一種高韌性控裂防滲纖維混凝土的製作方法
2023-06-04 18:35:21
專利名稱：一種高韌性控裂防滲纖維混凝土的製作方法
技術領域：
本發明屬於建築材料領域，涉及一種纖維混凝土材料。
背景技術：
混凝土作為應用最廣泛的建築材料，其主要成分包括水泥、活性礦物摻合 料、骨料和水，具有原料來源廣泛、工藝簡單、防火性能好等優點，但它是一 種脆性材料，抗拉和抗彎強度低、變形能力小、韌性差、易開裂且開裂後裂縫 寬度難以控制。混凝土的低韌性使得結構在變截面位置以及鋼/混凝土混雜結構 節點等部位可能由於應力集中而導致突發的災難性破壞，在地震荷載作用下， 混凝土結構也常常會因此發生保護層的過早崩裂，從而導致結構的抗震性能顯 著降低。在當前的經濟和技術水平下，人們通常認為混凝土的開裂幾乎是不可 避免的，裂縫尤其是有害裂縫不僅有礙觀瞻，給人們帶來心理壓力，更會降低 結構的使用性能，當裂縫寬度達到一定程度後，會顯著增加混凝土的滲透性， 水、二氧化碳、氯離子會加速侵入混凝土內部，危害結構的安全，影響使用壽
命，成為一些災難性事故的隱患。我國《混凝土壩養護修理規程》(SL230-98) 規定，鋼筋混凝土結構在三類環境條件即水位變動區，或有侵蝕性地下水的環 境下，按耐久性和防水性要求，裂縫應當小於O.lmm，在四類環境條件即海水 浪濺區、潮溼並有嚴重侵蝕性介質環境下，按防水要求，裂縫應當小於0.05mm。 依據上述規範，應當將三類環境混凝土裂縫寬度控制在0.1mni以下，將四類環 境混凝土裂縫寬度控制在0.05mm以下，以有效保證鋼筋混凝土結構的耐久性和 抗滲性；我國《鋼筋混凝土結構設計規範》(GB 50010-2002)規定，鋼筋混凝 土構件在使用除冰鹽以及嚴寒、寒冷地區冬季水位變動區、濱海室外環境下， 最大裂縫寬度限值為0.2mm。因此，提高混凝土的抗拉和抗彎強度，增加混凝 土材料的韌性及其結構的延性，提高混凝土的裂縫控制能力，將混凝土裂縫寬 度穩定地控制在O.lmm甚至是0.05mm以下，是混凝土研究中一個極其重要的 目標。實現上述目標有效可行的方法是利用纖維增強增韌。近年來，聚丙烯纖維 和鋼纖維等短切纖維混凝土得到了廣泛的應用，並取得良好效果。低纖維摻量 混凝土的纖維體積摻率通常小於混凝土總體積的0.5%,如常用的聚丙烯纖維混凝土，聚丙烯纖維的體積摻率通常在0.05% 0.2%，主要用於提高混凝土早期抗 裂性能，但聚丙烯纖維的強度低(通常在300 600MPa)、彈模量低(3 10GPa)， 對混凝土的增韌效果有限，對彎拉強度無明顯增強作用，無法在混凝土出現裂 縫後提供足夠的橋聯應力，裂縫會快速擴展。中等纖維摻量混凝土的纖維體積 摻率通常在0.5% 3%，如常用的纖維用量為1%~2%的鋼纖維混凝土，由於鋼纖 維具有較高的抗拉強度G80 1400MPa)和較高的彈性模量(150 210GPa)，所 以可明顯提高混凝土的抗拉和抗彎強度，相應的抗彎韌性、抗衝擊及抗疲勞等 性能也有明顯提高，但變形能力並沒有明顯改善，其拉應變能力在0.01%~0.03% 量級，材料在開裂後仍然無法對裂縫寬度進行有效控制。高纖維摻量混凝土纖 維體積摻率通常在4% 20%，如砂漿滲澆鋼纖維混凝土 (SIFCON)，在拉伸和 彎曲荷載作用下具有應變硬化和多縫開裂特性，其抗拉強度、抗彎強度、韌性 較混凝土有較大提高，但高達4% 20%的纖維摻量使材料成本成倍提高並需要 專門的澆築工藝才能加工成型，因此限制了在工程中的推廣應用。