CN115893954B - 一种高残余抗弯强度的聚甲醛纤维混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及混凝土材料制备方法技术领域，具体涉及一种高残余抗弯强度的聚甲醛纤维混凝土及其制备方法。聚甲醛纤维混凝土的原料包括机制砂850‑950重量份、碎石1020‑1180重量份、水泥230‑280重量份、粉煤灰50‑80重量份、矿粉60‑90重量份、聚甲醛纤维2‑4重量份、减水剂6‑8重量份、水150‑180重量份。将机制砂和聚甲醛纤维混合搅拌，再加入碎石混合干搅；然后加入水泥、粉煤灰、矿粉、聚羧酸型减水剂和水混合搅拌，待成型之后获得高残余抗弯强度的聚甲醛纤维混凝土。本技术方案可以解决现有技术中缺少高强度聚甲醛纤维增强混凝土的技术问题，在混凝土技术领域具有极高的应用前景和推广价值。

Description

一种高残余抗弯强度的聚甲醛纤维混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土材料制备方法技术领域，具体涉及一种高残余抗弯强度的聚甲醛纤维混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土作为20世纪最具有代表性的发明之一，由于其价格低廉，原材料来源广以及工艺简便等优势，被广泛应用于各类建筑中。然而，随着人们对现代工程结构的多样化需求，混凝土脆性大，抗变形能力差，开裂后所能承载的剩余抗弯能力不足等缺陷已逐渐显现，严重影响和限制了其使用范围。为此，钢纤维、玻璃纤维、合成纤维等作为增强、增韧纤维被用于混凝土中。但钢纤维存在自重比较大，易生锈，分散性差等不足；而玻璃纤维会出现耐碱性差，对人体有害，且自身性能会因空气腐蚀而降低等不足，限制了它们的广泛应用。此外，传统的合成纤维(聚丙烯、聚乙烯醇等)也存在与混凝土材料的相容性、粘黏性较低的缺陷。
中国专利CN111960743A公开了一种聚甲醛纤维改善地聚物再生混凝土，添加有长度为6mm或12mm、且质量总占比为0.25％～1％的聚甲醛纤维。在该混凝土中，除了聚甲醛纤维还使用到了其他特殊成分(例如：Na2SiO3、NaOH)。中国专利CN114920502A公开了一种高延性高强聚甲醛纤维增强水泥基复合材料及其制备方法，该复合材料由如下重量份比例的原料制成：水泥1204份，细砂963份，水240份，聚甲醛纤维28份。该方案制备的混凝土原料是不含碎石的砂浆材料，其制备的混凝土产品的力学性能稍差。含有碎石原料的混凝土的强度比含其他石料的混凝土强度高，所以制备含有碎石等粗骨料的聚甲醛纤维增强混凝土具有较大的实际应用价值。但是，现有技术中仍然缺乏上述类型的聚甲醛纤维增强混凝土。
发明内容
本发明意在提供一种高残余抗弯强度的聚甲醛纤维混凝土，以解决现有技术中缺少高残余抗弯强度混凝土的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高残余抗弯强度的聚甲醛纤维混凝土，以重量份计，其原料包括：机制砂850-950重量份、碎石1020-1180重量份、水泥230-280重量份、粉煤灰50-80重量份、矿粉60-90重量份、聚甲醛纤维2-4重量份、减水剂6-8重量份、水150-180重量份。
本方案还提供了一种高残余抗弯强度的聚甲醛纤维混凝土的制备方法，包括以下依次进行的步骤：将机制砂和聚甲醛纤维混合搅拌，然后加入碎石混合搅拌，获得第一混合料；在第一混合料中加入水泥、粉煤灰、矿粉、聚羧酸型减水剂和水混合搅拌，获得第二混合料。
本技术方案的原理以及有益效果在于：
本技术方案通过在普通混凝土中加入聚甲醛纤维，显著提升了混凝土的残余抗弯强度。聚甲醛纤维加入混凝土的作用效果的产生，和聚甲醛纤维混凝土的制备方式密不可分。本技术方案由于使用的是普通混凝土，其原料包括大量碎石等，给聚甲醛纤维与其他成分的相容性造成了较大的阻碍。通过现有技术的常规制备方式，发现聚甲醛纤维团聚现象非常显著。将机制砂和聚甲醛纤维先干搅一段时间，然后加入碎石干搅，可以显著降低聚甲醛纤维团聚现象。干搅过程中的物料使用类型，也对聚甲醛纤维混凝土的力学性能产生一定影响。发明人尝试将碎石和聚甲醛纤维混合干搅，将水泥、粉煤灰、机制砂、碎石和聚甲醛纤维混合干搅，将粉煤灰、矿粉、碎石和聚甲醛纤维混合干搅，获得的成品的平均残余弯曲强度也不理想，聚甲醛纤维的聚团现象仍然存在。
