CN1472157A - 高韧性混杂纤维混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种新型高韧性混杂纤维混凝土材料及其制备方法。根据混凝土材料本身多层次的特点，通过两种高弹性模量纤维的几何尺寸的优化混杂，达到与混凝土各层次特征尺度的良好匹配，以较低的纤维体积掺量实现了从整体上显著提高混凝土的强度和韧性的目的。该材料具有优异的力学性能和阻裂、抗裂特性，能显著提高混凝土结构的抗疲劳破坏性能和耐久性，延长结构的使用寿命。可以满足超高层建筑、大跨度空间结构、无裂缝和薄壁等特种结构的设计要求。因而可广泛应用于土木、水利、市政、交通、海洋、核电等领域的混凝土结构中。
Description
技术领域
本发明属土木工程材料技术领域，具体涉及一种新型高韧性混杂纤维混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土是应用量最大的建筑结构材料，但其致命的弱点是抗拉强度低、脆性大、易开裂，这不仅严重影响了混凝土结构的使用寿命，而且也是一些灾难事故的潜在隐患。为了改善混凝土的脆性、提高其抗开裂性能，掺入纤维是最有效的途径。纤维增强混凝土作为一种新型复合材料是从二十世纪七十年代发展起来的，它是混凝土工艺学上的一项重要进展。但是长期以来研究者和工程技术人员往往注重的只是单一纤维的增韧效果和性能。事实上，当单一纤维掺量较低时，往往收效甚微；而当纤维掺量较大时，不仅成本大幅度增加，而且还会带来制备工艺上的困难，不易被实际工程所接受，这些不利因素严重制约了纤维混凝土的应用。
发明内容
本发明旨在提出一种高韧性混杂纤维混凝土材料及其制备方法。
本发明提出的高韧性混杂纤维混凝土，是以通常的混凝土为基础，其中混杂有微细碳纤维、普通钢纤维和相应的分散剂，具体配方如下：
混杂纤维的组成：
碳纤维 0.1-0.5％
钢纤维 0.1-0.9％
硅灰 1-10.0％
甲基纤维素 0.01-0.2％
以上两种纤维掺入量是以混凝土为基数的体积百分比，两者之和不大于1.0％，分散剂硅灰的用量为按混凝土中胶凝材料总量为基数的重量百分比，分散剂甲基纤维素用量为按混凝土中用水量为基数的重量百分比。
上述混杂纤维混凝土较为合适的配方如下：
碳纤维 0.1-0.2％
钢纤维 0.3-0.9％
硅灰 3.0-6.0％
甲基纤维素 0.05-0.2％
以上两种纤维掺量为以混凝土为基数的体积百分比，两者之和不大于1.0％。
以上硅灰的用量为按混凝土中胶凝材料总量为基数的重量百分比，甲基纤维素用量为按混凝土中用水量为基数的重量百分比。
对各组分材料品质可以有如下要求：
碳纤维：沥青基或PAN基碳纤维，长度3-10毫米，直径小于10微米，弹性模量大于200GPa，延伸率大于1.4％，抗拉强度大于2000MPa。
钢纤维：长度不小于混凝土最大骨料粒径的2倍，长径比大于60，弹性模量大于200GPa，延伸率大于3.0％，抗拉强度大于1500MPa。
硅灰：颗粒粒径0.01～0.1μm，SiO2的含量大于90％。
甲基纤维素：工业级及以上等级。
混凝土可以为C25-C85各类等级混凝土，具体的材料要求：
水泥：标号为32.5或42.5的硅酸盐或普通硅酸盐水泥。
黄砂：中等河砂。
石子：碎石。
减水剂：普通减水剂或高效减水剂。
上述混杂纤维混凝土材料的制备步骤如下：
按混凝土材料配合比要求分别称取各组份材料(如水泥、砂、石、外加剂、水、硅灰、甲基纤维素和纤维)，将甲基纤维素先分散于25-35％的水中，搅拌至甲基纤维素完全溶解，随后将碳纤维加入溶液中，搅拌均匀；将水泥、砂、石、硅灰和钢纤维倒入搅拌机中，干拌均匀，然后加入碳纤维和甲基纤维素的混合溶液及剩下的水，搅拌均匀，最后控制加入减水剂，搅拌至所需的坍落度即可。
本发明具有以下优点：
1.通过选用合适的分散剂，使混杂纤维分散均匀，从而更好地发挥纤维的增强、阻裂作用。
2.本发明根据材料特征尺度的匹配效应，利用碳纤维改善水泥净浆和砂浆层次的性能，利用钢纤维提高砂浆和混凝土层次的性能，采用纤维混杂的形式，在较小的体积掺量的情况下从整体上改善混凝土的力学性能。
3.本发明充分利用了钢纤维与混凝土的物理粘结和碳纤维与混凝土的化学粘结。增强了纤维与混凝土的界面过渡区，加大了纤维与基体的摩擦阻力，显著提高界面抵抗变形的能力。
4.本发明同时综合了纤维拔出和纤维拉短两种机制，使混杂纤维在拉拔直至破坏过程中能作出最大的功，得到了最佳的增强和增韧效果。
5.本发明由于使用了较低的纤维掺量，不影响传统混凝土的搅拌工艺，实现了低纤维掺量、高韧性混凝土的优质效果。可以适用于任何混凝土结构的现场施工。
