纤维增强混凝土的制作方法

本发明涉及一种纤维增强混凝土，更具体地，涉及一种纤维是由回收轮胎获得的聚合纤维的纤维增强混凝土。

背景技术：

与一些其它建筑材料(例如，金属和聚合物)相比，混凝土明显更脆，并显示出较差的拉伸强度。混凝土可能在材料中和界面处都携带有缺陷和微裂纹，甚至在施加外部载荷之前。这些缺陷和微裂纹可能源于多余的水、渗漏、塑性沉降、热和收缩应变，以及由外部约束施加的应力集中。在施加的载荷下，分布的微裂纹可以蔓延、聚结和自我调整，以产生宏观裂纹。当载荷进一步增加时，在宏观裂纹的末端达到临界裂纹生长条件，并且可能促成不稳定和灾难性故障。在疲劳载荷下，混凝土可能容易破裂，并且裂纹可能产生有害动因的通路，这可能导致早期饱和、冻融破坏、结垢、变色和钢腐蚀。

可以通过添加各种合适材料的短的、随机分布的纤维来有利地修改上述微破裂和宏观破裂过程。纤维不仅可以抑制裂纹的形成，也可以减弱裂纹的蔓延和生长。所得的材料，被称为“纤维增强混凝土”，正在迅速成为广为接受的主流建筑材料。

在硬化状态下，当纤维被妥当粘合时，纤维与混凝土基体在微裂纹的水平相互作用并有效弥合这些裂纹，从而提供延迟裂纹聚结和不稳定生长的应力传递介质。然而，如果纤维体积分数足够高，则这可能导致基体的拉伸强度增加超过折弯点(BOP)。

纤维增强混凝土可以分为两大类，即正常性能纤维增强混凝土和高性能纤维增强混凝土。在正常性能纤维增强混凝土中，纤维具有低到中等体积分数，这些纤维不能增强混凝土的拉伸/弯曲强度，纤维增强的好处仅限于减少塑性收缩破裂控制或加强后破裂模式中的能量吸收。在高性能纤维增强混凝土中，纤维具有高体积分数，注意到纤维增强的好处在于增加的拉伸强度、定位前的应变硬化响应和超越破裂定位的加强“韧性”。Banthia,N.和Sheng,J.在Fracture Toughness of Micro-Fiber Reinforced Cement Composites,Cement and Concrete Composites,18:pp.251-269；1996中公开了可以期望纤维产生拉伸/弯曲强度增加的纤维体积分数，如下所示：

其中，τ_fu是界面的平均界面粘合强度，σ_mu是混凝土基体的拉伸强度，l_f是纤维长度，d_f是纤维直径，λ₁,λ₂,λ₃是分别与长度、方向和分组相关的效率因子，α₁和α₂是与混凝土未破裂状态有关的常数。公式1示出：如果对于给定的纤维增强混凝土，超过临界体积分数，则纤维增强混凝土将描绘应变硬化和显示多个裂纹。

在具有纤维体积分数高于临界体积分数的纤维增强混凝土中，在弯折点之后，预期会发生多个裂纹，并且预期混凝土在长度由下面的公式2给出的x和2x(其中，x是转移)长度之间的片段中破裂。

然而，由于纤维控制裂纹生长和提供裂纹尖端增韧的优异能力，混凝土的疲劳性能可以通过具有适当纤维体积分数和纤维分布的纤维增强显著加强。由于纤维增强，扩散和渗透性都可以被控制，并且可以延迟腐蚀。

2007年9月11日授予Pilakoutas等人的美国专利7,267,873公开了设置有可以从回收轮胎获得的直径在0.05mm和0.3mm之间的薄钢纤维的纤维增强混凝土。建议两种替代方案以避免当将纤维混入混凝土中时的结成团块的问题。第一种方案包括使用表现出优异的粘结特性的纤维束。第二种方案包括使用长度和厚度在宽分布1/d比率不超过250情况下的纤维混合物，其具有减少结成团块趋势的效果，从而能够达到有效的密度。

然而，仍然需要改进的纤维增强混凝土的附加剂和混合技术。还仍然需要充分了解使用中的附加剂性能并优化这些复合材料以提高持久性和耐久性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种纤维增强混凝土，其中，所述纤维是从回收的车辆轮胎获得的聚合纤维。

