CN109665766A - 一种复合粗纤维、采用该复合粗纤维改性的混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合粗纤维、采用该复合粗纤维改性混凝土及改性混凝土的制备方法，由基料和纤维束组成，所述基料的质量占比为20‑50％。本发明的复合粗纤维与普通合成纤维相比具有较高的杨氏模量(50‑100GPa)和较大抗收缩应力，与混凝土之间有较好的粘结锚固作用，可以有效吸收裂缝处的应力，抑制裂缝的形成和开展。

Description

一种复合粗纤维、采用该复合粗纤维改性的混凝土及其制备 方法

技术领域

本发明涉及道路建设技术领域，尤其涉及一种复合粗纤维。本发明还涉及一种采用该复合粗纤维改性混凝土及改性混凝土的制备方法。

背景技术

目前交通道路重载、超载情况严重且普遍，导致普通路面病害多，寿命短，并造成国家建设资本的大量浪费。交通荷载作用及环境变化可产生不同类型的裂纹，其中反射裂纹危害最大。

现阶段采用两种方式来减缓反射裂纹的产生。一种是使用半刚性基层，半刚性基层的大量使用使得道路基层有了高强度及良好的稳定性，延长了道路的寿命；另一种是在旧水泥路面上加铺沥青面层(所谓“白加黑”)。这些形式的路面结构能吸收两种材料的优点，“刚柔相济”，即半刚性基层或水泥混凝土面板提供了稳定、坚实的基层，沥青路面提供了抗滑系数较高、平整度好的面层，大大改善了路面的使用性能。然而这种复合结构涉及刚性、柔性两种路面结构形式，不仅材料差异大，而且旧水泥混凝土面板上存在接缝和裂缝及错台、脱空等损坏现象，使得复合结构中奇异部位突出，这就会在罩面层对应于旧水泥混凝土面板接缝、裂缝的位置上出现反射裂缝。重载、超载及高流量的作用下，加上环境因素的负效应(雨水、氧化)常常使裂缝迅速扩散，造成道路快速破损。

为了解决上述问题，实际生产中采用纤维混凝土代替普通的混凝土，来改善水泥混凝土的性能，这在一定程度上减缓了道路的破损。纤维混凝土是合成纤维和混凝土构成的复合材料，其增强机理是纤维在混凝土裂缝处吸收了应力，抑制了裂缝的形成和开展，合成纤维的加固能力取决于纤维与混凝土的粘结锚固能力，抗拉强度和杨氏模量。合成纤维主要是聚丙烯纤维(polypropylene fibre)，按照纤维直径大小可分为直径小于100微米的细纤维与直径大于100微米的粗纤维。

混凝土在不同龄期均会产生裂缝。在早龄期，由于混凝土不够密实，在自身收缩应力的作用下会产生微裂缝。例如在混凝土浇筑完3h内，混凝土的抗压应力小于3MPa，收缩应力小于0.3MPa，杨氏模量小于5GPa，细合成纤维的杨氏模量一般只有3-5GPa，细合成纤维与混凝土之间有很好的粘结锚固性能，对于抑制混凝土的早期裂缝非常有效；24h后混凝土的各种性能都得到了增强，抗压应力会大于10MPa，收缩应力会大于1MPa，杨氏模量会超过15GPa，此时细合成纤维由于杨氏模量较低，不能有效抑制裂缝的发展。以往用钢纤维阻止硬化混凝土的开裂，提高混凝土韧性与抗冲击性能，但钢纤维存在锈蚀的问题，且掺量高时施工中有结团现象，也会磨损或损害搅拌器/车的圆筒及输送管道。粗合成纤维是一种新型的增强增韧材料，耐腐蚀，易分散，掺量低于钢纤维，能提高混凝土的抗干缩开裂与韧性，在恶劣环境中能替代钢纤维或焊接纤维网，抵抗温度应力，在路面工程中使用也不会损坏交通工具的轮胎。

但是，由于聚丙烯为疏水性聚合物，与混凝土基材没有可以相互作用的官能团，纤维与基材之间的界面性能受限，限制了聚丙烯粗纤维对混凝土的增韧效果。

中国专利ZL200410033670.X公开了一种混凝土用增强型改性聚丙烯粗纤维及其制备方法，其纤度为64-9300旦尼尔，当量直径为0.1mm-1.2mm，抗拉强度为280-500MPa，弹性模量为3800-5000MPa，极限拉伸率为15％-30％。并通过用含有亲水基团的高分子化合物与聚丙烯共混，固化前再经过物理和化学的方法对粗纤维表面进行凹凸螺纹处理，从而使粗纤维与混凝土之间有良好的握裹力，改善或提高混凝土的韧性，抗冲击，抗裂，抗冻，防渗，弯拉以及耐久性等综合性能。

