CN114956713B - 一种非金属纤维增强超高性能混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非金属纤维增强超高性能混凝土及其制备工艺，该材料按照质量份数，由以下组分组成：高吸湿率非金属纤维0.1‑1份，低吸湿率非金属纤维1‑3份，水泥7‑90份，水10‑25份，化学外加剂0.5‑1份，矿物掺合料7‑90份，细集料70‑130份，粗集料10‑70份。本发明采用的非金属纤维增强超高性能混凝土具有高韧性、低减缩、耐腐蚀的优异性能，可应用于海港码头、盐渍土和除冰盐环境混凝土建筑物、地铁工程等高耐久性要求的工程结构。

Description

一种非金属纤维增强超高性能混凝土

技术领域

本发明属于交通工程材料技术领域，具体涉及一种非金属纤维增强超高性能混凝土及其制备工艺。

背景技术

超高性能混凝土是指由水泥、矿物掺合料、集料、纤维、化学外加剂和水等原材料制成的具有超高力学性能、超高抗渗性能的高韧性水泥基复合材料。一方面，由于超高性能混凝土的超低水胶比(一般小于0.20)、高胶凝材料用量，导致其自生体积收缩较大，易产生开裂现象；另一方面，超高性能混凝土掺加了体积比为1％-2％的钢纤维，使得港口码头、盐渍土和除冰盐环境混凝土建筑物等氯盐环境下钢纤维易产生锈蚀肿胀，在地铁工程结构物中因杂散电流而产生腐蚀，影响结构的外观、力学性能和耐久性能。

为了解决超高性能混凝土的自生体积收缩大的问题，常采用掺膨胀剂、吸水性高分子材料、提高矿物掺合料掺量、掺加减缩化学外加剂等技术措施。这些减缩措施在一定程度上降低了超高性能混凝土的收缩，但仍然存在一定的问题。超高性能混凝土的强度等级越高，膨胀剂的效能发挥就越受到限制。在高胶凝材料低水胶比的浆体中吸水性高分子材料分散均匀性尚没有有效解决，且掺加吸水性高分子材料降低了基体的力学性能。矿物掺合料掺量越高，会使浆体黏度升高，纤维分散更加困难，同时也会使超高性能混凝土强度等级降低。减缩型化学外加剂可以大幅度降低混凝土因毛细吸附导致的干燥变形，而对化学反应产生的自生体积收缩效果有限。

为了避免钢纤维锈蚀，常采用合成纤维(如用聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚乙烯纤维)或玻璃纤维替代钢纤维。上述合成纤维的弹性模量在6-35GPa之间，而超高性能混凝土的弹性模量≥40GPa,合成纤维低于混凝土基体的弹性模量，不利于提升混凝土的韧性。玻璃纤维尽管弹性模量(70-80GPa)高于混凝土基体，但其耐碱性较差，不利于超高性能混凝土的长期耐久性。

发明内容

为了降低超高性能混凝土自生体积收缩、提高纤维的抗盐腐蚀性能，本发明提供一种非金属纤维增强超高性能混凝土，既具有钢纤维增强超高性能混凝土的物理力学性能，又具有卓越的耐腐蚀性能。采用非金属纤维的水份缓释效应降低超高性能混凝土基体的自生体积收缩，通过高强高弹性模量的芳纶纤维进行基体增强增韧，提升混凝土的物理力学性能，麻纤维与芳纶纤维不受盐类作用，无纤维腐蚀膨胀的现象。

本发明采用的技术方案为：

一种非金属纤维增强超高性能混凝土，所述材料按照质量份数由以下组分组成：高吸湿率非金属纤维0.1-1份，低吸湿率非金属纤维1-3份，水泥7-90份，水10-25份，矿物掺合料7-90份，细集料70-130份，粗集料10-70份，外加剂 0.5-1份。