申請號為03129358.1的發明專利申請公開了一種高韌性混雜纖維混凝土及 其製備方法，該技術採用中等纖維摻量，以普通混凝土為基礎，使用佔混凝土 體積百分比為0.1-0.2%的碳纖維和佔混凝土體積百分比為0.3-0.9%的鋼纖維混 雜增強，雖然該材料的強度和韌性較混凝土有明顯提高，但變形能力和裂縫控 制能力較普通中等摻量纖維混凝土沒有明顯改善。專利號為ZL200510046878.X 的發明專利公開了一種使用短纖維和纖維編織網聯合增強水泥基複合材料，該 材料雖然具有將裂縫進行微細化分散的能力，但使用纖維編織網聯合短纖維進 行增強，增加了材料的施工程序，也提高了造價。發明內容本發明的目的，是提供一種高韌性控裂防滲纖維混凝土，能大幅度提高混 凝土的變形能力、抗彎強度，具備較高的抗拉強度和良好的耗能能力，有效實 現裂縫的微細化分散，提高結構的抗震、控裂防滲性能。本發明的技術方案為一種高韌性控裂防滲纖維混凝土，其成分包括水泥、活性礦物摻合料、骨 料、纖維和水，其特徵在於，活性礦物摻合料釆用粉煤灰或粉煤灰與以下一種 或一種以上材料的組合矽灰、粒化高爐礦渣、偏高嶺土；骨料的最大粒徑不 超過0.5mm，纖維為聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維、芳香族聚醯胺纖維中的一種 或一種以上的組合，纖維長度為5 25mm、直徑為0.015 0.055 mm、彈性模量 為30 150GPa、抗拉強度為1000 3500MPa、極限伸長率為2% 15%，水泥和 活性礦物摻合料各組分的重量比為水泥 12% 55%粉煤灰 45% 85%矽灰 0 15%粒化高爐礦渣0 10%偏高嶺土 0 20%以上水泥和活性礦物摻合料各組分重量比之和滿足100%;骨料的重量與水泥和活性礦物慘合料總重量之比為1% 70%，水的重量與 水泥和活性礦物摻合料總重量之比為18% 58%，纖維的摻量為纖維混凝土總體 積的1.5% 2.5%.在本發明的各成分中，水泥加活性礦物摻合料構成膠凝材料，以膠凝材料 的總重量為基數，規定除纖維以外各成分的含量。設膠凝材料各成分重量百分 比之和滿足100%，確定其中水泥為12% 55%，粉煤灰為45% 85%，矽灰 為0 15%，粒化高爐礦渣為0 10%，偏高嶺土為0 20%;根據纖維混凝土 性能要求確定骨料和膠凝材料的重量比為1% 70%，水與膠凝材料的重量比為 18% 58%.在實際製作中，可以根據需要適量加入減水劑、消泡劑、引氣劑、增稠劑 等化學外加劑，其用法和用量與製作普通混凝土和普通纖維混凝土相同，如為 改善新拌混凝土的流動性，可摻加與膠凝材料重量比小於3%的減水劑，為改善 拌合物的粘聚性和纖維的分散性，可摻加與膠凝材料重量比小於0.3%的增稠劑。本發明採用的聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維、芳香族聚醯胺纖維具有較好的 分散性、較高的抗拉強度、彈性模量和極限伸長率，與水泥基基體粘結良好， 在水泥基基體中具有耐久性。這幾種纖維用途廣泛，在生產中有時會受工藝影 響，導致纖維的部分性能達不到要求。為保證纖維對混凝土的增強和增韌，本發明在選擇了纖維種類的基礎上，對纖維的彈性模量、抗拉強度和極限伸長率 作了進一步限定。本發明不使用粗骨料，並對細骨料粒徑和用量進行了限定，使纖維能更均 勻地分散到基體中，從而更好地發揮纖維的橋聯作用，對裂縫擴展實施更加有 效的控制。對纖維摻量的限定，保證了用常規設備就可以將混凝土攪拌成型； 對纖維長度和直徑的限定，保證了混凝土單位體積內纖維的數量，使混凝土的 性能更加穩定；對纖維的彈性模量、抗拉強度和極限伸長率的限定，能有效提 高混凝土的抗拉強度、抗彎強度和變形能力。對水膠比進行限定，將基體強度 限制在適宜的範圍內，可以間接保證纖維能夠提供足夠的橋聯應力，實現裂縫 的微細化分散。