CN115536342A - 一种拉压高延性纤维混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种拉压高延性纤维混凝土及其制备方法，按照重量份数计，包括如下组分：280～290份水、280～290份水泥、735～750份粉煤灰、110～120份硅灰、600～615份石英砂、155～160份钢纤维、9.5～10份超高分子量聚乙烯纤维、2.5～3.5份减水剂。其中，钢纤维的掺量为拉压高延性纤维混凝土总体积的1.5～2.5％，超高分子量聚乙烯纤维的掺量为拉压高延性纤维混凝土总体积的0.8～1.2％。本发明利用钢纤维和超高分子量聚乙烯纤维两种纤维的增强、阻裂、增韧作用，从而可控制混凝土内部裂缝的产生和发展，并使混凝土延性与韧性得到显著提高。该纤维混凝土适用于建筑结构中以提高结构的安全性能和使用年限。

Description

一种拉压高延性纤维混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，且特别涉及一种拉压高延性纤维混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土是当代最主要的土木工程材料之一。它由凝胶材料、颗粒状集料、水以及必要时加入的外加剂和掺合料按一定比例配置，经均匀搅拌、密实成型、养护硬化而成的一种人工石材。混凝土具有抗压强度高，耐久性好和强度等级范围宽等特点。但是，传统的混凝土在受拉或受压时均呈现脆性破坏。因此，研究者们提出了各种方法以提升混凝土的延性。
目前，通过在混凝土中掺入PVA纤维可得到高延性水泥基复合材料(EngineeredCementitious Composites，ECC)。该掺入PVA纤维的高延性水泥基复合材料的受拉延性可达到3％以上，但其受压延性依然很差。此外，还有研究在混凝土中掺入钢纤维以得到钢纤维混凝土。该钢纤维混凝土受压延性虽好于ECC，但其受拉仍呈现软化行为。现有的混凝土存在不同程度的受拉、受压延性不足的问题，因而其在复杂工况下脆性破坏的风险较大。如果能研究得到同时具备拉压高延性的纤维增强水泥复合材料，对于提高结构的安全性能和使用年限具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种拉压高延性纤维混凝土，该纤维混凝土具有拉压高延性以及较高的韧性和耐久性。
本发明的另一目的在于提供一种拉压高延性纤维混凝土的制备方法，通过将钢纤维和超高分子量聚乙烯纤维混掺于混凝土中，得到拉压高延性纤维混凝土，该方法简单且参数可控，适用于工业化大规模生产。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种拉压高延性纤维混凝土，按照重量份数计，包括如下组分：280～290份水、280～290份水泥、735～750份粉煤灰、110～120份硅灰、600～615份石英砂、155～160份钢纤维、9.5～10份超高分子量聚乙烯纤维、2.5～3.5份减水剂，所述钢纤维的掺量为拉压高延性纤维混凝土总体积的1.5～2.5％，所述超高分子量聚乙烯纤维的掺量为所述拉压高延性纤维混凝土总体积的0.8～1.2％。
本发明提出一种拉压高延性纤维混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照所述的重量份数称取各组分；
S2、所述减水剂和所述水混合并搅拌，得到减水剂水溶液；
S3、将所述石英砂、所述水泥、所述粉煤灰和所述硅灰混合，搅拌后，加入所述减水剂水溶液并继续搅拌，得到拉压高延性纤维混凝土基体；
S4、将所述钢纤维和所述超高分子量聚乙烯纤维加入所述拉压高延性纤维混凝土基体后搅拌，得到所述拉压高延性纤维混凝土。
本发明实施例的拉压高延性纤维混凝土及其制备方法的有益效果是：
1、本发明利用钢纤维和超高分子量聚乙烯纤维两种纤维的增强、阻裂、增韧作用，从而可控制混凝土内部裂缝的产生和发展，并使混凝土延性与韧性得到显著提高。该纤维混凝土适用于建筑结构中以提高结构的安全性能和使用年限。
