CN114477820A - 一种热缩型纤维增强混凝土 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热缩型纤维增强混凝土。本发明在常规混凝土配比中，加入体积掺量为0.9‑4％的热缩型纤维，在混凝土成型后对其进行热养护，得到热缩型纤维增强混凝土。热缩型纤维采用高收缩聚酯切片和改性剂作为原料，通过一定的挤出机温控程序熔融共混挤出、牵引拉伸而成。热缩型纤维在热激发作用下发生收缩，并产生收缩应力，该纤维通过与混凝土基体的界面粘结作用将自身的收缩应力传递到混凝土基体，对混凝土基体均匀施加细观尺度的预应力，从而提高混凝土的弯拉强度、体积稳定性和抗裂能力。

Description

一种热缩型纤维增强混凝土
技术领域
本发明属于建筑材料领域，特别涉及一种热缩型纤维增强混凝土。
背景技术
混凝土的抗拉强度远远低于抗压强度，在服役过程中，往往由于受到的弯拉荷载大于材料自身的极限抗拉强度而导致结构开裂和破坏。极限抗拉强度低这一缺点也是导致混凝土受收缩(膨胀)应力、温度应力和湿度应力等作用而开裂的直接原因。
为了提升高强混凝土的抗裂性能，通常采用纤维对混凝土进行阻裂增韧设计，以提高混凝土的抗拉强度、阻止裂缝扩展。然而，目前混凝土常用的纤维均在混凝土裂缝出现后通过桥接作用来阻止裂缝进一步扩展，对混凝土初裂强度的提升作用不明显。
对混凝土构件施加预应力是提高构件抗裂性能、抗弯拉性能，特别是提高混凝土基体初裂强度和极限抗拉强度的一种有效手段。通过对预设在混凝土中的钢筋或钢索进行张拉，利用钢筋或钢索的回缩力，使混凝土构件受拉区预先受压力，从而提高构件的承载能力、刚度和抗裂性能。然而，通过张拉钢筋对混凝土构件施加预应力的方法，只能在宏观尺度上对混凝土构件施加单一方向的预应力。
如果将预应力混凝土结构中张拉钢筋的尺寸缩小成单根纤维，纤维收缩产生回缩力，从而对纤维周围的混凝土施加细观尺度的预压应力，使混凝土基体在承受外力之前，预先受压，同样可以起到提升混凝土结构力学性能和抗裂能力效果。
已有研究人员将形状记忆合金纤维引入混凝土基体，对混凝土加热，促使形状记忆合金纤维收缩，利用该纤维的回缩力对混凝土施加压紧的作用力，可以使混凝土内部裂缝闭合，从而改善混凝土的力学性能。然而，由于形状记忆合金纤维成本高、收缩温度高、收缩率低等问题，限制了其在混凝土结构中的应用。
纺织行业大量应用具有收缩性能的纤维来调整面料，如高收缩聚酯纤维、高收缩聚丙烯睛纤维、高收缩尼龙纤维等，沸水收缩率>20％。但这类纤维多用于服装织物，其收缩强力低、直径小、容易卷曲、不易分散，不适用于混凝土材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热缩型纤维增强混凝土，将改性热缩型纤维引入常规混凝土基体，采用热养护作用促使该纤维收缩，并通过界面粘结将纤维自身的收缩应力传递给混凝土基体，从而对混凝土基体均匀施加细观尺度的压应力，大量纤维的压应力叠加，在三维空间形成宏观的压紧效应，可提高混凝土的承载能力和抗裂性能。
为了实现这一目的，本发明首先对高收缩聚酯改性，经过挤出、拉伸后得到热缩型纤维。再将热缩型纤维引入混凝土，人为对混凝土构件进行热养护，促使其内部均匀分散的纤维收缩，从而得到抗裂性能良好的热缩型纤维增强混凝土。
一种热缩型纤维增强混凝土，包括占混凝土体积0.9-4％的热缩型纤维，且在混凝土成型后经过了热养护。
进一步的，所述的热缩型纤维的收缩温度为70-100℃。
进一步的，所述的热养护温度为70-100℃，且对混凝土的热养护温度不低于热缩型纤维的收缩温度，热养护时长为10min-24h，升温速度为10-25℃/h，降温速度为10-30℃/h。
进一步的，所述的热养护的施加时间在混凝土终凝到3d龄期之间。
进一步的，所述的热养护方法为热水养护、蒸汽养护、微波养护、高温炉养护和预埋电阻丝发热养护中的一种。