所述高吸湿率非金属纤维为麻纤维，吸湿率为10-15％。

所述低吸湿率非金属纤维为芳纶纤维，吸湿率为1-3％。

高吸湿率非金属纤维与低吸湿率非金属纤维的质量比例关系优选在1:30～ 1:1范围，更优选地比例关系为1:30。

所述麻纤维弹性模量15-45GPa、抗拉强度500-1000MPa、极限延伸率1.5-2.5％、吸湿率10-15％。

所述麻纤维为亚麻纤维、玄苎麻纤维、青麻纤维、黄麻纤维、罗布麻纤维、槿麻纤维纤维和大麻纤维中的一种。

所述芳纶纤维弹性模量25-45GPa、抗拉强度1500-2000MPa、极限延伸率3-5％、吸湿率1-3％。

所述矿物掺合料为SiO2含量≥95％的硅粉、磨细矿渣粉、F类粉煤灰中的至少一种。

所述外加剂为高性能减水剂，减水率≥25％。

所述细集料为天热砂、机制砂中的一种，最大粒径≤5mm；所述粗集料为碎石，最大粒径≤10mm。

所述的一种非金属纤维增强超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：

(1)将粗集料、高吸湿率非金属纤维、30-50％的水加入双卧轴强制式搅拌机，低转速搅拌3～5min，静置15-20min；

(2)在低转速搅拌状态下，加入水泥、矿物掺合料、细集料、化学外加剂、剩余的水，搅拌3-5min；

(3)在低转速搅拌状态下，分散加入低吸湿率非金属纤维，搅拌3-5分钟。

(4)高转速搅拌1-2min，出机。

所述低速搅拌是指搅拌叶片转速为10～20rpm；进一步优选为(15±2)rpm；高转速搅拌是指搅拌叶片转速为25～35rpm，进一步优选为(30±2)rpm。

优选地，一种非金属纤维增强超高性能混凝土，所述材料按照质量份数由以下组分组成：麻纤维0.1-1份，芳纶纤维1-3份，水泥7-90份，水10-25份，矿物掺合料7-90份，细集料70-130份，粗集料10-70份，外加剂0.5-1份。

更优选地，所述材料按照质量份数由以下组分组成：麻纤维0.1-0.25份，芳纶纤维2-3份，水泥7-40份，水10-15份，矿物掺合料60-90份，细集料70-90 份，粗集料50-70份，外加剂0.5-0.7份。

本发明中，两种非金属纤维均具有一定的吸湿率，麻纤维的吸湿率10-15％，芳纶纤维吸湿率1-3％。在超高性能混凝土的制备过程中，将粗集料与麻纤维搅拌，粗骨料的剪切作用使麻纤维充分分散，通过静置15-20mim，使麻纤维充分吸水；芳纶纤维加入浆体后，通过延长搅拌时间，使芳纶纤维充分吸水。麻纤维与芳纶纤维吸附的水份在水泥硬化过程冲缓慢释放，补充水泥水化需要的水份，降低超高性能混凝土基体的自生体积收缩。

两种非金属纤维既不受环境介质中各盐离子的腐蚀作用，也不导电，不受杂散电流的腐蚀作用，因此，非金属纤维增强超高性能混凝土可应用于海港码头、盐渍土和除冰盐环境混凝土建筑物、地铁工程等高耐久性要求的工程结构。

芳纶纤维与麻纤维协同作用体现在：

1)分阶段缓释水分，降低超高性能混凝土的自生体积收缩。水分饱和麻纤维在超高性能混凝土硬化早期(0-7天)释放水分，降低水泥水化产生的自生体积收缩；芳纶纤维吸附的水分在超高性能混凝土硬后期(7天以后)释放水分，提供矿物掺合料火山灰二次水化反应所需要的水分，降低超高性能混凝土的自生体积收缩。同时，水泥和矿物掺合料的充分水化，使得超高性能混凝土的微结构更加致密，进一步降低了混凝土的氯离子扩散系数，提高了混凝土的抗腐蚀能力。

2)分阶段抑制裂缝扩展。短切麻纤维弹性模量和抗拉强度相对降低，抑制早龄期超高性能混凝土基体的塑性裂缝和后龄期超高性能混凝土基体的微细裂缝的发展，减少混凝土早期收缩变形，降低了混凝土的内部损伤，极大延迟了硬化混凝土裂缝起裂时间。芳纶纤维抗拉强度较大，弹性模量与硬化后的超高弹性模量基本相当，当超高性能混凝土承受单轴拉伸荷载时，抑制混凝土的裂缝扩展。两种纤维协同作用，提高混凝土的单轴拉伸应变和单轴拉伸强度。

