CN105236838A - 一种增强混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明主要克服混凝土抗压强度低、抗折强度差的不足，提供了一种制备工艺简单的增强混凝土的制备方法，该增强混凝土具有轻质、高强、高韧的优点，有望未来直接应用于批量化的工业生产，本发明的目的在于提供一种增强混凝土，包括以下重量份的组分：水泥11.98～12.80份，粉煤灰1.50～1.82份，矿粉1.1076～1.1143份，水4.79～4.97份、砂22.29～22.45份，石30.9～31.9份，碳纤维复合材料0.368～1.389份，碳纤维复合材料包含环氧树脂与碳纤维，其中环氧树脂重量占碳纤维复合材料重量的30％～33％。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种增强混凝土及制备方法。
背景技术
随着现代建筑技术的不断发展，对水泥混凝土提出了更高的要求，它正朝着高强度、高韧性、高阻裂、高耐久性、高体积稳定性和优良的工艺性的方向发展。然而，混凝土在使用过程中，特别是拉应力存在条件下，易产生裂纹而最终导致材料和结构的完全破坏。因此，混凝土的强韧化多年来一直是力学界和材料学界致力研究的跨学科的难题。国内外关于钢纤维混凝土的研究和应用最为成熟。但有研究表明，钢纤维对混凝土的抗压强度并无明显促进作用，甚至还有所降低；与素混凝土相比，对于钢纤维混凝土的抗渗性、耐磨性、耐冲磨性及对防止混凝土早期塑性收缩等还存在正反(提高与降低)两方面甚至居中的观点。此外，钢纤维混凝土用量较大、价格较高，有生锈问题，对由于火灾引起的爆裂几乎无效等，这些问题都在不同程度影响了其应用。因此，发明一种合适形式的纤维混凝土迫在眉睫。
现代混凝土除了要达到高抗压、高抗拉等要求外，还要容易施工，并且保持高强、高韧性等性能。因此纤维增强混凝土在混凝土的改性过程中应运而生。与此同时，纤维增强基的制备及选择，是影响纤维混凝土力学性能影响尤为重要的一个因素。而碳纤维复合材料由于其优异的力学性能，在成为众多增强基中脱颖而出。从化学方面讲，碳纤维复合材料表面具有活性官能团，能与同样含有丰富官能团的水泥进行较强的化学结合；从物理方面讲，碳纤维复合材料表面较粗糙，与水泥基体有良好的的物理结合，从而使混凝土呈现良好的塑形变形特性。因此，碳纤维混凝土的性能及应用很大程度上取决于增强基的选择，而合适的碳纤维复合材料的选择，是制备高性能增强混凝土材料的关键。
20世纪80年代以来，合成纤维混凝土在国外已得到了广泛的研究和应用，而我国对纤维增强混凝土的研究起步则比较晚。目前，碳纤维用在增强混凝土中使其强度和韧性提高的主要机理已基本清楚，但碳纤维增强混凝土的最终性能与碳纤维的加入形式及制备方法之间的矛盾仍在解决中。因此，如何从单一尺度和单一品种的碳纤维增强研究向多尺度和不同性质碳纤维加入方式转变，从基础理论研究为主向基础理论研究和生产工艺、开发与应用研究并重转变，是我们在未来一段时间内迫切需要实现的目标。
值得一提的是，经过不断地探索和努力，制备出一种适用于增强混凝土的异型微型碳纤维复合材料。将该复合材料按照指定的掺量加入到素混凝土中，使纤维增强混凝土的抗压强度、抗折强度、拉伸强度和压缩韧度指数等力学性能较基准混凝土均有不同程度的提高。与此同时，本发明制备的一种适用于增强混凝土的异型微型碳纤维复合材料由于其重量轻、制备工艺简单，力学性能优异、生产成本较低等优点，适合未来批量化生产。
发明内容
