CN102381860A

CN102381860A - 一种制备碳纤维废丝混凝土的方法

Info

Publication number: CN102381860A
Application number: CN2011102128129A
Authority: CN
Inventors: 王晓初; 周乐; 李伟; 梁振宇
Original assignee: Shenyang University
Current assignee: Shenyang University
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2012-03-21

Abstract

一种制备碳纤维废丝混凝土的方法，涉及一种建筑材料的制备方法，包括如下过程：按混凝土配合比1：0.43：1.29：3.01的要求，称出碳纤维废丝、水泥、砂子、石、分散剂（MC）、减水剂、水³；将称取得碳纤维废丝倒入分散剂溶液中;把水泥、石子、砂子材料按混凝土标号计算的配合比混合，再加入水泥质量15%的硅粉搅拌，再加入1%-1.5%减水剂和35%的水，形成混凝土湿料，然后将分散好的碳纤维废丝加入搅拌机中进行搅拌，形成碳纤维废丝混凝土即可。该方法将碳纤维原丝及碳化过程中产生的废丝加入到混凝土中，形成碳纤维废丝混凝土，既改善了混凝土的性能，又减少废物占用有限的使用面积的方法。

Description

一种制备碳纤维废丝混凝土的方法

技术领域

本发明涉及一种建筑材料的制备方法，特别是涉及一种制备碳纤维废丝混凝土的方法。

背景技术

在混凝土中加入适量的短切碳纤维废丝，制备碳纤维废丝混凝土，可以提高混凝土的抗拉强度、弯曲强度和抗冲击性能，降低干缩，改善耐磨性能，提高混凝土的减震能力，因而在实际建筑中使用有相当潜力。目前我国高强度混凝土裂缝问题较突出，而碳纤维废丝能阻止混凝土构件裂缝的扩散展开，因而可研究尝试采用碳纤维废丝来改善高强度混凝土的性能。在混凝土中掺入碳纤维废丝可显著改善其导电性能，所以碳纤维废丝混凝土可在工业防静电、接地工程和钢筋阴极保护等方面发挥重要作用。也可以应用于军事、商业和民用建筑以防止电磁污染。利用碳纤维废丝混凝土的力学机敏性，通过监测碳纤维废丝混凝土的电阻变化率，就能够掌握碳纤维废丝混凝土结构的应力应变状态，以实现对结构物损伤的定位及损伤程度的评估，可用于大坝、桥梁及重要的建筑结构，实现对结构的实时在线监测。此外，利用短切碳纤维废丝混凝土，可以制成各种屋面、内外墙、地面及天花板的板材等。可见，碳纤维废丝混凝土因其造价降低，性能优良，具有广阔的应用前景。

但目前碳纤维丝的成本较高，碳纤维材料的价格相对于钢筋、混凝土材料较为昂贵，影响了碳纤维废丝混凝土的推广使用。碳纤维混凝土作为一种新型的功能材料，在实际工程应用中还有很多问题需要进一步地研究，如碳纤维与基体的界面粘结强度和碳纤维在基体中的分散程度。由于碳纤维直径细小、表面憎水所造成的无法较好均匀分散而导致的混凝土电阻率波动的问题，在很大程度上限制了此类材料的工程应用。目前混凝土基碳纤维机敏材料的研究还基本处于空白阶段，骨料石子的加入，对碳纤维混凝土的导电性能影响较大，而碳纤维混凝土压敏规律的研究目前还主要停留在水泥基和砂浆基的阶段，所以加速研究带有粗骨料的碳纤维混凝土的性能具有非常重要的意义。现有的的碳纤维混凝土是将成品的碳纤维切成短状结构，制成复合体材料，再通过树脂与混凝土粘贴，这样就增加了碳纤维混凝土的成本，只能用于少量行业，不能将其广泛的应用到建筑行业中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备碳纤维废丝混凝土的方法，该方法将碳纤维原丝及碳化过程中产生的废丝加入到混凝土中，形成碳纤维废丝混凝土，既改善了混凝土的性能，又减少废物占用有限的使用面积的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种制备碳纤维废丝混凝土的方法，该方法包括如下过程：

