一种高抗开裂性纤维混凝土及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于工程技术领域，具体涉及一种高抗开裂性纤维混凝土及其制备方法和应用。


背景技术：

2.聚丙烯工程纤维是一种应用于建设工程的人工合成纤维。1984年，美国军方为解决基地受军事打击的混凝土抗碎问题，与合成工业公司混凝土专家合作，成功研制出世界上第一种混凝土聚丙烯纤维(fibermesh)。发展至今，fibermesh以良好的工程性能和低廉的价格，已经成为建筑、道桥、给排水、港口及岩土工程中日益重要的一种掺合料。聚丙烯纤维分为纤维丝和纤维网两种，作为一种柔性纤维应用于现代工程的20多年间，其工程性能良好，没有发生重大事故。其与传统的钢纤维相比，搅拌和泵送不需要特殊机械，而且工程性能相近，造价更低，具有广阔的应用前景。
3.聚丙烯是一种强度较高，弹性模量较低的柔性纤维。聚丙烯纤维混凝土是一种掺入少量短切聚丙烯纤维来增强或改善混凝土某些性能的复合材料。大量的室内试验和工程实践证明,聚丙烯纤维混凝土具有抑制塑性收缩裂缝、抗冲击和弯曲疲劳性能较好、抗松散性较好、剩余强度较高、抗渗性较好、抗拉及抗折弯强度有所增加、耐气候老化、抗冻融性较好等优点。利用这些优点，聚丙烯纤维混凝土在高层建筑的地下室、污水处理厂的污水池、港区路面、高速公路路面、码头货物料场以及地下洞室、护坡等工程中得到了广泛的应用，并收到了良好的效果。在混凝土中加入聚丙烯纤维可以有效的增加其使用寿命，而且可以弥补混凝土发生脆性破坏。它可以提高混凝土抗拉、抗折强度，聚丙烯的韧性可以降低混凝土形成初期的干缩而产生的裂缝。在道路工程中加入聚丙烯纤维的路面比一般路面耐磨。在防水及地下工程中，聚丙烯因有效减少混凝土的裂缝而有效防渗。其实，在刚性混凝土中加入柔性的聚丙烯纤维能整体提高混凝土工程综合性能，实现混凝土的“刚柔并济”。
4.对于混凝土的抗裂性，工程界给予了高度的重视，王铁梦教授提出普通混凝土好好打可以控制混凝土结构的有害裂缝。而大量的实际工程却反映出，在混凝土等级不断提高和大面积大体积混凝土现代设计与施工中，许多条件是很难满足的，原有的混凝土抗裂措施需要得到进一步的提高。
5.在混凝土中掺入纤维可以提高混凝土结构的抗裂性能，常用的混凝土结构的纤维包括钢纤维、聚丙烯纤维以及几种纤维之间的混掺，其中聚丙烯纤维对减少混凝土塑性裂缝效果尤为明显。聚丙烯纤维对混凝土塑性减裂效果在70％以上；杨世聪、王福敏在《纤维混凝土技术规程》及《混凝土结构耐久性设计施工指南》规定下，对不同纤维砂浆做了早期抗裂试验，研究表明：在水泥：砂：水：纤维配合比为1:1.5:0.5:0.6的条件下得出第一条名义裂缝面积降低率为68.30％，说明掺0.6kg/m3聚丙烯纤维延缓了水泥砂浆的开裂时间和最大裂缝宽度。
6.然而在混凝土生产中，纤维在混凝土中的分散性异常重要。即便纤维本身的力学性质、抗老化性能再好，但如果在实际拌合中，纤维不能良好的分散于混凝土中，混凝土不
能形成各向同性，力学性能不能趋于均匀，就不能使结构充分发挥作用。如果混凝土中明显存在缠绕、结团的纤维，则混凝土中加入纤维不但无益，反而有害。纤维不能良好的分散于混凝土中，混凝土不能形成各向同性，力学性能不能趋于均匀，就不能使结构充分发挥作用，在混凝土中明显存在缠绕形成结团现象。
7.鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种高抗开裂性纤维混凝土，通过在混凝土中加入聚合物纤维，以及使用特定的分散剂，能够增强混凝土的抗开裂性能以及混凝土的耐久性能，提高混凝土建筑物的抗开裂性能，以及提高混凝土在高寒地区抗冻融伤损的能力。
9.本发明还提供了所述纤维混凝土的制备方法，通过采用特定的加料顺序保证聚合物纤维在混凝土中的分散性。
