CN111454027A - 一种含混合纤维的复合型混凝土及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含混合纤维的复合型混凝土，包括水泥组合物和填充于水泥组合物的混合纤维，混合纤维包括钢纤维、碳纤维和聚丙烯纤维，钢纤维的形状为长条形、树枝状、柱形、多边形和多面体中的至少两种，钢纤维的表面皆覆盖有防腐层，防腐层为环氧树脂防锈层，环氧树脂防锈层的厚度为0.01‑0.05mm；钢纤维的表面为凹凸不平的粗糙面；碳纤维和聚丙烯纤维均为柱形纤维，碳纤维和聚丙烯纤维的表面也为凹凸不平的粗糙面；碳纤维和所述聚丙烯纤维的长径比30‑80，且碳纤维和聚丙烯纤维的直径为0.01‑0.02mm。本发明的混凝土综合性能佳，不仅具有抗侵蚀能力好、抗渗性能力佳的优点，而且抗拉能力强，塑性收缩能力优、抗弯承载力佳，使用寿命长。

Description

一种含混合纤维的复合型混凝土及其制作方法

技术领域

本发明涉及建筑用建筑原料技术及其制作领域，尤其涉及一种混凝土及其制作方法。

背景技术

混凝土材料由于其特有的性质，已被广泛应用于建筑、桥梁、隧道、港口等领域。为应对不同的工作环境和抵抗不同的荷载，单纯使用传统混凝土往往难以适应，因此，含混合纤维的复合型混凝土的研发与应用提上议程。与传统混凝土相比，高性能、多功能混凝土具有更高的强度和耐久性，且制备过程中掺入了各种外加剂或者纤维以达到不同的功能，可抵御干旱、高寒、高湿度等各种极端环境以及并能满足某些承受特种荷载的工况需要，内养护高强混凝土、相变控温混凝土、自修复混凝土、纤维混凝土等高性能、多功能混凝土逐渐成为研究热点。

内养护高强混凝土是指在混凝土的制备过程中掺入内养护材料。提高混凝土强度的常用手段是降低其水胶比，但这会影响混凝土的水化程度且混凝土的温度变化和收缩也较大，容易引起混凝土的早期开裂。在混凝土中掺入内养护材料，在水分不足时释放水分使水化作用继续，进而减小混凝土的自收缩。内养护材料主要分为两类：高吸水聚合物和饱水轻集料。加入适当量的高吸水聚合物或饱水轻集料对减小混凝土的自收缩有显著影响，且由于充分的水化作用，使得混凝土变得密实，抗渗性也得到了提高，但超过一定限值后会对混凝土的强度产生不利影响。目前，内养护技术仍有不足，体现在配合比仍需优化、内养护材料易离析、对混凝土微观结构有影响、成本相对较高等。

在混凝土基材中添加各类纤维是提高混凝土韧性的有效途径，纤维的种类有钢纤维、碳纤维、玄武岩纤维、聚丙烯纤维以及混杂纤维等。钢纤维混凝土的立方体抗压强度、抗弯强度随着钢纤维掺量的增加而增大，对混凝土的阻裂作用明显，而对混凝土起裂的限制作用不明显，钢纤维在混凝土中的作用具有显著的尺寸效应；碳纤维表面粗糙,与水泥基体有良好的物理结合,从而使混凝土呈现出良好的塑性变形特性，并能明显提高混凝土的弹性模量，在一定的纤维和集料用量下,还可以达到一定的抗冻性，但其成本较高；玄武岩纤维与碳纤维等相比有性价比优势，其抗拉强度高、耐腐蚀、耐高温、抗裂性能好，在混凝土中掺加乱向短切玄武岩纤维后,混凝土的强度、抗裂性能、抗压和抗折强度得到了明显改善，但纤维掺量达到一定范围后会影响混凝土的强度及抗弯冲击性能；聚丙烯纤维虽不能提高强度却能在极低掺量下阻止温度变化产生的裂缝和塑性收缩裂缝，可有效地抑制冻融引起的破坏，还能减少混凝土的早期塑性收缩裂纹并阻止它们的发展,从而提高其抗渗性；理论上，混杂纤维指不同品质的纤维混杂或同种品质不同几何形态的纤维混杂，不止是改善了混凝土某一层次的性能，而是从整体上提高了混凝土的性能，但也有可能混合的比例不合适，导致最终混凝土的各个性能都降低。