因此，提供一种包含聚合纤维的水泥基混合物。聚合纤维可以从回收的车辆轮胎来获得。水泥基混合物可以包含占水泥质量0.1％和1.0％之间的聚合纤维。水泥基混合物可以包含占水泥质量大约0.4％的聚合纤维。水泥基混合物可以是砂浆或混凝土。聚合纤维可以是聚对苯二甲酸乙二酯。

聚合纤维可以通过使用重力方法分离聚合纤维来获得。聚合纤维可以通过使用溶剂分离聚合纤维来获得。可以通过将水泥基混合物吹入混凝土混合器，将聚合纤维添加到水泥基混合物。

可以通过使用精细水泥；使用选自包括羧甲基纤维素，硅灰和磨细高炉矿渣的分散剂组的分散剂；使用以非常高的速度旋转的高剪切混合器；和/或使用组分以特定顺序被引入混合器中以获得更好的纤维分散并使聚合纤维的缠结最小化的特别批处理序列，将聚合纤维分散在水泥基混合物中。

附图说明

根据下列仅由示例的方法给出的实施例的描述，参考附图，本发明将会更容易理解，其中：

图1是通过回收轮胎获得的废轮胎纤维绒毛的照片；

图2包含图1的废轮胎绒毛的扫描电子显微镜图像；

图3是示出废轮胎纤维绒毛的主要有机成分是聚对苯二甲酸乙二酯的图表；

图4是用于测试纤维增强砂浆的塑性收缩破裂的基底的透视图；

图5是用于测试纤维增强砂浆的塑性收缩破裂的具有纤维增强砂浆覆盖的基底的透视图；

图6是示出包含废轮胎纤维绒毛(STF)或市售原始聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的纤维增强砂浆中的最大裂纹宽度的图表；

图7是示出包含废轮胎纤维绒毛(STF)或市售原始聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的纤维增强砂浆的裂纹宽度百分比减少的图表；

图8是示出包含废轮胎纤维绒毛(STF)或市售原始聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的纤维增强砂浆中试样的总裂纹面积的图表；以及

图9是示出包含废轮胎纤维绒毛(STF)或市售原始聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的纤维增强砂浆中的总裂纹面积百分比减少的图表。

具体实施方式

从回收轮胎获得的聚合纤维用作混凝土增强物。预期这种纤维控制收缩破裂，减轻聚结的微裂纹，并加强延展性、韧性、耐冲击性和耐疲劳度。由于它们对裂纹成核与生长的高抵抗性，这种纤维可以降低混凝土的渗透性并防止有害动因的进入，从而潜在地延迟材料降解和钢腐蚀。

图1示出位于加拿大不列颠哥伦比亚省德尔塔克里维登大道969号V3M 5R6(969Cliveden Avenue,Delta,British Columbia,Canada V3M 5R6)的西方橡胶制品有限公司(Western Rubber Products Ltd.)使用常规回收方法从汽车轮胎获得的废轮胎纤维绒毛。当轮胎被回收时，它们通常被切割和转换为连续越来越小的尺寸的碎橡胶。切削工具的磨损可能产生空气传播的聚合纤维，然后其被收集并装袋。这些聚合物纤维通常包括聚酯、人造丝、尼龙等。通过使用重力方法或溶剂将聚合纤维与杂质(诸如碎橡胶)分离。

废轮胎纤维绒毛通常包含在回收过程中没有从聚合纤维中分离的微量的碎橡胶颗粒和钢纤维。图2示出具有粘附的碎橡胶颗粒的废轮胎纤维绒毛和一些纤维的表面损伤的扫描电子显微镜(SEM)图像。图3示出根据ASTM(1998)废轮胎纤维绒毛的主要有机成分被确定为聚对苯二甲酸乙二酯，即聚酯。下面的表1示出与用于混凝土增强的市售原始聚对苯二甲酸乙二酯纤维相比较的废轮胎纤维绒毛的一些物理性能。

