專利名稱：一種纖維和聚合物復合增韌混凝土及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種纖維和聚合物復合增韌混凝土的原材料優(yōu)選原則與制備方法。
背景技術(shù)：
高強性、高韌性、高抗裂性和高耐久性是土木建筑領(lǐng)域?qū)炷敛牧闲阅芤蟮陌l(fā)展趨勢，也是滿足大型建筑工程對材料抗裂性能和耐久性能的要求。而普通混凝土是一種準脆性材料，摻入合適纖維能提高混凝 土的抗拉、抗彎強度和斷裂性能，但是纖維與膠凝材料基體間存在界面過渡區(qū)，是復合材料的薄弱區(qū)；摻入適量、恰當?shù)木酆衔锬軆?yōu)化界面過渡區(qū)性能，但是對提高抗壓強度的影響不大，而且混凝土中聚合物面臨長期抗老化性能不良的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服普通混凝土的脆性，纖維增強混凝土與聚合物增強混凝土的不足，利用纖維和聚合物的優(yōu)勢互補，充分發(fā)揮二者“協(xié)同作用”，本發(fā)明公開了一種纖維和聚合物復合增韌混凝土及其制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種纖維和聚合物復合增韌混凝土，混凝土基本原材料為粗集料、細集料、硅酸鹽水泥、粉煤灰、聚羧酸減水劑；另外還添加有纖維和聚合物，所述的纖維為端鉤型鋼纖維、超細型鋼纖維、改性聚酯纖維、聚乙烯醇纖維、玄武巖纖維、纖維素纖維中的任意一種,按照每Im3混凝土中的體積摻量為O. 08%的比例摻雜；聚合物為乙烯-醋酸乙烯共聚物、丙烯酸乙酯、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、醋酸乙烯-丙烯酸酯聚合物或有機娃丙烯酸酯中任意一種，各種聚合物摻量均為娃酸鹽水泥和粉煤灰質(zhì)量的10%。所述的粗集料為玄武巖碎石，粒徑為4. 75^15mm,所述的細集料為河砂，粒徑為O. 16 2. 36mm。所述的纖維為端鉤型鋼纖維、超細型鋼纖維或聚乙烯醇纖維；所述的聚合物為苯乙烯一丙烯酸酯共聚物。—種制備所述的纖維和聚合物復合增韌混凝土的方法，第一步，采用“先干后濕”的制備工藝將石子、砂、水泥、粉煤灰倒入攪拌機內(nèi)，均勻攪拌；將纖維緩慢均勻撒入共同攪拌；將減水劑溶于水中，再繼續(xù)攪拌；將聚合物均勻加入，攪拌完成后關(guān)閉電源，將新拌混凝土倒出，澆筑于鋼模中；第二步，養(yǎng)護成型Id后脫模，先在室內(nèi)環(huán)境靜置3d ;再放入標準養(yǎng)護室標養(yǎng)7d ；從標養(yǎng)室移出至室內(nèi)環(huán)境灑水養(yǎng)護至規(guī)定的測試齡期待用。有益效果I)結(jié)合纖維與聚合物對混凝土材料性能影響特性，考慮二者的“協(xié)同效應”，纖維通過緩慢拔出逐漸釋放抵抗裂縫擴展的能量，聚合物主要通過與水泥基體的空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)抑制微裂紋的萌生，減緩應力集中，同時改善了鋼纖維一水泥基體和骨料一水泥基體間的界面結(jié)構(gòu)，使鋼纖維在拔出過程中需要克服更大的粘結(jié)力，從而得到高強度、高韌性、高抗裂性的復合水泥基材料。