超高分子量聚乙烯纖維混凝土及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超高分子量聚乙烯纖維混凝土，包括如下體積含量百分比的各組分：UHMWPE纖維0.1%～0.8%；混凝土99.2%～99.9%。本發(fā)明還涉及前述纖維混凝土的制備方法，包括如下步驟：先攪拌水泥、石、砂、微硅灰；攪拌均勻后，摻入U(xiǎn)HMWPE纖維，所述UHMWPE纖維采用小股分散摻入，邊摻入邊攪拌，直到全部摻入攪拌均勻?yàn)橹梗辉偌尤胨蜏p水劑攪拌；經(jīng)養(yǎng)護(hù)硬化，最終得到所述UHMWPE纖維混凝土。本發(fā)明制備的UHMWPE纖維混凝土，不僅提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和韌性等靜態(tài)力學(xué)性能，還明顯改善了混凝土的抗沖擊侵徹能力。
【專利說明】超高分子量聚乙烯纖維混凝土及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及土木建筑工程【技術(shù)領(lǐng)域】的材料及其制備方法，具體涉及一種超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維增強(qiáng)的新型纖維混凝土及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]混凝土材料由于原料豐富、價(jià)格低廉、生產(chǎn)工藝簡單、抗壓強(qiáng)度高等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于土木建筑工程。但受材料性能及施工工藝等方面的限制，混凝土存在抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度比值小、斷裂韌性低、易開裂、脆性大和耐久性差等缺點(diǎn)，也降低了其抗沖擊侵徹性倉泛。
[0003]纖維混凝土材料是一種采用纖維增強(qiáng)的混凝土材料。上世紀(jì)40年代，短鋼纖維混凝土首先得到研究；70年代后，玻璃、尼龍、聚丙烯等纖維混凝土開展出現(xiàn)；90年代至今，碳纖維、聚乙烯醇纖維、玄武巖纖維等纖維混凝土或水泥基復(fù)合材料成為研究熱點(diǎn)。研究表明，混凝土中摻入亂向分布的短纖維，能對混凝土起到阻裂、增韌和增強(qiáng)的作用，不僅能有效地阻礙混凝土內(nèi)裂縫的延伸、擴(kuò)展，使得纖維混凝土具有比普通混凝土更好的韌性和延性，而且能極大地提高混凝土抗拉強(qiáng)度，一定程度改善其抗壓強(qiáng)度，使得纖維混凝土的抗疲勞、抗沖擊、抗侵徹等特性得到很大加強(qiáng)。
[0004]已有的研究證明，纖維混凝土的性能與纖維和基體的力學(xué)性能、纖維和基體的界面特性、纖維在基體中的體積分?jǐn)?shù)及其分布情況等有關(guān)，其中纖維種類及性能的作用尤為重要，高強(qiáng)、高彈模纖維(如鋼纖維、碳纖維)對混凝土增強(qiáng)效果好，但增韌作用相對不足；低強(qiáng)、低彈模纖維(如聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維)阻裂、增韌作用突出，卻增強(qiáng)效應(yīng)較弱。而且由于纖維不同，不同纖維增強(qiáng)混凝土的工作性、抗干縮、抗沖擊、抗疲勞、耐腐蝕、耐凍融等性質(zhì)都不一樣，應(yīng)用條件和范圍也不同。所以，依據(jù)工程應(yīng)用的需求，采用各種技術(shù)途徑不斷改進(jìn)現(xiàn)有各類纖維混凝土的`技術(shù)性能仍是人們努力的目標(biāo)。
