CN114591039B - 钢-pva混杂纤维增强混凝土防水抗渗材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钢‑PVA混杂纤维增强混凝土防水抗渗材料，该混凝土防水抗渗材料的组分包括：按重量份数计，粗骨料1000～1300份，细骨料600～830份，水泥骨料310～430份，粉煤灰0～80份，膨胀剂32～60份，减水剂2～5份，水150～250份；还包括占上述各组分总体积1.18～1.29％的钢纤维和0.71～0.82％的PVA纤维。本发明通过对钢纤维和PVA纤维种类的选择及设置合理的配比，不仅赋予混凝土材料良好的弯曲韧性，有利于大体积混凝土浇筑，而且还显著提高了混凝土材料的防水抗渗性能，使混凝土结构具备一定的自防水效果。本发明提供的钢‑PVA混杂纤维增强混凝土防水抗渗材料制备工艺简单，综合性能优异，非常适合在防水建筑工程施工以及建筑结构加固、修缮中进行推广及应用。

Description

钢-PVA混杂纤维增强混凝土防水抗渗材料及其制备方法

技术领域

本发明属于纤维增强混凝土材料技术领域，具体涉及一种钢-PVA混杂纤维增强混凝土防水抗渗材料及其制备方法。

背景技术

纤维增强混凝土作为一种新型建筑材料，加入纤维可以提高混凝土材料整体的力学性能和耐久性，具有较高的强度、变形能力和耗能能力，因此被广泛应用于公路桥梁、机场跑道等重要设施建设中。

传统的纤维增强混凝土通常使用单一纤维类型，单一纤维往往只能在有限的应变和开裂情况下发挥作用，同时其自身劣势无法规避，例如钢纤维锈蚀、尼龙纤维前期无法抵抗微细裂纹等。使用两种及以上不同特性的进行互掺制备混杂纤维混凝土能够在一定程度上提升混凝土材料的抗拉、抗压、抗冲击等性能。然而，掺杂纤维混凝土存在着配合比试配难度大、多种纤维分散不均匀、混杂纤维比例微调对基体性能影响大、纤维间存在负混杂效应等问题，会对材料的弯曲韧性造成一定的影响，不利于大体积混凝土的浇筑；特别是掺杂纤维混凝土材料的防水抗渗性能仍不够理想，使其应用受到一定的限制。

基于此，如何在确保混杂纤维增强混凝土力学强度的基础上，提高混凝土材料的弯曲韧性，特别是提升其自身的防水抗渗性能，是亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种具有良好的弯曲韧性、防水抗渗性能更优的钢-PVA混杂纤维增强混凝土防水抗渗材料。

本发明的目的之二在于提供一种制备工艺简单、易于推广应用的钢-PVA混杂纤维增强混凝土防水抗渗材料的制备方法。

本发明的目的之三在于提供一种钢-PVA混杂纤维增强混凝土防水抗渗材料在防水建筑工程施工以及建筑结构加固、修缮中的应用。

本发明实现目的之一采取的技术方案是：提供一种钢-PVA混杂纤维增强混凝土防水抗渗材料，其组分包括：按重量份数计，粗骨料1000～1300份，细骨料600～830份，水泥骨料310～430份，粉煤灰0～80份，膨胀剂32～60份，减水剂2～5份，水150～250份，还包括占上述各组分总体积1.18～1.29％的钢纤维和0.71～0.82％的PVA纤维。

在本发明中，掺入一定体积的PVA纤维对基体的阻裂效果明显，与钢纤维配合可以有效地提高基体极限抗弯承载力。本案申请人经研究发现，当加入体积率为1.18～1.29％的钢纤维和0.71～0.82％的PVA纤维时，能够出现较好的正混杂效应，大幅提升基体的抗弯性能和增韧阻裂的能力；同时借助不同纤维的协同作用，有效改善混凝土内部缺陷和微裂纹的产生，间接增强了混凝土结构的自防水性能。进一步的，一定质量的膨胀剂的使用有效提高基体的抗裂能力及抗渗性能，抵消部分混凝土收缩时产生的拉应力，将混凝土最终收缩应力控制在一定范围内，从而防止混凝土开裂；其水化反应生成的钙矾石晶体，可填充、堵塞并切断混凝土内的毛细孔，使混凝土的抗渗能力大大提高，从而达到进一步提升混凝土结构自防水的目的。

本申请研究还发现，当掺杂纤维体积率不在上述范围内时，如PVA纤维掺量体积率为1.0％或0.6％时，虽然相对于素混凝土在防水抗渗性能上有一定的提升，但仍无法达到PVA纤维体积率为0.71～0.82％时的抗渗等级；此外，在力学性能上，抗压性能和弯曲韧性会有所下降，综合性能不够理想。故本申请将掺杂纤维的体积率设置为：钢纤维1.18～1.29％、PVA纤维0.71～0.82％。

