CN102936107B

CN102936107B - 含有复合纤维的高性能混凝土

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Publication number: CN102936107B
Application number: CN201210467033.8A
Authority: CN
Inventors: 夏冬桃; 刘向坤; 夏广政; 周博儒
Original assignee: Hubei University of Technology
Current assignee: Hubei University of Technology
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2032-11-19
Also published as: CN102936107A

Abstract

本发明公开了一种含有复合纤维的高性能混凝土，解决了现有高性能混凝土纤维添加量大、力学性能较差、拉伸韧性及弯曲韧性较差的问题。技术方案包括混凝土，还含有复合纤维，以混凝土体积100%计，所述复合纤维的掺率为混凝土体积的0.8-1%，所述复合纤维由钢纤维、塑钢纤维和聚丙烯单丝纤维组成。本发明混凝土抗压强度、劈拉强度和韧性以及弯曲韧性等综合力学性能均好、纤维添加量低、应用范围广。

Description

含有复合纤维的高性能混凝土

技术领域

本发明涉及一种建筑材料，具体的说是一种含有复合纤维的高性能混凝土。

背景技术

随着混凝土结构应用领域的不断扩展，规模的增大，使结构工程向更高、跨度更大、荷载更重的方向发展，对其性能的要求也更高。纤维混凝土是当代迅速发展的新型复合材料，尤其以钢纤维混凝土及合成纤维混凝土发展最快。钢纤维对混凝土具有显著的阻裂、增强、增韧作用，钢纤维混凝土在土木、水利等许多工程领域都已得到了广泛的应用。合成纤维对防止混凝土早期收缩裂缝，改善混凝土耐久性的作用十分明显。鉴于基体混凝土多组分、多相、多层次的特征，掺加单一纤维很难综合提高混凝土的力学性能，为了获得需要的纤维混凝土特性和较低成本，以纤维桥联法作为研究的理论基础，考虑了纤维特性、基体特性和纤维/基体的界面特性及其之间的相互影响，在混凝土中同时掺入两种或两种以上的纤维复合使用，称为混杂纤维混凝土。目前关于混杂纤维混凝土的研究大多为钢纤维-聚丙烯纤维二元混杂增强的混凝土，虽然钢纤维/聚丙烯纤维二元混杂较单掺钢纤维对高性能混凝土性能有很大改善，但在一定程度上仍存在自重大、造价偏高、纤维容易结团、现场施工不便的缺陷，导致实际工程中一次性投入成本过高，而纤维结团又将极大的限制纤维增强增韧性能的发挥。与此同时，混杂纤维混凝土在高层建筑转换大梁、隧道支护、机场道面、桥面铺装、核废料储存器等方面的应用却逐年增加，这就迫切需要研究开发一种新型性能更优、性价比更高的混杂纤维增强高性能混凝土复合材料。

针对钢纤维-聚丙烯纤维二元混杂纤维增强混凝土的综合力学性能，国内学者已经做了一些试验研究：孙伟等学者的研究结果表明：由聚丙烯的桥接作用阻止早期混凝土塑性裂缝的发生和发展，提高了材料介质的连续性，从而使硬化后混凝土的抗拉强度提高，由钢纤维阻止硬化混凝土破坏时的宏观裂缝扩展，使硬化混凝土在裂后仍能保持一定的抗拉强度，提高了硬化混凝土的断裂韧性；毕远志等（2008）发现采用聚丙烯仿粗纤维（ρ_ppf 0.6%）和钢纤维（ρ_弯拉强度0.4%）混杂时，弯曲韧性比单一纤维时平均提高了30%；高淑玲（2010）等采用聚丙烯仿钢丝粗纤维代替部分钢纤维（ρ_sf0.7%，ρ_ppf 0.5%），初裂挠度比普通混凝土提高了4倍以上。

自20世纪90年代以来，国外学者对钢纤维与合成纤维混杂效应也做出了大量相关研究：Feldman 和Zheng（1993）、Komlos et al（1995）、 Qian et al（2000）研究表明，由强度和硬度较大的钢纤维提高混凝土的初裂强度和极限强度，由延性较大的聚丙烯纤维提高韧性和初裂后的应变能力。P.S. Song（2005）研究表明，钢纤维（ρ_sf0.5%）与聚丙烯纤维（ρ_ppf 0.1%）混杂使混凝土初裂强度比钢纤维混凝土提到了了59%，极限强度提高了52%；Mohammd（2009）研究表明，由工业废料制成的钢纤维和聚丙烯纤维以总体积掺量0.75%的多尺度混杂使纤维混凝土的延性和裂后变形性能提高幅度更大。

