CN108585689B

CN108585689B - 一种螺旋钢纤维超高性能混凝土及制备方法

Info

Publication number: CN108585689B
Application number: CN201810504015.XA
Authority: CN
Inventors: 杨贞军; 姚勇; 叶居东
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2018-05-23
Publication date: 2020-02-07
Anticipated expiration: 2038-05-23
Also published as: CN108585689A

Abstract

本发明提供了一种螺旋钢纤维超高性能混凝土及制备方法。该混凝土材料由水泥、细砂、水、石英粉、高效减水剂、钢纤维组成。此外，可选择性加入粉煤灰、矿渣等无机矿物掺和料，取代部分水泥。所采用的钢纤维中，包含直线钢纤维和螺旋钢纤维。各组分含量按质量分数计算，其比例为：水泥1000‑1300份，硅灰100‑300份，细砂900‑1200份，石英粉100‑300份，减水剂30‑60份，水150‑400份，钢纤维50‑300份。本发明所得到的螺旋钢纤维混凝土材料，螺旋钢纤维与混凝土基体的粘结力与直线钢纤维相比，粘结力可显著提升，其拉伸强度高于传统钢纤维混凝土。由于螺旋钢纤维在从基体拔出时，具有“解螺旋”的过程，可以极大提高传统钢纤维混凝土的变形能力。

Description

一种螺旋钢纤维超高性能混凝土及制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，属于一种新型建筑材料，具体涉及一种螺旋形钢纤维超高性能混凝土及其制备方法。

背景技术

传统钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入适量乱向分布的短钢纤维而形成的一种多相、多组分的水泥基体复合材料。相对于普通混凝土材料，钢纤维混凝土克服了其低强度、易开裂等多种缺点。而超高性能混凝土(UHPC)因为不含粗骨料，其致密性很高，导致超高的抗压性能和耐久性，抗压强度一般在150-200 Mpa。相对其超高的抗压强度，其抗拉强度仍然较低，较易脆性断裂，添加圆形截面直线短细钢纤维后，得到超高性能钢纤维增强混凝土(UHPRC)可以提高其抗拉强度至12-18MPa，抗折强度至30-60Mpa。与普通钢纤维混凝土相比，其力学性能在各方面均具有明显的优势。然而，试件在受拉破坏时，直线钢纤维多是被拔出而非拉断，未能充分发挥钢纤维优异的力学性能。此外，与掺有PVA 等聚合物纤维的高新能混凝土相比，UHPFRC的韧性及变形性能仍有很大提升空间。

改变钢纤维的几何形状，例如钩端纤维和波形纤维，可以提高钢纤维与混凝土基体之间的粘结力。公开号为CN202626044U和CN103224337A的专利，公开了两种不同尺寸及截面的螺旋型钢纤维，可用于混凝土材料中。然而，螺旋钢纤维在从普通混凝土砂浆拔出的过程中，由于界面粘结力偏高，而基体强度偏低，容易直接造成基体的破坏，从而难以充分发挥螺旋钢纤维的作用。

发明内容

本发明旨在提升传统钢纤维混凝土的力学性能，以及更进一步得，提高超高性能钢纤维混凝土(UHPFRC)的韧性和变形性能，使得钢纤维能更充分发挥其桥联作用的力学特性，得到一种性能优异的钢纤维混凝土建筑材料。

本发明具体采用的技术方案如下：

一种螺旋钢纤维超高性能混凝土，该混凝土材料由水泥、硅灰、细砂、水、石英粉、减水剂、钢纤维组成，所述的钢纤维中含有螺旋钢纤维；各组分含量按质量分数计算，其比例为：水泥1000-1300份，硅灰100-300份，细砂900-1200 份，石英粉100-300份，减水剂30-60份，水150-400份，钢纤维50-300份。

作为优选，所述的钢纤维中，包含直线钢纤维(即圆形截面直线短细钢纤维) 和螺旋钢纤维(即异形截面螺旋钢纤维，纤维呈螺旋式扭曲)；其中，螺旋钢纤维掺量为50-150份，直线钢纤维掺量为0-250份，二者总质量比不超过300份。因此，钢纤维中必然含有螺旋钢纤维，而直线钢纤维可视情况进行选择性添加。

