CN105800980A - 一种混杂纤维增强的高性能混凝土路面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混杂纤维增强的高性能混凝土路面，具体公开了在路面混凝土中添加改性聚丙烯粗纤维和聚合物细纤维。改性聚丙烯粗纤维是通过有机改性剂、硅烷偶联剂和无机改性填料进行改性后，熔融拉伸制备而成。改性聚丙烯粗纤维可有效的限制和延迟宏观裂缝的发生和开展；聚合物细纤维可阻止混凝土原有缺陷及微裂缝的扩展。改性聚丙烯粗纤维和聚合物细纤维协调工作，可产生混杂效应，大幅度提高混凝土的抗裂、抗拉伸、抗冲击、耐磨、抗渗、抗弯、抗疲劳、抗收缩、抗腐蚀、耐冻融等性能。本发明可广泛应用于混凝土路面，如公路路面、桥面、机场道面、城市路面、码头铺面、交通隧道、工业建筑地面等，显著提高混凝土路面的工程质量和使用寿命。

Description

一种混杂纤维增强的高性能混凝土路面
技术领域
本发明属于路面材料领域，涉及一种混凝土路面，具体涉及一种添加了混杂纤维的高性能混凝土路面。
背景技术
沥青和混凝土是国内外最常用的路面材料。沥青路面以其良好的力学性能、平整耐磨的表面、平稳舒适的行车性能、施工期短以及养护维修简便等特点受到世界众多国家的青睐。然而，沥青路面属于柔性路面，在高温、行车量大、重载荷车辆多的路段，沥青路面非常容易产生永久变形和塑性流动而导致路面结构层发生凹凸变形，耐久性差。混凝土路面属于刚性路面，具有良好的强度、刚度、稳定性、耐久性，因而被广泛应用于各种路面工程中。
普通混凝土路面因自身混凝土材料的限制，也会在应用过程中产生各种问题，如易收缩开裂、抗拉抗折强度低、韧性差、脆性大、抗冲击性能较低、耐磨性差等。例如，混凝土路面由于抗拉性能较低，经常会有因干燥而发生失水收缩开裂的现象，从而极大地影响了道路的抗渗、抗冻、抗化学介质侵蚀、抗海水和雨水侵蚀、抗钢筋锈蚀等性能，造成混凝土使用寿命大大缩短，这种危害在桥面及近海地区的混凝土道路工程中尤为明显。在交通繁忙的道路上，如公路路面、城市路面、公交站路面等，不断来往的车辆会对耐磨性较差的混凝土路面造成严重的磨损。在机场跑道或重载荷汽车作用下的混凝土道路，机降落的冲击力或汽车的重载力还会造成路面局部开裂甚至断裂。
CN200910061846和CN201010260437使用钢纤维来增强混凝土路面，有效的提高了混凝土的抗拉抗折强度、抗冲击以及抗收缩开裂性能。然而添加钢纤维大大提高了工程造价；还存在着拌和困难，影响混凝土材料整体均匀性的问题；路面因磨损而暴露的钢纤维还存在着刺破轮胎、扎伤行人的风险；在沿海地区或者桥面工程中，钢纤维还需要进行表面防锈处理；在特殊环境中，如机场跑道，钢纤维还会干扰机场信号。
CN200810021644公开了一种聚丙烯粗纤维，可以有效提高混凝土的抗拉、抗弯以及裂后性能，从而取代钢纤维或者构造钢筋。然而，聚丙烯粗纤维具有憎水性，与混凝土的粘结力较低，因此大大降低了纤维的增强效果。为了提高纤维与混凝土的粘结力，纤维往往会进行异性处理或表面压痕处理，但这种处理会严重降低纤维的强度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种混杂纤维增强的高性能混凝土路面。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种混杂纤维增强的高性能混凝土路面，混凝土中掺入了增强纤维，所述增强纤维由改性聚丙烯粗纤维和聚合物细纤维组成，改性聚丙烯粗纤维在混凝土中的含量为3kg/m3-20kg/m3，聚合物细纤维在混凝土中的含量为0kg/m3-15kg/m3。