本發明對水膠比、骨料粒徑、骨料用量、活性礦物摻合料種類 及摻量的共同限定，有助於減小柔性合成纖維在脆性水泥基基體開裂後的截面 損失，更充分發揮纖維本身的抗拉強度。本發明具有高韌性和較大的變形能力，無論是在直接拉伸荷載作用下，還 是在彎曲荷載作用下都可以表現出顯著的應變硬化或變形硬化特徵，極限拉應變可達1.8% 7.5%，抗拉強度可達4 10MPa，抗彎強度可達10 20MPa。本 發明具有良好的裂縫微細化分散能力，在遭受拉伸或彎曲荷載作用時，混凝土 裂縫將被分散成肉眼難以直接發現的微細裂縫，其裂縫寬度可有效控制在 O.lmm以下，甚至小於0.05mm,滿足我國《混凝土壩養護修理規程》(SL230-98) 和《鋼筋混凝土結構設計規範》(GB 50010-2002)為保證鋼筋混凝土結構耐久 性及抗滲性能對裂縫寬度的限制要求。本發明用中等摻量短纖維增強混凝土，就使混凝土具有高韌性、較大的變 形能力、較高的抗拉強度和較高的抗彎強度，能將混凝土裂縫寬度有效控制在 O.lmm甚至是0.05nmi以下，保證材料的抗滲性。本發明材料用於製作抗震節點， 可有效提高結構整體性，顯著提高結構抗震性能；用於製作大壩防水面板，可 有效解決工程上普遍存在的"無壩不裂"工程難題，明顯提高大壩的蓄水安全 性和蓄水效率；用來作混凝土保護層，可對高腐蝕環境下的鋼筋混凝土結構實 施有效的耐久性防護；將本發明應用在錨杆錨固區等部位，可明顯提高結構安 全性，有效避免災難性的突然破壞；此外，本發明材料還可以用於結構防水、 耐久性加固以及新型結構的開發等。
具體實施方式
下面通過實施例對本發明作進一步說明。 實施實例1一種高韌性控裂防滲纖維混凝土配比如下水泥和活性礦物摻合料各組分重量比為水泥(P.II42.5R) 35%、粉煤灰 45%、矽灰12%、粒化高爐礦渣8%;骨料(最大粒徑0.5mm)重量與水泥加活性礦物摻合料總重量之比為60%， 水的重量與水泥加活性礦物摻合料總重量之比為30%;纖維的摻量為纖維混凝 土總體積的2.0%.採用聚乙烯醇纖維，長度為12mm，直徑為0.039mm，抗拉強度為1620MPa， 彈性模量為42.8GPa，極限伸長率為6%.先將水泥、粉煤灰、矽灰、粒化高爐礦渣和骨料用攪拌機攪拌均勻，再加 水攪拌；加入適量減水劑(重量為水泥加活性礦物摻合料總重量的0.35%)，改 善混凝土的流動性；最後加入聚乙烯醇纖維攪拌均勻。澆注試件，使用振動臺 振搗成型，抹面後覆蓋塑料膜，24小時後拆模放入溫度為20土3"C,相對溼度為 90%以上的養護室中養護至28天齡期(試驗齡期)。對該混凝土基本性能測試結果如下1) 拉伸性能試件尺寸350mmX50mmX15mm測試方法單軸拉伸抗拉強度5.7MPa (大約是同等強度混凝土的1.3倍) 極限拉伸應變3.2% (約為混凝土的320倍) 極限拉伸應變時對應的裂縫寬度0.049mm2) 抗彎性能試件尺寸400mmX lOOramX 15mm 測試方法四點彎曲，三分點加載，測試跨度為300mm 抗彎強度12.8MPa (大約是混凝土的2倍) 峰值荷載時對應的撓度32mm 峰值荷載時的最大裂縫寬度0.045mm3) 抗壓性能試件尺寸40mm X 40mm X 160mm測試方法稜柱體單軸壓縮抗壓強度48MPa抗壓峰值荷載對應壓應變0.55% (約為普通混凝土的兩倍) 上述試驗結果表明本發明材料具有較高的抗拉強度、抗彎強度、拉伸變形 能力、彎曲變形能力以及抗壓變形能力，說明本材料具有良好的拉伸韌性、彎 曲韌性和抗壓韌性。最大裂縫寬度滿足規範中耐久性和抗滲性要求。