CN109867496B - 一种混杂纤维增强增韧高强自密实混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种混杂纤维增强增韧高强自密实混凝土及其制备方法，本发明属于混凝土技术领域，解决了现有制备的自密实混凝土不能在提高混凝土基本力学性能的同时提高其弯曲韧性的缺点。该混凝土掺入纳米碳纤维和镀铜微丝钢纤维，抗压、劈裂、抗折强度和弯曲韧性均得到显著提高，可应用于对强度和韧性均有要求的过密配筋、薄壁、复杂形体等结构。制备方法是按重量称取水泥、粉煤灰、硅灰及镀铜微丝钢纤维并投入到混合骨料中，拌合均匀，将纳米碳纤维与聚羧酸高效减水剂以1：2的质量比加入适量水中，经超声波分散，制得纳米碳纤维混合液；最后将剩余水、聚羧酸高效减水剂及纳米碳纤维混合液投入干料中，搅拌均匀，即为纳米碳纤维和镀铜微丝钢纤维混杂纤维混凝土。
Description
技术领域
本发明属于混凝土技术领域，具体涉及一种增强增韧自密实混凝土及其制备方法。
背景技术
自密实混凝土凭借其在自身重力作用下，能够流动、密实，不需要附加振动即可成型的特点，解决了由于过密配筋、薄壁、复杂形体等结构下振捣困难的建造问题，同时，节省了劳动力资源，提高了施工效率；在绿色环保方面，降低了能源消耗，并消除了因振捣而带来的噪音污染。因其满足当下行业高效、节能的发展理念，而引起了广泛关注。
然而，自密实混凝土和普通混凝土同样存在抗裂性差、韧性差、低抗拉强度、低抗拉应变，易产生干缩裂纹和温度裂纹的弱点，且随着混凝土强度的提高，其脆性破坏特征更加明显。
纤维对于水泥基复合材料有增韧、增强、阻裂的作用。纤维的改性作用可使同等级的混凝土获得更好的强度和更优的韧性，且不同尺度、弹性模量的纤维混掺能发挥其各自优势，可使混凝土在多相、多层次上的性能得以改善。
钢纤维凭借其增强、增韧混凝土作用已被广泛应用。纳米碳纤维是一种新型材料，是通过气相碳氢化合物的裂解，制备出的非连续亚微米级尺寸的石墨纤维。具有较高的强度和弹性模量，较好的导电、导热能力及极好的表面效应和小尺寸效应。目前，纳米碳纤维水泥基复合材料的研究仍处于起步阶段。而且由于自密实混凝土在施工过程中对流动性有较高要求，目前还没有混杂纤维增强自密实混凝土的方案出现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混杂纤维增强增韧高强自密实混凝土及其制备方法，以解决现有技术所制备的自密实混凝土不能在提高混凝土基本力学性能的同时提高其弯曲韧性的缺点。该混凝土同时掺入纳米碳纤维和镀铜微丝钢纤维，抗压、劈裂、抗折强度和弯曲韧性均得到显著提高，可应用于对强度和韧性均有要求的过密配筋、薄壁、复杂形体等结构。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种混杂纤维增强增韧高强自密实混凝土，在混凝土基质中掺有为混凝土基质体积0.03％～0.09％的纳米碳纤维和混凝土基质体积0.6％～0.9％的镀铜微丝钢纤维，混凝土基质的重量分数组成为：粗骨料35-37份、细骨料31-33份、水泥17-18份、粉煤灰4-6份、硅灰2-3份、减水剂0.4-0.6份和水5-7份。
上述的混杂纤维增强增韧高强自密实混凝土，所述粗骨料为粒径5-20mm连续级配的碎石；所述细骨料为中砂；所述水泥为强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；所述硅灰为微硅粉；所述减水剂为聚羧酸减水剂。
