CN105612135A - 用于混凝土的增强的复合纤维 - Google Patents

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Abstract

提供了用于混凝土的增强的复合纤维和制造该复合纤维的方法。该复合纤维包括纤维和聚合物涂料。该复合纤维的长度为约10-约80mm且当量直径为约0.3-约2mm。还提供了使用该复合纤维增强混凝土的方法。

Description

用于混凝土的增强的复合纤维
相关申请
本申请要求申请号为61/873,444且提交于2013年9月日的美国临时申请的优先权/权益，其全部内容通过引用纳入本申请。
发明领域
总体发明理念涉及用于混凝土的增强的复合纤维，制造方法和使用该纤维增强混凝土和其它建筑材料的方法。
背景技术
建筑材料例如混凝土可以用纤维增强，从而克服当使用常规增强部件，例如不锈钢钢筋和/或焊接丝网时会出现的特定问题。纤维可以引入混凝土韧性(即失效期间的能量吸收能力)，克服其固有脆性并提供在直接或间接拉伸应力下的开裂后强度。用于增强混凝土的增强剂的大部分常规纤维是由低或高碳含量不锈钢、或例如聚丙烯、聚乙烯醇、聚酯等的聚合物制成。这些常规纤维受到限制。需要相对高剂量(例如混合期间的聚集、泵送期间的粘连、加工性降低和难以压缩和精加工)会产生加工性问题。另外，此类常规纤维的成本性能益处也由于要求相对高的剂量而经常低于常规解决方案；耐久性考量；健康、安全、和环境问题等。复合增强材料，例如复合纤维可以克服常规纤维的缺点；即在相对较低的剂量实现非常高的性能。
JP2002154853A1描述了通过用树脂浸渍连续的无机纤维束，使所得材料硬化，之后剪切硬化的材料来制造复合纤维。该复合纤维的树脂含量为10-80质量％。它的长度为10-80mm并且它的截面为0.1-12mm。
WO2006059041A1披露了基于共熔合的玻璃纤维和聚丙烯纤维的复合纤维或复合胶带，例如以品牌销售(可购自OwensCorning)并通过热塑性拉挤成型制造的复合材料产品。
然而，这些已知复合纤维的问题在于较高的生产成本。生产成本的关键是生产速率。例如，JP2002154853A1描述了仅5米/分钟的生产线速度。
更高的生产速率可以通过使用辐射固化技术来实现。美国专利4,861,621(通过引用纳入本申请)披露了拉挤成型工艺，其通过紫外辐射来固化材料以用于光缆应用。具体来说，将玻璃粗纱形式的增强细丝材料用可固化的涂层材料浸渍，然后通过UV辐射装置之下。拉挤成型速度为10米/分钟(实施例2)。
其它UV固化工艺在本领域中也是已知的。然而，本领域仍然需要克服上述缺陷的用于混凝土的增强的解决方案，特别是改进复合纤维的生产速率，既而降低制造成本的解决方案。
发明内容
总体发明理念涉及用于混凝土的增强的复合纤维。该复合纤维包含用聚合物材料涂覆的多个纤维。该复合纤维的所需剂量使混凝土具有更好的加工性，并提供高韧性或为大的裂纹开口提供开裂后强度，同时带来低制造成本。
在一些示例性实施方案中，该复合纤维的特征在于，该复合纤维的长度为10-80mm且该复合纤维的当量直径为0.3-2mm。
在其它示例性实施方案中，聚合物涂料为辐射(例如，UV)固化的聚合物涂料。
在其它示例性实施方案中，聚合物涂料为该复合纤维的5-50wt％。
总体发明理念还涉及制造复合纤维的方法。在一些示例性实施方案中，该方法包括制备液体聚合物涂料组合物；将该液体聚合物涂料组合物施用于多个纤维的表面以形成涂覆的表面；和将涂覆的表面暴露于辐射并固化该液体涂料组合物以形成复合纤维。
总体发明理念还涉及形成增强混凝土的方法。该方法包括制备混凝土和将一个或多个本发明的复合纤维混合在该混凝土中，形成增强混凝土的步骤。
在其它示例性实施方案中，施用的混凝土中复合纤维的剂量为2-75kg纤维每立方米的湿混凝土。
在其它示例性实施方案中，施用的混凝土中复合纤维的剂量为5-25kg纤维每立方米湿混凝土。
在其它示例性实施方案中，施用的混凝土中复合纤维的剂量为7.5-12.5kg纤维每立方米湿混凝土。
另外的特征和优点将在接下来的说明书中部分地描述，并且部分地可从描述中显然，或可通过实践这里披露的示例性实施方案来学习。这里披露的示例性实施方案的目的和优点通过所附权利要求中特别指出的或以其他方式引述的要件和组合来实现和获得。应理解的是，前述概述和以下详细描述都仅仅是示例性的和解释性的，并且不限于本文披露或要求保护的总体发明理念。
