CN1526678A - 一种防塑性开裂的混杂纤维水泥基复合材料 - Google Patents

一种防塑性开裂的混杂纤维水泥基复合材料 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料科学与工程科学技术领域，具体涉及一种防止塑性收缩开裂的混杂纤维水泥基复合材料(水泥净浆、砂浆、混凝土及其复合材料)，由有机合成纤维和无机纤维组成。本混杂纤维可对水泥基材料自成型后开始至终凝前的塑性收缩开裂有很好的抑制减少作用，较之不掺者可使塑性裂缝减少80％以上，且与采用单一纤维相比，具有多减少裂缝20－60％的混杂复合效果，本发明可广泛应用于水泥基材料工程，如水泥混凝土路面、桥面、地坪、护坡、大坝等工程中，以提高工程质量。

Description

一种防塑性开裂的混杂纤维水泥基复合材料
技术领域
本发明属于材料科学与工程科学技术领域，具体涉及一种防止塑性收缩开裂的混杂纤维水泥基复合材料(水泥净浆、砂浆、混凝土及其复合材料)。
背景技术
混凝土是世界上用量最大，使用最广泛的建筑材料之一。目前，我国每年混凝土用量已达10亿立方米左右，预计到2010年，我国水泥产量将增至8-8.5亿吨，即比1996年的4.9亿吨差不多翻一倍，相应地混凝土用量也将大幅度增加。因此可以肯定，在今后相当长的一段时间内，混凝土仍将是我国现代工程建设的主要建筑材料。并且，由于其具有适用范围广，价格便宜，易浇注成型，比较耐久，还可有效利用一些工业固体废料制作节能环保型建筑材料等优点，而在众多建筑工程领域中发挥其他材料无法替代的作用。
但是，不可否认，混凝土也具有抗拉强度低，极限拉应变小，抗冲击强度差，尤其是脆性大，以及在水泥硬化之前，由于塑性收缩、干燥失水造成混凝土开裂等缺点。其中水泥混凝土易塑性收缩开裂的缺陷对混凝土工程质量影响重大，尤其对高强混凝土，轻则在工程施工阶段因直接影响工程外观质量而造成返工，重则将塑性阶段收缩裂缝带入工程使用阶段，使混凝土因这一“先天”缺陷而影响其抗渗、抗冻、抗化学介质侵蚀、抗钢筋锈蚀等性能，造成混凝土使用寿命大大缩短，混凝土维护修复费用大量上升。在各种混凝土改性技术中，纤维混凝土的开发应用可认为是近年来混凝土技术的最大进展之一。据国内外研究表明，当在混凝土中掺加0.05-0.10％(体积分数)左右的合成纤维，如美国的Nycon纤维、聚丙烯纤维等，可在不降低混凝土力学性能的条件下减少其早期收缩裂缝50-100％，从而有效地提高混凝土施工质量和耐久性。
虽然合成纤维的弹性模量较之塑性水泥基材料为高弹性模量材料，但与凝结硬化后的水泥基材料相比则大多为低弹性模量材料，而水泥基材料在从塑性状态向硬化状态变化过程中，其弹性模量发生了很大变化，这样合成纤维只能在水泥基材料弹性模量发展初期通过其与水泥基材料的界面粘结而使合成纤维发挥出阻裂作用，一旦水泥基材料的弹性模量大于合成纤维的弹性模量，则其阻裂作用将大大减小。对水泥基材料来说，其早期的收缩开裂往往包括塑性阶段的失水收缩和硬化早期的干燥收缩，故仅用合成纤维进行水泥基材料进行防裂是不完全的。对于无机纤维材料来说，虽然其弹性模量高于水泥基材料，但不同的无机纤维材料也存在一些不足，如钢纤维直径不易做得很细，达到合成纤维同样减裂效果需提高数倍纤维掺量；玻璃纤维、陶瓷纤维、矿物纤维等无机非金属纤维一般其极限拉伸变形均较小，对于塑性阶段收缩变形量较大的状况不能适应，且单位体积的合成纤维价格远高于无机纤维。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以防止塑性收缩开裂的混杂纤维水泥基复合材料。
本发明提出的混杂纤维水泥基复合材料，以水泥基材料为基础，以有机纤维和无机纤维的混杂纤维为防裂材料组配而成，其混杂纤维的加入量为水泥基材料总体积的0.03-0.3％，混杂纤维按体积百分比的组份配比如下：
有机合成纤维           20～80％
无机纤维               80～20％。
各组份较佳的体积百分比如下：
有机合成纤维           35～65％
无机纤维               65～35％。
本发明中，有机合成纤维包括聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、尼龙纤维等，无机纤维包括钢纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、矿物纤维等。
本发明中，有机合成纤维的弹性模量为2～10GPa，抗拉强度为300～800MPa，极限拉伸率为8～60％，纤维截面直径(或等效直径)为25～120μm，纤维长度为10～40mm。
本发明中，无机纤维的弹性模量为60～350GPa，抗拉强度为800～4500MPa，极限拉伸率为2～6％，纤维截面直径(或等效直径)为3～800μm，纤维长度为3～40mm。
本发明中，有机合成纤维截面形状有圆形、矩形、三叶形等形状，纤维轴向形状有直线形、波浪形等，纤维端头形状有平齐形、哑铃形等。
本发明中，无机纤维截面形状有圆形、矩形、三角形等形状，纤维轴向形状有直线形、波浪形、压痕形等，纤维端头形状有平齐形、哑铃形、端钩形等。
本发明中混杂纤维的制备方法如下：选取不同直径、长度、截面形状、轴向形状、端头形状的纤维，按上述有机、无机纤维体积百分比计量各种纤维材料，将纤维置于混料容器中搅拌，混合均匀，即得到所需产品。该产品为固体纤维状材料，产品计量后包装成袋，储存时应防潮、防火。
本发明的混杂纤维水泥基复合材料的制备方法如下：
按混杂纤维的掺量为水泥基材料总体积的0.03～0.3％计量，也可采用混杂纤维的表观密度将此混杂纤维体积换算为纤维质量进行计量。
在搅拌水泥基材料的同时，将混杂纤维与其它水泥基材料一起加入搅拌；也可在水泥基材料搅拌完成后，再加入混杂纤维继续搅拌，然后浇筑成型。
其后的浇注、振捣、抹面、养护等工序同未掺纤维者一样。
本发明可广泛用于水泥基材料工程，如水泥混凝土路面、桥面、地坪、护坡、大坝、机场跑道等工程，可提高水泥基材料抗塑性收缩开裂等性能。
本发明具有以下优点：
①本发明的混杂纤维水泥基复合材料的塑性收缩开裂性能大幅度减小，采用平板法测试时，其塑性收缩开裂总权重值比不掺者可减少约80～100％，相对于单一纤维作用效果，混杂纤维的减裂混杂复合效果约为20～60％。
②本水泥基复合材料硬化早期的干燥收缩比不掺者约减少10～30％，比单掺合成纤维者多减少约20％。
③本水泥基复合材料的和易性、抗压强度、抗折强度等不受影响，甚至可以有所提高，抗冲击强度可提高50～500％。
④本水泥基复合材料的抗渗性、抗冻性等可得到一定程度的改善。
具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本发明。
实施例1
混杂纤维体积百分比为：
聚丙烯纤维        80％
陶瓷纤维          20％
聚丙烯纤维选用三叶形，纤维等效直径为34μm，纤维长度为20mm；陶瓷纤维选用氧化铝含量45％，纤维直径为3μm、纤维长度为5mm。将混杂纤维以0.03％体积分数掺入水泥砂浆(32.5普通水泥∶中砂∶水＝1∶1∶0.5)后，采用平板法测得其对塑性收缩开裂的减少率约为80％，相对于单一纤维作用效果，混杂纤维的减裂混杂复合效果约为30％。
实施例2
混杂纤维体积百分比为：
聚丙烯纤维       70％
玻璃纤维         30％
聚丙烯纤维选用矩形，纤维等效直径为111μm，纤维长度为20mm；玻璃纤维选用氧化锆含量6％，纤维直径为13μm，纤维长度为10mm。将混杂纤维以0.05％体积分数掺入水泥砂浆(32.5普通水泥∶中砂∶水＝1∶1∶0.5)后，采用平板法测得其对塑性收缩开裂的减少率约为90％，相对于单一纤维作用效果，混杂纤维的减裂混杂复合效果约为40％。
实施例3
混杂纤维体积百分比为：
尼龙纤维        50％
矿物纤维        50％
尼龙纤维选用圆形或哑铃形，纤维直径为43μm，纤维长度为20mm；矿物纤维为圆形，纤维直径为8μm，纤维长度为15mm。将混杂纤维以0.10％体积分数掺入水泥混凝土(32.5普通水泥∶5-25mm碎石∶中砂∶水＝1∶0.75∶0.75∶0.5)后，采用平板法测得其对塑性收缩开裂的减少率约为100％，相对于单一纤维作用效果，混杂纤维的减裂混杂复合效果约为60％。
实施例4
混杂纤维体积百分比为：
聚酯纤维        20％
钢纤维          80％
聚酯纤维选用圆形，纤维直径为25μm，纤维长度为18mm；钢纤维选用三角形、端钩形，纤维直径为750μm、纤维长度为35mm。将混杂纤维以0.30％体积分数掺入水泥混凝土(32.5普通水泥∶5-25mm碎石∶中砂∶水＝1∶0.75∶0.75∶0.5)后，采用平板法测得其对塑性收缩开裂的减少率约为80％，相对于单一纤维作用效果，混杂纤维的减裂混杂复合效果约为40％。

