CN105174763A - 一种用于道面、桥面和工业地坪的环境友好型再生合成纤维增强混凝土 - Google Patents

一种用于道面、桥面和工业地坪的环境友好型再生合成纤维增强混凝土 Download PDF

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Abstract

一种用于道面、桥面和工业地坪的环境友好型再生合成纤维增强混凝土，属于混凝土技术领域。所述再生合成纤维选自再生的聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维、脂肪族聚酰胺纤维、聚萘二甲酸乙二醇酯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚烯烃纤维等。再生纤维几何尺度包括细纤维和粗纤维，直径大于0.1mm为粗纤维，小于等于0.1mm为细纤维。再生合成纤维是由再生聚合物、原生聚乙烯和中等模量原生聚乙烯醇混合制备的纤维。用于机场道面、桥梁、道路、工地坪等对韧性、抗裂、抗疲劳、抗冲击、抗冻融要求较高的混凝土工程结构。

Description

一种用于道面、桥面和工业地坪的环境友好型再生合成纤维增强混凝土
技术领域
本发明涉及再生高性能合成纤维增强、增韧混凝土用于机场道面、公路道面、桥面和工业地坪的技术，属于混凝土技术领域，适用于机场道面、桥梁、道路、工地坪等对韧性、抗裂、抗疲劳、抗冲击、抗冻融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
根据2013年欧洲塑料协会的统计，全世界每年有3.8亿吨的废弃塑料制品，主要是聚丙烯、聚酯、聚乙烯、聚烯腈、聚乙烯醇等，但再生利用率不到5％。这样给环境带来巨大压力，垃圾填埋场的温室气体、有害化学影响人的健康，污染地下水等；废弃塑料破坏海洋物种多样性。这些塑料制品自然降解过程很长，给环境带来了巨大污染。人们日常使用的塑料产品品种非常众多，如矿泉水瓶、各种塑料制品等产生大量的废弃物，给环境带来巨大压力。如何科学合理地应用这些废弃塑料物，是刻不容缓的重要问题。用回收的各种废弃塑料生产高性能聚丙烯、聚酯、聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维等，不但解决了环境污染的问题，而且给废弃物的综合利用找到了新的出路。用废弃塑料生产的聚丙烯、聚酯、聚乙烯、聚乙烯醇等纤维可以替代目前的原生合成纤维，在性能上满足土木工程对于合成纤维的要求，同时达到降低成本、节省原材料的目的。再生纤维生产工艺是：通过多次牵引挤压，使得纤维强度、弹性模量显著提高；优化再生合成材料与原生合成材料的比例，提高再生纤维的物理力学性能、耐久性和纤维粘结性能等。
由于原生合成纤维需要来源于石油的高分子原料，其生产成本高；混凝土工程体量较大，如果用原生纤维会造成工程成本高，这样严重制约了纤维的工程应用。因此，目前工程应用纤维的较少，如果采用再生纤维不仅解决了废弃塑料瓶、塑料盒等塑料制品等的回收利用，而且用废弃物生产的纤维成本为原生纤维的22-28％，这样节省成本约70％，具有很好的社会经济效益。
发明内容
本发明的目的是，将再生合成纤维应用到混凝土中，并将添加有再生合成纤维的混凝土用于道面、桥面或工业地坪等。
将再生合成纤维应用到混凝土中，得到混凝土基体中添加分散有再生合成纤维的再生合成纤维增强混凝土。所述再生合成纤维选自再生聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维、脂肪族聚酰胺纤维、聚萘二甲酸乙二醇酯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚烯烃纤维等。再生纤维几何尺度包括细纤维和粗纤维，直径大于0.1mm为粗纤维，小于等于0.1mm为细纤维。再生合成纤维是由再生聚合物、原生聚乙烯和中等模量原生聚乙烯醇混合制备的纤维。
所述再生合成纤维占混凝土总体积的0.05％～2.5％，纤维长度为10～44mm、直径为0.015～2.5mm；再生合成纤维形状包括平直型、波浪型、压痕型、扭转型、端部波浪型、端部增大型、端部带钩型、波浪与扭转结合型等。
