CN114249570A - 一种NiTi合金纤维混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种NiTi合金纤维混凝土及其制备方法；其原料按照质量百分比，包括以下组份：水泥10～15％，粉煤灰2～3％，矿渣2～2.5％，硅灰1.5～2％，砂25～30％，碎石40～45％，NiTi合金纤维0.5～3％，水5～10％，减水剂0.5～1％，各原材料的质量百分数之和为100％。本发明中复合NiTi基合金增韧水泥基复合材料具有高强度、高韧性及高耐久性等特点；提高了结构的抗震延性，增强了结构对恶劣环境的抵抗能力，减缓了混凝土裂缝的产生，延长了结构的使用寿命。本发明采用了独有的形状记忆效应和相变超弹性NiTi合金纤维，降低了结构在使用过程中维护等相关费用，这一特点使得结构长期处于恶劣气候环境的情况下仍然可以较好的发挥预定的作用，而且即使试件结构已经发生破坏，纤维仍能承受应力，实现应力相持。
Description
技术领域
本发明属于凝土技术领域，具体涉及一种NiTi合金纤维混凝土及其制备方法。
背景技术
水泥基材料作为世界上使用最多的建筑材料，在土木工程领域有着极为广泛的应用，但作为一种脆性多孔材料，普通水泥基材料通常存在抗折强度低、易脆性破坏等缺陷，这些缺陷严重制约了混凝土结构的长期安全使用。纤维混凝土可通过纤维控制混凝土的裂缝，可以提高混凝土的抗拉强度，并改善混凝土的综合性。目前常用的纤维材料增强材料为钢纤维，虽然钢纤维可以提高混凝土的抗压强度，但是其对抗拉强度的增强不明显，导致混凝土容易出现开裂现象。NiTi合金纤维是一种新型纤维，因其独特且优异的形状记忆效应和超弹性效应等，具有极高的抗拉强度，达到2000MPa以上，且抗腐蚀性强，因此在增韧水泥基复合材料上更具优势。但是对混凝土的抗压强度增强效果不是很明显，甚至随着纤维掺量的增加还会降低混凝土的抗压强度。
发明内容
本发明的目的是一种NiTi合金纤维混凝土及其制备方法，将NiTi合金纤维掺混于混凝土中，增加混凝土结构安全性、耐久性、安全使用年限等，解决目前水泥基材料存在的抗折强度和抗疲劳能力低，易脆裂的技术缺陷。
本发明这种NiTi合金纤维混凝土，其原料按照质量百分比，包括以下组份：水泥10～15％，粉煤灰2～3％，矿渣2～2.5％，硅灰1.5～2％，砂25～30％，碎石40～45％，NiTi合金纤维0.5～3％，水5～10％，减水剂0.5～1％，各原材料的质量百分数之和为100％。
优选的，所述NiTi合金纤维的质量百分含量为1～3％，进一步优选的，所述的NiTi合金纤维的质量百分含量为2.62％。
所述的水泥为强度等级为P·O 42.5的硅酸盐水泥；砂为河砂，中砂，粒径为0.75～4.75mm，细度模数为2.6～3.0；碎石粒径为5～20mm，其中，碎石中粒径5～10mm的碎石与粒径10～16mm的碎石的质量比为4:6。
所述的NiTi合金纤维为直线型纤维，长度为48～52mm，直径0.75mm，长径比64～70，延伸率12.5～13.5％，抗拉强度1430MPa，弹性模量100GPa。
所述的粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；矿渣是湖南华菱湘潭钢铁有限公司生产的S95级矿渣；硅灰是武汉纽瑞琪新材料有限公司生产的致密硅灰；减水剂为聚羧酸系高效减水剂。
本发明这种NiTi合金纤维混凝土的制备方法包括以下步骤：
(1)将水泥、砂石、粉煤灰、硅灰、矿渣按比例加入搅拌机中并进行搅拌，得到干料混合料；
(2)将减水剂与水按比例混合并搅拌均匀形成混合液，然后两次加入步骤(1)搅拌机中的混合料，搅拌混匀后，得到二次混合料；
(3)在搅拌条件下，均匀的向步骤(2)中二次混合料加入NiTi合金纤维，搅拌混匀，放入模具中并在振动台上振动成型，24h后脱模，然后标准养护28天，得到NiTi合金纤维混凝土。
所述步骤(1)中，搅拌时间为2～3min。
所述步骤(2)中，第一次加入70％的混合液，第二次加入剩余30％的混合液，每次加入混合液后搅拌1～2min。
所述步骤(3)中，混匀搅拌时间为3～5min。
本发明的有益效果：1)绿色环保，本发明中对原本为废弃物的粉煤灰、矿渣、硅灰加以利用，并且28d强度都接近水泥或者超过水泥，可以验证矿物掺合料代替水泥的可行性，对降低水泥用量，发展绿色低碳经济有重大意义。2)本发明的复合材料力学性能高：本发明中复合NiTi基合金增韧水泥基复合材料具有高强度、高韧性及高耐久性等特点；提高了结构的抗震延性，增强了结构对恶劣环境的抵抗能力，减缓了混凝土裂缝的产生，延长了结构的使用寿命。3)本发明采用了独有的形状记忆效应和相变超弹性NiTi合金纤维，降低了结构在使用过程中维护等相关费用，这一特点使得结构长期处于恶劣气候环境的情况下仍然可以较好的发挥预定的作用，而且即使试件结构已经发生破坏，纤维仍能承受应力，实现应力相持。
