CN107337405A - 一种用于湿接缝的高性能膨胀混杂纤维混凝土材料及其制备方法 - Google Patents

一种用于湿接缝的高性能膨胀混杂纤维混凝土材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于湿接缝的高性能膨胀混杂纤维混凝土材料及其制备方法，针对湿接缝在整个先简支后连续结构体系中存在的实际问题，提出采用高强混杂纤维增强混凝土作为接缝材料，在不同层次和受荷阶段发挥混杂效应，更好地抑制和约束裂缝的开展。利用杜拉纤维缓解混凝土中微裂缝的集中力限制混凝土微裂缝的发展，利用钢纤维限制宏观裂缝的发展，采用两者混杂形式，在较小的体积掺量的情况下从整体上改善混凝土的多种力学性能。即高抗弯拉、高韧性、高抗渗与高抗疲劳性等特性，预防病害的发生。

Description

一种用于湿接缝的高性能膨胀混杂纤维混凝土材料及其制备 方法
技术领域
本发明属于土木工程及道路交通材料技术领域，具体涉及一种用于湿接缝的高性能膨胀混杂纤维混凝土材料及其制备方法。
背景技术
随着高速公路的迅速发展,使得所需高架梁桥的数量大幅增加,高速度的行车则要求公路上的桥梁具有很高的品质，即具有较好的连续性能，较少的伸缩缝构造，以提供高速、平稳、舒适的行车条件。现代桥梁工程技术，随着桥梁理论的不断深入研究，从施工方便、运行经济、受力合理，尤其是车辆运行平稳和乘客舒适的角度出发，对桥梁结构体系提出了更高的要求，于是先简支后连续的结构体系便应运而生。施工方法是先将简支梁工厂预制并进行规模化施工，后用湿接缝把相邻跨的简支梁连接为连续梁。它克服了简支梁桥和连续梁桥的缺点，同时吸取了二者的优点。但其自身也存在一些缺陷，从长期的工程实践可以筋，即使没有汽车荷载作用时，结构依然处于高压应力状态，结构的反拱度较大，混凝土的徐变影响也较严重，而且徐变变形还将加剧结构的反拱。
湿接缝作为先简支后连续梁桥面系的主要结构部分，承受着繁重的桥面荷载，湿接缝混凝土的使用寿命对桥梁的正常运营影响巨大，从目前的桥梁现状可以看到，湿接缝处开裂已经成为了普遍现象，而且大部分桥梁的湿接缝处均为带裂缝工作，并且出现了不同程度的渗水现象，尤其雨后更加严重，而这对桥梁的内部结构及耐久性能都产生了不利影响，而且湿接缝开裂后，雨水进入裂缝，会腐蚀内部钢筋并使钢筋产生锈涨，从而使得包裹钢筋的混凝土内部产生拉应力，产生更大面积的混凝土开裂。桥梁在运营阶段会受到反复活载的长期作用，由于活载所占比例较大，带有湿接缝的先简支后连续梁结构中最薄弱部位往往存在于湿接缝断面。
现有技术是在湿接缝处采取加设预应力钢筋、后浇高强纤维膨胀混凝土，但工程实践显示：重复加载能明显降低梁体刚度，并使梁体混凝土、普通钢筋和预应力钢筋的应变增大，容易在反复荷载的作用下发生疲劳破坏；如何既充分利用先简支后连续梁桥的优点又克服其固有的弱点，成为工程界一直在寻求解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：
一种用于湿接缝的高性能膨胀混杂纤维混凝土材料，其特征在于：该材料以常规混凝土为基底，其中添加钢纤维、杜拉纤维、膨胀剂和掺和料。
进一步地，所述掺和料为粉煤灰、减水剂和硅灰，添加材料中，钢纤维和杜拉纤维占混凝土基底的体积百分比分别为：钢纤维0.3-1.5％，杜拉纤维0.1-0.3％，膨胀剂和粉煤灰占混凝土基底材料中胶凝材料总量的重量百分比为：膨胀剂5.0-15.0％，粉煤灰10.0-20.0％。
进一步地，所述钢纤维和杜拉纤维在混凝土基底中的掺入量，两者体积之和不超过1.5％。
进一步地，所述添加材料中，钢纤维和杜拉纤维占混凝土基底的体积百分比分别为：钢纤维0.3-1.0％，杜拉纤维0.1-0.3％，膨胀剂和粉煤灰占混凝土基底材料中胶凝材料总量的重量百分比为：膨胀剂5.0-10.0％，粉煤灰10.0-20.0％。