2、本发明的拉压高延性纤维混凝土的配方中大量使用了粉煤灰，不仅可减少水泥用量，同时由于粉煤灰由火力发电厂的工业废料经过加工而来，可实现节能减排，对可持续发展起着举足轻重的作用。
3、本发明解决了不同类型混凝土存在的不同程度的受拉或受压延性不足的问题，在结构开裂后有较大的抗拉能力和残余强度，一定程度上降低了建筑结构在复杂工况下脆性破坏的风险，可以提升混凝土的耐久性，延长了混凝土的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明试验例1的拉压高延性纤维混凝土试件的受拉加载图；
图2为本发明试验例1的拉压高延性纤维混凝土试件受拉后的破坏形态实物图片；
图3为本发明试验例1的拉压高延性纤维混凝土试件的受拉应力-应变曲线图；
图4为本发明试验例2的拉压高延性纤维混凝土试件的受压加载图；
图5为本发明试验例2的拉压高延性纤维混凝土试件受压后的破坏形态实物图片；
图6为本发明试验例2的拉压高延性纤维混凝土试件的受压应力-应变曲线图；
图7为本发明试验例3的钢纤维混凝土试件的受拉应力-应变曲线图；
图8为本发明试验例3的钢纤维混凝土试件的受压应力-应变曲线图；
图9为本发明试验例4的PE纤维混凝土试件的受拉应力-应变曲线图；
图10为本发明试验例4的PE纤维混凝土试件的受压应力-应变曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的拉压高延性纤维混凝土及其制备方法进行具体说明。
本发明实施例提供的一种拉压高延性纤维混凝土，按照重量份数计，包括如下组分：280～290份水、280～290份水泥、735～750份粉煤灰、110～120份硅灰、600～615份石英砂、155～160份钢纤维、9.5～10份超高分子量聚乙烯纤维(PE纤维)、2.5～3.5份减水剂，所述钢纤维的掺量为拉压高延性纤维混凝土总体积的1.5～2.5％，所述超高分子量聚乙烯纤维的掺量为所述拉压高延性纤维混凝土总体积的0.8～1.2％。
在一个优选实施例中，按照重量份数计，包括如下组分：285份水、285份水泥、741份粉煤灰、114份硅灰、608份石英砂、157份钢纤维、9.7份超高分子量聚乙烯纤维、3份减水剂；钢纤维的掺量为拉压高延性纤维混凝土总体积的2％，所述超高分子量聚乙烯纤维的掺量为所述拉压高延性纤维混凝土总体积的1％。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述钢纤维为镀铜端钩钢纤维，其直径为0.20～0.24mm，长度为11～15mm，抗拉强度为1900～2100MPa，截面积为0.031～0.045mm2，长径比为55～75，密度为7850kg/m3。优选地，钢纤维为直径0.22mm、长度13mm的镀铜端钩钢纤维，其抗拉强度为2000MPa，截面积0.035平方毫米，长径比为59，密度7850kg/m3。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述超高分子量聚乙烯纤维为短切纤维，其长度为15～20mm，单丝直径为17～19μm，延伸率为2.8％～3.2％，密度0.97g/cm3，抗拉强度2.8～3GPa，弹性模量为110～115GPa，含油率0.4％～0.7％。优选地，超高分子量聚乙烯纤维为18mm短切纤维，密度0.97g/cm3，抗拉强度2.9GPa，弹性模量114GPa。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，其堆积密度为650～850g/L，活性成分≥90％。残余水分≤3％，砂浆减水率≥23％，所述减水剂的10％的水溶液的pH值为7.0～9.0。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述水泥为普通硅酸盐水泥。优选地，水泥为牌号42.5R的普通硅酸盐水泥。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述粉煤灰为F类一级粉煤灰。
