玄武岩和聚丙烯混杂纤维混凝土及制备方法与流程

本发明涉及的是一种改性混凝土，本发明也涉及的是一种改性混凝土的制备方法。具体地说是一种纤维改性混凝土及制备方法。

背景技术：

混凝土具有可塑性强、整体性好、耐火性好、价格低廉、能耗低等优点，砂、石等组成材料易于就地取材，且矿渣、粉煤灰等工业废渣可作为矿物添加剂替代部分水泥，有利于保护生态环境。然而，混凝土是一种抗拉强度很低的准脆性材料，组成成分也决定了它具有自重大、延性差等缺点，而且随着时间的推移，混凝土结构内部发生着材料老化和结构性能劣化，这个不可逆的过程将导致结构承载力下降，耐久性降低。

为克服混凝土的弱点，人们一直致力于混凝土的改性研究，采用纤维增强混凝土则是一种重要的解决途径。纤维的掺入，使混凝土的韧性、破坏方式、耐冲刷性、耐磨性等方面发生了明显的改善，然而耐久性及工程造价方面却存在很大限制。

公开号为CN1686906A、名称为《高性能混杂纤维增强混凝土》的专利文件所公开的技术方案中，所用的纤维为碳纤维、钢纤维，其中用碳纤维来提高强度不仅价格昂贵更难以适应工程上大量使用，钢纤维不仅存在易锈蚀的致命问题，而且用量大也间接提高了工程造价难以大量推广；公开号为CN102584137A、名称为《一种多元低弹模混杂纤维增强再生混凝土制备方法》的专利文件所公开的技术方案中，主要目的在于废物利用，对混凝土自身性能改善较小，所使用的低弹模纤维只能在混凝土硬化前期起到阻裂的效果，强度方面的贡献微小，耐久性方面的性能更是未提及。因此，从耐久性方面和工程造价方面考虑有必要对现有纤维混凝土做进一步改进。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种纤维用量少，价格便宜，能在满足强度要求的前提下提高混凝土的耐久性、降低工程造价的玄武岩和聚丙烯混杂纤维混凝土。本发明的目的还在于提供一种玄武岩和聚丙烯混杂纤维混凝土的制备方法。

本发明的玄武岩和聚丙烯混杂纤维混凝土是在混凝土基质中，掺有占混凝土基质重量0.1份～0.5份的玄武岩纤维、0.01份～0.08份的聚丙烯纤维。

所述混凝土基质的重量分数组成为水泥21份、水7份、砂子29份和石子43份。

所述玄武岩纤维为短切纤维，单丝直径9～22um，长度9～16mm，抗拉强度≥2000MPa，弹性模量≥85GPa，断裂伸长率≥2.5％。

所述聚丙烯纤维为单丝束状，单丝直径15～45um，长度3～12mm，吸湿率＜0.1％，断裂伸长率5％～20％。

本发明的玄武岩和聚丙烯混杂纤维混凝土的制备方法为：

(1)在常温下，将砂子和石子投入到搅拌机中搅拌60s；

(2)投入水泥并搅拌60s；

(3)将水加入搅拌机搅拌90s～120s，得到混凝土基质；

(4)预先将武岩纤维与聚丙烯纤维两种纤维混合并使两种纤维高度分散后，将其撒入步骤(3)所得混凝土基质中并搅拌120s，即得玄武岩和聚丙烯混杂纤维混凝土。

为了克服已有技术存在的不足和缺陷，本发明提供了一种玄武岩-聚丙烯混杂纤维混凝土及其制备方法。该种混凝土纤维用量少，价格便宜，纤维来源环保，在满足强度要求的前提下提高混凝土的耐久性，降低工程造价。玄武岩纤维是一种新型材料，它抗拉强度高、耐高温、耐酸碱性能强、热稳定性优越，与砂浆、混凝土的亲和力优良；聚丙烯纤维弹性好、耐腐蚀、质量轻，而且具有电绝缘性，将玄武岩纤维与聚丙烯纤维混杂制备的混凝土不仅能获得较好的力学性能，而且纤维的阻裂及架桥效果大大提高了混凝土的延性和韧性，耐久性优异，经济效益良好。该种混凝土较传统混凝土相比能更好的适应高温、高热、腐蚀等复杂环境，可广泛应用于道路、桥梁、房建、地下及海洋工程，大大扩展了混凝土应用范围。