10.本发明还提供了所述纤维混凝土在工程技术领域的应用。
11.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
12.一种高抗开裂性纤维混凝土，由包括以下重量份的组分制备得到：聚丙烯纤维6-8份、水130-150份、p.o 42.5水泥320-340份、砂550-570份、粗骨料1200-1400份、减水剂6-7份、分散剂0.2-0.5份。
13.优选地，所述粗骨料的材质为石灰岩。优选所述粗骨料包括粒径为5-20mm的粗骨料380-400份，粒径为16-31.5mm的粗骨料910-930份。这样搭配能满足密实理论，还能防止裂缝开裂。级配比例为大石：中石：小石＝47:38:15，碎石压碎值为15.7％，含泥量为0.1％；毛体积密度为2641kg/m3。
14.优选地，所述减水剂为引气型减水剂，优选为gh-6高效减水剂(引气型)。
15.优选地，所述聚丙烯纤维的加入量为混凝土湿料体积分数的0.8％。当体积分数小于0.8％时，纤维混凝土的抗冻融性能随着聚丙烯纤维掺量的增加而增加，掺入聚丙烯纤维在混凝土中起到了引气的作用；当加入量大于0.8％时，混凝土抗冻能力反而下降，究其原因可能是因为纤维掺量过大，导致了在拌和过程中纤维发生了结团现象，从而导致了其性能下降。所述“混凝土湿料”为水、p.o 42.5水泥、砂、粗骨料、减水剂和分散剂混合搅拌后形成的湿料。
16.优选地，所述分散剂为聚丙烯酸钠-丙烯醇溶液，其制备方法包括以下步骤：
17.1)将亚硫酸氢钠和水按照1:(20-30)的体积比混合后搅拌溶解，加热至60-70℃，开始滴加丙烯酸和丙烯醇的混合物，得到第一混合溶液；
18.优选地，所述丙烯酸和丙烯醇的混合物的加入量为亚硫酸氢钠和水的混合溶液的5-10体积％，所述丙烯酸与丙烯醇混合的体积比为1:3。
19.2)向所述第一混合溶液中加入过硫酸铵的水溶液，继续保温反应，然后降温冷却至30-40℃，用氢氧化钠水溶液中和至ph值为7-8，即得到粘稠状低分子量的聚丙烯酸钠-丙烯醇溶液。
20.优选地，所述过硫酸铵水溶液的质量浓度为20-30％，加入量为所述第一混合溶液体积分数的5％。
21.优选地，所述保温反应的时间为90min。
22.优选地，所述聚丙烯酸钠-丙烯醇溶液中，聚合物的平均分子量为4.6
×
104。
23.上述制备过程的反应机理如下：
24.主反应：丙烯酸和丙烯醇发生共聚合反应，以过硫酸铵为引发剂，生成丙烯酸-丙烯醇共聚物，丙烯酸-丙烯醇共聚物和氢氧化钠反应生成聚丙烯酸钠-丙烯醇，其反应式如下：
[0025][0026]
副反应：丙烯酸用过硫酸铵为引发剂在水中加热聚合，生成的聚合物再用氢氧化钠中和得到聚丙烯酸钠，聚丙烯酸钠和丙烯醇在过硫酸铵的作用下生成聚丙烯酸钠-丙烯醇，其反应式如下：
[0027][0028]
与现有分散剂相比，本发明自制的分散剂不是单一产物起到分散作用，该分散剂中聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、丙烯酸-丙烯醇共聚物、聚丙烯酸钠-丙烯醇都能起到分散效果，极大的提高了分散剂的分散能力。
[0029]
关于纤维混凝土的制备方法，申请人研究发现：确立正确的搅拌制度对改善纤维混凝土的质量有很大作用。与传统混凝土搅拌技术相比，需要在搅拌过程中防止纤维分布不均，避免引起纤维成团。一般来说，投料顺序、搅拌时间、搅拌机类型及纤维形状和数量都会对纤维是否结团产生影响，进而对混凝土质量造成不同规模的损失。申请人采用创新性新型工艺对所述纤维混凝土进行搅拌，包括以下步骤：
[0030]
(1)将砂、粗骨料和水泥混合搅拌50～60s，得到第一混合物；
[0031]
(2)将水、减水剂和分散剂混合，得到混合溶液；
[0032]
