CN104030642A - 一种纤维混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维混凝土，它包括如下重量份的组分：水170—180；水泥335—345；粉煤灰60—70；硅灰13—19；骨料1755—1775；玄武岩纤维2.8—3.5；聚羧酸减水剂3—5；轻硅纤维阻裂增强剂30—34。玄武岩纤维不仅稳定性好，而且还具有电绝缘性、抗腐蚀、抗燃烧、耐高温等多种优异性能。轻硅纤维阻裂增强剂的掺入可有效地防止和抑制混凝土的离析倾向，可显著减少甚至完全消除混凝土浇筑后所产生的裂缝，使得混凝土具有高密实度、高强度、耐久性好、泌水率小和抗裂系数高等优点。粉煤灰、硅灰和聚羧酸减水剂的掺入使得混凝土的性能得到了提升，有效地控制了裂缝的产生，对混凝土的耐久性有积极的意义。

Description

一种纤维混凝土

技术领域

本发明涉及一种纤维混凝土。

背景技术

混凝土是当代建筑工程用量最大的建筑材料，混凝土工程技术总是伴随着工程建设的需要和科学技术发展而进步的。现已广泛用于工业与民用建筑、水利、城市建设、农林、交通及海港等工程。与此同时，混凝土在应用过程中会出现许多新的问题，近年来尤为突出的是混凝土抗拉、抗弯、抗皱以及韧性等性能比较差，容易出现裂缝，发生渗透水，给工程建设带来的巨大损失。因此如何提高混凝土的抗拉、抗弯、抗皱以及韧性已经成为世界各国研究的重点。为了改善混凝土的性能，人们研究发明了纤维混凝土，纤维混凝土是以水泥净浆、砂浆或混凝土作为基材，以非连续的短纤维或连续的长纤维作为增强材料，二者均匀的掺合在混凝土中而配置成的一种新型防水混凝土材料。20世纪70年代以来,发展了纤维增强水泥基复合材料,钢纤维、玻璃纤维、合成纤维等纤维材料应用于水泥混凝土中,从多方面来改善混凝土的性能。在混凝土中掺入短而细且均匀分布的纤维后，可明显提高混凝土的性能，纤维混凝土因其良好的抗拉、抗弯、韧性、不易裂缝，在防水工程中获得广泛应用，又因良好的抗疲劳和抗冲击性能，人们正研究将其用于多地震的抗震建筑上，使之为人类做出贡献。

我国现处于经济建设的快速发展时期，对新型建筑材料的要求也越来越高，在这种背景下，高性能混凝土也越来越受到人们的重视，高性能混凝土是指采用普通原材料、常规施工工艺，通过掺加一定的外加剂和矿物掺入料配制成具有高工作性、高强度、高性能性的综合性能优良的混凝土。通过掺入矿物微细粉和高性能化学外加剂的技术途径来配制高性能混凝土既可改善混凝土的性能，又能降低生产成本，有利于高性能混凝土的推广应用。高性能混凝土是由高强混凝土发展而来的，但高性能混凝土对混凝土技术性能的要求比高强混凝土更多、更广乏，高性能混凝土的发展一般可分为三个阶段：

（1）振动加压成型的的高强混凝土——工艺创新

在高效减水剂问世以前，为获得高强混凝土，一般采用降低W/C（水灰比），强力振动加压成型。即将机械压力加到混凝土上，挤出混凝土中的空气和剩余水分，减少孔隙率。但该工艺不适合现场施工，难以推广，只在混凝土预制板、预制桩的生产，广泛采用，并与蒸压养护共同使用。

（2）掺高效减水剂配置高效混凝土——第五组分创新

20世纪50年代末期出现高效减水剂是高强混凝土进入一个新的发展阶段。代表性的有萘系、三聚氰胺系和改性木钙系高效减水剂，这三个系类均是目前普遍使用的高效减水剂。采用普通工艺，掺加高效减水剂，降低水灰比，可获得高流动性，抗压强度为60~100MPa的高强混凝土，是高强混凝土获得广泛的发展和应用。但是，仅用高效减水剂配制的混凝土，具有坍落度损失较大的问题。