进一步，改性聚丙烯粗纤维在混凝土中的含量为5kg/m3-10kg/m3，聚合物细纤维在混凝土中的含量为0kg/m3-5kg/m3。
进一步，所述改性聚丙烯粗纤维通过有机改性剂、硅烷偶联剂、无机改性填料的一种或一种以上的混合物进行化学表面改性后，熔融拉伸制备而成。
进一步，所述有机改性剂为马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、聚乙二醇中的一种或一种以上的混合物，所述的偶联剂为硅烷偶联剂Si-69、KH570、KH550、KH151、硅胶抗粘连剂、正硅酸乙酯(TEOS)中的一种或一种以上的混合物，所述的无机改性填料为滑石粉、高岭土、硅土、硅藻土、蒙脱土、水滑石中的一种或一种以上的混合物。
所述有机改性剂为聚丙烯纤维提供亲水基团，改善了聚丙烯纤维不亲水的缺陷，从而提高了与混凝土的亲和力。所述偶联剂为硅烷偶联剂Si-69、KH570、KH550、KH151、硅胶抗粘连剂、正硅酸乙酯(TEOS)中的一种或一种以上的混合物。偶联剂会使聚丙烯纤维表面出现硅氧基团Si-O，当混凝土发生水化反应硬化时，纤维上的硅氧基团也会参与反应，从而与混凝土发生化学交联。所述无机改性填料会使聚丙烯纤维表面出现二氧化硅，当混凝土发生水化反应硬化时，纤维上的二氧化硅也会参与反应，从而进一步提高与混凝土发生化学交联。改性后聚丙烯粗纤维与混凝土具有很好的亲和力和粘结力，因而大幅度提高了纤维在混凝土中的增强效果。
进一步，所述改性聚丙烯粗纤维长度30-80mm，直径0.4-1.5mm，拉伸强度400-700MPa，弹性模量5-14GPa。
进一步，所述改性聚丙烯粗纤维长度40-65mm，直径0.5-1.0mm，拉伸强度500-700MPa，弹性模量9-14GPa。
进一步，所述聚合物细纤维是聚丙烯纤维、聚丙烯晴纤维、聚酯纤维、聚乙烯醇纤维、芳纶纤维、碳纤维中至少一种或它们的集束形网状纤维。
进一步，所述聚合物细纤维直径为10-100μm，长度为4-25mm。
进一步，所述的一种混杂纤维增强的高性能混凝土路面制备方法为先将机改性剂、硅烷偶联剂和无机改性填料的一种或一种以上与聚丙烯颗粒按比例混合后，进行熔融拉伸，制备成改性聚丙烯粗纤维；然后将改性聚丙烯粗纤维和聚合物细纤维放入混凝土中充分搅拌，直至均匀。
本发明的有益效果在于：通过将直径为微米级的聚合物细纤维和直径为毫米级的改性聚丙烯粗纤维加入到混凝土路面中，发挥两种纤维在混凝土中的不同作用，即聚合物细纤维限制混凝土的早期裂缝开展，改善混凝土的内部结构，改性聚丙烯粗纤维发挥在后期限制混凝土裂缝的发生和开展，提高混凝土的后期强度。聚合物细纤维直径为微米级，对混凝土的强度提高没有贡献，却可以有效的消除或减轻了早期混凝土中原生裂隙的发生和发展，钝化了原生裂隙尖端的应力集中，使混凝土基体内的应力场更加持续和均匀。聚合物细纤维桥接混凝土内部分布的微裂缝，并抑制这些微裂缝发展成宏观裂缝。聚合物细纤维的阻裂作用是从根本上对混凝土自身缺陷的改善，包括减少裂缝、提高混凝土的韧性、抗渗能力、抗冻融能力、耐磨性和抗冲击能力，从而延缓钢筋锈蚀、减少混凝土结构受到的化学侵蚀、提高混凝土的表面质量等。随着混凝土变形的增加，微裂缝不断扩大成宏观裂缝。改性聚丙烯粗纤维直径为毫米级，可有效的减少和抑制混凝土的宏观裂纹，提高混凝土路面的抗拉抗折强度、抗冲击、抗收缩开裂以及裂后性能。