本发明将钢纤维和超高分子量聚乙烯纤维混掺于混凝土中，使两者优势互补，实现1+1>2的效果，从而解决了现有纤维增强水泥基复合材料无法同时实现拉压高延性的问题，将其用于建筑结构中可提高结构的安全性能和使用年限。
本发明还提供了一种拉压高延性纤维混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照所述的重量份数称取各组分。
S2、所述减水剂和所述水混合并搅拌，得到减水剂水溶液。
S3、将所述石英砂、所述水泥、所述粉煤灰和所述硅灰混合，搅拌使其分散均匀后，加入所述减水剂水溶液并继续搅拌，得到拉压高延性纤维混凝土基体。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述搅拌采用强制式搅拌机，其转速大于70转/分钟。
进一步地，在本发明较佳实施例中，搅拌时间为1.5～2.5min，继续搅拌时间为3～4min。
S4、将所述钢纤维和所述超高分子量聚乙烯纤维加入所述拉压高延性纤维混凝土基体后搅拌至纤维完全分散均匀，得到所述拉压高延性纤维混凝土。
进一步地，在本发明较佳实施例中，搅拌时间为3～5min。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供的一种拉压高延性纤维混凝土，其原料配比如表1所示：
表1拉压高延性纤维混凝土原料配比表
主要成分 配比/份 备注
水 285 -
水泥 285 P·O 42.5R
粉煤灰 741 F类一级灰
硅灰 114
石英砂 608
钢纤维 157 直径0.22mm，长度13mm
PE纤维 9.7 直径17-19μm，长度18mm
减水剂 3 聚羧酸高效减水剂
上述拉压高延性纤维混凝土根据以下方法制备得到：
(1)按照设定配比，称取水、水泥、粉煤灰、硅灰、石英砂、钢纤维、PE纤维和减水剂，以便后续使用。
(2)将称量好的减水剂倒入水中搅拌至完全溶解，得到减水剂水溶液。
(3)将石英砂、水泥、粉煤灰、硅灰加入搅拌筒中，搅拌2分钟使其混合分散均匀。
(4)将减水剂水溶液倒入搅拌筒中，继续搅拌3分钟，得到高性能纤维混凝土基体。
(5)将称量好的钢纤维和PE纤维加入搅拌筒中，继续搅拌5分钟至纤维完全分散均匀，得到拉压高延性纤维混凝土。
对比例1
本对比例提供一种钢纤维混凝土，其钢纤维的掺量为3％，原料配比如表2所示：
表2掺量3％钢纤维混凝土配比表
主要成分 配比/份 备注
水 285 -
水泥 285 P·O 42.5R
粉煤灰 741 F类一级灰
硅灰 114
石英砂 539.5
钢纤维 235.5 直径0.22mm，长度13mm
减水剂 2.5 聚羧酸高效减水剂
上述钢纤维混凝土通过以下方法制备得到：
(1)按照设定配比，称取水、水泥、粉煤灰、硅灰、石英砂、钢纤维和减水剂，以便后续使用。
(2)将称量好的减水剂倒入水中搅拌至完全溶解，得到减水剂水溶液。
(3)将石英砂、水泥、粉煤灰、硅灰加入搅拌筒中，搅拌2分钟使其混合分散均匀。
(4)将减水剂水溶液倒入搅拌筒中，继续搅拌3～4分钟，得到纤维混凝土基体。
(5)将称量好的钢纤维加入搅拌筒中，继续搅拌3～4分钟至纤维完全分散均匀，得到掺量3％的钢纤维混凝土。
对比例2
本对比例提供一种PE纤维混凝土，其PE纤维的掺量为2％，原料配比如表3所示：
表3掺量2％PE纤维混凝土配比表
主要成分 配比/份 备注
水 312 -
水泥 585 P·O 42.5R
粉煤灰 715 F类一级灰
石英砂 488
PE纤维 19.4 直径17-19μm，长度18mm
减水剂 1.3 聚羧酸高效减水剂
上述PE纤维混凝土通过以下方法制备得到：
(1)按照设定配比，称取水、水泥、粉煤灰、硅灰、石英砂、PE纤维和减水剂，以便后续使用。
(2)将称量好的减水剂倒入水中搅拌至完全溶解，得到减水剂水溶液。