本发明的有益效果是：

第一，纤维制造原料来源广泛，工艺简单，性能优异，价格低廉。玄武岩纤维是用玄武岩矿石经过高温熔融后快速拉制而成，它具有抗拉强度高、弹性模量大、耐高温、耐酸碱性能强和热稳定性优越等优点，玄武岩纤维与砂浆、混凝土的亲和力都具有明显的优点。聚丙烯纤维强度高、弹性好、耐磨、耐腐蚀、质量轻，而且具有电绝缘性。

第二，阻裂效果明显。低弹性模量的聚丙烯纤维分散在混凝土基体中，能充分发挥架桥作用，不仅能延缓第一条裂缝的出现，明显降低混凝土早期干燥收缩和开裂，而且能有效的抑制裂缝的进一步扩展。

第三，延性和韧性高。高弹性模量的玄武岩纤维使得混凝土劈裂抗拉强度和弯曲强度有明显的增加，混凝土表现出更高的极限承载力和更大的挠度。

第四，耐久性好。高弹性模量与低弹性模量纤维搭配，从不同尺度上改善了混凝土的性能，使其具有更好的抗冻性、抗氯离子渗透及抗硫酸盐侵蚀，并延缓了混凝土碳化，大大扩展了混凝土应用范围。

第五，经济效益好。低掺量的混合纤维就可以获得理想的力学性能及耐久性，减少了后期维修工作量，与普通混凝土相比工程造价并没有提高很多。

附图说明

图1a和图1b为受压破坏后试件形态。

图2a和图2b为劈裂抗拉试验完成后试件形态。

图3为纤维跨缝工作状态。

具体实施方式

本发明的玄武岩-聚丙烯混杂纤维混凝土，以C60混凝土为基质，混杂纤维为低掺量的玄武岩纤维和聚丙烯纤维组成。

按100份重量单位计算，由基质以下物质组成：水泥21份、水7份、砂子29份、石子43份，并掺入玄武岩纤维0.1份～0.5份、聚丙烯纤维0.01份～0.08份。所得到的玄武岩-聚丙烯混杂纤维混凝土中按混凝土总体积计算，玄武岩纤维不超过0.45％、聚丙烯纤维不超过0.2％。

以使混凝土获得良好的和易性为准适量加入减水剂。

对各组分材料的品质可以有如下的要求：

所述玄武岩纤维为短切纤维，单丝直径9～22um，长度9～16mm，抗拉强度≥2000MPa，弹性模量≥85GPa，断裂伸长率≥2.5％。

所述聚丙烯纤维为单丝束状，单丝直径15～45um，长度3～12mm，吸湿率＜0.1％，断裂伸长率5％～20％。

所述水泥为42.5的硅酸盐水泥。

所述砂子为中砂，细度模数为2.3～3.0。

所述石子为碎石，粒径为5～25mm。

所述减水剂为高效减水剂。

本发明的玄武岩-聚丙烯混杂纤维混凝土的制备方法按下列步骤实施：

(1)在常温下，将称量好的粗、细骨料投入搅拌机中搅拌60s；

(2)投入称量好的水泥并搅拌60s(若掺有硅灰，则将硅灰与水泥一起投入搅拌机)；

(3)将水加入搅拌机搅拌90s～120s(若掺有减水剂，则将减水剂倒入水中并充分搅拌后加入搅拌机)；

(4)预先将两种纤维混合保证纤维高度分散后，将其撒入步骤(3)所得产物并搅拌120s，即得到所需产物。

为了更加明确的阐述本发明，下面举实例来验证本发明的效果。

实施例1：

劈裂抗拉强度：本实施例涉及的具体配料和组分为：设计水灰比为0.32，水泥强度为42.5，共制作7组试件，其中1组不添加任何纤维作为对照组，6组混杂纤维混凝土作为试验组。

