CN103819155A

CN103819155A - 超高分子量聚乙烯纤维混凝土及其制备方法

Info

Publication number: CN103819155A
Application number: CN201410029702.2A
Authority: CN
Inventors: 晏麓晖; 张胜; 朱林; 张玉武; 李凌锋
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2014-05-28

Abstract

本发明涉及一种超高分子量聚乙烯纤维混凝土，包括如下体积含量百分比的各组分：UHMWPE纤维0.1%～0.8%；混凝土99.2%～99.9%。本发明还涉及前述纤维混凝土的制备方法，包括如下步骤：先搅拌水泥、石、砂、微硅灰；搅拌均匀后，掺入UHMWPE纤维，所述UHMWPE纤维采用小股分散掺入，边掺入边搅拌，直到全部掺入搅拌均匀为止；再加入水和减水剂搅拌；经养护硬化，最终得到所述UHMWPE纤维混凝土。本发明制备的UHMWPE纤维混凝土，不仅提高了混凝土的抗拉强度、抗折强度和韧性等静态力学性能，还明显改善了混凝土的抗冲击侵彻能力。

Description

超高分子量聚乙烯纤维混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及土木建筑工程技术领域的材料及其制备方法，具体涉及一种超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维增强的新型纤维混凝土及其制备方法。

背景技术

混凝土材料由于原料丰富、价格低廉、生产工艺简单、抗压强度高等特点而被广泛应用于土木建筑工程。但受材料性能及施工工艺等方面的限制，混凝土存在抗拉强度和抗压强度比值小、断裂韧性低、易开裂、脆性大和耐久性差等缺点，也降低了其抗冲击侵彻性能。

纤维混凝土材料是一种采用纤维增强的混凝土材料。上世纪40年代，短钢纤维混凝土首先得到研究；70年代后，玻璃、尼龙、聚丙烯等纤维混凝土开展出现；90年代至今，碳纤维、聚乙烯醇纤维、玄武岩纤维等纤维混凝土或水泥基复合材料成为研究热点。研究表明，混凝土中掺入乱向分布的短纤维，能对混凝土起到阻裂、增韧和增强的作用，不仅能有效地阻碍混凝土内裂缝的延伸、扩展，使得纤维混凝土具有比普通混凝土更好的韧性和延性，而且能极大地提高混凝土抗拉强度，一定程度改善其抗压强度，使得纤维混凝土的抗疲劳、抗冲击、抗侵彻等特性得到很大加强。

已有的研究证明，纤维混凝土的性能与纤维和基体的力学性能、纤维和基体的界面特性、纤维在基体中的体积分数及其分布情况等有关，其中纤维种类及性能的作用尤为重要，高强、高弹模纤维（如钢纤维、碳纤维）对混凝土增强效果好，但增韧作用相对不足；低强、低弹模纤维（如聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维）阻裂、增韧作用突出，却增强效应较弱。而且由于纤维不同，不同纤维增强混凝土的工作性、抗干缩、抗冲击、抗疲劳、耐腐蚀、耐冻融等性质都不一样，应用条件和范围也不同。所以，依据工程应用的需求，采用各种技术途径不断改进现有各类纤维混凝土的技术性能仍是人们努力的目标。

随着科学技术的发展，人类生存活动空间日益扩大，对资源环境的依赖越来越大，考虑自然灾害和高速碰撞、偶然爆炸等人为事故对土木建筑工程的危害，提高工程抵抗爆炸冲击等极端作用的安全已成为普遍关注的问题。从材料领域看，需要在具有高抗冲击性能土木建筑材料的研制方面有所创造。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维与碳纤维和芳纶纤维并称为当今世界三大高科技纤维，不仅比该两种纤维成本低，而且与现有纤维混凝土常用纤维比，既具有比碳纤维、钢纤维更高的强度和相当的高模量，同时具有与聚丙烯相同的低密度和直径小的特点，还具有冲击吸收能量高、无毒、耐化学腐蚀、耐紫外线、耐磨等优点，已在航空、航天、兵器和人员安全防护等诸多领域得到很好应用。该种纤维也已在水泥基复合材料中得到应用研究，在这种以水泥净浆或砂浆为基体、UHMWPE短纤维为增强体的复合材料中，UHMWPE纤维表现了优良的抗裂、增韧能力。然而，完全不采用粗骨料的水泥基复合材料并不能适应所有土木建筑工程的应用要求。

发明内容

本发明针对现有技术和材料上存在的不足，提供一种UHMWPE纤维混凝土及其制备方法，使得到的混凝土具有优异的抗拉强度、抗折强度和韧性，显著提高其抗冲击侵彻性能。

本发明的技术方案如下：

一种超高分子量聚乙烯纤维混凝土，包括如下体积含量百分比的各组分：

超高分子量聚乙烯纤维0.1%～0.8%；

混凝土99.2%～99.9%。

优选地，所述超高分子量聚乙烯纤维的长度为30mm，直径为20μm～50μm，长径比为600～1500，密度为0.97g/m³，抗拉强度为3000MPa，弹性模量为100GPa，极限延伸率为2.5～4.0%。