Claims (7)

1、一种防塑性开裂的混杂纤维水泥基复合材料，其特征在于以水泥基材料为基础，以有机纤维和无机纤维的混杂纤维为防裂材料组配而成，其混杂纤维的加入量为水泥基材料总体积的0.03-0.3％，混杂纤维按体积百分比的组份配比如下：
有机合成纤维    20～80％
无机纤维        80～20％。
2、根据权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于混杂纤维的组份配比如下：
有机合成纤维    35～65％
无机纤维        65～35％。
3、根据权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于所述的有机纤维为聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、尼龙纤维之一种，无机纤维为钢纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、矿物纤维之一种。
4、根据权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于所述的有机合成纤维的弹性模量为2～10GPa，抗拉强度为300～800MPa，极限拉伸率为8～60％，纤维截面直径为25～120μm，纤维长度为10～40mm。
5、根据权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于所述的无机纤维的弹性模量为60～350GPa，抗拉强度为800～4500MPa，极限拉伸率为2～6％，纤维截面直径为3～800μm，纤维长度为3～40mm。
6、根据权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于所述的有机合成纤维的截面形状为圆形、矩形、三叶形之一种，纤维轴向形状为直线形、波浪形之一种，纤维端头形状为平齐形、哑铃形之一种。
7、根据权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于所述的无机纤维的截面形状为圆形、矩形、三角形之一种，纤维轴向形状为直线形、波浪形、压痕形之一种，纤维端头形状为平齐形、哑铃形、端钩形之一种。
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