CN102936848A

CN102936848A - 聚乙烯醇纤维的改性方法及高抗裂性能的大体积混凝土

Info

Publication number: CN102936848A
Application number: CN2012104684133A
Authority: CN
Inventors: 杨忠义; 钟贻辉; 李益林; 冉璟; 刘林
Original assignee: JIANGSU NENGLI TECHNOLOGY Co Ltd; Chengdu Hydroelectric Investigation and Design Institute of China Hydropower Engineering Consulting Group
Current assignee: JIANGSU NENGLI TECHNOLOGY Co Ltd; Chengdu Hydroelectric Investigation and Design Institute of China Hydropower Engineering Consulting Group
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2032-11-19
Also published as: CN102936848B

Abstract

本发明公开了一种可使聚乙烯醇纤维在大体积混凝土中具有良好分散性的改性方法、以及一种具有高抗裂性能的大体积混凝土，属于建筑材料应用技术领域。聚乙烯醇纤维的改性方法：梳通整理；浸入纺丝油剂中，所述纺丝油剂含有丙烯酸羟丙酯；拉伸，然后涂敷至少含有一种阳离子的防静电液，冷却晾干，静态放置24小时以上进行切断。高抗裂性能的大体积混凝土，用上述的改性方法制得的聚乙烯醇纤维作为混凝土的增强材料，聚乙烯醇纤维的掺量为0.6～2.0kg/m³。本发明对聚乙烯醇进行表面改性，增强其在大体积混凝土中的分散性、亲水性与表面锚固能力，从而替代聚丙烯纤维用作大体积混凝土的增强材料，提高大体积混凝土的抗裂性能。

Description

聚乙烯醇纤维的改性方法及高抗裂性能的大体积混凝土

技术领域

本发明属于建筑材料应用技术领域，具体涉及一种聚乙烯醇纤维的改性方法及高抗裂性能的大体积混凝土。

背景技术

大体积混凝土是指水工大型结构用混凝土，如大坝、二道坝等水工建筑物，一般情况下该混凝土结构内无钢筋，且其最小边长尺寸一般大于5m，使用的最大粗骨料粒径一般为120mm~150mm。混凝土抗裂性能是指混凝土自身抵抗开裂或抵抗出现裂缝的能力，衡量混凝土抗裂性能的指标主要有混凝土抗拉强度、极限拉伸值等，本发明主要以抗拉强度与极限拉伸值来表征混凝土的抗裂性能，即抗拉强度与极限拉伸值越大，混凝土抗裂性能越好。

国外从70年代末以来,对聚丙烯纤维混凝土进行了大量的试验研究,并在军事、房屋、交通、水利等工程中得到广泛应用。我国则在80年代中期开始引进应用。研究成果和工程经验证明,聚丙烯纤维能减少和防止混凝土在塑性和初期硬化阶段的收缩裂缝产生,从而提高防渗、抗冻、抗冲磨等性能。因此，聚丙烯纤维曾被广泛的运用水工抗冲耐磨混凝土作为增强材料。

截止2009年，我国水工混凝土行业几乎均采用聚丙烯纤维作为混凝土的抗裂性能改善材料（增强材料），据不完全统计，每年我国水工混凝土行业运用的聚丙烯纤维用量较大，超过数百吨。但纵观其使用的工程大都是中小水电工程（一般认为混凝土坝高100米以下的工程为中小型工程，混凝土坝高在100米~200米为大型水电工程，坝高200米以上的为特大型工程）。

截止2009年，聚乙烯醇纤维都没有在水工混凝土中得到过运用，究其原因，主要体现在如下两方面：

1）聚乙烯醇纤维价格较聚丙烯纤维贵--市场因素；

2）最主要因素是聚乙烯醇纤维的自身性质决定其较聚丙烯纤维难以在混凝土中分散，因此，聚乙烯醇纤维至今无法运用到大体积混凝土中--技术因素。

随着聚乙烯醇纤维生产成本的进一步降低，与国家在水电工程中的投入加大，同时结合本发明中对聚乙烯醇纤维的进一步改性处理，使得聚乙烯醇纤维在水工混凝土的运用成为可能。

本发明的主要内容是将聚乙烯醇纤维运用于水工大体积混凝土，使其提高大体积混凝土的抗裂性能。纵观目前的混凝土技术中，仅有聚丙烯纤维在水工混凝土中的运用技术，与本发明的内容相似，因此以聚丙烯纤维在水工混凝土的运用技术作为现有技术进行对比说明。

