CN113087434A - 用于混凝土的秸秆及聚合物复合纤维增强材料、其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用于混凝土的秸秆及聚合物复合纤维增强材料、其制备方法，属于复合纤维增强材料技术领域。该用于混凝土的秸秆及聚合物复合纤维增强材料包括体积分数为0.5％‑99.5％的秸秆和体积分数为0.5％‑99.5％的聚合物，秸秆和聚合物的体积分数合计100％；复合纤维增强材料为细长的扁平结构。本发明能够提高混凝土的抗拉强度，降低生产成本。

Description

用于混凝土的秸秆及聚合物复合纤维增强材料、其制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种复合纤维增强材料领域的技术，具体是一种用于混凝土的秸秆及聚合物复合纤维增强材料、其制备方法。

背景技术

几十年来，纤维增强混凝土已在建筑业中得到了广泛的应用，并且纤维的发展也已经取得了长足的进步。钢和聚丙烯是两种应用最广泛的纤维增强材料。钢是与混凝土结合良好的最理想材料之一，而聚丙烯因其耐久性和延展性而得到了充分证明。

然而，钢和聚丙烯纤维在环境可持续性方面面临难题，并且在大规模应用中(例如，使用大量混凝土的大型工业底层楼板或大跨度结构)也很昂贵。钢铁生产会产生有害气体排放和废水污染，因而对环境有影响。特别是由于上世纪末开始出现的全球变暖和气候变化，使得二氧化碳排放处于环境政策问题的首位。同样，聚丙烯是最广泛使用的塑料形式之一，并且以其对环境和健康的危害而闻名。有毒塑料正以前所未有的数量损害着海洋生物。在意识到这些后果之后，人们才开始慢慢使用起可再生材料，这肯定也会影响到建筑材料。

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明由此而来。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种用于混凝土的秸秆及聚合物复合纤维增强材料、其制备方法，能够提高混凝土的抗拉强度，降低生产成本。

本发明第一方面提供一种用于混凝土的秸秆及聚合物复合纤维增强材料。该复合纤维增强材料可以被填充、涂覆或以其他方式改性。一般来说，可以使用任何类型可用于形成复合纤维增强材料的聚合物或秸秆，只要该聚合物或秸秆可以适当地制造、压制和切割成合适的尺寸，以便可将其添加到混凝土中。

本发明中秸秆可以表示为f(s)，来自稻子、小麦、玉米、大麦、小米等。

稻子和小麦产量大，是大多数地区的主食，也是秸秆的主要来源。稻子和小麦收割后，秸秆留在地里，用作动物饲料或在露天焚烧。在国内，露天焚烧稻草每年都会造成巨大的环境污染危机。产生秸秆的其他主要谷物还有玉米、大麦、小米和黑麦。玉米、小麦和稻米加起来占全世界谷物总产量的近90％，占所有食物卡路里的一半。因此，复合纤维增强材料的第一组分可以是稻子、小麦、玉米、大麦或任何其他谷类作物的秸秆。

不过，从根本上讲，秸秆是一种用作建筑材料的脆弱材料，材料密度较低，并且具有吸湿性。当与混凝土混合时，会显著降低混凝土的强度。而超强复合材料在航空航天业的高性能材料中很常见，但在建筑中很少使用。本发明将秸秆与聚合物混合制成复合纤维，目的是制成一种适用于混凝土复合纤维增强材料，提高混凝土的抗拉强度，减少开裂，并提供足够的延展性，以避免脆性破坏。

有几种聚合物已用于建筑业。聚合物是一种很长的分子，通常由同一种化合物多次重复构成。用于制造这些纤维的化合物来自石油基化学品或石化产品等原材料。这些材料通过将两个相邻的碳原子结合在一起而聚合成一种长的线性化学物质。不同的化合物将用于生产不同类型的合成纤维。最广泛使用的聚合物形式包括塑料、橡胶、热塑性弹性体、粘合剂、泡沫、油漆和密封剂。地板、窗户、覆层、雨水设施、管道、薄膜、密封件、玻璃、隔热材料和标牌等区域已经使用了聚合物及其不同形式，但是将聚合物用作结构材料仍处于萌芽阶段。