外加剂和掺入纤维的研究也是研发高性能、多功能混凝土的重点。因此，如何在众多的外加剂和掺入纤维中选出更为有效的种类，满足高性能、多功能混凝土在特定工况下的使用，同时又经济高效，仍然是目前亟待解决的难题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种含混合纤维的复合型混凝土，不仅具有抗侵蚀能力好、抗渗性能力佳的优点，而且抗拉能力强，塑性收缩能力优、抗弯承载力佳，使用寿命长。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种含混合纤维的复合型混凝土，所述混凝土包括水泥组合物和填充于所述水泥组合物的混合纤维，所述混合纤维包括钢纤维、碳纤维和聚丙烯纤维，所述钢纤维的形状为长条形、树枝状、柱形、多边形和多面体中的至少两种，所述钢纤维的体积占所述混凝土总体积的0.4％-1.5％，所述碳纤维的体积占所述混凝土总体积的0.2％-0.4％，所述聚丙烯纤维占所述混凝土总体积的0.1％-0.3％；

所述水泥组合物包括以下重量份的原料：硅酸盐水泥为300-400份、陶粒为200-250份、陶砂为150-200份、碎石为100-120份、硅灰为50-80份、粉煤灰为40-60份、玻璃微珠为50-70份、分子筛为15-20份、气相二氧化硅为12-18份、阻锈剂1-2份、抗凝剂为3-5份、减水剂为3-6份和水为150-200份；

所述淘砂的最大粒径小于2.8mm，所述碎石的最大粒径小于7mm；

所述钢纤维的表面皆覆盖有防腐层，所述防腐层为环氧树脂防锈层，所述环氧树脂防锈层的厚度为0.01-0.05mm；

所述钢纤维的表面为凹凸不平的粗糙面；

所述碳纤维和所述聚丙烯纤维均为柱形纤维，所述碳纤维和所述聚丙烯纤维的表面也为凹凸不平的粗糙面；

所述碳纤维和所述聚丙烯纤维的长径比30-80，且所述碳纤维和所述聚丙烯纤维的直径为0.01-0.02mm。

为解决上述技术问题，本发明采用的进一步技术方案是：所述环氧树脂防锈层包括以下重量百分含量的原料：环氧树脂为35-45％、增韧剂为13-15％、防锈剂为20-30％、硅烷偶联剂为15-20％、聚酰胺固化剂为3-5％和腰果酚类固化剂为4-6％。

进一步地说，所述钢纤维的形状为长条形、树枝状、柱形和多边形，其中长条形的钢纤维、树枝状的钢纤维、柱形的钢纤维和多边形的钢纤维的体积比为1：(2-3)：(2.5-3.5)：(2.2-2.8)。

进一步地说，所述分子筛为天然沸石分子筛或者合成沸石分子筛，所述分子筛的比表面积为500-800m²/g。

进一步地说，所述陶粒选自铝钒土陶粒砂、黏土陶粒和页岩陶粒中的至少一种。

进一步地说，所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，所述聚羧酸系高性能减水剂的堆积密度为500-550g/L，烧失量≥85wt％，氯离子含量≤0.1wt％，水泥净浆流动度≥240mm，砂浆减水率≥20％。

进一步地说，所述聚羧酸系高性能减水剂为郑州赛裕化工产品有限公司的型号为PM109的聚羧酸减水剂。

进一步地说，所述抗凝剂为多聚磷酸钠混合体、多聚磷酸钾混合体、多聚磷酸钙混合体的一种或几种。

进一步地说，所述粗糙面的凹凸不平指的是布满圆弧形的凹坑，所述凹坑的深度为所述钢纤维的厚度或直径的0.1-0.2倍。

本发明还提供了一种含混合纤维的复合型混凝土的制作方法，按照下述步骤进行：

步骤一、将钢纤维置于用于形成环氧树脂防锈层的原料液中，并搅拌5-10min，使得所述钢纤维的表面均匀涂有原料液，然后在90-140℃的条件下烘干10-15min；

步骤二、将陶粒、陶砂、玻璃微珠、分子筛、气相二氧化硅和一半的水混合均匀，并浸泡至玻璃微珠、分子筛和气相二氧化硅充分吸收水分；

步骤三、将水泥组合物原料配方中的剩余的材料和步骤二中制得的混合物混合，同时将碳纤维、聚丙烯纤维和步骤一中制得的钢纤维加入，搅拌混合均匀，即得所述混凝土。

本发明的有益效果是：

本发明的混凝土包括水泥组合物和填充于所述水泥组合物的混合纤维，混合纤维包括钢纤维、碳纤维和聚丙烯纤维，钢纤维的形状为长条形、树枝状、柱形、多边形和多面体中的至少两种，水泥组合物的配方设计合理，使得本发明的混凝土综合性能佳，不仅具有抗侵蚀能力好、抗渗性能力佳的优点，而且抗拉能力强，塑性收缩能力优、抗弯承载力佳，使用寿命长；具体体现如下：