[0005]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類生存活動(dòng)空間日益擴(kuò)大，對資源環(huán)境的依賴越來越大，考慮自然災(zāi)害和高速碰撞、偶然爆炸等人為事故對土木建筑工程的危害，提高工程抵抗爆炸沖擊等極端作用的安全已成為普遍關(guān)注的問題。從材料領(lǐng)域看，需要在具有高抗沖擊性能土木建筑材料的研制方面有所創(chuàng)造。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維與碳纖維和芳綸纖維并稱為當(dāng)今世界三大高科技纖維，不僅比該兩種纖維成本低，而且與現(xiàn)有纖維混凝土常用纖維比，既具有比碳纖維、鋼纖維更高的強(qiáng)度和相當(dāng)?shù)母吣Ａ浚瑫r(shí)具有與聚丙烯相同的低密度和直徑小的特點(diǎn)，還具有沖擊吸收能量高、無毒、耐化學(xué)腐蝕、耐紫外線、耐磨等優(yōu)點(diǎn)，已在航空、航天、兵器和人員安全防護(hù)等諸多領(lǐng)域得到很好應(yīng)用。該種纖維也已在水泥基復(fù)合材料中得到應(yīng)用研究，在這種以水泥凈漿或砂漿為基體、UHMWPE短纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料中，UHMWPE纖維表現(xiàn)了優(yōu)良的抗裂、增韌能力。然而，完全不采用粗骨料的水泥基復(fù)合材料并不能適應(yīng)所有土木建筑工程的應(yīng)用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)和材料上存在的不足，提供一種UHMWPE纖維混凝土及其制備方法，使得到的混凝土具有優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和韌性，顯著提高其抗沖擊侵徹性倉泛。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]一種超高分子量聚乙烯纖維混凝土，包括如下體積含量百分比的各組分:
[0009]超高分子量聚乙烯纖維0.1%~0.8% ；
[0010]混凝土99.2% ~99.9%。
[0011]優(yōu)選地，所述超高分子量聚乙烯纖維的長度為30mm，直徑為20 μ m~50 μ m，長徑比為600~1500，密度為0.97g/m3，抗拉強(qiáng)度為3000MPa，彈性模量為lOOGPa，極限延伸率為 2.5 ~4.0%。
[0012]優(yōu)選地，所述混凝土為C60~C80等級的高強(qiáng)混凝土。
[0013]優(yōu)選地，所述混凝土為C70等級的高強(qiáng)混凝土，其各組分及含量為:水154kg/m3，水泥 495kg/m3,石 972.2 ~977kg/m3,砂 704.8 ~708kg/m3,減水劑 llkg/m3,微娃灰 55kg/m3。
[0014]優(yōu)選地，所述水泥采用42.5R級普通硅酸鹽水泥；石采用級配良好、最大粒徑為IOmm的卵石；砂采用細(xì)度模數(shù)2.8的中等河砂；硅灰采用SiO2含量不低于95%、粒徑0.08 μ m的微硅灰；減水劑采用減水率不低于25%的FDN-5早強(qiáng)高效減水劑。
[0015]本發(fā)明還涉及一種超高分子量聚乙烯纖維混凝土的制備方法，包括以下步驟:先攪拌水泥、石、砂、微硅灰；攪拌均勻后，摻入超高分子量聚乙烯纖維，所述超高分子量聚乙烯纖維采用小股分散摻入，邊摻入邊攪拌，直到全部摻入攪拌均勻?yàn)橹?；再加入水和減水劑攪拌，得到超高分子量聚乙烯纖維混凝土`拌合物；經(jīng)28天養(yǎng)護(hù)硬化后，最終得到超高分子量聚乙烯纖維混凝土。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用UHMWPE纖維的優(yōu)點(diǎn)，降低了混凝土的自重，提高混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和韌性，提高混凝土抗沖擊侵徹性能，防止混凝土脆性斷裂；通過本發(fā)明的UHMWPE纖維混凝土拌合物制備技術(shù)，可明顯提高纖維的分散均勻性，提高混凝土整體抗侵徹性能，約束裂縫擴(kuò)展。本發(fā)明易于就地進(jìn)行快速大批量生產(chǎn)，可廣泛應(yīng)用于土木、建筑、水利、海洋、交通運(yùn)輸、防護(hù)等工程領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是UHMWPE纖維混凝土的制備方法示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。以下實(shí)施例的詳細(xì)實(shí)施方式和具體操作過程將有助于本領(lǐng)域技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。在不脫離本發(fā)明主題思想和方案的前提下，對本發(fā)明做出的若干變形和改進(jìn)，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0019]實(shí)施例1