优选地，所述钢纤维为镀铜微丝钢纤维，所述镀铜微丝钢纤维的密度为7.8g/cm³，直径为0.22mm，长度为13mm，弹性模量为210GPa，抗拉强度≥2850MPa，极限延伸率为25％。

在一些较好的实施方式中，所述PVA纤维选自日本可乐丽公司生产的水溶性聚乙烯醇纤维可乐纶K-Ⅱ纤维，其密度为1.3g/cm³，直径为0.04mm，长度为12mm，弹性模量为41GPa，抗拉强度1650MPa，极限延伸率为6％。与其他牌号的PVA纤维相比，上述PVA纤维更容易分散，水溶性更佳，且能够与针状镀铜微丝钢纤维进行更好的均匀混杂及分散，避免了常规PVA纤维在物理性能和分散性能上的缺陷导致混凝土制备中纤维混杂阶段出现的结团现象，进而减少了对混杂纤维均质性造成的不利影响。

在一些较好的实施方式中，混杂纤维的掺量占各组分总体积的2％。其中，钢纤维的体积分数为1.25％，PVA纤维的体积分数为0.75％。在该比例范围条件下，可以使基体累计吸收能量值达到峰值，并获得对应基准混凝土25倍左右的最大弯曲韧性指数。同时，该配比掺量的混杂纤维分散性最好、不易结团，同时混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、弯曲韧性及抗渗性能均得到较好的提高，综合性能最佳。

优选地，所述可乐纶K-Ⅱ纤维表面经过浸油预处理。具体地，浸油预处理包括以下步骤：将PVA纤维浸泡在水溶性硅油中120s，而后取出并采用棉纱网布自然沥干半小时，上述操作后的PVA纤维即可直接使用。该预处理方式更有利于PVA纤维的分散，减少了混杂纤维结团现象出现，降低了基体微观孔隙率，提高了材料的弯曲性能及抗渗能力。

进一步的，所述膨胀剂选自高效抗裂膨胀剂，所述高效抗裂膨胀剂的主要成分由高温下轻烧CaO、MgO熟料按照质量比4:1复合而成，其比表面积为275m²/kg，1.18mm筛余为0.1％。优选地，高效抗裂膨胀剂的其他相关性能指标如下：初凝时间167min，终凝时间4.5h，水中7d膨胀率为0.039％，空气中21d膨胀率为0.007％。

在本发明中，在混凝土中掺加适量的高效抗裂膨胀剂，通过与水化反应使混凝土产生适量膨胀，在钢筋和邻位限制下，在混凝土中建立0.2～0.6MPa的预压应力，能抵消部分混凝土收缩时产生的拉应力，将混凝土最终收缩应力控制在一定范围内，从而防止混凝土开裂。同时水化反应生成的钙矾石晶体，可填充、堵塞并切断混凝土内的毛细孔，使混凝土的抗渗能力大大提高，从而达到进一步提升混凝土结构自防水的目的。

具体地，高效抗裂膨胀剂的掺入量根据胶凝材料(水泥、粉煤灰和水)的质量而定，优选地，高效抗裂膨胀剂的掺入量为胶凝材料总重量的6～8％。

优选地，所述粉煤灰选自一级C类粉煤灰，所述粉煤灰的掺入量占粉煤灰与水泥骨料总体积的10～16.7％。在本发明中，利用一定比例的粉煤灰替代部分水泥与其他组分进行配合，能够辅助提高混凝土基体的抗渗性能。

优选地，所述水泥骨料选自标号为P.O.42.5的硅酸盐水泥；所述硅酸盐水泥的烧失量为2.86％，细度为7.1％。

优选地，所述粗骨料选自粒径为10～25mm的连续粒级的碎石；所述碎石的堆积密度为1538kg/cm³，表观密度为2681kg/cm³、筛选量为5％、含泥量为0.15％。

优选地，所述细骨料选自粒径为0.10～4mm的砂；所述砂的细度模数为2.5，堆积密度为1594kg/cm³，表观密度为2721kg/cm³，含水量为5.8％，含泥量为2.1％。

优选地，所述减水剂选自聚羟酸高性能减水剂，其超分散性可以抑制混凝土坍落度的损失带来的缓凝作用，增加混凝土的流动性，降低混凝土的收缩，对基体的增强效果明显。

本发明实现目的之二所采取的技术方案是：提供一种钢-PVA混杂纤维增强混凝土防水抗渗材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、依次加入水泥骨料、粉煤灰、细骨料进行初搅至混合均匀，得到第一产物；