详细说明
现将描述各种示例性实施方案。然而，这些示例性实施方案可以不同方式实施并且不应解释为限制到这里给出的说明。相反，提供这些示例性实施方案是为了使本公开完整和全面地向本领域技术人员展示和传递总体发明理念。
除非另有说明，本文使用的所有科技术语都具有与这些示例性实施方案所属领域的普通技术人员一般理解的含义。本说明书中使用的术语仅仅是为了描述特定的示例性实施方案并且不意图限制总体发明理念。
如本说明书和所附权利要求中使用的，单数形式的“一个”、“一种”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文明确另有说明。本文提到的所有出版物、专利申请和其它文献在此以它们的全部内容通过引用纳入本申请。
除非另有说明，在说明书和权利要求中使用的表达成分、反应条件等的所有数字在所有情况下都应理解为由术语“约”修饰。因此，除非有相反指示，说明书和所附权利要求中给出的数量参数是近似的，可根据本示例性实施方案寻求获得的期望的性质而变化。最起码，并且不想限制等同原则适用于权利要求的范围，各数值参数应依据有效数字和普通取整方法解释。
不受给出示例性实施方案的宽范围的数值是近似的限制，具体实例中给出的数值都尽可能精确地记录。然而，任何数值必然含有从它们各自测量中存在的标准偏差必然产生的误差。本说明书和权利要求中给出的每个数值范围将包括每个落入该宽数值范围内的窄数值范围，好似这样的窄数值范围在本文中明确地书面示出。
如本文中使用的，“纤维”是指一个或多个单丝的集合体。
如本文中使用的，“聚合物涂料”是指单体和/或低聚物的混合物，其通过以下描述的或以其它方式建议的固化方法之一硬化。
如本文中使用的，“浸渍”是指部分地或全部地浸渍。
如本文中使用的，“辐射固化的”是指单体在辐射的帮助下，优选在合适的催化剂存在下聚合的。
如本文中使用的，UV固化的是至单体在UV辐射存在下聚合。
如本文中使用的，术语“聚合物”包括术语“共聚物”，除非另有说明，术语“共聚物”是指由任意两种或更多种不同单体制成的聚合物，包括，例如，三元聚合物、五元聚合物，聚合后官能化的均聚物从而两种或更多种不同官能团存在于产物共聚物中，嵌段共聚物，分段共聚物，接枝共聚物，和它们的任何混合物或组合。如本文中使用的，“(共)聚合物”是指均聚物或共聚物。
如本文中使用的“复合纤维”是指用聚合物材料涂覆的一个或多个纤维的集合体。
如本文中使用的，“当量直径”是指EN14889标准中定义的直径。
如本文中使用的，“纵横比”是指EN14889标准中定义的长度与直径比。
如本文中使用的，“混凝土”是指任何类型的建筑材料，其含有嵌入基体(水泥或粘合剂)中的聚集体，基体填充了聚集体颗粒之间的空间并将它们胶粘在一起，例如基于波特兰水泥的混凝土，矿物砂浆，而且还有沥青。
根据各种示例性实施方案,提供复合纤维用于混凝土的增强。该复合纤维的长度可为约10-约80mm。该复合纤维的当量直径可为约0.3-约2mm。在其它示例性实施方案中，该复合纤维的长度为约30-约50mm且该复合纤维的当量直径为约0.5-约1.0mm。
该复合纤维的形状可多种多样。在一些示例性实施方案中,该复合纤维是大体上圆柱形的或椭球形的。另外，该复合纤维的表面也可是多种多样的，例如光滑的、粗糙的或有压纹的。
在某些示例性实施方案中，该纤维为无机纤维，例如玻璃或其它矿物纤维。非穷举的示例性玻璃纤维包括A型玻璃纤维，C型玻璃纤维，G型玻璃纤维，E型玻璃纤维，S型玻璃纤维，E-CR型玻璃纤维(例如，玻璃纤维，可购自OwensCorning)，R型玻璃纤维，可生物溶解的玻璃纤维，耐碱性的玻璃，或它们的组合，所有这些都可适于用作增强纤维。在一些示例性实施方案中，耐碱性的玻璃纤维，例如可购自OwensCorning的适于用作增强纤维。
形成纤维的单丝的直径可范围在约10-约27微米，或约13-约20微米。
纤维的特克斯可为300-2400特克斯。在一些示例性实施方案中，特克斯范围在400-1200特克斯。
