CN109626910A - 碳纤维海砂高性能混凝土材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维海砂高性能混凝土材料及其制备方法，该混凝土材料包括如下重量份组分：水泥340～450份、水160～180份、海砂540～780份、石子1200～1400份、碳纤维20～50份、减水剂2～5份；其如下方法制备：按上述组分备料，将石子与海砂搅拌至混合均匀，然后加入水泥、水和减水剂并搅拌至混合均匀；将碳纤维加入混合均匀的材料中，搅拌均匀，即得。本发明采用碳纤维取代钢筋，其避免钢筋混凝土的盐水降解和劣化作用，且使建筑构件重量减轻，安装施工方便，缩短建筑工期；同时，碳纤维具有震动阻尼特性，可吸收震动波，使本发明的混凝土材料的防地震能力和抗弯强度提高十几倍。

Description

碳纤维海砂高性能混凝土材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土材料领域，具体涉及一种碳纤维海砂高性能混凝土材料及其制备方法。

背景技术

随着工程建设规模持续高速发展，我国建筑领域每年消耗的砂、石集料数量十大，根据欧洲集料协会统计，2012年我国占全球砂、石集料总产量的1/3，约高达100亿吨。目前，河砂仍然是建筑用细集料的主要来源，但受到源和环境影响的限制，河砂的可开采量增长十分有限。过量开采的河流和阶地砂砾石资源将使土地资源锐减，破坏涵养地下水资源的砂砾石层，致使部分传统采砂河段被停止或定期开采，河砂资源日益短缺。

开发利用海砂资源有望能缓解河砂的资源性限制与城市发展的需求增加之间的供需矛盾，尤其在建筑用砂量相对较大的东、南部沿海地区。海砂中的氯盐和贝壳含量是限制其在混凝土中使用的两大主要原因，海砂中的氯盐会影响硅酸盐水泥的水化过程，尤其是对混凝土中的钢筋有腐蚀作用，贝壳则可能影响混凝土的工作性、强度及耐久性等。但海砂一般具有粒度适宜(多为中砂)，颗粒坚硬，级配良好，含泥量少等优点。

随着我国基础建设的大力推进，使得具有高强度、工作性良好、易于施工成型、成本低廉的混凝土的用量日益增加。然而传统钢筋混凝土自身存在的缺陷，导致钢筋腐蚀，从而大大缩短了混凝土结构物的服役寿命。如何保证混凝土结构在各种复杂因素下还具有高的防腐、耐久性能成为当今建筑发展中的重大理论难题。因此，新型混凝土材料是21世纪工程研究的重要方向之一，受到了国内外学者重视，解决了传统混凝土的诸多缺点，既保证了工程的安全性以及耐久性，而且在经济效益方面有很大提高，在工程结构中具有十分广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种碳纤维海砂高性能混凝土材料及其制备方法，此种混凝土材料具有高抗压，高抗折以及耐久性等优良性能，且为海砂等建筑材料的长久发展提供了一种具有优良性能的混凝土材料。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案之一为提供一种碳纤维海砂高性能混凝土材料，包括如下重量份组分：水泥340～450份、水160～180份、海砂540～780份、石子1200～1400份、碳纤维20～50份、减水剂2～5份。

本发明的技术方案之二为提供一种碳纤维海砂高性能混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)按如下重量份组分备料：水泥340～450份、水160～210份、海砂540～780份、石子880～1400份、碳纤维20～50份、减水剂2～5份；

(2)将石子与海砂搅拌至混合均匀，然后加入水泥、水和减水剂并搅拌至混合均匀；

(3)将碳纤维加入步骤(2)中混合均匀的材料中，搅拌均匀，即得。

与现有技术相比，本发明提供的一种碳纤维海砂高性能混凝土材料相比较于传统混凝土具有高抗压、高抗折以及高耐久性等优良性能，且为海砂等建筑材料的长久发展提供了一种具有优良性能的混凝土材料，在沿海地区乃至全国的建筑工程中将会有更加广泛的应用；

碳纤维属于高新技术产品，具有高比强度，高比模量，耐高温，耐腐蚀，耐疲劳，抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能，并且具备的防水渗透性能、耐自然温差性能，在强碱环境下具有稳定的化学性能、持久的机械强度和尺寸的稳定性。

本发明采用碳纤维取代钢筋，其避免钢筋混凝土的盐水降解和劣化作用，且使建筑构件重量减轻，安装施工方便，缩短建筑工期；同时，碳纤维具有震动阻尼特性，可吸收震动波，使本发明的混凝土材料的防地震能力和抗弯强度提高十几倍。

附图说明

图1是本发明的抗压强度对比示意图；

图2是本发明的抗拉强度对比示意图；

图3是本发明的抗折强度对比示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种碳纤维海砂高性能混凝土材料，其可按如下方法制备：

(1)按如下重量份组分备料：水泥340～450份、水160～180份、海砂540～780份、石子1200～1400份、碳纤维20～50份、减水剂2～5份；

(2)将石子与海砂搅拌至混合均匀，一般可将石子与海砂加入搅拌机中搅拌2～3分钟即可；然后加入水泥、水和减水剂并搅拌至混合均匀，具体添加是，可先加入水泥，在加入水和减水剂的混合物倒入，继续搅拌3～5分钟至混合均匀即可；