本发明主要克服混凝土抗压强度低、抗折强度差的不足，提供了一种制备工艺简单的增强混凝土的制备方法，该增强混凝土具有轻质、高强、高韧的优点，有望未来直接应用于批量化的工业生产。
本发明的目的在于提供一种增强混凝土，包括以下重量份的组分：水泥11.98～12.80份，粉煤灰1.50～1.82份，矿粉1.1076～1.1143份，水4.79～4.97份、砂22.29～22.45份，石30.9～31.9份，碳纤维复合材料0.368～1.389份，碳纤维复合材料包含环氧树脂与碳纤维，其中环氧树脂重量占碳纤维复合材料重量的30％～33％。
优选的，所述增强混凝土包括以下重量份的组分：水泥12.66份，粉煤灰1.56份，矿1.1094份，水4.95份，砂22.38份，石31.5份，碳纤维复合材料0.816份，碳纤维复合材料包含环氧树脂与碳纤维，其中环氧树脂重量占碳纤维复合材料重量的31.5％。
优选的，本发明的另一目的在于提供一种增强混凝土的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)将碳纤维在环氧树脂中浸润，得叠层湿法预浸料；
(2)将上述叠层湿法预浸料加热固化后取出，自然冷却至室温，得碳纤维复合材料；
(3)将步骤(2)获得的碳纤维复合材料与素混凝土在强制式搅拌机中搅拌均匀，拆模、养护，其中碳纤维复合材料按照掺量为0.5～2.0kg/m3的比例与素混凝土混合，素混凝土包括水泥、粉煤灰、矿粉、水、砂、石；
(4)用圆盘切石机切割步骤(3)中得到的混合物两端，得到增强混凝土。
优选的，步骤(1)中所述碳纤维为T700级-12K干喷湿纺碳纤维。
优选的，步骤(1)中所述叠层湿法预浸料的厚度为0.2～2mm，长度为30-60mm，宽度为3-10mm。
优选的，步骤(2)中的所述叠层湿法预浸料固化后形成波浪型、齿型、扭转型、片型或棒状。
优选的，步骤(2)中的所述加热温度为50～150℃。
优选的，步骤(2)中的所述固化时间为30min。
优选的，所述棒状的直径为1mm，长度为30-60mm。
优选的，所述波浪型、齿型、扭转型、片型的长度为30-60mm，宽度为3-10mm。
采用上述增强混凝土及其制备方法，本发明具有以下优点：
(1)本发明的增强混凝土抗拉强度、抗折强度和抗压强度等力学性能均有不同程度的提高，其中抗拉强度提高12.1至63.7％，抗折强度提高19.3至50.6％，抗强压度提高37.0至46.9％，证明异形微型碳纤维复合材料具有良好的阻断性能；
(2)增强混凝土的压缩韧度指数比素混凝土提高60％至115％，并且随着异形微型碳纤维复合材料掺量的增强，其变形能力增强，承载力加强，有利于改善纤维混凝土的抗冲击能力；
(3)按照掺量为0.5～2.0kg/m3的比例将异形微型碳纤维复合材料与素混凝土混合后，纤维混凝土的断裂能均有较大幅度的提高，说明碳纤维复合材料的“桥联”作用明显，使混凝土临界断裂时的最大裂缝宽度比素混凝土增加。
附图说明
图1为S型碳纤维增强混凝土拉伸试验数据；
图2为R型碳纤维增强混凝土拉伸试验数据；
图3为C-1型碳纤维增强混凝土拉伸试验数据；
图4为C-2型碳纤维增强混凝土拉伸试验数据；
图5为C-3型碳纤维增强混凝土拉伸试验数据；
图6为C-4型碳纤维增强混凝土拉伸试验数据。
具体实施方式
以下通过具体实施例进一步阐述本发明，但并不限于下述的实施例。
本发明的增强混凝土，其包括以下重量份的组分：水泥11.98～12.80份，粉煤灰1.50～1.82份，矿粉1.1076～1.1143份，水4.79～4.97份、砂22.29～22.45份，石30.9～31.9份，碳纤维复合材料0.368～1.389份，碳纤维复合材料包含环氧树脂与碳纤维，其中环氧树脂重量占碳纤维复合材料重量的30％～33％。