优选地，所述混凝土为C60～C80等级的高强混凝土。

优选地，所述混凝土为C70等级的高强混凝土，其各组分及含量为：水154kg/m³，水泥495kg/m³，石972.2～977kg/m³，砂704.8～708kg/m³，减水剂11kg/m³，微硅灰55kg/m³。

优选地，所述水泥采用42.5R级普通硅酸盐水泥；石采用级配良好、最大粒径为10mm的卵石；砂采用细度模数2.8的中等河砂；硅灰采用SiO₂含量不低于95%、粒径0.08μm的微硅灰；减水剂采用减水率不低于25%的FDN-5早强高效减水剂。

本发明还涉及一种超高分子量聚乙烯纤维混凝土的制备方法，包括以下步骤：先搅拌水泥、石、砂、微硅灰；搅拌均匀后，掺入超高分子量聚乙烯纤维，所述超高分子量聚乙烯纤维采用小股分散掺入，边掺入边搅拌，直到全部掺入搅拌均匀为止；再加入水和减水剂搅拌，得到超高分子量聚乙烯纤维混凝土拌合物；经28天养护硬化后，最终得到超高分子量聚乙烯纤维混凝土。

与现有技术相比，本发明利用UHMWPE纤维的优点，降低了混凝土的自重，提高混凝土的抗拉强度、抗折强度和韧性，提高混凝土抗冲击侵彻性能，防止混凝土脆性断裂；通过本发明的UHMWPE纤维混凝土拌合物制备技术，可明显提高纤维的分散均匀性，提高混凝土整体抗侵彻性能，约束裂缝扩展。本发明易于就地进行快速大批量生产，可广泛应用于土木、建筑、水利、海洋、交通运输、防护等工程领域。

附图说明

图1是UHMWPE纤维混凝土的制备方法示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作详细说明。以下实施例的详细实施方式和具体操作过程将有助于本领域技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。在不脱离本发明主题思想和方案的前提下，对本发明做出的若干变形和改进，都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例涉及的UHMWPE纤维混凝土，包括UHMWPE纤维和混凝土体积百分含量为：UHMWPE纤维0.1%，混凝土99.9%。

每立方米所述混凝土各组分质量如下:

水，154kg，普通自来水；

普通硅酸盐水泥，495kg，标号42.5；

卵石，976.4kg，最大粒径10mm；

砂，707.6kg，中等河砂，细度模数2.8；

微硅灰，55kg，粒径0.08μm，SiO₂含量不低于95%；

减水剂，11kg，FDN-5早强高效减水剂；

所述UHMWPE纤维的长度30mm，直径20μm～50μm，长径比600～1500，密度0.97g/m³，抗拉强度3000MPa，弹性模量100GPa，极限延伸率2.5～4.0%。

本实施例涉及的上述UHMWPE纤维混凝土的制备方法，如图1所示，步骤如下：

步骤一，确定混凝土的UHMWPE纤维掺量和混凝土配合比：根据所需要配备的混凝土标号，确定混凝土的材料配合比，确定UHMWPE纤维掺入的体积含量。

步骤二，准备好所需的各组分：

按本实施例中UHMWPE纤维混凝土的材料配合比备好所需的水、水泥、石、砂、微硅灰、减水剂和UHMWPE纤维。

步骤三，制备UHMWPE纤维混凝土：

先搅拌水泥、石、砂、微硅灰30s；搅拌均匀后，掺入UHMWPE纤维，UHMWPE纤维采用小股分散掺入，边掺入边搅拌，直到全部掺入搅拌均匀为止；再加入水和减水剂搅拌120s，得到UHMWPE混凝土拌合物；经28天养护硬化后，最终得到UHMWPE纤维混凝土。

本实施例效果：本实施例所制备的UHMWPE纤维混凝土容重为2400kg/m³；养护28天后，本实施例的UHMWPE纤维混凝土与相同配合比的素混凝土相比抗压强度提升8.7%；与相同配合比的素混凝土相比抗拉强度提升15.1%；与相同配合比的素混凝土相比抗折强度提升6.5%。

实施例2

本实施例涉及的UHMWPE纤维混凝土，包括UHMWPE纤维和混凝土体积百分含量为：UHMWPE纤维0.3%，混凝土99.7%。

每立方米所述混凝土包括的各组分质量如下:

水，154kg，普通自来水；

普通硅酸盐水泥，495kg，标号42.5；

卵石，975.2kg，最大粒径10mm；

砂，706.8kg，中等河砂，细度模数2.8；

微硅灰，55kg，粒径0.08μm，SiO2含量不低于95%；

减水剂，11kg，FDN-5早强高效减水剂；

步骤二，准备好所需的各组分：

按本实施例中所述UHMWPE纤维混凝土的材料配合比备好所需的水、水泥、石、砂、微硅灰、减水剂和UHMWPE纤维。

步骤三，制备UHMWPE纤维混凝土：

本实施例效果：本实施例所制备的UHMWPE纤维混凝土容重为2400kg/m³；养护28天后，本实施例的UHMWPE纤维混凝土与相同配合比的素混凝土相比抗压强度提升2.6%；与相同配合比的素混凝土相比抗拉强度提升26%；与相同配合比的素混凝土相比抗折强度提升18.5%。