S2、向所述第一产物中加入粗骨料，搅拌30s，得到第二产物；

S3、向所述第二产物中加入溶解后的减水剂，搅拌30s，得到第三产物；

S4、向所述第三产物中加入膨胀剂，搅拌30s，得到第四产物；

S5、在维持搅拌状态下，向所述第四产物中加入钢纤维和PVA纤维，持续搅拌180s，即得到钢-PVA混杂纤维增强混凝土材料。

与常规的混凝土搅拌制备工艺相比，本发明提供的钢-PVA混杂纤维增强混凝土防水抗渗材料的制备方法采取“二次搅拌”工艺，该制备方法更注重水泥活性与分散性的改良：在预拌阶段从基础物料入手使混凝土的强度得到逐步提升，在最初的步骤中，搅拌机无需对整个混凝土物料进行搅拌，因而搅拌工作的难度可以得到有效地降低，再通过对各阶段的搅拌时间进行严格的控制，即使是高速搅拌也不会出现离析或者严重的纤维聚集成团的情况，整个过程可以使水泥发生全面的水化反应，最终提升搅拌的效率与质量。

本发明的目的之三在于提供一种基于本发明目的之一所述的钢-PVA混杂纤维增强混凝土材料或本发明目的之二所述的制备方法制得的钢-PVA混杂纤维增强混凝土材料在防水建筑工程施工以及建筑结构加固、修缮中的应用。

本发明通过在混凝土中掺入比例合适的钢纤维和PVA纤维进行混杂，利用纤维各自的优点在不同阶段下表现出混杂效应，可以提高基体的强度、抗冲击能力、耐磨性能和弯曲韧性等，同时抗渗性能优秀，在市政水池、房建地下室、桥墩和大坝坝体以及结构加固修缮方面具有推广应用价值。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的钢-PVA混杂纤维增强混凝土材料，通过采用不同力学性能和性质的钢纤维和PVA纤维按照一定比例进行混杂掺入，在提升混凝土材料力学强度的同时，改善其韧性及抗渗性能；借助不同纤维的协同作用，有效改善混凝土内部缺陷和微裂纹的产生，间接增强了混凝土结构的自防水性能。

(2)本发明提供的钢-PVA混杂纤维增强混凝土材料的制备方法，采取二次搅拌工艺，在预拌阶段从基础物料入手使混凝土的强度得到逐步提升，有效地降低搅拌工作的难度，避免高速搅拌造成的离析或者纤维聚集成团的情况产生，促进水泥发生全面的水化反应，最终提升搅拌的效率与质量。

(3)本发明提供的钢-PVA混杂纤维增强混凝土材料，具有良好的弯曲韧性，有利于大体积混凝土浇筑，同时该新型混凝土材料具有良好的自防水效果，其抗渗能力优秀，在市政水池、房建地下室、桥墩和大坝坝体以及建筑结构加固、修缮方面具有推广应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例所采用的钢纤维和PVA纤维的实物图；其中，(a)为镀铜微丝钢纤维，(b)为可乐纶K-Ⅱ纤维；

图2为本发明提供的一种钢-PVA混杂纤维增强混凝土防水抗渗材料的制备方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施例仅以C30、C40两种强度等级的混凝土为例，但不作为本发明的限定。

表1为实施例1-8的钢-PVA混杂纤维增强混凝土材料以及对比例1和2素混凝土的基础配方中各组分的配合比(/m³)。

表1

上表中，膨胀剂的用量(％)为膨胀剂占胶凝材料(水泥、粉煤灰和水)总质量的比例。膨胀剂选用高效抗裂膨胀剂，其主要成分为由高温下轻烧CaO、MgO熟料按照质量比4:1复合而成，其比表面积为275m²/kg，1.18mm筛余为0.1％。