进一步地，所述混凝土材料中，选用的钢纤维长度为30-60毫米，长径比大于45，直径小于1.2mm，弹性模量大于200GPa，延伸率大于4％，抗拉强度大于1500MPa。
进一步地，所述混凝土材料中，选用的杜拉纤维是一种聚丙烯纤维，长度3-19mm，直径20-60um，弹性模量大于5GPa，延伸率大于15％，抗拉强度大于500MPa。
进一步地，所述混凝土基底材料为C25-C85各类等级混凝土，具体材料要求：水泥采用标号为32.5或42.5的硅酸盐或普通硅酸盐水泥；黄砂为中等河砂；石子为碎石。
进一步地，所述膨胀剂为硫铝酸钙类膨胀剂，所述粉煤灰等级为一级。
一种用于湿接缝的高性能膨胀混杂纤维混凝土材料的制备方法包括如下步骤：
步骤一、取料：按照体积份数和重量份数计取原料；
步骤二、搅拌：采用强制式混凝土搅拌机搅拌；
步骤三、成型：观察搅拌结束后的拌合物状态良好，无离析泌水，钢纤维和聚丙烯纤维均匀分布于拌合物内，即可出料，高频振动台振实成型，得到用于湿接缝的高性能膨胀混杂纤维混凝土材料。
所述步骤二中的搅拌过程具体为：为使纤维能充分分散于混凝土中，搅拌时先往搅拌机中放入石子全部和2/3的砂，干拌1min左右，然后将采用水溶性胶水将单根钢纤维粘结成排的钢纤维撒入，全部投入后再拌和均匀，此过程中分多次均匀撒入全部聚丙烯纤维，再投入水泥及全部掺料，把剩余1/3砂子盖在水泥和掺料上，干拌1min，再加入水和减水剂全部，湿拌2min左右，得到拌合物。
本发明通过一种高弹性模量纤维和一种低弹性模量纤维的几何尺寸的优化混杂，达到以较低的纤维体积掺量实现从整体上显著提高混凝土的抗疲劳性能、抗裂性能和韧性的目的，同时在这种材料中加入一定量的膨胀剂以保证材料的体积稳定性，从而提高材料的抗渗性和耐久性。通过调整配合比，达到了泵送要求。这种材料可以克服先简支后连续梁桥的弱点，满足大跨度结构、超高层建筑和无裂缝等特种结构的设计要求和施工要求。
本发明具有如下优点：
1、钢纤维采用水溶性胶水将单根钢纤维粘结成排的先进技术，可使得钢纤维在混凝土搅拌过程中实现“两次分散”，从而使得钢纤维添加简单方便，钢纤维分散均匀、极易搅拌、不会变形、杜绝结团等现象。不需要任何纤维分散剂；
2、本发明根据混凝土的多层次特点和材料特征，利用杜拉纤维缓解混凝土中微裂缝的集中力限制混凝土微裂缝的发展，利用钢纤维限制宏观裂缝的发展，采用两者混杂形式，在较小的体积掺量的情况下从整体上改善混凝土的多种力学性能；
3、通过配合比调整，达到了泵送要求，满足现场施工要求；
4、本发明同时综合了纤维拔出和纤维拉断两种机制，使混杂纤维在拉拔直至破坏过程中能做出最大的功，并且限制混凝土裂缝的发展，到达了增强、增韧的效果，同时大大提高了混凝土的抗裂性能和抗疲劳性能；
5、加入膨胀剂可以保证材料体积的稳定性，防止泵送高强、大坍落度混凝土和大体积或大面积混凝土出现收缩开裂，从而提高材料的抗渗性和耐久性。
附图说明
图1为本专利材料制备方法流程图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明：
选取一个对比例如下：
一种素混凝土材料，包括以下重量份的原材料拌和而成的：水泥11.25千克，粉煤灰1.125千克，硅灰0.625千克，石头26.625千克，砂16.5千克，水4.375千克，减水剂(花王)0.09千克。所述的水泥为黄石华牌52.5硅酸盐水泥；所述的粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，比表面积为4800cm2/g；所述的硅灰为硅粉；所述的石头选用碎石，小石5mm-10mm，大石10mm-20mm,大石与小石的比例为55％，45％；所述的砂选用机制砂，细度模数为2.7，含泥量≤1.4％，石粉含量8.3％，级配连续良好；所述的水为清洁自来水；所述的减水剂为JM-Ⅱ型混凝高效减水剂，减水率为20％-23.6％，掺量为胶凝材0.75％。
上述素混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、取料：按照上述配比称取原料；