进一步，所述聚甲醛纤维的长度为8-18mm、直径为0.1-0.3mm，抗拉强度为800-1300Mpa，弹性模量为9-12GPa，断裂伸长率为13-18％，密度为1.41g/cm3。
采用上述性能的聚甲醛纤维可以有效提升混凝土的残余抗弯强度。
进一步，所述机制砂的细度模数为2.6-3.6。
进一步，所述碎石的粒径为5-31.5mm。
进一步，所述矿粉和所述粉煤灰的粒径均为400目-300目。
进一步，所述减水剂为聚羧酸型减水剂；减水剂的减水率为20％，固含量为50％；所述水泥为42.5级普通硅酸盐水泥。
上述原料为混凝土制备领域常规的物料，易于获取且成本适当。
进一步，其平均残余抗弯强度≥0.61Mpa。采用本技术方案制备的混凝土平均残余抗弯强度可达0.61Mpa以上。
进一步，机制砂和聚甲醛纤维混合搅拌时间为0.5min，加入碎石后的混合搅拌时间为0.5min。干搅时间过短，不利于提升聚甲醛纤维和其他组分的相容性，仍然产生聚团现象。干搅时间过长，会导致聚甲醛纤维结构受到一定程度的破坏，难以实现对残余抗弯强度的有效提升。
进一步，将第二混合料加入模具，成型后脱模；再经养护获得试件，对所述试件进行残余抗弯强度测试。
目前的对纤维混凝土力学性能的研究主要集中在增强和增韧(变形能量吸收值)，而对于残余抗弯强度这一重要指标，却鲜有涉及。事实上，残余抗弯强度代表了混凝土在发生破坏后所残留的抵抗外部载荷的能力，该性能的提升可以有效避免混凝土发生无预警的脆性破坏，防止灾难性的事故的发生。采用本技术方案可以有效提升普通混凝土的残余抗弯强度。
综上所述，本发明拥有以下有益效果：
(1)本发明巧妙地在混凝土中掺入聚甲醛纤维，对混凝土的残余抗弯强度改善效果显著。具体来说，相比于混凝土基体，高残余抗弯强度的聚甲醛纤维混凝土的残余抗弯强度增长了近10倍。可有效避免混凝土结构由于残余抗弯强度不足而引发的严重安全性问题，增加其服役时间。
(2)相对于现有技术，本技术方案针对提升普通常规混凝土的残余抗弯强度进行研究，提出了改善含有包括碎石在内的普通混凝土的残余抗弯强度的有效方法，有效填补该领域的空白。
(3)为了防止聚甲醛纤维在添加普通混凝土过程中出现局部团聚现象，本发明采用了先将细砂、聚甲醛纤维加入搅拌机混合均匀，再加入碎石继续混匀，最后再向混合物中加入水泥、粉煤灰、矿粉、聚羧酸型减水剂和水并再次混合。通过该制备方法，制备的聚甲醛纤维混凝土，有效避免了聚甲醛纤维团聚的出现。
附图说明
图1为现有技术的测量平均残余抗弯强度的实验装置的示意图(第一步)。
图2为现有技术的测量平均残余抗弯强度的实验装置的示意图(第二步)。
图3为本发明实施例的残余荷载-挠度曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。若未特别指明，下述实施例以及实验例所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，且所用的材料、试剂等，均可从商业途径得到。
附图标记为：夹具1、试样2、光栅位移传感器3、钢板4、荷载5、裂缝6。
实施例
(1)配方情况
一种高残余抗弯强度的聚甲醛纤维混凝土的原料配方，以重量份数计，具体为：机制砂850-950重量份、碎石1020-1180重量份、水泥230-280重量份、粉煤灰50-80重量份、矿粉60-90重量份、聚甲醛纤维2-4重量份、减水剂6-8重量份、水150-180重量份。
