CN103496894A - 一种钢纤维与高性能合成纤维混杂的增韧型rpc及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种钢纤维与高性能合成纤维混杂的增韧型RPC及制备方法，属于混凝土技术领域。其原料包括普通水泥、超细水泥、掺合料、外加剂、钢纤维、粗聚丙烯纤维、细聚乙烯醇纤维、水，水胶比为0.18～0.21，普通水泥、超细水泥分别占混凝土总质量的17%～20%、8%～9%，钢纤维、粗聚乙烯醇纤维、细聚乙烯醇纤维分别为整个混凝土体积的1%～3%、1.2%～1.7%、0.3%～0.6%。制备时，将砂和粉料倒入搅拌机搅拌均匀，然后加入外加剂和水，待拌合物由颗粒状转变为胶体时，掺入纤维进行搅拌，待纤维分散均匀后进行浇筑，振动密实或振捣成型并养护。本发明可以提高RPC的力学韧性，并提高材料的经济性和广泛应用性。

Description

一种钢纤维与高性能合成纤维混杂的增韧型RPC及制备方法

技术领域

本发明涉及一种钢纤维与高性能合成纤维混杂的增韧型RPC及制备方法，属于混凝土技术领域，适用于桥梁、道路、房屋建筑结构构件等对韧性要求较高的混凝土工程结构，属于混凝土技术领域。

背景技术

RPC（Reactive Powder Concrete，以下简写为RPC），是一种具有超高强、高耐久性和高体积稳定性的新型高性能混凝土。由于其制备、施工工艺的不同，使其力学性能、变形能力和耐久性明显区别于普通混凝土和高强混凝土，包括：无粗骨料，最大限度地减小尺寸缺陷；掺加钢纤维，增加韧性；使用高效减水剂，降低水胶比和孔隙率；高温养护，促进胶凝材料的水化反应。RPC适用于对结构有高耐久、高强和轻质要求的工程领域。但是，未加钢纤维的RPC变形能力较差，脆性大，属于无预兆的脆性破坏。掺入钢纤维虽有一定的阻裂性能，增加材料韧性，但钢纤维掺量较少时，其增韧效果有限,而加入过多则可能造成搅拌困难,混凝土不密实与造价过高等缺点。由于RPC的韧性主要由钢纤维与基体之间的相对滑移摩擦力提供，而摩擦力的大小由基体的密实程度和纤维的掺量决定。如果加入过多的钢纤维，基体密实性得不到保障、流动性差，从而减少了纤维与基体的粘结强度，RPC的高强度和韧性又实现不了，因此只掺入钢纤维对提高RPC韧性的作用有限。

如果在RPC中加入掺入钢纤维的同时，掺入粗聚乙烯醇纤维和高强度和高模量聚乙烯细纤维。粗聚乙烯醇纤维是一种合成纤维，其分散性很好，强度高，表面有羟基，与水泥基体粘结粘结性能优越，其增韧效果非常明显；聚乙烯醇纤维生产原料来源广、制备简单、价格较低、应用广泛。另外粗聚乙烯醇纤维直径较大、表面为压痕异形且粗糙，与基体之间接触面积大，机械锚固力强，纤维在于基体滑移的工程中，显著改善RPC的韧性和耗能能力。但由于粗聚乙烯醇纤维对微观、细观微裂纹的阻裂效果较小，而细聚乙烯纤维具有亲水性、高强度、高弹性模量、以及良好的界面粘结性能，该纤维耐磨、抗酸碱、耐候性等优势。因属于亲水性材料,与水泥等组成的基体结合紧密,可以显著改善混凝土微观结构和提高韧性。RPC中加入细聚乙烯纤维，纤维在胶体中均匀分布可以延缓RPC的微细裂缝的萌生和扩展，增加基体抗裂性和耗能能力，最终提高RPC的韧性。但细聚乙烯纤维直径小、掺量高时影响分散性，因此增韧效果受到限制。将钢纤维、粗聚乙烯醇纤维和细聚乙烯纤维同时加入RPC，充分发挥粗聚聚乙烯醇纤维易分散和可以较高掺量的优势，同时掺入的细聚乙烯纤维与混凝土基体粘结性能优异、强度和弹性模量高、阻裂效果显著等优势。因此钢纤维、粗聚乙烯醇纤维和细聚乙烯纤维在RPC中能够交错分布相互补充、优势互补，实现在不同尺度、不同层次的增韧和增强，以充分发挥各自的特性和优势，最终达到良好的混合增韧效果。

