阅读说明：本技术 用于混凝土结构的修复、补强材料及其制造方法 (Repairing and reinforcing material for concrete structure and manufacturing method thereof ) 是由 李有丰 萧文钦 于 2019-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于混凝土结构的修复、补强材料及其制造方法,用于混凝土结构的修复、补强材料由高早强水泥以及多根短纤碳纤维所组成。多根短纤碳纤维的长度范围介于3mm至30mm。多根短纤碳纤维与高早强水泥的重量比范围介于0.5％至3％。多根短纤碳纤维先以气动力与过筛制程进行分散,再以预拌合的干拌方式均匀地拌入高早强水泥中。(The invention provides a material for repairing and reinforcing a concrete structure and a manufacturing method thereof. The length of the plurality of short-fiber carbon fibers ranges from 3mm to 30 mm. The weight ratio of the plurality of short-fiber carbon fibers to the high early strength cement is in the range of 0.5-3%. The short fiber carbon fibers are dispersed by aerodynamic force and a sieving process, and then are uniformly mixed into the high early strength cement in a pre-mixing dry mixing mode.)

用于混凝土结构的修复、补强材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于混凝土结构的修复、补强材料及其制造方法，尤其涉及大幅提升抗压强度、抗弯强度及抗冲击能力的修复、补强材料及其制造方法。

背景技术

由于一般的道路桥梁在使用过一段时间之后，多少会发生凹陷、坑洞等现象，而需要紧急修补。一般军事建筑，例如，机场跑道、港口河堤等，也会在使用过后或经不当的破坏而发生坑洞而需要紧急修补。连普通建筑物体的楼板，也会因为使用年代久远而发生龟裂的现象。此种因为混凝土形成的龟裂进而发生钢筋暴露或凹陷坑洞的情况所造成的使用不便，均必须紧急修补以避免意外事故发生。

关于混凝土结构的快速修补，必须使用能够快速硬化的材料。一般会使用能够加速水化反应的水泥及细粒料等之类的强化材，来藉此提高施工速度与简易度。然而，这一类的方式所制备的修补材的强度虽然足够，但是其抗弯强度与抗冲击强度仍是不足，因此如何研发出一种能够快速硬化、且成形后具有足够抗弯强度与抗冲击强度的修补材，将是一个亟待突破与解决的问题。

在混凝土中加入纤维的研究已有不少，但大多是在混凝土预拌过程材加入钢纤维、玻璃纤维、碳纤维等强化纤维。但这些研究难保证强化纤维均匀分散于混凝土中。甚至有现有技术采用化学分散剂^[6]。因此，有现有技术显示添加纤维的混泥土，其抗压强度会下降。通盘考量，加入钢纤维会有加速混凝土结构内钢筋腐蚀的疑虑，碳纤维的杨氏模数(Young’s modulus)远高过玻璃纤维的杨氏模数，因此，添加入混凝土作为强化的纤维以碳纤维为佳。另有现有技术将碳纤维以不同的混合方法，拌入水泥基材^[7]。混合方法分为：预混合、后混合。预混合方法是在加入水泥前先加入碳纤维，后混合方法是在拌入水泥后再加入碳纤维。结果证实预混合方法的效果优于后混合方法的效果。

然而，在混凝土或水泥中添加碳纤维的现有技术尚未揭示以预混合法添加制水泥中的碳纤维的参数，以提升水化(hydration)反应后的水泥的抗压强度、抗弯强度，甚至提升抗冲击能力。现有技术也未揭示适合用于混凝土结构的小面积修补与大面积修补的修复、补强材料及其制造方法。

此外，碳纤维原材的表面上会有偶合剂等杂质，不利碳纤维的分散。现有技术多是利用酸、碱等化学方法去除碳纤维表面上的偶合剂等杂质。但是，以酸、碱等化学方法去除碳纤维表面上的偶合剂等杂质，会有破坏碳纤维表面，降低碳纤维的强度的疑虑。

