CN114349428A - 一种玄武岩纤维增强混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种玄武岩纤维增强混凝土及其制备方法，所述玄武岩纤维增强混凝土的制备原料包括水泥、硅灰、粉煤灰、细骨料、粗骨料、减水剂、水和玄武岩纤维；其中，所述玄武岩纤维的直径为15μm、长度为19mm、密度为2.71g/cm³、抗拉强度为4500MPa。在本公开中，将玄武岩纤维应用于混凝土中时，玄武岩纤维与水泥基体的密切组合可以有效吸收混凝土的拉应力，提高混凝土阻裂能力，进而能够抑制和减少裂缝的产生，提高混凝土耐久性以及抗折强度，从而避免混凝土结构在抗折强度不足时暴露出的严重的安全性问题。

Description

一种玄武岩纤维增强混凝土及其制备方法

技术领域

本公开涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种玄武岩纤维增强混凝土及其制备方法。

背景技术

自20世纪70年代以来，在混凝土中加入随机分布的纤维，制造纤维增强混凝土已经被确定并实践为一种提高混凝土抗拉强度、抗弯强度和劈拉强度的解决方案。具有几何尺寸和物理力学性能的纤维可在混凝土的不同层次和受力阶段内充分发挥各自的增强效果，显著改善混凝土的韧性和抗冲击性能。

纤维在纤维混凝土中的主要作用，在于限制在外力作用下水泥基料中裂缝的扩展；在受荷(拉、弯)初期，当配料合适并掺有适宜的高效减水剂时，水泥基料与纤维共同承受外力，而前者是外力的主要承受者；当基料发生开裂后，横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。其中，聚丙烯纤维、钢纤维是最常见的纤维类型；聚丙烯膜裂纤维是一种束状的合成纤维，拉开后成网络状，聚丙烯纤维的机械粘结效果较好，钢纤维的弹性模量和强度较大，将其掺入混凝土中可改善混凝土的力学性能和耐久性能；而钢纤维混凝土成本高，施工难度也比较大，必须用在最应该用的工程上；如重要的隧道、地铁、机场、高架路床、溢洪道以及防爆防震工程等。

因此，想要提供一种较低成本的且能够改善混凝土抗折性能的纤维增强混凝土。

发明内容

为了解决上述技术问题，本公开提供了一种玄武岩纤维增强混凝土及其制备方法。

第一方面，本公开提供了一种玄武岩纤维增强混凝土，所述玄武岩纤维增强混凝土的制备原料包括水泥、硅灰、粉煤灰、细骨料、粗骨料、减水剂、水和玄武岩纤维；

其中，所述玄武岩纤维的直径为15μm、长度为19mm、密度为2.71g/cm³、抗拉强度为4500MPa。

玄武岩纤维是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料，由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成；其不仅强度高，而且还具有电绝缘、耐腐蚀、耐高温等多种优异性能；因此，在一定条件下玄武岩纤维可代替钢纤维、聚丙烯纤维作为混凝土的增强、增韧材料。

在本公开中，玄武岩纤维的掺加能够使混凝土的抗压强度及抗渗性能增强，孔隙率降低，有效地提高混凝土的力学性能，特别是对抗折性能的提升，本公开得到的玄武岩纤维增强混凝土为一种高抗折性能的改性混凝土。

本公开通过选用特定的玄武岩纤维，相比于其他的玄武岩纤维，对混凝土的抗压性能和抗折性能均有明显提升。

作为本公开的一种优选技术方案，在所述制备原料中，所述玄武岩纤维的添加量为所述玄武岩纤维增强混凝土总质量的0.15-0.45％，例如0.20％、0.25％、0.30％、0.35％、0.40％等。