进一步的，所述的热缩型纤维的制备方法包括以下步骤：
步骤1、将100重量份的高收缩聚酯切片、0.1-20重量份的改性剂、0.1-3重量份的分散剂、0.1-3重量份的抗氧剂和0.1-5重量份的偶联剂均匀混合得到原料；
步骤2、将步骤1得到的原料经真空干燥箱干燥后，投入双螺杆挤出机共混熔融挤出，然后经过二次牵引拉伸得到热缩型纤维；
步骤3、将步骤2得到的热缩型纤维切断，得到短切热缩型纤维。
进一步的，所述的改性剂为聚合物晶须、无机盐晶须、陶瓷晶须、微细无机粉末和碳纳米管中的至少一种；
所述的分散剂为三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、聚丙烯酰胺和脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或多种；
所述的抗氧剂为二烷基二硫代磷酸锌、二烷基二硫代氨基甲酸锌、N-苯基-α-萘胺和烷基吩噻嗪中的一种或多种；
所述的偶联剂为硅烷偶联剂、硅胶抗粘连剂和正硅酸乙酯中的一种或多种。
进一步的，所述二次牵引拉伸的具体方法为：挤出口挤出的初生纤维在10-20℃温度下冷却，在90-110℃温度下进行第一次牵引拉伸，拉伸倍数为3-10倍，在10-20℃温度下冷却；在110-140℃温度下进行二次牵引拉伸，拉伸倍数为1-3倍。
进一步的，所述的热缩型纤维的起始收缩温度的收缩率≥0.5％，沸水收缩率≥5％。
进一步的，所述的热缩型纤维为粗纤维，表面经过了亲水改性、压痕处理或端头截面加大处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的热缩型纤维，材料为高收缩聚酯，温度达到70℃以上即开始收缩，起始收缩温度的收缩率≥0.5％，沸水收缩率≥5％，加入改性剂改性后，可以提高纤维的力学性能和刚硬性、调节纤维的收缩率。
2、本发明提供了热缩型纤维的制备方法，高收缩聚酯切片与改性剂为原料，充分干燥后，经双螺杆挤出机共混熔融挤出，采用二次牵引拉伸制备而成。采用二次牵伸的方法，第一次高速率牵伸，然后迅速低温冷却，这样牵伸会在纤维内部产生与牵伸方向相反的内应力，低温冷却下纤维从高弹态变为玻璃态可以极大地保留这种内应力；第二次低速牵伸，牵伸温度高于第一次牵伸温度，这一过程主要是增加纤维取向度和结晶度，使纤维具有优异的力学性能。当纤维受热温度超过一定限度后，大分子间的约束力减弱，此时内应力得以显现并发挥作用，从而导致纤维的收缩。
3、本发明的热缩型纤维直径为0.1～2mm，具有一定的刚硬性，与微细纤维相比，在混凝土中更易分散。
4、本发明的热缩型纤维，与具有热收缩功能的形状记忆合金纤维相比，具有热收缩激发温度低、收缩率高、成本低的优点。
5、本发明中的热缩型纤维在热养护作用下发生收缩，同时直径增大，与混凝土基体形成紧箍锚固结合，增大了纤维的拔出力，有利于将纤维产生的收缩应力传递给混凝土基体，对混凝土基体均匀施加细观尺度的预压应力。
6、本发明特别适用于需要加热养护的混凝土预制构件，加热养护不仅可以提高混凝土的强度，同时还可避免构件因热养护不当而造成的开裂现象。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
首先按照以下步骤制备热缩型纤维A：
选取100重量份的高收缩聚酯切片、20重量份的SiC晶须、3重量份的三乙基己基磷酸、2重量份的二烷基二硫代磷酸锌和4.5重量份的硅烷偶联剂，混合得到原料。将原料在真空干燥箱60℃干燥12h，投入双螺杆挤出机共混熔融挤出，挤出口挤出的初生纤维在10-20℃温度下冷却，在90-95℃温度下进行第一次牵引拉伸，拉伸8倍，在10-20℃温度下冷却；再在110-115℃温度下进行二次牵引拉伸，拉伸1倍，得到热缩型纤维A，并切为长度为9mm的短切纤维，纤维直径为0.15mm。得到的热缩型纤维A的性能：其密度为920kg/m3，拉伸断裂强度100MPa，起始收缩温度80℃，80℃收缩率为1％,沸水收缩率为5％。