表2为实施例1-8掺杂纤维的种类及纤维体积率。

表2

上表中，纤维体积率是指聚乙烯醇纤维(PVA)和钢纤维(ST)的体积用量分别占其他各组分总体积的比例。

实施例1

一种C30等级钢-PVA混杂纤维增强混凝土材料，按照表1所示C30配方及表2所示的纤维种类及体积率准备各原料，其制备方法如下：

步骤1：依次加入水泥、粉煤灰、砂进行初搅至混合均匀，得到第一产物；

步骤2：向所述第一产物中加入粗骨料，搅拌30s，得到第二产物；

步骤3：向所述第二产物中加入溶解后的减水剂，搅拌30s，得到第三产物；

步骤4：向所述第三产物中加入膨胀剂(膨胀剂采用高效抗裂膨胀剂，其用量为胶凝材料总重量的6％)，搅拌30s，得到第四产物；

步骤5：在维持搅拌状态下，向所述第四产物中加入钢纤维和PVA纤维，持续搅拌180s，即得到C30等级的钢-PVA混杂纤维增强混凝土材料。

实施例2

一种C40等级钢-PVA混杂纤维增强混凝土材料，按照表1所示C40配方及表2所示的纤维种类及体积率准备各原料组分，其制备方法如下：

步骤1：依次加入水泥、粉煤灰、砂进行初搅至混合均匀，得到第一产物；

步骤2：向所述第一产物中加入粗骨料，搅拌30s，得到第二产物；

步骤3：向所述第二产物中加入溶解后的减水剂，搅拌30s，得到第三产物；

步骤4：向所述第三产物中加入膨胀剂(膨胀剂采用高效抗裂膨胀剂，其用量为胶凝材料总重量的8％)，搅拌30s，得到第四产物；

步骤5：在维持搅拌状态下，向所述第四产物中加入钢纤维和PVA纤维，持续搅拌180s，即得到C40等级的钢-PVA混杂纤维增强混凝土材料。

实施例3

在实施例1的基础上，按照表2所示的纤维体积率，将钢纤维的掺量调整为1.25％(体积百分数)，将PVA纤维的掺量调整为0.75％(体积百分数)，其余步骤及条件不变。

实施例4

在实施例2的基础上，按照表2所示的纤维体积率，将钢纤维的掺量调整为1.25％(体积百分数)，将PVA纤维的掺量调整为0.75％(体积百分数)，其余步骤及条件不变。

实施例5

在实施例3的基础上，按照表2所示的纤维种类及纤维体积率，将钢纤维调整为1.25％(体积百分数)的镀铜微丝钢纤维，将PVA纤维调整为0.75％(体积百分数)可乐纶K-Ⅱ纤维，其余步骤及条件不变。

其中，镀铜微丝钢纤维的密度为7.8g/cm³，直径为0.22mm，长度为13mm，弹性模量为210GPa，抗拉强度≥2850MPa，极限延伸率为25％；可乐纶K-Ⅱ纤维的密度为1.3g/cm³，直径为0.04mm，长度为12mm，弹性模量为41GPa，抗拉强度1650MPa，极限延伸率为6％。

实施例6

在实施例4的基础上，按照表2所示的纤维种类及纤维体积率，将钢纤维调整为1.25％(体积百分数)的镀铜微丝钢纤维，将PVA纤维调整为0.75％(体积百分数)的可乐纶K-Ⅱ纤维，其余步骤及条件不变。

其中，镀铜微丝钢纤维的密度为7.8g/cm³，直径为0.22mm，长度为13mm，弹性模量为210GPa，抗拉强度≥2850MPa，极限延伸率为25％；可乐纶K-Ⅱ纤维的密度为1.3g/cm³，直径为0.04mm，长度为12mm，弹性模量为41GPa，抗拉强度1650MPa，极限延伸率为6％。

实施例7

在实施例5的基础上，将可乐纶K-Ⅱ纤维替换为经过浸油预处理的可乐纶K-Ⅱ纤维。其中，可乐纶K-Ⅱ纤维的浸油预处理的方法为：将PVA纤维浸泡在水溶性硅油中120s，而后取出并采用棉纱网布自然沥干半小时，即可使用。

实施例8

在实施例6的基础上，将可乐纶K-Ⅱ纤维替换为经过浸油预处理的可乐纶K-Ⅱ纤维。其中，可乐纶K-Ⅱ纤维的浸油预处理的方法为：将PVA纤维浸泡在水溶性硅油中120s，而后取出并采用棉纱网布自然沥干半小时，即可使用。

对比例1

按照表1所示的C30混凝土配方制备素混凝土。

对比例2

按照表1所示的C40混凝土配方制备素混凝土。

应用例

按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》、CECS13：2009《纤维混凝土试验方法标准》以及JTG3420-2020《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》的相关规定，对实施例1-6及对比例1和2制备得到的混凝土材料进行性能测试，测试项目包括立方体抗压试验(立方体尺寸150×150×150mm)、弯曲韧性试验(梁尺寸100×100×400mm)和抗渗性能试验(上口直径