作为本公开的一种优选技术方案，以重量份计，所述制备原料包括如下组分：

作为本公开的一种具体实施方式，以重量份计，所述制备原料包括如下组分：

还包括所述玄武岩纤维增强混凝土总质量的0.15-0.45％的玄武岩纤维。

作为本公开的一种优选技术方案，所述水泥为P·O 52.5级普通硅酸盐水泥。

作为本公开的一种优选技术方案，所述细骨料为细度模数为2.78的河砂。

作为本公开的一种优选技术方案，所述粗骨料为粒径最大为20mm的碎石。

作为本公开的一种优选技术方案，所述减水剂为减水率为25％的萘系减水剂。

本公开通过在混凝土中添加玄武岩纤维优化砌性能，玄武岩纤维混凝土的静、动态力学性能，可以弥补混凝土的部分缺陷；当玄武岩纤维应用于混凝土中时，掺入的玄武岩纤维能够抑制和减少裂缝的产生，增加混凝土耐久性；加入玄武岩纤维能够提升混凝土抗折强度，降低混凝土坍落度和抗折荷载偏转曲线；且由于玄武岩纤维本身刚度较大，进而进一步提高了混凝土的抗折强度和抗折韧性因子，因此本公开提供的玄武岩纤维增强混凝土能够改善混凝土典型的脆性特征，极大地提升混凝土的抗折能力，从而解决混凝土在实际应用中的安全问题。

第二方面，本公开提供了第一方面所述的玄武增强混凝土的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将细骨料和粗骨料混合，然后加入水泥、粉煤灰和硅灰继续搅拌；

(2)将部分玄武岩纤维加入步骤(1)的混合物中混合；

(3)将减水剂和水混合后与步骤(2)的混合物继续混合，然后加入剩余的玄武岩纤维混合均匀，得到所述玄武岩纤维增强混凝土。

本公开采用分批分步搅拌，先对粗细骨料搅拌，随后加入水泥、硅灰、粉煤灰进行搅拌，最后分两次加入玄武岩纤维，此种制备方法能够提高整体混凝土的混合程度，使玄武岩纤维在水泥砂浆中分散更加均匀，进而使玄武岩在混凝土中更好发挥作用。

作为本公开的一种优选技术方案，步骤(2)加入的玄武岩纤维的量为玄武岩纤维总质量的40-60％。

本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

在本公开中，将玄武岩纤维应用于混凝土中时，玄武岩纤维与水泥基体的密切组合可以有效吸收混凝土的拉应力，提高混凝土阻裂能力，进而能够抑制和减少裂缝的产生，提高混凝土耐久性以及抗折强度，从而避免混凝土结构在抗折强度不足时暴露出的严重的安全性问题。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

为了更清楚地说明本公开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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为坍落度随玄武岩纤维掺量的变化规律图；

图2为玄武岩纤维增强混凝土的抗折荷载-偏转曲线图；

图3为玄武岩纤维增强混凝土的抗折强度随纤维掺量的变化规律图；

图4为玄武岩纤维增强混凝土的抗折韧性因子随纤维掺量的变化规律图；

图5为掺杂0.3％的玄武岩纤维的混凝土断面形貌；

图6为掺杂0.45％的玄武岩纤维的混凝土断面形貌图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

本实施例提供了一种玄武岩纤维增强混凝土(BFRC-0.15)，其组成原料由如下组份组成：

其中，水泥为P·O 52.5R级普通硅酸盐水泥；河砂为细度模数为2.78的河砂；碎石的粒径最大为20mm；减水剂为减水率25％萘系减水剂；玄武岩纤维的直径为15μm、长度为19mm、密度为2.71g/cm³、抗拉强度为4500MPa。

制备方法为：

(1)将细骨料和粗骨料混合用强制式搅拌机搅拌1min，然后加入水泥、粉煤灰和硅灰继续搅拌2min，然后加入50wt％玄武岩纤维搅拌2min；

(2)将减水剂和水搅拌2min后加入步骤(1)的混合物继续搅拌2min，然后加入剩余玄武岩纤维搅拌3min。

实施例2-3

本实施例提供了一种玄武岩纤维增强混凝土。

与实施例1的区别仅在于，在本实施例中，玄武岩纤维的添加量为8.13kg/m³(实施例2,BFRC-0.30)、12.195kg/m³(实施例3,BFRC-0.45)。

对比例1

本对比例提供了一种混凝土(PC)。

与实施例1的区别仅在于，在本对比例中，不添加玄武岩纤维。

性能测试1

对实施例1-3和对比例1提供的混凝土进行性能测试，方法如下：

参照实施例1提供的制备方法，在步骤(3)混合均匀后，立即测试其坍落度，并将混合料装入事先准备好的100mm×100mm×400mm的模具中，在振动台上振动12s，以使混合料振动密实，在室温条件下放置1d后将试件脱模，并继续在饱和氢氧化钙溶液中养护到龄期为28d后测试其抗折性能：

