CN115710110A - 一种活性锚固型纤维混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于混凝土技术领域，公开了一种活性锚固型纤维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260‑320份、矿粉60‑100份、砂料600‑650份、碎石1150‑1200份、片状开孔钢纤维60‑80份、活性硫酸钙晶须3‑10份、聚丙烯纤维0.4‑1.5份、减水剂0.7‑2份、消泡剂0.1‑0.2份、水140‑200份。本发明利用片状开孔钢纤维、聚丙烯纤维和活性硫酸钙晶须从宏观、细观、微观三维尺度增强混凝土，不同尺度纤维在裂纹产生、扩展、恶化、破坏全周期过程中都能发挥作用，极大地提高混凝土的抗裂性能和整体性，使混凝土具有优良的力学性能和耐久性能。
Description
技术领域
本发明属于混凝土技术领域，具体涉及一种活性锚固型纤维混凝土及其制备方法。
背景技术
纤维混凝土是以水泥浆、砂浆或混凝土为基体，以非连续的短纤维或连续的长纤维作为增强材料所组成的水泥基复合材料。目前市场上应用最为广泛的是钢纤维和聚丙烯纤维。钢纤维常见的外形可划分为压棱形钢纤维、平直形钢纤维、弯钩形钢纤维、双尖形钢纤维、大头形钢纤维、波形钢纤维等，其主要作用大都为了增强与基体的粘结强度，但这类钢纤维的尺寸普遍细长，仅靠其不规则形状提升与基体间的粘结强度的效果有限。钢纤维与混凝土基体的界面粘结主要是物理性的，即以摩擦剪力的传递为主，当混凝土破坏时，大都是纤维被拔出而不是被拉断，因此改善钢纤维与基体间的粘结强度是增强效果的主要控制因素。
聚丙烯纤维是国际上最早用于混凝土的合成纤维，由于聚丙烯纤维的原料来源广泛，生产成本较低，质轻，抗碱性好，得到广泛应用，目前聚丙烯纤维在全世界的年耗量仅次于钢纤维，这是因为聚丙烯纤维充分发挥了纤维数量(每公斤数千万根)优势，具有很大的表面积，使之不至于连通，在约束微裂缝方面效果显著。目前国内外学者针对纤维混凝土的研究主要在单一品种不同形状钢纤维或钢纤维与聚丙烯纤维混杂方向，基本集中在宏观和细观方面，从微观、细观、宏观三维尺度增强纤维混凝土的研究甚少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种活性锚固型纤维混凝土及其制备方法，采用片状开孔钢纤维、聚丙烯纤维和活性硫酸钙晶须从宏观、细观、微观三维尺度增强混凝土，使其具有优良的力学性能和耐久性能。
为解决本发明所提出的技术问题，本发明提供一种活性锚固型纤维混凝土，所述混凝土包括以下质量份数的原料：水泥260-320份、矿粉60-100份、砂料600-650份、碎石1150-1200份、片状开孔钢纤维60-80份、活性硫酸钙晶须3-10份、聚丙烯纤维0.4-1.5份、减水剂0.7-2份、消泡剂0.1-0.2份、水140-200份。
上述方案中，所述片状开孔钢纤维、活性硫酸钙晶须和聚丙烯纤维的质量比优选为(70-80):(8-10):(0.9-1.2)。
上述方案中，所述片状开孔钢纤维的长度为16-18mm，宽度为4-6mm，厚度为1-3mm，沿厚度方向贯穿开设有3-4个孔。
进一步地，所述片状开孔钢纤维的开孔孔型为圆孔、方形孔、三角孔中的一种或多种，单个孔的横截面积为2-4mm2。
上述方案中，所述活性硫酸钙晶须为铝酸酯偶联剂改性硫酸钙晶须，直径为0.5-4μm，长度为50-200μm，密度为2.6-2.9g/cm3，硫酸钙含量大于98％。
上述方案中，所述活性硫酸钙晶须的制备方法为：将硫酸钙晶须加热至100-110℃，以雾化法加入铝酸脂偶联剂，搅拌混合15-20min，然后降温至70-80℃保温25-30min，将得到的固体物洗涤、干燥，得到活性硫酸钙晶须。
进一步地，所述铝酸脂偶联剂为水溶性铝酸脂偶联剂。
进一步地，所述铝酸脂偶联剂与硫酸钙晶须的质量比为1：(90-100)。
进一步地，所述搅拌速率为300-500r/min。
进一步地，所述洗涤用无水乙醇洗涤，洗涤次数为2-3次。
进一步地，所述干燥温度为40-50℃，干燥时间为1-2h。
上述方案中，所述聚丙烯纤维的直径为18-48μm，长度为6-9mm。
