阅读说明：本技术 超高分子量聚乙烯纤维增强超高延性混凝土及其制备方法 (Ultrahigh molecular weight polyethylene fiber reinforced ultrahigh-ductility concrete and preparation method thereof ) 是由 余江滔 周新基 于 2019-11-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种异形超高分子量聚乙烯纤维增强超高延性混凝土,主要成分包括水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂、减水剂、异形截面PE纤维和水；各组分的重量份：水泥500-800份、硅灰0-250份、粉煤灰500-800份、砂500-800份、减水剂5-40份、水180-350份、PE纤维10-20份；纤维的掺量为纤维混凝土总体积的1%~2%。本发明通过纤维实际应用,提供一种解决现有技术中的混凝土高抗拉强度,高抗压强度与高延性难以共存的技术难题,同时保证生产的高性能混凝土塌落度大于180mm且可泵送现浇。(The invention discloses special-shaped ultrahigh molecular weight polyethylene fiber reinforced ultrahigh-ductility concrete, which mainly comprises cement, silica fume, fly ash, quartz sand, a water reducing agent, special-shaped section PE fibers and water; the weight parts of each component are as follows: 800 parts of cement, 0-250 parts of silica fume, 800 parts of fly ash, 500 parts of sand, 5-40 parts of water reducing agent, 350 parts of water and 180 parts of PE fiber; the mixing amount of the fibers is 1% -2% of the total volume of the fiber concrete. According to the invention, through the practical application of the fiber, the technical problem that the high tensile strength, the high compressive strength and the high ductility of the concrete in the prior art are difficult to coexist is solved, and the slump of the produced high-performance concrete is ensured to be larger than 180mm and can be pumped for cast-in-place.)

超高分子量聚乙烯纤维增强超高延性混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种超高分子量PE纤维增强超高延性混凝土及其制备方法。

背景技术

超高分子量PE纤维是由分子量在100万~900万的PE粉体所纺出的纤维，结晶度65%~85%，密度0.92~0.96g/cm3，是目前世界上比强度和比模量最高的纤维，与碳纤维（CF）、芳纶纤维（Kevlar）并称“世界三大高科技纤维”。超高分子量PE纤维是由乙烯、丁二烯单体在催化剂的作用下聚合而成的超高分子量聚乙烯拉伸制成，其强度高达25cN/dtex及以上，最高已经可以做到40cN/dtex，具有较好的耐磨、耐冲击、耐腐蚀、耐压、抗冻、自润滑、无毒、无污染、可回收利用、抗应力开裂等优良性能，在机械、化学、医疗卫生等领域均有广泛的应用。其中抗应力开裂性能好这一特性，在超高分子量PE纤维应用中最为重要，它的抗应力开裂能力为普通高密度PE纤维的200倍，交联PE纤维的4倍，能满足高强高延性混凝土对韧性的需求。

混凝土作为当今世界上应用最为广泛的建筑材料，存在抗弯强度较低和脆性高的缺点，从而导致混凝土在使用中易产生裂缝甚至断裂，严重影响建筑物或构筑物的整体安全和使用寿命。现代建筑中大量存在的一些建筑结构和部位，如高铁高架桥、大跨度跨海和跨江大桥的桥面、伸缩缝以及超高层建筑关键节点处，由于其应力环境复杂苛刻，必须采用抗弯、抗拉强度及延性尽可能高的高强高延性混凝土材料。