目前采用聚丙烯纤维运用于水工混凝土的技术主要存在以下缺点：

1）聚丙烯纤维因其弹性模量与抗拉强度有限（弹性模量为3.5~5GPa，抗拉强度为450~600MPa），只能对混凝土的早期（一般认为在混凝土成型后7d之内）抗拉强度与极限拉伸值起到提高的作用，而不能对大体积混凝土的中后期极限拉伸值起到提高作用；

2）试验发现，聚丙烯纤维提高大体积混凝土的早期抗拉强度与极限拉伸值的幅度较小，难以促使混凝土抵抗自身的开裂作用，因此，较多聚丙烯纤维混凝土也存在较多开裂现象。

为解决以上问题，本发明通过更换更好的增强材料来解决以上问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可使聚乙烯醇纤维在大体积混凝土中具有良好分散性的改性方法，提供一种具有高抗裂性能的大体积混凝土。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

聚乙烯醇纤维的改性方法，用精梳装置对生产线上纺出的等待拉伸的聚乙烯醇纤维进行梳通整理；将经过梳通整理的聚乙烯醇纤维长丝浸入纺丝油剂中，所述纺丝油剂含有丙烯酸羟丙酯；将浸涂了纺丝油剂的长丝拉伸，然后涂敷至少含有一种阳离子的防静电液，之后冷却晾干，将长丝卷绕成线卷；线卷静态放置24小时以上进行切断，得到在混凝土中具有良好分散性的短聚乙烯醇纤维。

其中，上述方法所述纺丝油剂是由13～17重量份的丙烯酸羟丙酯、5～7重量份的甲基丙烯酸二甲氨乙酯和3～5重量份的乙烯基三乙氧基硅烷组成的混合液在过硫酸铵的作用下进行乳液聚合制得。

进一步的，所述纺丝油剂是由15重量份的丙烯酸羟丙酯、6重量份的甲基丙烯酸二甲氨乙酯和4重量份的乙烯基三乙氧基硅烷组成的混合液在过硫酸铵的作用下进行乳液聚合制得。

其中，上述方法所述防静电液是由40～50重量份的棕榈酸酯季铵盐、30～36重量份的硫酸二甲酯、20～24重量份的磷酸酯聚乙二醇混合制得。

进一步的，所述防静电液是由45重量份的棕榈酸酯季铵盐、33重量份的硫酸二甲酯、22重量份的磷酸酯聚乙二醇混合制得。

进一步的，所述磷酸酯聚乙二醇的分子量在1000～4000之间。

改性聚乙烯醇纤维，由上述任一项所述的改性方法制得。

高抗裂性能的大体积混凝土，用上述的改性聚乙烯醇纤维作为混凝土的增强材料，聚乙烯醇纤维的掺量为0.6～2.0kg/m³。

其中，聚乙烯醇纤维的掺量为0.9～1.5kg/m³。

本发明的有益效果是：本发明通过对纺出的聚乙烯醇纤维进行疏通整理、浸入含有丙烯酸羟丙酯的纺丝油剂、拉伸、涂敷含有阳离子的的防静电液、绕成线卷静态放置等处理，对聚乙烯醇进行表面改性，增强其在大体积混凝土中的分散性、亲水性与表面锚固能力，从而替代聚丙烯纤维用作大体积混凝土的增强材料，提高大体积混凝土的抗裂性能。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明进一步说明。

优选的，为了进一步的增强聚乙烯醇纤维的分散性、亲水性与表面锚固能力，上述方法中所述纺丝油剂是由13～17重量份的丙烯酸羟丙酯、5～7重量份的甲基丙烯酸二甲氨乙酯和3～5重量份的乙烯基三乙氧基硅烷组成的混合液在过硫酸铵的作用下进行乳液聚合制得。