(3)将石英砂、水泥、粉煤灰、硅灰加入搅拌筒中，搅拌2分钟使其混合分散均匀。
(4)将减水剂水溶液倒入搅拌筒中，继续搅拌3～4分钟，得到纤维混凝土基体。
(5)将称量好的PE纤维加入搅拌筒中，继续搅拌3～4分钟至纤维完全分散均匀，得到掺量2％的PE纤维混凝土。
试验例1
本试验例为拉压高延性纤维混凝土试块的受拉试验，具体步骤包括：
拉压高延性纤维混凝土试块的制备：将实施例1的拉压高延性纤维混凝土浇筑试件或试块，浇筑时应注意采用振捣棒或者振动台进行振捣，浇筑完成之后进行标准养护，得到拉压高延性纤维混凝土试件。其中，拉压高延性纤维混凝土试块为狗骨头试块，其标距为80mm，截面为30×15mm。
加载方法：拉压高延性纤维混凝土试件采用5吨万能试验机进行加载，全程采用恒定位移速率加载，速度为0.3mm/min，至试验力下降至60％时试验结束。试验前应将试件左右两侧多余的混凝土清理干净，保证测试到的试验力和位移的准确性。
测点布置：采用钢研纳克公司生产的型号为YYU-15/80的电子引伸计测量试件中部80mm标距内的伸长量，电子引伸计在试件两侧对称布置，如图1所示为试验例1的拉压高延性纤维混凝土试件的受拉加载图。
如图2所示为试验例1的拉压高延性纤维混凝土试件受拉后的破坏形态实物图片。从图2可以看出，试件受拉之后有很多条裂缝均匀分布在试件标距段内。
如图3所示为试验例1的拉压高延性纤维混凝土试件的受拉应力-应变曲线图。从图3可以看出，试件在受到一定拉力后会逐渐出现开裂裂缝，与此同时会伴随着试验力的微小抖动，试验力出现微小下降后又会慢慢上升，上升到一定程度后又会下降，然后又会上升，如此反复，直到上升到最大荷载，再次下降，之后如此反复直至试件断裂，在这个过程中，每一次下降都会出现一条新的裂缝或者之前裂缝宽度变大，当应变达到3％左右，试件会出现一条较大裂缝，逐渐失去承载能力慢慢破坏。可见，本发明的拉压高延性纤维混凝土受拉表现出良好的延性，在应变达到3％时，应力几乎还没有下降，由此可见，本发明的拉压高延性纤维混凝土能够有效防止混凝土开裂。
试验例2
本试验例为拉压高延性纤维混凝土试块的受压试验，具体步骤包括：
拉压高延性纤维混凝土试块的制备：将实施例1的拉压高延性纤维混凝土浇筑试件或试块，浇筑时应注意采用振捣棒或者振动台进行振捣，浇筑完成之后进行标准养护，得到拉压高延性纤维混凝土试件。其中，拉压高延性纤维混凝土试件为混凝土受压棱柱体，其尺寸为150×150×300mm。
加载方式：拉压高延性纤维混凝土试件加载采用200吨万能试验机进行，弹性段采用应力控，屈服段、强化段采用位移控制。第一段为0.5MPa/s至20MPa，第二段为0.5mm/min至试块强度下降约50％结束。加载前应将棱柱体的上下表面打磨处理平整，试块应居中放置，以免出现偏压等情况。
测点布置：采用混凝土弹性模量测定仪，对角布置两个20mm位移计，测量棱柱体中间150mm标段的位移。如图4所示为试验例2的拉压高延性纤维混凝土试块的受压加载图。
如图5所示为试验例2的拉压高延性纤维混凝土试件受压后的破坏形态实物图片。图6所示为试验例2的拉压高延性纤维混凝土试件的受压应力-应变曲线图。从图5和图6可以看出，试件在达到峰值强度之后，其应力并没有像普通混凝土一样几乎呈直线下降，而是缓慢降低到一定应力水平后近乎保持水平。这是由于纤维桥接作用，抑制了混凝土的开裂和过早失效。试件在应变达到0.01时，其应力仍然保持在峰值应力的70％以上。
试验例3
本试验例研究对比例1的钢纤维混凝土的受拉和受压性能。其中，按照试验例1的受拉试验步骤制得狗骨头状的钢纤维混凝土试件和进行受拉试验；按照试验例2的受压试验步骤制得棱柱体状的钢纤维混凝土试件和进行受压试验。
如图7所示为试验例3的钢纤维混凝土试件的受拉应力-应变曲线图。从图7可以看出，钢纤维混凝土试件受拉时的应力及应变与试验例1的拉压高延性纤维混凝土试件相比，表现出较低的抗拉强度和抗压应变。
如图8所示为试验例3的钢纤维混凝土试件的受压应力-应变曲线图。从图8可以看出，钢纤维混凝土试件受压应变达到0.01时，残余强度占峰值强度的55％左右。