根据各种示例性实施方案，细丝的至少50％的表面用聚合物涂料浸渍。在其它示例性实施方案中，细丝的至多95％的表面用聚合物涂料浸渍。聚合物涂料可为辐射固化的聚合物涂料，例如，UV固化的聚合物涂料。宽范围的辐射可固化的、尤其是UV可固化的单体、低聚物或聚合物是本领域已知的。特别合适的UV可固化的单体、低聚物或聚合物包括丙烯酸酯类、甲基丙烯酸酯类、乙烯基醚和基于聚氨酯的乙烯基衍生物、环氧类、聚酯、含或不含脂族或芳族骨架的聚醚结构，以及基于此类结构的共聚物。在一些示例性实施方案中，聚合物涂料包括基于芳族结构的聚氨酯，其是单独的或是与环氧类或聚醚衍生物的混合物。在一些示例性实施方案中，聚合物涂料为聚氨酯树脂。
聚合物涂料可占该复合纤维的约5-约50wt％。在一些示例性实施方案中，聚合物涂料占该复合纤维的约10-约30wt％。
本文所述的示例性复合纤维可使用任何合适类型的纤维，例如玻璃纤维来制造。可制备液体或其它形式的粘性、单体或低聚物涂料组合物并施涂到纤维的表面，形成涂覆的元件。在一些示例性实施方案中，聚合物涂料包含聚酯或乙烯基酯。然后可将涂覆的元件暴露于辐射，例如UV辐射，使涂料组合物固化以形成复合纤维。
在一些示例性实施方案中，本文描述的复合纤维可用于增强混凝土。增强的混凝土可通过制备混凝土(例如，采用形成混凝土的常规方法)，然后将该复合纤维混合到该混凝土中，从而形成复合纤维增强混凝土来形成。在一些示例性实施方案中，增强混凝土中复合纤维的剂量为约2-约75kg纤维每立方米混凝土，或约5-约25kg纤维每立方米混凝土。在一些示例性实施方案中，增强混凝土中复合纤维的剂量为约7.5-约12.5kg纤维每立方米混凝土。
因此，总体发明理念还涵盖使用该复合纤维来增强混凝土或其它建筑材料。
该复合纤维具有特定尺寸的组合，这些特定尺寸在混凝土的增强中产生了令人惊奇的良好性能，同时在制造混凝土工艺中显示出令人惊奇的良好的加工性。这样的加工性性能通过EN12350-2标准中定义的坍塌试验来评价。
本文所述的复合纤维其它优点包括混合过程期间的高分散速度，容易在混凝土料中实现均匀的纤维分布，混合和泵送系统中的磨耗减少，堵塞泵送管道和在填充结构元件时粘连的风险低，以及当与常规增强组合使用时出现蜂窝和由此带来的耐久性问题的风险低。
该复合纤维对工人的操作来说也是安全的。这种安全性的示例原因包括该复合纤维的重量轻以及不存在任何尖锐物。
在一些示例性实施方案中，该复合纤维不腐蚀，因此不会在混凝土表面暴露的情况下产生腐蚀痕迹。另外，该复合纤维与常规不锈钢纤维相比使硬化的混凝土容易再循环利用。
此外，该复合纤维的制造方法带来低的或减少的制造成本。该方法灵活，并适于配合连续生产线的其它阶段。例如，生产线速度可容易地改变以适应总体生产变化。另外，涂料能立即发挥功能并操作，不需要后加热或干燥。在这方面，该方法能够使生产线速度达到超过50m/min，例如，超过100m/min。
以上已经总体上并针对各种具体的示例性实施方案描述了总体发明理念。虽然总体发明理念已在相信是示例性的说明实施方案中给出，但阅读本公开内容后许多变形对于本领域技术人员来说是显然的。总体发明理念不受其它方式限制，只受存在于具体权利要求中的那些情况限制。另外，以下实施例意图更好地理解本发明，而不是限制总体发明理念。
实施例
以下实施例描述了本发明的用于混凝土增强的复合纤维的各种示例性实施方案的性能。复合纤维用可购自OwensCorning的玻璃纤维，并且聚酯树脂使用UV辐射进行标准固化。树脂含量为20wt％的复合纤维。新鲜混凝土的粘度(consistency)或加工性根据EN12350-2标准测量。这样的测试在下表中以坍塌测量表示。硬化的混凝土的挠曲性能根据EN14651在标准固化(即20℃和100％相对)28天后测量。根据EN12390-3标准测量的混凝土压缩强度为30MPa。
在下表只，LOP是指比例极限(limitofproportionality)，其对应于产生第一个裂纹时的挠曲拉伸强度。残余挠曲拉伸强度反映为fR1和fR3。
实施例1：当量直径和纵横比对性能的影响
纤维的剂量为10kg纤维每立方米混凝土。该复合纤维的长度为40mm。该复合纤维的制造速度为200米/min。表1显示了复合纤维的当量直径和纵横比对性能的影响。
表1：复合纤维的当量直径对性能的影响
当量直径(mm) 坍塌(cm) LOP(MPa) fR1(MPa) fR3(MPa)