超高性能混凝土（Ultra-high performance concrete UHPC）具有超过120MPa的抗压强度以及5~10MPa的极限抗拉强度。发明专利ZL201510026894.6 采用直径为0.12～0.22mm、长度为6～14mm，抗拉强度超过2000MPa的钢纤维作为增韧材料，制备得到一种超高韧性混凝土，28天抗弯强度为20~40MPa，抗压强度为120～180MPa。发明专利ZL201210566338.4采用聚丙烯腈纤维和钢纤维作为增韧材料，制备得到一种高韧性混凝土，其28天最优抗弯强度为8.6MPa。发明专利 201110323697.2 公开了一种混凝土及其制备方法。该混凝土包括胶凝材料、河沙、超塑化剂、水、钢纤维及聚丙烯纤维。其28天抗折强度为 17.1～18.6Mpa，抗压强度为132～143MPa。上述专利只注重强度（抗压强度，抗弯强度）指标，采用普通圆形截面纤维增强混凝土，实则未有直接体现延性指标(拉伸变形能力)的相关参数，仍属于传统领域的准脆性混凝土。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超高分子量PE纤维增强的高延性混凝土，以克服现有技术中的混凝土抗拉强度低、脆性大、控制裂缝的能力较差的技术问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种超高分子量聚乙烯纤维增强超高延性混凝土，其特征在于：主要成分包括水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂、减水剂、异形截面PE纤维和水；各组分的重量份：水泥500-800份、硅灰0-250份、粉煤灰500-800份、砂500-800份、减水剂5-40份、水180-350份、异形截面PE纤维10-20份；纤维的掺量为纤维混凝土总体积的1%~2%。

所述的异形纤维是非圆柱状纤维，可以是螺纹钢形态或接近螺纹钢形态的表面粗糙的PE纤维以及带纵向孔道的中空纤维，也可以是截面形状为三角形、五边形、哑铃型、椭圆形、十字形以及带纵向孔道的一种或几种，面积/体积比表面积限定在150000~300000m²/m³；纤维长度为2mm~75mm，直径为5μm~150μm，抗拉强度为1500~3900MPa，弹性模量为40~150GPa，极限延伸率为1%~5%，长径比大于200。

所述的水泥为复合硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥；所述的粉煤灰为一级或二级粉煤灰，比表面积≥500m²/kg，密度为2.6g/cm³；所述的砂的粒径为0.1~1.0mm，其SiO₂的质量含量≥80％；所述的减水剂为非缓凝型聚羧酸减水剂，该非缓凝型聚羧酸减水剂的固体含量为40%-50％，减水率≥40％。

一种所述的异形超高分子量PE纤维增强超高延性混凝土的制备方法，其特征是：包括如下步骤：

1）按照配方准备好原料；

2）先分别将配方量的水泥、硅灰、粉煤灰、砂、减水剂、水、纤维加入搅拌装置中进行搅拌；

3）搅拌结束，转移至模具中，振捣1-2min成型，进行养护，脱模，即制得所述的超高延性混凝土。

步骤2）分为干搅、湿搅、加纤维搅拌三个步骤；首先是水泥、硅灰、粉煤灰、砂、减水剂，干搅拌2-3min，充分混合均匀；然后再加入配方量的水进行湿搅拌，充分混合均匀；再加入异形PE纤维，控制搅拌速度在20-48r/min，搅拌时间4-8min，充分混合均匀。

所述的养护为常温标准养护或高温水浴养护；其中， 所述的常温标准养护的条件为：控制温度为20-25℃，湿度为90％±5％，养护 28天； 所述的高温水浴养护的条件为：控制温度为85-95℃，水浴养护48小时。

所述的超高延性混凝土其拉伸变形能力大于12%，抗拉强度可达20MPa以上；抗弯强度为20~50MPa；抗压强度为100MPa～200MPa；具有良好的流动性，可泵送可现浇。

本发明提供的具有异形截面的超高分子量PE纤维具有超高拉伸强度，能保证纤维拔出过程中不易被拉断。如果加入传统的低活性矿物掺合料，如粉煤灰等，材料将具备相近的拉伸变形能力，但拉伸强度将难以超过10MPa。相比现有的规则截面纤维，或其它如聚丙烯纤维等类型的纤维，本发明同样规格的纤维具有较大的比表面积 从而增加了纤维与基体的接触面积，提高了纤维桥联的能力。

本发明通过纤维实际应用，提供一种解决现有技术中的混凝土高抗拉强度，高抗压强度与高延性难以共存的技术难题，同时保证生产的高性能混凝土塌落度大于180mm且可泵送现浇。

