一种回收纤维增强复合材料增韧混凝土及制备方法与应用

1.本发明属于建筑材料技术领域，特别涉及一种回收纤维增强复合材料增韧混凝土及制备方法与应用。


背景技术：

2.纤维增强复合材料(frp)由于其强度高、质量轻、耐久性能好等优异性能被广泛应用。其中，碳纤维增强复合材料(cfrp)被广泛应用于汽车、航空航天、运动器材和风能等多个领域。玻璃纤维增强复合材料(gfrp)同样广泛应用于建筑、交通、电子、电气、化工、冶金、环境保护、国防等多个行业。随着frp制品的广泛应用，大量的frp制品达到使用寿命后，将被废弃并等待处理。现有frp产品达到使用寿命后直接丢弃，会造成严重的资源浪费、污染环境以及大量土地资源被占用与浪费。因此，回收利用回收纤维增强复合材料具有重要意义与应用前景。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种回收纤维增强复合材料增韧混凝土及制备方法与应用，旨在解决纤维增强复合材料达到使用寿命后直接丢弃，造成严重的资源浪费、污染环境以及大量土地资源被占用的问题。
4.一种回收纤维增强复合材料增韧混凝土，其中，按重量份计，由包括以下组分制备而成：水泥500
‑
600份，粗骨料1000
‑
1200份，砂500
‑
650份，回收纤维增强复合材料5
‑
30份，减水剂0
‑
3份，水200
‑
250份；
5.所述条状回收纤维增强复合材料为达到使用寿命后的纤维增强复合材料经过机械切割成型的条状材料。
6.所述回收纤维增强复合材料增韧混凝土，其中，按重量份计，由包括以下组分制备而成：水泥530
‑
560份，粗骨料1020
‑
1100份，砂530
‑
590份，条状回收纤维增强复合材料8
‑
16份，减水剂1
‑
2份，水210
‑
230份。
7.所述回收纤维增强复合材料增韧混凝土，其中，所述条状回收纤维增强复合材料为长度10
‑
100mm，宽度1
‑
5mm，厚度0.1
‑
1mm的条状回收纤维增强复合材料。
8.所述回收纤维增强复合材料增韧混凝土，其中，所述水泥为强度等级在p.o 32.5
‑
52.5r之间的硅酸盐水泥。
9.所述回收纤维增强复合材料增韧混凝土，其中，所述减水剂为减水率30％
‑
45％的减水剂。
10.所述回收纤维增强复合材料增韧混凝土，其中，所述粗骨料的粒径在4.75
‑
19mm之间。
11.所述回收纤维增强复合材料增韧混凝土，其中，所述砂为天然砂。
12.所述的回收纤维增强复合材料，其中，所述条状回收纤维增强复合材料是由纤维增强复合材料板材或纤维增强复合材料片材切割而成。
13.一种如上所述的回收纤维增强复合材料增韧混凝土的制备方法，其中，包括如下步骤：
14.将粗骨料、砂和水泥搅拌均匀得到干料；
15.将减水剂加入水中混合均匀形成混合液；
16.将部分混合液加入所述干料中，得到流动浆体；
17.将条状回收纤维增强复合材料加入所述流动浆体中，搅拌均匀，再加入剩余的所述混合液，制备得到回收纤维增强复合材料增韧混凝土。
18.一种将如上所述回收纤维增强复合材料增韧混凝土作为抗震材料的应用。
19.有益效果：本发明采用条状回收纤维增强复合材料，能有效避免纤维增强复合材料在混凝土中出现团聚现象，也能有效利用纤维增强复合材料的强度，实现所述回收纤维增强复合材料增韧混凝土具有较好的抗弯性能、延性和抗冲击性能，在抗震结构和防撞结构等工程中有着广泛的应用前景。
附图说明
20.图1为本发明一个实施例所述回收纤维增强复合材料增韧混凝土的结构示意图。图1中，1
‑
混凝土本体；2
‑