中国专利ZL200620024146.5公布了一种工程用碳塑加强筋，其特点是在直径为0.5-0.8毫米的柱面上轴向分布有若干个相互平行的“V”或“U”形凹槽。

中国专利200510002624.8公开了一种异型塑钢纤维的生产方法，其直径为0.5-1.5mm，长度为20-60mm，通过先进的生产工艺和纤维结构的特殊处理，以获得表面粗糙，断面为五叶，六叶及多棱形状，横截面为凹凸形，波浪形，锯齿形状的纤维。

从以上对聚丙烯粗纤维的改进方法可以看出，现有技术的研究均集中在通过使用物理方法形成粗糙的表面与制备异型截面的粗纤维来提高其在混凝土中握裹力，从而发挥出粗纤维的增强效果。但仅仅通过物理方法或添加亲水性聚合物的方法来提高分散性，改善纤维-基材之间的界面还是存在一定的局限性；纤维与基材之间的界面无法充分被水化产物填充，亲水性聚合物的存在会使界面存在水膜聚集，使水灰比过大，相应增大了孔隙率，从而影响纤维的增强增韧效果。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种复合粗纤维，改善水泥混凝土的性能。此外，本发明还将提供采用上述复合粗纤维改性的混凝土及改性混凝土的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一方面，提供一种复合粗纤维，由基料和纤维束组成，所述基料的质量占比为20-50％。

优选的是，所述基料为聚烯烃或橡胶，所述纤维束为玄武岩纤维或碳纤维。

优选的是，所述聚烯烃类基料为PP或SBS。

PP为聚丙烯的简称，SBS为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物的简称。

优选的是，所述复合粗纤维直径为0.5-2㎜，长度为30-100㎜。

优选的是，所述复合粗纤维直径为0.5-1.2㎜，长度为50-80㎜。

本发明的第二方面，提供一种复合粗纤维改性混凝土，包括水泥混凝土和复合粗纤维，所述复合粗纤维由基料和纤维束组成，所述基料的质量占比为20-50％。

优选的是，所述基质为聚烯烃或橡胶，所述纤维束为玄武岩纤维或碳纤维。

优选的是，所述水泥混凝土和复合粗纤维的重量比为1000：(5-11)。

优选的是，所述复合粗纤维的抗拉强度大于1000MPa，模量大于50000MPa。

本发明的第三方面，提供一种制备复合粗纤维改性混凝土的方法，包括如下步骤：

S1，称取水泥混凝土和复合粗纤维；

S2，向水泥混凝土中加入复合粗纤维，干拌2-8秒，搅拌25-55秒，获得复合粗纤维改性混凝土。

本发明在复合粗纤维改性混凝土的制作过程中，向水泥混凝土中投入复合粗纤维，经充分搅拌，使纤维与水泥牢固结合，从而制得性能增强的水泥混凝土；通过采用无机纤维素复合的粗纤维可提高刚性、半刚性层接触的水泥路面底层的抗拉强度及抗折强度，解决路面反射裂纹。

优选的是，复合粗纤维添加后干拌2-5秒。

优选的是，搅拌时间为25-50秒。

优选的是，复合粗纤维由PP基料和玄武岩纤维复合而成，PP基料所占重量比为30-50％，所述复合粗纤维直径为0.5-2mm，长度为40-90mm。

PP基料熔点低，抗老化及低温性能均好，价格便宜。玄武岩纤维具有较高强度，性价比高，由PP/玄武岩型复合粗纤维改性的混凝土性价比较高，性能优良，还是绿色环保材料。

优选的是，PP基料/玄武岩复合粗纤维中，PP基料所占重量比为30-40％，所述复合粗纤维直径为0.5-1.5mm，长度为40-80mm。

进一步优选，所述的复合粗纤维直径为0.8-1.2㎜，长度为50-80㎜。如此既能适当保持单根纤维的强力，又能保持粗纤维适当的长径比。

更进一步优选，所述的复合粗纤维直径为1.0㎜，长度70㎜，如此既能适当保持单根高模量纤维的强力，又能保持高模量粗纤维适当的长径比，且能在混合料中均匀分散。

复合粗纤维添加完成后需要干拌，干拌时间对水泥混凝土的性能具有一定的影响。作为优选，制作时的干拌时间3秒，搅拌时间为30秒。该条件下，既能达到混凝土性能要求，又能保证工作效率。