上述的混杂纤维增强增韧高强自密实混凝土，所述纳米碳纤维为亚微米级尺寸纤维，单丝直径150-200nm，长度5-10μm。
上述的混杂纤维增强增韧高强自密实混凝土，所述镀铜微丝钢纤维为亚厘米级尺寸纤维，单丝直径175-350μm，长度13mm。
上述的混杂纤维增强增韧高强自密实混凝土的制备方法，包括如下步骤：
一、将按重量称取的粗骨料和细骨料投入到搅拌机中，搅拌均匀得混合骨料；
二、将按重量称取的水泥、粉煤灰、硅灰及镀铜微丝钢纤维投入到步骤一制得的混合骨料中，经拌合均匀得到干料；
三、按重量称取水和聚羧酸减水剂，将纳米碳纤维与聚羧酸减水剂以1：2的质量比加入适量水中，经超声波分散3min，制得纳米碳纤维混合液；
四、将剩余水、聚羧酸减水剂及步骤三中制得的纳米碳纤维混合液投入步骤二制得的干料中，搅拌均匀，所得即为纳米碳纤维和镀铜微丝钢纤维混杂纤维混凝土。
本发明的有益效果如下：
第一，通过以粉煤灰等量取代水泥，提高了混凝土的工作性能；通过以硅灰等量取代水泥，在提高混凝土强度的同时更有利于纳米碳纤维的分散。一方面，粉煤灰颗粒大都为玻璃微珠,呈圆球状,起到滚珠轴承作用,从而改善混凝土拌合物的混合容易性，利用粉煤灰产生“滚珠效应”。另一方面，粉煤灰的细度比水泥大,粉煤灰的加入使胶凝材料形成了更加合理的微集料级配,改善了水泥基材的孔结构,使原来水泥空隙中的水被粉煤灰置换出来为流动性作贡献,即利用粉煤灰的“微集料效应”。两种效应均有助于提高混凝土的流动性。
减水剂分子能定向吸附于水泥颗粒表面，使水泥颗粒表面带有同种电荷，形成静电排斥作用，促使水泥颗粒相互分散，释放出水泥颗粒包裹的部分拌合水，从而有效地增加混凝土拌合物的流动性。第二，明确地提出了一种碳纳米纤维分散方法，进而使得纳米碳纤维能够均匀分散在混凝土基体中。
第三，纳米碳纤维和镀铜微丝钢纤维通过对混凝土分别起到抑制微裂缝的发展和延缓宏观裂缝的产生的改性作用，使得高强自密实混凝土抗压、抗劈裂、抗折强度和韧性提高效果明显，混凝土破坏形态从脆性破坏转变成韧性破坏。
附图说明
图1为对照组混凝土受压破坏实验后试件形态照片；
图2为本发明方法制备的混凝土受压破坏实验后试件形态照片；
图3为对照组混凝土劈裂抗拉破坏实验后试件形态照片；
图4为本发明方法制备的混凝土劈裂抗拉破坏实验后试件形态照片；
图5为对照组混凝土抗折破坏实验后试件形态照片；
图6为本发明方法制备的混凝土抗折破坏实验后试件形态照片；
图7为混杂纤维增韧高强自密实混凝土免拆柱模的的薄壁成形试验中柱模钢模板的实物照片；
图8为柱模横截面示意图；
图9为柱模的实物照片。
具体实施方式
具体实施方式一：
一种混杂纤维增强增韧高强自密实混凝土，在混凝土基质中掺有为混凝土基质体积0.03％～0.09％的纳米碳纤维和混凝土基质体积0.6％～0.9％的镀铜微丝钢纤维，混凝土基质的重量分数组成为：每100份混凝土基质，粗骨料35-37份、细骨料31-33份、水泥17-18份、粉煤灰4-6份、硅灰2-3份、减水剂0.4-0.6份和水5-7份。
上述的混杂纤维增强增韧高强自密实混凝土，所述的纳米碳纤维的体积掺量为0.03％～0.09％，当纳米碳纤维体积掺量超出上述范围上限时，纤维将分散不均，无法在混凝土中很好地发挥改性作用。所述的镀铜微丝钢纤维体积掺量为0.6％～0.9％，当镀铜微丝钢纤维体积掺量超出上述范围上限时，纤维的互相搭接甚至部分结团会引起自密实混凝土的工作性能的大幅度下降，使得自密实混凝土不满足相应流动性指标。