2)聚合物在固化過程中，吸收了水泥水化產(chǎn)物中的一部分鈣離子，含鈣的聚合物膜具有高彈高強的特性，不僅改善了集料-硬化水泥漿體的界面過渡區(qū)的微觀形貌和密實度，而且提高了界面過渡區(qū)的粘結(jié)強度，而且使得原來在界面過渡區(qū)富集并定向生長的水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2晶體的取向性減弱，晶粒尺寸細化，也起到了提高界面區(qū)密實度的作用，此外，由于混凝土孔溶液中鈣離子的減少使得水泥水化生成的C-S-H凝膠的鈣硅比降低，提高了該凝膠組分的強度，也使得混凝土基體和界面過渡區(qū)的粘結(jié)強度均有所提升。3)采用上述“先干后濕”方式的制備工藝，可以避免先濕拌后加入纖維時，對纖維均勻分布的纖維分散專用設(shè)備的要求。4)本發(fā)明通過優(yōu)選纖維材料和聚合物復合摻入混凝土，優(yōu)化養(yǎng)護制度和施工工 藝，制備出抗壓強度(大于60MPa)、抗拉強度(大于6MPa)，彎曲韌性和斷裂性能優(yōu)良的纖維增強聚合物混凝土。


圖1為本發(fā)明的制備方法的流程圖。圖2為混凝土、纖維增強混凝土、聚合物增強混凝土及纖維增強聚合物混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度。圖3為聚合物混凝土四點彎曲試驗荷載一CMOD曲線。圖4為纖維混凝土四點彎曲試驗荷載-CMOD曲線。圖5為纖維增強聚合物混凝土四點彎曲試驗荷載-CMOD曲線。圖6為聚合物混凝土三點梁彎曲荷載一CMOD曲線。圖7為纖維混凝土三點梁彎曲荷載一CMOD曲線。圖8為纖維增強聚合物混凝土三點梁彎曲荷載一CMOD曲線。圖9為水泥漿體56d的XRD圖譜。圖10為3天和28天的聚合物在水泥基體表面成膜SEM圖片。圖11為3天的聚合物在水泥基體表面成膜后的能譜圖。圖12為28天的聚合在水泥基體中成膜后的能譜圖。圖13為聚合物水泥基體界面過渡區(qū)顯微硬度。圖14為鋼纖維與聚合物水泥基體界面過渡區(qū)顯微硬度。圖15為普通混凝土界面過渡區(qū)ESEM形貌。圖16為聚合物混凝土界面過渡區(qū)ESEM形貌。圖17為鋼纖維與水泥基體間界面過渡區(qū)ESEM形貌。圖18為鋼纖維與聚合物水泥基體間界面過渡區(qū)ESEM形貌。圖19纖維與聚合物水泥基體間粘結(jié)力-位移曲線。圖20為纖維增強聚合物混凝土增韌機理。
具體實施例方式本發(fā)明中所用材料均為市售，沒有特殊說明的即為無特殊要求的市售普通品。所用聚羧酸減水劑要求其減水率達到或超過30%。1、原材料優(yōu)選混凝土基本原材料優(yōu)選根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ55-2011);纖維優(yōu)選，根據(jù)復合材料原理，即考慮纖維本身強度、彈性模量、纖維體積摻量，又考慮纖維與膠凝材料基體、集料間界面粘結(jié)及其分散性。纖維選擇滿足以下幾個條件a.纖維的強度和彈性模量高于水泥基體的彈性模量；b.纖維與水泥基體間粘結(jié)強度能保證水泥基體承受的應力可通過纖維與基體界面?zhèn)鬟f給纖維；c.纖維與水泥基體間的熱膨脹系數(shù)接近，保證兩者間黏結(jié)強度不會在熱脹冷縮過程中被削弱；d.纖維與水泥基體間無有害化學反應；e.纖維的體積率、尺寸和分布必須適宜，且纖維分散性能良好；聚合物優(yōu)選，既考慮與膠凝材料、集料的兼容性，又考慮自身穩(wěn)定性和工作性，其基本要求如下a.具有良好的預加工性能和機械穩(wěn)定性；b.