6.本发明在混杂纤维体积掺量≤1％的情况下，使混凝土强度提高30-50％，残余强度系数(R10，30)大于100，断裂能提高20-30倍，即使在混凝土材料初裂后仍能呈现优越的应***化行为。显著提高了混凝土结构的安全性、耐久性。
本发明根据混凝土材料本身多相、多层次的特点(其内部既有小到微米级的CSH凝胶，粗到毫米级的砂子，又有大到厘米级的碎石)，通过两种高弹模纤维的几何尺寸的优化混杂，使纤维与混凝土各层次特征尺度有良好匹配，从而达到从整体上对混凝土增强和增韧的目的。本发明可广泛应用于土木、水利、市政、交通、海洋、核电等领域的混凝土结构中。
具体实施方式实施例1、混杂纤维混凝土的各组分配比如下：
水泥(标号42.5) 470kg
中砂 684kg
碎石(最大粒径15mm) 1024kg
水 196kg
高效减水剂 2.5kg
硅灰 20kg
甲基纤维素 0.2kg
碳纤维(长度5mm) 3kg
钢纤维(长度30mm) 24kg
按前述步骤制备，即得所需材料。
性能：
容重(kg/m3) 2420
28天抗压强度(MPa) 58.2
28天抗拉强度(MPa) 5.95
28天抗折强度(MPa) 7.36
28天残余强度系数(R10，30) 105.9
28天断裂能(N/m) 2602.6实施例2、混杂纤维混凝土的各组分配比如下：
水泥(标号42.5) 300kg
中砂 665kg
碎石(最大粒径12mm) 1235kg
水 180kg
高效外加剂 0.5kg
硅灰 10kg
甲基纤维素 0.2kg
碳纤维(长度3mm) 1.5kg
钢纤维(长度35mm) 39kg
按前述步骤制备，即得所需材料。
性能：
容重(kg/m3) 2430
28天抗压强度(MPa) 44.5
28天抗拉强度(MPa) 4.62
28天抗折强度(MPa) 5.85
28天残余强度系数(R10，30) 122.5
28天断裂能(N/m) 2580.2实施例3、混杂纤维混凝土的各组分配比如下：
水泥(标号42.5) 500kg
中砂 690kg
碎石(最大粒径10mm) 1010kg
水 176kg
高效外加剂 5.0kg
硅灰 25kg
甲基纤维素 0.2kg
碳纤维(长度5mm) 3kg
钢纤维(长度30mm) 50kg
按前述步骤制备，即得所需材料。
性能：
容重(kg/m3) 2460
28天抗压强度(MPa) 85.6
28天抗拉强度(MPa) 8.90
28天抗折强度(MPa) 11.42
28天残余强度系数(R10，30) 115.0
28天断裂能(N/m) 2843.5
Claims (7)
1.一种高韧性混杂纤维混凝土材料，其特征在于以通常的混凝土为基础，其中混杂有微细碳纤维、普通钢纤维和相应分散剂，具体配方如下：
碳纤维 0.1--0.5％
钢纤维 0.1--1.0％
硅灰 1--10.0％
甲基纤维素 0.01--0.2％
以上两种纤维掺入量为以混凝土为基数的体积百分比，两者之和不超过1.0％，分散剂硅灰的用量为按混凝土中胶凝材料总量为基数的重量百分比，分散剂甲基纤维素用量为按混凝土中用水量为基数的重量百分比。
2.根据权利要求1所述的混凝土材料，其特征在于各组分的配比如下：
碳纤维 0.1--0.2％
钢纤维 0.3--0.9％
硅灰 3.0--6.0％
甲基纤维素 0.05--0.2％
以上两种纤维掺入量为以混凝土为基数的体积百分比，两者之和不超过1.0％，硅灰的用量为按混凝土中胶凝材料总量为基数的重量百分比，甲基纤维素用量为按混凝土中用水量为基数的重量百分比。
3.根据权利要求1所述混凝土材料，其特征在于碳纤维采用沥青基或PAN基碳纤维，长度3-10毫米，直径小于10微米，弹性模量大于200GPa，延伸率大于1.4％，抗拉强度大于2000MPa。
4.根据权利要求1所述混凝土材料，其特征在于钢纤维的长度不小于混凝土最大骨料粒径的2倍，长径比大于60，弹性模量大于200GPa，延伸率大于3.0％，抗拉强度大于1500MPa。
5.根据权利要求1所述混凝土材料，其特征在于水泥采用标号为32.5或42.5的硅酸盐或普通硅酸盐水泥。
6.根据权利要求1所述混凝土材料，其特征在于硅灰的颗粒粒径为0.01～0.1μm，SiO2的含量大于90％；甲基纤维素为工业级及以上等级。
7.一种如权利要求1所述混凝土材料的制备方法，特征在于具体步骤如下：
按混凝土材料配合比要求分别称取各组份，先将甲基纤维素分散于25-35％的水中，搅拌至甲基纤维素完全溶解，随后将碳纤维加入溶液中，并搅拌均匀；将水泥、砂、石、硅灰和钢纤维倒入搅拌机中，干拌均匀，然后加入碳纤维和甲基纤维素的混合溶液及剩下的水，搅拌均匀，最后控制加入减水剂，搅拌至所需的坍落度即可。
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