(3)将碳纤维加入步骤(2)中混合均匀的材料中，继续搅拌3分钟左右使其混合均匀，即得碳纤维海砂高性能混凝土材料。

实际应用时，为了保证本发明制备的碳纤维海砂高性能混凝土材料的高抗压、搞抗拉、高抗折性能，本发明优选采用如下重量份组分：水泥420～450份、水160～180份、海砂540～615份、石子1200～1300份、碳纤维20～50份、减水剂2～3份。

本发明所述水泥优选采用42.5级硅酸盐水泥。

由于本发明采用海砂，其中含有的氯离子会一定程度影响制备的混凝土材料的性能，故为了保证其性能，本发明的海砂优选采用经过淡化处理后的海砂；同时，本发明也通过控制其氯离子含量提高其性能，具体为，海砂中氯离子含量设置为0.012～0.06％，优选为0.013～0.038％；此外，本发明海砂中的贝壳含量为3～8％。

本发明为了增加碳纤维、海砂与石子之间的契合性，具体为减小其配合时孔隙率，保证石子、碳纤维、海砂之间配合后的抗压、抗拉及抗折性能，本发明所述石子的粒径优选为10～25mm，而海砂则优选为Ⅱ区中砂，碳纤维可采用短切碳纤维，具体可采用长度为3～6mm、细度或宽度为7～20mm的碳纤维；同时，为了进一步提高石子、碳纤维、海砂之间配合后的抗压、抗拉及抗折性能，本发明的石子的压碎值优选为6～12％，碳纤维的抗拉强度则优选为0.5～0.8GPa。其中，本实施例石子粒径为16.5mm、压碎值为9.3％，碳纤维长度为4.8mm、细度为13.7mm、抗拉强度为0.66GPa。

其中，当水泥438份、水166份、海砂600份、石子1266份、碳纤维50份、减水剂205份时，且海砂中氯离子含量为0.038％，此时制备的混凝土材料相对于建筑需求来说具有最佳的性能。

本发明的减水剂优选采用聚羧酸减水剂，且其减水率不低于30％。

实施例1：

称取如下重量的材料，水160kg、硅酸盐水泥450kg、海砂600kg、聚羧酸减水剂2.5kg、碳纤维20kg、石子1400kg，先将石子倒入搅拌机后加入海砂进行搅拌2～3min至混合均匀，然后将水泥加入至混合均匀的石子和海砂当中，并且在水泥与石子和海砂搅拌过程当中加入水和减水剂搅拌3～5min至均匀，最后将碳纤维加入干拌好的材料中，继续搅拌3min，即得本实施例的碳纤维海砂高性能混凝土材料。其中，本实施例海砂采用Ⅱ区中砂，且其中氯离子含量为0.013％，贝壳含量6％。