（3）采用矿物外加剂配制高性能混凝土——第六组分创新

20世纪80年代矿物外加剂异军突起，发展成为高性能混凝土的第六组分，它与第五组分相得益彰，成为高性能混凝土不可缺少的部分。目前，配制高性能混凝土的技术路线主要是在混凝土中同时掺入高效减水剂和矿物外加剂。

根据我国工程建设发展需要，在各工程领域更多的应用性能优良、价格低廉的高性能混凝土是未来的发展趋势。但要使高性能混凝土在建筑工程中推广使用还需一个认识和实践的过程。随着我国建筑基础建设的不断增强，高性能混凝土必将成为新世纪的重要建筑工程材料。其优异的技术特性体现在具有高抗渗性、高体积稳定性、适当的高抗压强度及良好的施工性能。实现高性能混凝土的技术途径主要有：1）胶结材料本身高强化，这是实现混凝土高强度、高性能的必要条件。2）提高胶结材料与骨料界面的强度，从骨灰与胶结材料之间的界面内来看，界面过渡层约20um范围内，Ca（HO）富集及定向排列，与其他部分的水泥石相比，是一种多孔质结构、强度低，为了改善其界面结构，除了搅拌方法之外，一般都在混凝土中掺入矿物和料，如硅灰、超细矿渣，分级粉煤及沸石粉等，这些超细粒子与界面上存在的Ca（HO）2反应，生成C-S-H凝胶，填充界面空隙，降低了Ca（HO）富集及定向排列，因而可以提高界面强度，同时还有利于提高混凝土的抗渗性和耐久性。3）选择最适宜的骨料，在高强度混凝土中，骨料的数量与质量对混凝土影响很大。因此，在选择最适宜的骨料时，粗细骨料的品种与品质，单位体积混凝土上中的骨料的体积含量与最大粒径是必须考虑的两个因素，而高性能减水剂也是不可缺少的材料。

造成混凝土开裂的最根本的原因是混凝土的收缩,其中有相当一部分的收缩是自收缩。在自由状态下,混凝土能够收缩到一定程度而不发生开裂。但是,混凝土往往要受到来自于粗骨料、钢筋或外部结构的约束。在内部约束或外部约束存在的条件下,将不可避免地在混凝土表面甚至混凝土内部产生拉应力。这一拉应力被称为自生拉应力。混凝土受到这一拉应力的长期作用。当这一拉应力达到或超过一定限度时 ,混凝土将不可避免地产生开裂。目前,非结构性裂缝控制措施除了增设构造钢筋、施工缝、后浇带等结构设计措施外,主要有降低温差、浇水养护和掺膨胀剂或使用膨胀水泥等。但控制混凝土内外温差和浇水养护这一施工措施仅仅推迟收缩变形的产生,并不能真正减小最终收缩值。由于现代混凝土本身的组成与结构特点，浆体粘稠、保水性好，水分迁移受到一定限制，且因为低水胶比而使其自收缩现象突出。其普遍具有发生早期裂纹的趋势，目前虽然对裂缝的成因已有较一致的认识，并提出了许多见解和方法，但至今没有得到有效控制，且日趋严重。混凝土工程裂缝产生的原因很多，涉及到材料配合比、结构设计、施工及后期养护等各个环节，并且这些因素之间相互交叉影响和作用，使得混凝土工程裂缝控制变的十分复杂。单凭设计或施工方法，要从根本上消除非荷载裂缝尚有困难。从工程结构失效破坏等特征来看，裂缝是结构破坏失效所表现的宏观形式，而产生裂缝的机理过程是与混凝土材料本体变化密切相关，早期混凝土工程裂缝的产生除受各种载荷作用影响之外，混凝土的收缩是很关键的。当前在控制混凝土开裂配合比优化设计中，有添加纤维、膨胀剂等措施，其目的都是降低各种收缩变形，但各种外加剂的作用机理和效果均有不同。解决混凝土收缩裂缝的根本途径是研制高性能混凝土。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种高性能的纤维混凝土。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