下口直径

高150mm的锥台)，相关性能测试结果见下表3：

表3

由上表3可知，

实施例1-8在对比例1和对比例2制备的素混凝土的基础上，分别加入了体积率为1.18～1.29％的钢纤维和0.71～0.82％的PVA纤维。试验结果显示，该比例混杂纤维的加入对基体的增强效果明显，能够对混凝土基体起到良好的增韧阻裂效果，增加基体的极限抗弯承载力。进一步的，抗渗性能试验结果显示，掺加钢-PVA纤维及高效抗裂膨胀剂后，混凝土的抗渗等级由P8提高至P10及以上，平均渗水高度也下降了40mm以上。

将实施例1和3制备的C30混凝土、实施例2和4制备的C40混凝土的性能测试结果进行比较，可知：当掺入体积率为0.75％的PVA纤维和1.25％的钢纤维时，两种等级的混凝土中，混杂纤维对基体的增强效果均达到最佳，两种强度的HFRC(混杂纤维混凝土)的抗压强度相对于基准混凝土(素混凝土)分别提高了17.5％(C30)和10.2％(C40)。弯曲韧性试验结果显示，掺入体积率为0.75％的PVA纤维和1.25％钢纤维后，混凝土的最大弯曲韧性指数为对应基准混凝土的24.1倍，且数值均大于其理想弹塑性对应的弯曲韧性指数5、10、20，可以较好反映钢-PVA混杂纤维对基体的弯曲韧性的增强效果。

进一步的，在实施例5和6中，在保持体积掺杂率不变的前提下，分别将实施例3和4中普通的钢纤维调整为镀铜微丝钢纤维，并采用可乐纶K-Ⅱ纤维替代普通PVA纤维进行掺杂时，各项性能测试结果均有不同程度的提升。实施例5和6的防水抗渗等级均达到了P12，且平均渗水高度与对比例1和2相比，分别下降了71mm和62mm，这说明，本发明通过对掺杂纤维种类进行优选，能够显著提升混凝土材料的防水抗渗性能。

实施例7和8通过对可乐纶K-Ⅱ纤维进行浸油预处理，进一步提升了混凝土材料的弯曲性能及抗渗性能。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种钢-PVA混杂纤维增强混凝土防水抗渗材料，其特征在于，其组分包括：按重量份数计，粗骨料1000～1300份，细骨料600～830份，水泥骨料310～430份，粉煤灰0～80份，膨胀剂32～60份，减水剂2～5份，水150～250份；还包括占上述各组分总体积1.18～1.29％的钢纤维和0.71～0.82％的PVA纤维；

所述钢纤维为镀铜微丝钢纤维，所述PVA纤维为可乐纶K-Ⅱ纤维；

所述镀铜微丝钢纤维的密度为7.8g/cm³，直径为0.22mm，长度为13mm，弹性模量为210GPa，抗拉强度≥2850MPa，极限延伸率为25％；

所述可乐纶K-Ⅱ纤维的密度为1.3g/cm³，直径为0.04mm，长度为12mm，弹性模量为41GPa，抗拉强度1650MPa，极限延伸率为6％；

所述可乐纶K-Ⅱ纤维表面经过浸油预处理。

2.根据权利要求1所述的钢-PVA混杂纤维增强混凝土防水抗渗材料，其特征在于，所述膨胀剂选自高效抗裂膨胀剂，所述高效抗裂膨胀剂的主要成分由高温下轻烧CaO、MgO熟料按照质量比4:1复合而成，其比表面积为275m²/kg，1.18mm筛余为0.1％。

3.根据权利要求2所述的钢-PVA混杂纤维增强混凝土防水抗渗材料，其特征在于，所述高效抗裂膨胀剂的加入量占胶凝材料总重量的6～8％。

4.根据权利要求1所述的钢-PVA混杂纤维增强混凝土防水抗渗材料，其特征在于，所述粉煤灰选自一级C类粉煤灰，所述粉煤灰的掺入量占粉煤灰与水泥骨料总体积的10～16.7％。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的钢-PVA混杂纤维增强混凝土防水抗渗材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、依次加入水泥骨料、粉煤灰、细骨料进行初搅至混合均匀，得到第一产物；

S2、向所述第一产物中加入粗骨料，搅拌30s，得到第二产物；

S3、向所述第二产物中加入溶解后的减水剂，搅拌30s，得到第三产物；

S4、向所述第三产物中加入膨胀剂，搅拌30s，得到第四产物；

S5、在维持搅拌状态下，向所述第四产物中加入钢纤维和PVA纤维，持续搅拌180s，即得到钢-PVA混杂纤维增强混凝土材料。

6.一种根据权利要求1-4任一项所述的钢-PVA混杂纤维增强混凝土材料或根据权利要求5所述的制备方法得到的钢-PVA混杂纤维增强混凝土材料在防水建筑工程施工以及建筑结构加固、修缮中的应用。

Images