步骤2、搅拌：采用强制式混凝土搅拌机搅拌；
将水泥、砂、石、粉煤灰等倒入搅拌机中，干拌均匀，然后加入一部分水，把减水剂溶解于剩余的水中，再缓慢加入，搅拌至所需的坍落度即可；
步骤3、成型：观察搅拌结束后的拌合物状态良好，无离析泌水，，即可出料，高频振动台振实成型，经24小时后拆除模板，然后将试件放置于标准养护室(温度为20±3℃，相对湿度在90％以上)，养护28天，即可得到素混凝土材料。
实施例1
一种新型先简支后连续梁桥高强混杂纤维混凝土湿接缝材料，它包括以下重量份的原材料拌和而成的：水泥11.25千克，粉煤灰1.125千克，硅灰0.625千克，石头26.625千克，砂16.5千克，水4.375千克，减水剂(花王)0.09千克，钢纤维1.26千克，聚丙烯纤维0.025千克。所述的水泥为黄石华牌52.5硅酸盐水泥；所述的粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，比表面积为4800cm2/g；所述的硅灰为硅粉；所述的石头选用碎石，小石5mm-10mm，大石10mm-20mm,大石与小石的比例为55％，45％；所述的砂选用机制砂，细度模数为2.7，含泥量≤1.4％，石粉含量8.3％，级配连续良好；所述的水为清洁自来水；所述的减水剂为JM-Ⅱ型混凝高效减水剂，减水率为20％-23.6％，掺量为胶凝材0.75％；钢纤维为选用上海贝尔卡特钢纤维公司生产的端勾型钢纤维，弯折度合格，密度为7.8g/cm3,抗拉强度>1000MPa,弹性模量为220GPa，长度为30mm，长径比为80,；所述的聚丙烯纤维为美国束装单丝杜拉纤维，密度为0.91g/cm3,抗拉强度为276MPa。弹性模量为3.793GPa，长度为19mm，直径为9um；所述的钢纤维掺量为54.6kg/m3；所述的聚丙烯纤维掺量为1.13kg/m3。
上述先简支后连续梁桥湿接缝高性能膨胀混杂纤维混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、取料：按照上述配比称取原料；
步骤2、搅拌：采用强制式混凝土搅拌机搅拌；
为使纤维能充分分散于混凝土中，搅拌时先往搅拌机中放入石子全部和2/3的砂，干拌1min左右，然后将采用水溶性胶水将单根钢纤维粘结成排的先进技术的钢纤维撒入，全部投入后再拌和均匀，此过程中分多次均匀撒入全部聚丙烯纤维，再投入水泥及全部掺料，把剩余1/3砂子盖在水泥和掺料上，干拌1min，再加入水和减水剂全部，湿拌2min左右，得到拌合物；
步骤3、成型：观察搅拌结束后的拌合物状态良好，无离析泌水，钢纤维和聚丙烯纤维均匀分布于拌合物内，即可出料，高频振动台振实成型，得到用于湿接缝的高性能混杂纤维混凝土材料。
实施例2
一种新型先简支后连续梁桥高强混杂纤维混凝土湿接缝材料，它包括以下重量份的原材料拌和而成的：水泥11.25千克，粉煤灰1.125千克，硅灰0.625千克，石头26.625千克，砂16.5千克，水4.375千克，减水剂(花王)0.09千克，钢纤维1.15千克，聚丙烯纤维0.030千克。所述的水泥为黄石华牌52.5硅酸盐水泥；所述的粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，比表面积为4800cm2/g；所述的硅灰为硅粉；所述的石头选用碎石，小石5mm-10mm，大石10mm-20mm,大石与小石的比例为55％，45％；所述的砂选用机制砂，细度模数为2.7，含泥量≤1.4％，石粉含量8.3％，级配连续良好；所述的水为清洁自来水；所述的减水剂为JM-Ⅱ型混凝高效减水剂，减水率为20％-23.6％，掺量为胶凝材0.75％；钢纤维为选用上海贝尔卡特钢纤维公司生产的端勾型钢纤维，弯折度合格，密度为7.8g/cm3,抗拉强度>1000MPa，弹性模量为220GPa，长度为30mm，长径比为80；所述的聚丙烯纤维为美国束装单丝杜拉纤维，密度为0.91g/cm3,抗拉强度为276MPa。弹性模量为3.793GPa，长度为19mm，直径为9um；所述的钢纤维掺量为49.8kg/m3；所述的聚丙烯纤维掺量为1.36kg/m3。