本发明的有益效果是：

1、显著降低超高性能混凝土的自生体积收缩：

利用麻纤维和芳纶纤维的分阶段水份缓释，持续补充水泥和矿物掺合料水化需要的水份，有效降低超高性能混凝土的自生体积收缩，提高了超高性能混凝土的体积稳定性、耐久性和服役寿命。

2、充分利用两种纤维的弹性模量和抗拉强度的差别，协同提升混凝土拉伸性能：

短切麻纤维显著减少超高性能混凝土早龄期塑性收缩裂缝，降低了基体内部微裂缝的产生与扩展。麻纤维协同高强高模量的芳纶纤维，提高了硬化超高性能混凝土在单轴拉伸荷载作用下的抗拉强度和拉伸变形能力。

3、避免盐离子及杂散电流对纤维的腐蚀作用：

由于天然植物的麻纤维与合成纤维的非金属特性，以及超高性能混凝土超低的氯离子扩散系数，使得盐离子及杂散电流对非金属增强超高性能混凝土不产生腐蚀作用，极大的拓展了超高性能混凝土的应用范围，优化了腐蚀环境下混凝土结构的型式。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

所用原材料均为市售材料，具体生产厂家如下：

麻纤维由金华万国码头贸易有限公司销售，长度6mm，弹性模量20GPa，抗拉强度860MPa，极限延伸率1.8％，吸湿率13.5％。芳纶纤维为广东启胜新材料科技有限公司生产，长度12mm，弹性模量42GPa，抗拉强度1850MPa，极限延伸率4.6％，吸湿率2.5％。微细钢纤维为贝卡尔特(二钢)有限公司生产，长度12mm，弹性模量200GPa，抗拉强度2750MPa，极限延伸率3.5％。

水泥为海螺集团P·O42.5水泥。细集料为天然河砂，最大粒径5mm。粗集料为玄武岩块石破碎而成，最大粒径10mm。矿物掺合料：粉煤灰为南京热电厂生产F类I级粉煤灰，矿渣由马鞍山钢铁股份有限公司生产S105级磨细矿渣粉，硅粉由埃肯国际贸易(上海)有限公司生产，SiO2含量95.5％。高性能减水剂由南京瑞迪建设科技有限公司生产，减水率30％。水为普通饮用自来水。

实施例1

材料组成比例如表1所示：

表1实施例材料组成(质量份数)

实施例1与实施例5、实施例2与实施例6、实施例3与实施例7、实施例4 与实施例8的基体材料的质量组份相同，纤维的体积分数相同，不同之处在于纤维种类不一样。实施例1～实施例4的纤维为非金属纤维(麻纤维与芳纶纤维)，实施例5～8为钢纤维。实施例9～12、实施例13～16与实施例1～4的基体组分相同，区别在于实施例9～12仅掺加麻纤维，实施例13～16仅掺加芳纶纤维。

实例1～实例16中非金属纤维增强超高性能混凝土制备工艺如下：

(1)将粗集料、麻纤维、30-50％的水加入双卧轴强制式搅拌机，在搅拌叶片转速为(15±2)rpm的低转速状态下搅拌3～5min，静置15-20min；

(2)在低转速搅拌状态下，加入水泥、矿物掺合料、细集料、化学外加剂、剩余的水，搅拌3-5min；

(3)在低转速搅拌状态下，分散加入芳纶纤维(或微细钢纤维)，搅拌3-5分钟。

(4)在搅拌叶片转速为(30±2)rpm的高转速状态下搅拌1-2min，出机。

实例1～实例10中相关性能的试验测试方法如下：

根据“超高性能混凝土试验方法标准(T/CECS 864-2021)”进行超高性能混凝土上述性能参数的测试分析。抗压强度、氯离子扩散系数和单轴拉伸性能为试件标准养护28d测得。实施例的超高性能混凝土性能如表2所示。