在混凝土微裂缝的扩展过程中，聚合物细纤维对抑制裂缝扩展起主导作用。在混凝土宏观裂缝的扩展过程中，改性聚丙烯粗纤维主要发挥抗裂作用。两种纤维对混凝土的裂缝扩展的阻止作用不是孤立的，聚合物细纤维能提高混凝土的性能，同时这种性能的提高又能增强改性聚丙烯粗纤维作用的发挥，从而使混凝土具有一定的混杂效应，提高混凝土的强度和断裂能。实验表明，通过合适配合比的聚合物细纤维和改性聚丙烯粗纤维，能有效地发挥两者之间的正混杂作用，产生“1+1＞2”的效果，大幅度提高了混凝土的抗裂、抗拉伸、抗冲击、耐磨、抗渗、抗弯、抗疲劳、抗收缩、抗腐蚀、耐冻融等性能，可广泛应用于混凝土路面，如公路路面、桥面、机场道面、城市路面、码头铺面、交通隧道、公交站路面、工业建筑地面等，显著提高了混凝土路面的工程质量、耐久性和使用寿命。
具体实施方式
下面对本发明的优选实施例进行详细的描述。
一种混杂纤维增强的高性能混凝土路面，是先将机改性剂、硅烷偶联剂和无机改性填料的一种或一种以上与聚丙烯颗粒按比例混合后，进行熔融拉伸，制备成改性聚丙烯粗纤维；然后将改性聚丙烯粗纤维和聚合物细纤维放入混凝土中充分搅拌，直至均匀。混杂纤维混凝土试件的制备依据试验标准，充分搅拌后浇筑，水浴养护28天。表1为混杂纤维增强的混凝土的试件信息，其中对照组1为素混凝土，对照组2为改性聚丙烯粗纤维增强的混凝土，对照组3为聚合物细纤维增强的混凝土；表2、3、4分别表征了这些混杂纤维增强的混凝土试件的弯曲韧性、使用性能和耐久性能；表5为混凝土路面用钢筋焊接网和混杂纤维的成本比较。
表1混杂纤维增强的混凝土的试件信息
表2混杂纤维增强的混凝土的弯曲韧性性能
表3混杂纤维增强的混凝土的使用性能
表4混杂纤维增强的混凝土的耐久性能
表5150m2混凝土路面用钢筋焊接网和混杂纤维的成本比较
*钢筋￥2500每吨、纤维成本￥10000每吨、纤维售价￥25000每吨、混凝土￥350每方、一个工人干一小时￥25
从表2可以得出结论：和未添加纤维的素混凝土相比，混杂纤维增强的混凝土裂后剩余强度达2.5-5.5MPa，混凝土圆板弯曲韧性能量吸收提高20-40倍；从表3可以得出结论：混杂纤维增强的混凝土的抗冲击性能提高了15-30倍，耐磨性能提高了25-40％，抗疲劳性能提高了3倍左右；从表4可以得出结论：混杂纤维增强的混凝土的抗早期收缩性能提高了10-35％，抗干缩性能提高了5-45％，抗渗性能提高了15-100％，抗冻融性能提高了2-15％。
改性聚丙烯粗纤维可以有效提高混凝土的抗拉性能、裂后强度、弯曲韧性以及抗冲击性能，因此在抗拉、抗弯、裂后和抗冲击性能上，试件1、2，优于试件3、4，更优于试件5、6。聚合物细纤维在提高混凝土的耐磨、抗疲劳、抗收缩、抗渗、抗冻融性能上表现明显，在这些性能上试件1，优于试件3、5，更优于试件2、4、6。然而，单独使用改性聚丙烯粗纤维或聚合物细纤维仅能提高混凝土的某些性能，但无法综合提高混凝土的整体性能，也无法发挥两种混杂纤维的协同增强效果，因此此类混凝土路面的综合性能较差。
根据实际工程对混凝土路面性能的要求，可针对性的选择不同的搭配。例如，公路路面、城市路面要求混凝土具有较好的耐磨性，因此试件1、3、5比较适合；桥面、码头铺面要求混凝土具有较好的抗裂、抗渗性，因此比较适合采用试件3、5的方案；机场道面要求混凝土具有较好的抗冲击性，因此试件1、2比较适合；普通路面只要求混凝土有良好的抗拉、抗弯强度，因此单独采用改性聚丙烯粗纤维增强的混凝土也可以。
