CN102093010A - 低成本碳纤维增强混凝土及其制备方法与应用 - Google Patents

低成本碳纤维增强混凝土及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低成本碳纤维增强混凝土及其制备方法与应用。该低成本碳纤维增强混凝土，由以下六类组分组配而成：水泥(A)410～510kg/m3；分散剂(B)，占水泥用量的5％～15％(wt)；减水剂(C)，占A和B总量的0.5％～2.0％(wt)；水(D)，占水泥用量的30％～40％(wt)；砂、石(E)，按每m3混凝土重2400kg计算，砂石总量为2400kg扣除A、B、D组分后的重量，其中砂在砂石总量中占30％～40％(wt，砂率)；低成本碳纤维(F)，占混凝土的体积掺量为0.5％～2％。本发明充分利用碳纤维的高力学性能来提升混凝土的韧性，并降低碳纤维混凝土单方制备成本50％，具有品质优、制备工艺简单、成本低等优点，适合大面积推广和应用。

Description

低成本碳纤维增强混凝土及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，特别是涉及一种低成本碳纤维增强混凝土及其制备方法与应用。
背景技术
随着现代化水平的不断提高，人们对现代建筑提出了高层化、大跨度化等更高的要求，为了实现这些要求，水泥基复合材料的比强度需要进一步提高。复合化是水泥基材料实现高性能的重要途径，纤维增强是其核心。因此，国内外在纤维增强水泥复合材料的研究上有了重大的突破。
由于石棉纤维容易致癌、玻璃纤维在碱性环境中不能保持稳定及钢纤维易出现钢筋锈蚀问题，这些都限制其在水泥基复合材料中的大规模应用。相比之下，碳纤维是一种新兴的碳基纤维材料。碳纤维的优势在于它除了无石棉纤维的致癌结构，还无毒无害，而且，在水泥浆的强碱性环境中有很好的稳定性，这是玻璃纤维和钢纤维所不可比拟的。碳纤维不仅提高了水泥复合材料的抗折、抗拉强度，还增加了水泥材料的韧性，赋予传统的水泥材料以新的性能——轻质高强、耐冲击、耐干缩性等。基于此，碳纤维水泥基材料获得了越来越多的关注，但其重点集中于机敏性或智能性的研究，如压敏性、热敏性及电磁屏蔽性等，这些研究虽然赋予了碳纤维水泥基材料新的功能，但由于对碳纤维性能有较高的要求，且其应用局限于某一特定领域或重点工程，因此，并没有促进碳纤维的大规模应用。而对于低成本碳纤维的应用研究尚未展开，其是否也可以像高性能的普通碳纤维那样在水泥复合材料中使用并发挥作用，如使用还应该攻克哪些技术难关等等问题都需要解决，因此开展低成本碳纤维在水泥基材料中的高效应用及性能提升研究具有较强的工程意义。
发明内容
本发明提供了一种韧性高、成本低的碳纤维增强混凝土。
为解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：一种低成本碳纤维增强混凝土，由以下六类组分组配而成：
水泥(A)：添加比例为410～510kg/m3；
分散剂(B)：占水泥用量的5％～15％(wt)；
聚羧酸(盐)减水剂(C)：占A和B总量的0.5％～2.0％(wt)；
水(D)：占水泥用量的30％～40％(wt)；
砂、石(E)：按每m3混凝土重2400kg计算，砂石总量为2400kg扣除A、B、D组分后的重量，其中砂在砂石总量中占30％～40％(wt，砂率)。
低成本碳纤维(F)：占混凝土的体积掺量为0.5％～2％。
在上述低成本碳纤维增强混凝土中，所述水泥(A)选用普通硅酸盐水泥(P·O或P·I)。
所述分散剂(B)是一种以硅质材料为主要成份组分，其SiO2含量在35％～90％(wt)，具体可为硅灰、粉煤灰或矿渣等。
所述聚羧酸减水剂(C)为特殊调配的组分，由1％～10％(wt)消泡组分和90～99％(wt)母液复配并分散在水中而成；
所述母液可为烯丙醇聚氧乙烯醚、丙烯酸聚乙二醇酯或烷基聚醚等，所述消泡组分可为高碳醇、聚二甲基硅氧烷或聚醚改性硅等。
所述砂、石(E)选用普通河砂与石子。