表2实施例超高性能混凝土性能指标

对比实施例1与实施例5、实施例2与实施例6、实施例3与实施例7、实施例1与实施例8，掺加非金属纤维增强超高性能混凝土抗压强度有一定提高，早龄期自收缩和氯离子扩散系数显著下降，分别仅为钢纤维增强超高性能混凝土的 20％～36％、48～65％；单轴拉伸强度和拉伸变形显著提高，分别为钢纤维增强超高性能混凝土的1.11～1.28倍和1.28～1.61倍。非金属纤维增强超高性能混凝土性能显著优于传统微细钢纤维增强超高性能混凝土。

对比实施例9～12与实施例1～4，抗压强度、早龄期自收缩和氯离子扩散系数基本相当，抗压强度仅减小2％～5％，早龄期自收缩增加3％～4％，氯离子扩散系数提高0～8％；单轴拉伸强度和拉伸变形性能显著下降，分别降低了47％～66％和98％～99％。仅掺加麻纤维的混凝土表现出显著的脆性破坏特性。

对比实施例13～16与实施例1～4，抗压强度和氯离子扩散系数基本相当，抗压强度仅减小1％～2％，氯离子扩散系数提高5～8％；早龄期自收缩变形量显著增加了155％～329％；单轴拉伸强度和拉伸变形性能略有降低，分别降低了2％～ 4％和14％～29％。仅掺加芳纶的混凝土早期自收缩性能显著降低，其他各项性能有不同程度降低。

对比实施例1～4，麻纤维与芳纶纤维比例分别为1:30、1:8、1:2、1:1，两种纤维比例为1:30时力学性能、拉伸性能、自收缩性能和氯离子扩散性能均最优。

综合对比实施例9～12、实施例13～16与实施例1～4，复掺麻纤维与芳纶纤维较单掺一种纤维，综合性能协同提升效果显著。

Claims (8)

1.一种非金属纤维增强超高性能混凝土，其特征在于，按照质量份数由以下组分组成：高吸湿率非金属纤维0.1-1份，低吸湿率非金属纤维1-3份，水泥7-90份，水10-25份，矿物掺合料7-90份，细集料70-130份，粗集料10-70份，外加剂0.5-1份；所述高吸湿率非金属纤维为麻纤维，吸湿率为10-15%；所述低吸湿率非金属纤维为芳纶纤维，吸湿率为1-3%。

2.根据权利要求1所述的一种非金属纤维增强超高性能混凝土，其特征在于，所述麻纤维为亚麻纤维、玄苎麻纤维、青麻纤维、黄麻纤维、罗布麻纤维、槿麻纤维和大麻纤维中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种非金属纤维增强超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥为通用硅酸盐水泥，强度等级≥42.5；所述矿物掺合料为SiO₂含量≥95%的硅粉、磨细矿渣粉、F类粉煤灰中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种非金属纤维增强超高性能混凝土，其特征在于，所述外加剂为高性能减水剂，减水率≥25%。

5.根据权利要求1所述的一种非金属纤维增强超高性能混凝土，其特征在于，所述细集料为天然砂、机制砂中的一种，最大粒径≤5 mm；所述粗集料为碎石，最大粒径≤10 mm。

6.权利要求1至5中任意一项所述的一种非金属纤维增强超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1) 将粗集料、麻纤维、30-50%的水加入双卧轴强制式搅拌机，低转速搅拌3~5min，静置15-20min；

(2) 在低转速搅拌状态下，加入水泥、矿物掺合料、细集料、化学外加剂、剩余的水，搅拌3-5min；

(3)在低转速搅拌状态下，分散加入芳纶纤维，搅拌3-5分钟；

(4)高转速搅拌1-2min，出机。

7.根据权利要求6所述的一种非金属纤维增强超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，所述低转速搅拌是指搅拌叶片转速为10~20rpm。

8.根据权利要求6所述的一种非金属纤维增强超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，所述高转速搅拌是指搅拌叶片转速为25~35 rpm。