對水泥水化過程中產(chǎn)生的Ca2+和Al3+離子有較高的穩(wěn)定性，即對水泥水化無負面影響；c.在水泥基體硬化后與水化產(chǎn)物和集料間有較好的黏結(jié)能力，且成膜溫度要低；d.在硬化水泥基體中具有較好的耐水性和耐堿性；e.玻璃化溫度要低，具有一定的 粘性。按照標準，本發(fā)明所用玄武巖碎石表觀密度為2. 7g/cm3，堆積密度為1. 5g/cm3，壓碎值5%，含泥量O. 7%，吸水率O. 2%。所用河砂細度模數(shù)為2. 3，連續(xù)級配，堆積密度為1. 3g/cm3，表觀密度為2. 5g/cm32、制備方法，流程如圖1所示I)將石子、砂、水泥、粉煤灰倒入攪拌機內(nèi)，均勻攪拌30s ；2)分散纖維，然后將纖維緩慢撒入正在工作的攪拌機內(nèi)，纖維完全撒入后和干料共同攪拌30s (時間可根據(jù)撒入纖維速度快慢自行調(diào)整)；3)將聚羧酸系高效減水劑倒入水中，開動攪拌機，將水均勻倒入正在工作的攪拌機中，攪拌3min ；4)將聚合物均勻倒入正在工作的攪拌機中，攪拌3min ；5)攪拌完成后關(guān)閉電源，將新拌混凝土倒出，澆筑于鋼模中。3、養(yǎng)護制度I)成型Id后脫模，先在室內(nèi)環(huán)境(溫度20 ±2°C，相對濕度60 ±5%)靜置3d;2)放入標準養(yǎng)室標養(yǎng)7d (溫度20±2°C，相對濕度>90%)；3)從標養(yǎng)室移出至室內(nèi)環(huán)境(溫度20 ± 2°C，相對濕度60 土 5%)灑水養(yǎng)護至規(guī)定的測試齡期待用。實施例11、制備方法I)將石子、砂、水泥、粉煤灰倒入攪拌機內(nèi)，均勻攪拌30s ；2)分散纖維，然后將體積摻量為O. 08%的纖維緩慢撒入正在工作的攪拌機內(nèi)，纖維完全撒入后和干料共同攪拌30s (時間可根據(jù)撒入纖維速度快慢自行調(diào)整)(單摻聚合物時忽略此步驟)；3)將聚羧酸系高效減水劑倒入水中，開動攪拌機，將水均勻倒入正在工作的攪拌機中，攪拌3min ；4)將摻量為膠凝材料(硅酸鹽水泥+粉煤灰)總質(zhì)量10%的聚合物均勻倒入正在工作的攪拌機中，攪拌3min，(單摻纖維時忽略此步驟)；
5)攪拌完成后關(guān)閉電源，將新拌混凝土倒出，澆筑于鋼模中，各系列混凝土編號如表I所示。2、養(yǎng)護制度I)成型Id后脫模，先在室內(nèi)環(huán)境(溫度20 ±2°C，相對濕度60 ±5%)靜置3d;2)放入標準養(yǎng)室標養(yǎng)7d (溫度20±2°C，相對濕度>90%)；3)從標養(yǎng)室移出至室內(nèi)環(huán)境(溫度20 ±2°C，相對濕度60 ±5%)灑水養(yǎng)護至56d齡期待用。對按上述制備方法和養(yǎng)護制度而成型的100*100*100的立方體混凝土試件，進行
抗壓強度和劈裂抗拉強度測試，測試結(jié)果如圖2。聚合物摻入后，混凝土 56d齡期抗壓強度比普通混凝土下降10% 15%，這是由于聚合物乳液在水泥水化產(chǎn)物中聚合后，其彈性模量遠低于水泥石及骨料的彈性模量，因此只能承受拉應力而幾乎不能承受壓應力；另外聚合物水泥砂漿和混凝土的抗拉強度提高后，抗壓破壞的形式一般為剪切破壞。聚合物因剪切強度低而成為剪切面上的軟弱夾層，降低了抗剪強度，從而使抗壓強度降低；但劈裂抗拉強度相較普通混凝土提高50% 70%，這是由于聚合物在混凝土受拉時，裂縫尖端出現(xiàn)塑性區(qū)，吸收裂縫擴展所需的能量，使裂縫由失穩(wěn)擴展變?yōu)榉€(wěn)定擴展，提高了斷裂應力的原因。