一种高韧性混杂纤维增强混凝土及其制备方法技术

本发明专利技术的目的在于提供一种高韧性混杂纤维增强混凝土及其制备方法，该混凝土同时掺入纳米二氧化硅和混杂纤维，弯曲韧性和断裂韧性均得到显著提高，可应用于对韧性要求较高的大跨、高层建筑结构工程中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于建筑材料
，具体涉及一种高韧性混杂纤维增强混凝土及其制备方法。
技术介绍
“纳米”的概念形成于20世纪80年代初，纳米材料是指粒径介于1nm～100nm的粒子。近年来，随着纳米材料研究的深入和制造成本的降低，其应用领域也越来越广泛，国内外有不少研究者对纳米粒子在水泥混凝土中的应用进行了探索性研究。纳米粒子掺入混凝土后尽管提高了混凝土的密实性和耐久性，改善了混凝土的力学性能，但是纳米粒子的掺入同时也增大了混凝土的脆性，降低了混凝土的韧性，如果将混凝土用于对韧性要求较高的结构和构件中，将会大大降低结构的可靠性。随着现代工程结构向大跨度、轻型、高耸结构的发展和向地下、海洋的扩展，以及未来的人类社会将向智能化社会发展，使工程结构对混凝土性能的要求越来越高，例如自重轻、强度高、韧性高、耐久性高以及造型美观等。然而，混凝土存在自重大、抗拉强度低、韧性差、脆性大、可靠性低和开裂后裂缝难以控制等缺陷，使得许多结构在使用过程中甚至是建设过程中就出现了许多不同程度、不同形式的裂缝。公开号为CN102731046A的《一种混凝土的制备方法》和公开号为CN104628335A的《一种制备纳米二氧化硅高性能混凝土的方法》通过在普通混凝土中加入纳米材料所制备的混凝土或纳米高性能混凝土具有较高的抗压强度和抗折强度。公开号为CN103979886A的《一种掺纳米二氧化硅粉体早强高性能混凝土及其制备方法》所制备的纳米高性能混凝土具有较高的早期强度，可用于冬季施工的超高层建筑及常温和低温条件有早期要求的混凝土工程。公开号为CN102199021A的《一种纳米材料复合超高性能混凝土》采用纳米二氧化硅和碳纳米管复合制备的超高性能混凝土具有较好的力学性能和耐久性。公开号为CN103979841A的《一种混凝土及其制作方法》将生产过程产生的萤石矿渣、城市道路废水泥路渣和废旧衣服综合利用制备出的混凝土，不仅节约成本，保护环境，而且具有较高的抗压强度、抗折强度和较好的保温性能。然而上述文献所制备的混凝土无法解决纳米粒子掺入降低混凝土韧性的问题，只能应用于对韧性要求较低的混凝土工程中。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高韧性混杂纤维增强混凝土及其制备方法，该混凝土同时掺入纳米二氧化硅和混杂纤维，弯曲韧性和断裂韧性均得到显著提高，可应用于对韧性要求较高的大跨、高层建筑结构工程中。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种高韧性混杂纤维增强混凝土，以1 m3混凝土计，包括以下重量的组分：水泥350~450 kg；粗骨料1000~1300 kg；细骨料 600~700 kg；纳米二氧化硅8~45 kg；聚乙烯醇纤维0.2~1.2 kg；钢纤维 20~180 kg粉煤灰50~100 kg；减水剂3~7 kg；水 120~200 kg。上述的高韧性混杂纤维增强混凝土，以1 m3混凝土计，包括以下重量的组分：水泥370~420 kg；粗骨料1140 kg；细骨料 650 kg；纳米二氧化硅15~35 kg；聚乙烯醇纤维0.4~0.9 kg；钢纤维 40~160 kg粉煤灰75 kg；减水剂5 kg；水 165 kg。上述的高韧性混杂纤维增强混凝土，所述水泥为强度等级为P.O 42.5的普通硅酸盐水泥；所述粗骨料为粒径不大于20 mm的花岗岩碎石，且所述花岗岩碎石质地坚硬、级配良好；所述细骨料为细度模数为2.76的天然河砂。上述的高韧性混杂纤维增强混凝土，所述纳米二氧化硅的粒径小于30 nm。上述的高韧性混杂纤维增强混凝土，所述聚乙烯醇纤维的长度大于9 mm，直径小于31 μm，抗拉强度为大于1400 MPa，干断裂伸度为17%±3%，耐碱性为98%-100%。上述的高韧性混杂纤维增强混凝土，所述钢纤维为长度大于32mm，直径小于0.56mm，长径比约为52，抗拉强度大于800MPa的铣削型钢纤维。上述的高韧性混杂纤维增强混凝土，所述粉煤灰为级粉煤灰，细度为9.2%。上述的高韧性混杂纤维增强混凝土，所述减水剂为减水率大于22%的聚羧酸盐减水剂。上述高韧性混杂纤维增强混凝土的制备方法，包括如下步骤：（1）按重量称取粗骨料和细骨料，搅拌至混匀得混合骨料；（2）按重量称取水泥、粉煤灰、纳米二氧化硅和钢纤维，加入步骤（1）所得混合骨料中，搅拌至混匀形成干料；（3）按重量称取水和减水剂，将减水剂与部分水混匀形成混合溶液，分多次加入步骤（2）所得干料中，每次加入后均搅拌至混匀，得流动浆体；（4）按重量称取聚乙烯醇纤维，加入步骤（3）所得流动浆体中，搅拌至混匀，即得。