发明内容

粗聚乙烯醇纤维表面有羟基，属于亲水材料，其直径大、表面压痕、粗糙，与基体之间接触面积大，机械锚固力强，能够很好的增加混凝土的韧性；另外，粗聚乙烯醇纤维分散性很好，掺量可较高，而不结团。细聚乙烯纤维具有亲水性、高强高模量的特点，与水泥等组成的基体结合较为紧密，在混凝土中具有很好的分散性，与RPC界面粘结牢靠，可改善RPC微观结构，可延缓RPC内部微细裂缝的萌生和扩展，实现多裂缝扩展。但细聚乙烯纤维直径小、比较柔软，不宜掺量高。因此，经发明人实践，将钢纤维和这两种合成纤维按照一定的体积掺量同时加入到RPC中，既利用粗聚乙烯醇纤维分散性优异和增韧效果显著的特点，同时也充分利用细聚乙烯纤维的亲水性、高强高模量和界面粘结性能优越的特点，进而每种纤维的优势得到充分利用，最终实现RPC增韧的目的。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种钢纤维与高性能合成纤维混杂的增韧型RPC，其特征在于：其原料组份包括普通水泥、超细水泥、石英砂、掺合料、外加剂、钢纤维、粗聚乙烯醇纤维、细聚乙烯纤维、水；其中水胶比为0.18～0.21，普通水泥、超细水泥分别占混凝土总质量的17%～20%、8%～9%，钢纤维长度为10～13mm、直径为0.15～0.25mm；粗聚乙烯醇纤维长度为35～45mm、直径为0.9～1.2mm；细聚乙烯纤维长度为8～14mm、直径为10～14μm；纤维掺量按占混凝土总体积的百分比计算，钢纤维、粗聚乙烯醇纤维、细聚乙烯纤维分别为整个混凝土体积的1%～3%、1.2%～1.7%、0.3%～0.6%、石英砂的用量为混凝土总质量的40-44%。

所述的掺合料为粒化高炉矿渣，比表面积为400-440m²/kg，其用量为混凝土总质量的16-17%。

所述的外加剂包括减水剂、消泡剂，可以改善混凝土性能的材料。减水剂的掺量为胶凝材料质量的1%～1.5%，减水剂重量不包括减水剂中水的重量，如果减水剂含有水，计算时把其中的水折算到水的用量中。消泡剂的掺量为胶凝材料质量的0.15%～0.5%。

所述的石英砂为天然石英砂，石英砂为40～70目，粒径为0.2～0.4mm。

所述的水应符合《混凝土拌合用水标准》JGJ63-89的规定。

所述的超细水泥比表面积不低于570m²/kg。

所述的普通水泥比表面积为350m²/kg。

一种钢纤维与高性能合成纤维混杂增韧型RPC的制备方法，制作步骤包括如下：

搅拌：将砂和普通水泥、超细水泥、掺合料倒入搅拌机，搅拌1～2分钟，均匀后，将水和外加剂混合液体缓慢倒入搅拌机里，倒入过程控制在50秒-1分钟；当拌合物由颗粒状转变为胶体状态时，均匀的掺入钢纤维、粗聚烯烃纤维和细聚乙烯醇纤维进行搅拌，搅拌2～3分钟待纤维分散均匀后进行试块浇筑，并按需要选用振动台振动密实或采用振捣棒进行振捣成型。