相对于丝、麻、羊毛和橡胶之类的天然聚合物，合成纤维具有坚固、耐用和防水的特性，并且可以进行热处理，从而轻松地制成复合纤维增强材料，因而复合纤维增强材料的第二组分可以是聚合物。合成纤维包括聚丙烯、聚乙烯醇、超支化聚合物、聚苯乙烯、聚氯乙烯、尼龙和聚乙烯。尽管每年生产的聚合物种类繁多，但上面列出的聚合物更便宜且易于获得，可以进行热处理以与秸秆混合。

用于制造复合纤维增强材料的聚合物可以表示为f(p)，p为由一种或多种聚合物组成的变量，包括A型聚合物、B型聚合物和C型聚合物中至少一种。

f(A)对应A型聚合物，选自聚丙烯、聚乙烯、膨胀聚苯乙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、热塑性聚氨酯中至少一种。

f(B)对应B型聚合物，选自聚乙烯醇、聚氯乙烯、尼龙、聚对苯撑苯并双恶唑、对位芳纶、间位芳香族聚酰胺、聚酰亚胺、聚芳酯中至少一种。

f(C)对应C型聚合物，选自聚氨酯、环氧树脂、超支化聚合物、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚氯丁二烯中至少一种，C型聚合物使用较少，一般根据复合纤维增强材料基体的所需性能用于制造聚合物共混物。

复合纤维增强材料可以用主要成分的名称来称呼，例如聚丙烯复合纤维增强材料，水稻秸秆复合纤维增强材料。实际制造中需要考虑秸秆的易得性、聚合物和秸秆的强度、混凝土基质的形成以及复合纤维增强材料在混凝土中的分布性，但聚合物或秸秆的选择不构成对本发明的限制。

复合纤维增强材料可以表示为f(p,s)，则，

v_c＝v_s+v_p，W_c＝W_s+W_p，其中，

v_c为复合纤维增强材料的体积分数，100％；

v_s为秸秆的体积分数，以百分比表示；

v_p为聚合物的体积分数，以百分比表示；

W_c为复合纤维增强材料混合物的总重量，单位为kg；

W_s为秸秆的重量，单位为kg，W_s＝v_sW_c；

W_p为聚合物的重量，单位为kg，W_p＝v_pW_c；

复合纤维增强材料中聚合物和秸秆的体积各自在0.5％至99.5％之间变化，随着聚合物体积的增加，秸秆的体积相应减少，反之亦然，具体含量取决于设计要求。

本发明第二方面提供上述复合纤维增强材料的制备方法

本发明第二方面提供上述复合纤维增强材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将秸秆切割粉碎成秸秆粉末，干燥后与部分聚合物粉体一起加入干混设备中干混处理；

2)收集干混处理得到的干混颗粒料，将干混颗粒料通过成对设置的滚筒加压喂入板材加工设备中，将剩余聚合物粉体通过漏斗加入板材加工设备中，制成板材；加热板材，通过牵引机构将加热的板材拉出板材加工设备，拉出过程中加热的板材经成对设置的滚筒轧制成薄片材；

3)将薄片材切成长度45-50mm、宽度1mm、厚度0.5mm的纤维段。

纤维的形状和取向至关重要，例如US3616589A中的增强元件由高强度钢丝、棒或带制成，这些高强度钢丝、棒或带每个都呈环形或其他不带自由端的封闭形状，因此它们不会因两种材料之间的粘结失效而相对于基体滑动。然而，这些纤维在混入混凝土中时可能会产生有害作用，因为它们有可能交织成球并集中在一起。另外，也有一些技术对纤维的横截面形状和轴向几何结构进行了改进；US3616589A提出了一种用于增强水泥基材料的金属纤维，该金属纤维包括基本上笔直的细长中间段和正弦形端部；US5981630A发明了成正弦状且具有圆形横截面的纤维，以提高粘结强度；US2015/0184318A1提出了一种制造纤维的方法，该方法包括将圆形线材制成纤维，并且同时牵拉和扭转纤维，以增大拉出力，其中该纤维的横截面形状限定为长径比1.53-1.88的截圆。