关于本发明的相关技术背景，请参考以下所列的技术文献：

[1]V.T.Giner et al.,Materials and Design 34,2012,pp.332-339；

[2]Zemei Wu et al.,Cement and Concrete Composites 79,2017,pp.148-157；

[3]Negin Yousefieh et al.,Construction and Building Materials 148,2017,pp.833-845；

[4]Doo-Yeol Yoo et al.,Construction and Building Materials 150,2017,pp.383-394；

[5]洪崇展、吴奕翰、温国威，“超高性能纤维混凝土梁构件的剪力行为”，台湾混凝土学会2017年混凝土工程研讨会，TCI 2017 Conference on Concrete Engineering，嘉义，106年11月23～24日。

[6]Pu-Woei Chen et al.,Composites 24,1993,pp.33-52；

[7]Jie Gao et al.,Construction and Building Materials 134,2017,pp.220-227；

[8]Baoguo Han et al.,Construction and Building Materials 125,2016,pp.479-489；

[9]Zahra S.Tabatabaei et al.,Materials and Design 55,2014,pp.212-223；以及[10]张逢宬，硕士论文，2014。

发明内容

因此，本发明所欲解决的一技术问题在于提供一种用于混凝土结构的修复、补强材料及其制造方法。根据本发明的修复、补强材料经水化反应后其一天龄期的抗压强度、抗弯强度与抗冲击能力均大幅提升，符合需求。根据本发明的方法也不以酸、碱等化学方法去除碳纤维表面上的偶合剂等杂质。

根据本发明的一较佳具体实施例的修复、补强材料用于混凝土结构的修复、补强。根据本发明的修复、补强材料由高早强水泥以及多根短纤碳纤维所组成。多根短纤碳纤维的长度范围介于3mm至30mm。多根短纤碳纤维与高早强水泥的重量比范围介于0.5％至3％。多根短纤碳纤维先进行分散，再以预拌合的干拌方式均匀地拌入高早强水泥中。

根据本发明的一较佳具体实施例的制造修复、补强材料的方法，其制造的修复、补强材料用于混凝土结构的修复、补强。根据本发明的方法首先制备高早强水泥。接着，根据本发明的方法制备多根短纤碳纤维，其中多根短纤碳纤维的长度范围介于3mm至30mm。接着，根据本发明的方法将多根短纤碳纤维置于3小时以上的高温环境，以高温处理方式去除多根短纤碳纤维表面上的介面耦合剂，以利后续多根短纤碳纤维的分散。接着，根据本发明的方法将多根短纤碳纤维以气动力与过筛制程进行分散。最后，根据本发明的方法将该经分散的多根短纤碳纤维以一预拌合的干拌方式均匀地拌入高早强水泥中，以完成根据本发明的修复、补强材料，其中多根短纤碳纤维与高早强水泥的重量比范围介于0.5％至3％。

根据本发明的修复、补强材料经水化反应后其一天龄期的抗压强度为大于42MPa。根据本发明的修复、补强材料经水化反应后其一天龄期的抗弯强度为大于7.5MPa。根据本发明的修复、补强材料经水化反应后其一天龄期的抗冲击能力为大于50焦耳。

于一具体实施例中，高温环境的温度范围介于450℃至550℃。

与现有技术不同，根据本发明的修复、补强材料内短纤碳纤维均匀地分散于高早强水泥中。根据本发明的修复、补强材料经水化反应后其一天龄期的抗压强度、抗弯强度与抗冲击能力均大幅提升，符合需求。

