CN115650667B

CN115650667B - 一种多相多尺度纤维增韧超高性能混凝土及其制备方法

Info

Publication number: CN115650667B
Application number: CN202211319442.3A
Authority: CN
Inventors: 李叶青; 饶梅; 余松柏; 万大伟; 石春芝
Original assignee: Huaxin Cement Co Ltd
Current assignee: Huaxin Cement Co Ltd
Priority date: 2022-10-26
Filing date: 2022-10-26
Publication date: 2023-09-26
Anticipated expiration: 2042-10-26
Also published as: CN115650667A

Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，公开了一种多相多尺度纤维增韧超高性能混凝土及其制备方法。所述混凝土包括以下质量份数的原料：水泥60～90份、辅助胶凝材料10～40份、细骨料55～85份、减水剂1～4份、水3～14份，粗纤维7～13份、细纤维分散液10～11份。本发明利用不同材质不同尺寸的多相多尺度纤维对超高性能混凝土进行增韧，配合纤维分散及稳定方法，使纤维在超高性能混凝土中均匀分散，提高纤维的使用效率，从而对混凝土的增韧效果更加显著，得到具有优异抗折和抗拉性能的超高性能混凝土。

Description

一种多相多尺度纤维增韧超高性能混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种多相多尺度纤维增韧超高性能混凝土及其制备方法。

背景技术

为了减缓来自人类生产活动的CO₂排放对全球气候变化的影响，采用比强度(强度/密度)更高的混凝土，在建材行业中，意味着可以减小建筑中混凝土本身的自重，大幅度减小建筑结构中水泥的应用，从而降低CO₂排放。超高性能混凝土作为一种创新性的水泥基工程材料，具有超高的抗压强度与优异的耐久性，在高层建筑、建筑装饰、桥梁结构、防爆工程、修复加固等领域拥有极高的优势和广阔的应用前景。开展超高性能混凝土增韧研究，在较低成本下，提高超高性能混凝土抗拉性能，拓展其更广泛应用具有重要的意义。

超高性能混凝土的增韧机理，主要是通过一定方法减少和桥接混凝土中的宏观及微观裂纹，阻止裂纹的形成和扩展。通常，超高性能混凝土通过高体积比的胶凝材料以及添加一定体积的钢纤维，在脆性混凝土结构中形成交错的钢纤维骨架，提高混凝土试块的强度。但由于添加的钢纤维直径一般为毫米级别，主要桥接超高性能混凝土内的宏观裂纹，对微观裂纹桥接作用有限。桥接超高性能混凝土中的微裂纹需要采用微米或纳米级的纤维，如聚乙烯醇纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维、碳纤维、聚乙烯纤维、碳纳米管、石墨烯等。然而，微米或纳米纤维比表面积大，具有较高的表面能，在浆体中分散困难，易形成团聚，导致增韧效果不明显，同时也增加微纤维的用量、材料成本和实验结果的离散性。

在改善微纤维分散性方面，现有技术主要是采用超声或普通搅拌结合分散剂，但超声分散高能属性，极易破坏纤维结构甚至直接打断纤维，降低纤维本身的力学性能，从而影响纤维在混凝土中的增韧效果；普通搅拌对于易团聚的微米纤维分散作用有限，一般采用纤维素醚类物质作为分散剂，对纤维分散的即时效果较好，但在混凝土中引入纤维素醚会大幅降低抗压强度；并且，随着超声或搅拌停止，高表面能的微纤维随着静置时间延长，仍然容易再次发生团聚。

因此，虽然许多学者开展了纤维对超高性能混凝土增韧的研究，但实际效果并不显著，纤维增韧超高性能混凝土的发展仍然具有很大的空间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足，提供一种多相多尺度纤维增韧超高性能混凝土及其制备方法，利用不同材质不同尺寸的多相多尺度纤维，配合纤维分散及稳定方法，实现低成本、高效率增韧超高性能混凝土。

为解决本发明所提出的技术问题，本发明提供一种多相多尺度纤维增韧超高性能混凝土，所述混凝土包括以下质量份数的原料：水泥60～90份、辅助胶凝材料10～40份、细骨料65～110份、减水剂1～4份、水3～14份、粗纤维7～35份、细纤维分散液10～11份。

上述方案中，所述粗纤维和细纤维为不同材质、不同尺寸的纤维，粗纤维与细纤维的直径比为(5～30)：1。

上述方案中，所述粗纤维为钢纤维，直径0.1～0.3mm，长度8～25mm，拉伸强度≥2000MPa。

上述方案中，所述细纤维为碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种，直径5～20μm，长度0.5～6mm，拉伸强度≥3000MPa。

上述方案中，所述细纤维分散液为细纤维、稳定剂和水制成的稳定悬浊液。

进一步地，所述稳定剂为聚羧酸减水剂、聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯酮、三乙醇胺中的一种或几种。