众所周知地，添加至混凝土的纤维等增强材料需要粗糙的几何结构，才能与混凝土有效粘结，提高混凝土的性能。但是秸秆的加入，使得上述改善纤维几何结构的方法都难以发挥作用，因为秸秆不像金属那样易延展并且也不易加工。

本发明确定了纤维形状、尺寸、增强效果和可加工性之间的关系。就秸秆而言，最重要的特性之一是抗拉强度，采用扁平结构纤维段可以发挥秸秆的抗拉性能。将复合纤维增强材料切成长度45-50mm、宽度1mm、厚度0.5mm的扁平纤维段保证了其优异的可加工性，又保证了扁平纤维段在不形成球的情况下顺利混合于混凝土中。该扁平结构纤维段能够像钢纤维一样，均匀地分散在液态混凝土中。

优选地，改变扁平结构纤维段的表面粗糙度，以产生更大的摩擦力，可以提高其与混凝土的粘结性能。另一方面，扁平纤维可以具有齿形外轮廓，从而具有波峰和波谷，以增大表面粗糙度和拉出强度。这种复合纤维增强材料可以根据需要对其表面粗糙度和外轮廓形状进行调整。

技术效果

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1)通过将秸秆粉末与部分聚合物先干混混合，再加入剩余聚合物制成板材，提高了聚合物和秸秆之间的结合强度，提高了板材质量；

3)通过与聚合物复合克服了秸秆材料密度低、脆性、吸湿性的缺陷，发挥了秸秆抗拉强度好的优点，有利于减少混凝土开裂，并提供足够的延展性，以避免脆性破坏；对于混凝土，采用秸秆代替石基纤维，添加成本低；

4)避免了露天焚烧秸秆，可相应减少二氧化碳排放量；且已有证据表明1吨钢纤维排放的温室气体量与2吨天然纤维排放的温室气体量相当，证明秸秆及聚合物复合纤维增强材料有利于环境可持续性发展。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件进行。

实施例1

本实施例以稻草和聚丙烯为主要原料制备了复合纤维增强材料。

如果复合纤维增强材料的重量为10kg，则，

A型聚合物为聚丙烯，v_A＝60％，W_A＝6kg；

B型聚合物为聚乙烯醇，v_B＝15％，W_B＝1.5kg；

C型聚合物为超支化聚合物，v_C＝5％，W_C＝0.5kg；

秸秆为稻草，v_s＝20％，W_s＝2kg。

实施例2

本实施例制造了一种纤维复合材料，命名为SPC，包括体积分数为35％稻草和体积分数为65％的A型聚合物，A型聚合物采用聚丙烯。

对八个不同的纯聚丙烯纤维样品进行测试，确定聚丙烯纤维平均抗拉强度为31.09MPa；采用同样的方式测得生稻草的抗拉强度为198.5MPa，以及SPC复合纤维增强材料的抗拉强度为30.74MPa。

复合纤维增强材料的抗拉强度可以通过不同组分材料在复合材料中的体积分数及各自的抗拉强度确定。一方面，对于与聚合物基体混合时不相容性较大的农作物纤维，不能直接应用上述规则。另一方面，随着秸秆体积分数的增加，复合纤维增强材料的抗拉强度也会同步增加，但在实际状况中，聚合物添加量不足将严重影响抗拉强度，即秸秆体积分数无法无限增加。因此，设计者必须适当考虑聚合物和秸秆的量，以确定所需农作物纤维复合材料的抗拉强度。