上述的混杂纤维增强增韧高强自密实混凝土，所述粗骨料为粒径5-20mm连续级配的碎石；所述细骨料为中砂(中砂：粒径大于0.25mm的颗粒质量超过总质量的50％的砂。)；所述水泥为强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，满足规范《GB/T1596-2005用于水泥和混凝土中的粉煤灰》；所述硅灰满足规范《GB/T27690-2011砂浆和混凝土用硅灰》；所述减水剂为聚羧酸减水剂。
上述的混杂纤维增强增韧高强自密实混凝土，所述纳米碳纤维为亚微米级尺寸纤维，单丝直径150-200nm，长度5-10μm。
上述的混杂纤维增强增韧高强自密实混凝土，所述镀铜微丝钢纤维为亚厘米级尺寸纤维，单丝直径175-350μm，长度13mm。
上述的混杂纤维增强增韧高强自密实混凝土的制备方法，包括如下步骤：
一、将按重量称取的粗骨料和细骨料投入到搅拌机中，搅拌均匀得混合骨料；
二、将按重量称取的水泥、粉煤灰、硅灰及镀铜微丝钢纤维投入到步骤一制得的混合骨料中，经拌合均匀得到干料；
三、按重量称取水和聚羧酸减水剂，将纳米碳纤维与聚羧酸减水剂以1：2的质量比加入适量水中，经超声波分散3min，制得纳米碳纤维混合液；
四、将剩余水、聚羧酸减水剂及步骤三中制得的纳米碳纤维混合液投入步骤二制得的干料中，搅拌均匀，所得即为纳米碳纤维和镀铜微丝钢纤维混杂纤维混凝土。
实施例1：
抗压强度实验：本实施例共制作5组试件，其中1组不添加任何纤维作为对照组，4组纤维混凝土作为试验组。基体混凝土的重量分数组成为：每100份混凝土，粗骨料36份、细骨料32份、水泥18份、粉煤灰5份、硅灰2.5份、减水剂0.5份和水6份。
抗压强度测试采用边长为100mm的正方体，每组做6个试件，试验分组及测试结果如下：
从表中的试验数据可知，本发明通过适当的原料及混杂纤维配比可以充分发挥混杂纤维的有益作用，从而大幅度提高了混凝土的立方体抗压强度，分别比普通混凝土高出16.86％、11.97％、13.11％和18.99％。
实施例2：
劈裂抗拉强度：本实施例共制作5组试件，其中1组不添加任何纤维作为对照组，4组纤维混凝土作为试验组。
基体混凝土配合比同实施例1。
劈裂抗拉强度测试采用边长为100mm的正方体，每组做6个试件，试验分组及测试结果如下：
从表中的试验数据可知，本发明通过适当的原料及混杂纤维配比可以充分发挥混杂纤维的有益作用，从而大幅度提高了混凝土的劈裂抗拉强度，分别比普通混凝土高出29.17％、50.93％、47.39％和57.00％。
实施例3：
抗折强度：本实施例共制作5组试件，其中1组不添加任何纤维作为对照组，4组纤维混凝土作为试验组。
基体混凝土配合比同实施例1。
抗折强度测试采用100×100×400mm尺寸试件，每组做6个试件，试验分组及测试结果如下：
从表中的试验数据可知，本发明通过适当的原料及混杂纤维配比可以充分发挥混杂纤维的有益作用，从而大幅度提高了混凝土的抗折强度，分别比普通混凝土高出44.91％、46.76％、51.16％和53.24％。
实施例4：
弯曲韧性：本实施例共制作5组试件，其中1组不添加任何纤维作为对照组，4组纤维混凝土作为试验组。
基体混凝土配合比同实施例1。
弯曲韧性试验参考规范JG/T472-2015《钢纤维混凝土》，采用100×100×400mm尺寸试件，每组做3个试件，试验分组及测试结果如下：