试验例4
本试验例研究对比例2的PE纤维混凝土的受拉和受压性能。其中，按照试验例1的受拉试验步骤制得狗骨头状的PE纤维混凝土试件和进行受拉试验；按照试验例2的受压试验步骤制得棱柱体状的PE纤维试件和进行受压试验。
如图9所示为试验例4的PE纤维混凝土试件的受拉应力-应变曲线图。从图9可以看出，PE纤维混凝土试件受拉时的应力及应变与试验例1的拉压高延性纤维混凝土试件相比，表现出更优秀的延性，其应变达到8％时应力没有出现显著下降。
如图10所示为试验例4的PE纤维混凝土试件的受压应力-应变曲线图。从图10可以看出，PE纤维混凝土试件受压达到峰值应变之后，下降比较迅速，受压延性需要进一步提高。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

Claims (10)

1.一种拉压高延性纤维混凝土，其特征在于，按照重量份数计，包括如下组分：280～290份水、280～290份水泥、735～750份粉煤灰、110～120份硅灰、600～615份石英砂、155～160份钢纤维、9.5～10份超高分子量聚乙烯纤维、2.5～3.5份减水剂，所述钢纤维的掺量为拉压高延性纤维混凝土总体积的1.5～2.5％，所述超高分子量聚乙烯纤维的掺量为所述拉压高延性纤维混凝土总体积的0.8～1.2％。
2.根据权利要求1所述的拉压高延性纤维混凝土，其特征在于，所述钢纤维为镀铜端钩钢纤维，其直径为0.20～0.24mm，长度为11～15mm，抗拉强度为1900～2100MPa，截面积为0.031～0.045mm2，长径比为55～75，密度为7850kg/m3。
3.根据权利要求1所述的拉压高延性纤维混凝土，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯纤维为短切纤维，其长度为15～20mm，单丝直径为17～19μm，延伸率为2.8％～3.2％，密度0.97g/cm3，抗拉强度2.8～3GPa，弹性模量为110～115GPa，含油率0.4％～0.7％。
4.根据权利要求1所述的拉压高延性纤维混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，其堆积密度为650～850g/L，活性成分≥90％。残余水分≤3％，砂浆减水率≥23％，所述减水剂的10％的水溶液的pH值为7.0～9.0。
5.根据权利要求1所述的拉压高延性纤维混凝土，其特征在于，所述水泥为普通硅酸盐水泥。
6.根据权利要求1所述的拉压高延性纤维混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为F类一级粉煤灰。
7.一种拉压高延性纤维混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按照权利要求1～6任意一项所述的重量份数称取各组分；
S2、所述减水剂和所述水混合并搅拌，得到减水剂水溶液；
S3、将所述石英砂、所述水泥、所述粉煤灰和所述硅灰混合，搅拌后，加入所述减水剂水溶液并继续搅拌，得到拉压高延性纤维混凝土基体；
S4、将所述钢纤维和所述超高分子量聚乙烯纤维加入所述拉压高延性纤维混凝土基体后搅拌，得到所述拉压高延性纤维混凝土。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌采用强制式搅拌机，其转速大于70转/分钟。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，搅拌时间为1.5～2.5min，继续搅拌时间为3～4min。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S4中，搅拌时间为3～5min。
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