条状回收纤维增强复合材料。
具体实施方式
21.本发明提供一种回收纤维增强复合材料增韧混凝土及制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
22.现有frp产品达到使用寿命后直接丢弃，会造成严重的资源浪费、污染环境以及大量土地资源被占用与浪费。如能将废弃frp重新利用，则可极大地实现资源的可持续利用。因此，本发明提出在混凝土中添加回收的短切frp纤维，不但能提升混凝土的力学性能，也能实现资源再利用，减轻环境污染。
23.而且，发明人在研究过程还发现：条状纤维相较于传统丝状纤维更不容易发生团聚，这是因为丝状纤维更容易纠结成一团，且传统丝状纤维在搅拌过程中会因吸水而产生粘聚。
24.如图1所示，本发明提供一种回收纤维增强复合材料增韧混凝土，其中，包括：具有预设形状的混凝土本体1、设置在所述混凝土本体1内部的条状回收纤维增强复合材料2；
25.所述条状回收纤维增强复合材料为达到使用寿命后的纤维增强复合材料经过机械切割成型的条状材料。
26.本发明将条状回收纤维增强复合材料2设置在所述混凝土本体1中，能够实现所述回收纤维增强复合材料增韧混凝土具有较好的抗弯性能、延性和抗冲击性能，在抗震结构和防撞结构等工程中有着广泛的应用前景。
27.本发明所述回收纤维增强复合材料增韧混凝土，其中，按重量份计，由包括以下组分制备而成：水泥500
‑
600份，粗骨料1000
‑
1200份，砂500
‑
650份，条状回收纤维增强复合材料5
‑
30份，减水剂0
‑
3份，水200
‑
250份；
28.所述条状回收纤维增强复合材料为达到使用寿命后的纤维增强复合材料经过机
械切割成型的条状材料。
29.本发明采用条状回收纤维增强复合材料，相较于丝状纤维，能有效避免纤维增强复合材料在混凝土中出现团聚现象，也能有效利用纤维增强复合材料的强度，实现所述回收纤维增强复合材料增韧混凝土具有较好的抗弯性能、延性和抗冲击性能，在抗震结构和防撞结构等工程中有着广泛的应用前景。
30.在本发明的一些实施方式中，按重量份计，由包括以下组分制备而成：水泥530
‑
560份，粗骨料1020
‑
1100份，砂530
‑
590份，条状回收纤维增强复合材料8
‑
16份，减水剂1
‑
2份，水210
‑
230份。所述条状回收纤维增强复合材料的含量过低，不能有效提高回收纤维增强复合材料增韧混凝土的抗弯性能、延性和抗冲击性能。所述条状回收纤维增强复合材料的含量过高，可能会引起制备过程中流动浆体的流动性降低。可选地，按重量份计，由包括以下组分制备而成：水泥550份，粗骨料1050份，砂560份，条状回收纤维增强复合材料12份，减水剂1.5份，水220份。
31.本发明所述条状回收纤维增强复合材料是一种外形为长条形的回收纤维增强复合材料，可以避免在混凝土中出现团聚现象，也能有效利用纤维增强复合材料的强度。试验表明，非长条形的回收纤维增强复合材料会在混凝土中出现团聚现象，而且难以提高回收纤维增强复合材料增韧混凝土的抗弯性能、延性和抗冲击性能。进一步地，当采用长宽比大于2且长宽比大于10的条形的回收纤维增强复合材料可以明显降低回收纤维增强复合材料会在混凝土中出现团聚现象，并改善回收纤维增强复合材料增韧混凝土的抗弯性能、延性和抗冲击性能。
32.换句话说，所述混凝土本体1由包括以下组分制备而成：水泥530
‑
560份，粗骨料1020
‑
1100份，砂530
‑
590份，减水剂1
‑
2份，水210
‑