一、本发明的混凝土中填充有多种纤维，其中钢纤维具有抗压强度佳、抗弯强度佳的特点，但对混凝土的阻裂作用不明显，碳纤维具有塑性变形的特性，但其成本较高，聚丙烯纤维虽不能提高强度却能在极低掺量下阻止温度变化产生的裂缝和塑性收缩裂缝，本发明通过三者的合理配比，以及通过加入的减水剂和抗凝剂等，使得上述三种纤维的有优点发挥的十分充分，使得本发明的混凝土具有抗压强度佳、抗弯强度佳、塑性变形、成本不高，以及能在极低掺量下阻止温度变化产生的裂缝和塑性收缩裂缝的优点；

二、本发明的钢纤维采用多种形状的钢纤维，其能均布减小混凝土内部的应力，提高混凝土的抗剪切强度；且钢纤维、碳纤维和聚丙烯纤维的表面均为凹凸不平的粗糙面，采用粗糙面能够大大提高混合纤维与水泥组合物的结合力，提高密实度，进一步提高混凝土的承重能力、抗压强度和抗弯强度等；

三、本发明的钢纤维的表面皆覆盖有环氧树脂防锈层，其中采用的环氧树脂、增韧剂、防锈剂、硅烷偶联剂、聚酰胺固化剂和腰果酚类固化剂，配方合理，性能优越，能在钢纤维表面形成的一层惰性、低表面能的氧化物薄膜；且水泥组合物中也含有一定量的阻锈剂，有明显促凝作用，减少坍落度损失，而且在钢纤维表面形成致密的保护层，当有害离子(如氯离子)侵入混凝土结构中，它能有效的抑制、阻止和延缓钢纤维锈蚀的电化学反应过程，通过二者的作用，大大提高钢纤维的抗侵蚀能力和耐酸耐碱能力，进而保证混凝土强度，从而延长混凝土的使用寿命；

四、本发明的水泥组合物配方合理，大大优化了混凝土的凝胶部分的性能，硅酸盐水泥可以提高水泥的韧性和强度，可以提高混凝土与其他组分之间的结合性能；同时本发明还通过添加碎石、硅灰和粉煤灰等辅助材料，虽然以上的辅助材料是常见的辅料，但是通过整体的优化，一方面降低混凝土的成本，同时还会提高混凝土的力学性能以及粘结性能；通过添加的陶粒、陶砂、玻璃微珠、气相二氧化硅和分子筛，可以充分利用前三者的空心或具有空隙的结构，以及气相二氧化硅和分子筛的吸湿性，适当吸收水泥组合物中的水分，在混凝土经过一段时间水分不足时释放水分使水化作用继续，进而减小混凝土的自收缩，且由于充分的水化作用，使得混凝土变得密实，抗渗性也得到了提高；更佳的是，本发明的减水剂其减水率高、分散性好、坍落度损失小且非常的环保。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的具体实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的优点及功效。本发明也可以其它不同的方式予以实施，即，在不背离本发明所揭示的范畴下，能予不同的修饰与改变。

实施例：一种含混合纤维的复合型混凝土，所述混凝土包括水泥组合物和填充于所述水泥组合物的混合纤维，所述混合纤维包括钢纤维、碳纤维和聚丙烯纤维，所述钢纤维的形状为长条形、树枝状、柱形、多边形和多面体中的至少两种，所述钢纤维的体积占所述混凝土总体积的0.4％-1.5％，所述碳纤维的体积占所述混凝土总体积的0.2％-0.4％，所述聚丙烯纤维占所述混凝土总体积的0.1％-0.3％；

所述水泥组合物包括以下重量份的原料：硅酸盐水泥为300-400份、陶粒为200-250份、陶砂为150-200份、碎石为100-120份、硅灰为50-80份、粉煤灰为40-60份、玻璃微珠为50-70份、分子筛为15-20份、气相二氧化硅为12-18份、阻锈剂1-2份、抗凝剂为3-5份、减水剂为3-6份和水为150-200份；