优选的，为了进一步的增强聚乙烯醇纤维的分散性、亲水性与表面锚固能力，上述方法中所述防静电液是由40～50重量份的棕榈酸酯季铵盐、30～36重量份的硫酸二甲酯、20～24重量份的磷酸酯聚乙二醇混合制得。

进一步的，所述磷酸酯聚乙二醇的分子量在1000～4000之间。

改性聚乙烯醇纤维，由上述的改性方法制得。

优选的，聚乙烯醇纤维的掺量为0.9～1.5kg/m³。

下面通过实施例对本发明具体实施方式作进一步的说明，但并不因此将本发明的保护范围限制在实施例之中。

实施例一聚乙烯醇纤维的改性及改性后的性能

用精梳装置对生产线上纺出的等待拉伸的聚乙烯醇纤维进行梳通整理；将经过梳通整理的聚乙烯醇纤维长丝浸入纺丝油剂中，所述纺丝油剂含有丙烯酸羟丙酯；将浸涂了纺丝油剂的长丝拉伸，然后涂敷至少含有一种阳离子的防静电液，之后冷却晾干，将长丝卷绕成线卷；线卷静态放置24小时以上进行切断，得到在混凝土中具有良好分散性的短聚乙烯醇纤维。所述纺丝油剂是由15重量份的市售丙烯酸羟丙酯、6重量份的市售甲基丙烯酸二甲氨乙酯和4重量份的市售乙烯基三乙氧基硅烷组成的混合液在过硫酸铵的作用下进行乳液聚合制得；所述防静电液是由45重量份的市售棕榈酸酯季铵盐、33重量份的市售硫酸二甲酯、22重量份的市售磷酸酯聚乙二醇混合制得，所述磷酸酯聚乙二醇的分子量在1000～4000之间。

1、聚丙烯纤维与改性聚乙烯醇纤维的技术指标的差异，如表1所示：

表1 PP纤维与本发明改性PVA纤维主要性能指标

从表1中可以看出，本发明改性聚乙烯醇纤维密度大于1，较水重，而聚丙烯纤维较水轻；聚乙烯醇纤维抗拉强度与弹性模量远高于聚丙烯纤维。以上指标均有利于聚乙烯醇纤维更好的在混凝土中分散，且有利于其在硬化混凝土中发挥自身的增韧效果。PVA纤维的弹性模量较PP纤维的弹性模量高出1个量级，这使得PVA纤维在混凝土受力断裂时，能吸收很大的能量，也即PVA纤维混凝土也能承受更大能量的破坏荷载，从而增强了混凝土的韧性，提高大体积混凝土的抗裂性能。而聚丙烯纤维的断裂延伸率虽高，但在混凝土中并不需要这么大的延伸率。

2、表面粗糙程度：本发明改性PVA纤维的表面粗糙，不同于聚丙烯纤维等其他纤维，能增强纤维与水泥材料间的物理锚固力，提高大体积混凝土的抗裂性能。

3、PVA纤维与PP纤维的化学成分不同，PVA纤维中的羟基能有效与水、水泥基材料结合，形成氢键，PVA纤维是亲水性纤维，而PP纤维是憎水性纤维，本发明通过对PVA纤维的改性，增强其亲水性，使得PVA纤维表面与水泥基材料之间没有对混凝土抗冻有害的空隙，同时也能有效的增强纤维与水泥基材料的界面粘结力，提高大体积混凝土的抗裂性能，这是聚丙烯纤维无法具备的。