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及附图得到进一步的了解。

附图说明

图1是本发明所采用的短纤碳纤维未经处理的扫描式电子显微镜(SEM)照片。

图2是本发明所采用的短纤碳纤维置于500℃下维持一段时间后的SEM照片。

图3是执行本发明的气动力与过筛制程的设备的剖面示意图。

图4是本发明所采用约1公克的短纤碳纤维原材20的照片。

图5是本发明所采用约1公克经过高温处理与气动过筛分散的短纤碳纤维照片。

图6是覆盖在混凝土结构的小面积破损上经水化反应后的本发明的修复、补强材料的示意图。

附图标号说明：

1 设备

10 进气管

12 处理腔体

14 过筛装置

16 顶盖

160 微细出气孔

20 短纤碳纤维原材

22 经过高温处理与气动过筛分散后的短纤碳纤维

3 混凝土结构

32 小面积破损

4 修复、补强材料

42 经水化反应后的高早强水泥

44 经过高温处理与气动过筛分散后的短纤碳纤维

具体实施方式

根据本发明的一较佳具体实施例的修复、补强材料用于混凝土结构的修复、补强。根据本发明的修复、补强材料由高早强水泥以及多根短纤碳纤维所组成。特别地，多根短纤碳纤维的长度范围介于3mm至30mm。多根短纤碳纤维与高早强水泥的重量比范围介于0.5％至3％。多根短纤碳纤维先进行分散，再以预拌合的干拌方式均匀地拌入高早强水泥中。

本发明所采用的高早强水泥为市售的两款高早强水泥，其经X-射线荧光(XRF)分析成分结果列于表1与表2，其中表1为第一款早强水泥，表2为第二款早强水泥。

表1

化合物	CaO	SiO<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	K<sub>2</sub>O	TiO<sub>2</sub>	SO<sub>2</sub>	P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>	其他
										wt.％	68.4	11.9	9.2	2.9	1.8	0.7	5.1	0.5	0.1

表2

化合物	CaO	SiO<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	K<sub>2</sub>O	TiO<sub>2</sub>	SO<sub>2</sub>	P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>	其他
										wt.％	56	7.3	16.3	13	0	1.3	4.7	0.5	1.4

根据本发明的一较佳具体实施例的制造修复、补强材料的方法，其制造的修复、补强材料用于混凝土结构的修复、补强。根据本发明的方法首先制备高早强水泥。接着，根据本发明的方法制备多根短纤碳纤维。特别地，多根短纤碳纤维的长度范围介于3mm至30mm。

接着，根据本发明的方法将多根短纤碳纤维置于高温环境下维持一段时间，以去除多根短纤碳纤维的表面上如偶合剂等杂质。

于一具体实施例中，本发明所采用的多根短纤碳纤维的线径范围介于6μm至8μm。

于一具体实施例中，本发明所采用的短纤碳纤维的杨氏模数为2.4x 10⁵MPa。

于一具体实施例中，高温环境的温度范围介于450℃至550℃。请参阅图1及图2，图1是本发明所采用的短纤碳纤维未经处理的SEM照片，图2是本发明所采用的短纤碳纤维置于500℃下维持一段时间后的SEM照片。图1显示短纤碳纤维表面上明显残存偶合剂等杂质。图2显示短纤碳纤维表面干净，原残存的偶合剂等杂质已去除。与现有技术采用化学方式去除碳纤维的表面上如偶合剂等杂质不同，化学方式会破坏碳纤维的表面而降低碳纤维的强度，本发明采用高温方式去除短纤碳纤维的表面上杂质，高温方式不会破坏碳纤维的表面。

于一具体实施例中，将短纤碳纤维放置于烤箱中，烤箱平均温度维持500℃，持续加温3小时。

接着，根据本发明的方法将多根短纤碳纤维以气动力与过筛制程进行分散。

最后，根据本发明的方法将该经分散的多根短纤碳纤维以一预拌合的干拌方式均匀地拌入高早强水泥中，以完成根据本发明的修复、补强材料，其中多根短纤碳纤维与高早强水泥的重量比范围介于0.5％至3％。