养护：标准静置养护48h，然后在温度为90度，湿度为95%的环境下养护72h，最后常温养护至试验。

本发明的有益效果如下：

该混杂纤维增韧型RPC，除具有一般RPC的高强度、高耐久性等特性，同时由于不同品种纤维的混掺，可以改善RPC内部结构，延缓RPC微观/细观裂纹的萌生和扩展，保证RPC开裂后的持续承载，显著提高RPC的韧性，具有一般合成纤维混凝土和单一钢纤维增强RPC没有的应变硬化效应和多裂缝扩展特性。因为粗聚乙烯醇纤维的加入可以明显提高RPC的韧性和降低开裂后承载力的下降速率；细聚乙烯纤维的加入不仅有提高RPC的韧性作用，改善了RPC内部细观结构、延缓了RPC微观裂缝的萌生和扩展；钢纤维的加入则保证了RPC的强度，三种纤维在基体的乱向分布，优势互补，可以充分发挥每种纤维的特性，从而使得增韧效果达到最佳。

在使用过程中通过对纤维掺量、水胶比的改变和优化，可以提高RPC的力学韧性，并提高材料的经济性和广泛应用性。

说明书附图

图1 Nemkumar韧性计算示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例采用的以下典型的材料配合比列于表1。

实施例采用的以下典型的材料配合比列于表1。

表1 实施例材料配合比

对于表格中所用的材料：

所用的普通水泥等级为PO.42.5；

所用的石英砂为天然石英砂，粒径为0.2～0.4mm；

所用的水符合《混凝土拌合用水标准》JGJ63-89的规定,上表格中水的质量为去外加剂中所含水后的水的质量；

所用的钢纤维直径0.2mm,长度13mm,密度7.8×10³kg/m³,,抗拉强度达到2850MPa；

所用的粗聚乙烯醇纤维直径1mm，长度40mm，密度1.1×10³kg/m³；

所用的细聚乙烯纤维直径为14μm，长度为12mm；密度0.98×10³kg/m³；

所用的减水剂为巴斯夫高效聚羧酸类减水剂；

所用的消泡剂为PRS-6复合消泡剂（液体）。

其制作过程如下：

将砂和粉料倒入搅拌机,慢搅拌2分钟,均匀后,将水和外加剂的混合液缓慢倒入搅拌机里，倒入时间控制在1分钟左右；当拌合物由颗粒状转变为胶体状态时,根据实施例中掺纤维的种类和掺量缓慢均匀的掺入钢纤维、粗聚乙烯醇纤维和细聚乙烯纤维进行搅拌，快速搅拌2分钟后进行试块浇筑，然后在振动台上振动30秒。把浇筑好的试块放在标准养护室里静置养护48h，然后在温度为90度，湿度为95%的环境下养护72h，最后常温养护至试验。

用实施例1～4各制备了3个40mm×40mm×160mm试件，采用微机控制电子万能试验机进行弯曲韧性试验。采用Nemkumar方法处理数据得到弯曲韧性指标PCS_m(Post-crack strength)结果见表2，PCS_m定义为

${\mathrm{PCS}}_m=\frac{E_{\mathrm{post},m}L}{[\frac{L}{m}-\mathrm{\δ}]{\mathrm{bh}}^2}$

式中:E_post,m为峰值荷载后荷载-挠度曲线下的面积；L为两支座之间的跨距(取100mm)；δ为峰值荷载对应的挠度值；b、h分别为梁截面的宽和高(均为40mm)；L/m为梁的挠，且L/m>δ，取m=25，如图1所示。

表2 试验韧性指标PCS_m值

编号	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					PCSm（MPa）	4.295	6.013	8.979	12.230