0.40 8 3.86 1.36 0.69
0.60 12 3.65 1.97 2.13
0.70 17 3.72 2.77 2.73
实施例2：纤维长度对性能的影响
纤维的剂量为10kg纤维每立方米混凝土。该复合纤维的当量直径为0.70mm。该复合纤维制造速度为200米/min。表2显示了复合纤维的长度和纵横比对性能的影响。
表2：复合纤维的长度对性能的影响
长度(mm) 坍塌(cm) LOP(MPa) fR1(MPa) fR3(MPa)
25 25 3.94 2.18 1.73
40 17 3.72 2.77 2.73
实施例3：树脂含量对性能的影响
纤维的剂量为10kg纤维每立方米混凝土。该复合纤维的长度为40mm且其当量直径为0.7mm。该复合纤维的制造速度为200m/min。表3显示了复合纤维的树脂和纵横比对性能的影响。
表3：复合纤维的树脂含量对性能的影响
实施例4：剂量对性能的影响
该复合纤维的长度为40mm且其当量直径为0.70mm且其长度为40mm。生产线速度为200m/min。表4显示了不同剂量对性能的影响。
表4：剂量对性能的影响
剂量(kg/m3) 坍塌(cm) LOP(MPa) fR1(MPa) fR3(MPa)
7 22 3.68 1.9 1.91
10 17 3.72 2.77 2.73
实施例5：生产线速度对性能的影响
纤维的剂量为10kg纤维每立方米混凝土。该复合纤维的长度为40mm且其当量直径为0.70mm。表5显示了不同生产线速度对性能的影响。
表5：生产线速度对性能的影响(浸渍质量)
生产线速度(m/min) 坍塌(cm) LOP(MPa) fR1(MPa) fR3(MPa)
100 19 3.92 2.58 2.78
200 17 3.72 2.77 2.73
280 14 3.85 2.17 1.78

Claims (18)

1.用于混凝土增强的复合纤维，所述复合纤维包含多个纤维和聚合物涂料，其中所述复合纤维的长度为约10-约80mm且当量直径为约0.3-约2mm。
2.权利要求1所述的复合纤维，其中所述复合纤维的长度为约30-约50mm。
3.权利要求1所述的复合纤维，其中所述复合纤维的当量直径为约0.5-约1.0mm。
4.权利要求1-3中任一项所述的复合纤维，其中所述纤维为矿物纤维。
5.权利要求1-3中任一项所述的复合纤维，其中所述纤维为玻璃纤维。
6.权利要求5所述的复合纤维，其中所述纤维为耐碱性的玻璃纤维。
7.权利要求1-6中任一项所述的复合纤维，其中所述聚合物涂料为辐射固化的聚合物涂料。
8.权利要求7所述的复合纤维，其中所述聚合物涂料为UV固化的聚合物涂料。
9.权利要求1-8中任一项所述的复合纤维，其中所述涂料为聚氨酯或聚酯树脂。
10.权利要求1-9中任一项所述的复合纤维，其中所述聚合物涂料为所述复合纤维的5-50wt％。
11.权利要求10所述的复合纤维，其中所述聚合物涂料为所述复合纤维的10-30wt％。
12.制造复合纤维的方法，所述方法包括：
制备粘性聚合物涂料组合物；
将所述粘性聚合物涂料组合物施用于多个纤维以形成涂覆的元件；和
将所述涂覆的元件暴露于辐射，所述辐射将所述粘性涂料组合物固化以形成复合纤维。
13.权利要求12所述的方法，其中所述辐射为UV辐射。
14.权利要求12所述的方法，其中所述复合纤维的长度为约10-约80mm且当量直径为约0.3-约2mm。
15.增强混凝土的方法，所述方法包括：
制备粘性聚合物涂料组合物；
将所述粘性聚合物涂料组合物施用于多个纤维以形成多个涂覆的元件，每个所述涂覆的元件包括一个或多个所述纤维；
将所述涂覆的元件暴露于辐射，所述辐射将所述聚合物涂料组合物固化以形成多个复合纤维；
制备混凝土；和
将所述复合纤维混合在所述混凝土中。
16.权利要求15所述的方法，其中所述复合纤维以按所述混凝土计约2-约75kg/m3的量包含于所述混凝土中。
17.权利要求16所述的方法，其中所述复合纤维以按所述混凝土计约5-约25kg/m3的量包含于所述混凝土中。
18.权利要求15-17中任一项所述的方法，其中所述复合纤维的长度为约10-约80mm且当量直径为约0.3-约2mm。
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