二、加入粗骨料和减水剂再搅拌1min；
三、当骨料和胶凝材料搅拌均匀后加入1/3水将混合料搅拌至湿润，而后将PVA纤维分多次加入搅拌机搅拌直至纤维无团聚现象；
四、按重量称取水和聚羧酸高性能减水剂，将将纳米碳纤维、减水剂和水以质量比1:2:50的比例混合，经超声波分散6min，制得纳米碳纤维混合液；
五、将剩余水、聚羧酸高性能减水剂及步骤四中制得的纳米碳纤维混合液投入步骤三制得的干料中，搅拌均匀，所得即为混杂聚乙烯醇-纳米碳纤维高性能混凝土。
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