作为优选，所述的直线钢纤维横截面为圆形，直径为0.15-0.25mm，长度为 6-13mm，长径比≥30，抗拉强度≥2000Mpa；螺旋钢纤维等效直径为0.4-0.6mm，横截面为横截面为包括三角形、四边形在内的多边形形状，截面积等效直径为 0.2mm-0.8mm，扭转螺距为5-15 mm ，抗拉强度≥2000Mpa。

作为优选，所述水泥为复合硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥；

作为优选，所述硅灰的比表面积为18-30m²/g，其中SiO₂含量≥90％；

作为优选，所述细砂粒径范围为0.1mm-0.5mm；

作为优选，所述石英粉粒径为5-50μm，SiO₂含量≥95％；

作为优选，所述减水剂为聚羧酸粉末减水剂，减水效率≥30％。

作为优选，在组成材料中，加入无机矿物掺和料取代部分水泥，取代量不超过50％；所述的无机矿物掺和料包括粉煤灰、矿渣。

本发明的另一目的在于提供一种如上述任一方案所述螺旋钢纤维超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：

1)按照组分含量比例，将水泥、硅灰、细砂、水、石英粉、减水剂、钢纤维称重备用；

2)将称重后的水泥、硅灰、细砂、石英粉、减水剂加入搅拌机中，干拌2-3min，混合均匀；

3)在干拌物中，加入所称重总量一半的水，搅拌3-5min，再加入剩余的水，继续搅拌4-6min，得到搅拌均匀的新拌混凝土砂浆；

4)向新拌混凝土砂浆中先加入直线钢纤维，搅拌2-3min，混合均匀，再加入螺旋钢纤维，继续搅拌3-5min，得到搅拌均匀的螺旋钢纤维超高性能混凝土成品。

在该制备过程中，若钢纤维中仅含有螺旋钢纤维，不含有直线钢纤维，则可在步骤4)中直接加入螺旋钢纤维搅拌均匀得到成品。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

异形截面钢纤维与圆形截面直线型钢纤维相比，异形截面钢纤维与混凝土基体之间具有较强的机械咬合力，从而具有更强的界面粘结性能。螺旋钢纤维与端钩钢纤维相比，虽然二者同属异形钢纤维，然而，在超高性能混凝土基体中，螺旋钢纤维的拉拔曲线更加饱满，拉拔力硬化现象明显，能提供更好的变形能力和韧性。

本发明的螺旋钢纤维超高性能混凝土，与传统钢纤维混凝土材料相比，其基体能对纤维提供足够的锚固力，发挥钢纤维的力学优势。本发明将螺旋钢纤维用于超高性能混凝土(UHPC)中，使得螺旋钢纤维在从基体拔出时，具有“解螺旋”的过程，可以极大提高材料的变形能力及韧性。

本发明所述的一种制备所述螺旋钢纤维超高性能混凝土的方法，先将水泥、硅灰、细砂、石英粉、高效减水剂混合均匀，利于减水剂发挥作用，提高固体颗粒表面活化能，提高减水效果。分两批加入水后，再分批加入钢纤维，搅拌均匀。最终得到的成品，纤维分布均匀，流动性好，有利于材料成型及工程应用。

附图说明

图1是本发明中所采用的一种矩形截面螺旋钢纤维结构示意简图；其中a) 为主视图，b)为轴测图；

图2中，(a)是单根螺旋钢纤维在C30砂浆中，经XCT扫描后，得到的试件内部形态；(b)是单根螺旋钢纤维从C30砂浆中拔出后的试件，经XCT扫描，得到的试件内部所留下来的通道形态；

图3(a)是单根螺旋钢纤维在UHPC砂浆中，经XCT扫描后，得到的试件内部形态；(b)是单根螺旋钢纤维从UHPC砂浆中拔出后的试件，经XCT扫描，得到的试件内部所留下来的通道形态。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明做进一步的详细说明，但不局限于此。

下述实施方案中，如无特殊说明，所述试剂和材料均为公知的，可通过商业途径获取。下列各实施例中，所采用的原材料如下所述：

直线钢纤维，直径为0.2mm，长度为12mm，长径比为60，抗拉强度为2700Mpa。如图1所示，螺旋钢纤维截面为矩形且矩形截面为0.53mm×0.37mm，等效直径为0.5mm，扭转螺距为10mm，抗拉强度为2500Mpa。