本实施例根据实验确定了相应的修正系数，0.33，修正后的抗拉强度可以表示为：

σ_f＝0.33(σ_pV_p+σ_sV_s)，其中，

σ_f为复合纤维增强材料的抗拉强度，单位为Mpa；

σ_p为聚合物的抗拉强度，单位为MPa；

σ_s为秸秆的抗拉强度，单位为MPa。

同样，复合纤维增强材料的弹性模量可以表示为与抗拉强度类似的等式，如下：

E_f＝0.33(E_pV_p+E_sV_s)，其中，

E_f为复合纤维增强材料的杨氏模量，单位为Mpa；

E_p为聚合物的杨氏模量，单位为Mpa；。

E_s为秸秆的杨氏模量，单位为Mpa。

复合纤维增强材料在抑制混凝土裂纹产生方面至关重要，特别是添加量对控制裂纹的发展和扩展很关键。复合纤维增强材料在混凝土中添加的最小体积分数取决于载荷、板厚、接缝的存在、环境条件和耐久性。此外，复合纤维增强材料的抗拉强度特性也影响所需的体积分数，因为体积小、抗拉强度高的复合材料可以起到与体积大、抗拉强度低的复合材料相同的作用。

复合纤维增强材料用于混凝土，还需要考虑一个相当重要的参数—残余挠曲抗拉强度。残余挠曲抗拉强度表征纤维增强混凝土的开裂后行为，并通过在受控挠曲弯曲试验下测量CMOD(crack mouth opening displacement，裂纹口张开位移)或相应的梁挠度值来确定。残余挠曲强度由f_R,1、f_R,2、f_R,3、f_R,4的值表示，分别对应梁的挠度为0.47mm、1.32mm、2.17mm和3.02mm。

本实施例根据混凝土的抗压强度、复合纤维增强材料的弹性模量、复合纤维增强材料的体积分数以及复合纤维增强材料中秸秆和聚合物的体积分数，建立起用于预测f_R,1至f_R,4的方程。数据是多变量的，因此需要进行非线性回归分析。将变量定义为：

f_R,j为待测定的残余挠曲强度，j＝1、2、3、4，单位为MPa；

f_cu为混凝土28天抗压强度，单位为MPa；

v_f为混凝土中复合纤维增强材料的体积分数，以百分比表示；

v_p为复合纤维增强材料中聚合物化合物的体积分数，以百分比表示；

v_s为复合纤维增强材料中秸秆的体积分数，以百分比表示；

E_p为聚合物的弹性模量，单位为MPa；

E_s为秸秆的弹性模量，单位为MPa；

由于上述变量的值由纤维设计者确定，因此采用以下四个方程来表示f_R,j的值。这些方程是由多变量回归分析得出的，系数是根据“最小二乘”法得到的。

f_R,1＝[0.1f_cu+84000v_f+S_r+950]×10^-3；

f_R,2＝[0.1f_cu+100000v_f+S_r+230]×10^-3；

f_R,3＝[0.1f_cu+107000v_f+S_r+215]×10^-3；

f_R,4＝[0.1f_cu+100000v_f+S_r+210]×10^-3。

纤维比系数方程：

S_r＝[3.3v_s+1.2v_p+0.2(E_p)+0.1(E_S)]。

根据上述五个方程，得到残余挠曲抗拉强度的方程：

f_R,j＝[0.1f_cu+cv_f+S_r+d]×10^-3。

本发明实施例中复合纤维增强材料具有较低的生产成本，可能成为纤维制造商的理想选择。对1m³的混凝土进行成本效益分析，在均添加相同体积分数增强材料的情况下，添加钢的成本是SPC的4.8倍，添加聚丙烯的成本是SPC的1.2倍。随着体积分数的增加，成本利润率也随之增加，从而使秸秆复合纤维更便宜。

需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种用于混凝土的秸秆及聚合物复合纤维增强材料，其特征在于，包括体积分数为0.5％-99.5％的秸秆和体积分数为0.5％-99.5％的聚合物，秸秆和聚合物的体积分数合计100％；