附图说明
以下附图及附表仅旨在对于本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
图1是实施例1～4和对比例1～5中的纤维增强混凝土某一具体试件28天的抗压强度。
图2是是实施例1～4和对比例1～5中的纤维增强混凝土某一具体试件28天的抗劈裂强度。
图3是对比例1～5中的钢纤维混凝土某一具体试件28天的抗折强度。
图4是实施例1～4中NiTi合金纤维混凝土某一具体试件28天的抗折强度。
图5是对比例5的钢纤维混凝土某一具体试件裂缝观察情况。
图6是实施例2的NiTi合金纤维混凝土某一具体试件裂缝观察情况。
具体实施方式
为了使本发明的目的、方案和有益效果更加明确，下面将结合实施例对本发明的方案作出说明，下列的实施例仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在这里专用的词“实施例”，作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。本法实施例中性能指标测试，除非特别说明，采用本领域常规试验方法。应理解，本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明公开的内容。
除非另有说明，否则本文使用的技术和科学术语具有本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义；作为本发明中的其它未特别注明的原材料、试剂、试验方法和技术手段均指本领域内普通技术人员通常使用的原材料和试剂，以及通常采用的实验方法和技术手段。本文述及的骨料，通常是指本领域技术人员所知晓的混凝土用的骨料，包括但不限于石头、砂子等；本文述及的胶凝材料包括但不限于水泥等。
本发明实施例中所用水泥是P·O42.5普通硅酸盐水泥；河砂的粒径范围是0.75～4.75mm，细度模数2.6；最大直径为16mm的碎石；NiTi合金纤维是由江阴佩尔科技生产，长度为50mm，直径为0.75mm；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；矿渣是湖南华菱湘潭钢铁有限公司生产的S95级矿渣，平均粒径为14.2μm；硅灰是武汉纽瑞琪新材料有限公司生产的致密硅灰；减水剂为聚羧酸系高效减水剂；水为市政官网自来水。
实施例中一种NiTi合金纤维混凝土的制备方法具体为以下步骤：
(1)将水泥、砂石、粉煤灰、硅灰、矿渣按比例加入搅拌机中并进行搅拌2-3min；
(2)将减水剂与水按比例混合并搅拌均匀形成混合液，随后分两次加入搅拌机中，第一次加50％的混合液，第二次加入剩余50％的混合液，每次加入混合液后搅拌1min～2min；
(3)将钢纤维、NiTi纤维加入搅拌锅之中，一边搅拌一边均匀载入，在1min内加完，随后再搅拌3min～5min，加入到模具中，成型脱模后，所制试件采用标准养护，养护龄期为28d；得到NiTi合金纤维混凝土。
实施例1：
一种NiTi合金纤维混凝土，由以下原材料按质量百分比混合而成：水泥为350份、河砂为700份、碎石为1050份、NiTi合金纤维为16.3份(质量百分含量0.67％，体积分数0.25％)、粉煤灰为62.5份、矿渣为50份、硅灰为37.5份、减水剂为15份、水为150份。
实施例2：
一种NiTi合金纤维混凝土，由以下原材料按质量百分比混合而成：水泥为350份、河砂为700份、碎石为1050份、NiTi合金纤维为32.6份(质量百分含量1.33％，体积分数0.50％)、粉煤灰为62.5份、矿渣为50份、硅灰为37.5份、减水剂为15份、水为150份。
实施例3：
一种NiTi合金纤维混凝土，由以下原材料按质量百分比混合而成：水泥为350份、河砂为700份、碎石为1050份、NiTi合金纤维为48.9份(质量百分含量1.98％，体积分数0.75％)、粉煤灰为62.5份、矿渣为50份、硅灰为37.5份、减水剂为15份、水为150份。
实施例4：
一种NiTi合金纤维混凝土，由以下原材料按质量百分比混合而成：水泥为350份、河砂为700份、碎石为1050份、NiTi合金纤维为65.2份(质量百分含量2.62％，体积分数1.00％)、粉煤灰为62.5份、矿渣为50份、硅灰为37.5份、减水剂为15份、水为150份。