综上，目前虽然在钢纤维（SF ）及聚丙烯纤维（PPF）混杂增强混凝土的基本力学性能、增韧增强机理等研究方面有了一些发展，但增强纤维的混杂形式仍停留在钢纤维/聚丙烯纤维二元混杂的阶段，混杂纤维混凝土的拉伸韧性及弯曲韧性提高的幅度尚不明确。纤维混凝土韧性是指材料开裂后产生较大变形仍可保持材料强度不明显降低的能力，这是纤维混凝土的一个重要特性。纤维混凝土韧性的改善在很多应用条件下比强度改善更为重要，对纤维混凝土优良韧性的认识，成为需要有较大变形适应能力的结构设计思想的改变和广泛采用纤维混凝土的理论基础。近年来，又有相关学者做过钢纤维-塑钢纤维二元混杂纤维混凝土的试验研究，其创新点在于用塑钢纤维完全取代聚丙烯单丝纤维，但取代后聚丙烯单丝纤维对混凝土硬化前期塑性裂缝产生以及扩展的抑制作用也随之消失，并且对基体混凝土开裂后期的韧性提高也产生了一定程度的削弱作用，显示出该种纤维混杂方式仍然需要进一步改进，以使混杂纤维混凝土的拉伸韧性及弯曲韧性提高的幅度增大。由此可见，从设计上进一步改进钢纤维、聚丙烯单丝或聚丙烯仿钢丝粗纤维的混杂比例，以使混杂纤维混凝土的拉伸韧性及弯曲韧性大幅度提高，这将具有极其重要的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种抗压强度、劈拉强度和韧性以及弯曲韧性等综合力学性能均好、纤维添加量低、应用范围广、成本低的含有复合纤维的高性能混凝土。

技术方案包括混凝土，还含有复合纤维，以混凝土体积100%计，所述复合纤维的掺率为混凝土体积的0.8-1%，所述复合纤维由钢纤维、塑钢纤维和聚丙烯单丝纤维组成。

所述钢纤维的体积掺量范围为0.4%～0.7%，更为优选为0.6%～0.7%；塑钢纤维的体积掺率为0.1%～0.5%，更为优选为0.19～0.29%；杜拉纤维的体积掺率优0.1%～0.2%，更为优选为0.11%，三者合计的体积掺率为0.8-1%。

所述钢纤维为弓形钢纤维、波纹形钢纤维或压痕形钢纤维。优选弓形钢纤维，在纤维中间以及两端部分呈扁平状，且中间部分带有横向刻痕，可显著提高与基体的粘结以及锚固作用，更为优选为多锚点弓形钢纤维。

所述塑钢纤维优选为聚丙烯仿钢丝粗纤维，还可例举出聚丙烯晴纤维、聚酯纤维等。

所述聚丙烯单丝纤维优为杜拉纤维（DURAFIBER）。

所述混凝土中水灰比为0.31-0.38。

本发明中，发明人对现有纷繁复杂的各种类型纤维进行了深入研究，考虑了每种纤维的特性，创造性的提出了复合纤维掺入的三元混杂理念，特别选择了弓形钢纤维、塑钢纤维和聚丙烯单丝纤维三元混杂使用，能够进一步挖掘钢纤维和聚丙烯单丝纤维的潜力，发挥出三种纤维的混杂效应以及尺寸效应，相对于钢纤维/聚丙烯单丝纤维二元混杂，在保留聚丙烯单丝纤维优良的混凝土前期阻裂以及开裂后