一种制备所述增强混凝土的方法，包括以下步骤：
(1)将T700级-12K干喷湿纺碳纤维在环氧树脂中浸润，得叠层湿法预浸料，叠层湿法预浸料的厚度为0.2～2mm；
(2)将上述叠层湿法预浸料加工成波浪型、齿型、扭转型、片型或棒状，在50～150℃下固化30min，取出，自然冷却至室温，得碳纤维复合材料；
(3)将步骤(2)获得的碳纤维复合材料与素混凝土在强制式搅拌机中搅拌均匀，拆模、养护，其中碳纤维复合材料按照掺量为0.5～2.0kg/m3的比例与素混凝土混合，素混凝土包括水泥、粉煤灰、矿粉、水、砂、石；
(4)用圆盘切石机切割步骤(3)中得到的混合物两端，得到增强混凝土。
现有技术1
将12.66kg水泥、1.56kg粉煤灰、1.1094kg矿粉、4.95kg水、22.38kg砂和31.5kg石用强制式搅拌机搅拌搅拌均匀，拆模、养护，用圆盘切石机切割试件的两端，制得混凝土。
现有技术2
将1.186kg弯勾钢纤维与12.66kg水泥、1.56kg粉煤灰、1.1094kg矿粉、4.95kg水、22.38kg砂和31.5kg石用强制式搅拌机搅拌搅拌均匀，拆模、养护。用圆盘切石机切割试件的两端，得到钢纤维混凝土，其中碳纤维复合材料按照掺量为0.5kg/m3的比例与素混凝土混合，素混凝土包括水泥、粉煤灰、矿粉、水、砂、石。
具体实施例
实施例1
增强混凝土的制备
1、按下列重量配比配置增强混凝土原料：分别取碳纤维0.2576kg、环氧树脂0.1104kg、水泥12.00kg、粉煤灰1.75kg、矿粉1.1088kg、水4.93kg、砂22.40kg、石31.4kg，其中碳纤维与环氧树脂制成碳纤维复合材料，环氧树脂重量占碳纤维复合材料重量的30％。
2、制备方法
(1)将碳纤维在环氧树脂中浸润，得叠层湿法预浸料，叠层湿法预浸料的厚度为0.2mm；
(2)将上述叠层湿法预浸料加工成直径为1mm的棒状，在50℃下固化30min，取出，自然冷却至室温，得棒状碳纤维复合材料；
(3)将步骤(2)获得的碳纤维复合材料与素混凝土在强制式搅拌机中搅拌均匀，拆模、养护，其中碳纤维复合材料按照掺量为0.5kg/m3的比例与素混凝土混合，素混凝土包括水泥、粉煤灰、矿粉、水、砂、石；
(4)用圆盘切石机切割步骤(3)中得到的混合物两端，得到棒状碳纤维增强混凝土。
实施例2
增强混凝土的制备
1、按下列重量配比配置增强混凝土原料：分别取碳纤维0.56304kg、环氧树脂0.25296kg、水泥12.66kg、粉煤灰1.56kg、矿粉1.1076kg、水4.95kg、砂22.38kg、石31.5kg,其中碳纤维与环氧树脂制成碳纤维复合材料，环氧树脂重量占碳纤维复合材料重量的31％。
2、制备方法
(1)将碳纤维在环氧树脂中浸润，得叠层湿法预浸料，叠层湿法预浸料的厚度为1mm；
(2)将上述叠层湿法预浸料加工成宽度为3mm的窄片状，在100℃下固化30min，取出，自然冷却至室温，得窄片状碳纤维复合材料；
(3)将步骤(2)获得的碳纤维复合材料与素混凝土在强制式搅拌机中搅拌均匀，拆模、养护，其中碳纤维复合材料按照掺量为1.1kg/m3的比例与素混凝土混合，素混凝土包括水泥、粉煤灰、矿粉、水、砂、石；
(4)用圆盘切石机切割步骤(3)中得到的混合物两端，得到窄片状碳纤维增强混凝土。
实施例3
增强混凝土的制备