按混凝土配合比1：0.43：1.29：3.01的要求，称出碳纤维废丝、水泥、砂子、石子、分散剂（MC）、消泡剂、减水剂、水,碳纤维废丝的掺量以水泥的质量百分比计算；称取0.8%分散剂加入65%的80℃温水中，震荡3-5min，静置20min，直至分散剂完全溶解；将称取得碳纤维废丝倒入分散剂溶液中，继续震荡，直到碳纤维废丝单丝分布，再加入消泡剂0.2%，溶液表面没有碳纤维形成的波纹及甲基纤维素产生的气泡;把水泥、石子、砂子材料按混凝土标号计算的配合比混合，再加入水泥质量15%的硅粉，在搅拌机中进行干拌3分钟，再加入1%-1.5%减水剂和35%的水，形成混凝土湿料，然后将分散好的碳纤维废丝加入搅拌机中进行搅拌，形成碳纤维废丝混凝土即可。

所述的一种制备碳纤维废丝混凝土的方法，所述的废丝短切长度值为6-20mm。

本发明的优点与效果是：

本发明的碳纤维完全是利用碳纤维废丝，碳纤维废丝混凝土的制备工艺不仅会使碳纤维废丝成丝状态，还要求碳纤维废丝在混凝土中均匀分布。从而既改善了混凝土的性能，又提出了一种减少废物占用有限的使用面积。

具体实施方式

本发明方法包括如下过程：

按混凝土配合比1：0.43：1.29：3.01的要求, 综合考虑混凝土的坍落度、粘聚性、保水性等要求，称出碳纤维废丝质量为3.35 Kg/m³—5.03Kg/m³、水泥质量为419 Kg/m³、砂子540 Kg/m³、石子1261Kg/m³、分散剂（MC）1.68 Kg/m³—3.35 Kg/m³、消泡剂0.84Kg/m³、减水剂4.19—6.29Kg/m³、水的质量为180Kg/m³,碳纤维废丝的掺量以水泥的质量百分比计算；

称取0.8%分散剂加入65%的80℃温水中，震荡3-5min，静置20min左右，直至分散剂完全溶解；

将称取得碳纤维废丝倒入分散剂溶液中，继续震荡，直到碳纤维废丝单丝分布，再加入消泡剂0.2%，溶液表面没有碳纤维形成的波纹及甲基纤维素产生的气泡;

把水泥、石子、砂子等材料按混凝土标号计算的配合比混合，再加入水泥质量15%的硅粉，在搅拌机中进行干拌3分钟，再加入1%-1.5%减水剂和35%的水，形成混凝土湿料，然后将分散好的碳纤维废丝加入搅拌机中进行搅拌，形成碳纤维废丝混凝土即可。

废丝短切长度值应为6-20mm（要与粗骨料的粒径相匹配）。

本发明的碳纤维完全是利用碳纤维废丝，碳纤维废丝混凝土的制备工艺不仅会使碳纤维废丝成丝状态，还要求碳纤维废丝在混凝土中均匀分布。本发明的制作方法是改变用料的加入顺序，将碳纤维废丝加入参入分散剂的温水中，进行搅拌，直至碳纤维成单丝状态。在分散碳纤维废丝的同时，进行石子、砂、减水剂、硅粉的原料的搅拌，再将碳纤维废丝加入拌合均匀的混凝土中，进行搅拌。

本发明的工艺：

（1）.将碳纤维废丝加入混凝土，制备碳纤维废丝混凝土

①按配合比要求,称出碳纤维废丝、水泥、砂子、石子、分散剂（MC）、减水剂、消泡剂、水的质量,碳纤维废丝的掺量以水泥的质量百分比计算；

②将水倒入容器，再加入分散剂（MC）震荡3-5min，静置20min左右，直至分散剂完全溶解；

③将称取得碳纤维废丝倒入分散剂溶液中，继续震荡，直到碳纤维废丝单丝分布，再加入消泡剂，溶液表面没有碳纤维形成的波纹及甲基纤维素产生的气泡;

④把水泥、石子、砂子、硅粉等材料按配合比混合，在搅拌机中进行干拌3分钟，再加入减水剂和部分水，形成混凝土湿料，然后将分散好的碳纤维废丝加入搅拌机中进行搅拌，形成碳纤维废丝混凝土；