实施例二本发明大体积混凝土

本发明对如下几种情况进行了混凝土性能试验研究：

序号1：不掺纤维的大坝混凝土（作为基准）；

序号2：掺0.4kg/m3的改性PVA纤维的大坝混凝土（保持与不掺纤维的大坝混凝土胶凝材料用量一致）；

序号3：掺0.6kg/m3的改性PVA纤维的大坝混凝土（保持与不掺纤维的大坝混凝土胶凝材料用量一致）；

序号4：掺0.9kg/m3的改性PVA纤维的大坝混凝土（保持与不掺纤维的大坝混凝土胶凝材料用量一致）；

序号5：掺1.2kg/m3的改性PVA纤维的大坝混凝土（保持与不掺纤维的大坝混凝土胶凝材料用量一致）；

序号6：掺1.5kg/m3的改性PVA纤维的大坝混凝土（保持与不掺纤维的大坝混凝土胶凝材料用量一致）；

序号7：掺2.0kg/m3的改性PVA纤维的大坝混凝土（保持与不掺纤维的大坝混凝土胶凝材料用量一致）；

序号8：掺0.9kg/m3的PP纤维的大坝混凝土（保持与不掺纤维的大坝混凝土胶凝材料用量一致）；

序号9：掺0.9kg/m3的未改性PVA纤维的大坝混凝土（保持与不掺纤维的大坝混凝土胶凝材料用量一致）。

分别对以上9种情况进行混凝土拌和性能、力学性能、变形性能、耐久性能、抗裂性能等试验。

1、拌和性能

试验用配合比参数与拌和性能试验结果，如表2所示

表2 不同情况的拌合性能试验结果

从表1中可以看出：在胶凝材料相同的情况下，在不掺纤维的大坝混凝土的基础上，外掺未改性的PVA纤维、PP纤维、不同掺量的改性PVA纤维，通过调整减水剂与引气剂掺量，基本保持了混凝土坍落度与含气量处于较小分布范围之内。

2、力学与变形性能

试验结果如表3所示。

表3 力学与变形性能试验结果

从表3中可以看出:

（1）因几种情况组合的水胶比相同、胶凝材料用量一致，所以28d、90d的抗压强度、弹性模量相差较小；

（2）掺0.6～2.0kg/m³的改性PVA纤维的大坝混凝土，较未掺纤维的基准混凝土，其28d、90d的劈拉强度与轴拉强度均有一定程度的提高，掺量不同提高幅度不同；

（3）掺0.6～2.0kg/m³的改性PVA纤维的大坝混凝土，其28d、90d的极限拉伸值较未掺纤维的基准混凝土，有较大幅度的提高，其中掺0.9～1.5kg/m³的改性PVA纤维时，提高幅度最大；

（4）掺0.9kg/m³未改性PVA纤维与掺0.9kg/m³的PP纤维，均不能使大坝混凝土的极限拉伸值与抗拉强度有明显的提高。

3、抗裂性能

试验过程阐述：利用温度应力试验机，研究掺不同种类/掺量的纤维混凝土的早龄期抗裂性。将四级配混凝土拌和物湿筛以剔除粒径大于40mm的粗骨料，然后在试验机内部浇注，采用振捣棒进行振实，抹平后开始进行试验。试验开始后，试验机的同步电机启动以保证试件处于100%约束状态，试验机同时跟踪试件内部中心温度，使得试件在半绝热/绝热情况下升温；当试件温度达到峰值后（即内部中心温度稳定），对试件进行降温，降温速率为1℃/(3～5)分钟，直至试件开裂。

试验结果如表4所示：

表4 温度应力试验机试验获得的关键参数

（1）掺入0.9kg/m3改性PVA纤维时，混凝土的开裂温度为-7.3℃；掺入未改性的PVA纤维时，混凝土的开裂温度为-2.0℃；掺入PP纤维时，混凝土的开裂温度为-1.0℃。

（2）以开裂温度来评价混凝土早龄期的抗裂性，掺0.9kg/m³改性PVA纤维大坝混凝土的抗裂性最好。

4、耐久性能

对水工大坝混凝土，一般情况下，以抗冻与抗渗指标来评定其耐久性能，本次对耐久性能的试验结果见表5所示。

表5 耐久性能试验结果

从表4中可以看出，外掺0.9kg/m3的改性PVA纤维、未改性PVA纤维、PP纤维对大坝混凝土的抗渗等级与抗冻等级均不会产生较大的副作用。

5、改性PVA纤维的在大坝混凝土中的工艺试验

（1）试验室分散性试验

本发明所涉及到的改性PVA纤维的工艺试验，主要是改性PVA纤维的投料顺序试验。评定该试验的方法，主要是采用肉眼观测改性PVA纤维在大体积混凝土中分散是否均匀来判定。