请参阅图3，图3是以剖面图示意地示出执行本发明的气动力与过筛制程的设备1。本发明的气动力与过筛制程的执行并不以图3所示的设备1为限。

如图3所示，设备1包含处理腔体12以及多个过筛装置14。于图3中，仅示出三个过筛装置14作为代表。多个过筛装置14叠在一起，并且彼此连通。置于最下层的过筛装置14安置于处理腔体12的顶部，并且与处理腔体12连通。置于最上层的过筛装置14以顶盖16覆盖。顶盖16上具有多个微细出气孔160。多个进气管10与处理腔体连通。多个过筛装置14的网目大小可以一致，也可以越上层过筛装置14的网目越小。于一范例中，多个过筛装置14的网目皆为8#。

表面上偶合剂等杂质已去除的短纤碳纤维原材20置于处理腔体12内。气体从进气管10持续吹进处理腔体12，导致短纤碳纤维原材20随着吹气循环逐渐分散，再通过多个过筛装置14的网目，停留在各层过筛装置14内形成已分散且经过筛的短纤碳纤维22。气体从多个微细出气孔160排出。

已分散且经过筛的短纤碳纤维22可以直接预拌合的干拌方式均匀地拌入高早强水泥中，无须借助化学分散剂。请参阅图4及图5，图4是本发明所采用约1公克的短纤碳纤维原材20的照片，图5是本发明所采用约1公克的已分散且经过筛的短纤碳纤维22的照片。图4显示短纤碳纤维原材20聚集在一起。图5显示短纤碳纤维22已充分彼此分离。

根据本发明的修复、补强材料以适当水灰比加入水(以饮用水为佳)拌合进而产生经水化反应后，即可对混凝土结构小面积破损进行快速修补，并且补强。请参阅图6，图6是覆盖在混凝土结构3的小面积破损32上经水化反应后的本发明的修复、补强材料4的示意图。图6仅示意地示出短纤碳纤维44的剖面。图6显示短纤碳纤维44均匀地分布于经水化反应后的高早强水泥42中。

若混凝土结构有大面积破损，根据本发明的修复、补强材料以适当水灰比加入水(以饮用水为佳)拌合成浆体后，加入粗、细粒料再次进行均匀拌合进而产生经水化反应后，即可对混凝土结构大面积破损进行快速修补，并且补强。

根据本发明的修复、补强材料以适当水灰比加入水(以饮用水为佳)拌合进而产生经水化反应后，依照测试规范制作试体，进行抗压强度测试、抗弯强度测试以及抗冲击能力测试。抗压强度测试方式依据CNS 1232测试标准进行，抗弯强度测试依据CNS 1234测试标准进行，并且抗冲击能力测试依据ASTM5628-10测试标准进行。

根据本发明的修复、补强材料使用第一款高早强水泥，经水化反应后的多个试体的一天龄期平均抗压强度列于表3。由根据本发明的修复、补强材料所制作的试体，其短纤碳纤维平均长度为24mm，水灰比为0.31，多根短纤碳纤维与高早强水泥的重量比1.0％。作为对照，制作条件大致相同但短纤碳纤维并未先行分离、分散的多个试体的平均抗压强度也列于表3。

表3

制作条件	平均抗压强度(MPa)
		短纤碳纤维未事先分离、分散	49.95
短纤碳纤维事先分离、分散	55.35

表3所列测试结果证实，短纤碳纤维事先分离、分散的试体其抗压强度明显高过短纤碳纤维未事先分离、分散的试体的抗压强度。

根据本发明的修复、补强材料使用第一款高早强水泥，在不同龄期与不同短纤碳纤维添加量条件下经水化反应后的试体的抗压强度列于表4。上述由根据本发明的修复、补强材料所制作的试体，其短纤碳纤维平均长度为12mm，水灰比为0.31。

表4

表4中使用第一款高早强水泥的修复、补强材料所列测试结果证实3小时龄期添加0.625％短纤碳纤维的试体增加28.4％的抗压强度，添加1.25％短纤碳纤维的试体增加33.2％的抗压强度，添加1.875％短纤碳纤维的试体增加32.2％的抗压强度。1天龄期添加0.625％短纤碳纤维的试体增加17.0％的抗压强度，添加1.25％短纤碳纤维的试体增加18.7％的抗压强度，添加1.875％短纤碳纤维的试体增加30.0％的抗压强度。显见地，本发明添加的短纤纤维均匀地分散于经水化反应的高早强水泥中，针对抗压强度明显具有提升的补强效果。