所述纤维混凝土包括如下重量份的组分：

水 170—180；水泥 335—345；粉煤灰60—70；硅灰13—19；骨料1755—1775；玄武岩纤维2.8—3.5；聚羧酸减水剂3—5；轻硅纤维阻裂增强剂30—34。

优选地，所述混凝土包括如下重量份的组分：

水 175；水泥 340；粉煤灰64；硅灰16；骨料1764；玄武岩纤维3.2；聚羧酸减水剂4；轻硅纤维阻裂增强剂32。

优选地，所述水泥为P1O4215硅酸盐水泥, 其品质指标满足GB175-1999的要求；所述粉煤灰为Ⅱ级磨细粉煤灰,其品质指标满足GB1596-91的要求。

优选地，所述骨料包括细骨料或粗骨料；所述细骨料与粗骨料的重量比为（700—710）：（1055—1065）。

优选地，所述骨料包括细骨料或粗骨料；所述细骨料与粗骨料的重量比为705：1059。

优选地，所述细骨料为中砂，所述粗骨料为粒径不超过lOmm的碎石或卵石。

其中，混凝土中所述的其他组分均为现有技术或市售：

硅灰：主要成分SiO₂,灰色或灰白色粉末。

玄武岩纤维：玄武岩石料在1450℃～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。

聚羧酸减水剂：高性能减水剂，聚酯型或聚醚型结构，可以有效减少混凝土水泥用量和混凝土收缩。

轻硅纤维阻裂增强剂：是专利申请号为200710034947.4的专利中公开的轻硅纤维阻裂增强剂。

下面对本发明作进一步说明：

本发明所述纤维混凝土采用了玄武岩纤维和轻硅纤维（轻硅纤维阻裂增强剂）两种纤维，与制造纤维混凝土一样主要使用具有一定长径比（即纤维的长度与直径的比值）的短纤维。玄武岩使用长纤维（如玻璃纤维无捻粗纱、玄武岩纤化薄膜）或纤维制品（如玻璃纤维网格布、玻璃纤维毡）。其抗拉极限强度可提高30～50%。纤维的分类纤维可以按照不同的原则进行分类。从工程实用观点考虑，可按纤维的材质、弹性模量以及长度分类，纤维的主要力学性能由于纤维品种的不同，它们的力学性能（包括抗拉强度、弹性模量、断裂延伸率等）不尽相同，甚至其中某些性能指标有较大差异。一般来说，纤维抗拉强度均比水泥基体的抗拉强度要高出两个数量级，但不同品种纤维的弹性模量值相差很大，有些纤维（如钢纤维与碳纤维）的弹性模量高于水泥基体，而大多数有机纤维（包括很多合成纤维与天然植物纤维）的弹性模量甚至低于水泥基体。纤维与水泥基体的弹性模量的比值对纤维增强水泥复合材料的力学性能有很大影响，如该比值愈大，则在承受拉伸或弯曲荷载时，纤维所分担的应力份额也愈大。纤维的断裂延伸率一般要比水泥基体高出一个数量级，但若纤维的断裂延伸率过大，则往往使纤维与水泥基体过早脱离，因而未能充分发挥纤维的增强作用。若纤维的体积掺量大于某一临界值，整个复合材料可继续承受较高的荷载并产生较大的变形，直到纤维被拉断或纤维从基料中被拨出，以致复合材料破坏。而这种高性能混凝土中采用的轻硅纤维阻裂增强剂主要由以下这些成分按重量组分制备而成：无水硫铝酸钙—生产的硫铝酸盐水泥熟料，主要矿物为无水硫铝酸钙膨胀组分；生明矾石—天然明矾石；熟明矾—天然明矾石在400~600℃煅烧后得到；无水石膏—天然石膏在600℃煅烧后得到；萘系高效减水剂；硅灰—链式晶状结构硅酸盐粘土矿物轻硅纤维组分；聚丙烯纤维；木质素磺酸钠—有机减水憎水组分；粉煤灰—无机增密组分。这种添加了轻硅纤维的外加剂可有效地防止和抑制混凝土的离析倾向，控制裂缝的产生，使得混凝土具有高密实度、高强度、耐久性好和抗裂系数高等优点。