试验采用了以下几种投料方式：

1）大石+特大石→水泥+粉煤灰→中石+小石→砂→水→改性PVA纤维；

2）大石+特大石→水泥+粉煤灰→中石+小石→改性PVA纤维→砂→水；

3）大石+特大石→水泥+粉煤灰→改性PVA纤维→中石+小石→水→砂；

4）大石+特大石→水泥+粉煤灰→改性PVA纤维→中石+小石→砂→水。

发现第2）与第4）种方式在试验室拌和时，加水前先干拌10s～20s；能使改性PVA纤维在大坝混凝土中更好的分散，因此，在使用相同纤维的情况下，本发明最佳的拌和工序是在加水前投入改性PVA纤维，同时进行一定时间的干拌。

（2）拌和楼分散性试验

经过试验室内对纤维分散性的摸索，在施工拌和楼内，采用先将改性PVA纤维与粗骨料、细骨料、胶凝材料一起干拌5s（自落式搅拌机），然后加水（含外加剂）进行拌和（这一步拌和时间按特定施工机械确定）。通过在现场拌和楼试拌，表明改性PVA纤维在大坝混凝土中分散性较好。

实施例结合试验与理论对本发明聚乙烯醇纤维的改性以及改性后的性能和大体积混凝土在使用该改性聚乙烯醇纤维后的性能作了具体的描述，说明采用本发明的改性方法能够增强聚乙烯醇纤维在大体积混凝土中的分散性、亲水性与表面锚固能力，从而使用本发明改性方法制得的聚乙烯醇纤维作为增强材料的大体积混凝土具有更好的抗裂性能。

Claims

1.聚乙烯醇纤维的改性方法，其特征在于：用精梳装置对生产线上纺出的等待拉伸的聚乙烯醇纤维进行梳通整理；将经过梳通整理的聚乙烯醇纤维长丝浸入纺丝油剂中，所述纺丝油剂含有丙烯酸羟丙酯；将浸涂了纺丝油剂的长丝拉伸，然后涂敷至少含有一种阳离子的防静电液，之后冷却晾干，将长丝卷绕成线卷；线卷静态放置24小时以上进行切断，得到在混凝土中具有良好分散性的短聚乙烯醇纤维。

2.根据权利要求1所述的聚乙烯醇纤维的改性方法，其特征在于：所述纺丝油剂是由13～17重量份的丙烯酸羟丙酯、5～7重量份的甲基丙烯酸二甲氨乙酯和3～5重量份的乙烯基三乙氧基硅烷组成的混合液在过硫酸铵的作用下进行乳液聚合制得。

3.根据权利要求2所述的聚乙烯醇纤维的改性方法，其特征在于：所述纺丝油剂是由15重量份的丙烯酸羟丙酯、6重量份的甲基丙烯酸二甲氨乙酯和4重量份的乙烯基三乙氧基硅烷组成的混合液在过硫酸铵的作用下进行乳液聚合制得。

4.根据权利要求1、2或3所述的聚乙烯醇纤维的改性方法，其特征在于：所述防静电液是由40～50重量份的棕榈酸酯季铵盐、30～36重量份的硫酸二甲酯、20～24重量份的磷酸酯聚乙二醇混合制得。

5.根据权利要求4所述的聚乙烯醇纤维的改性方法，其特征在于：所述防静电液是由45重量份的棕榈酸酯季铵盐、33重量份的硫酸二甲酯、22重量份的磷酸酯聚乙二醇混合制得。

6.根据权利要求4所述的聚乙烯醇纤维的改性方法，其特征在于：所述磷酸酯聚乙二醇的分子量在1000～4000之间。

7.改性聚乙烯醇纤维，其特征在于：由权利要求1～6中任一项所述的改性方法制得。

8.高抗裂性能的大体积混凝土，其特征在于：用权利要求7所述的改性聚乙烯醇纤维作为混凝土的增强材料，聚乙烯醇纤维的掺量为0.6～2.0kg/m³。

9.根据权利要求8所述的高抗裂性能的大体积混凝土，其特征在于：聚乙烯醇纤维的掺量为0.9～1.5kg/m³。