本发明的第二个目的是提供一种制备上述低成本碳纤维增强混凝土的方法。
本发明所提供的制备方法，可包括以下步骤：
1)先将低成本碳纤维(F)与分散剂(B)充分混合，再加入到水泥(A)中混合均匀；
2)将砂、石(E)、步骤1)中得到的混合物依次加入搅拌机中进行干拌，再将聚羧酸减水剂(C)加到拌合用水(D)中混合均匀，再一起加入到搅拌机内进行搅拌，混匀后得到产品。
在上述制备方法中，所述步骤2)中的搅拌方法为：将砂、石(E)、步骤1)中得到的混合物加入后，开动搅拌机进行干混30秒，停止搅拌机，再将预混有聚羧酸减水剂的拌合水加入，继续搅拌180秒。
本发明提供了一种低成本碳纤维增强混凝土。该发明是将低成本碳纤维应用于混凝土中，发明重点是低成本碳纤维在水泥基材料中的分散优化和界面改性，使其在满足水泥基材料实际需求的前提下使各种性能得到提升。本发明充分利用碳纤维的高力学性能来提升混凝土的韧性，并降低碳纤维混凝土单方制备成本50％，具有品质优、制备工艺简单、成本低等优点，适合大面积推广和应用。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1为用普通碳纤维配制的混凝土及与实施例1-3制备的低成本碳纤维增强混凝土的韧性测试结果
具体实施方式
本发明提供了一种低成本碳纤维增强混凝土，由以下六类组分组配而成：
水泥(A)：添加比例为410～510kg/m3；在所述低成本碳纤维增强混凝土的组分中，所述水泥(A)可选用普通硅酸盐水泥(P·O或P·I)。
分散剂(B)：占水泥用量的5％～15％(wt)；
聚羧酸或聚羧酸盐减水剂(C)：占A和B总量的0.5％～2.0％(wt)；
水(D)：占水泥用量的30％～40％(wt)；
砂、石(E)：按每m3混凝土重2400kg计算，砂石总量为2400kg扣除A、B、D组分后的重量，其中砂在砂石总量中占30％～40％(wt，砂率)；可选用普通河砂与石子。
低成本碳纤维(F)：占混凝土的体积掺量为0.5％～2％；低成本碳纤维是利用低能耗生产工艺制备的，或是普通碳纤维生产工艺的边角料。
以上组配中，所述分散剂(B)是一种以硅质材料为主要成份组分，其SiO2含量在35％～90％(wt)具体可为硅灰、粉煤灰等；所述聚羧酸减水剂(C)为特殊调配的组分，由1％～10％(wt)消泡组分和90～99％(wt)母液复配并分散在水中而成；所述母液可为烯丙醇聚氧乙烯醚、丙烯酸聚乙二醇酯或烷基聚醚等，消泡组分可为高碳醇、聚二甲基硅氧烷或聚醚改性硅等。
本发明中所用原料均为商购。
在本发明混凝土中，由于低成本碳纤维(F)的使用，需特别调配使用分散剂(B)和减水剂(C)，低成本碳纤维(F)是边角料，其本身存在表面状态差、形态不均一及存在力学薄弱区的缺陷，本发明通过研究确定，分散剂(B)通过其“微细效应”与碳纤维进行充分的结合，可以改善碳纤维的表面接触状态，促进碳纤维的分散；本发明还利用聚羧酸减水剂(C)中复配的消泡组分降低体系中由于有机物质加入而带来的气泡含量，从而改善碳纤维在水泥材料中的分散效果。而且，分散剂(B)和减水剂(C)两者复合使用才能使低成本碳纤维在水泥材料中达到最优的分散，不仅改善了与水泥石的物理接触状态，在水泥水化条件下分散剂(B)所形成的嵌入式反应提高了其与水泥石的化学结合状态，因此前述实施条件下能够使本发明混凝土的界面结构达到充分的物理与化学结合；相同的应用条件下，满足水泥基材料对其性能要求的同时达到降低成本的目的。
另一方面，本发明还提供了一种上述低成本碳纤维增强混凝土的制备方法。
本发明所提供的低成本碳纤维增强混凝土的制备方法，可包括以下步骤：
1)先将低成本碳纤维(F)与分散剂(B)充分混合，再加入到水泥(A)中混合均匀；
2)将砂、石(E)、步骤1)中得到的混合物依次加入搅拌机中进行干拌，再将聚羧酸减水剂(C)加到拌合用水(D)中混合均匀，再一起加入到搅拌机内继续进行搅拌，混匀后得到产品。
在上述制备方法中，所述步骤2)中的搅拌方法为：将砂、石(E)、步骤1)中得到的混合物加入后，开动搅拌机进行干混30秒，停止搅拌机，再将预混有聚羧酸减水剂的拌合水加入，继续搅拌180秒。
