CN108249854B - 一种海水搅拌的纤维增强水泥基超高延性混凝土及其制备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海水搅拌的纤维增强水泥基超高延性混凝土及其制备，所述的超高延性混凝土通过以下方法制成：(1)按配方将水泥、砂和粉煤灰加入搅拌机中，干粉搅拌2‑3min，充分混合均匀；(2)再继续加入减水剂和海水，浆体搅拌1‑2min；(3)接着加入增稠剂和聚乙烯纤维，充分搅拌2‑3min；(4)搅拌结束后，转移至模具，振捣1‑2min成型，养护，脱模，即制得目的产品。与现有技术相比，本发明超高延性混凝土具有强大的拉伸强度和延性，具有良好的微裂缝分布性能和耗能性能，其力学性能与采用淡水制备的超高性能混凝土相比没有明显差异，可以实现无钢筋的混凝土结构建造，适用于海岛建设等领域。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其是涉及一种海水搅拌的纤维增强水泥基超高延性混凝土及其制备。
背景技术
在未来的几十年内，我国势必会大量兴建民用及军用码头、海上机场、海上风力发电站、海上灯塔及雷达站、岛礁边防工事等基础设施，对混凝土的需求巨大。如果采用传统的钢筋混凝土进行岛礁建设，需要从内陆地区运输大量的水泥、淡水和砂石，除了影响施工工期，还会大幅地增加建造成本。事实上，海岛和沿海地区本身就拥有丰富的海水和海砂资源。如果可以利用海水和海砂配置混凝土，将会极大地降低岛礁的建设成本，提高建造效率。然而，使用海水、海砂制备混凝土会带来耐久性问题。主要的原因是海水、海砂中含有大量的氯化钠以及各种无机盐。这些盐类的存在会造成严重的钢筋锈蚀，导致混凝土使用寿命的降低。
随着短切纤维增强技术的引入，混凝土逐渐克服了受拉性能差、延性不足的缺点。据报道，钢纤维混凝土的拉伸延性为0.5％～1.0％，轴向拉伸强度介于3MPa～15MPa；经过特殊设计的聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)的抗拉强度约为3MPa～7MPa，拉伸极限应变约为2％～4％。因此，如果能采用海水制备无钢筋的UHDCC结构，那么困扰工程界多年的钢筋锈蚀(混凝土碳化、氯离子侵蚀等)问题也就不治而愈。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种海水搅拌的纤维增强水泥基超高延性混凝土及其制备，本发明产品具有能保持超高抗拉强度和延性的特点，具备良好的裂缝控制能力、耗能能力及耐久性，是一种可用于无筋建造的建筑材料，所以在海水环境下的钢筋的锈蚀问题，可以有效避免。本产品旨在解决现有水泥基材料脆性大、裂缝控制能力差和海水环境下钢筋锈蚀的耐久性差等技术问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种海水搅拌的纤维增强水泥基超高延性混凝土，包括以下重量份数的组分：水泥900-950份，砂400-450份，粉煤灰400-450份，减水剂2.5-4.5份，增稠剂0.5-1.5份，海水300-350份，聚乙烯纤维10-20份。
优选的，所述的水泥为复合硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥，其28天抗压强度≥52.5MPa，28天抗折强度≥7.0MPa，比表面积≥300m2/kg。限定水泥的用量，主要是出于超高延性混凝土材料的强度考虑，超出所限定的范围，会对超高延性混凝土材料的强度有一定的影响。
优选的，所述的砂为超细砂，其规格为70目-110目，最大粒径不超过0.25mm。限定砂的用量，主要是出于超高延性混凝土材料的强度考虑，超出所限定的范围，会对超高延性混凝土材料的强度有一定的影响。
优选的，所述的粉煤灰为一级粉煤灰，其比表面积≥700m2/kg，密度为2.6g/cm3。限定粉煤灰的用量，主要是出于超高延性混凝土材料的强度考虑，超出所限定的范围，会对超高延性混凝土材料的强度有一定的影响。
优选的，所述的海水为普通近海岸海水，其Cl-含量为10000～20000mg/L，盐度为20-30‰。限定海水的用量，主要是出于超高延性混凝土材料的强度以及制备工艺考虑，超出所限定的范围，会对超高延性混凝土材料的强度有一定的影响，海水过多材料强度降低，过少不宜搅拌。
优选的，所述的聚乙烯纤维的直径为30-45μm，长度为8-12mm，长径比＞200，断裂延伸率为2-3％，抗拉强度为2000-4000MPa。限定聚乙烯纤维的用量，主要是出于超高延性混凝土材料的强度和延性以及制备工艺考虑，超出所限定的范围，会对超高延性混凝土材料的强度和延性有一定的影响，过多不易搅拌，过少对水泥基的加强作用降低，会使材料的其强度和延性降低。