230份。进一步地，按重量份计，所述混凝土本体1由包括以下组分制备而成：水泥550份，粗骨料1050份，砂560份，减水剂1.5份，水220份。
33.本发明所述混凝土本体1是具有一定形状的混凝土本体，具体可以根据需要制成各种形状的混凝土本体。在本发明的一些实施方式中，所述具有预设形状的混凝土本体1为长方体混凝土本体、球状混凝土本体、柱状混凝土本体、圆锥状混凝土本体、管状混凝土本体中的一种。
34.在本发明的一些实施方式中，所述条状回收纤维增强复合材料为长度10
‑
100mm，宽度1
‑
5mm，厚度0.1
‑
1mm的长方体条状回收纤维增强复合材料。例如，所述条状回收纤维增强复合材料的尺寸参数为长度15mm，宽度2mm，厚度0.2mm；所述条状回收纤维增强复合材料的尺寸参数为长度50mm，宽度3mm，厚度0.5mm；所述条状回收纤维增强复合材料的尺寸参数为长度85mm，宽度4mm，厚度0.8mm。
35.在本发明的一些实施方式中，所述条状回收纤维增强复合材料2的数量为多个。举例地，所述多个条状回收纤维增强复合材料2在所述混凝土本体1中相互交错形成条状回收纤维增强复合材料网络。
36.本发明所述水泥是回收纤维增强复合材料增韧混凝土的主要成分之一。所述水泥加水搅拌后成浆体，能在空气中硬化或者在水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起。所述水泥可以为通用水泥，如硅酸盐水泥；所述水泥也可以为特种水泥，如道路硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等。在本发明的一些实施方式中，所述水泥为强度等级在
p.o32.5
‑
52.5r之间的硅酸盐水泥。其中，p.o是普通硅酸盐水泥的代号，r代表早强水泥。
37.本发明所述减水剂对水泥颗粒有分散作用，能改善其工作性，减少单位用水量或减少单位水泥用量。在本发明的一些实施方式中，所述减水剂为减水率30％
‑
45％的减水剂。可选地，所述减水剂为氨基磺酸盐系高效减水剂、聚羧酸系高性能减水剂等。
38.本发明所述粗骨料指在混凝土中起骨架作用。可选地，粗骨料为碎石，其中，所述碎石可以是天然岩石、卵石中的一种或多种经机械破碎后得到。在本发明的一些实施方式中，所述粗骨料的粒径在4.75
‑
19mm之间。
39.在本发明的一些实施方式中，所述砂为天然砂。所述天然砂由自然条件作用而形成的岩石颗粒。可选地，所述天然砂为粒径在5mm以下的岩石颗粒。
40.在本发明的一些实施方式中，所述回收纤维增强复合材料是由纤维增强复合材料板材或纤维增强复合材料片材机械切割而成。本发明将废弃frp板材或片材机械切割成细条状，能有效避免纤维在混凝土中出现团聚现象，也能很好地利用纤维的强度。所述条状回收纤维增强复合材料增韧混凝土具有较好的抗弯性能、延性和抗冲击性能，在抗震结构和防撞结构等工程中有着广泛的应用前景。可选地，所述回收纤维增强复合材料增韧混凝土，其中，所述条状回收纤维增强复合材料为条状回收玻璃纤维增强复合材料、条状回收碳纤维增强复合材料、条状回收芳纶纤维增强复合材料中的一种。
41.本发明所述回收纤维增强复合材料增韧混凝土可应用于抗震装置，例如，所述抗震装置为框架结构，将所述回收纤维增强复合材料增韧混凝土作为抗震装置的加强角柱。
42.本发明所述回收纤维增强复合材料增韧混凝土可应用于防撞装置，例如，所述防撞装置包括地基和壳体，其中，所述回收纤维增强复合材料增韧混凝土作为防撞装置的壳体。
43.本发明提供一种如上所述的回收纤维增强复合材料增韧混凝土的制备方法，其中，包括如下步骤：