其中，其中聚甲醛纤维(长度为12mm、直径为0.2mm；可选范围为长度8-18mm、直径0.1-0.3mm)的抗拉强度为1100MPa(可选范围800-1300Mpa)，弹性模量为10GPa(可选范围9-12GPa)，断裂伸长率为15.0％(可选范围13-18％)，密度为1.41g/cm3；机制砂的细度模数为2.6-3.6；碎石的粒径为5-31.5mm；矿粉、粉煤灰的粒径均为400目-300目；Point-TS8型聚羧酸型高性能减水剂，减水率20％，固含量50％；水泥为42.5级普通硅酸盐水泥。
(2)制备工艺
所述的高残余抗弯强度聚甲醛纤维混凝土制备方法包括如下步骤：
S1、按重量份计，将机制砂和聚甲醛纤维加入搅拌机，以45转/分的转速慢速混合搅拌0.5min，接着将碎石倒入搅拌锅中，然后以45转/分的转速慢速混合搅拌0.5min。
S2、在步骤S1制得的混合物中按重量份计分别加入水泥、粉煤灰、矿粉、聚羧酸型减水剂和水并以45转/分的转速慢速混合搅拌1-1.5min(本实施例均采用搅拌1min的方案)。S1和S2的搅拌步骤主要是实现物料之间的混合，慢速搅拌即可满足要求，也可采用其他适当的转速参数。
将S2获得的混合料倒入模具，待室温放置24h后脱模，然后放入标准养护室中养护至28天，获得试件，再进行残余抗弯强度测试。
针对不加入聚甲醛纤维的混凝土制备方法(C-0)，具体如下：
S1、按重量份计，将聚羧酸型减水剂溶于水中，搅拌均匀形成减水剂溶液；
S2、将水泥、机制砂、碎石、粉煤灰、矿粉以及减水剂水溶液搅拌加入搅拌机，搅拌1min。
将S2获得的混合料倒入模具，待室温放置24h后脱模，然后放入标准养护室中养护至28天，获得试件，再进行残余抗弯强度测试。
(3)残余抗弯强度测试
根据表1中的配方比例和工艺参数，参照(2)中的制备方法，制得对应试件(100×100×400mm)，待室温放置24h后脱模，然后放入标准养护室中养护至28天，再进行残余抗弯强度。
表1：本实施例的配方比例和工艺参数设置(原料以体积掺量计算)
评价混凝土的残余抗弯强度用平均残余抗弯强度表示，平均残余抗弯强度的检验方法按照ASTM-C1399《纤维混凝土平均残余抗弯强度方法标准》所述方法进行。
用于进行平均残余抗弯强度测试实验的试件尺寸为100×100×400mm,现有技术的实验装置的示意图如图1和图2所示。采用电伺服加载装置对试件进行加载，试件两侧对称各使用夹具1安装一个光栅位移传感器3用于测量挠度值。实验过程具体分为两步进行，第一步将钢板4放置棱柱体混凝土试件(即试样2)下方共同加载(荷载5)，待跨中位移达到0.2mm后停止，可观察到混凝土跨中区域已出现裂纹6；第二步撤去钢板4，重新加载(荷载5)至跨中位移达到1.5mm为止，并记录第二次残余荷载-位移曲线。从每组残余荷载-挠度曲线中找到对应挠度为0.5，0.75，1.0，1.25mm的各个残余荷载值，然后根据弹性理论求得试件的平均残余强度ARS：
式(1)为ASTM-C1399法计算公式，式中：P0.5、P0.75、P1.0和P1.25分别为残余荷载-挠度曲线中挠度值为0.5，0.75，1.0，1.25mm处的残余荷载值，L为跨度，b为试件宽度，h为试件高度。
根据图2中展示的不同纤维掺量下高残余抗弯强度的聚甲醛纤维混凝土的残余荷载-挠度曲线图，得到聚甲醛纤维混凝土平均残余弯曲强度(ARS)测试结果见表2。
表2：平均残余弯曲强度(ARS)测试结果(实施例)
根据上述测量结果，随着聚甲醛纤维掺量的增加，混凝土的平均残余抗弯强度显著提升。其中，C-2(2kg/m3聚甲醛纤维掺量的混凝土)的平均残余抗弯强度是C-0(无聚甲醛纤维掺入的混凝土)的近4倍，C-3(3kg/m3聚甲醛纤维掺量的混凝土)平均残余抗弯强度是C-0的4倍多，C-4(4kg/m3聚甲醛纤维掺量的混凝土)平均残余抗弯强度是C-0的近10倍。
聚甲醛纤维的掺入可以显著增强混凝土的平均残余弯曲强度，可以有效避免混凝土发生无预警的脆性破坏。本技术方案是首次将聚甲醛纤维加入含有大量碎石的普通混凝土，如何保证聚甲醛纤维的力学性能改善作用的充分发挥，发明人进行了大量尝试。经研究发现聚甲醛纤维混凝土的制备工艺对于终产品的力学性能产生非常关键的影响。在本技术方案中，为了保证聚甲醛纤维和混凝土中其他组分(特别是碎石)之间具有良好相容性以保证理想的力学性能，需要首先将机制砂和聚甲醛纤维共同干搅处理，然后再加入碎石进行干搅处理，且干搅处理的时间不宜过长。最后再加入其他组分进行湿搅处理。采用实施例中的制备工艺，不会出现聚甲醛纤维在制备过程中团聚的现象。