（2）通过对碳纤维废丝混凝土立方体试件的抗压试验，探索碳纤维废丝混凝土抗压试件的破坏形态，相对于基体混凝土，研究碳纤维废丝混凝土的受压韧性、混凝土脆性破坏形态。

在水灰比的条件下，碳纤维废丝作为基本参数，将制备的试件进行检测3d,7d,28d抗压强度。通过分析：随着碳纤维废丝的增加，其抗压强度比相同配合比条件下的普通混凝土有所提高，同时还发现随着碳纤维废丝含量的增加，碳纤维废丝混凝土的劈拉强度不断提高。同时碳纤维废丝混凝土的拉压比也有较大提高，证明碳纤维废丝混凝土的脆性明显低于普通混凝土，韧性得以提高，根据碳纤维废丝混凝土压折比的下降，还说明碳纤维废丝混凝土的脆性也有所降低。

（3）碳纤维废丝短切长度对混凝土性能的影响规律试验，提出最优废丝短切长度。

碳纤维废丝的长度对混凝土的影响很大。为了确定最优碳纤维废丝短切长度，对其一定范围内的纤维长度进行了试验，在确定配合比的条件下，将碳纤维废丝的长度作为一个基本参量，进行试件制作。为了减少搅拌时搅拌机对碳纤维的影响,本实验用的是无叶片柔性搅拌机。这种方法不会使纤维相互缠绕成团，同时在搅拌过程中还会有揉搓作用，使碳纤维分布更加均匀。

通过实验的数据分析，随着碳纤维废丝长度的增加，碳纤维废丝混凝土的强度呈上升趋势，尤其是碳纤维废丝混凝土的抗拉强度；但是达到一定长度时再继续增加，其强度趋于平稳，甚至有下降的趋势。从宏观角度分析原因如下：1.随着碳纤维废丝的长度的增加，在搅拌过程中会出现一定的难度；2.搅拌过程中长纤维废丝会出现折断现象；3.当纤维过长时，其粘结强度超过了纤维本身的抗拉强度，绝大部分纤维是被拉断的，而不是拔出的，同时随着纤维长度的增加，单位面积混凝土内纤维的根数也会减少，所以抗压强度会呈下降趋势。

（4）分析碳纤维废丝与混凝土的界面强度影响因素，提出改善界面性能的方法。

碳纤维废丝与混凝土的界面强度是影响碳纤维废丝混凝土强度的主要因素，而这种强度有主要体现在碳纤维废丝与混凝土的粘结强度上。从客观的角度来说，随着两者之间的粘结强度的提高，碳纤维废丝混凝土的增韧性效果会更好；而达到一定强度，碳纤维废丝不是被拔出，而是被拔断或是被折断。碳纤维废丝在混凝土中的主要作用就是延缓混凝土裂缝的扩展，一旦出现裂缝，当拉力超过两者的最小粘结力时。碳纤维废丝将会被拔出，或者是没达到粘结力而超过了碳纤维废丝的抗拉强度，碳纤维废丝被拉断。碳纤维可以提高混凝土强度，其影响因素如下：

1.碳纤维废丝的力学性能参数

碳纤维废丝也是随着碳纤维种类的不同而各有差异的，可以根据碳纤维的性能分为高性能碳纤维废丝：高强度碳纤维废丝，高模量碳纤维废丝，中模量碳纤维废丝；低性能碳纤维废丝：耐火碳纤维废丝，石墨碳纤维废丝，碳质碳纤维废丝。他们之间的不同主要体现在抗拉强度、杨氏模量、极限延伸率。

2.碳纤维废丝的几何特征

碳纤维废丝的表面积、截面形状是影响其粘结强度主要特征。碳纤维废丝与混凝土接触的表面积越大，其相应的粘结强度也越大。现有相应的技术来增大表面积，如碳纤维的微刻痕技术、气相氧化、液氧氧化、表面涂层、液相气相双效应法，电解氧化处理等。同时，还增加了碳纤维废丝的增韧强度。碳纤维废丝的截面形状也是影响表面积的影响因素，根据所做实验:在相同体积掺量条件下,C型比其他形状的碳纤维有更好的增强效果。