實施例2一種高韌性控裂防滲纖維混凝土配比如下-水泥和活性礦物摻合料各組分重量比為水泥(P.II 52.5 R) 55%、粉煤灰 45%;骨料(最大粒徑0.5mm)重量與水泥加活性礦物摻合料總重量之比為50%， 水的重量與水泥加活性礦物摻合料總重量之比為45%;纖維的摻量為纖維混凝 土總體積的1.9%.採用聚乙烯醇纖維和聚乙烯纖維。聚乙烯醇纖維長度為12mrn，直徑為 0.039mrn、抗拉強度為1620MPa、彈性模量為42.8GPa、極限伸長率為6%，摻 量為纖維混凝土總體積的1.4%;聚乙烯纖維長度為12.7mm，直徑為0.038mm， 抗拉強度為2700MPa，彈性模量為120GPa，極限伸長率為3.5%，摻量為纖維 混凝土總體積的0.5%.攪拌和養護同實施例l，使用增稠劑以增加拌合物的粘聚性，使用減水劑改 善混凝土的流動性，增稠劑和減水劑重量分別為水泥加活性礦物摻合料總重量 的0.06%和0,15%.對該混凝土基本性能測試結果如下(試件尺寸、測試方法、試驗齡期同實 施例1):1) 拉伸性能 抗拉強度5.2MPa 極限拉伸應變2.80% 極限拉伸應變時對應的裂縫寬度0.047mm2) 抗彎性能抗彎強度13MPa 峰值荷載時對應的撓度30mm 峰值荷載時的最大裂縫寬度0.049mm 3)抗壓性能 抗壓強度39MPa 抗壓峰值荷載對應壓應變0.59%
實施實例3
一種高韌性控裂防滲纖維混凝土配比如下
水泥和活性礦物摻合料各組分重量比為水泥(P.II52.5R) 15%、粉煤灰 80%、粒化高爐礦渣5%;
骨料(最大粒徑0.5mm)重量與水泥加活性礦物摻合料總重量之比為10%， 水的重量與水泥加活性礦物摻合料總重量之比為25%;纖維的摻量為纖維混凝 土總體積的2.1%.
採用聚乙烯醇纖維，長度為8mm,直徑為0.020mm，抗拉強度為1200MPa， 彈性模量為35GPa，極限伸長率為8%.
攪拌和養護同實施例1，增稠劑和減水劑重量分別為水泥加活性礦物摻合料 總重量的0.05%和0.25%.
對該混凝土基本性能測試結果如下(試件尺寸、測試方法、試驗齡期同實 施例1):
1) 拉伸性能 抗拉強度5.6MPa 極限拉伸應變2.63% 極限拉伸應變時對應的裂縫寬度0.048mm
2) 抗彎性能 抗彎強度12MPa 峰值荷載時對應的撓度29mm 峰值荷載時的最大裂縫寬度0.050mm
3) 抗壓性能 抗壓強度28MPa抗壓峰值荷載對應壓應變0.62% 實施實例4
一種高韌性控裂防滲纖維混凝土配比如下
水泥和活性礦物摻合料各組分重量比為水泥(RII 52.5 R) 25%、粉煤灰 60%、矽灰2%、粒化高爐礦渣8%、偏高嶺土5%;
骨料(最大粒徑0.5mm)重量與水泥加活性礦物摻合料總重量之比為40%， 水的重量與水泥加活性礦物摻合料總重量之比為32%;纖維的摻量為纖維混凝 土總體積的2.5%.
採用聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維和芳香族聚醯胺纖維。聚乙烯纖維長度為 12mm，直徑為0.039mm，抗拉強度為1620MPa，彈性模量為42.8GPa，極限伸 長率為6%，摻量為纖維混凝土總體積的1.5%;聚乙烯纖維長度為12.7mm，直 徑為0.038mm，抗拉強度為2700MPa，彈性模量為120GPa，極限伸長率為3.5%， 摻量為纖維混凝土總體積的0.7%;芳香族聚醯胺纖維長度為15mm，直徑為 0.015mm，抗拉強度為2800MPa,彈性模量為132GPa，極限伸長率2.4%，摻量 為纖維混凝土總體積的0.3%.
攪拌和養護同實施例1，增稠劑和減水劑重量分別為水泥加活性礦物摻合料 總重量的0.08%和0.32%.