实施例3

本实施例涉及的UHMWPE纤维混凝土，包括UHMWPE纤维和混凝土体积百分含量和配料比例为：UHMWPE纤维0.5%，混凝土99.5%。

每立方米所述混凝土包括的各组分质量如下:

水，154kg，普通自来水；

普通硅酸盐水泥，495kg，标号42.5；

卵石，974kg，最大粒径10mm；

砂，706kg，中等河砂，细度模数2.8；

微硅灰，55kg，粒径0.08μm，SiO2含量不低于95%；

减水剂，11kg，FDN-5早强高效减水剂；

本实施例涉及上述UHMWPE纤维混凝土的制备方法，如图1所示，步骤如下：

步骤二，准备好所需的各组分：

按本实施例中所述UHMWPE纤维混凝土的材料配合比备好所需的水、水泥、石、砂、微硅灰、减水剂和HMWPE纤维。

步骤三，制备所需的UHMWPE纤维混凝土：

本实施例效果：本实施例所制备的UHMWPE纤维混凝土容重为2400kg/m³；养护28天后，本实施例的UHMWPE纤维混凝土与相同配合比的素混凝土相比抗压强度提升1.5%；与相同配合比的素混凝土相比抗拉强度提升25.7%；与相同配合比的素混凝土相比抗折强度提升23.3%。

实施例4

本实施例涉及的UHMWPE纤维混凝土，包括UHMWPE纤维和混凝土体积百分含量为：UHMWPE纤维0.8%，混凝土99.2%。

每立方米所述混凝土包括的各组分质量如下:

水，154kg，普通自来水；

普通硅酸盐水泥，495kg，标号42.5；

卵石，972.2kg，最大粒径10mm；

砂，704.8kg，中等河砂，细度模数2.8；

微硅灰，55kg，粒径0.08μm，SiO2含量不低于95%；

减水剂，11kg，FDN-5早强高效减水剂；

步骤二，备好所需的各组分：

步骤三，制备UHMWPE纤维混凝土：

本实施例效果：本实施例所制备的UHMWPE纤维混凝土容重为2400kg/m³；养护28天后，本实施例的UHMWPE纤维混凝土与相同配合比的素混凝土相比，对于在12.7mm穿甲弹低速（537～543m/s）、中速（697～706m/s）和高速（828～844m/s）三档速度冲击作用下，平均侵彻深度比素混凝土分别减小22.4%、19.0%和23.5%。

进一步地，应当指出，本发明并不局限于以上特定实施例，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出任何变形或改进。

Claims

1.一种超高分子量聚乙烯纤维混凝土，其特征在于包括如下体积含量百分比的各组分：

超高分子量聚乙烯纤维0.1%～0.8%；

混凝土99.2%～99.9%。

2.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯纤维混凝土，其特征在于所述超高分子量聚乙烯纤维的长度为30mm，直径为20μm～50μm，长径比为600～1500，密度为0.97g/m³，抗拉强度为3000MPa，弹性模量为100GPa，极限延伸率为2.5～4.0%。

3.根据权利要求1或2所述的超高分子量聚乙烯纤维混凝土，其特征在于所述混凝土为C60～C80等级的高强混凝土。

4.根据权利要求3所述的超高分子量聚乙烯纤维混凝土，其特征在于所述混凝土为C70等级的高强混凝土。

5.根据权利要求4所述的超高分子量聚乙烯纤维混凝土，其特征在于所述混凝土的各组分及含量为：水154kg/m³，水泥495kg/m³，石972.2～977kg/m³，砂704.8～708kg/m³，减水剂11kg/m³，微硅灰55kg/m³。

6.根据权利要求4所述的超高分子量聚乙烯纤维混凝土，其特征在于所述水泥采用42.5R级普通硅酸盐水泥；石采用级配良好、最大粒径为10mm的卵石；砂采用细度模数2.8的中等河砂；硅灰采用SiO₂含量不低于95%、粒径0.08μm的微硅灰；减水剂采用减水率不低于25%的FDN-5早强高效减水剂。

7.一种超高分子量聚乙烯纤维混凝土的制备方法，其特征在于包括以下步骤：先搅拌水泥、石、砂、微硅灰；搅拌均匀后，掺入超高分子量聚乙烯纤维，所述超高分子量聚乙烯纤维采用小股分散掺入，边掺入边搅拌，直到全部掺入搅拌均匀为止；再加入水和减水剂搅拌，得到超高分子量聚乙烯纤维混凝土拌合物；经28天养护硬化后，最终得到超高分子量聚乙烯纤维混凝土。