本发明所述混凝土的增强和防水机理如下：

增强机理：最有代表性的主要有两种不同的理论，一是“纤维间距机理”，一是“复合材料机理”。纤维间距机理是根据线弹性断裂力学理论来说明纤维材料对于裂缝发生和发展的约束作用，机理认为：在混凝土内部原来就存在缺陷．欲提高这种材料的强度，必须尽可能地减小缺陷的程度，提高这种材料的韧性，降低内部裂缝端部的应力集中系数。纤维间距机理假定纤维和基体间的粘结是完美无缺的，但是事实上纤维和基体间的粘结肯定有不足之处的。间距一旦超出了比例极限就不再成立，因此纤维间距机理并不能客观地全面地反映纤维的增强机理。

复合材料机理是根据复合材料构成的混合原理，将纤维混凝土看作一强化体系，并应用混合原理来推定纤维混凝土的抗拉强度和抗弯强度。此机理认为：在基体和纤维完全粘结的条件下，对基体和连续纤维构成的复合体上施加拉力，以将纤维从基体中拉出、基体与纤维问的粘结破坏为前提，该复合体的强度是由纤维和基体韵体积比和应力所决定的。在具体运用复合材料机理时应当考虑复合体在拉伸应力方向上有效纤维量的比例、非连续短纤维的长度修正。

防水机理：本发明所述混凝土是将切成一定长度的高性能纤维均匀地分布于水泥砂浆或普通混凝士的基材中，用以增强基材的物理力学性能的一种复合材料。在混凝土中掺入适量的高性能可以显著提高混凝土的抗渗性能，高性能纤维均匀的分布在混凝土中，有效地阻止了粗细骨料的沉降，降低了混凝土的泌水率，减少了混凝土中的总空隙率，提高了混凝土的密实性。同时加入此种高性能后，混凝土的抗拉强度提高，减少了塑性裂缝的出现，避免了渗漏水的隐患。

相对于传统的纤维混凝土和高性能混凝土，本发明的混凝土是一种集高强度、高性能性和高工作性等于一体的新型绿色混凝土，它的技术特点在于通过添加两种纤维——轻硅纤维和玄武岩纤维来实现混凝土的高性能，混凝土结构的耐久性主要包括抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、抗碳化及抗碱骨反应。本发明通过分析玄武岩纤维这类高性能纤维在高强混凝土中的作用以及使混凝土高性能化的作用，说明在混凝土中掺入适量的高性能纤维有效地改善混凝土材料的物理力学性能，提高混凝土材料的耐久性。玄武岩纤维是一种经特殊工艺进行纺丝、切断、亲水处理后生产的高强度束状单丝纤维，它主要通过改变混凝土的物理力学性能来达到改变混凝土内部结构的效果。由于此种高性能纤维同混凝土中水泥基体有紧密的结合力，能在混凝土中形成一种均匀的乱向支持体系，所以它渗入混凝土能产生有效的三维加强效果，从而提高了混凝土的整体性。由于纤维以单位体积内少量均匀分布于混凝土内部，故微裂缝在发展的过程中必遭遇到纤维的阻挡，消耗了能量，难以进一步发展，从而阻断裂缝达到了抗裂的作用。纤维的加入犹如在混凝土中掺入巨大数量的微细筋，这些纤维筋抑制了混凝土开裂的进程，提高了混凝土的断裂韧性。均匀散布的纤维在混凝土中呈现三维网络结构，起到了支撑集料的作用，抑制了新拌混凝土的泌水和离析，从而改善了混凝土拌合物的和易性。混凝土中加入低掺率的一种高性能，因粘聚性增大，坍落度会略有下降，可延缓或阻止混凝土内部微裂缝及表面宏观裂缝的发生发展。