上述方案中，所述水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级42.5级及以上。
上述方案中，所述矿粉的等级为S95及以上。
上述方案中，所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，固含量为18-20％，减水率为26-30％。
上述方案中，所述消泡剂为聚醚类消泡剂。
本发明还提供一种活性锚固型纤维混凝土的制备方法，包括以下步骤：
1)将片状开孔钢纤维、聚丙烯纤维、砂料和碎石混合后搅拌均匀，再加入水泥、矿粉和活性硫酸钙晶须，再次搅拌均匀，得到干混料；
2)将减水剂、消泡剂和水混合后搅拌均匀，得到混合液；
3)将混合液匀速倒入干混料中，边倒边搅拌，充分混合均匀，得到拌合料；
4)将拌合料装入模具，硬化后拆模、养护，得到活性锚固型纤维混凝土。
上述方案中，所述搅拌速率为35-40r/min。
上述方案中，所述养护的温度为20±2℃，湿度>95％，时间为28-30d。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明将片状开孔钢纤维预先进行开孔处理，加入至混凝土后，一方面可与混凝土基体达到形同“榫卯”结构，与混凝土基体相互锚固，因此粘结强度大大增强，极大地提升混凝土的抗拉性能以及抗裂性能，另一方面其较大的表面可以作为微观活性纤维的载体，减小与基体的界面能差异，进一步增加与基体的粘结强度及相容性，提高混凝土的整体性和综合性能。
2)本发明对硫酸钙进行改性形成活性硫酸钙晶须，加入至混凝土后，既可以加强与混凝土基体界面的粘结性能，又能附着在钢纤维与混凝土基体界面处充当微观纤维，有效抑制微观裂缝发展成宏观裂缝，并与细观纤维、宏观纤维一起从三维尺度组合增强混凝土的拉伸性能，使得不同尺度纤维在裂纹产生、扩展、恶化、破坏全周期过程中都能发挥作用，极大提高了混凝土的抗裂性能。
3)本发明硫酸钙晶须可通过工业废物制备，硫酸钠型次饱和卤水、氨碱厂废物CaCl2、磷矿、钙盐和硫酸盐、转炉渣和锡尾矿、稀土尾矿等都可作为制备硫酸钙晶须的原料，来源广泛、制备成本低，不仅可以降低工程成本，并且也能对工业废物再利用，对环境保护、可持续发展等都有积极地影响作用。
附图说明
图1为片状开孔钢纤维1的结构示意图。
图2为实施例1混凝土的观测图。
图3为对比例3混凝土的观测图。
图中：1-片状开孔钢纤维；2-开孔。
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，采用的水泥为强度等级42.5普通硅酸盐水泥，密度为3g/cm3,强度富余系数为1.06；矿粉为S95级矿粉，比表面积418m2/kg，表观密度2.96g/cm3；砂料为花岗岩机制砂，粒径小于5mm；碎石为级配良好的花岗岩碎石，粒径为5-31.5mm；减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，固含量为18％，减水率为26％；消泡剂为GP类型聚醚类消泡剂；铝酸脂偶联剂为水溶性铝酸脂偶联剂DL411。
以下实施例中，采用的片状开孔钢纤维、聚丙烯纤维和活性硫酸钙晶须的基本性质见下表。
表1片状开孔钢纤维基本性质
| 编号 | 长度 | 宽度 | 厚度 | 孔数 | 孔型 | 单孔横截面积 |
| 片状开孔钢纤维A | 16mm | 5mm | 1mm | 4个 | 圆形 | 3mm<sup>2</sup> |
| 片状开孔钢纤维B | 17mm | 6mm | 3mm | 4个 | 方形 | 4mm<sup>2</sup> |
| 片状开孔钢纤维C | 18mm | 4mm | 2mm | 3个 | 三角形 | 2mm<sup>2</sup> |
表2聚丙烯纤维基本性质
| 编号 | 直径 | 长度 |
| 聚丙烯纤维A | 24μm | 8mm |
| 聚丙烯纤维B | 31μm | 6mm |
| 聚丙烯纤维C | 45μm | 9mm |
表3活性硫酸钙晶须基本性质
| 编号 | 直径 | 长度 | 密度 | 硫酸钙含量 |