期增韧作用的同时，能够充分发挥塑钢纤维的微筋材效应，发挥其增强增韧效用。其抗压强度、劈拉强度、抗拉韧性及弯曲韧性最佳，较单掺钢纤维或SF/PPF二元混杂表现出更优越的综合力学性能，并且还意外的解决了纤维结团问题，进一步提高了增强增韧性能。产生上述显著效果的原因尚不完全清楚，初步分析主要原因有三：（1）由于纤维的弹性模量相对高于凝结初期混凝土基体的弹性模量，加入纤维能够增加高性能混凝土的塑性和硬化初期的抗拉强度，有效的抑制混凝土早期收缩裂缝的产生和发展，加强了混凝土的密实性，从根源上显著减少了原始裂缝的数量；（2）纤维在混凝土中主要起桥接裂缝，缓解裂缝尖端应力集中的作用，当不同尺度、不同性质纤维混杂时，纤维之间能够性能优势互补，在不同的结构层次和受荷载阶段逐级进行增强增韧，发挥纤维的混杂效应和尺度效应。当裂缝较小时，主要由高弹模的弓形钢纤维发挥作用，该种纤维表面呈扁平型且带有横向刻痕，极大加强了纤维与基体的粘结强度，在其承载拔出过程中将消耗大量能量，对混凝土强度以及韧性提高发挥着很重要的作用。当裂缝宽度较大时，钢纤维大都已被拔出，塑钢纤维发挥作用，该纤维弹性变形能力大，且与基体具有很好的粘性性能，在其拔出以及弹性变形增大过程中也将消耗大量能量，从而有效提高混凝土的韧性。同时塑钢纤维弹模相对较大，在一定程度上可使混凝土承载能力和变形继续增大，反映在劈拉荷载－位移曲线上为上升段出现不同的峰值。当裂缝扩展后期，钢纤维基本上全从基体中拔出，大部分塑钢纤维在变形伸长中也会与基体脱粘，杜拉纤维开始发挥作用，该纤维虽弹模很小，但数量众多，且具有极大的变形延伸率，在拉伸变形伸长过程中将消耗大量能量，极大的提高混凝土开裂后期的抗拉韧性，在劈拉荷载-位移曲线上表现为峰值过后具有阶段性的应变硬化；（3）基体开裂后，纤维将承担全部荷载，由抗压试验试块的破坏形态可以看出，高性能混凝土呈现出多缝开裂状态，在多缝开裂阶段，裂缝间距变小，数量增多，裂宽细化，这一阶段的出现也大大提高了材料的韧性。

本发明的发明点在于向现有的混凝土中掺入三元混杂的复合纤维，所述混凝土（即现有未添加复合纤维的混凝土，又称素混凝土）的组成为现有技术，通常包括集料、凝胶材料、水和添加剂。如集料按颗粒大小分为粗集料和细集料，一般规定粒径大于5毫米者为粗集料，如碎石和卵石；粒径自0.15-5毫米者为细集料，如天然砂。优选细度模数为2.8的天然河砂与最大粒径不超过20mm的连续级配的碎石混合，砂率选取范围优选占集料总重量的34%～38.3%。所述凝胶材料包括水泥，如硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、粗面凝灰岩水泥、矿渣水泥、镁氧水泥或普通硅酸盐水泥，进一步的还可以添加粉煤灰和/或超细高炉矿粉。所述集料+凝胶材料总重量100%计，集料占55%～85%，胶凝材料按重量计占15%～45%，所述添加剂可以列举出减水剂、引气剂、早强剂的至少一种，减水剂可以为FDN-1型高效减水剂、FDN-2型高效减水剂或聚羧酸高效减水剂等，优选FND系列高效减水剂，所述添加剂的添加量占凝胶材料重量的1.5%～2%。所述水的添加量为凝胶材料重量的31%～38%。本领域技术人员可以参见教科书或行业标准根据实际需要配制相应标号的混凝土。

以浇注单位体积混凝土100%计，复合纤维的体积掺率为0.8-1%，本领域技术人员据此参见具体纤维的密度可换算成相应纤维添加的重量。本发明所述钢纤维、塑钢纤维和聚丙烯单丝纤维均为市购。

有益效果：

1、将钢纤维、塑钢纤维和聚丙烯单丝纤维三元混杂添加于混凝土中，能够进一步挖掘钢纤维和聚丙烯单丝纤维的潜力，发挥出三种纤维的混杂效应以及尺寸效应，相对于钢纤维/聚丙烯单丝纤维二元混杂使用的方式，在保留聚丙烯单丝纤维优良的混凝土前期阻裂以及开裂后期增韧作用的同时，能够充分发挥塑钢纤维的微筋材效应，发挥其增强增韧效用。

2、塑钢纤维能部分取代钢纤维，在维持钢纤维-聚丙烯纤维二元混杂纤维混凝土优良综合力学性能的基础上，进一步减少了单位纤维混凝土的自重，并且明显降低了单位纤维混凝土的价格，极大的提高了混凝土的性价比。