(1)坍落度：将混凝土拌合物按规定方法装入标准圆锥坍落度筒内，装满刮平后，垂直向上将筒提起，移到一旁，混凝土拌合物由于自重将会产生坍落现象，随后量出拌合物向下坍落的尺寸。

坍落度随玄武岩纤维掺量的变化规律如图1所示，由图可知，混凝土的坍落度随着玄武岩纤维掺量的增加逐渐减小；究其原因可能是由于玄武岩纤维直径较小，其表面积较大，且属于吸水性纤维，因此，玄武岩纤维在搅拌过程中可大量吸附水泥胶浆，从而增大了拌合物的粘稠度，降低了混合料的坍落度。另外，随着玄武岩纤维含量的增大，越来越多的单丝玄武岩纤维容易形成网状承托结构，阻碍了水泥胶浆和骨料的下沉，导致混合料的坍落度降低。

(2)采用DNS300电子万能试验机测试玄武岩纤维增强混凝土的抗折性能：

采用四点弯曲加载方式，试件上部两加载点的距离为100mm，两加载点位于试件中间位置，下部两支撑点之间的距离为300mm，与试件端边的距离为50mm，试件由刚性固定框架支撑，框架横梁安装位移传感器，框架横梁两端可自由转动，位移传感器顶针与固定于试件上表面中心位置的薄板接触，抗折加载速率为0.1mm/min，荷载数据由计算机自动收集，试件的抗折偏转由位移传感器进行采集，每个配合比测试5个试件，以其试验结果的平均值作为最终的实验结果；

玄武岩纤维增强混凝土的抗折荷载-偏转曲线如图2所示，由图可知，随着玄武岩纤维掺量的增大，玄武岩纤维增强混凝土的峰值抗折荷载对应的偏转和最终偏转均逐渐增大，当玄武岩纤维掺量不超过0.3％时，玄武岩纤维的掺加对峰值抗折荷载前线性变形阶段斜率的影响较小，但当玄武岩纤维的掺量超过0.3％时，峰值抗折荷载前线弹性变形阶段的斜率明显减小。

(3)抗折强度：由式I所示公式计算实施例和对比例提供的样品的抗折强度；

其中，σ_f为玄武岩纤维增强混凝土的抗折强度,MPa；F为峰值抗折荷载,N；l为试件底面两支撑点间的距离,mm；b为试件截面宽度,mm；h为截面高度,mm。

玄武岩纤维增强混凝土的抗折强度随纤维掺量的变化规律如图3所示；从图中可以看出，当玄武岩纤维掺量不超过0.3％时，混凝土的抗折强度随着纤维掺量的增大而增大；当玄武岩纤维掺量达到0.45％时，混凝土的抗折强度急剧减小；推测可能的原因是由于玄武岩纤维的直径较小，玄武岩纤维的裂缝桥联作用可有效抑制混凝土内细小裂缝的萌生和扩展，从而提高了混凝土的抗折强度；但当玄武岩纤维的掺量过大时，在混合料搅拌过程中，玄武岩纤维难以分散均匀，且在搅拌过程容易引入气泡，从而增大了混凝土内部缺陷，降低了混凝土的抗折强度。

(4)抗折韧性因子：由式II所示公式计算实施例和对比例提供的样品的抗折韧性因子；

其中，FT为玄武岩纤维增强混凝土的抗折韧性因子,MPa；A为从玄武岩纤维增强混凝土荷载-偏转曲线包围的面积,mm²；δ为玄武岩纤维增强混凝土的最终偏转,mm²/N；l为试件底面两支撑点间的距离,mm；b为试件截面宽度,mm；h为截面高度,mm。

抗折韧性因子表征了玄武岩纤维增强混凝土的抗折耗能能力。玄武岩纤维增强混凝土的抗折韧性因子随纤维掺量的变化规律如图4所示；从图中可以看出，与基准组混凝土相比，玄武岩纤维的掺加提高了混凝土的抗折韧性因子；当玄武岩纤维掺量不超过0.3％时，混凝土的抗折韧性因子随着玄武岩纤维掺量的增大而增大，而当玄武岩纤维掺量达到0.45％时，混凝土的抗折韧性因子开始减小，但由于玄武岩纤维的掺加有效提高了混凝土的偏转，从而使玄武岩纤维增强混凝土的抗折韧性因子仍大于基准组混凝土。