实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
实施例1：低成本碳纤维增强混凝土的配制(按30L计算)
用下述方法制备低成本碳纤维增强混凝土，具体方法包括以下步骤：
1)称重取料：PI水泥12.3Kg(购自北京兴发水泥有限公司)；分散剂粉煤灰2.3Kg(购自奥斯麦特科技(北京)有限公司)；聚羧酸高效减水剂(99％烯丙醇聚氧乙烯醚+1％的碳醇)62g(购自北京海马化工有限公司)；水3.7Kg(自来水)；砂21.3Kg；石32.4Kg；低成本碳纤维960g(购自江苏中复神鹰碳纤维有限公司)。
2)先将低成本碳纤维与分散剂充分混合，再加入到水泥中混合均匀，混合过程在混料机中进行，混料时间不小于1分钟，以混合均匀。
3)第一层先将砂、石加入强制式搅拌机后，第二层将步骤2)混合均匀后得到分散剂、水泥与碳纤维混合物加入至强制式搅拌机，第三层再将预混有聚羧酸减水剂的拌合水加入。搅拌方法为：第一、第二物料加入后，开动搅拌机进行干混30秒，停止搅拌机，将聚羧酸减水剂及拌合水一同加入，搅拌180秒后将混凝土卸出，得到低成本碳纤维增强混凝土。然后立即按照CECS13：2009纤维混凝土试验方法标准进行工作性能、含气量等新拌性能的测试。
4)根据性能检测的需要，将制备好的混凝土装入试模，到规定龄期后进行力学性能的测试。
实施例2：低成本碳纤维增强混凝土的配制(按30L计算)
用下述方法制备低成本碳纤维增强混凝土，具体方法包括以下步骤：
1)称重取料：PI水泥13.5Kg(购自北京兴发水泥有限公司)；分散剂矿渣770g(购自奥斯麦特科技(北京)有限公司)；砂19.8Kg；石33.2Kg；水4.7Kg(自来水)；聚羧酸高效减水剂(95％丙烯酸聚乙二醇酯+5％的聚醚改性硅)189g(购自北京海马化丁有限公司)；低成本碳纤维480g(购自江苏中复神鹰碳纤维有限公司)。
2)-3)与实施例1相同。
实施例3：低成本碳纤维增强混凝土的配制(按30L计算)
用下述方法制备低成本碳纤维增强混凝土，具体方法包括以下步骤：
1)称重取料：PI水泥15.3Kg(购自北京兴发水泥有限公司)；分散剂硅灰615g(购自奥斯麦特科技(北京)有限公司)；砂15.3Kg；石34.9Kg；水6.1Kg(自来水)；聚羧酸高效减水剂(90％烷基聚醚+10％的聚二甲基硅氧烷)306g(购自北京海马化工有限公司)；低成本碳纤维240g(购自江苏中复神鹰碳纤维有限公司)。
2)-3)与实施例1相同。
性能比较：用普通碳纤维配制的混凝土对比样与实施例1-3制备的低成本碳纤维增强混凝土的性能进行比较。
普通碳纤维与本发明所用的低成本碳纤维的区别在于：普通碳纤维具有较好的表面状态、稍高的力学性能(如抗拉强度、弹性模量等)，但市场价格要高出130元/公斤。低成本碳纤维是利用低能耗生产工艺制备的(或普通碳纤维生产工艺的边角料)，力学性能和表面状态均较普通碳纤维要差，市场价格在80～100元/公斤。
各混凝土配方如表1所示。
表1用普通碳纤维配制的混凝土及与实施例1-3制备的
低成本碳纤维增强混凝土的配方(Kg/m3)
  序号   水泥   分散剂   砂   碎石   水   聚羧酸高效减水剂   碳纤维
 对比样1   486.5   0   710   1080   123   0   32
 对比样2   410   76.5   710   1080   123   2.1   32
 1   410   76.5   710   1080   123   2.1   32
 2   450   25.5   660   1107   158   6.3   16
 3   510   20.5   510   1165   204   10.2   8
制备后立即按照CECS13：2009纤维混凝土试验方法标准进行工作性能、含气量等新拌性能的测试，然后根据性能检测的需要，将制备好的混凝土装入试模，到规定龄期后进行力学性能的测试。混凝土的性能指标检测结果如表2及图1所示。