所采用水泥为普通硅酸盐水泥。硅灰的比表面积为22m²/g，其中SiO₂含量≥90％，细砂粒径范围为0.1mm-0.5mm，石英粉粒径为5μm-50μm，SiO₂含量≥95％。高效减水剂为聚羧酸高效粉末减水剂，减水效率≥30％。水为工业用水。

实施例1

本实施例的螺旋钢纤维超高性能混凝土材料，其组分包括水泥、硅灰、细砂、水、石英粉、高效减水剂、钢纤维。共设计3组不同组分比例的混凝土材料，编号为1-1、1-2、1-3。每组混凝土中各组分质量如下表1所示，按各组分的质量比的份数给出。

表1螺旋钢纤维超高性能混凝土材料的配合比

本实施例中，螺旋钢纤维混凝土的制备过程如下：

1)将表1所述质量分数的水泥、硅灰、细砂、水、石英粉、高效减水剂、钢纤维称重备用；

2)将按表1所述质量分数称重后的水泥、硅灰、细砂、石英粉、高效减水剂加入搅拌机中，慢速干拌2min，混合均匀；

3)在2)步骤所得的干拌物中，加入约所称重总量一半的水，中速搅拌约 4min，再加入剩余的水，中速搅拌约5min，得到搅拌均匀的新拌混凝土砂浆，即超高性能混凝土(UHPC)，以此作为基体具有较高的强度，能对纤维提供足够的锚固力，有利于发挥钢纤维的力学优势；

3)向步骤(3)所得的新拌混凝土砂浆中，先加入直线钢纤维，中速搅拌约 2min，混合均匀(当组分中没有直线钢纤维时，可跳过该步骤)。再加入螺旋钢纤维，中速搅拌约4min，得到搅拌均匀的螺旋钢纤维超高性能混凝土拌合物，即得到混凝土成品。

上述三组螺旋钢纤维超高性能混凝土中，螺旋钢纤维与混凝土基体的粘结力与直线钢纤维相比，粘结力得到了显著提升。该种混凝土的拉伸强度高于传统钢纤维混凝土。而且由于螺旋钢纤维在从基体拔出时，具有“解螺旋”的过程，可以极大提高传统钢纤维混凝土的变形能力。下面通过实施例2说明书螺旋钢纤维与超高性能混凝土(UHPC)之间的耦合效果。

实施例2

本实施例是一次单根螺旋钢纤维在其基体中的拔出实验，以测试单根螺旋钢纤维与基体之间的粘结性能。本实施例中，所采用的实验方法，按《钢纤维混凝土试验方法》(CECS13:89)进行。

本实施例中的螺旋钢纤维超高性能混凝土材料基体，其组分包括水泥、硅灰、细砂、水、石英粉、高效减水剂。共设置三组试验，每组试验中各组分质量如下表2所示，按各组分的质量比的份数给出。实验中每个试件所埋设的单根钢纤维的埋置长度，也在表2中给出。每组产品有6个平行试样。

表2螺旋钢纤维超高性能混凝土材料基体的配合比

本实施例中，螺旋钢纤维混凝土的制备过程如下：

1)将表2所述质量分数的水泥、硅灰、细砂、水、石英粉、高效减水剂、钢纤维称重备用；

2)将按表2所述质量分数称重后的水泥、硅灰、细砂、石英粉、高效减水剂加入搅拌机中，慢速干拌2min，混合均匀；

3)在2)步骤所得的干拌物中，加入约所称重总量一半的水，中速搅拌约 4min，再加入剩余的水，中速搅拌约5min，得到搅拌均匀的新拌超高性能混凝土(UHPC)砂浆，即本实施例中的螺旋钢纤维混凝土的基体；

将拌制好的砂浆倒入专用模具中，并在模具中预先埋置好单根螺旋钢纤维，制成拔出实验试件。本实施例中，共浇筑3组产品，每组6个平行试件，螺旋钢纤维的埋置深度分别为15mm、20mm、25mm。

测得3组试样的平均力学性能如下表3所示。

编号	平均拉拔力/N	解螺旋拉拔力/N	拉拔能/N.mm
				2-1	191.5	199.1	2873
2-2	193.3	203.3	3905
				2-3	184.4	193	4582