3、SF/HF/PPF三元混杂能够更好的改善高性能混凝土的综合力学性能，相对于素混凝土，抗压强度增幅12%～20%，劈拉强度增幅26%～69%，弯拉强度最大提高了28%，相对于钢纤维和聚丙烯单丝纤维二元混杂，添加了三元混杂的复合纤维的混凝土在抗压强度、劈拉强度、弯拉强度方面最大分别提高了10%、27%、38%。等效弯拉强度f_eq,1与f_eq2分别最大提高了12%和30%，其劈拉试验以及弯曲韧性试验荷载-位移曲线均呈现出明显的应变硬化现象，表明具有极好的抗拉韧性和弯曲韧性。

4、本发明含有复合纤维的高性能混凝土，三元纤维的添加量极少，生产成本低、可适用于各种标号的混凝土的配制，特别适用于C50或以上的高标号、力学性能和韧性要求高的混凝土的配制，如：隧洞衬砌和矿井（水工隧洞衬砌、矿井工程、铁道隧道衬砌）、建筑工程（高层建筑转换大梁、预制桩工程、框架节点、屋面防水工程、地下防水工程等）、管道工程、公路桥梁工程（公路路面、机场道面、桥面铺装等）、军事工程（核废料储存器等）、维修加固工程（喷射混杂纤维混凝土等）方面的应用。

附图说明

图1为比较2的混凝土浇注试件受压破坏形态图；

图2为实验例1的结构混凝土浇注试件受压破坏形态图；

图3为比较例1的浇注件劈拉试验的荷载-位移曲线；

图4为比较例2的浇注件劈拉试验的荷载-位移曲线；

图5为比较例3的浇注件劈拉试验的荷载-位移曲线；

图6为比较例4的浇注件劈拉试验的荷载-位移曲线；

图7为实验例1的浇注件劈拉试验的荷载-位移曲线。

具体实施方式

复合纤维组成：

弓形钢纤维和波纹形钢纤维采购自武汉新途工程纤维制造有限公司，其中，弓形钢纤维为多锚点弓形钢纤维，中连段截面为椭圆扁平形，弯钩部截面为圆形，尾部截面扁平且，带有横向刻痕，由于截面形状的反复变换，使之形成两端各有一个主锚点外，同时还产生了四个辅助锚点，可显著提高纤维与基体之间的粘结和锚固能力；塑钢纤维由武汉中鼎发展有限责任公司提供，纤维表面呈波纹形，具有优良的亲水性，易于在基体中均匀分散；聚丙烯纤维选用美国希尔兄弟化工公司生产的混凝土专用聚丙烯单丝束状纤维即杜拉纤维（DURAFIBER），采购自武汉市恒律商贸有限公司。纤维具体的材料特性如表1所示。

表1 纤维材性

混凝土配合比：

混凝土试配强度为C50，凝胶材料包括水泥、粉煤灰，水泥选用标号42.5的普通硅酸盐水泥；集料包括粗集料及细集料，粗集料选用5mm～20mm连续级配的碎石；细集料选用优良河砂，细度模数为2.8；添加剂为减水剂，采用FDN-2型高效减水剂，配合比详见表2。

表2 C50混凝土配合比（kg/m³)

复合纤维的组合例见表3

表3 复合纤维组合表

表3中的“%”为体积百分数，是指以表2所述混凝土浇注试件后体积100%计，复合纤维中各组份的体积掺率,E1/F1中钢纤维为波纹型钢纤维，各纤维掺量与E/F相同。

采用如下搅拌工艺（此为示例，并不限于下述方法），配置过程如下:先将集料干拌1分钟，待集料拌合均匀后加入胶凝材料搅拌1分钟，再将钢纤维、塑钢纤维依次均匀撒在搅拌机中，待搅拌3分钟后，最后将聚丙烯单丝纤维均匀撒入搅拌机中再搅拌4分钟，称取水总重量的90%倒入搅拌机搅拌3分钟，最后将剩余10%的水与添加剂混合均匀，加入搅拌机继续搅拌5分钟，配置程序结束。

将表2中所示的C50高性能混凝土通过常规配制方法得到混凝土的比较例1，将表2与表3中B组和C组和D组纤维按上述方法配制，若不含有相应的纤维，则省略相应步骤，得到混凝土的比较例2-4；将表2及表3中的E、E1、F、F1、G组的复合纤维分别按上述方法配制得到结构混凝土实验例1-5。