优选的是，所述的复合粗纤维的抗拉强度大于1000MPa，模量大于50000MPa。

优选的是，所述的复合粗纤维的抗拉强度为1000-1200MPa，模量50000-60000MPa。上述复合粗纤维的力学指标有利于提高水泥混凝土的性能。

本发明复合粗纤维改性的水泥混凝土制作时采用粗纤维的力学指标为：抗拉强度为1000MPa，模量为51000MPa。该指标性价比较高，且具有高抗拉强度及高抗折强度。

与现有技术相比，本发明实现的有益效果：本发明的复合粗纤维与普通合成纤维相比具有较高的杨氏模量(50-100GPa)和较大抗收缩应力，与混凝土之间有较好的粘结锚固作用，可以有效吸收裂缝处的应力，抑制裂缝的形成和开展。随着混凝土强度的提高，粗纤维与混凝土的粘结锚固作用进一步增强，且抗蠕变性能更强，纤维对混凝土的增强作用更加具有优势；本发明的复合粗纤维与钢纤维相比，成本仅为1/3--1/10，不生锈，且具抗爆及混凝土强度恢复能力；本发明的复合粗纤维改性的水泥混凝土具有很高的抗拉强度及抗剪强度，能够防治反射裂纹对路面面层危害。

具体实施方式

一、水泥混凝土的选择

水泥混凝土包括水泥，砂，碎石，水，矿渣粉和减水剂。水泥采用42.5硅酸盐水泥；砂采用中砂，细度模数为2.8；碎石最大粒径为20mm，采用5-20mm连续级碎石，其中10-20mm碎石占68％，5-10mm碎石占32％；矿渣粉为S95矿渣粉；减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率为20-30％。

实施例1

取470kg水泥，706kg砂，1058kg碎石，144.5kg水，86kg矿渣粉，6.12kg减水剂制备水泥混凝土，取8kg复合粗纤维加入水泥混凝土中，干拌2秒，搅拌25秒，制得复合粗纤维改性的水泥混凝土。

实施例2

取430kg水泥，721kg砂，1082kg碎石，144.5kg水，86kg矿渣粉，5.68kg减水剂制备水泥混凝土，取8kg复合粗纤维加入水泥混凝土中，干拌2秒，搅拌25秒，制得复合粗纤维改性的水泥混凝土。

实施例3

取396kg水泥，735kg砂，1103kg碎石，144.5kg水，86kg矿渣粉，5.3kg减水剂制备水泥混凝土，取8kg复合粗纤维加入水泥混凝土中，干拌2秒，搅拌25秒，制得复合粗纤维改性的水泥混凝土。

将实施例1-3制得的水泥混凝土进行抗压、抗折强度实验，实验结果如表1所示。

表1

如表1，实施例1制备的复合粗纤维改性混凝土水胶比最小，7天抗压、抗折强度，28天抗压、抗折强度均最高；而实施例1、2、3均采用相同用量、相同配比的复合粗纤维，区别之处在于所选用的水泥混凝土不同，可见，实施例1中采用的水泥混凝土更适合被复合粗纤维进行改性，提高抗压、抗折性能。如下实施例4-10均采用实施例1中的水泥混凝土。

二、改性混凝土的制备

实施例4

复合粗纤维采用PP玻纤型粗纤维，PP含量为30％，PP在240℃件下，与玻璃纤维熔合，制得的PP玻纤型粗纤维的抗拉强度1000MPa，模量50000MPa，直径1㎜，长度70㎜；

向水泥混凝土中投加0.5％的复合粗纤维(以待改性的水泥混凝土重量为基准，即每吨水泥混凝土投加5kg复合粗纤维)，干拌2秒，搅拌25秒，制得复合粗纤维改性的水泥混凝土。

实施例5

复合粗纤维采用PP/玄武岩型粗纤维，PP含量为20％，PP在240℃件下，与玄武岩熔合，制得的PP/玄武岩型粗纤维的抗拉强度1000MPa，模量50000MPa，直径1㎜，长度70㎜；

向水泥混凝土中投加0.6％的复合粗纤维(以待改性的水泥混凝土重量为基准，即每吨水泥混凝土投加6kg复合粗纤维)，干拌3秒，搅拌30秒，制得复合粗纤维改性的水泥混凝土。

实施例6

复合粗纤维采用PP/玄武岩型粗纤维，PP含量为50％，PP在210℃件下，与玄武岩熔合，制得的PP/玄武岩型粗纤维的抗拉强度1100MPa，模量52000MPa，直径0.5㎜，长度30㎜；

向水泥混凝土中投加0.7％的复合粗纤维(以待改性的水泥混凝土重量为基准，即每吨水泥混凝土投加7kg复合粗纤维)，干拌4秒，搅拌35秒，制得复合粗纤维改性的水泥混凝土。