由于混杂纤维可以取代构造构造钢筋或者钢纤维，因而有效的降低了工程成本、施工时间和二氧化碳排放。在一些工程中，如混凝土路面，因为混杂纤维的添加，路面的抗疲劳、抗裂性能显著提高，因此还可以减少路面的厚度。表5列举了150m2混凝土路面用钢筋焊接网和混杂纤维的成本比较。在同样使用年限下(20年)，混杂纤维混凝土路面比钢筋网混凝土路面成本降低了40％，施工时间降低了一半，二氧化碳排放降低了87％。对于可使用40年的高质量的混杂纤维混凝土路面，对比常规20年使用寿命的钢筋网混凝土路面，价格降低了15％，施工时间降低了一半，二氧化碳排放降低了77％。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种混杂纤维增强的高性能混凝土路面，混凝土中掺入了增强纤维，其特征在于：所述增强纤维由改性聚丙烯粗纤维和聚合物细纤维组成。
2.根据权利要求1所述的一种混杂纤维增强的高性能混凝土路面，其特征在于：所述改性聚丙烯粗纤维在混凝土中的含量为3kg/m3-20kg/m3，所述聚合物细纤维在混凝土中的含量为0kg/m3-15kg/m3。
3.根据权利要求2所述的一种混杂纤维增强的高性能混凝土路面，其特征在于：所述改性聚丙烯粗纤维在混凝土中的含量为5kg/m3-10kg/m3，所述聚合物细纤维在混凝土中的含量为0kg/m3-5kg/m3。
4.根据权利要求1所述的一种混杂纤维增强的高性能混凝土路面，其特征在于：所述改性聚丙烯粗纤维通过有机改性剂、硅烷偶联剂、无机改性填料的一种或一种以上的混合物对聚丙烯颗粒进行化学表面改性后得到。
5.根据权利要求4所述的一种混杂纤维增强的高性能混凝土路面，其特征在于：所述有机改性剂为马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、聚乙二醇中的一种或一种以上的混合物，所述的偶联剂为硅烷偶联剂Si-69、KH570、KH550、KH151、硅胶抗粘连剂、正硅酸乙酯(TEOS)中的一种或一种以上的混合物，所述的无机改性填料为滑石粉、高岭土、硅土、硅藻土、蒙脱土、水滑石中的一种或一种以上的混合物。
6.根据权利要求1所述的一种混杂纤维增强的高性能混凝土路面，其特征在于：所述改性聚丙烯粗纤维长度30-80mm，直径0.4-1.5mm，拉伸强度400-700MPa，弹性模量5-14GPa。
7.根据权利要求6所述的混杂纤维增强的高性能混凝土路面，其特征在于：所述改性聚丙烯粗纤维长度40-65mm，直径0.5-1.0mm，拉伸强度500-700MPa，弹性模量9-14GPa。
8.根据权利要求1所述的一种混杂纤维增强的高性能混凝土路面，其特征在于：所述聚合物细纤维是聚丙烯纤维、聚丙烯晴纤维、聚酯纤维、聚乙烯醇纤维、芳纶纤维、碳纤维中至少一种或它们的集束形网状纤维。
9.根据权利要求8所述的一种混杂纤维增强的高性能混凝土路面，其特征在于：所述聚合物细纤维直径为10-100μm，长度为4-25mm。
10.如权利要求1-9任一所述的一种混杂纤维增强的高性能混凝土路面的制备方法，其特征在于：先将有机改性剂、硅烷偶联剂和无机改性填料的一种或一种以上与聚丙烯颗粒按比例混合后，进行熔融拉伸，制备成改性聚丙烯粗纤维；然后将改性聚丙烯粗纤维和聚合物细纤维放入混凝土中充分搅拌，直至均匀。
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