表1-纤维性能

以恒定为0.50的水灰比和砂灰比制备包含占水泥质量0.1％、0.2％、0.3％和0.4％的废轮胎纤维绒毛或市售原始聚对苯二甲酸乙二酯纤维的砂浆混合物。使用羧基丙烯酸酯共聚物作为高效减水剂并使用机械搅拌器，将废轮胎纤维绒毛或市售原始聚对苯二甲酸乙二酯首先分散在混合水中。然后，将水泥和细骨料依次添加到废轮胎纤维绒毛或市售原始聚对苯二甲酸乙二酯悬浮液中。使用普通硅酸盐水泥，并且细骨料是比重为2.65的天然砂。砂浆混合物使用Hobart^TM混合物制备，总混合时间是六分钟。下面的表2示出用于覆盖物和基底的砂浆混合物，以测试在包含废轮胎纤维绒毛或市售原始聚对苯二甲酸乙二酯纤维的砂浆中收缩引起的破裂。

表2-覆盖物和基底的质量混合比例

在沙浆混合物中塑性收缩引起的破裂使用不列颠哥伦比亚大学开发的一种方法进行测试，该方法在下列文献中被披露：

Banthia,N.,Yan,C.,and Mindess,S.,Restrained Shrinkage Cracking in Fiber Reinforced Concrete:A Novel Test Technique,Cement and Concrete Research,26(1),1996,pp.9-14；

Banthia,N.and Campbell,K.Restrained Shrinkage Cracking in Bonded Fiber Reinforced Shotcrete,RILEM-Proc.35,The lnterfacial Transition Zone in Cementitious Composites,Eds.Katz,Bentur,Alexander and Arligui,E and F N.Spon,1998,pp.216-223；

Banthia,N.and Gupta,P.,Repairing with Fiber Reinforced Concrete Repairs,ACI Concrete International,28(11),Nov 2006,pp.36-40；

Banthia,N.and Gupta,R.,Influence of Polypropylene Fiber Geometry on Plastic Shrinkage Cracking in Concrete,Cement and Concrete Research,36(7),July 2006,pp.1263-1267.

上述参考文献的全部公开内容通过引用并入本文。

图4示出示例性硬化基底，其被用于测试砂浆混合物中塑性收缩引起的破裂。基底根据上文表2中提供的混合比例铸造。基底由塑料膜覆盖二十四小时，然后转移到具有饱和石灰水的水箱中并储存至少六十天。然后，基底用于测试在使用表2提供的砂浆混合物铸造的砂浆中收缩引起的破裂。此示例中使用的基底尺寸为40mm x 95mm x 325mm，并且在其平面上有多个基本半圆形凸起。半圆形凸起的直径为18.5mm。当按照ASTM C 39测试时基底有89MPa的耐压强度。

图5示出具有砂浆混合物的覆盖物的基底。基底的凸起加强了基底的粗糙度，并在砂浆混合物的覆盖物上施加均匀的约束。新鲜砂浆混合物的覆盖物被直接放在硬化基底上。基底和砂浆混合物的覆盖物置于干燥环境中以测试塑性收缩引起的破裂。砂浆混合物用于测试塑性收缩引起的破裂，因为砂浆中的破裂比混凝土中的破裂更为显著，并且纤维增强效果更为明显。本领域的普通技术人员将理解，沙浆混合物中的塑性收缩引起的破裂是包括废轮胎纤维绒毛或市售原始聚对苯二甲酸乙二酯纤维的混凝土和其它基于水泥的混合物中预期的塑料收缩引起的破裂的指示。

使用以下程序制备具有包含废轮胎纤维绒毛或市售原始聚对苯二甲酸乙二酯纤维的表2的砂浆混合物的每一个的覆盖物的基底的三个样品。将固化的、空气干燥的基底放置在测量为100mm×100mm×375mm的聚氯乙烯(PVC)模具中。然后，将60mm深的包含废轮胎纤维绒毛或市售原始聚对苯二甲酸乙二酯纤维的砂浆混合物的覆盖物倾倒在基底上并用泥刀完成。然后，将基底和覆盖物转移到环境室中，并在两小时后脱模以增加暴露干燥的表面积。将样品在环境室中再放置二十小时，之后在覆盖物中形成裂纹图案。还使用类似的方法制备包含不具有废轮胎纤维绒毛或市售原始聚对苯二甲酸乙二酯纤维的覆盖物的参考样品。