| 活性硫酸钙晶须A | 0.9μm | 121μm | 2.76g/cm<sup>3</sup> | 98.3％ |
| 活性硫酸钙晶须B | 2.5μm | 92μm | 2.69g/cm<sup>3</sup> | 99.1％ |
| 活性硫酸钙晶须C | 3.3μm | 184μm | 2.88g/cm<sup>3</sup> | 99.6％ |
活性硫酸钙晶须制备例
将硫酸钙晶须加热至100℃，以雾化法加入水溶性铝酸脂偶联剂，铝酸脂偶联剂与硫酸钙晶须的质量比为1：90，以300r/min的速率搅拌混合15min，然后降温至70℃保温25min，将得到的固体物用无水乙醇洗涤2次，在40℃下干燥1h，得到活性硫酸钙晶须A。
将硫酸钙晶须加热至105℃，以雾化法加入水溶性铝酸脂偶联剂，铝酸脂偶联剂与硫酸钙晶须的质量比为1：95，以400r/min的速率搅拌混合18min，然后降温至75℃保温28min，将得到的固体物用无水乙醇洗涤3次，在45℃下干燥1.5h，得到活性硫酸钙晶须B。
将硫酸钙晶须加热至110℃，以雾化法加入水溶性铝酸脂偶联剂，铝酸脂偶联剂与硫酸钙晶须的质量比为1：100，以500r/min的速率搅拌混合20min，然后降温至80℃保温30min，将得到的固体物用无水乙醇洗涤3次，在50℃下干燥2h，得到活性硫酸钙晶须C。
实施例1
一种活性锚固型纤维混凝土，包括以下质量份数的原料：水泥290份、矿粉80份、砂料630份、碎石1170份、片状开孔钢纤维B 70份、活性硫酸钙晶须B8份、聚丙烯纤维B1份、减水剂1.5份、消泡剂0.15份、水160份。
实施例2
一种活性锚固型纤维混凝土，包括以下质量份数的原料：水泥260份、矿粉60份、砂料600份、碎石1150份、片状开孔钢纤维A 60份、活性硫酸钙晶须A3份、聚丙烯纤维A 0.4份、减水剂0.7份、消泡剂0.1份、水140份。
实施例3
一种活性锚固型纤维混凝土，包括以下质量份数的原料：水泥320份、矿粉100份、砂料650份、碎石1200份、片状开孔钢纤维C 80份、活性硫酸钙晶须C 10份、聚丙烯纤维C1.5份、减水剂2份、消泡剂0.2份、水200份。
实施例1-3中活性锚固型纤维混凝土的制备方法，包括以下步骤：
1)将片状开孔钢纤维、聚丙烯纤维、砂料和碎石混合后搅拌均匀，再加入水泥、矿粉和活性硫酸钙晶须，再次搅拌均匀，得到干混料；
2)将减水剂、消泡剂和水混合后搅拌均匀，得到混合液；
3)将混合液匀速倒入干混料中，边倒边搅拌，充分混合均匀，得到拌合料；
4)将拌合料装入模具，硬化后拆模、养护，得到活性锚固型纤维混凝土。
表4实施例1-3活性锚固型纤维混凝土制备参数
| 编号 | 搅拌速率 | 养护温度 | 养护湿度 | 养护时间 |
| 实施例1 | 38r/min | 20℃ | 97％ | 29d |
| 实施例2 | 35r/min | 18℃ | 96％ | 28d |
| 实施例3 | 40r/min | 22℃ | 98％ | 30d |
对比例1
对比例1与实施例1的不同之处仅在于，将片状开孔钢纤维B替换成未开孔的片状钢纤维，其余参数均一致。
对比例2
对比例2与实施例1的不同之处仅在于，将活性硫酸钙晶须B替换成未经过铝酸酯偶联剂改性的硫酸钙晶须，其余参数均一致。
对比例3
对比例3与实施例1的不同之处仅在于，未加入片状开孔钢纤维B和活性硫酸钙晶须B。
对实施例1-3和对比例1-3混凝土的性能进行测试。工作性能依据GB/T50080-2016试验方法进行测试。力学性能依据GB/T 50081-2002试验方法进行测试。耐久性能测试抗氯离子渗透性和抗裂性，其中，抗氯离子渗透性依据GB/T50082-2009中的电通量法进行测试，以电通量评价混凝土的抗氯离子渗透性；抗裂性依据美国试验材料学会ASTM C1581/C1581M-18a规范中推荐的椭圆环方法进行测试，主要采用电阻应变片法，当混凝土环的收缩受到钢环的约束时，混凝土内出现拉应力，钢环内出现压应力，随着混凝土收缩的持续进行，钢环内的压应力不断增大，当收缩裂缝出现时，钢环的压应力得到释放，反映在钢环应变-时间曲线上为出现一个明显的应变滞回，以开裂时间评价混凝土开裂性能。
表5实施例1-4和对比例1-3混凝土性能测试结果