采用得到的热缩型纤维A用于配制混凝土，基础配合比见表1，在此基础上引入体积掺量为1％的热缩型纤维A，每方用量为9.2kg/m3。
混凝土浇筑成型后，在标准养护环境下养护24h，之后置于水浴箱中，以10℃/h的速度升温，到80℃恒温养护5h，后以20℃/h的速度降温至20℃，最后置于标准养护环境下养护至28d。
实施例2
采用实施例1中的热缩型纤维A配制混凝土，混凝土配合比以及养护方法与实施例1相同，所不同的是热缩型纤维A的体积掺量为2.5％，水浴养护的温度为100℃。
实施例3
采用实施例1中的热缩型纤维A配制混凝土，混凝土配合比与实施例1相同，热缩型纤维A的体积掺量为3％。混凝土浇筑成型后，在标准养护环境下养护24h，之后置于蒸养箱中，以15℃/h的速度升温，到85℃恒温养护3h，后以10℃/h的速度降温至20℃，最后置于标准养护环境下养护至28d。
实施例4
首先按照以下步骤制备热缩型纤维B：
选取100重量份的高收缩聚酯切片、10重量份的纤维素纳米晶、1重量份的甲基戊醇、0.5重量份的烷基吩噻嗪和2重量份的硅烷偶联剂，混合得到原料。将原料在真空干燥箱70℃干燥8h，投入双螺杆挤出机共混熔融挤出，挤出口挤出的初生纤维在15-20℃温度下冷却，在100-105℃温度下进行第一次牵引拉伸，拉伸5倍，在15-20℃温度下冷却；再在130-140℃温度下进行二次牵引拉伸，拉伸3倍，得到热缩型纤维B，并切为长度为12mm的短切纤维，纤维直径为0.2mm。得到的热缩型纤维B的性能：其密度为916kg/m3，拉伸断裂强度190MPa，起始收缩温度70℃，70℃收缩率为0.5％，沸水收缩率为8％。
采用得到的热缩型纤维B用于配制混凝土，其配合比见表1，其中热缩型纤维B的体积掺量为4％。
混凝土浇筑成型后，在标准养护环境下养护24h，之后置于高温炉中，以10℃/h的速度升温，达到80℃恒温养护5h，后以15℃/h的速度降温至20℃，最后置于标准养护环境下养护至28d。
实施例5
采用实施例3中的热缩型纤维B配制混凝土，混凝土配合比见表1，在此基础上引入体积掺量为0.9的热缩型纤维B，成型后标准养护24h，之后置于蒸养箱中，以20℃/h的速度升温至95℃，保持6h，后以10℃/h的速度降温至20℃，最后置于标准养护环境下养护至28d。
对比例1
对比例1的混凝土配合比与实施例1的混凝土配合比相同，区别在于对比例1不采用热养护，成型后即置于标准养护环境至指定龄期。
对比例2-3
为了研究没有热收缩功能的普通纤维对混凝土力学性能的影响，设计了对比例2和对比例3，其混凝土配合比和纤维掺量与实施例1相同，区别在于对比例2-3中掺加非热收缩的普通聚酯纤维(密度为1360kg/m3)。对比例2的养护方式与实施例1相同，而对比例3不采用热养护，成型后即置于标准养护环境至指定龄期。
对比例4-5
为了研究养护方式对上述实施例1-4及对比例1-3中基础混凝土强度的影响，设计了对比例4和对比例5，均不掺加纤维。对比例4的养护方式与实施例1相同，采用80℃水浴养护，而对比例5不采用热养护，成型后即置于标准养护环境至指定龄期。
针对本发明实施例1-5提供的一种热缩型纤维增强混凝土，以及对比例1-5的混凝土，所采用的配合比、纤维及掺量、养护方法分别见表1和表2。根据《普通混凝土力学性能试验方案标准》GB/T 50081-2019对混凝土进行抗压强度和劈裂抗拉强度测试，并于断面处观察纤维的分散情况，结果见表3。
表1混凝土配合比kg/m3
水泥 粉煤灰 矿粉 砂 石子 水 减水剂
280 70 80 800 1000 155 10
表2纤维掺量及热养护方法
Figure BDA0003456440660000071