所述淘砂的最大粒径小于2.8mm，所述碎石的最大粒径小于7mm；

所述钢纤维的表面皆覆盖有防腐层，所述防腐层为环氧树脂防锈层，所述环氧树脂防锈层的厚度为0.01-0.05mm；

所述钢纤维的表面为凹凸不平的粗糙面；

所述碳纤维和所述聚丙烯纤维均为柱形纤维，所述碳纤维和所述聚丙烯纤维的表面也为凹凸不平的粗糙面；

所述碳纤维和所述聚丙烯纤维的长径比30-80，且所述碳纤维和所述聚丙烯纤维的直径为0.01-0.02mm。

本实施例中，所述防锈剂为磺酸盐类、羧酸及其皂类或酯类防锈剂。

所述环氧树脂防锈层包括以下重量百分含量的原料：环氧树脂为35-45％、增韧剂为13-15％、防锈剂为20-30％、硅烷偶联剂为15-20％、聚酰胺固化剂为3-5％和腰果酚类固化剂为4-6％。

所述钢纤维的形状为长条形、树枝状、柱形和多边形，其中长条形的钢纤维、树枝状的钢纤维、柱形的钢纤维和多边形的钢纤维的体积比为1：(2-3)：(2.5-3.5)：(2.2-2.8)。

所述分子筛为天然沸石分子筛或者合成沸石分子筛，所述分子筛的比表面积为500-800m²/g。

所述陶粒选自铝钒土陶粒砂、黏土陶粒和页岩陶粒中的至少一种。

所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，所述聚羧酸系高性能减水剂的堆积密度为500-550g/L，烧失量≥85wt％，氯离子含量≤0.1wt％，水泥净浆流动度≥240mm，砂浆减水率≥20％。

所述聚羧酸系高性能减水剂为郑州赛裕化工产品有限公司的型号为PM109的聚羧酸减水剂。

所述抗凝剂为多聚磷酸钠混合体、多聚磷酸钾混合体、多聚磷酸钙混合体的一种或几种。

所述粗糙面的凹凸不平指的是布满圆弧形的凹坑，所述凹坑的深度为所述钢纤维的厚度或直径的0.1-0.2倍。较佳的为前者，当然凹坑的形状也可以为其它的。

实施例1到实施例5的环氧树脂防锈层的配方和混凝土的配方分别如表1和表2所示。

表2：

备注：实施例1和实施例2中，所述钢纤维的体积占所述混凝土总体积的0.4％，所述碳纤维的体积占所述混凝土总体积的0.4％，所述聚丙烯纤维占所述混凝土总体积的0.3％；其中长条形的钢纤维、树枝状的钢纤维、柱形的钢纤维和多边形的钢纤维的体积比为1：2：2.5：2.8；

实施例3和实施例4中，所述钢纤维的体积占所述混凝土总体积的1.0％，所述碳纤维的体积占所述混凝土总体积的0.3％，所述聚丙烯纤维占所述混凝土总体积的0.2％；其中长条形的钢纤维、树枝状的钢纤维、柱形的钢纤维和多边形的钢纤维的体积比为1：3：3：2.5；

实施例5中，所述钢纤维的体积占所述混凝土总体积的1.5％，所述碳纤维的体积占所述混凝土总体积的0.2％，所述聚丙烯纤维占所述混凝土总体积的0.1％；其中长条形的钢纤维、树枝状的钢纤维、柱形的钢纤维和多边形的钢纤维的体积比为1：2.5：3.5：2.2。

实施例1到实施例5的所述的一种含混合纤维的复合型混凝土的制作方法，按照下述步骤进行：

步骤一、将钢纤维置于用于形成环氧树脂防锈层的原料液中，并搅拌5-10min，使得所述钢纤维的表面均匀涂有原料液，然后在90-140℃的条件下烘干10-15min；

步骤二、将陶粒、陶砂、玻璃微珠、分子筛、气相二氧化硅和一半的水混合均匀，并浸泡至玻璃微珠、分子筛和气相二氧化硅充分吸收水分；

步骤三、将水泥组合物原料配方中的剩余的材料和步骤二中制得的混合物混合，同时将碳纤维、聚丙烯纤维和步骤一中制得的钢纤维加入，搅拌混合均匀，即得所述混凝土。

按照上述方法和配方制备的混凝土，包括水泥组合物和填充于所述水泥组合物的混合纤维，混合纤维包括钢纤维、碳纤维和聚丙烯纤维，钢纤维的形状为长条形、树枝状、柱形、多边形和多面体中的至少两种，水泥组合物的配方设计合理，使得本发明的混凝土综合性能佳，不仅具有抗侵蚀能力好、抗渗性能力佳的优点，而且抗拉能力强，塑性收缩能力优、抗弯承载力佳，使用寿命长。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种含混合纤维的复合型混凝土，其特征在于：所述混凝土包括水泥组合物和填充于所述水泥组合物的混合纤维，所述混合纤维包括钢纤维、碳纤维和聚丙烯纤维，所述钢纤维的形状为长条形、树枝状、柱形、多边形和多面体中的至少两种，所述钢纤维的体积占所述混凝土总体积的0.4％-1.5％，所述碳纤维的体积占所述混凝土总体积的0.2％-0.4％，所述聚丙烯纤维占所述混凝土总体积的0.1％-0.3％；