(3)将所述混合溶液的2/3加入步骤(1)得到的第一混合物中，搅拌40～50s，然后加入聚丙烯纤维搅拌30s，检查是否存在结团，如存在则将其打散，得到第二混合物；
[0033]
(4)将剩下的1/3混合溶液加入第二混合物中，搅拌1～2min，得到所述纤维混凝土。
[0034]
采用本发明改良制备工艺得到的纤维混凝土，纤维可以更加均匀的分布在混凝土中，其强度相比采用常规拌法搅拌的混凝土提升10％-20％。相较于一般混凝土2-3分钟的搅拌时间，纤维混凝土则需要更长的时间来进行搅拌，一般以4-6分钟为最佳搅拌时间。上述4～6分钟为合计的搅拌时间，即步骤(1)至(4)所需的时间。
[0035]
综上所述，针对纤维混凝土在实际制备中出现的结团问题，申请人进行了细致研究，并总结出一套创新性制备工艺，主要是“一改一限一新”。改就是改进纤维混凝土的搅拌工艺，限就是明确限制聚丙烯纤维掺量，新就是创新型分散剂的制备。
[0036]
本发明还提供了所述纤维混凝土在工程技术领域的应用，该纤维混凝土特别适用于建设机场跑道路面。
[0037]
与普通机场道面相比：随着我国航空业的高速发展，机场需要承担繁重的客运及货运任务，我国民航机场应用最主要的道面结构形式是混凝土道面。然而，由于混凝土材料
是脆性材料，在受到飞机起降时的巨大冲击及轮子与机场道面间强烈的摩擦时，混凝土道面极易产生裂缝，从而导致耐久性降低，大大缩短使用寿命。因此，通过在混凝土中掺加纤维材料改善其脆性，增加其抗裂性能和抗冲击性能，在一定程度上改善了这个问题。针对北方冬天机场温度过低，混凝土材料脆性增强加入纤维后可以极大改善其抗冻开裂性能。
[0038]
与纤维机场道面相比：在混凝土生产中，纤维在混凝土中的分散性异常重要。即便纤维本身的力学性质，抗老化性能再好，但如果在实际拌合中，纤维不能良好的分散于混凝土中，混凝土不能形成各向同性，力学性能不能趋于均匀，就不能使结构充分发挥作用，如果混凝土中明显存在缠绕，结团的纤维则混凝土中加入纤维不但无益，反而有害。通过改良的制备工艺进行搅拌并添加分散剂，可以极大改善纤维混凝土结团现象，从而真正达到纤维对混凝土有利。
[0039]
本发明的纤维混凝土抵抗开裂机理如下：
[0040]
目前对于纤维混凝体的增韧机理有这样的解释，纤维在水泥基体出现第一条裂缝后，“如果纤维的拉出抵抗力大于出现第一条裂缝时的荷载”则它能承受更大的荷载。在裂开的截面上“水泥基体不能抗受任何拉伸”而纤维承担着这个复合材料上的全部荷载。随着复合材料上荷载的增大，纤维将通过粘结应力把附加的应力传递给水泥基体。如果这些粘结应力不超过粘结强度，水泥基体就会出现更多的裂缝。这种裂缝增多的过程将继续下去，直至或是纤维断掉或是粘结强度失效而导致纤维被拔出。
[0041]
根据线弹性断裂力学来说明纤维对混凝土裂缝发生和发展的约束作用，对于混凝土这类内部原来具有缺陷和裂纹的材料，其开裂强度可因混凝土内加入纤维后，混凝土的韧性增大、裂缝尺寸减小或裂缝尖端应力集中系数降低而得到提高。这就从理论上说明了掺入纤维能提高混凝土抗裂性能的原因。
[0042]
本发明的纤维混凝土抗冻融伤损机理如下：
[0043]
混凝土在水饱和状态下，在某一冻结温度时，毛细孔中水结冰，胶凝孔中水处于过冷状态。水结成冰，使混凝土发生膨胀；另外由于胶凝孔中处于过冷状态的水分子向压力毛细孔中冰的界面处渗透，于是在毛细孔中又产生一种渗透压力。由此可见处于饱和状态的混凝土受冻时，其毛细孔壁同时承受膨胀和渗透2种压力，当这2种压力超过混凝土的抗拉强度时混凝土就会开裂，反复冻融循环后，混凝土中的裂缝会相互贯通，其强度也会逐渐降低，最后甚至会完全丧失，使混凝土由表及里遭受破坏。混凝土中加入一定量均匀分布的聚丙烯纤维，纤维的存在能推迟冻融循环作用，使裂缝应力集中区向混凝土基体内部扩展，抑制混凝土早期塑性开裂及冻胀压力引起的裂纹，进而延缓冻融作用对混凝土性能的劣化。
[0044]