上述方案中，所述细纤维分散液包括以下质量份数的原料：细纤维0.01～5份、稳定剂0.01～5份、水100～105份。

上述方案中，所述细纤维分散液的制备方法为：先将细纤维和水高速搅拌混合，再加入稳定剂后低速搅拌混合，得到稳定的细纤维分散液。

进一步地，所述高速搅拌速度为3500～6500r/min，时间为2～10min。

进一步地，所述低速搅拌速度为300～1000r/min，时间为5～30min。

上述方案中，所述辅助胶凝材料为粉煤灰和硅灰的混合物，粉煤灰与硅灰的质量比为(0.25～1)：1。

进一步地，所述粉煤灰为I级粉煤灰，需水量比≤100％，烧失量≤9％。

进一步地，所述硅灰的SiO₂含量≥90％，比表面积≥10000m²/kg。

上述方案中，所述水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级52.5以上。

上述方案中，所述细骨料为石英砂或机制砂。

上述方案中，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率≥40％。

本发明还提供一种多相多尺度纤维增韧超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：

1)将水泥、辅助胶凝材料、减水剂、细骨料混合，低速搅拌，得到干混料；

2)向干混料中加入细纤维分散液和水，低速搅拌，至浆体出现流态后，先高速搅拌，再低速搅拌，获得湿混料；

3)向湿混料中加入粗纤维，继续低速搅拌，即得到拌合料；

4)将拌合料装入模具，硬化后拆模、养护，得到多相多尺度纤维增韧超高性能混凝土。

上述方案中，所述低速搅拌的速度为100～120r/min，高速搅拌的速度为250～280r/min。

上述方案中，步骤1)中搅拌时间为3～6min；步骤3)中搅拌时间为2～6min；步骤2)中，高速搅拌时间为3～5min，低速搅拌时间为1～3min。

上述方案中，所述拆模时间为20～26h。

上述方案中，所述养护的温度为18～25℃，湿度＞95％，时间为26～30d。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明利用不同材质不同尺寸的多相多尺度纤维对超高性能混凝土进行增韧，通过微米高性能纤维和亚微米高强钢纤维的复合效应，对混凝土内部宏观裂纹和微观裂纹的萌芽和扩展起到抑制作用，再配合纤维分散及稳定方法，将极易团聚的细纤维先制成稳定的细纤维分散液，并控制混料过程中粗纤维和细纤维分散液的参与进程，使纤维在超高性能混凝土中均匀分散，避免纤维团聚引入气孔、缺陷等问题，一方面，提高纤维的使用效率，节省纤维材料的用量和成本，另一方面，对混凝土的增韧效果更加显著，使混凝土具有更优异的抗折和抗拉性能。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

以下实施例中，水泥为52.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰为I级粉煤灰，比表面积630～670m²/kg，需水量比≤100％，烧失量≤9％；硅灰SiO₂含量≥90％，比表面积15600～15690m²/kg；细骨料为石英砂或机制砂，石英砂的细度模数为1.9，机制砂的细度模数为2.3；混凝土原料中的减水剂以及细纤维分散液中稳定剂采用的聚羧酸减水剂都为苏州兴邦化学的固体高效聚羧酸减水剂，减水率为50％。

实施例1-6

实施例1-6中多相多尺度纤维增韧超高性能混凝土由水泥、粉煤灰、硅灰、细骨料、减水剂、水、粗纤维和细纤维分散液组成，各原料的质量份数见表1。其中，细纤维分散液由细纤维、水和稳定剂制成，各原料的质量份数见表2。各实施例中粗纤维和细纤维的选材见表3。

表1实施例1-6多相多尺度纤维增韧超高性能混凝土的原料组成

表2实施例1-6细纤维分散液的原料组成

表3实施例1-6细纤维和粗纤维的选材

实施例1-6中细纤维分散液的制备方法为：先将细纤维和水高速搅拌混合，再加入稳定剂后低速搅拌混合，得到稳定的细纤维分散液，主要工艺参数见表4。

表4实施例1-6细纤维分散液制备工艺参数

编号	高速搅拌速度	高速搅拌时间	低速搅拌速度	低速搅拌时间
					实施例1	3500r/min	2min	300r/min	5min
实施例2	5500r/min	5min	500r/min	20min
					实施例3	4200r/min	5min	600r/min	10min
实施例4	6500r/min	10min	1000r/min	30min
					实施例5	3500r/min	3min	300r/min	8min
实施例6	4000r/min	5min	500r/min	5min

实施例1-6中多相多尺度纤维增韧超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤，主要工艺参数见表5：