上述先简支后连续梁桥湿接缝高性能膨胀混杂纤维混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、取料：按照上述配比称取原料；
步骤2、搅拌：采用强制式混凝土搅拌机搅拌；
为使纤维能充分分散于混凝土中，搅拌时先往搅拌机中放入石子全部和2/3的砂，干拌1min左右，然后将采用水溶性胶水将单根钢纤维粘结成排的先进技术的钢纤维撒入，全部投入后再拌和均匀，此过程中分多次均匀撒入全部聚丙烯纤维，再投入水泥及全部掺料，把剩余1/3砂子盖在水泥和掺料上，干拌1min，再加入水和减水剂全部，湿拌2min左右，得到拌合物；
步骤3、成型：观察搅拌结束后的拌合物状态良好，无离析泌水，钢纤维和聚丙烯纤维均匀分布于拌合物内，即可出料，高频振动台振实成型，得到用于湿接缝的高性能混杂纤维混凝土材料。
实施例3
一种新型先简支后连续梁桥高强混杂纤维混凝土湿接缝材料，它包括以下重量份的原材料拌和而成的：水泥11.25千克，粉煤灰1.125千克，硅灰0.625千克，石头26.625千克，砂16.5千克，水4.375千克，减水剂(花王)0.09千克，钢纤维1.10千克，聚丙烯纤维0.040千克。所述的水泥为黄石华牌52.5硅酸盐水泥；所述的粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，比表面积为4800cm2/g；所述的硅灰为硅粉；所述的石头选用碎石，小石5mm-10mm，大石10mm-20mm,大石与小石的比例为55％，45％；所述的砂选用机制砂，细度模数为2.7，含泥量≤1.4％，石粉含量8.3％，级配连续良好；所述的水为清洁自来水；所述的减水剂为JM-Ⅱ型混凝高效减水剂，减水率为20％-23.6％，掺量为胶凝材0.75％；钢纤维为选用上海贝尔卡特钢纤维公司生产的端勾型钢纤维，弯折度合格，密度为7.8g/cm3,抗拉强度>1000MPa，弹性模量为220GPa，长度为30mm，长径比为80；所述的聚丙烯纤维为美国束装单丝杜拉纤维，密度为0.91g/cm3,抗拉强度为276MPa。弹性模量为3.793GPa，长度为19mm，直径为9um；所述的钢纤维掺量为47.7kg/m3所述的聚丙烯纤维掺量为1.81kg/m3。
上述先简支后连续梁桥湿接缝高性能膨胀混杂纤维混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、取料：按照上述配比称取原料；
步骤2、搅拌：采用强制式混凝土搅拌机搅拌；
为使纤维能充分分散于混凝土中，搅拌时先往搅拌机中放入石子全部和2/3的砂，干拌1min左右，然后将采用水溶性胶水将单根钢纤维粘结成排的先进技术的钢纤维撒入，全部投入后再拌和均匀，此过程中分多次均匀撒入全部聚丙烯纤维，再投入水泥及全部掺料，把剩余1/3砂子盖在水泥和掺料上，干拌1min，再加入水和减水剂全部，湿拌2min左右，得到拌合物；
步骤3、成型：观察搅拌结束后的拌合物状态良好，无离析泌水，钢纤维和聚丙烯纤维均匀分布于拌合物内，即可出料，高频振动台振实成型，得到用于湿接缝的高性能混杂纤维混凝土材料。
分别对上述对比例素混凝土和实施例1～3的混杂纤维混凝土进行抗压、弯曲韧性试验，具体试验方法参照《纤维混凝土试验方法标准》(CECS13：2009)执行，成型后放入温度20±3℃，相对湿度在90％以上的潮湿空气中养护28天。