2)纖維摻入后，鋼纖維和聚乙烯醇纖維混凝土 56d的抗壓強度比普通混凝土提高30%，其它各種纖維混凝土變化不明顯；劈裂抗拉強度提高20%以上，其中鋼纖維和聚乙烯醇纖維混凝土提高80% ；3)聚合物纖維和鋼纖維加入混凝土后，克服了聚合物對混凝土抗壓強度的不利影響，抗壓強度較普通混凝土提高10% 15%，稍低于纖維混凝土，但劈裂抗拉強度較普通混凝土提高2倍，其中鋼纖維和苯乙烯一丙烯酸酯共聚物纖維混合后提高2. 3倍。表I各系列混凝土編號
權(quán)利要求
1.一種纖維和聚合物復合增韌混凝土，混凝土基本原材料為粗集料、細集料、硅酸鹽水泥、粉煤灰、聚羧酸減水劑；其特征是另外還添加有纖維和聚合物，所述的纖維為端鉤型鋼纖維、超細型鋼纖維、改性聚酯纖維、聚乙烯醇纖維、玄武巖纖維、纖維素纖維中的任意一種，按照每Irn3混凝土中的體積摻量為O. 08%的比例摻雜；聚合物為乙烯-醋酸乙烯共聚物、丙烯酸乙酯、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、醋酸乙烯-丙烯酸酯聚合物或有機硅丙烯酸酯中任意一種，各種聚合物摻量均為硅酸鹽水泥和粉煤灰總質(zhì)量的10%。
2.如權(quán)利要求1所述的纖維和聚合物復合增韌混凝土，其特征是所述的粗集料為玄武巖碎石，粒徑為4. 75 15mm，所述的細集料為河砂，粒徑為O. 16^2. 36mm。
3.如權(quán)利要求1所述的纖維和聚合物復合增韌混凝土，其特征是所述的纖維為端鉤型鋼纖維、超細型鋼纖維或聚乙烯醇纖維；所述的聚合物為苯乙烯一丙烯酸酯共聚物。
4.一種制備權(quán)利要求f 3任一所述的纖維和聚合物復合增韌混凝土的方法，其特征是第一步，采用“先干后濕”的制備工藝將石子、砂、水泥、粉煤灰倒入攪拌機內(nèi)，均勻攪拌；將纖維緩慢均勻撒入共同攪拌；將減水劑溶于水中，再繼續(xù)攪拌；將聚合物均勻加入，攪拌完成后關(guān)閉電源，將新拌混凝土倒出，澆筑于鋼模中； 第二步，養(yǎng)護成型Id后脫模，先在室內(nèi)環(huán)境靜置3d ;再放入標準養(yǎng)護室標養(yǎng)7d ;從標養(yǎng)室移出至室內(nèi)環(huán)境灑水養(yǎng)護至規(guī)定的測試齡期待用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種纖維和聚合物復合增韌混凝土及其制備方法，混凝土基本原材料為粗集料、細集料、硅酸鹽水泥、粉煤灰、聚羧酸減水劑；另外還添加有纖維和聚合物，所述的纖維為端鉤型鋼纖維、超細型鋼纖維、改性聚酯纖維、聚乙烯醇纖維、玄武巖纖維、纖維素纖維中的任意一種，按照每1m3混凝土中的體積摻量為0.08%的比例摻雜；聚合物為乙烯-醋酸乙烯共聚物、丙烯酸乙酯、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、醋酸乙烯-丙烯酸酯聚合物或有機硅丙烯酸酯中任意一種，各種聚合物摻量均為硅酸鹽水泥和粉煤灰質(zhì)量的10%。按“先干后濕”的拌合方式，先將石子、砂、膠凝材料；后纖維；再將溶有減水劑的水倒入攪拌；最后聚合物；攪拌成型。
文檔編號C04B14/48GK103011730SQ201210593518
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者郭麗萍, 孫偉, 曹擎宇, 張麗輝, 張文瀟, 陳波 申請人:東南大學