实施例7

复合粗纤维采用PP/玄武岩型粗纤维，PP含量为30％，PP在240℃件下，与玄武岩熔合，制得的PP/玄武岩型粗纤维的抗拉强度1000MPa，模量60000MPa，直径2㎜，长度100㎜；

向水泥混凝土中投加0.8％的复合粗纤维(以待改性的水泥混凝土重量为基准，即每吨水泥混凝土投加8kg复合粗纤维)，干拌5秒，搅拌40秒，制得复合粗纤维改性的水泥混凝土。

实施例8

复合粗纤维采用PP/玄武岩型粗纤维，PP含量为30％，PP在240℃件下，与玄武岩熔合，制得的PP/玄武岩型粗纤维的抗拉强度1200MPa，模量55000MPa，直径2㎜，长度100㎜；

向水泥混凝土中投加0.9％的复合粗纤维(以待改性的水泥混凝土重量为基准，即每吨水泥混凝土投加9kg复合粗纤维)，干拌6秒，搅拌45秒，制得复合粗纤维改性的水泥混凝土。

实施例9

复合粗纤维采用PP/玻纤型粗纤维，PP含量为40％，PP在250℃件下，与玻纤熔合，制得的PP/玻纤型粗纤维的抗拉强度1200MPa，模量55000MPa，直径1.2㎜，长度80㎜；

向水泥混凝土中投加1％的复合粗纤维(以待改性的水泥混凝土重量为基准，即每吨水泥混凝土投加10kg复合粗纤维)，干拌7秒，搅拌35秒，制得复合粗纤维改性的水泥混凝土。

实施例10

复合粗纤维采用SBS/玄武岩型粗纤维，SBS含量为30％，SBS在250℃件下，与玄武岩熔合，制得的SBS/玄武岩型粗纤维的抗拉强度1200MPa，模量55000MPa，直径1.2㎜，长度80㎜；

向水泥混凝土中投加1.1％的复合粗纤维(以待改性的水泥混凝土重量为基准，即每吨水泥混凝土投加11kg复合粗纤维)，干拌8秒，搅拌55秒，制得复合粗纤维改性的水泥混凝土。

对比例1

只用普通的水泥混凝土，无复合粗纤维。

对比例2

普通的水泥混凝土中加入聚丙烯粗纤维。

将实施例4-10，及对比例1，对比例2分别用于铺路面，经28天养护，抗压强度，抗折强度情况分别如表2和表3。

表2

表3

	抗折强度/MPa
		实施例4	5.1
实施例5	5.2
		实施例6	5.4
实施例7	5.7
		实施例8	5.9
实施例9	6.0
		实施例10	6.0
对比例1	4.2
		对比例2	4.8

如表2,3所示，加入复合粗纤维的水泥混凝土，其抗压、抗折强度均有明显增强。

上述的抗折强度试验符合JC/T 724的要求，抗压强度试验符合GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》中的要求。

上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好地使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。

Claims (9)

1.一种复合粗纤维，其特征在于，由基料和纤维束组成，所述基料的质量占比为20-50％。

2.如权利要求1所述的复合粗纤维，其特征在于，所述基料为聚烯烃或橡胶，所述纤维束为玄武岩纤维或碳纤维。

3.如权利要求1所述的复合粗纤维，其特征在于，所述复合粗纤维直径为0.5-2㎜，长度为30-100㎜。

4.如权利要求3所述的复合粗纤维，其特征在于，所述复合粗纤维直径为0.5-1.2㎜，长度为50-80㎜。

5.一种复合粗纤维改性混凝土，其特征在于，包括水泥混凝土和复合粗纤维，所述复合粗纤维由基料和纤维束组成，所述基料的质量占比为20-50％。

6.如权利要求5所述的复合粗纤维改性混凝土，其特征在于，所述基料为聚烯烃或橡胶，所述纤维束为玄武岩纤维或碳纤维。

7.如权利要求5所述的复合粗纤维改性混凝土，其特征在于，所述水泥混凝土和复合粗纤维的重量比为1000：(5-11)。

8.如权利要求5所述的复合粗纤维改性混凝土，其特征在于，所述复合粗纤维的抗拉强度大于1000MPa，模量大于50000MPa。

9.一种制备权利要求5-8任一项所述复合粗纤维改性混凝土的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，称取水泥混凝土和复合粗纤维；

S2，向水泥混凝土中加入复合粗纤维，干拌2-8秒，搅拌25-55秒，获得复合粗纤维改性混凝土。