本发明提供的上述技术方案至少带来的有益效果：
[0045]
本发明提供了一种高抗开裂性纤维混凝土，通过在混凝土中加入聚丙烯纤维，增强混凝土的抗开裂性能以及混凝土的耐久性能，提高混凝土建筑物的抗开裂性能，以及提高混凝土在高寒地区抗冻融伤损的能力；相较于素混凝土，掺入纤维的混凝土抵抗开裂的能力提高了65％，抗冻融、抗氯离子渗透、抗碳化等能力均有一定程度的提高。
[0046]
针对纤维混凝土在实际制备中出现的结团问题，申请人提出一套创新性制备工艺，主要是“一改一限一新”。改就是改进纤维混凝土的搅拌工艺，限就是明确限制聚丙烯纤维掺量，新就是创新型分散剂的制备。
附图说明
[0047]
图1为本发明高抗开裂性纤维混凝土制备方法的流程图。
具体实施方式
[0048]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0049]
实施例中使用的聚丙烯纤维的各项物理参数如表1所示：
[0050]
表1
[0051]
项目特征参数项目特征参数密度0.9纤维长度16～19mm吸水率0弹性模量/mpa3500抗拉强度/mpa350～770耐酸碱性很好熔点/℃162分散性良好燃点/℃590安全性(对人体)良好
[0052]
实施例1
[0053]
一种高抗开裂性纤维混凝土，由包括以下重量份的组分制备得到：聚丙烯纤维6份、水135份、p.o 42.5水泥330份、砂550份、粒径为5-20mm的粗骨料380份、粒径为16-31.5mm的粗骨料910份、gh-6高效减水剂(引气型)6份、分散剂0.2份。其中聚丙烯纤维的加入量是混凝土湿体积的0.8％。
[0054]
其中分散剂为聚丙烯酸钠-丙烯醇溶液，其制备方法为：
[0055]
1)将亚硫酸氢钠和水按照1:25的体积比混合后搅拌溶解，加热至65℃，开始滴加丙烯酸和丙烯醇的混合物，得到第一混合溶液；
[0056]
其中丙烯酸和丙烯醇混合的体积比为1:3，丙烯酸和丙烯醇的混合物的加入量为亚硫酸氢钠和水的混合溶液的6体积％；
[0057]
2)向所述第一混合溶液中加入质量浓度为25％的过硫酸铵的水溶液，加入量为第一混合溶液体积分数的5％。滴加完毕后继续保温反应，90min后降温冷却至35℃，用氢氧化钠水溶液中和至ph值为7.5，即得到粘稠状低分子量的聚丙烯酸钠-丙烯醇溶液。
[0058]
纤维混凝土的制备过程流程图如图1所示，具体包括以下步骤：
[0059]
(1)将砂、粗骨料和水泥混合搅拌55s，得到第一混合物；
[0060]
(2)将水、减水剂和分散剂混合，得到混合溶液；
[0061]
(3)将所述混合溶液的2/3加入步骤(1)得到的第一混合物中，搅拌45s，然后加入聚丙烯纤维搅拌30s，检查是否存在结团，如存在则将其打散，得到第二混合物；
[0062]
(4)将剩下的1/3混合溶液加入第二混合物中，搅拌1min，得到所述纤维混凝土。
[0063]
对比例1
[0064]
使用普通市售分散剂(质量分数为30％的聚丙烯酸溶液)，且未加入聚丙烯纤维，其它原料和制备过程同实施例1。
[0065]
对比例2
[0066]
使用普通市售分散剂(质量分数为30％的聚丙烯酸溶液)，加入聚丙烯纤维，其它原料和制备过程同实施例1。
[0067]
所制得混凝土的性能测试结果如表2～4所示：
[0068]
表2混凝土抗压强度
[0069][0070]
表3混凝土抗折强度
[0071][0072]
表4抗裂措施下每25次冻融循环后试件的质量
[0073][0074]
上述测试结果表明，向纤维混凝土中添加分散剂后，能够使纤维均匀的分散到混凝土中，从而提升混凝土的力学性能。但是由于分散剂的对纤维表面的裹附，使得纤维与水泥、砂浆机体间的黏结强度稍许减弱。
[0075]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。