总之，本发明所述的高性能混凝土的创新之处在于同时掺入了玄武岩纤维和轻硅纤维阻裂增强剂以及粉煤灰和聚羧酸减水剂，使混凝土的性能更好。玄武岩纤维是一种新出现的新型无机环保绿色高性能纤维材料，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成的玄武岩石料在高温熔融后，通过漏板快速拉制而成的。玄武岩纤维不仅稳定性好，而且还具有电绝缘性、抗腐蚀、抗燃烧、耐高温等多种优异性能。而轻硅纤维阻裂增强剂的掺入也可有效地防止和抑制混凝土的离析倾向，并可显著减少甚至完全消除混凝土浇筑后所产生的裂缝，使得混凝土具有高密实度、高强度、耐久性好、泌水率小和抗裂系数高等优点。此外粉煤灰、硅灰和聚羧酸减水剂的掺入也使得混凝土的性能得到了提升，有效地控制了裂缝的产生，对混凝土的耐久性有积极的意义。

具体实施方式

实施例1

所述纤维混凝土包括如下重量份的组分：

水 175kg；P1O4215硅酸盐 340 kg；Ⅱ级磨细粉煤灰 64 kg；硅灰16 kg；中砂705kg；碎石或卵石1059kg；玄武岩纤维3.2 kg；聚羧酸减水剂4 kg；轻硅纤维阻裂增强剂32 kg。

所述纤维混凝土的性能分析：

（1）对混凝土物理性能的影响

均匀散布的纤维在混凝土中呈现三维网络结构，起到了支撑集料的作用，抑制了新拌混凝土的泌水和离析，从而改善了混凝土拌合物的和易性。混凝土中加入低掺率的高性能，与等强度不掺纤维的混凝土相比，初凝时间提前l～1.5h，终凝时间也略有提前。混凝土的极限拉伸率相当低，一般仅为0.01%～0.20%，而此种高性能的极限拉伸率高达16%～19%，可延缓或阻止混凝土内部微裂缝及表面宏观裂缝的发生发展。

（2）对混凝土力学性能的影响

可明显提高混凝土的抗压、抗折等性能，其掺量在达到0.1%前强度增加较明显，在达到0.1%后随掺量的增加强度提高较慢。此外，掺加高性能有助于提高混凝土的抗疲劳性和抗冲击性，并可明显减少混凝土的收缩变形，掺有0.1%纤维的砂浆抗冲击强度比素砂浆提高26%左右。

（3）对混凝土耐久性的影响

增加抗渗性的效果要大于强度的增加，这是因为纤维的阻裂作用不但减少了裂缝的数量，裂缝的长度和宽度，而且降低了生成贯通裂缝的可能性，同时，呈三维乱向分布的纤维也起到阻断混凝土内毛细作用效果。根据国家建筑材料测试中心测试结果，0.05%掺量的这种高性能混凝土在1.2MPa水压作用下，与同强度(28d龄期)未掺纤维混凝土比较，抗渗性提高70%。加入这种高性能也可以有效提高混凝土的抗冻能力、抗碳化性和抗碱骨料反应性等。

所述纤维混凝土的效果：

（1）具有卓越的抗冲击性能。材料抵抗冲击或震动荷载作用的性能，称为冲击韧性，冲击抗压韧性可提高2～7倍，冲击抗弯、抗拉等韧性可提高几倍到几十倍。

（2）具有较高的抗拉、抗弯、抗剪和抗扭强度。此种混凝土其抗压强度提高10%～80%（C50以上混凝土提高幅度显著），抗拉强度提高50%～100%，抗弯强度提高50%～80%，抗剪强度提高50%～100%。

（3）变形性能有较大改善,尤其是混凝土的自身体积变形明显减小。混凝土抗渗也有较大提高,这是由于纤维能阻止混凝土中微裂隙的扩展和新裂缝的出现,使混凝土内部的渗水通道减少。收缩性能明显改善。在通常的纤维掺量下，一种高性能混凝土较普通混凝土的收缩值降低7%～9%。抗疲劳性能显著提高。一种高性能混凝土的抗弯和抗压疲劳性能比普通混凝土都有较大改善。一种高性能混凝土抗弯疲劳寿命为1×106次时，应力比为0.68，而普通混凝土仅为0.51；当掺有2%一种高性能混凝土抗压疲劳寿命达2×106次时，应力比为0.92，而普通混凝土仅为0.56。