注：Re，p为初始韧度比，Re,500、Re,300、Re,2500、Re,200、Re,150分为跨中挠度为500，300，250，200，150mm的弯曲韧度比。
由以上结果分析可知，本发明通过适当的原料及混杂纤维配比可以充分发挥混杂纤维的有益作用，从而提高了混凝土的初始弯曲韧性比，分别比普通混凝土高出19.15％、25.53％、23.40％和14.89％。此外，本发明使混凝土破坏形态由脆性破坏转变成韧性破坏，从本质上提高了混凝土开裂后的韧性。
图1和图2是受压破坏后试件形态。
图1为HSCC组，试件呈锥形破坏，图2为混杂纤维改性混凝土组，试件破坏整体形态较完整，表明纤维通过在混凝土中形成受力骨架在与混凝土共同承受压力的同时阻止混凝土的开裂。
图3和图4为劈裂抗拉试验破坏后试件形态。
图3为HSCC组，试件破坏后从中间裂成两半，脆性破坏明显。图4为混杂纤维改性混凝土组，试件破坏整体形态较完整，裂缝中拔出的和未拔出的纤维清晰可见，表明纤维通过从混凝土中拔出消耗能量，提高混凝土抗拉性能。
图5和图6为抗折试验破坏后试件形态。
图5为HSCC组，试件破坏后从中间裂成两半，脆性破坏明显。图6为混杂纤维改性混凝土组，试件底部微裂缝慢慢向上方延展成宏观裂缝，破坏形态为延性破坏。由裂缝中拔出的和未拔出的纤维可得知，纤维通过从混凝土中拔出消耗能量，提高混凝土抗折性能。
图7、图8和图9为使用了实施例SC-4组混杂纤维增韧高强自密实混凝土免拆柱模的薄壁成形试验，图7是钢模板的实物照片；图8是柱模横截面示意图；图中的长度单位为毫米；壁厚为25毫米，可以看出壁厚是比较薄的。图9为柱模的实物照片。可以看出，按照表面非常光滑，没有缺陷，证明混凝土的流动性是非常好的，能够满足技术上是需要。
Claims (1)
1.一种混杂纤维增强增韧高强自密实混凝土的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
一、将按重量称取的粗骨料和细骨料投入到搅拌机中，搅拌均匀得混合骨料；
二、将按重量称取的水泥、粉煤灰、硅灰及镀铜微丝钢纤维投入到步骤一制得的混合骨料中，经拌合均匀得到干料；
三、按重量称取水和聚羧酸减水剂，将纳米碳纤维与聚羧酸减水剂以1：2的质量比加入适量水中，经超声波分散3min，制得纳米碳纤维混合液；
四、将剩余水、聚羧酸减水剂及步骤三中制得的纳米碳纤维混合液投入步骤二制得的干料中，搅拌均匀，所得即为纳米碳纤维和镀铜微丝钢纤维混杂纤维混凝土；
纳米碳纤维和镀铜微丝钢纤维混杂纤维混凝土是在混凝土基质中掺有为混凝土基质体积0.06％的纳米碳纤维和混凝土基质体积0.9％的镀铜微丝钢纤维；混凝土基质的重量分数组成为：每100份混凝土，粗骨料36份、细骨料32份、水泥18份、粉煤灰5份、硅灰2.5份、减水剂0.5份和水6份；
所述纳米碳纤维为亚微米级尺寸纤维，单丝直径150-200nm，长度5-10μm；
所述镀铜微丝钢纤维为亚厘米级尺寸纤维，单丝直径175-350μm，长度13mm；
所述减水剂为聚羧酸减水剂；
所述粗骨料为粒径5-20mm连续级配的碎石；所述细骨料为中砂；所述水泥为强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；所述硅灰为微硅粉。
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