对比例1：
本对比例配方同实施例的C-4，不同点在于制作高残余抗弯强度聚甲醛纤维混凝土的工艺过程，具体如下：将减水剂溶于水，搅拌均匀形成减水剂溶液；将剩余物料加入搅拌机，搅拌1min，然后制作试件。
对比例2：
本对比例配方同实施例的C-4，不同点在于制作高残余抗弯强度聚甲醛纤维混凝土的工艺过程，具体如下：
S1、机制砂和聚甲醛纤维倒入搅拌锅，混合搅拌0.3min，再将碎石加入搅拌机，然后混合搅拌0.3min。
S2、在步骤S1制得的混合物中加入水泥、粉煤灰、矿粉、聚羧酸型减水剂和水并再次混合搅拌1min。
对比例3：
本对比例配方同实施例的C-4，不同点在于制作高残余抗弯强度聚甲醛纤维混凝土的工艺过程，具体如下：
S1、机制砂和聚甲醛纤维倒入搅拌锅，混合搅拌1min，再将碎石加入搅拌机，然后混合搅拌1min。
S2、在步骤S1制得的混合物中加入水泥、粉煤灰、矿粉、聚羧酸型减水剂和水并再次混合搅拌1min。
对比例4：
本对比例配方同实施例的C-4，不同点在于制作高残余抗弯强度聚甲醛纤维混凝土的工艺过程，具体如下：
S1、机制砂和碎石加入搅拌机，接着将聚甲醛纤维倒入搅拌锅中，然后混合搅拌1min。
S2、在步骤S1制得的混合物中加入矿粉、聚羧酸型减水剂和水并再次混合搅拌1min。
对比例5：
本对比例配方同实施例的C-4，不同点在于制作高残余抗弯强度聚甲醛纤维混凝土的工艺过程，具体如下：
S1、碎石加入搅拌机，接着将聚甲醛纤维倒入搅拌锅中，然后混合搅拌0.5min；再将机制砂加入搅拌机，然后混合搅拌0.5min。
S2、在步骤S1制得的混合物中加入水泥、粉煤灰、矿粉、聚羧酸型减水剂和水并再次混合搅拌1min。
对比例6：
本对比例配方同实施例的C-4，不同点在于制作高残余抗弯强度聚甲醛纤维混凝土的工艺过程，具体如下：
S1、粉煤灰、矿粉和机制砂加入搅拌机，接着将聚甲醛纤维倒入搅拌锅中，然后混合搅拌0.5min；；再将碎石加入搅拌机，然后混合搅拌0.5min。
S2、在步骤S1制得的混合物中加入水泥、聚羧酸型减水剂和水并再次混合搅拌1min。
按照实施例1的方法对对比例1-6的平均残余弯曲强度进行测量，对比例1-6的实验结果参见表3。对比例1将所有物料同时搅拌混合，获得的产品的平均残余弯曲强度较C-4下降了约80％。对比例2的干搅时间过短，获得的产品的平均残余弯曲强度较C-4下降了约50％。对比例3的干搅时间过长，获得的产品的平均残余弯曲强度较C-4下降了约40％。对比例4将机制砂、碎石和聚甲醛纤维混合干搅，然后再混合湿搅，获得的产品的平均残余弯曲强度较C-4下降了约50％。对比例5将碎石和聚甲醛纤维混合干搅，然后再加入机制砂，最后加入其他物质进行湿搅，获得的产品的平均残余弯曲强度较C-4下降了约12％。对比例6将粉煤灰、矿粉、机制砂和聚甲醛纤维混合干搅，然后加入碎石混合干搅，最后再加入其他物质混合湿搅，获得的产品的平均残余弯曲强度较C-4下降了约50％。
表3：平均残余弯曲强度(ARS)测试结果(对比例)
由实施例和对比例的实验数据可以得出结论：聚甲醛纤维的加入可以增加混凝土的平均残余弯曲强度。残余抗弯强度代表了混凝土在发生破坏后所残留的抵抗外部载荷的能力，该性能的提升可以有效避免混凝土发生无预警的脆性破坏，防止灾难性的事故的发生。残余弯曲强度的增加可以提升混凝土的力学性能，降低其脆性。并且在一定范围内，随着聚甲醛纤维的加入量的增加，平均残余弯曲强度也随之增加。