3.碳纤维废丝在混凝土中的分布与取向

在碳纤维废丝混凝土中碳纤维废丝的分布基本上可分为三种方式:①在基体中均匀分布;②集中在复合材料的关键受拉力的部位;③基本是均匀分布，但在重点受力部位加密处理。

在碳纤维废丝混凝土中碳纤维废丝的取向基本有四种:①一维定向，全部碳纤维都沿着一个方向;②二维定向，碳纤维废丝都在一个平面内，在垂直方向上定向分布；③二位乱向，所有纤维都在一个平面上不确定性分布；④三维乱向，碳纤维废丝在混凝土基体中任意分布。

在碳纤维废丝混凝土中碳纤维是三维乱向分布的，其分散程度可用分散度来衡量，以碳纤维废丝混凝土受弯构件来说明，当所有纤维在混凝土中和轴以上受压区时，其效果是最差的，其分布在中和轴以下受拉区时，效果是最好的。根据相关试验表明当纤维在混凝土中均匀分布时效果是最好的。

4.碳纤维体积率和纤维平均间距

碳纤维体积率即在碳纤维废丝混凝土中全部纤维的体积占复合材料体积的百分率。纤维的体积率反映了碳纤维废丝在混凝土中掺量的多少。为了达到其增强效果，其体积率必须超过临界体积率，但是体积率过大也会影响到纤维在集体中的分散情况，容易出现成堆现象，这样也会降低碳纤维废丝混凝土的强度。因此，在确定混凝土制备工艺时，要采取适当的纤维体积率。

纤维间距理论认为在混凝土内部有许多不同程度的微裂痕，当施加外力时，在内部裂痕部位两端会产生较大的应力集中现象，导致裂缝的扩展，最终混凝土破坏。当有一定量的纤维加入时，会延迟裂缝的扩展，其阻裂作用的大小与纤维的间距有密切的关系。当纤维的平均间距适当时其增强作用越明显，当纤维间距过小时会影响纤维与混凝土的粘结强度。

5.纤维与混凝土界面微结构及二者的界面黏结

通过用电子显微镜观察混凝土发现水泥与集料之间有一层界面层，并提出了相应的模型,而纤维增强水泥复合材料也相应的存在这种现象。认为其界面面层与水泥基本体相比有以下特征：①水泥比较高；②空隙率较大；③网络结构较疏松；④存在薄弱区。

为了增强碳纤维废丝与水泥及材料的界面粘结强度，应尽量使此界面层减薄，可以采取一定的措施；①当用预拌法制造碳纤维废丝混凝土材料时，可以适当的加入减水剂，提高水灰比；②可以加入一定量的细料如硅粉等，他们不仅会和水泥发生化学反应，还会填充界面区的空隙；③对其制备过程中，要采取相应工艺，如加压、热压、喷射-真空脱水、抽真空-高压挤压，尽量使其密实。

6.研究碳纤维废丝在混凝土中均匀度的评价方法，提出改善碳纤维废丝分布均匀化的方法。

碳纤维废丝在混凝土中的分散情况，其测试结果基本上有六种：①新拌料浆法，此方法简便快捷实用，利用分散系数定量的评价碳纤维废丝混凝土中碳纤维废丝的分散均匀程度；②硬化试件电阻测试法，通过试件两端加入电流，测定电阻情况，可以一定程度上定性的测出不同硬化碳纤维废丝混凝土的电阻情况，从而反映出碳纤维的分散情况；③硬化试件断面形貌法，此方法较为直观，就是在硬化的试件的断面观察碳纤维的分布情况。但是只能从小范围内进行观察；④分散性模拟实验法，该方法可直接的观察碳纤维废丝在拌和水溶液中的分散情况，尤其是是在研究分散剂的效果时；⑤新拌料浆电阻率测试法，是对新拌料浆法和硬化试件电阻测试法的改进，通过对新拌浆体在交流电作用下电阻测试，快速检测出碳纤维分散情况；⑥力学性能法，通过有关实验，碳纤维混凝土的试件的力学性能可间接的反映出碳纤维的分散情况。虽然这种方法的适用范围较小，但是操作简单，便于理解。本实验也是采用这种方法进行检验纤维废丝是否均匀的，并取得了一定的效果。

Claims

1.一种制备碳纤维废丝混凝土的方法，其特征在于，该方法包括如下过程：

2.根据权利要求1所述的一种制备碳纤维废丝混凝土的方法，其特征在于，所述的废丝短切长度值为6-20mm。