2)向干混料中加入细纤维分散液和水，继续低速搅拌，得到湿混料；

3)向湿混料中加入粗纤维，先高速搅拌，再低速搅拌，得到拌合料；

4)将拌合料装入模具，硬化后拆模，按表6的条件养护，得到多相多尺度纤维增韧超高性能混凝土。

表5实施例1-6多相多尺度纤维增韧超高性能混凝土制备工艺参数

表6实施例1-6多相多尺度纤维增韧超高性能混凝土养护条件

对比例1

本对比例与实施例1不同之处仅在于，混凝土的原料组成中不添加细纤维分散液，将11份水替换为18份水，即该对比例混凝土中不添加细纤维。

对比例2

本对比例与实施例1不同之处仅在于，混凝土的原料组成中，将11份细纤维分散液替换为0.047份细纤维，将11份水替换为18份水，即该对比例混凝土中虽然添加细纤维，但细纤维不配制成细纤维分散液，直接以干物质加入。

对比例3

本对比例与实施例1不同之处仅在于，细纤维分散液的制备方法为，将细纤维、稳定剂和水混合后，超声分散10min，得到细纤维分散液。

对比例4

本对比例与实施例1不同之处仅在于，细纤维分散液的制备方法为，将细纤维、稳定剂和水混合后，以3500r/min的速率搅拌5min，得到细纤维分散液。

对比例5

本对比例与实施例1不同之处仅在于，稳定剂采用传统的纤维素醚。

对比例6

本对比例与实施例1不同之处仅在于，混凝土的制备过程中，经步骤1)得到干混料之后，将细纤维分散液、水和粗纤维一次性加入，低速搅拌，得到拌合料，将拌合料装入模具，硬化后拆模养护，得到混凝土。

表7实施例1-6与对比例1-6中混凝土的性能测试结果(28d)

从表7中可以看出，实施例1与未加细纤维的对比例1相比，工作性能相当，但抗压、抗折、抗拉强度均有大幅提升，说明粗细纤维搭配使用，可以明显提高混凝土的强度和韧性；实施例1与对比例2-5相比，工作性能更好，同时抗压、抗折、抗拉强度均有大幅提升，说明本发明的细纤维分散方法可以明显提高纤维在浆体中的分散均匀性，使其具有更好的增强、增韧效果，而传统的超声分散容易破坏微纤维结构，降低其力学性能，普通搅拌分散作用有限，停止搅拌后容易再次发生团聚，传统的纤维素醚作为稳定剂，对混凝土工作性能和力学性能均有负面影响；实施例1与对比例6相比性能更加优异，说明了对混料过程中粗纤维和细纤维分散液的参与进程进行控制，以及采用特殊的高速、低速结合的混凝土搅拌制度，同样起着重要的作用。

另外，本发明实施例1-6获得的多相多尺度增韧的超高性能混凝土与对比例1-6相比，材料的抗压、抗折、抗拉强度均有不同程度的提升，说明本发明也适用于其他材料的细纤维分散，可有效的解决细纤维在混凝土浆体中的分散问题，在混凝土中与粗纤维配合使用，具有更好的增强、增韧效果。

上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims

1.一种多相多尺度纤维增韧超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将水泥、辅助胶凝材料、减水剂、细骨料混合，低速搅拌，得到干混料；所述辅助胶凝材料为粉煤灰和硅灰的混合物；

2）向干混料中加入细纤维分散液和水，低速搅拌至浆体出现流态后，先高速搅拌，再低速搅拌，获得湿混料；

3）向湿混料中加入粗纤维，继续低速搅拌，即得到拌合料；

4）将拌合料装入模具，硬化后拆模、养护，得到多相多尺度纤维增韧超高性能混凝土；

所述多相多尺度纤维增韧超高性能混凝土制备过程中各原料的质量份数为：水泥60~90份、辅助胶凝材料10~40份、细骨料65~110份、减水剂1~4份、水3~14份、粗纤维7~13份、细纤维分散液10~11份；所述低速搅拌速度为100~120r/min，高速搅拌速度为250~280r/min；

所述细纤维分散液的制备方法为：先将细纤维和水以3500~6500r/min搅拌混合2~10min，再加入稳定剂后以300~1000r/min搅拌混合5~30min；所述细纤维分散液制备过程中各原料的质量份数为：细纤维0.01~5份、稳定剂0.01~5份、水100~105份；

所述粗纤维为钢纤维，直径0.1~0.3mm，长度8~25mm，拉伸强度≥2000MPa；所述细纤维为碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种，直径5~20μm，长度0.5~6mm，拉伸强度≥3000MPa；所述稳定剂为聚羧酸减水剂、聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯酮中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的多相多尺度纤维增韧超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，所述粗纤维和细纤维为不同材质、不同尺寸的纤维，粗纤维与细纤维的直径比为（5~30）：1。

3.根据权利要求1所述的多相多尺度纤维增韧超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，步骤2）中，高速搅拌时间为3~5min，低速搅拌时间为1~3min。

4.根据权利要求1所述的多相多尺度纤维增韧超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，所述养护的温度为18~25℃，湿度＞95%，时间为26~30d。