1、按下列重量配比配置增强混凝土原料：分别取碳纤维0.83214kg、环氧树脂0.40986kg、水泥11.98kg、粉煤灰1.82kg、矿粉1.1120kg、水4.88kg、砂22.35kg、石30.9kg,其中碳纤维与环氧树脂制成碳纤维复合材料，环氧树脂重量占碳纤维复合材料重量的33％。
2、制备方法
(1)将碳纤维在环氧树脂中浸润，得叠层湿法预浸料，叠层湿法预浸料的厚度为2mm；
(2)将上述叠层湿法预浸料加工成宽度为10mm的宽片状，在150℃下固化30min，取出，自然冷却至室温，得宽片状碳纤维复合材料；
(3)将步骤(2)获得的碳纤维复合材料与素混凝土在强制式搅拌机中搅拌均匀，拆模、养护，其中碳纤维复合材料按照掺量为1.7kg/m3的比例与素混凝土混合，素混凝土包括水泥、粉煤灰、矿粉、水、砂、石；
(4)用圆盘切石机切割步骤(3)中得到的混合物两端，得到宽片状碳纤维增强混凝土。
实施例4
增强混凝土的制备
1、按下列重量配比配置增强混凝土原料：分别取碳纤维0.94452kg、环氧树脂0.44448kg、水泥12.35kg、粉煤灰1.78kg、矿粉1.1132kg、水4.79kg、砂22.29kg、石31.9kg,其中碳纤维与环氧树脂制成碳纤维复合材料，环氧树脂重量占碳纤维复合材料重量的32％。
2、制备方法
(1)将碳纤维在环氧树脂中浸润，得叠层湿法预浸料，叠层湿法预浸料的厚度为1.5mm；
(2)将上述叠层湿法预浸料加工成宽度为3mm的波浪型，在80℃下固化30min，取出，自然冷却至室温，得波浪型碳纤维复合材料；
(3)将步骤(2)获得的碳纤维复合材料与素混凝土在强制式搅拌机中搅拌均匀，拆模、养护，其中碳纤维复合材料按照掺量为2.0kg/m3的比例与素混凝土混合，素混凝土包括水泥、粉煤灰、矿粉、水、砂、石；
(4)用圆盘切石机切割步骤(3)中得到的混合物两端，得到波浪型碳纤维增强混凝土。
实施例5
增强混凝土的制备
1、按下列重量配比配置增强混凝土原料：分别取碳纤维0.1785kg、环氧树脂0.4165kg、水泥12.80kg、粉煤灰1.50kg、矿粉1.1094kg、水4.82kg、砂22.45kg、石31.7kg,其中碳纤维与环氧树脂制成碳纤维复合材料，环氧树脂重量占碳纤维复合材料重量的32％。
2、制备方法
(1)将碳纤维在环氧树脂中浸润，得叠层湿法预浸料，叠层湿法预浸料的厚度为1.8mm；
(2)将上述叠层湿法预浸料加工成宽度为5mm的齿型，在120℃下固化30min，取出，自然冷却至室温，得齿型碳纤维复合材料；
(3)将步骤(2)获得的碳纤维复合材料与素混凝土在强制式搅拌机中搅拌均匀，拆模、养护，其中碳纤维复合材料按照掺量为0.8kg/m3的比例与素混凝土混合，素混凝土包括水泥、粉煤灰、矿粉、水、砂、石；
(4)用圆盘切石机切割步骤(3)中得到的混合物两端，得到齿型碳纤维增强混凝土。
实施例6
增强混凝土的制备
1、按下列重量配比配置增强混凝土原料：分别取碳纤维0.33957kg、环氧树脂0.68943kg、水泥12.43kg、粉煤灰1.62kg、矿粉1.1143kg、水4.97kg、砂22.37kg、石31.0kg,其中碳纤维与环氧树脂制成碳纤维复合材料，环氧树脂重量占碳纤维复合材料重量的33％。
2、制备方法
(1)将碳纤维在环氧树脂中浸润，得叠层湿法预浸料，叠层湿法预浸料的厚度为0.8mm；
(2)将上述叠层湿法预浸料加工成宽度为3mm的扭转型，在100℃下固化30min，取出，自然冷却至室温，得扭转型碳纤维复合材料；