所述复合纤维增强材料为细长的扁平结构。

2.根据权利要求1所述用于混凝土的秸秆及聚合物复合纤维增强材料，其特征是，所述复合纤维增强材料具有齿形外轮廓和/或凹凸不平的表面。

3.根据权利要求1所述用于混凝土的秸秆及聚合物复合纤维增强材料，其特征是，所述秸秆来自稻子、小麦、玉米、大麦、小米中至少一种。

4.根据权利要求1所述用于混凝土的秸秆及聚合物复合纤维增强材料，其特征是，所述聚合物包括A型聚合物、B型聚合物和C型聚合物中至少一种；

A型聚合物选自聚丙烯、聚乙烯、膨胀聚苯乙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、热塑性聚氨酯中至少一种；

B型聚合物选自聚乙烯醇、聚氯乙烯、尼龙、聚对苯撑苯并双恶唑、对位芳纶、间位芳香族聚酰胺、聚酰亚胺、聚芳酯中至少一种；

C型聚合物选自聚氨酯、环氧树脂、超支化聚合物、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚氯丁二烯中至少一种。

5.根据权利要求1所述用于混凝土的秸秆及聚合物复合纤维增强材料，其特征是，所述复合纤维增强材料的抗拉强度σ_f＝0.33(σ_pV_p+σ_sV_s)，其中，

σ_p为聚合物的抗拉强度，单位为MPa；

σ_s为秸秆的抗拉强度，单位为MPa。

6.根据权利要求1所述用于混凝土的秸秆及聚合物复合纤维增强材料，其特征是，所述复合纤维增强材料的杨氏模量E_f＝0.33(E_pV_p+E_sV_s)，其中，

E_p为聚合物的杨氏模量，单位为Mpa；

E_s为秸秆的杨氏模量，单位为Mpa。

7.根据权利要求1所述用于混凝土的秸秆及聚合物复合纤维增强材料，其特征是，所述复合纤维增强材料的残余挠曲抗拉强度f_R,j＝[0.1f_cu+cv_f+S_r+d]×10^-3，其中，j取值1、2、3、4；

S_r＝[3.3v_s+1.2v_p+0.2(E_p)+0.1(E_S)]，表示纤维比系数；

f_cu为混凝土28天抗压强度，单位为MPa；

v_f为混凝土中复合纤维增强材料的体积分数，以百分比表示；

v_p为复合纤维增强材料中聚合物化合物的体积分数，以百分比表示；

v_s为复合纤维增强材料中秸秆的体积分数，以百分比表示；

E_p为聚合物的弹性模量，单位为MPa；

E_s为秸秆的弹性模量，单位为MPa；

c为复合纤维增强材料体积分数常数；

d为残余挠曲抗拉强度常数。

8.根据权利要求7所述用于混凝土的秸秆及聚合物复合纤维增强材料，其特征是，所述复合纤维增强材料的残余挠曲抗拉强度：

f_R,1＝[0.1f_cu+84000v_f+S_r+950]×10^-3；

f_R,2＝[0.1f_cu+100000v_f+S_r+230]×10^-3；

f_R,3＝[0.1f_cu+107000v_f+S_r+215]×10^-3；

f_R,4＝[0.1f_cu+100000v_f+S_r+210]×10^-3。

9.一种用于混凝土的秸秆及聚合物复合纤维增强材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将秸秆切割粉碎成秸秆粉末，干燥后与部分聚合物粉体一起加入干混设备中干混处理；

2)收集干混处理得到的干混颗粒料，将干混颗粒料通过成对设置的滚筒加压喂入板材加工设备中，将剩余聚合物粉体通过漏斗加入板材加工设备中，制成板材；加热板材，通过牵引机构将加热的板材拉出板材加工设备，拉出过程中加热的板材经成对设置的滚筒轧制成薄片材；

3)将薄片材切成长度45-50mm、宽度1mm、厚度0.5mm的纤维段。