所述的再生聚丙烯纤维强度300-650MPa,弹性模量3.1-4.9GPa；再生聚乙烯纤维强度600-950MPa,弹性模量41-49GPa；再生聚酯纤维强度390-490MPa,弹性模量14-21GPa；再生聚丙烯腈纤维400-650MPa,弹性模量3.9-4.9GPa；再生聚乙烯醇纤维强度690-790MPa,弹性模量21-44GPa；再生脂肪族聚酰胺纤维抗拉强度400-550MPa,弹性模量3.8-6.9GPa；再生聚萘二甲酸乙二醇酯纤维强度490-570MPa,弹性模量2.1-4.6GPa；再生聚烯烃纤维抗拉强度440-510MPa,弹性模量4.2-6.4GPa。
进一步优选所述的再生合成纤维聚丙烯纤维生产时，再生聚丙烯：原生聚乙烯：中等模量原生聚乙烯醇的体积比例为91％:7％:2％；再生聚酯纤维比例为再生聚酯：原生聚乙烯：中等模量原生聚乙烯醇的体积比例为92％:5％:3％；再生聚乙烯醇纤维生产时，比例为再生聚乙烯醇与原生聚乙烯的体积比例为97.5％:2.5％；再生聚丙烯腈纤维生产时，比例为再生聚丙烯腈：原生聚乙烯：中等模量原生聚乙烯醇的体积比例为94％:4％:2％；再生脂肪族聚酰胺纤维生产时，比例为再生脂肪族聚酰胺：高模量原生聚乙烯：中等模量原生聚乙烯醇的体积比例为95％:3％:2％；再生聚萘二甲酸乙二醇酯纤维生产时，比例为再生聚萘二甲酸乙二醇酯：高模量原生聚乙烯：中等模量原生聚乙烯醇的体积比例为94％:3％:3％；再生聚烯烃纤维生产时，比例为再生聚烯烃与高模量原生聚乙烯、中等模量原生聚乙烯醇的体积比例为96％:2％:2％。
本发明的再生合成纤维，可以二种或者三种不同品种再生合成纤维混杂、或者同种再生合成纤维不同几何尺度的纤维混杂，通过混杂技术提高再生纤维在混凝土中的增强增韧效率。
所述的混凝土基体(即不添加再生合成纤维的混凝土)可以是普通强度混凝土，也可以是高强度混凝土；可以是轻质混凝土、普通重度混凝土和聚合物混凝土等。
混凝土基体的原材料组成包括：粗骨料、砂、水泥、掺合料、外加剂和水。
将添加有再生合成纤维的混凝土用于道面、桥面、工业地坪、屋面防水等工程。
再生纤维混凝土基体中粗骨料粒径可以是三级配或者二级配。
一种新型再生合成纤维增强混凝土制备方法为：将粗骨料、砂和水泥、掺合料等倒入搅拌机，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，均匀的掺入纤维进行搅拌，搅拌1～2分钟待纤维分散均匀后进行浇筑。
再生纤维在生产时，纤维表面嫁接羟基或羟基材料，纤维表面聚合物材料不同于核心材料，表面聚合物材料不但有羟基，而且强度高、弹性模量高，提高了再生纤维的强度、弹性模量和粘结性能，同时增加纤维与混凝土基体的界面粘结性能，其粘结强度比未嫁接羟基的纤维增加45.5％，当粘结性能提高后，纤维对混凝土的阻裂能力，纤维拔出过程中吸收的能量显著提高，提高了纤维的增强增韧效率。本发明纤维混凝土用于机场道面、桥梁、道路、工地坪，进一步提高韧性、抗裂、抗疲劳、抗冲击、抗冻融性，满足要求较高的混凝土工程结构。再生高性能合成纤维增强混凝土，可以部分或者全部代替构造钢筋，解决钢筋锈蚀的技术难题。
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1
再生聚丙烯纤维增强三级配混凝土的再生合成纤维体积掺率为0.3％，纤维直径0.1mm，长度25-33mm，混凝土基体强度C35，再生合成纤维增强混凝土的弯曲韧性指数(ASTMC1018方法)I5>3.9、I10>7.8、按照日本标准(JCISF4)的剩余强度>2.1MPa,按照欧洲标准弯曲韧性指标PCSm(Post-crackstrength)>4.18MPa,疲劳寿命大于290万次，冲击寿命比未掺纤维提高11.2倍；按照ASTMC1550，当挠度为40mm时，圆板能量吸收为379焦耳；拉应力-应变曲线具有应变硬化行为。
实施例2
再生聚乙烯醇纤维增强三级配混凝土的再生合成纤维体积掺率为0.4％，纤维直径0.11mm，长度35-38mm，混凝土基体强度C38，再生合成纤维增强混凝土的弯曲韧性指数I5>4.5、I10>8.7，按照日本标准的剩余强度>2.7MPa,按照欧洲标准弯曲韧性指标PCSm>5.16MPa,疲劳寿命大于310万次，冲击寿命比未掺纤维提高13.2倍，按照ASTMC1550，当挠度为40mm时，圆板能量吸收为421焦耳；拉应力-应变曲线具有应变硬化行为。