由此表明，在超高性能混凝土基体中，螺旋钢纤维需要通过“解螺旋”方式进行拉拔，因此对于混凝土而言能提供更好的变形能力和韧性。

另外，本实施例中还针对上述UHPC砂浆基体，经XCT扫描观察螺旋钢纤维拔出前后的试件内部形态。同时作为比较，以C30砂浆为基体，以相同方法进行单根螺旋钢纤的拔出实验，并经XCT扫描观察螺旋钢纤维拔出前后的试件内部形态。螺旋钢纤维在从C30砂浆和UHPC砂浆中拔出后的试件，经过XCT 扫描后的图像，分别如图2和3所示。从图2中可以看出，螺旋钢纤维从普通混凝土(C30)中拔出后，基本保持了原来的形状，基体拔出通道被破坏。而如图 3所示，螺旋钢纤维从UHPC基体中拔出后，呈现了解螺旋的形态，基体拔出后的通道，基本完整的保持了原螺旋钢纤维的形状。因此本发明的螺旋钢纤维超高性能混凝土，与传统钢纤维混凝土材料相比，其基体能对纤维提供足够的锚固力，发挥钢纤维的力学优势，两者相辅相成。

以上实施例，仅为说明所作举例，并非对实施方式的任何限定。在实际的实施过程中，操作人员在上述的说明基础上，可以做出许多变化，由此而引申出的变化仍在本发明创造权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种螺旋钢纤维超高性能混凝土，其特征在于，该混凝土材料由水泥、硅灰、细砂、水、石英粉、减水剂、钢纤维组成，所述的钢纤维中含有螺旋钢纤维，螺旋钢纤维为异形截面螺旋钢纤维，纤维呈螺旋式扭曲，横截面为多边形形状，截面积等效直径为0.2mm-0.8mm，扭转螺距为5-15mm，抗拉强度≥2000Mpa；所述细砂粒径范围为0.1mm-0.5mm；各组分含量按质量分数计算，其比例为：水泥1000-1300份，硅灰100-300份，细砂900-1200份，石英粉100-300份，减水剂30-60份，水150-400份，钢纤维50-300份。

2.根据权利要求1所述的一种螺旋钢纤维超高性能混凝土，其特征在于，所述的钢纤维中，包含直线钢纤维和螺旋钢纤维；其中，螺旋钢纤维掺量为50-150份，直线钢纤维掺量为0-250份，二者总质量比不超过300份。

3.根据权利要求2所述的一种螺旋钢纤维超高性能混凝土，其特征在于，所述的直线钢纤维横截面为圆形，直径为0.15-0.25mm，长度为6-13mm，长径比≥30，抗拉强度≥2000Mpa。

4.根据权利要求1所述的一种螺旋钢纤维超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥为复合硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥。

5.根据权利要求1所述的一种螺旋钢纤维超高性能混凝土，其特征在于，所述硅灰的比表面积为18-30m²/g，其中SiO₂含量≥90%。

6.根据权利要求1所述的一种螺旋钢纤维超高性能混凝土，其特征在于，所述石英粉粒径为5-50μm，SiO₂含量≥95%。

7.根据权利要求1所述的一种螺旋钢纤维超高性能混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸粉末减水剂，减水效率≥30%。

8.根据权利要求1所述的一种螺旋钢纤维超高性能混凝土，其特征在于，在组成材料中，加入无机矿物掺和料取代部分水泥，取代量不超过50%；所述的无机矿物掺和料包括粉煤灰、矿渣。

9.一种如权利要求1-8任一所述螺旋钢纤维超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）按照组分含量比例，将水泥、硅灰、细砂、水、石英粉、减水剂、钢纤维称重备用；

2）将称重后的水泥、硅灰、细砂、石英粉、减水剂加入搅拌机中，干拌2-3min，混合均匀；

3）在干拌物中，加入所称重总量一半的水，搅拌3-5min，再加入剩余的水，继续搅拌4-6min，得到搅拌均匀的新拌混凝土砂浆；

4）向新拌混凝土砂浆中先加入直线钢纤维，搅拌2-3min，混合均匀，再加入螺旋钢纤维，继续搅拌3-5min，得到搅拌均匀的螺旋钢纤维超高性能混凝土成品。