對該混凝土基本性能測試結果如下(試件尺寸、測試方法、試驗齡期同實 施例1):
1) 拉伸性能 抗拉強度9.5MPa 極限拉伸應變7.1%
極限拉伸應變時對應的裂縫寬度0.042mm
2) 抗彎性能 抗彎強度19.7MPa 峰值荷載時對應的撓度42mm 峰值荷載時的最大裂縫寬度0.045mm
3) 抗壓性能 抗壓強度33MPa抗壓峰值荷載對應壓應變0.65%
實施實例5
一種高韌性控裂防滲纖維混凝土配比如下
水泥和活性礦物摻合料各組分重量比為水泥(P.0 32.5 R) 30%、粉煤灰 52%、粒化高爐礦渣3%、偏高嶺土 15%;
骨料(最大粒徑0.5mm)重量與水泥加活性礦物摻合料總重量之比為65%， 水的重量與水泥加活性礦物慘合料總重量之比為52%
纖維的摻量為纖維混凝土總體積的1.8%
採用聚乙烯醇纖維和芳香族聚醯胺纖維。聚乙烯醇纖維長度為12mm,直徑 為0.039mm，抗拉強度為1620MPa，彈性模量為42.8GPa，極限伸長率為6%， 摻量為纖維混凝土總體積的1.6%;芳香族聚醯胺纖維長度為15mm，直徑為 0.015mm，抗拉強度為2800MPa,彈性模量為132GPa，極限伸長率2.4%，摻量 為纖維混凝土總體積的0.2%.
攪拌和養護同實施例1，增稠劑和減水劑重量分別為水泥加活性礦物摻合料 總重量的0.05%和0.08%.
對該混凝土基本性能測試結果如下(試件尺寸、測試方法、試驗齡期同實
施例1):
1) 拉伸性能
抗拉強度5.1MPa 極限拉伸應變2.1%
極限拉伸應變時對應的裂縫寬度0.050mm
2) 抗彎性能 抗彎強度12.8MPa 峰值荷載時對應的撓度23mm 峰值荷載時的最大裂縫寬度0.049mm
3) 抗壓性能 抗壓強度18MPa 抗壓峰值荷載對應壓應變0.65%
權利要求
1、一種高韌性控裂防滲纖維混凝土，其成分包括水泥、活性礦物摻合料、骨料、纖維和水，其特徵在於，活性礦物摻合料採用粉煤灰或粉煤灰與以下一種或一種以上材料的組合矽灰、粒化高爐礦渣、偏高嶺土；骨料的最大粒徑不超過0.5mm，纖維為聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維、芳香族聚醯胺纖維中的一種或一種以上的組合，纖維長度為5～25mm、直徑為0.015～0.055mm、彈性模量為30～150GPa、抗拉強度為1000～3500MPa、極限伸長率為2％～15％，水泥和活性礦物摻合料各組分的重量比為水泥 12％～55％粉煤灰45％～85％矽灰 0～15％粒化高爐礦渣 0～10％偏高嶺土 0～20％以上水泥和活性礦物摻合料各組分重量比之和滿足100％；骨料的重量與水泥和活性礦物摻合料總重量之比為1％～70％，水的重量與水泥和活性礦物摻合料總重量之比為18％～58％，纖維的摻量為纖維混凝土總體積的1.5％～2.5％.
全文摘要
本發明屬於建築材料領域，涉及一種纖維混凝土材料。主要成分包括水泥、活性礦物摻合料、骨料、纖維和水，其特徵在於，活性礦物摻合料採用粉煤灰、矽灰、粒化高爐礦渣、偏高嶺土，纖維採用聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維、芳香族聚醯胺纖維，骨料的最大粒徑不超過0.5mm，骨料的重量與水泥和活性礦物摻合料總重量之比為1％～70％，纖維的摻量為纖維混凝土總體積的1.5％～2.5％.本發明具有高韌性，較大的變形能力，較高的抗拉強度和抗彎強度，極限拉應變為1.8％～7.5％，抗拉強度為4～10MPa，抗彎強度為10～20MPa，能將裂縫寬度控制在0.1mm以下，有效提高結構的整體性和抗震性能，保證結構的抗滲性和耐久性。
文檔編號C04B28/00GK101665342SQ20091018747
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月18日 優先權日2009年9月18日
發明者徐世烺 申請人:徐世烺