将实施例1～4在相同条件下进行圆柱体抗压强度测试(采用的试验块的尺寸为100mm×200的圆柱体试件，每组三个试件)、立方体抗压强度测试和劈裂抗拉伸强度测试(采用的试验块的尺寸为100mm×100mm×100mm的试件，每组三个试件)、棱柱体抗折强度测试和疲劳测试(采用的试验块的尺寸为100mm×100mm×400mm的试件，每组三个试件)，测试结果图可见图1、图2和图4，具体测试结果如表1所示：
表1实施例1～4和对比例1的试件测试结果
从对比例1和实施例1～4中可以看出，NiTi合金纤维增韧的水泥基复合材料相比，无论是静态力学方面还是动态力学方面均有较大增幅，抗压强度提高20％以上，抗折强度提高80％以上，劈裂抗拉强度提高110％以上，而且极大提高混凝土的耐久性能，说明其在抵抗短期高频荷载方面(如抗震)具有良好的应用前景。
对比例1：
一种素混凝土，由以下原材料按质量百分比混合而成：水泥为350份、河砂为700份、碎石为1050份、粉煤灰为62.5份、矿渣为50份、硅灰为37.5份、减水剂为15份、水为150份。
对比例2：
一种钢纤维混凝土，由以下原材料按质量百分比混合而成：水泥为350份、河砂为700份、碎石为1050份、钢纤维为19.5份(质量百分含量0.80％，体积分数0.25％)、粉煤灰为62.5份、矿渣为50份、硅灰为37.5份、减水剂为15份、水为150份。
对比例3：
一种钢纤维混凝土，由以下原材料按质量百分比混合而成：水泥为350份、河砂为700份、碎石为1050份、钢纤维为39份(质量百分含量1.59％，体积分数0.50％)、粉煤灰为62.5份、矿渣为50份、硅灰为37.5份、减水剂为15份、水为150份。
对比例4：
一种钢纤维混凝土，由以下原材料按质量百分比混合而成：水泥为350份、河砂为700份、碎石为1050份、钢纤维为58.5份(质量百分含量2.36％，体积分数0.75％)、粉煤灰为62.5份、矿渣为50份、硅灰为37.5份、减水剂为15份、水为150份。
对比例5：
一种钢纤维混凝土，由以下原材料按质量百分比混合而成：水泥为350份、河砂为700份、碎石为1050份、钢纤维为78份(质量百分含量3.12％，体积分数1.00％)、粉煤灰为62.5份、矿渣为50份、硅灰为37.5份、减水剂为15份、水为150份。
对比例1～5在相同条件下进行圆柱体抗压强度测试(采用的试验块的尺寸为100mm×200的圆柱体试件，每组三个试件)、立方体抗压强度测试和劈裂抗拉伸强度测试(采用的试验块的尺寸为100mm×100mm×100mm的试件，每组三个试件)、棱柱体抗折强度测试和疲劳测试(采用的试验块的尺寸为100mm×100mm×400mm的试件，每组三个试件)，测试结果图可见图1、图2和图3，具体测试结果如表2所示：
表2实施例4和对比例1～5的试件测试结果
从实施例4与对比例1～5中可以看出，在相同的纤维用量下，NiTi合金纤维比钢纤维，无论是工作性能，抗压、抗折强度还是抗疲劳方面均有较大增幅，尤其在抵抗折向疲劳性能方面，在面对低周高频荷载时NiTi合金纤维表现出了极为优异的抗震能力和延展性。这些可以从图3-6中看出，在抵抗折向荷载时的峰后曲线表现来看：钢纤维很快便发生破坏，无法承力；而NiTi合金纤维在两倍挠度情况下，仍可以应力相持，保证试件不发生脆断，使得NiTi合金纤维混凝土在易发生地震的区域，在水电站、港口码头、跨海大桥、机场跑道、高速公路等建筑结构中具有良好的应用前景。
以上所述实施例仅为本发明中部分具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于上述实施例，凡在不脱离本发明的技术原理的前提下，依本发明申请专利范围所做的变化与调整，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种NiTi合金纤维混凝土，其特征在于，其原料按照质量百分比，包括以下组份：水泥10～15％，粉煤灰2～3％，矿渣2～2.5％，硅灰1.5～2％，砂25～30％，碎石40～45％，NiTi合金纤维0.5～3％，水5～10％，减水剂0.5～1％，各原材料的质量百分数之和为100％。
2.根据权利要求1所述的NiTi合金纤维混凝土，其特征在于，所述NiTi合金纤维的质量百分含量为1～3％。
3.根据权利要求2所述的NiTi合金纤维混凝土，其特征在于，所述的NiTi合金纤维的质量百分含量为2.62％。
4.根据权利要求1所述的NiTi合金纤维混凝土，其特征在于，所述的水泥为强度等级为P·O 42.5的硅酸盐水泥；砂为河砂，中砂，粒径为0.75～4.75mm，细度模数为2.6～3.0；碎石粒径为5～20mm，其中，碎石中粒径5～10mm的碎石与粒径10～16mm的碎石的质量比为4:6。