(3)将步骤(2)获得的碳纤维复合材料与素混凝土在强制式搅拌机中搅拌均匀，拆模、养护，其中碳纤维复合材料按照掺量为1.4kg/m3的比例与素混凝土混合，素混凝土包括水泥、粉煤灰、矿粉、水、砂、石；
(4)用圆盘切石机切割步骤(3)中得到的混合物两端，得到扭转型碳纤维增强混凝土。
表1具体试验方案
性能测试
将现有技术1、2中混凝土与实施例1～6中增强型混凝土分别用建筑胶粘结在试验机钢板上，利用轴心拉伸试验装置来测定其各项力学性能。
1、拉伸试验
现有技术1、2与实施例1～4的拉伸试验数据见图1至图4所示。
2、抗折抗压试验
表2抗折与抗压试验数据
从表2可以看出，实施例1～6制得的增强型混凝土抗压强度、抗折强度比现有技术1中混凝土与现有技术2的钢纤维增强混凝土好。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种增强混凝土，其特征在于包括以下重量份的组分：水泥11.98～12.80份，粉煤灰1.50～1.82份，矿粉1.1076～1.1143份，水4.79～4.97份，砂22.29～22.45份，石30.9～31.9份，碳纤维复合材料0.368～1.389份，碳纤维复合材料包含环氧树脂与碳纤维，其中环氧树脂重量占碳纤维复合材料重量的30％～33％。
2.如权利要求1所述的一种增强混凝土，其特征在于：所述增强混凝土包括以下重量份的组分：水泥12.66份，粉煤灰1.56份，矿1.1094份，水4.95份、砂22.38份，石31.5份，碳纤维复合材料0.816份，碳纤维复合材料包含环氧树脂与碳纤维，其中环氧树脂重量占碳纤维复合材料重量的31.5％。
3.一种如权利要求1所述增强混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将碳纤维在环氧树脂中浸润，得叠层湿法预浸料；
(2)将上述叠层湿法预浸料加热固化后取出，自然冷却至室温，得碳纤维复合材料；
(3)将步骤(2)获得的碳纤维复合材料与素混凝土在强制式搅拌机中搅拌均匀，拆模、养护，其中碳纤维复合材料按照掺量为0.5～2.0kg/m3的比例与素混凝土混合，素混凝土包括水泥、粉煤灰、矿粉、水、砂、石；
(4)用圆盘切石机切割步骤(3)中得到的混合物两端，得到增强混凝土。
4.根据权利要求3所述的增强混凝土的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述碳纤维为T700级-12K干喷湿纺碳纤维。
5.根据权利要求3所述的增强混凝土的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述叠层湿法预浸料的厚度为0.2～2mm，长度为30-60mm，宽度为3-10mm。
6.根据权利要求3所述的增强混凝土的制备方法，其特征在于：步骤(2)中的所述叠层湿法预浸料固化后形成波浪型、齿型、扭转型、片型或棒状。
7.根据权利要求3所述的增强混凝土的制备方法，其特征在于：步骤(2)中的所述加热温度为50～150℃。
8.根据权利要求3所述的增强混凝土的制备方法，其特征在于：步骤(2)中的所述固化时间为30min。
9.根据权利要求6所述的增强混凝土的制备方法，其特征在于：所述棒状的直径为1mm，长度为30-60mm。
10.根据权利要求6所述的增强混凝土的制备方法，其特征在于：所述波浪型、齿型、扭转型、片型的长度为30-60mm，宽度为3-10mm。
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