附图说明

图1（a）~（f）为本发明所述的一种异形截面的超高分子量PE纤维的沿长度方向结构示意图；

图2（a）~（f）为本发明所述的一种异形截面的超高分子量PE纤维的截面结构示意图；

图3为实施本发明所述异形截面的超高分子量PE纤维增韧的超高强超高延性水泥基材料的应力-应变与龄期关系对比示意图。

图4、图5、图6分别是实施例1、2、3异形截面的超高分子量PE纤维增韧的超高强超高延性水泥基材料的应力-应变与龄期关系对比示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

基于上述异形截面超高分子量PE纤维特征，应用此纤维可制备得到的超高延性混凝土，下面结合实例进行详细说明。

实施例中所使用的原材料若非特指，均为公知的，市售化工原料。

实施例1：

本实施超高延性混凝土，包括P.O.42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰、硅灰、石英砂、减水剂、自来水以及异形截面PE纤维。各组分如下表1所示，表中各部分为重量份含量，其中，表1中PE纤维长度为18mm，长径比为750，截面形状为十字形，十字形截面的高厚比为3:1，比表面积约为290000m²/m³。

表1 产品组分及重量份含量

水泥	粉煤灰	硅灰	石英砂	减水剂	水	PE纤维
							400	600	5	500	3	240	20

本实例高强超高延性混凝土的制备过程如下：

(1)将水泥400份，I级粉煤灰600份，硅灰5份，石英砂500份，加入搅拌机，干粉搅拌2-3分钟，混合均匀；

(2)加入减水剂与水的混合液体，搅拌2-3min，使干粉成浆；

(3)分批掺入纤维，搅拌4-8min，保证纤维分散均匀；

(4)搅拌完成后，放入模具中，振捣1-2min成型；

(5)进行养护，高温20℃常温养护2天，脱模即得本产品。

制得的产品的力学性能试验结果见附图4。

实施例2：

本实施超高延性混凝土，包括P.O.52.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰、硅灰、石英砂、减水剂、自来水以及异形截面PE纤维。各组分如下表1所示，表中各部分为重量份含量，其中，表2中PE纤维长度为18mm，长径比为750，截面形状为三角形，边长28μm，比表面积约为247000m²/m³。

表2 产品组分及重量份含量

水泥	粉煤灰	硅灰	石英砂	减水剂	水	PE纤维
							500	500	20	500	3	230	20

本实例高强超高延性混凝土的制备过程如下：

(1)将水泥500份，I级粉煤灰500份，硅灰20份，石英砂500份，加入搅拌机，干粉搅拌2-3分钟，混合均匀；

(2)加入减水剂与水的混合液体，搅拌2-3min，使干粉成浆；

(3)分批掺入纤维，搅拌4-8min，保证纤维分散均匀；

(4)搅拌完成后，放入模具中，振捣1-2min成型；

(5)进行养护，高温20℃常温养护2天，脱模即得本产品。

制得的产品的力学性能试验结果见附图5。

实施例3：

本实施超高延性混凝土，包括P.O.52.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰、硅灰、石英砂、减水剂、自来水以及异形截面PE纤维。各组分如下表1所示，表中各部分为重量份含量，其中，表1中PE纤维长度为18mm，长径比为750，截面形状为椭圆形，椭圆的长短轴比例为1.2:1，比表面积约为160000m²/m³。

表3 产品组分及重量份含量

水泥	粉煤灰	硅灰	石英砂	减水剂	水	PE纤维
							500	400	100	500	15	200	20

本实例高强超高延性混凝土的制备过程如下：

(1)将水泥500份，I级粉煤灰400份，硅灰100份，石英砂500份，加入搅拌机，干粉搅拌2-3分钟，混合均匀；

(2)加入减水剂与水的混合液体，搅拌2-3min，使干粉成浆；

(3)分批掺入纤维，搅拌4-8min，保证纤维分散均匀；

(4)搅拌完成后，放入模具中，振捣1-2min成型；

(5)进行养护，高温20℃常温养护2天，脱模即得本产品。

制得的产品的力学性能试验结果见附图6。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。