实验结果具体参数如表1所示。从表1可以看出本发明所得混杂纤维混凝土的力学性能与对比例有明显的提升，变形能力得以大幅改善，最大挠度变形δ与对比例相比均有所降低，很好体现了增韧抗冲击作用，韧性指数较对比例提高了8-10倍。实施例1～3中的立方体抗压强度均值在70MPa以上，说明其具有足够的承载能力。综合来看，本发明通过高弹性模量钢纤维和低弹性模量杜拉纤维的优化混杂，使得在交小体积参量下获得较好的力学性能，减小了裂缝产生。本发明的混杂纤维混凝土采用水溶性胶水将单根钢纤维粘结成排的先进技术，添加方便，无需振捣，自行密实。实现了混凝土的高性能化，使得湿接缝在复杂荷载和反复荷载作用下依旧能保持较好的力学性能，提高桥梁耐久性，对于解决先简支后连续梁桥的接缝病害具有较好的技术优势。
表1对比例与各实施例混凝土材料裂缝宽度与韧性指数对比
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (10)

1.一种用于湿接缝的高性能膨胀混杂纤维混凝土材料，其特征在于：该材料以常规混凝土为基底，其中添加钢纤维、杜拉纤维、膨胀剂和掺和料。
2.如权利要求1所述的一种用于湿接缝的高性能膨胀混杂纤维混凝土材料，其特征在于：所述掺和料为粉煤灰、减水剂和硅灰，添加材料中，钢纤维和杜拉纤维占混凝土基底的体积百分比分别为：钢纤维0.3-1.5％，杜拉纤维0.1-0.3％，膨胀剂和粉煤灰占混凝土基底材料中胶凝材料总量的重量百分比为：膨胀剂5.0-15.0％，粉煤灰10.0-20.0％。
3.如权利要求2所述的一种用于湿接缝的高性能膨胀混杂纤维混凝土材料，其特征在于：所述钢纤维和杜拉纤维在混凝土基底中的掺入量，两者体积之和不超过1.5％。
4.如权利要求2所述的一种用于湿接缝的高性能膨胀混杂纤维混凝土材料，其特征在于：进一步地，所述添加材料中，钢纤维和杜拉纤维占混凝土基底的体积百分比分别为：钢纤维0.3-1.0％，杜拉纤维0.1-0.3％，膨胀剂和粉煤灰占混凝土基底材料中胶凝材料总量的重量百分比为：膨胀剂5.0-10.0％，粉煤灰10.0-20.0％。
5.如权利要求1所述的一种用于湿接缝的高性能膨胀混杂纤维混凝土材料，其特征在于：所述混凝土材料中，选用的钢纤维长度为30-60毫米，长径比大于45，直径小于1.2mm，弹性模量大于200GPa，延伸率大于4％，抗拉强度大于1500MPa。
6.如权利要求1所述的一种用于湿接缝的高性能膨胀混杂纤维混凝土材料，其特征在于：所述混凝土材料中，选用的杜拉纤维是一种聚丙烯纤维，长度3-19mm，直径20-60um，弹性模量大于5GPa，延伸率大于15％，抗拉强度大于500MPa。
7.如权利要求1所述的一种用于湿接缝的高性能膨胀混杂纤维混凝土材料，其特征在于：所述混凝土基底材料为C25-C85各类等级混凝土，具体材料要求：水泥采用标号为32.5或42.5的硅酸盐或普通硅酸盐水泥；黄砂为中等河砂；石子为碎石。
8.如权利要求2所述的一种用于湿接缝的高性能膨胀混杂纤维混凝土材料，其特征在于：所述膨胀剂为硫铝酸钙类膨胀剂，所述粉煤灰等级为一级。
9.如权利要求1所述的一种用于湿接缝的高性能膨胀混杂纤维混凝土材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、取料：按照体积份数和重量份数计取原料；
步骤二、搅拌：采用强制式混凝土搅拌机搅拌；
步骤三、成型：观察搅拌结束后的拌合物状态良好，无离析泌水，钢纤维和聚丙烯纤维均匀分布于拌合物内，即可出料，高频振动台振实成型，得到用于湿接缝的高性能膨胀混杂纤维混凝土材料。
10.如权利要求9所述的一种用于湿接缝的高性能膨胀混杂纤维混凝土材料，其特征在于：所述步骤二中的搅拌过程具体为：为使纤维能充分分散于混凝土中，搅拌时先往搅拌机中放入石子全部和2/3的砂，干拌1min左右，然后将采用水溶性胶水将单根钢纤维粘结成排的钢纤维撒入，全部投入后再拌和均匀，此过程中分多次均匀撒入全部聚丙烯纤维，再投入水泥及全部掺料，把剩余1/3砂子盖在水泥和掺料上，干拌1min，再加入水和减水剂全部，湿拌2min左右，得到拌合物。
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