[0020]本實(shí)施例涉及的UHMWPE纖維混凝土，包括UHMWPE纖維和混凝土體積百分含量為:UHMWPE 纖維 0.1%，混凝土 99.9%。[0021]每立方米所述混凝土各組分質(zhì)量如下:
[0022]水，154kg，普通自來水；
[0023]普通硅酸鹽水泥，495kg，標(biāo)號42.5 ；
[0024]卵石,976.4kg,最大粒徑 IOmm ;
[0025]砂，707.6kg，中等河砂，細(xì)度模數(shù)2.8 ；
[0026]微硅灰，55kg，粒徑0.08 μ m，SiO2含量不低于95% ；
[0027]減水劑，11kg, FDN-5早強(qiáng)高效減水劑；
[0028]所述UHMWPE纖維的長度30_，直徑20 μ m~50 μ m，長徑比600~1500，密度0.97g/m3,抗拉強(qiáng)度3000MPa，彈性模量lOOGPa，極限延伸率2.5~4.0%。
[0029]本實(shí)施例涉及的上述UHMWPE纖維混凝土的制備方法,如圖1所示,步驟如下:
[0030]步驟一，確定混凝土的UHMWPE纖維摻量和混凝土配合比:根據(jù)所需要配備的混凝土標(biāo)號，確定混凝土的材料配合比，確定UHMWPE纖維摻入的體積含量。
[0031]步驟二，準(zhǔn)備好所需的各組分: [0032]按本實(shí)施例中UHMWPE纖維混凝土的材料配合比備好所需的水、水泥、石、砂、微硅灰、減水劑和UHMWPE纖維。
[0033]步驟三，制備UHMWPE纖維混凝土:
[0034]先攪拌水泥、石、砂、微硅灰30s ;攪拌均勻后，摻入U(xiǎn)HMWPE纖維，UHMWPE纖維采用小股分散摻入，邊摻入邊攪拌，直到全部摻入攪拌均勻?yàn)橹?；再加入水和減水劑攪拌120s，得到UHMWPE混凝土拌合物；經(jīng)28天養(yǎng)護(hù)硬化后，最終得到UHMWPE纖維混凝土。
[0035]本實(shí)施例效果:本實(shí)施例所制備的UHMWPE纖維混凝土容重為2400kg/m3 ;養(yǎng)護(hù)28天后，本實(shí)施例的UHMWPE纖維混凝土與相同配合比的素混凝土相比抗壓強(qiáng)度提升8.7% ;與相同配合比的素混凝土相比抗拉強(qiáng)度提升15.1% ;與相同配合比的素混凝土相比抗折強(qiáng)度提升6.5%ο
[0036]實(shí)施例2
[0037]本實(shí)施例涉及的UHMWPE纖維混凝土，包括UHMWPE纖維和混凝土體積百分含量為:UHMWPE 纖維 0.3%,混凝土 99.7%。
[0038]每立方米所述混凝土包括的各組分質(zhì)量如下:
[0039]水，154kg，普通自來水；
[0040]普通硅酸鹽水泥，495kg，標(biāo)號42.5 ；
[0041]卵石，975.2kg,最大粒徑 IOmm ;
[0042]砂，706.8kg，中等河砂，細(xì)度模數(shù)2.8 ；
[0043]微硅灰，55kg，粒徑0.08 μ m, Si02含量不低于95% ；
[0044]減水劑，I lkg, FDN-5早強(qiáng)高效減水劑；
[0045]所述UHMWPE纖維的長度30_，直徑20 μ m~50 μ m，長徑比600~1500，密度0.97g/m3,抗拉強(qiáng)度3000MPa，彈性模量lOOGPa，極限延伸率2.5~4.0%。
[0046]本實(shí)施例涉及的上述UHMWPE纖維混凝土的制備方法,如圖1所示,步驟如下:
[0047]步驟一，確定混凝土的UHMWPE纖維摻量和混凝土配合比:根據(jù)所需要配備的混凝土標(biāo)號，確定混凝土的材料配合比，確定UHMWPE纖維摻入的體積含量。
[0048]步驟二，準(zhǔn)備好所需的各組分:[0049]按本實(shí)施例中所述UHMWPE纖維混凝土的材料配合比備好所需的水、水泥、石、砂、微硅灰、減水劑和UHMWPE纖維。
[0050]步驟三，制備UHMWPE纖維混凝土:
[0051]先攪拌水泥、石、砂、微硅灰30s ;攪拌均勻后，摻入U(xiǎn)HMWPE纖維，UHMWPE纖維采用小股分散摻入，邊摻入邊攪拌，直到全部摻入攪拌均勻?yàn)橹?；再加入水和減水劑攪拌120s，得到UHMWPE混凝土拌合物；經(jīng)28天養(yǎng)護(hù)硬化后，最終得到UHMWPE纖維混凝土。
[0052]本實(shí)施例效果:本實(shí)施例所制備的UHMWPE纖維混凝土容重為2400kg/m3 ;養(yǎng)護(hù)28天后，本實(shí)施例的UHMWPE纖維混凝土與相同配合比的素混凝土相比抗壓強(qiáng)度提升2.6% ;與相同配合比的素混凝土相比抗拉強(qiáng)度提升26% ;與相同配合比的素混凝土相比抗折強(qiáng)度提升 18.5%ο
[0053]實(shí)施例3
[0054]本實(shí)施例涉及的UHMWPE纖維混凝土，包括UHMWPE纖維和混凝土體積百分含量和配料比例為:UHMWPE纖維0.5%,混凝土 99.5%。
[0055]每立方米所述混凝土包括的各組分質(zhì)量如下:
[0056]水，154kg,普通自來水；
[0057]普通硅酸鹽水泥，495kg，標(biāo)號42.5 ；
[0058]卵石,974kg,最大粒徑IOmm ;`[0059]砂，706kg,中等河砂，細(xì)度模數(shù)2.8 ；
[0060]微硅灰，55kg，粒徑0.08 μ m, Si02含量不低于95% ；
[0061]減水劑，11kg, FDN-5早強(qiáng)高效減水劑；
[0062]所述UHMWPE纖維的長度30_，直徑20 μ m~50 μ m，長徑比600~1500，密度
0.97g/m3,抗拉強(qiáng)度3000MPa，彈性模量lOOGPa，極限延伸率2.5~4.0%。
[0063]本實(shí)施例涉及上述UHMWPE纖維混凝土的制備方法,如圖1所示,步驟如下:
[0064]步驟一，確定混凝土的UHMWPE纖維摻量和混凝土配合比:根據(jù)所需要配備的混凝土標(biāo)號，確定混凝土的材料配合比，確定UHMWPE纖維摻入的體積含量。
[0065]步驟二，準(zhǔn)備好所需的各組分:
[0066]按本實(shí)施例中所述UHMWPE纖維混凝土的材料配合比備好所需的水、水泥、石、砂、微硅灰、減水劑和HMWPE纖維。
[0067]步驟三，制備所需的UHMWPE纖維混凝土:
[0068]先攪拌水泥、石、砂、微硅灰30s ;攪拌均勻后，摻入U(xiǎn)HMWPE纖維，UHMWPE纖維采用小股分散摻入，邊摻入邊攪拌，直到全部摻入攪拌均勻?yàn)橹?；再加入水和減水劑攪拌120s，得到UHMWPE混凝土拌合物；經(jīng)28天養(yǎng)護(hù)硬化后，最終得到UHMWPE纖維混凝土。
[0069]本實(shí)施例效果:本實(shí)施例所制備的UHMWPE纖維混凝土容重為2400kg/m3 ;養(yǎng)護(hù)28天后，本實(shí)施例的UHMWPE纖維混凝土與相同配合比的素混凝土相比抗壓強(qiáng)度提升1.5% ;與相同配合比的素混凝土相比抗拉強(qiáng)度提升25.7% ;與相同配合比的素混凝土相比抗折強(qiáng)度提升23.3%ο
[0070]實(shí)施例4
[0071 ] 本實(shí)施例涉及的UHMWPE纖維混凝土，包括UHMWPE纖維和混凝土體積百分含量為:UHMWPE 纖維 0.8%,混凝土 99.2%。[0072]每立方米所述混凝土包括的各組分質(zhì)量如下:
[0073]水，154kg，普通自來水；
[0074]普通硅酸鹽水泥，495kg，標(biāo)號42.5 ；
[0075]卵石，972.2kg，最大粒徑 IOmm ；
[0076]砂，704.8kg，中等河砂，細(xì)度模數(shù)2.8 ；
[0077]微硅灰，55kg，粒徑0.08 μ m, Si02含量不低于95% ；
[0078]減水劑，11kg, FDN-5早強(qiáng)高效減水劑；
[0079]所述UHMWPE纖維的長度30_，直徑20 μ m~50 μ m，長徑比600~1500，密度
0.97g/m3,抗拉強(qiáng)度3000MPa，彈性模量lOOGPa，極限延伸率2.5~4.0%。
[0080]本實(shí)施例涉及上述UHMWPE纖維混凝土的制備方法,如圖1所示,步驟如下:
[0081]步驟一，確定混凝土的UHMWPE纖維摻量和混凝土配合比:根據(jù)所需要配備的混凝土標(biāo)號，確定混凝土的材料配合比，確定UHMWPE纖維摻入的體積含量。
[0082]步驟二，備好所需的各組分:
[0083]按本實(shí)施例中所述UHMWPE纖維混凝土的材料配合比備好所需的水、水泥、石、砂、微硅灰、減水劑和HMWPE纖維。
[0084]步驟三，制備UHMWP E纖維混凝土:
[0085]先攪拌水泥、石、砂、微硅灰30s ;攪拌均勻后，摻入U(xiǎn)HMWPE纖維，UHMWPE纖維采用小股分散摻入，邊摻入邊攪拌，直到全部摻入攪拌均勻?yàn)橹?；再加入水和減水劑攪拌120s，得到UHMWPE混凝土拌合物；經(jīng)28天養(yǎng)護(hù)硬化后，最終得到UHMWPE纖維混凝土。
[0086]本實(shí)施例效果:本實(shí)施例所制備的UHMWPE纖維混凝土容重為2400kg/m3 ;養(yǎng)護(hù)28天后，本實(shí)施例的UHMWPE纖維混凝土與相同配合比的素混凝土相比，對于在12.7mm穿甲彈低速(537~543m/s)、中速(697~706m/s)和高速(828~844m/s)三檔速度沖擊作用下，平均侵徹深度比素混凝土分別減小22.4%、19.0%和23.5%。
[0087]進(jìn)一步地，應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明并不局限于以上特定實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出任何變形或改進(jìn)。
【權(quán)利要求】
1.一種超高分子量聚乙烯纖維混凝土，其特征在于包括如下體積含量百分比的各組分: 超高分子量聚乙烯纖維0.1%~0.8% ； 混凝土 99.2% ~99.9%ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超高分子量聚乙烯纖維混凝土，其特征在于所述超高分子量聚乙烯纖維的長度為30mm，直徑為20 μ m~50 μ m，長徑比為600~1500，密度為0.97g/m3,抗拉強(qiáng)度為3000MPa，彈性模量為lOOGPa，極限延伸率為2.5~4.0%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超高分子量聚乙烯纖維混凝土，其特征在于所述混凝土為C60~C80等級的聞強(qiáng)混凝土。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超高分子量聚乙烯纖維混凝土，其特征在于所述混凝土為C70等級的聞強(qiáng)混凝土。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超高分子量聚乙烯纖維混凝土，其特征在于所述混凝土的各組分及含量為:水 154kg/m3，水泥 495kg/m3，石 972.2 ~977kg/m3，砂 704.8 ~708kg/m3，減水劑 llkg/m3,微娃灰 55kg/m3。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超高分子量聚乙烯纖維混凝土，其特征在于所述水泥采用42.5R級普通硅酸鹽水泥；石采用級配良好、最大粒徑為IOmm的卵石；砂采用細(xì)度模數(shù)2.8的中等河砂；硅灰采用SiO2含量不低于95%、粒徑0.08 μ m的微硅灰；減水劑采用減水率不低于25%的FDN-5早強(qiáng)高效減水劑。
7.一種超高分子量聚·乙烯纖維混凝土的制備方法，其特征在于包括以下步驟:先攪拌水泥、石、砂、微硅灰；攪拌均勻后，摻入超高分子量聚乙烯纖維，所述超高分子量聚乙烯纖維采用小股分散摻入，邊摻入邊攪拌，直到全部摻入攪拌均勻?yàn)橹梗辉偌尤胨蜏p水劑攪拌，得到超高分子量聚乙烯纖維混凝土拌合物；經(jīng)28天養(yǎng)護(hù)硬化后，最終得到超高分子量聚乙烯纖維混凝土。
【文檔編號】C04B16/06GK103819155SQ201410029702
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】晏麓暉, 張勝, 朱林, 張玉武, 李凌鋒 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)