优选的，所述的减水剂为通用型聚羧酸减水剂，其固体含量为40-50％，减水率≥40％。限定减水剂的用量，主要是出于超高延性混凝土材料的制备工艺考虑，超出所限定的范围，会对超高延性混凝土材料的制备有一定的影响，过多会使浆体过稀，过少会使浆体过稠，均不利于纤维的分散。
优选的，所述的增稠剂为普通的淀粉醚增稠剂。限定增稠剂的用量，主要是出于超高延性混凝土材料的制备工艺考虑，超出所限定的范围，会对超高延性混凝土材料的流动性有一定的影响。
海水搅拌的纤维增强水泥基超高延性混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配方将水泥、砂和粉煤灰加入搅拌机中，干粉搅拌2-3min，充分混合均匀；
(2)再继续加入减水剂和海水，浆体搅拌1-2min；
(3)接着加入增稠剂和聚乙烯纤维，充分搅拌2-3min；
(4)搅拌结束后，转移至模具，振捣1-2min成型，养护，脱模，即制得目的产品。
优选的，步骤(4)中养护的温度为20-25℃，湿度为85-95％，养护至预定龄期。
本发明中添加的纤维的工作原理主要是与微裂缝的相互作用。纤维和微裂缝之间的相互作用很复杂，尤其是当纤维与裂缝存在倾斜角地穿过的情况，而由于纤维在砂浆基体中随机排列，这种情况是普遍的。然而，最重要最基本的支持应力-开裂响应的相互作用源自每个个体纤维在开裂时的脱开和滑动。如果纤维没有任何滑动，他们会断开，不会连系裂缝两边。但是如果滑动过大，与复合材料之间失去连系，微裂缝就失去了平面裂缝形状转而成为宏观裂缝。
在超高延性混凝土中，滑移并不只是单纯的摩擦过程，还包括了滑动硬化响应，意味着在滑动过程中，纤维和周围砂浆之间界面的滑动抵抗力会增加。这种纤维-基体界面的滑动硬化响应在单一纤维程度上决定了复合材料在细观上的具体应力-开裂关系，所以一定要严格控制。因此，非线性滑动硬化响应是精心设计的结果，使得纤维滑出基体材料而破坏。在滑动中，纤维表面被粗糙的基体通道“剥离”，由于滑动距离最长，最深处的纤维端经历了最大的破坏。这种剥离导致了对于剩下的连系的纤维的“膨胀”效应，使之与基体通道更紧实，从而需要更大的力才能拔出。
与一般研究者采用的PVA纤维不同的是，本发明采用的是聚乙烯纤维，相比于PVA纤维，PE纤维具有更高的强度和弹性模量。更重要的是，不同于PVA的亲水性，PE纤维具有憎水性，可以降低纤维与基体之间的化学粘结力，在拔出过程中，纤维不易断裂。同时，聚乙烯纤维在本发明中起到增韧混凝土基体的作用，使该混凝土能够产生连续细而密的裂缝，纤维直径、长径比、断裂强度以及断裂延伸率，一方面受到纤维生产厂家的技术工艺控制，另一方面由理论计算以及试验调配得到，纤维长径比过大，容易造成纤维拉断，长径比不足，容易造成纤维拔出，这两种情况均不能使混凝土产生联系的细密裂缝。
通过根据初裂强度准则和稳态开裂准则进行理论计算，使得两个应变硬化指标PSH(J′b/Jtip和σcu/σfc)应分别大于3和1.2，保证海水搅拌水泥基混凝土材料能够通过掺入体积分数2％左右的聚乙烯纤维，获得良好的稳态多裂缝发展，达到应变强化，大幅提高极限抗拉强度和抗拉延性的效果，并且通过适宜的组份微调和大量的试验，将抗压强度、抗拉强度、抗拉延性等力学性能与凝结时间、流动性等工作性能很好的结合，使得该纤维加强海水搅拌水泥基混凝土较传统的海水搅拌水泥基混凝土在早期抗拉强度、抗拉延性、抗压强度及后期强度有明显提升的情况下，还保证了足够的凝结时间和流动性。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)、在达到高抗拉强度的同时保持超高轴向拉伸延性，龄期为28d时，抗拉强度超过8MPa，轴向拉伸延伸率超过6％，为现有UHPC材料的10倍延伸率以上，接近钢材延性。
(2)、具有良好的微裂缝分布性能以及良好的耗能性能。
(3)、制备方法简单，原料来源广泛，经济成本低，适用于大规模工业建筑应用，利用海水作为搅拌用水，环保绿色。
附图说明
图1为本发明的超高延性混凝土的单向拉伸应力应变图。
具体实施方式