聚甲醛纤维加入混凝土的作用效果的产生，和聚甲醛纤维混凝土的制备方式密不可分。本技术方案由于使用的是普通混凝土，其原料包括大量碎石等，给聚甲醛纤维与其他成分的相容性造成了较大的阻碍。通过现有技术的常规制备方式(例如实施例的C-0)，发现聚甲醛纤维团聚现象非常显著。发明人对原材料进行一一排查，发现将机制砂和聚甲醛纤维先干搅一段时间，再加入碎石干搅，可以显著降低聚甲醛纤维团聚现象。并且，干搅时间过短，不利于提升聚甲醛纤维和其他组分的相容性，仍然产生聚团现象。干搅时间过长，会导致聚甲醛纤维结构受到一定程度的破坏，难以实现对残余抗弯强度的有效提升。除此之外，干搅过程中的物料使用类型，也对聚甲醛纤维混凝土的力学性能产生一定影响。发明人尝试将碎石和聚甲醛纤维混合干搅，然后再加入机制砂，最后加入其他物质进行湿搅；还尝试了将机制砂、碎石和聚甲醛纤维混合干搅，然后再混合湿搅；还尝试了将粉煤灰、矿粉、机制砂和聚甲醛纤维混合干搅，然后加入碎石混合干搅，最后再加入其他物质混合湿搅。上述集中情况获得的成品的平均残余弯曲强度也不理想，聚甲醛纤维的聚团现象仍然存在。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.一种高残余抗弯强度的聚甲醛纤维混凝土，其特征在于，以重量份计，其原料包括：机制砂850-950重量份、碎石1020-1180重量份、水泥230-280重量份、粉煤灰50-80重量份、矿粉60-90重量份、聚甲醛纤维2-4重量份、减水剂6-8重量份、水150-180重量份；
其由如下方法制备：将机制砂和聚甲醛纤维混合搅拌，然后加入碎石混合搅拌，获得第一混合料；在第一混合料中加入水泥、粉煤灰、矿粉、聚羧酸型减水剂和水混合搅拌，获得第二混合料；机制砂和聚甲醛纤维混合搅拌时间为0.5min，加入碎石后的混合搅拌时间为0.5min。
2.根据权利要求1所述的一种高残余抗弯强度的聚甲醛纤维混凝土，其特征在于，所述聚甲醛纤维的长度为8-18mm、直径为0.1-0.3mm，抗拉强度为800-1300Mpa，弹性模量为9-12GPa，断裂伸长率为13-18%，密度为1.41g/cm3。
3.根据权利要求2所述的一种高残余抗弯强度的聚甲醛纤维混凝土，其特征在于，所述机制砂的细度模数为2.6-3.6。
4.根据权利要求3所述的一种高残余抗弯强度的聚甲醛纤维混凝土，其特征在于，所述碎石的粒径为5-31.5mm。
5.根据权利要求4所述的一种高残余抗弯强度的聚甲醛纤维混凝土，其特征在于，所述矿粉和所述粉煤灰的粒径均为400目-300目。
6.根据权利要求5所述的一种高残余抗弯强度的聚甲醛纤维混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸型减水剂；减水剂的减水率为20％，固含量为50％；所述水泥为42.5级普通硅酸盐水泥。
7.根据权利要求6所述的一种高残余抗弯强度的聚甲醛纤维混凝土，其特征在于，其平均残余抗弯强度≥0.61Mpa。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种高残余抗弯强度的聚甲醛纤维混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下依次进行的步骤：将机制砂和聚甲醛纤维混合搅拌，然后加入碎石混合搅拌，获得第一混合料；在第一混合料中加入水泥、粉煤灰、矿粉、聚羧酸型减水剂和水混合搅拌，获得第二混合料；机制砂和聚甲醛纤维混合搅拌时间为0.5min，加入碎石后的混合搅拌时间为0.5min。
9.根据权利要求8所述的一种高残余抗弯强度的聚甲醛纤维混凝土的制备方法，其特征在于，将第二混合料加入模具，成型后脱模；再经养护获得试件，对所述试件进行残余抗弯强度测试；
残余抗弯强度测试的方法为：
第一步：将钢板放置在试样下方共同加载，待跨中位移达到0.2mm后停止，可观察到混凝土跨中区域已出现裂纹；
第二步：撤去钢板，重新加载至跨中位移达到1.5mm为止，并记录第二次残余荷载-位移曲线；从每组残余荷载-挠度曲线中找到对应挠度为0.5，0.75，1.0，1.25mm的各个残余荷载值，然后根据弹性理论求得试件的平均残余抗弯强度。
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