实验1：

按常规方法浇筑试件，经过28天标准养护后，按照《纤维混凝土试验方法标准》CECS13:2009中立方体抗压试验和劈裂试验方法测试了试件的抗压强度以及劈裂强度。按照弯曲韧性试验(切口梁法)测试了试件的弯拉强度，初裂挠度δ_L、裂缝张开口位移CMOD_L、混凝土开裂各阶段纤维贡献的能量吸收值（D_cr、

、

）等效弯拉强度(f_eq,1、f_eq,2)。测试结果总结在表4中。

表4：测试结果

通过以上试验结果可以看出，钢纤维、杜拉纤维和塑钢纤维三元混杂具有较单掺钢纤维以及SF/PPF二元混掺更优的力学性能，相对于基准混凝土，抗压强度增幅在12%～20%，劈拉强度增幅在33%～68%，弯拉强度提高35～56%;相对于弯拉强度/PPF二元混杂，抗压强度、劈拉强度、弯拉强度相应最大提高了10%、27%、38%。

图3-图7分别给出了实验例1（见图7）、比较例1（见图3）、比较例2（见图4）、比较例3（见图5）、比较例4（见图6）4组浇注件劈拉试验的荷载-位移曲线。通过分析曲线可知比较例1的混凝土（未添加纤维）表现为毫无征兆的脆性破坏，一旦开裂，高性能混凝土即沿初始裂缝迅速破坏，曲线表现为承载能力骤然的直线下降；比较例2、3、4和实验例1由于纤维桥接裂缝的作用，缓解裂缝尖端应力集中现象，混凝土开裂后能够继续承受荷载，图4-图6的曲线显示出，纤维的掺入有效提高了混凝土峰值荷载后的变形能力，混凝土表现出假延性破坏，但是峰值荷载相对较小，韧性的提高相对有限；图7所示曲线显示出纤维三元混杂显著提高了混凝土的劈拉强度，峰值荷载后曲线下面积较弯拉强度/PPF二元混杂成倍的增加，表现出更优的峰值荷载后变形能力。由曲线可知三元混杂纤维增强混凝土的破坏过程大致分为四个阶段。AB段为线性阶段，该阶段混凝土材料处于弹性状态；BC段为屈服阶段，该阶段由于裂缝的扩展，钢纤维逐渐从基体中拔出，承载能力有一定程度的降低； CD段为强化阶段（即应变硬化，混凝土的承载面的应力随着应变的增大呈现出上升的趋势），主要是由于混凝土中弯拉强度/HF/PPF三种纤维的协同互补，发挥出很好的正混杂效应；DE段为破坏阶段，随着裂缝的扩展，钢纤维、塑钢纤维基本已从基体中拔出，杜拉纤维也在拉伸变长中由于变形过大失效，混凝土的承载能力呈现逐渐下降态势，但从其下降段较为平缓，体现出极好的峰值荷载后变形能力。由此可见纤维三元混杂的实验例1较比较例1-4可以显著提高高性能混凝土的抗拉韧性以及劈拉韧性。

实验2：

将实验例1浇注的试件和比较例2浇注的试件进行“立方体抗压实验”，比较例2受压后的破坏形态图见图1，实验例1受压后的破坏形态图见图2。可见，较加入单一纤维相比，复合纤维的加入可以明显改善混凝土的抗压韧性，使其破坏形态由典型的脆性破坏变为较明显的延性破坏，破坏后结构的完整性较好。

Claims

1.一种含有复合纤维的高性能混凝土，包括混凝土，其特征在于，还含有复合纤维，以混凝土体积100%计，所述复合纤维的掺率为混凝土体积的0.8-1%，所述复合纤维由钢纤维、塑钢纤维和聚丙烯单丝纤维组成，所述钢纤维的体积掺量范围为0.4%～0.7%，塑钢纤维的体积掺率为0.1%～0.5%，聚丙烯单丝纤维的体积掺率为0.1%～0.2%，三者合计的体积掺率为0.8-1%。

2.如权利要求1所述的含有复合纤维的高性能混凝土，其特征在于，所述钢纤维为弓形钢纤维。

3.如权利要求1所述的含有复合纤维的高性能混凝土，其特征在于，所述塑钢纤维为聚丙烯仿钢丝粗纤维。

4.如权利要求1所述的含有复合纤维的高性能混凝土，其特征在于，所述聚丙烯单丝纤维为杜拉纤维。

5.如权利要求1所述的含有复合纤维的高性能混凝土，其特征在于，所述混凝土中水胶比为0.31-0.38。