一种海水搅拌的纤维增强水泥基超高延性混凝土，包括以下重量份数的组分：水泥900-950份，砂400-450份，粉煤灰400-450份，减水剂2.5-4.5份，增稠剂0.5-1.5份，海水300-350份，聚乙烯纤维10-20份。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的水泥为复合硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥，其28天抗压强度≥52.5MPa，28天抗折强度≥7.0MPa，比表面积≥300m2/kg。限定水泥的用量，主要是出于超高延性混凝土材料的强度考虑，超出所限定的范围，会对超高延性混凝土材料的强度有一定的影响。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的砂为超细砂，其规格为70目-110目，最大粒径不超过0.25mm。限定砂的用量，主要是出于超高延性混凝土材料的强度考虑，超出所限定的范围，会对超高延性混凝土材料的强度有一定的影响。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的粉煤灰为一级粉煤灰，其比表面积≥700m2/kg，密度为2.6g/cm3。限定粉煤灰的用量，主要是出于超高延性混凝土材料的强度考虑，超出所限定的范围，会对超高延性混凝土材料的强度有一定的影响。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的海水为普通近海岸海水，其Cl-含量为10000～20000mg/L，盐度为20-30‰。限定海水的用量，主要是出于超高延性混凝土材料的强度以及制备工艺考虑，超出所限定的范围，会对超高延性混凝土材料的强度有一定的影响，海水过多材料强度降低，过少不宜搅拌。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的聚乙烯纤维的直径为30-45μm，长度为8-12mm，长径比＞200，断裂延伸率为2-3％，抗拉强度为2000-4000MPa。限定聚乙烯纤维的用量，主要是出于超高延性混凝土材料的强度和延性以及制备工艺考虑，超出所限定的范围，会对超高延性混凝土材料的强度和延性有一定的影响，过多不易搅拌，过少对水泥基的加强作用降低，会使材料的其强度和延性降低。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的减水剂为通用型聚羧酸减水剂，其固体含量为40-50％，减水率≥40％。限定减水剂的用量，主要是出于超高延性混凝土材料的制备工艺考虑，超出所限定的范围，会对超高延性混凝土材料的制备有一定的影响，过多会使浆体过稀，过少会使浆体过稠，均不利于纤维的分散。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的增稠剂为普通的淀粉醚增稠剂。限定增稠剂的用量，主要是出于超高延性混凝土材料的制备工艺考虑，超出所限定的范围，会对超高延性混凝土材料的流动性有一定的影响。
海水搅拌的纤维增强水泥基超高延性混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配方将水泥、砂和粉煤灰加入搅拌机中，干粉搅拌2-3min，充分混合均匀；
(2)再继续加入减水剂和海水，浆体搅拌1-2min；
(3)接着加入增稠剂和聚乙烯纤维，充分搅拌2-3min；
(4)搅拌结束后，转移至模具，振捣1-2min成型，养护，脱模，即制得目的产品。
作为本发明的一种优选的实施方式，步骤(4)中养护的温度为20-25℃，湿度为85-95％，养护至预定龄期。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
下述各实施例中所使用的材料如非特指，均为本领域常用工质的市售化工原料。
实施例1
本实施例中制备的海水搅拌的纤维增强水泥基超高延性混凝土的原料为：P.O.52.5普通硅酸盐水泥、一级粉煤灰、砂、减水剂、增稠剂、海水以及聚乙烯纤维，其中，表1中聚乙烯纤维长度为12mm，长径比为400。具体配方如表1所示，表中各部分为重量份含量。
表1实施例1产品配方
| 标号 | 水泥 | 砂 | 粉煤灰 | 增稠剂 | 减水剂 | 水 | 聚乙烯纤维 |
| 1 | 930 | 400 | 400 | 1 | 4 | 330.0 | 20 |
具体制备过程如下：
(1)将水泥、砂和粉煤灰加入搅拌机中，干粉搅拌2-3min，充分混合均匀；
(2)将减水剂、海水加入搅拌机中，浆体搅拌1-2min，充分搅拌均匀；
(3)加入增稠剂、聚乙烯纤维，充分搅拌2-3min；
(4)待搅拌结束后，转移至模具中，振捣1-2min成型，进行养护，养护至指定龄期脱模，得到产品。
制得的产品的力学性能结果如表2所示。
表2实施例1产品力学性能试验测试结果
| 龄期 | 极限拉伸强度MPa | 拉伸应变％ |
| 28d | 8.88 | 6.14 |