基体混凝土配合比：

劈裂抗拉强度测试采用ф150×300棱柱体试件，每组做3个试件共7组，试验分组及测试结果如下：

注：BF代表玄武岩纤维，PP代表聚丙烯纤维，0代表纤维体积掺量为0％，10、15、20、30、45分别代表纤维体积掺量为0.1％、0.15％、0.2％、0.3％和0.45％，下同。

从表中的试验数据可知，(1)与素混凝土相比较而言，添加纤维的混凝土劈裂抗拉强度都有不同程度的提高，且纤维对劈裂抗拉强度的增强效果明显；(2)素混凝土的劈裂抗拉强度为4.49MPa，BF15PP10组强度最大为4.81MPa，增长幅度7.13％。

实施例2：

抗折强度：本实施例涉及的具体配料和组分为：设计水灰比为0.32，水泥强度为42.5，共制作7组试件，其中1组不添加任何纤维作为对照组，6组混杂纤维混凝土作为试验组。

基体混凝土配合比同实施例1。

抗折强度测试采用100mm×100mm×400mm棱柱体试件，每组做3个试件共7组，试验分组及测试结果如下：

由以上结果分析可知，玄武岩-聚丙烯混杂纤维混凝土的抗折强度均比基体混凝土有所提高，最大可提高16.67％，混凝土表现出了很好的韧性。

实施例3：

抗冻性能：本实施例涉及的具体配料和组分为：设计水灰比为0.32，水泥强度为42.5，共制作7组试件，其中1组不添加任何纤维作为对照组，6组混杂纤维混凝土作为试验组。

基体混凝土配合比同实施例1。

抗冻性能测试采用100mm×100mm×400mm棱柱体试件做快速冻融循环，每组做3个试件共7组，试验分组及测试结果如下：

由以上结果分析可知，400次冻融循环结束后，普通混凝土相对动弹性模量损失20.78％，而玄武岩-聚丙烯混杂纤维混凝土损失都在5％以内；600次冻融循环后，普通混凝土已经被冻坏，而玄武岩-聚丙烯混杂纤维混凝土最大的一组损失才11％，可见纤维可以显著提高混凝土的抗冻耐久性。

实施例4：

冻融循环后的抗折性能：本实施例涉及的具体配料和组分为：设计水灰比为0.32，水泥强度为42.5，共制作7组试件，其中1组不添加任何纤维作为对照组，6组混杂纤维混凝土作为试验组。

基体混凝土配合比同实施例1。

冻融循环后的抗折性能测试采用100mm×100mm×400mm棱柱体试件，每组做3个试件共7组，试件经历600次冻融循环后进行力学试验，分组及测试结果如下：

由以上结果分析可知，经历600次冻融循环后，多数混杂纤维混凝土仍然具有很高的抗折强度，纤维可以有效缓解混凝土的劣化。

图1a和图1b是受压破坏后试件形态：

图1a为BF0PP0组，试件破坏后碎渣散落，脆性破坏明显；图1b为BF45PP20组，试件虽然已经破坏，但整体形态完整，表面无水泥浆体掉落，可见纤维阻裂和延性效果好。

图2a和图2b为劈裂抗拉试验完成后试件形态：

图2a为BF0PP0组，试件破坏后从中间裂成两半，脆性破坏明显；图2b为BF45PP20组，试件虽然已经破坏，但整体形态完整，出现多道裂缝消耗更多能量，表面无水泥浆体掉落，可见纤维阻裂和延性效果好。