根据本发明的修复、补强材料使用第二款高早强水泥，在不同龄期与不同短纤碳纤维添加量条件下经水化反应后的试体的抗压强度列于表5。上述由根据本发明的修复、补强材料所制作的试体，其短纤碳纤维平均长度为3mm，水灰比为0.31。

表5

表5所列测试结果证实3小时龄期添加0.625％短纤碳纤维的试体增加11.1％的抗压强度，添加1.25％短纤碳纤维的试体增加13.4％的抗压强度。1天龄期添加0.625％短纤碳纤维的试体增加2.6％的抗压强度，添加1.25％短纤碳纤维的试体增加-7.8％的抗压强度。显见地，本发明添加的短纤纤维均匀地分散于经水化反应的高早强水泥中，针对抗压强度明显具有提升的补强效果。

根据本发明的修复、补强材料使用第一款高早强水泥在不同龄期与有无添加短纤碳纤维条件下并加入细骨材形成砂浆经水化反应后的试体的抗弯强度列于表6。上述由根据本发明的修复、补强材料所制作的试体，其短纤碳纤维平均长度为6mm，水灰比为0.31，添加的多根短纤碳纤维与高早强水泥的重量比为1.0％。

表6

表6所列测试结果证实4小时龄期添加1.0％短纤碳纤维的试体增加24.4％的抗弯强度。1天龄期添加1.0％短纤碳纤维的试体增加19.0％的抗弯强度。显见地，本发明添加的短纤纤维均匀地分散于经水化反应的高早强水泥中，针对抗弯强度明显具有提升的补强效果。

根据本发明的修复、补强材料使用第一款高早强水泥在不同龄期与有无添加短纤碳纤维条件下经水化反应后的试体的抗弯强度列于表6。上述由根据本发明的修复、补强材料所制作的试体，其短纤碳纤维平均长度为6mm，水灰比为0.31，添加的多根短纤碳纤维与高早强水泥的重量比为1.0％。

根据本发明的修复、补强材料使用第一款高早强水泥，于表7所列测试结果证实添加短纤碳纤维的试体能明显提抗冲击能力(单位：焦耳)。

表7

根据本发明的修复、补强材料在不同龄期与不同短纤碳纤维长度条件下经水化反应后的试体能承受冲击能力(焦耳)列于表7。上述由根据本发明的修复、补强材料使用第一款高早强水泥所制作的试体，其添加的多根短纤碳纤维与高早强水泥的重量比为1.0％，水灰比为0.31。

由上述测试数据证实，根据本发明的修复、补强材料经水化反应后其抗压强度随着添加较短的短纤碳纤维强度增加较明显。据本发明的修复、补强材料经水化反应后其抗弯强度与抗冲击能力则随着添加较长的短纤碳纤维抗弯强度与抗冲击能力增加较明显。运用根据本发明的修复、补强材料，可以视实际需求分别加入不同比例的不同长度的短纤碳纤维以达到最佳效益。

由上述测试数据证实，与未添加短纤碳纤维的高早强水泥相比较，根据本发明的修复、补强材料经水化反应后其一天龄期的抗压强度为大于42MPa。根据本发明的修复、补强材料经水化反应后其一天龄期的抗弯强度为大于7.5MPa。根据本发明的修复、补强材料经水化反应后其一天龄期的抗冲击能力为大于50焦耳。根据本发明的修复、补强材料经水化反应后其一天龄期的抗压强度、抗弯强度与抗冲击能力均大幅提升，已符合快速修复、补强混凝土结构小面积、大面积破损的需求。

通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭示的较佳具体实施例来对本发明的范围加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明权利要求的范围内。因此，本发明所申请的专利范围应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。