表2用普通碳纤维配制的混凝土及与实施例1-3制备的
低成本碳纤维增强混凝土的力学测试结果
  序号   工作性，mm   28天抗弯强度，MPa   28天抗压强度，MPa
  对比样1   55   6.3   70.0
  对比样2   90   8.3   71.3
  1   80   7.5   68.5
  2   110   6.8   77.6
  3   125   5.8   79.2
结果数据显示，与用普通碳纤维制备的混凝土相比，在相同条件下，本发明不会对混凝土的工作性能和抗压强度有负面影响，对抗弯强度有提高作用(实施例1较对比样1提高了约19％)；工作性能与分散剂的用量有关，实施例2-3的工作性能显著要好；各实施例的韧性(参见图1荷载-挠度曲线)随碳纤维掺量的增加而增高，且相同掺量条件下低成本碳纤维增强混凝土(对比样1)的韧性能达到普通碳纤维增强混凝土的水平。
成本比较：普通碳纤维增强混凝土与低成本碳纤维增强混凝土的成本分析碳纤维增强混凝土所用原材料及混凝土配制成本如表3及表4所示。
表3原材料的价格
  序号   原材料   价格(元/吨)
  1   P·O水泥   330
  2   分散剂   1500
  3   河砂   70
  4   碎石   55
  5   普通碳纤维   200000
  6   低成本碳纤维   80000
  7   聚羧酸高效减水剂   6900
表4普通/低成本碳纤维增强混凝土配制成本分析
可以看出，在相同原材料性能及掺量条件下，本发明使碳纤维增强混凝土每吨配制成本下降多余3800元/m3，降低58％以上，有利于节省工程造价。

Claims (8)

1.一种低成本碳纤维增强混凝土，由以下六类组分组配而成：
水泥(A)：添加比例为410～510kg/m3；
分散剂(B)：占水泥用量的5％～15％(wt)；
聚羧酸(盐)减水剂(C)：占A和B总量的0.5％～2.0％(wt)；
水(D)：占水泥用量的30％～40％(wt)；
砂、石(E)：按每m3混凝土重2400kg计算，砂石总量为2400kg扣除A、B、D组分后的重量，其中砂在砂石总量中占30％～40％(wt，砂率)。
低成本碳纤维(F)：占混凝土的体积掺量为0.5％～2％。
2.根据权利要求1所述的低成本碳纤维增强混凝土，其特征在于：所述水泥(A)选用普通硅酸盐水泥(P·O或P·I)。
3.根据权利要求1所述的低成本碳纤维增强混凝土，其特征在于：所述分散剂(B)是一种以硅质材料为主要成份组分，其SiO2含量在35％～90％(wt)，具体可为硅灰、粉煤灰或矿渣。
4.根据权利要求1所述的低成本碳纤维增强混凝土，其特征在于：所述聚羧酸减水剂(C)为特殊调配的组分，由1％～10％(wt)消泡组分和90～99％(wt)母液复配并分散在水中而成；
所述母液可为烯丙醇聚氧乙烯醚、丙烯酸聚乙二醇酯或烷基聚醚等，所述消泡组分可为高碳醇、聚二甲基硅氧烷或聚醚改性硅等。
5.根据权利要求1所述的低成本碳纤维增强混凝土，其特征在于：所述砂、石(E)选用普通河砂与石子。
6.一种制备权利要求1-5所述低成本碳纤维增强混凝土的方法，包括以下步骤：
1)先将低成本碳纤维(F)与分散剂(B)充分混合，再加入到水泥(A)中混合均匀；
2)将砂、石(E)、步骤1)中得到的混合物依次加入搅拌机中进行干拌，再将聚羧酸减水剂(C)加到拌合用水(D)中混合均匀，再一起加入到搅拌机内进行搅拌，混匀后得到产品。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中的搅拌方法为：将砂、石(E)、步骤1)中得到的混合物加入后，开动搅拌机进行干混30秒，停止搅拌机，再将预混有聚羧酸减水剂的拌合水加入，继续搅拌180秒。
8.权利要求1-5所述的低成本碳纤维增强混凝土在建筑领域中的应用。
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