44.s100、将粗骨料、砂和水泥搅拌均匀得到干料；
45.s200、将减水剂加入水中混合均匀形成混合液；
46.s300、将部分混合液加入所述干料中，得到流动浆体；
47.s400、将条状回收纤维增强复合材料加入所述流动浆体中，搅拌均匀，再加入剩余的混合液，制备得到回收纤维增强复合材料增韧混凝土。
48.所述s300中，所述部分混合液具体的用量是根据所述流动浆体的流动性确定，且以尽量避免s400中所述条状回收纤维增强复合材料出现团聚现象为标准。可选地，所述部分混合液的体积为所述混合液体积的1/5～3/4。
49.可选地，所述s400中，在将条状回收纤维增强复合材料加入所述流动浆体中后，按照一定的方向对流动浆体搅拌或者使所述流动浆体按照预定方向流动，会在一定程度上提高所述条状回收纤维增强复合材料在流动浆体取向，可以得到各项异性的回收纤维增强复合材料增韧混凝土。
50.本发明提供一种将如上所述回收纤维增强复合材料增韧混凝土作为抗震材料的应用。本发明所述回收纤维增强复合材料增韧混凝土具有较好的抗弯性能、延性和抗冲击性能，在抗震结构和防撞结构等工程中有着广泛的应用前景。
51.下面通过具体的实施例对本发明的技术方案进行说明。
52.实施例1
53.一种回收纤维增强复合材料增韧混凝土，其原料及单位体积用量包括：水泥540kg/m3，粗骨料为1078kg/m3，细砂590kg/m3，外加剂1kg/m3，水216kg/m3，条状回收纤维增强复合材料8.4kg/m3。
54.水泥是强度等级为p.o 42.5r的普通硅酸盐水泥，减水剂为减水率大于30％的聚羧酸盐高效减水剂，粗骨料为粒径在4.75
‑
19mm之间的花岗岩碎石，细砂为级配良好的天然河砂。条状回收纤维增强复合材料为用切割刀具将回收cfrp板裁切成的短切条状回收纤维增强复合材料，长度为35mm，宽度为3mm，厚度为0.2mm，拉伸模量为236gpa，拉伸强度为4292mpa。
55.回收纤维增强复合材料增韧混凝土制作方法，包括如下步骤：
56.1)按重量称取水泥、水、砂、粗骨料、减水剂和条状回收纤维增强复合材料。
57.2)将称取的粗骨料、砂和水泥搅拌均匀得到干料。
58.3)将减水剂加入水中混合均匀形成混合溶液，接着将部分混合溶液加入步骤2)所得的干料中，搅拌均匀形成流动浆体。
59.4)将称取的条状回收纤维增强复合材料加入步骤3)所得的流动浆体中，搅拌均匀，并将剩下的混合溶液倒入进去，搅拌均匀，即得。
60.实施例2
61.一种回收纤维增强复合材料增韧混凝土，其原料及单位体积用量包括：水泥540kg/m3，粗骨料为1078kg/m3，细砂590kg/m3，外加剂1kg/m3，水216kg/m3，条状回收纤维增强复合材料16.7kg/m3。
62.水泥是强度等级为p.o 42.5r的普通硅酸盐水泥，减水剂为减水率大于30％的聚羧酸盐高效减水剂，粗骨料为粒径在4.75
‑
19mm之间的花岗岩碎石，细砂为级配良好的天然河砂。条状回收纤维增强复合材料为用切割刀具将回收cfrp板裁切成的短切条状回收纤维增强复合材料，长度为35mm，宽度为3mm，厚度为0.2mm，拉伸模量为236gpa，拉伸强度为4292mpa。
63.回收纤维增强复合材料增韧混凝土制作方法，包括如下步骤：
64.1)按重量称取水泥、水、砂、粗骨料、减水剂和条状回收纤维增强复合材料。
65.2)将称取的粗骨料、砂和水泥搅拌均匀得到干料。
66.3)将减水剂加入水中混合均匀形成混合溶液，接着将部分混合溶液加入步骤2)所得的干料中，搅拌均匀形成流动浆体。