(5)玄武岩纤维作用机制

掺杂0.3％的玄武岩纤维的混凝土断面形貌如图5所示，掺杂0.45％的玄武岩纤维的混凝土断面形貌如图6所示；从图中可以看出，当混凝土破坏时，玄武岩纤维的拔出长度较小，大部分纤维主要以拉断破坏为主；原因可能是因为玄武岩纤维是一种亲水性纤维，与水泥基材料基体具有较好的粘结性能，且其本身刚度较大，因此，玄武岩纤维的拉断破坏较大程度上提高了混凝土的抗折强度和抗折韧性因子；从图5、6的对比可以看出，当玄武岩纤维的掺量为0.3％时，玄武岩纤维的分散较为均匀，而当玄武岩纤维的掺量达到0.45％时，由于原始玄武岩纤维呈单丝束状形态，因此，单丝玄武岩纤维难以有效分散，往往堆叠积聚在一起，导致混凝土内部缺陷增多，纤维与混凝土基体间的粘结性能降低，混凝土的抗折强度降低；但较多玄武岩纤维在裂缝扩展过程中的断裂及拔出提高了混凝土的耗能，也即提高了混凝土的抗折韧性。

对比例2

本对比例提供了一种玄武岩纤维增强混凝土。

与实施例2的区别在于，本对比例使用的玄武岩纤维的长度为16mm，同时，制备方法为：

将除水以外的其他组分加入搅拌机进行干拌，搅拌时间为25-45s，然后加水进行搅拌，搅拌时间为3min。

性能测试2

参照性能测试1的方法测试抗压强度和抗折性能，结果见表1：

表1

样品	抗压强度/MPa	抗折性能/MPa
			实施例2	71.23	5.9
对比例2	65.77	5.3

由实施例2和对比例2的性能测试可知，采用本公开提供的玄武岩纤维和制备方法能够得到具有更优抗折性能和抗压性能的玄武岩纤维增强混凝土。

需要说明的是，本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种玄武岩纤维增强混凝土，其特征在于，所述玄武岩纤维增强混凝土的制备原料包括水泥、硅灰、粉煤灰、细骨料、粗骨料、减水剂、水和玄武岩纤维；

其中，所述玄武岩纤维的直径为15μm、长度为19mm、密度为2.71g/cm³、抗拉强度为4500MPa。

2.根据权利要求1所述的玄武岩纤维增强混凝土，其特征在于，在所述制备原料中，所述玄武岩纤维的添加量为所述玄武岩纤维增强混凝土总质量的0.15-0.45％。

3.根据权利要求1或2所述的玄武岩纤维增强混凝土，其特征在于，以重量份计，所述制备原料包括如下组分：

4.根据权利要求3所述的玄武岩纤维增强混凝土，其特征在于，以重量份计，所述制备原料包括如下组分：

还包括所述玄武岩纤维增强混凝土总质量的0.15-0.45％的玄武岩纤维。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的玄武岩纤维增强混凝土，其特征在于，所述水泥为P·O 52.5级普通硅酸盐水泥。

6.根据权利要求1-5中的任一项所述的玄武岩纤维增强混凝土，其特征在于，所述细骨料为细度模数为2.78的河砂。

7.根据权利要求1-6中的任一项所述的玄武岩纤维增强混凝土，其特征在于，所述粗骨料为粒径最大为20mm的碎石。

8.根据权利要求1-7中的任一项所述的玄武岩纤维增强混凝土，其特征在于，所述减水剂为减水率为25％的萘系减水剂。

9.权利要求1-8中的任一项所述的玄武增强混凝土的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将细骨料和粗骨料混合，然后加入水泥、粉煤灰和硅灰继续搅拌；

(2)将部分玄武岩纤维加入步骤(1)的混合物中混合；

(3)将减水剂和水混合后与步骤(2)的混合物继续混合，然后加入剩余的玄武岩纤维混合均匀，得到所述玄武岩纤维增强混凝土。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)加入的玄武岩纤维的量为玄武岩纤维总质量的40-60％。

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