实施例3
再生聚萘二甲酸乙二醇酯纤维增强二级配混凝土的再生合成纤维体积掺率为0.5％，纤维直径0.12mm，长度31-38mm，混凝土基体强度C37，再生合成纤维增强混凝土的弯曲韧性指数I5>4.1、I10>7.7，按照日本标准的剩余强度>2.8MPa,按照欧洲标准弯曲韧性指标PCSm>4.46MPa,疲劳寿命大于260.7万次，冲击寿命比未掺纤维提高12.4倍.按照ASTMC1550，当挠度为40mm时，圆板能量吸收为327焦耳.拉应力-应变曲线具有应变硬化行为。
实施例4
再生聚酯纤维增强二级配混凝土的再生合成纤维体积掺率为0.34％，纤维直径0.07mm，长度21-30mm，混凝土基体强度C35，再生合成纤维增强混凝土的弯曲韧性指数I5>3.13、I10>4.7、按照日本标准的剩余强度>1.83MPa,按照欧洲标准弯曲韧性指标PCSm>4.01MPa,疲劳寿命大于240.5万次，冲击寿命比未掺纤维提高10.4倍.按照ASTMC1550，当挠度为40mm时，圆板能量吸收为259焦耳；拉应力-应变曲线具有应变硬化行为。
实施例5
再生聚烯腈纤维增强二级配混凝土的再生合成纤维体积掺率为0.34％，纤维直径0.07mm，长度21-30mm，混凝土基体强度C34，再生合成纤维增强混凝土的弯曲韧性指数I5>3.3、I10>4.4，按照日本标准的剩余强度>1.69MPa,按照欧洲标准弯曲韧性指标PCSm>3.41MPa,疲劳寿命大于220.1万次，冲击寿命比未掺纤维提高10.8倍.按照ASTMC1550，当挠度为40mm时，圆板能量吸收为229焦耳；拉应力-应变曲线具有应变硬化行为。
实施例6
再生聚乙烯纤维增强二级配混凝土的再生合成纤维体积掺率为0.54％，纤维直径0.117mm，长度31-40mm，混凝土基体强度C40，再生合成纤维增强混凝土的弯曲韧性指数I5>3.13、I10>4.9，按照日本标准的剩余强度>2.8MPa,按照欧洲标准弯曲韧性指标PCSm>3.55MPa,疲劳寿命大于260.1万次，冲击寿命比未掺纤维提高12.8倍.按照ASTMC1550，当挠度为40mm时，圆板能量吸收为459焦耳；拉应力-应变曲线具有应变硬化行为。
实施例7
再生芳香族聚酰胺纤维增强三级配混凝土的再生合成纤维体积掺率为0.41％，纤维直径0.122mm，长度37-40mm，混凝土基体强度C40，再生合成纤维增强混凝土的弯曲韧性指数I5>3.55、I10>5.95，按照日本标准的剩余强度>3.9MPa,按照欧洲标准弯曲韧性指标PCSm>4.68MPa,疲劳寿命大于360.1万次，冲击寿命比未掺纤维提高14.8倍。按照ASTMC1550，当挠度为40mm时，圆板能量吸收为334焦耳；拉应力-应变曲线具有应变硬化行为。
实施例8
再生脂肪族聚酰胺纤维增强二级配混凝土的再生合成纤维体积掺率为0.21％，纤维直径0.022mm，长度27-30mm，混凝土基体强度C41，再生合成纤维增强混凝土的弯曲韧性指数I5>2.5、I10>4.4，按照日本标准的剩余强度>2.35MPa,按照欧洲标准弯曲韧性指标PCSm>3.4MPa,疲劳寿命大于240.2万次，冲击寿命比未掺纤维提高9.99倍.按照ASTMC1550，当挠度为40mm时，圆板能量吸收为297焦耳；拉应力-应变曲线具有应变硬化行为。
实施例9
将2种或者3种再生纤维混掺，如：再生聚丙烯纤维与再生聚乙烯醇纤维混掺，按照体积1：1.2比例，聚丙烯纤维纤维体积掺率为0.12％，三级配混凝土基体强度C39，再生合成纤维增强混凝土的弯曲韧性指数I5>3.9、I10>6.7，按照日本标准的剩余强度>4.2MPa,按照欧洲标准弯曲韧性指标PCSm>7.4MPa,疲劳寿命大于333.2万次，冲击寿命比未掺纤维提高14.79倍.按照ASTMC1550，当挠度为40mm时，圆板能量吸收为546焦耳；拉应力-应变曲线具有应变硬化行为。
实施例10
将2种或者3种再生纤维混掺，如：再生聚萘二甲酸乙二醇酯纤维、再生聚烯烃纤维与再生聚丙烯纤维混掺，按照体积1:1.4:0.7比例混掺，再生聚萘二甲酸乙二醇酯纤维体积掺率为0.32％，三级配混凝土基体强度C40，再生合成纤维增强混凝土的弯曲韧性指数I5>4.6、I10>7.9、按照日本标准的剩余强度>4.7MPa,按照欧洲标准弯曲韧性指标PCSm>14.4MPa,疲劳寿命大于383.1万次，冲击寿命比未掺纤维提高16.4倍；按照ASTMC1550，当挠度为40mm时，圆板能量吸收为644焦耳；拉应力-应变曲线具有应变硬化行为。