表5中工作性能的数据显示，实施例1-3的扩展度及坍落度较对比例1-3略有降低，这是因为片状开孔钢纤维和活性硫酸钙晶须加入后，与浆体及骨料的嵌入力增大，从而一定程度阻碍了浆体的流动，因此表现为扩展度及坍落度降低，但不会影响混凝土的实际使用。表5中力学性能的数据显示，实施例1-3的抗压强度和抗折强度均显著高于对比例1-3，说明片状开孔钢纤维和活性硫酸钙晶须加入后，与聚丙烯纤维一起，从三维尺度上提高了混凝土的力学性能；对比例1(掺入未开孔的片状钢纤维)和对比例2(掺入未改性的硫酸钙晶须)的强度较对比例3有所升高，但提升效果不明显，与实施例1相比仍有很大差距，这说明预先开孔和预先改性起到了至关重要的作用，并且片状钢纤维和硫酸钙晶须之间的协同作用是缺一不可实现的。表5中耐久性能的数据显示，实施例1-3的电通量均低于600C，而对比例1-3的电通量在622-697C，电通量越小说明混凝土抗氯离子渗透性能更好，具有更好的耐腐蚀性和耐久性；从开裂时间的数据中也能够看出，实施例1-3的开裂时间更晚，并且从图2和图3中可以看出，实施例1混凝土的裂缝为细小裂缝，而对比例3混凝土的裂缝为贯穿裂缝，说明片状开孔钢纤维和活性硫酸钙晶须加入后，能有效抑制微观裂缝发展成宏观裂缝，从而提高混凝土的耐久性能。
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 (10)
1.一种活性锚固型纤维混凝土，其特征在于，所述混凝土包括以下质量份数的原料：水泥260-320份、矿粉60-100份、砂料600-650份、碎石1150-1200份、片状开孔钢纤维60-80份、活性硫酸钙晶须3-10份、聚丙烯纤维0.4-1.5份、减水剂0.7-2份、消泡剂0.1-0.2份、水140-200份。
2.根据权利要求1所述的活性锚固型纤维混凝土，其特征在于，所述片状开孔钢纤维、活性硫酸钙晶须和聚丙烯纤维的质量比为(70-80):(8-10):(0.9-1.2)。
3.根据权利要求1所述的活性锚固型纤维混凝土，其特征在于，所述片状开孔钢纤维的长度为16-18mm，宽度为4-6mm，厚度为1-3mm，沿厚度方向贯穿开设有3-4个孔。
4.根据权利要求1所述的活性锚固型纤维混凝土，其特征在于，所述片状开孔钢纤维的开孔孔型为圆孔、方形孔、三角孔中的一种或多种，单个孔的横截面积为2-4mm2。
5.根据权利要求1所述的活性锚固型纤维混凝土，其特征在于，所述活性硫酸钙晶须为铝酸酯偶联剂改性硫酸钙晶须，直径为0.5-4μm，长度为50-200μm，密度为2.6-2.9g/cm3，硫酸钙含量大于98％。
6.根据权利要求1所述的活性锚固型纤维混凝土，其特征在于，所述活性硫酸钙晶须的制备方法为：将硫酸钙晶须加热至100-110℃，以雾化法加入铝酸脂偶联剂，搅拌混合15-20min，然后降温至70-80℃保温25-30min，将得到的固体物洗涤、干燥，得到活性硫酸钙晶须。
7.根据权利要求6所述的活性锚固型纤维混凝土，其特征在于，所述铝酸脂偶联剂为水溶性铝酸脂偶联剂，所述铝酸脂偶联剂与硫酸钙晶须的质量比为1：(90-100)。
8.根据权利要求1所述的活性锚固型纤维混凝土，其特征在于，所述聚丙烯纤维的直径为18-48μm，长度为6-9mm。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的活性锚固型纤维混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将片状开孔钢纤维、聚丙烯纤维、砂料和碎石混合后搅拌均匀，再加入水泥、矿粉和活性硫酸钙晶须，再次搅拌均匀，得到干混料；
2)将减水剂、消泡剂和水混合后搅拌均匀，得到混合液；
3)将混合液匀速倒入干混料中，边倒边搅拌，充分混合均匀，得到拌合料；
4)将拌合料装入模具，硬化后拆模、养护，得到活性锚固型纤维混凝土。
10.根据权利要求9所述的活性锚固型纤维混凝土的制备方法，其特征在于，所述养护的温度为20±2℃，湿度>95％，时间为28-30d。
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