Figure BDA0003456440660000081
表3混凝土的力学性能
Figure BDA0003456440660000082
由上述实施例及对比例可知，掺加纤维及采用热养护可以提高混凝土的力学性能。与素混凝土和掺有普通合成纤维的混凝土相比，掺加热缩型纤维并同时采用热养护的混凝土，其抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度均得到大幅度提升；而掺了热缩型纤维，但未经过热养护的混凝土强度与普通纤维相当，即不经过热处理的热缩型纤维仅发挥普通纤维的作用效果。原因是热缩型纤维在热激发作用下发生收缩，并通过界面粘结作用将纤维的收缩力传递给混凝土基体，从而对混凝土基体均匀施加细观尺度的预压应力，可以提高混凝土致密度和强度，同时还可避免构件因热养护不当而造成的开裂现象。本发明特别适用于需要热养护的混凝土预制构件，能够提高预制构件的质量和承载力，具有较大的应用潜力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热缩型纤维增强混凝土，其特征在于：包括占混凝土体积0.9-4％的热缩型纤维，且在混凝土成型后经过了热养护。
2.根据权利要求1所述的热缩型纤维增强混凝土，其特征在于，所述的热缩型纤维的收缩温度为70-100℃。
3.根据权利要求1所述的热缩型纤维增强混凝土，其特征在于，所述的热养护温度为70-100℃，且对混凝土的热养护温度不低于热缩型纤维的收缩温度，热养护时长为10min-24h，升温速度为10-25℃/h，降温速度为10-30℃/h。
4.根据权利要求1所述的热缩型纤维增强混凝土，其特征在于，所述的热养护的施加时间在混凝土终凝到3d龄期之间。
5.根据权利要求1所述的热缩型纤维增强混凝土，其特征在于，所述的热养护方法为热水养护、蒸汽养护、微波养护、高温炉养护和预埋电阻丝发热养护中的一种。
6.根据权利要求1所述的热缩型纤维增强混凝土，其特征在于，所述的热缩型纤维的制备方法包括以下步骤：
步骤1、将100重量份的高收缩聚酯切片、0.1-20重量份的改性剂、0.1-3重量份的分散剂、0.1-3重量份的抗氧剂和0.1-5重量份的偶联剂均匀混合得到原料；
步骤2、将步骤1得到的原料经真空干燥箱干燥后，投入双螺杆挤出机共混熔融挤出，然后经过二次牵引拉伸得到热缩型纤维；
步骤3、将步骤2得到的热缩型纤维切断，得到短切热缩型纤维。
7.根据权利要求6所述的热缩型纤维增强混凝土，其特征在于：所述的改性剂为聚合物晶须、无机盐晶须、陶瓷晶须、微细无机粉末和碳纳米管中的至少一种；
所述的分散剂为三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、聚丙烯酰胺和脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或多种；
所述的抗氧剂为二烷基二硫代磷酸锌、二烷基二硫代氨基甲酸锌、N-苯基-α-萘胺和烷基吩噻嗪中的一种或多种；
所述的偶联剂为硅烷偶联剂、硅胶抗粘连剂和正硅酸乙酯中的一种或多种。
8.根据权利要求6所述的热缩型纤维增强混凝土，其特征在于：所述二次牵引拉伸的具体方法为：挤出口挤出的初生纤维在10-20℃温度下冷却，在90-110℃温度下进行第一次牵引拉伸，拉伸倍数为3-10倍，在10-20℃温度下冷却；在110-140℃温度下进行二次牵引拉伸，拉伸倍数为1-3倍。
9.根据权利要求1所述的热缩型纤维增强混凝土，其特征在于，所述的热缩型纤维的起始收缩温度的收缩率≥0.5％，沸水收缩率≥5％。
10.根据权利要求1所述的热缩型纤维增强混凝土，其特征在于，所述的热缩型纤维为粗纤维，表面经过了亲水改性、压痕处理或端头截面加大处理。
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