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 (10)

1.一种再生合成纤维增强混凝土，其特征在于，混凝土基体中添加分散有再生合成纤维，所述再生合成纤维选自再生的聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维、脂肪族聚酰胺纤维、聚萘二甲酸乙二醇酯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚烯烃纤维；再生纤维几何尺度包括细纤维和粗纤维，直径大于0.1mm为粗纤维，小于等于0.1mm为细纤维；再生合成纤维是由再生聚合物、原生聚乙烯和中等模量原生聚乙烯醇混合制备的纤维。
2.按照权利要求1的一种再生合成纤维增强混凝土，其特征在于，再生合成纤维在生产时，再生合成纤维表面嫁接羟基。
3.按照权利要求1的一种再生合成纤维增强混凝土，其特征在于，所述再生合成纤维占混凝土总体积的0.05％～2.5％，纤维长度为10～44mm、直径为0.015～2.5mm；再生合成纤维形状选自平直型、波浪型、压痕型、扭转型、端部波浪型、端部增大型、端部带钩型、波浪与扭转结合型；所述的再生聚丙烯纤维强度300-650MPa,弹性模量3.1-4.9GPa；再生聚乙烯纤维强度600-950MPa,弹性模量41-49GPa；再生聚酯纤维强度390-490MPa,弹性模量14-21GPa；再生聚丙烯腈纤维400-650MPa,弹性模量3.9-4.9GPa；再生聚乙烯醇纤维强度690-790MPa,弹性模量21-44GPa；再生脂肪族聚酰胺纤维抗拉强度400-550MPa,弹性模量3.8-6.9GPa；再生聚萘二甲酸乙二醇酯纤维强度490-570MPa,弹性模量2.1-4.6GPa；再生聚烯烃纤维抗拉强度440-510MPa,弹性模量4.2-6.4GPa。
4.按照权利要求1的一种再生合成纤维增强混凝土，其特征在于，所述的再生合成纤维聚丙烯纤维生产时，再生聚丙烯：原生聚乙烯：中等模量原生聚乙烯醇的体积比例为91％:7％:2％；再生聚酯纤维比例为再生聚酯：原生聚乙烯：中等模量原生聚乙烯醇的体积比例为92％:5％:3％；再生聚乙烯醇纤维生产时，比例为再生聚乙烯醇与原生聚乙烯的体积比例为97.5％:2.5％；再生聚丙烯腈纤维生产时，比例为再生聚丙烯腈：原生聚乙烯：中等模量原生聚乙烯醇的体积比例为94％:4％:2％；再生脂肪族聚酰胺纤维生产时，比例为再生脂肪族聚酰胺：高模量原生聚乙烯：中等模量原生聚乙烯醇的体积比例为95％:3％:2％；再生聚萘二甲酸乙二醇酯纤维生产时，比例为再生聚萘二甲酸乙二醇酯：高模量原生聚乙烯：中等模量原生聚乙烯醇的体积比例为94％:3％:3％；再生聚烯烃纤维生产时，比例为再生聚烯烃与高模量原生聚乙烯、中等模量原生聚乙烯醇的体积比例为96％:2％:2％。
5.按照权利要求1的一种再生合成纤维增强混凝土，其特征在于，再生合成纤维，为二种或者三种不同品种再生合成纤维混杂、或者同种再生合成纤维不同几何尺度的纤维混杂。
6.按照权利要求1的一种再生合成纤维增强混凝土，其特征在于，所述的混凝土基体是普通强度混凝土、或高强度混凝土；或轻质混凝土、或普通重度混凝土、或聚合物混凝土。
7.按照权利要求1的一种再生合成纤维增强混凝土，其特征在于，混凝土基体的原材料组成包括：粗骨料、砂、水泥、掺合料、外加剂和水。
8.按照权利要求7的一种再生合成纤维增强混凝土，其特征在于，再生纤维混凝土中粗骨料粒径可以是三级配或者二级配。
9.权利要求1-8任一项所述的再生合成纤维增强混凝土用于道面、桥面、工业地坪、屋面防水工程。
10.制备权利要求1-8任一项所述的再生合成纤维增强混凝土的方法，其特征在于，包括以下步骤：将粗骨料、砂和水泥、掺合料等倒入搅拌机，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，均匀的掺入纤维进行搅拌，搅拌1～2分钟待纤维分散均匀后进行浇筑。
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