上述高韧性混杂纤维增强混凝土的制备方法，包括如下步骤：（1）按重量称取粗骨料和细骨料，搅拌至混匀得混合骨料；（2）按重量称取水泥、粉煤灰、纳米二氧化硅和钢纤维，加入步骤（1）所得混合骨料中，搅拌至混匀形成干料；（3）按重量称取水用量的1/3，加入步骤（2）所得干料中，搅拌至混匀，得流动浆体一；（4）按重量称取用水量的1/3和减水剂，混匀形成混合溶液，加入步骤（3）所得流动浆体一中，搅拌至混匀，得流动浆体二；（5）按重量称取用水量的1/3，加入步骤（4）所得流动浆体二中，搅拌至混匀，得流动浆体三；（6）按重量称取聚乙烯醇纤维，加入步骤（4）所得流动浆体三中，搅拌至混匀，即得。本专利技术的有益效果如下：本专利技术在所述混凝土的配方中，不仅同时加入了纳米二氧化硅、聚乙烯醇纤维、钢纤维，而且以粉煤灰等量替代水泥，纳米二氧化硅、聚乙烯醇纤维以及粉煤灰的加入不但发挥了各自的作用，还产生了重要的协同效应，这对混凝土性能的提高发挥了至关重要的作用，现逐一说明。（1）本专利技术在普通混凝土中加入一定量的纳米二氧化硅、聚乙烯醇纤维和钢纤维，既有利于改善混凝土的力学性能和耐久性，又可提高混凝土的韧性。在荷载作用下，混凝土内部会产生微裂纹，聚乙烯醇纤维可桥接这些微裂纹，并抑制这些微裂纹发展成宏观裂缝。随着外荷载的增大，混凝土内部的微裂纹逐渐扩展成宏观微裂缝，钢纤维在混凝土内部呈三维乱向分布，形成一个支撑骨架，并起到受力筋的作用，承受由界面传递的力的作用，可抑制微裂缝的进一步扩展。混凝土中的微裂缝受荷载作用扩展时，横跨裂缝的纤维还起到桥联作用，缓解裂缝尖端的应力集中，增加了裂缝的扩张阻力，提高了混凝土的弯曲韧性和断裂韧性。不同尺寸的聚乙烯醇纤维和钢纤维对混凝土的阻裂增韧作用不是孤立的，一种尺寸纤维可提高混凝土的性能，同时这种性能的提高又能增强另一种尺寸纤维作用的发挥，从而使混凝土具有一定的混杂耦合效应。通过纳米二氧化硅、聚乙烯醇纤维、钢纤维和混凝土基体之间的耦合作用，可有效提高混凝土的强度、耐久性、弯曲韧性和断裂韧性。（2）纳米粒子对混凝土的微观结构有较大的改善作用，纳米粒子的掺入提高了混凝土的强度特别是抗折强度。纳米粒子不仅提高了混凝土的密实性，而且改变了水泥的水化产物形态，改善了混凝土过渡区的结构，减少了氢氧化钙造成的结构缺陷。因此，纳米粒子的最大贡献在于它的掺入可显著提高混凝土的各种耐久性，如抗渗性、抗冻性、氯离子渗透性、耐磨性以及高温耐热性能等。纳米二氧化硅在混凝土内部具有物理填充作用，混凝土内凝胶空隙、毛细管空隙和水化硅酸钙层结晶空隙的范围为1~100nm，纳米二氧化硅可以填充以上空隙，从而提高了混凝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高韧性混杂纤维增强混凝土，其特征在于，以1 m3混凝土计，包括以下重量的组分：水泥350~450 kg；粗骨料1000~1300 kg；细骨料 600~700 kg；纳米二氧化硅8~45 kg；聚乙烯醇纤维0.2~1.2 kg；钢纤维 20~180 kg粉煤灰50~100 kg；减水剂3~7 kg；水 120~200 kg。

【技术特征摘要】
1.一种高韧性混杂纤维增强混凝土，其特征在于，以1 m3混凝土计，包括以下重量的组分：水泥350~450 kg；粗骨料1000~1300 kg；细骨料 600~700 kg；纳米二氧化硅8~45 kg；聚乙烯醇纤维0.2~1.2 kg；钢纤维 20~180 kg粉煤灰50~100 kg；减水剂3~7 kg；水 120~200 kg。2.根据权利要求1所述的高韧性混杂纤维增强混凝土，其特征在于，以1 m3混凝土计，包括以下重量的组分：水泥370~420 kg；粗骨料1140 kg；细骨料 650 kg；纳米二氧化硅15~35 kg；聚乙烯醇纤维0.4~0.9 kg；钢纤维 40~160 kg粉煤灰75 kg；减水剂5 kg；水 165 kg。3.根据权利要求1或2所述的高韧性混杂纤维增强混凝土，其特征在于，所述水泥为强度等级为P.O 42.5的普通硅酸盐水泥；所述粗骨料为粒径不大于20 mm的花岗岩碎石；所述细骨料为细度模数为2.76的天然河砂。4.根据权利要求1或2所述的高韧性混杂纤维增强混凝土，其特征在于，所述纳米二氧化硅的粒径小于30 nm。5.根据权利要求1或2所述的高韧性混杂纤维增强混凝土，其特征在于，所述聚乙烯醇纤维的长度大于9 mm，直径小于31 μm，抗拉强度为大于1400 MPa。6.根据权利要求1或2所述的高韧性混杂纤维增强混凝土，其特征在于，所述钢纤维为长度大于32mm，直径小于0.56mm，抗拉强度大于800MPa的铣削型钢纤维。7...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹏，李清富，常海召，张天航，高继祥，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南;41