所述水泥组合物包括以下重量份的原料：硅酸盐水泥为300-400份、陶粒为200-250份、陶砂为150-200份、碎石为100-120份、硅灰为50-80份、粉煤灰为40-60份、玻璃微珠为50-70份、分子筛为15-20份、气相二氧化硅为12-18份、阻锈剂1-2份、抗凝剂为3-5份、减水剂为3-6份和水为150-200份；

所述淘砂的最大粒径小于2.8mm，所述碎石的最大粒径小于7mm；

所述钢纤维的表面皆覆盖有防腐层，所述防腐层为环氧树脂防锈层，所述环氧树脂防锈层的厚度为0.01-0.05mm；

所述钢纤维的表面为凹凸不平的粗糙面；

所述碳纤维和所述聚丙烯纤维均为柱形纤维，所述碳纤维和所述聚丙烯纤维的表面也为凹凸不平的粗糙面；

所述碳纤维和所述聚丙烯纤维的长径比30-80，且所述碳纤维和所述聚丙烯纤维的直径为0.01-0.02mm。

2.根据权利要求1所述的一种含混合纤维的复合型混凝土，其特征在于：所述环氧树脂防锈层包括以下重量百分含量的原料：环氧树脂为35-45％、增韧剂为13-15％、防锈剂为20-30％、硅烷偶联剂为15-20％、聚酰胺固化剂为3-5％和腰果酚类固化剂为4-6％。

3.根据权利要求1所述的一种含混合纤维的复合型混凝土，其特征在于：所述钢纤维的形状为长条形、树枝状、柱形和多边形，其中长条形的钢纤维、树枝状的钢纤维、柱形的钢纤维和多边形的钢纤维的体积比为1：(2-3)：(2.5-3.5)：(2.2-2.8)。

4.根据权利要求1所述的一种含混合纤维的复合型混凝土，其特征在于：所述分子筛为天然沸石分子筛或者合成沸石分子筛，所述分子筛的比表面积为500-800m²/g。

5.根据权利要求1所述的一种含混合纤维的复合型混凝土，其特征在于：所述陶粒选自铝钒土陶粒砂、黏土陶粒和页岩陶粒中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的一种含混合纤维的复合型混凝土，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，所述聚羧酸系高性能减水剂的堆积密度为500-550g/L，烧失量≥85wt％，氯离子含量≤0.1wt％，水泥净浆流动度≥240mm，砂浆减水率≥20％。

7.根据权利要求6所述的一种含混合纤维的复合型混凝土，其特征在于：所述聚羧酸系高性能减水剂为郑州赛裕化工产品有限公司的型号为PM109的聚羧酸减水剂。

8.根据权利要求1所述的一种含混合纤维的复合型混凝土，其特征在于：所述抗凝剂为多聚磷酸钠混合体、多聚磷酸钾混合体、多聚磷酸钙混合体的一种或几种。

9.根据权利要求1所述的一种含混合纤维的复合型混凝土，其特征在于：所述粗糙面的凹凸不平指的是布满圆弧形的凹坑，所述凹坑的深度为所述钢纤维的厚度或直径的0.1-0.2倍。

10.根据权利要求1所述的一种含混合纤维的复合型混凝土的制作方法，其特征在于：按照下述步骤进行：

步骤一、将钢纤维置于用于形成环氧树脂防锈层的原料液中，并搅拌5-10min，使得所述钢纤维的表面均匀涂有原料液，然后在90-140℃的条件下烘干10-15min；

步骤二、将陶粒、陶砂、玻璃微珠、分子筛、气相二氧化硅和一半的水混合均匀，并浸泡至玻璃微珠、分子筛和气相二氧化硅充分吸收水分；

步骤三、将水泥组合物原料配方中的剩余的材料和步骤二中制得的混合物混合，同时将碳纤维、聚丙烯纤维和步骤一中制得的钢纤维加入，搅拌混合均匀，即得所述混凝土。