图1为例1龄期为28d的单向拉伸应力-应变图；从图中可以发现开始加载后，力传感器的读数迅速增加，而引伸计读数则增长缓慢。当荷载达到1kN到1.5kN左右时，试件上出现第一条裂缝，荷载随之出现小幅下降，此时裂缝处的桥接纤维开始发挥作用，提高了截面的承载能力，使裂缝宽度逐渐趋于稳定。随着荷载的增加，试件表面逐渐出现细密的裂缝，荷载位移曲线则在波动中不断上升。当达到极限应力时，控制裂缝出现并达到截面桥接力的极限，该裂缝的宽度开始逐渐增加，试件承载力缓慢降低，这个阶段可以听到纤维被拉断的声音。最后试件完全被拉断，彻底破坏，不过这一过程也是缓慢发生的，不会发生突然拉断的情况。
实施例2-5
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了的产品配方相应调整为：
表3实施例2-实施例5的产品配方
| 标号 | 水泥 | 砂 | 粉煤灰 | 增稠剂 | 减水剂 | 海水 | 聚乙烯纤维 |
| 实施例2 | 900 | 420 | 420 | 0.5 | 2.5 | 300 | 10 |
| 实施例3 | 950 | 450 | 450 | 1.5 | 4.5 | 350 | 15 |
| 实施例4 | 910 | 430 | 430 | 1.2 | 3 | 310 | 11 |
| 实施例5 | 920 | 440 | 410 | 0.8 | 3.5 | 340 | 18 |
对比例1-3
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了其产品配方相应调整为：
表4对比例1-3的产品配方
| 标号 | 水泥 | 砂 | 粉煤灰 | 增稠剂 | 减水剂 | 海水 | 聚乙烯纤维 |
| 对比例1 | 930 | 400 | 400 | 1 | 4 | 330.0 | 0 |
| 对比例2 | 930 | 400 | 400 | 1 | 4 | 330.0 | 5 |
| 对比例3 | 930 | 400 | 400 | 1 | 4 | 330.0 | 35 |
根据上述配方采用实施例1中的制备方法制成产品，其力学性能结果如下表4所示。
表5对比例1-3产品力学性能试验测试结果
| 编号 | 龄期 | 极限拉伸强度MPa | 拉伸应变％ |
| 对比例1 | 28d | 1.5 | 0.04 |
| 对比例2 | 28d | 2.5 | 3.5 |
| 对比例3 | 28d | -(无法搅拌) | - |
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种海水搅拌的纤维增强水泥基超高延性混凝土，其特征在于，包括以下重量份数的组分：水泥900-950份，砂400-450份，粉煤灰400-450份，减水剂2.5-4.5份，增稠剂0.5-1.5份，海水300-350份，聚乙烯纤维10-20份；
所述的聚乙烯纤维的直径为30-45μm，长度为8-12mm，长径比＞200，断裂延伸率为2-3％，抗拉强度为2000-4000MPa；
所述的水泥为复合硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥，其28天抗压强度≥52.5MPa，28天抗折强度≥7.0MPa，比表面积≥300m2/kg；
所述的砂为超细砂，其规格为70目-110目，最大粒径不超过0.25mm；
所述的粉煤灰为一级粉煤灰，其比表面积≥700m2/kg，密度为2.6g/cm3；
所述的减水剂为通用型聚羧酸减水剂，其固体含量为40-50％，减水率≥40％。
2.根据权利要求1所述的一种海水搅拌的纤维增强水泥基超高延性混凝土，其特征在于，所述的海水为普通近海岸海水，其Cl-含量为10000～20000mg/L，盐度为20-30‰。
3.根据权利要求1所述的一种海水搅拌的纤维增强水泥基超高延性混凝土，其特征在于，所述的增稠剂为普通的淀粉醚增稠剂。
4.如权利要求1-3任一所述的海水搅拌的纤维增强水泥基超高延性混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按配方将水泥、砂和粉煤灰加入搅拌机中，干粉搅拌2-3min，充分混合均匀；
(2)再继续加入减水剂和海水，浆体搅拌1-2min；
(3)接着加入增稠剂和聚乙烯纤维，充分搅拌2-3min；
(4)搅拌结束后，转移至模具，振捣1-2min成型，养护，脱模，即制得目的产品。
5.根据权利要求4所述的海水搅拌的纤维增强水泥基超高延性混凝土的制备方法，其特征在于，步骤(4)中养护的温度为20-25℃，湿度为85-95％，养护至预定龄期。
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