專利名稱：低成本碳纖維增強混凝土及其制備方法與應用的制作方法
技術領域：
本發明屬于建筑材料技術領域，特別是涉及一種低成本碳纖維增強混凝土及其制 備方法與應用。
背景技術：
隨著現代化水平的不斷提高，人們對現代建筑提出了高層化、大跨度化等更高的 要求，為了實現這些要求，水泥基復合材料的比強度需要進一步提高。復合化是水泥基材料 實現高性能的重要途徑，纖維增強是其核心。因此，國內外在纖維增強水泥復合材料的研究 上有了重大的突破。由于石棉纖維容易致癌、玻璃纖維在堿性環境中不能保持穩定及鋼纖維易出現鋼 筋銹蝕問題，這些都限制其在水泥基復合材料中的大規模應用。相比之下，碳纖維是一種新 興的碳基纖維材料。碳纖維的優勢在于它除了無石棉纖維的致癌結構，還無毒無害，而且， 在水泥漿的強堿性環境中有很好的穩定性，這是玻璃纖維和鋼纖維所不可比擬的。碳纖維 不僅提高了水泥復合材料的抗折、抗拉強度，還增加了水泥材料的韌性，賦予傳統的水泥材 料以新的性能——輕質高強、耐沖擊、耐干縮性等。基于此，碳纖維水泥基材料獲得了越來 越多的關注，但其重點集中于機敏性或智能性的研究，如壓敏性、熱敏性及電磁屏蔽性等， 這些研究雖然賦予了碳纖維水泥基材料新的功能，但由于對碳纖維性能有較高的要求，且 其應用局限于某一特定領域或重點工程，因此，并沒有促進碳纖維的大規模應用。而對于低 成本碳纖維的應用研究尚未展開，其是否也可以像高性能的普通碳纖維那樣在水泥復合材 料中使用并發揮作用，如使用還應該攻克哪些技術難關等等問題都需要解決，因此開展低 成本碳纖維在水泥基材料中的高效應用及性能提升研究具有較強的工程意義。
發明內容
本發明提供了 一種韌性高、成本低的碳纖維增強混凝土。為解決上述技術問題，本發明采取以下技術方案一種低成本碳纖維增強混凝土， 由以下六類組分組配而成水泥(A)添加比例為410 510kg/m3 ；分散劑⑶占水泥用量的5% 15% (wt)；聚羧酸(鹽)減水劑(C)占A和B總量的0. 5% 2. 0% (wt)；水(D)占水泥用量的30% 40% (wt)；砂、石(E)按每m3混凝土重MOOkg計算，砂石總量為MOOkg扣除A、B、D組分后 的重量，其中砂在砂石總量中占30% 40% (wt，砂率)。 低成本碳纖維(F)占混凝土的體積摻量為0. 5 % 2 %。在上述低成本碳纖維增強混凝土中，所述水泥(A)選用普通硅酸鹽水泥(P · 0或 P · I)。所述分散劑(B)是一種以硅質材料為主要成份組分，其SiO2含量在35% 90%(Wt)，具體可為硅灰、粉煤灰或礦渣等。所述聚羧酸減水劑(C)為特殊調配的組分，由 10% (wt)消泡組分和90 99% (wt)母液復配并分散在水中而成；所述母液可為烯丙醇聚氧乙烯醚、丙烯酸聚乙二醇酯或烷基聚醚等，所述消泡組 分可為高碳醇、聚二甲基硅氧烷或聚醚改性硅等。所述砂、石(E)選用普通河砂與石子。本發明的第二個目的是提供一種制備上述低成本碳纖維增強混凝土的方法。本發明所提供的制備方法，可包括以下步驟1)先將低成本碳纖維(F)與分散劑(B)充分混合，再加入到水泥(A)中混合均勻；2)將砂、石(E)、步驟1)中得到的混合物依次加入攪拌機中進行干拌，再將聚羧酸 減水劑(C)加到拌合用水(D)中混合均勻，再一起加入到攪拌機內進行攪拌，混勻后得到產品。在上述制備方法中，所述步驟幻中的攪拌方法為將砂、石(E)、步驟1)中得到的 混合物加入后，開動攪拌機進行干混30秒，停止攪拌機，再將預混有聚羧酸減水劑的拌合 水加入，繼續攪拌180秒。本發明提供了一種低成本碳纖維增強混凝土。該發明是將低成本碳纖維應用于混 凝土中，發明重點是低成本碳纖維在水泥基材料中的分散優化和界面改性，使其在滿足水 泥基材料實際需求的前提下使各種性能得到提升。本發明充分利用碳纖維的高力學性能來 提升混凝土的韌性，并降低碳纖維混凝土單方制備成本50%，具有品質優、制備工藝簡單、 成本低等優點，適合大面積推廣和應用。下面結合具體實施例對本發明做進一步詳細說明。
圖1為用普通碳纖維配制的混凝土及與實施例1-3制備的低成本碳纖維增強混凝 土的韌性測試結果
具體實施例方式本發明提供了一種低成本碳纖維增強混凝土，由以下六類組分組配而成水泥(A)添加比例為410 510kg/m3 ；在所述低成本碳纖維增強混凝土的組分 中，所述水泥(A)可選用普通硅酸鹽水泥(P · 0或P · I)。分散劑⑶占水泥用量的5% 15% (wt)；聚羧酸或聚羧酸鹽減水劑(C)占A和B總量的0. 5% 2. 0% (wt)；水(D)占水泥用量的30% 40% (wt)；砂、石(E)按每m3混凝土重MOOkg計算，砂石總量為MOOkg扣除A、B、D組分后 的重量，其中砂在砂石總量中占30% 40% (wt，砂率)；可選用普通河砂與石子。低成本碳纖維(F)占混凝土的體積摻量為0. 5% 2% ；低成本碳纖維是利用低 能耗生產工藝制備的，或是普通碳纖維生產工藝的邊角料。以上組配中，所述分散劑⑶是一種以硅質材料為主要成份組分，其SW2含量在 35% 90% (wt)具體可為硅灰、粉煤灰等；所述聚羧酸減水劑(C)為特殊調配的組分，由 10% (wt)消泡組分和90 99% (wt)母液復配并分散在水中而成；所述母液可為烯