由表2可以看出，实施例2与实施例1对比可知，掺入了钢纤维和粗聚乙烯醇纤维的RPC试件比只单掺入钢纤维的试件韧性指标提高了40%。

实施例3与实施例1对比可知，掺入了钢纤维和细聚乙烯纤维的RPC试件比单掺入钢纤维的试件韧性指标提高了109%，提高的效果不是很明显，并且试件初裂后，承载力有一个明显的跳跃下降。

实施例4与实施例1、2、3对比可知，同时加入钢纤维、粗聚乙烯醇纤维、细聚乙烯纤维的试件，其韧性分别比只掺入钢纤维、掺入钢纤维和粗聚乙烯醇纤维、掺入钢纤维和细聚乙烯纤维的试件分别提高了40%、109%、185%，增韧效果特别明显。试验过程中，即使试件破坏时，试件还保持着很好的整体性，裂缝出现后承载力下降缓慢，并且有应变硬化现象和多裂缝扩展特征，即在荷载-挠度全曲线的下降段，出现了过峰值荷载后承载力下降一段后，承载力又开始上升，出现了2个峰值荷载，这是一般纤维混凝土和单一纤维增强RPC所没有的特性。通过对破坏截面观察发现截面纤维分布均匀，钢纤维、粗聚乙烯醇纤维和细聚乙烯纤维分布均匀，未出现纤维上浮、结团的现象，各种纤维的特性得到充分利用，实现良好的增韧效果。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种钢纤维与高性能合成纤维混杂的增韧型RPC，其特征在于：其原料组份包括普通水泥、超细水泥、石英砂、掺合料、外加剂、钢纤维、粗聚乙烯醇纤维、细聚乙烯纤维、水；其中水胶比为0.18～0.21，普通水泥、超细水泥分别占混凝土总质量的17%～20%、8%～9%，钢纤维长度为10～13mm、直径为0.15～0.25mm；粗聚乙烯醇纤维长度为35～45mm、直径为0.9～1.2mm；细聚乙烯纤维长度为8～14mm、直径为10～14μm；纤维掺量按占混凝土总体积的百分比计算，钢纤维、粗聚乙烯醇纤维、细聚乙烯纤维分别为整个混凝土体积的1%～3%、1.2%～1.7%、0.3%～0.6%、石英砂的用量为混凝土总质量的40%～44%；

所述的掺合料为粒化高炉矿渣，比表面积为400-440m²/kg，其用量为混凝土总质量的16-17%；

所述的外加剂包括减水剂、消泡剂，可以改善混凝土性能的材料。减水剂的掺量为胶凝材料质量的1%～1.5%，减水剂重量不包括减水剂中水的重量，如果减水剂含有水，计算时把其中的水折算到水的用量中；消泡剂的掺量为胶凝材料质量的0.15%～0.5%。

2.按照权利要求1的一种钢纤维与高性能合成纤维混杂的增韧型RPC，其特征在于：所述的石英砂40～70目，粒径为0.2～0.4mm。

3.一种钢纤维与高性能合成纤维混杂的增韧型RPC，其特征在于：所述的超细水泥比表面积不低于570m²/kg。

4.一种钢纤维与高性能合成纤维混杂的增韧型RPC，其特征在于：所述的普通水泥比表面积为350m²/kg。

5.制备权利要求1～4所述的任一钢纤维与高性能合成纤维混杂的增韧型RPC的方法，其特征在于：步骤包括如下：

搅拌：将砂和普通水泥、超细水泥、掺合料倒入搅拌机，搅拌1～2分钟，均匀后，将水和外加剂混合液体倒入搅拌机里，倒入过程控制在50秒～1分钟；当拌合物由颗粒状转变为胶体状态时，均匀的掺入钢纤维、粗聚烯烃纤维和细聚乙烯醇纤维进行搅拌，搅拌2～3分钟待纤维分散均匀后进行试块浇筑，并按需要选用振动台振动密实或采用振捣棒进行振捣成型；

养护：标准静置养护48h，然后在温度为90度，湿度为95%的环境下养护72h，最后常温养护至试验。

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