实施例2：

其与上述实施例1大致相同，其不同之处在于，本实施例中碳纤维称取的重量为30kg。

实施例3：

其与上述实施例1大致相同，其不同之处在于，本实施例中碳纤维称取的重量为40kg。

实施例4：

其与上述实施例1大致相同，其不同之处在于，本实施例中碳纤维称取的重量为50kg。

实施例5：

其与上述实施例1大致相同，其不同之处在于，本实施例海砂中的氯离子含量为0.020％。

实施例6：

其与上述实施例2大致相同，其不同之处在于，本实施例海砂中的氯离子含量为0.020％。

实施例7：

其与上述实施例3大致相同，其不同之处在于，本实施例海砂中的氯离子含量为0.020％。

实施例8：

其与上述实施例4大致相同，其不同之处在于，本实施例海砂中的氯离子含量为0.020％。

实施例9：

其与上述实施例1大致相同，其不同之处在于，本实施例海砂中的氯离子含量为0.038％。

实施例10：

其与上述实施例2大致相同，其不同之处在于，本实施例海砂中的氯离子含量为0.038％。

实施例11：

其与上述实施例3大致相同，其不同之处在于，本实施例海砂中的氯离子含量为0.038％。

实施例12：

其与上述实施例4大致相同，其不同之处在于，本实施例海砂中的氯离子含量为0.038％。

实施例13：

其与上述实施例3大致相同，其不同之处在于，本实施例中水180kg、硅酸盐水泥340kg、海砂780kg、石子1200kg。

实施例14：

其与上述实施例3大致相同，其不同之处在于，本实施例中水170kg、硅酸盐水泥400kg、海砂600kg、石子1300kg。

实施例15：

其与上述实施例3大致相同，其不同之处在于，本实施例中水180kg、硅酸盐水泥540kg、海砂780kg、石子1300kg。

对比例1：

其与上述实施例1大致相同，其不同之处在于，本对比例中不含有碳纤维。

对比例2：

其与上述对比例1大致相同，其不同之处在于，本对比例中海砂中的氯离子含量为0.020％。

对比例3：

其与上述对比例1大致相同，其不同之处在于，本对比例中海砂中的氯离子含量为0.038％。

为了说明本实施例制备的碳纤维海砂高性能混凝土材料具有更佳的抗压、抗拉及抗折性能，现将上述实施例1～15和对比例1～3制备的混凝土分别制备九个试件，共计162试件；其中，每个实施例和对比例制备的9个试件分别为：1a、1b、1c、2a、2b、2c、3a、3b、3c，试件1a、2a、3a为混凝土装入150mm×150mm×150mm涂油后的塑料模具中制备；而试件1b、2b、3b为混凝土装入100mm×100mm×500mm的涂油后的塑料模具中制备；试件1c、2c、3c是混凝土装入150mm×150mm×600mm的涂油后的塑料模具中制备；上述每一个试件的制备过程均相同，具体为装入上述塑料模具后，24h后脱模，在温度20℃±2℃，相对湿度95％的条件下养护28天。养护完成后，将每个实施例和对比例制备的9个试件中的3个不同规格试件分别进行抗压实验、抗拉实验、抗折实验，实验结果如下表1～4所示：

表1

表2

表3

表4

由上述表1～3可知，当采用海砂中的氯离子含量一定时，在不同含量的碳纤维下，随着碳纤维的含量的增加，制备的混凝土材料的力学性能逐渐提高，而且明显高于现有技术中C30混凝土的力学性能。

由表4可知，在相同的含量的碳纤维下，不同配比的碳纤维海砂混凝土变化差异很大，其中实施案例3中水160kg、硅酸盐水泥450kg、海砂600kg、聚羧酸减水剂2.5kg、碳纤维40kg、石子1400kg的碳纤维海砂混凝土的力学性能表现最佳，即当各组分含量含实施例3中的比例设置时，制备的混凝土具有更佳的力学性能。

为了便于比较制备的混凝土材料的抗压、抗拉、抗折性能随碳纤维和海砂中氯离子含量的变化，将上述表1～3中测试得到的数据绘制成图，具体为，图1为在不同碳纤维含量和不同氯离子含量下测试得到的抗压强度对比示意图，图2为在不同碳纤维含量和不同氯离子含量下测试得到的抗拉强度对比示意图，图3为在不同碳纤维含量和不同氯离子含量下测试得到的抗折强度对比示意图，由上述图1～3可知，本发明做制备的碳纤维海砂混凝土材料在不同的氯离子含量情况下，碳纤维含量的增加能够表现出优异的力学性能；并且通过对比普通的海砂混凝土，碳纤维海砂混凝土的力学性能也是有一定的增加；氯离子含量的增大，碳纤维含量的增加能够弥补氯离子含量增加带来的影响。因此，本发明所制备的碳纤维海砂混凝土材料能够极大的解决海砂的应用以及对建筑材料的起到积极的作用。

尤其请参阅附图1中实施例12，当碳纤维的含量为50kg时，且海砂中氯离子含量为0.038％时，其抗压强度明显更高，其说明采用特定含量的碳纤维以及特定含量氯离子时，其制备的碳纤维海砂混凝土材明显具有更佳的抗压强度。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种碳纤维海砂高性能混凝土材料，其特征在于，包括如下重量份组分：水泥340～450份、水160～1800份、海砂540～780份、石子1200～1400份、碳纤维20～50份、减水剂2～5份。

2.根据权利要求1所述的碳纤维海砂高性能混凝土材料，其特征在于，所述碳纤维海砂高性能混凝土材料包括如下重量份组分：水泥420～450份、水160～180份、海砂540～615份、石子1200～1300份、碳纤维20～50份、减水剂2～3份。

3.根据权利要求1所述的碳纤维海砂高性能混凝土材料，其特征在于，所述水泥为42.5级硅酸盐水泥。

4.根据权利要求1所述的碳纤维海砂高性能混凝土材料，其特征在于，所述海砂中氯离子含量为0.012～0.06％、贝壳含量为3～8％。

5.根据权利要求4所述的碳纤维海砂高性能混凝土材料，其特征在于，所述海砂中氯离子含量为0.013～0.038％。

6.根据权利要求1所述的碳纤维海砂高性能混凝土材料，其特征在于，所述石子的粒径为10～25mm、压碎值为6～12％。

7.根据权利要求1所述的碳纤维海砂高性能混凝土材料，其特征在于，所述碳纤维的长度为3～6mm、细度或宽度为7～20mm、抗拉强度为0.5～0.8GPa。

8.根据权利要求1所述的碳纤维海砂高性能混凝土材料，其特征在于，所述减水剂的减水率不低于30％。

9.根据权利要求1所述的碳纤维海砂高性能混凝土材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂。

10.一种权利要求1～9中任一项所述的碳纤维海砂高性能混凝土材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)按如下重量份组分备料：水泥340～450份、水160～180份、海砂540～780份、石子1200～1400份、碳纤维20～50份、减水剂2～5份；

(2)将石子与海砂搅拌至混合均匀，然后加入水泥、水和减水剂并搅拌至混合均匀；

(3)将碳纤维加入步骤(2)中混合均匀的材料中，搅拌均匀，即得。