5.根据权利要求1所述的NiTi合金纤维混凝土，其特征在于，所述的NiTi合金纤维为直线型纤维，长度为48～52mm，直径0.75mm，长径比64～70，延伸率12.5～13.5％，抗拉强度1430MPa，弹性模量100GPa。
6.根据权利要求1所述的NiTi合金纤维混凝土，其特征在于，所述的粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；矿渣是湖南华菱湘潭钢铁有限公司生产的S95级矿渣；硅灰是武汉纽瑞琪新材料有限公司生产的致密硅灰；减水剂为聚羧酸系高效减水剂。
7.一种根据权利要求1～6中任意一项所述的NiTi合金纤维混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将水泥、砂石、粉煤灰、硅灰、矿渣按比例加入搅拌机中并进行搅拌，得到干料混合料；
(2)将减水剂与水按比例混合并搅拌均匀形成混合液，然后两次加入步骤(1)搅拌机中的混合料，搅拌混匀后，得到二次混合料；
(3)在搅拌条件下，均匀的向步骤(2)中二次混合料加入NiTi合金纤维，搅拌混匀，放入模具中并在振动台上振动成型，24h后脱模，然后标准养护28天，得到NiTi合金纤维混凝土。
8.根据权利要求7所述的NiTi合金纤维混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，搅拌时间为2～3min。
9.根据权利要求7所述的NiTi合金纤维混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，第一次加入70％的混合液，第二次加入剩余30％的混合液，每次加入混合液后搅拌1～2min。
10.根据权利要求7所述的NiTi合金纤维混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，混匀搅拌时间为3～5min。
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| CN202111616532.4A CN114249570A (zh) | 2021-12-27 | 2021-12-27 | 一种NiTi合金纤维混凝土及其制备方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN115124287A (zh) * | 2022-07-08 | 2022-09-30 | 中国矿业大学 | 一种多功能混凝土及其制备方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109836102A (zh) * | 2019-04-03 | 2019-06-04 | 福州大学 | 一种裂缝自愈合的sma-ecc水泥基复合材料及其制备方法 |
-
2021
- 2021-12-27 CN CN202111616532.4A patent/CN114249570A/zh active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109836102A (zh) * | 2019-04-03 | 2019-06-04 | 福州大学 | 一种裂缝自愈合的sma-ecc水泥基复合材料及其制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| FARHAD ASLANI等: "The effect of NiTi shape memory alloy, polypropylene and steel fibres on the fresh and mechanical properties of self-compacting concrete", 《CONSTRUCTION AND BUILDING MATERIALS》 * |
| 张巨松主编, 哈尔滨工业大学出版社 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115124287A (zh) * | 2022-07-08 | 2022-09-30 | 中国矿业大学 | 一种多功能混凝土及其制备方法 |
| CN115124287B (zh) * | 2022-07-08 | 2022-12-06 | 中国矿业大学 | 一种多功能混凝土及其制备方法 |
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