在测试中使用尺寸为1705mm x 1705mm x 380mm的环境室。环境室设置有能够调节和监测环境室内的条件的温度探针和湿度探针。三个加热器鼓风机单元(240伏，4800瓦，具有1/30HP，1550RPM内部电风扇)向环境室供应热空气。这些单元又由温度探针控制，以在环境室中保持恒定的温度。允许热空气通过三个240mm x 175mm的开口逸出该室。保持50℃±1℃的温度以及大约5％的相对湿度。在这些条件下，在试样位置处测量0.80kg/m²/h的近似表面蒸发速率。同时测试给定覆盖物混合物的三个样品。

在环境室中在二十四小时后表征在砂浆覆盖物上形成的裂纹。使用精度为0.01mm的高倍显微镜进行裂纹表征。使用具有0.001mm的测量精度的图像分析软件评估裂纹宽度和长度。除了记录在给定样品中观察到的最大裂纹宽度之外，对于每个裂纹，在若干位置测量宽度并平均。基于这些宽度和长度测量，确定参考砂浆和包含废轮胎纤维绒毛或市售原始聚对苯二甲酸乙二酯纤维的砂浆的最大裂纹宽度和总裂纹面积。发现在沙浆混合物中包含废轮胎纤维绒毛或市售原始聚对苯二甲酸乙二酯纤维显著减少收缩破裂。

图6示出包含废轮胎纤维绒毛或市售原始聚对苯二甲酸乙二酯纤维的样品无一具有宽度大于0.7mm的裂纹。图7示出对于包含0.1％-0.3％市售原始聚对苯二甲酸乙二酯纤维的样品，与参考砂浆相比，最大裂纹宽度的减少范围在86.4％至93.2％，对于包含0.1-0.4％废轮胎纤维绒毛的样品，与参考混合物相比，最大裂纹宽度的减少分别为52.7％，68.2％，72.4％和92.7％。图8示出样品的总裂纹面积，并表明废轮胎纤维绒毛或市售原始聚对苯二甲酸乙二酯纤维在减少塑性收缩破裂中非常有效。图9示出将0.1％-0.4％的废轮胎纤维绒毛添加到砂浆混合物中引起总裂纹面积减少约74％-97.5％，而包含0.1％-0.3％的市售原始聚对苯二甲酸乙二酯纤维的样品的总裂纹面积的减少从96变化至99.4％。从图7和图9所示的值来看，最佳市售原始聚对苯二甲酸乙二酯纤维含量为0.2％，而最佳废轮胎纤维绒毛含量为0.4％。总体来看，0.4％的废轮胎纤维绒毛可以用于实现相当于0.3％的市售原始聚对苯二甲酸乙二酯纤维的性能。

进一步可以认为在回收轮胎时分离聚合纤维的方法，诸如使用碎屑和聚合纤维之间的不同密度的重力法，或使用溶剂从纤维表面去除附着的碎屑的溶解分离，将产生适于增强混凝土的聚合纤维。也可以看出将聚合纤维添加到混凝土中的方法将导致更好的纤维分散。鉴于聚合纤维的高比表面积和它们预期具有的高度缠结形式，预期通过常规方法的混合是不合适的。当聚合纤维被添加时会趋向结成团块和非均匀分散。

为了适当混合，认为必须在混凝土基体中有适当的纤维输送以及适当的纤维混合与分散。混凝土基体中的纤维输送可以通过向混凝土混合器中吹入纤维来实现。聚合纤维可能需要机械搅拌以在吹入之前分离。

纤维混合与分散可以通过使用下列技术实现：

使用更精细的水泥；

使用适当的分散剂，例如，羧甲基纤维素、硅灰、磨细高炉矿渣；

使用专用型混合器，例如，以非常高的速度旋转的高剪切混合器；和/或

使用组分以特定顺序被引入混合器中以获得更好的纤维分散并使聚合纤维的缠结最小化的特别批处理序列。

进一步可以认为，对于涉及化学和矿物附加剂的使用的混合物改性，可以获得比无纤维混凝土具有更好的耐用性和抗裂性的混合物。这种纤维增强混凝土，除了其较低的碳足迹之外，还可以描绘出更好的裂纹控制、改善的能量吸收能力、加强的抗冲击性和更好的耐疲劳性。进一步可以看出，使用专门的混合技术(诸如高剪切混合)和混合比例的适当改变，高达水泥质量1％的纤维含量不应在混合程度和纤维分散中造成问题。

本领域技术人员将理解，上面提供的诸多细节仅是示例性的方法，并非意在限制本发明的范围，本发明的范围将参照权利要求确定。