（4）提高了的抗碳化性。混凝土碳化的关键因素是空气中的CO2。渗透到混凝土体内，与其碱性物质发生化学反应，要提高混凝土抗碳化性能就必须提高混凝土的防裂性能，切断空气渗入渠道，高性能在混凝土中的作用并不直接影响混凝土的碳化速度，只是由于掺加纤维的原因，使得钢筋的保护层变得更加完善，从而间接地起到延缓混凝土碳化作用。

（5）混凝土抗渗有较大提高,这是由于这种高性能混凝土中掺加的玄武岩纤维和轻硅纤维能阻止混凝土中微裂隙的扩展和新裂缝的出现,使混凝土内部的渗水通道减少。

（6）有效提高了混凝土的抗冻能力，这主要是由于当有纤维存在时，可减少多次冻融循环而引起的混凝土内的抗拉集中应力，阻止了微裂缝的进一步扩展，另外，由于混凝土抗渗性的提高，也有利于改善其抗冻性。掺入玄武岩纤维和轻硅纤维对混凝土低温和抗冻融性能的作用机能不同于引气剂。首先，纤维混凝土含气量增大，缓解了低温循环过程中的静水压力和渗透压力；其次，数千万根微细纤维改善了混凝土内在品质，减少了内部缺陷数量，降低了原生裂隙尺度，提高了混凝土的抗拉极限应变和断裂能等抗拉性能；另外，纤维的弹性模量随温度的降低而提高的特性对纤维混凝土低温环境下抵抗冻胀破坏具有正面加强效应；最后，由于纤维直径小，纤维间距小，增加了混凝土冻融损伤过程中的能量损耗，有效地抑制了混凝土的冻胀开裂，有益于混凝土低温环境下的强度增长和抗冻融耐久性的提高。

（7）可以解决钢筋混凝土难以解决的裂缝、耐久性等， 耐久性显著提高。由于一种高性能混凝土抗裂性、整体性好，因而耐冻融性、耐热性、耐磨性、抗气蚀性和抗腐蚀性均有显著提高。 经150次冻融循环，其抗压和抗弯强度下降20%，而其他条件相同的普通混凝土却下降60%以上;经过200次冻融循环，一种高性能混凝土试件仍保持完好。掺量为1%、强度等级为CF35的混凝土耐磨损失比普通混凝土降低30%。抗气蚀能力较其他条件相同的高强混凝土提高1.4倍。

Claims (6)

1.一种纤维混凝土，其特征在于，所述纤维混凝土包括如下重量份的组分：

水 170—180；水泥 335—345；粉煤灰60—70；硅灰13—19；骨料1755—1775；玄武岩纤维2.8—3.5；聚羧酸减水剂3—5；轻硅纤维阻裂增强剂30—34。

2.如权利要求1所述的纤维混凝土，其特征在于，所述混凝土包括如下重量份的组分：

水 175；水泥 340；粉煤灰64；硅灰16；骨料1764；玄武岩纤维3.2；聚羧酸减水剂4；轻硅纤维阻裂增强剂32。

3.如权利要求1或2所述的纤维混凝土，其特征在于，所述水泥为P1O4215硅酸盐水泥；所述粉煤灰为Ⅱ级磨细粉煤灰。

4.如权利要求3所述的纤维混凝土，其特征在于，所述骨料包括细骨料或粗骨料；所述细骨料与粗骨料的重量比为（700—710）：（1055—1065）。

5.如权利要求4所述的纤维混凝土，其特征在于，所述骨料包括细骨料或粗骨料；所述细骨料与粗骨料的重量比为705：1059。

6.如权利要求5所述的纤维混凝土，其特征在于，所述细骨料为中砂，所述粗骨料为粒径不超过lOmm的碎石或卵石。