67.4)将称取的条状回收纤维增强复合材料加入步骤3)所得的流动浆体中，搅拌均匀，并将剩下的混合溶液倒入进去，搅拌均匀，即得。
68.将实施例1
‑
2所得回收纤维增强复合材料增韧混凝土进行力学性能测试：
69.对新拌的混凝土根据cecs 13:2009《纤维混凝土试验方法标准》规定进行坍落度测试，然后倒进模具中，24小时后脱模，将所得的混凝土试块根据cecs 13:2009《纤维混凝土试验方法标准》规定放置在温度为20.0
±
2.0℃和湿度95.0％以上的标准养护室中养护28天。
70.28天养护完成后，根据cecs 13:2009《纤维混凝土试验方法标准》的要求进行抗压性能测试、抗弯性能测试和抗冲击性能测试。
71.结果如下：
72.经测试，实施例1的坍落度为155mm，相比于普通混凝土的流动性有所下降，但仍然满足施工的要求。
73.实施例1的抗压强度为56.83mpa，相比于普通混凝土稍有增加。实施例1的抗弯强度为5.39mpa，实施例1的抗弯强度、抗弯韧性和延性相比于普通混凝土都有明显提升。从试验结果得：混凝土中的回收纤维增强复合材料因被裁切成条状，不会出现团聚现象，能更好的发挥条状回收纤维的性能。实施例1的抗冲击耗能为1343.48j，是普通混凝土抗冲击耗能的3.63倍。
74.经测试，实施例2的坍落度为150mm，相比于普通混凝土的流动性有所下降，但仍然满足施工的要求。实施例2的抗压强度为57.30mpa，相比于实施例1稍有增加。实施例2的抗弯强度为4.92mpa，相比于实施例1略有下降，但是抗折性能相比普通混凝土仍有增加，而cfrp也提升了抗弯韧性和延性。实施例的抗冲击耗能为1829.07j，是普通混凝土抗冲击耗能的4.19倍。
75.综上所述，相较于普通混凝土，实施例1和实施例2的抗压强度、抗弯性能和抗冲击性能都有提升。其中，抗弯性能和抗冲击性能的提升明显。混凝土中由回收frp板材裁切成的细条状回收纤维增强复合材料，不会出现团聚现象，能较好地发挥条状回收纤维增强复合材料的性能。
76.本发明实施例1、实施例2与普通混凝土的坍落度、抗压强度、抗弯强度和抗冲击性能对比如表1所示：
77.表1实施例1和实施例2与普通混凝土的对比
78.编号普通混凝土实施例1实施例2坍落度(mm)180155150抗压强度(mpa)53.6256.8357.30抗弯强度(mpa)4.445.394.92抗冲击试件初裂(次)7.0023.3333.00抗冲击试件破坏(次)9.0027.6737.67抗冲击耗能(j)437.041343.481829.07
79.本发明实施例提供的条状回收纤维增强复合材料增强复合材料增韧混凝土及其制备方法与现有技术相比，具有以下技术效果：
80.1.本发明混凝土具有较好的抗压强度、延性和抗弯韧性，在抗震结构、道路路面、护栏以及防撞桥墩等工程中具有广泛的应用前景。
81.2.本发明混凝土采用条状回收纤维增强复合材料，还能有效减少碳排放和降低资源消耗。
82.3.本发明混凝土生产工艺简单，采用普通混凝土搅拌设备即可满足生产需求，整个搅拌过程用时较短，而所采用的条状回收纤维增强复合材料能有效避免纤维团聚现象，能更好的发挥条状回收纤维增强复合材料的力学性能。另一方面，其原料来源广泛，适合产业化生产。
83.4.本发明混凝土和易性较好，满足土木施工的要求。
84.应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可
以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。