丙醇聚氧乙烯醚、丙烯酸聚乙二醇酯或烷基聚醚等，消泡組分可為高碳醇、聚二甲基硅氧烷 或聚醚改性硅等。本發明中所用原料均為商購。在本發明混凝土中，由于低成本碳纖維(F)的使用，需特別調配使用分散劑(B) 和減水劑(C)，低成本碳纖維(F)是邊角料，其本身存在表面狀態差、形態不均一及存在力 學薄弱區的缺陷，本發明通過研究確定，分散劑(B)通過其“微細效應”與碳纖維進行充分 的結合，可以改善碳纖維的表面接觸狀態，促進碳纖維的分散；本發明還利用聚羧酸減水劑 (C)中復配的消泡組分降低體系中由于有機物質加入而帶來的氣泡含量，從而改善碳纖維 在水泥材料中的分散效果。而且，分散劑(B)和減水劑(C)兩者復合使用才能使低成本碳 纖維在水泥材料中達到最優的分散，不僅改善了與水泥石的物理接觸狀態，在水泥水化條 件下分散劑(B)所形成的嵌入式反應提高了其與水泥石的化學結合狀態，因此前述實施條 件下能夠使本發明混凝土的界面結構達到充分的物理與化學結合；相同的應用條件下，滿 足水泥基材料對其性能要求的同時達到降低成本的目的。另一方面，本發明還提供了一種上述低成本碳纖維增強混凝土的制備方法。本發明所提供的低成本碳纖維增強混凝土的制備方法，可包括以下步驟1)先將低成本碳纖維(F)與分散劑(B)充分混合，再加入到水泥(A)中混合均勻；2)將砂、石(E)、步驟1)中得到的混合物依次加入攪拌機中進行干拌，再將聚羧酸 減水劑(C)加到拌合用水(D)中混合均勻，再一起加入到攪拌機內繼續進行攪拌，混勻后得 到產品。在上述制備方法中，所述步驟2、中的攪拌方法為將砂、石(E)、步驟1)中得到的 混合物加入后，開動攪拌機進行干混30秒，停止攪拌機，再將預混有聚羧酸減水劑的拌合 水加入，繼續攪拌180秒。實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的 操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。下述實施例中所用方法如無特別說明均為常規方法。實施例1 低成本碳纖維增強混凝土的配制(按30L計算)用下述方法制備低成本碳纖維增強混凝土，具體方法包括以下步驟1)稱重取料PI水泥12. Ig(購自北京興發水泥有限公司)；分散劑粉煤灰 2. Ig(購自奧斯麥特科技(北京)有限公司)；聚羧酸高效減水劑(99%烯丙醇聚氧乙烯 醚+1%的碳醇)62g(購自北京海馬化工有限公司)；水3.7Kg(自來水)；砂21. Ig;石 32. 4Kg ；低成本碳纖維960g(購自江蘇中復神鷹碳纖維有限公司)。2)先將低成本碳纖維與分散劑充分混合，再加入到水泥中混合均勻，混合過程在 混料機中進行，混料時間不小于1分鐘，以混合均勻。3)第一層先將砂、石加入強制式攪拌機后，第二層將步驟2、混合均勻后得到分散 劑、水泥與碳纖維混合物加入至強制式攪拌機，第三層再將預混有聚羧酸減水劑的拌合水 加入。攪拌方法為第一、第二物料加入后，開動攪拌機進行干混30秒，停止攪拌機，將聚羧 酸減水劑及拌合水一同加入，攪拌180秒后將混凝土卸出，得到低成本碳纖維增強混凝土。 然后立即按照CECS13 2009纖維混凝土試驗方法標準進行工作性能、含氣量等新拌性能的測試。4)根據性能檢測的需要，將制備好的混凝土裝入試模，到規定齡期后進行力學性 能的測試。實施例2 低成本碳纖維增強混凝土的配制(按30L計算)用下述方法制備低成本碳纖維增強混凝土，具體方法包括以下步驟1)稱重取料PI水泥13. ^ig(購自北京興發水泥有限公司)；分散劑礦渣770g(購 自奧斯麥特科技(北京)有限公司)；砂19.8秘；石33.2秘；水4.7秘(自來水)；聚羧酸 高效減水劑(95%丙烯酸聚乙二醇酯+5 %的聚醚改性硅)189g (購自北京海馬化丁有限公 司)；低成本碳纖維480g(購自江蘇中復神鷹碳纖維有限公司)。2)-3)與實施例1相同。實施例3 低成本碳纖維增強混凝土的配制(按30L計算)用下述方法制備低成本碳纖維增強混凝土，具體方法包括以下步驟1)稱重取料PI水泥15. Ig(購自北京興發水泥有限公司)；分散劑硅灰615g(購 自奧斯麥特科技(北京)有限公司)；砂15.3Kg;石34.9Kg;水6. IKg(自來水)；聚羧酸高 效減水劑(90%烷基聚醚+10%的聚二甲基硅氧烷)306g(購自北京海馬化工有限公司)； 低成本碳纖維240g(購自江蘇中復神鷹碳纖維有限公司)。2)-3)與實施例1相同。性能比較用普通碳纖維配制的混凝土對比樣與實施例1-3制備的低成本碳纖維 增強混凝土的性能進行比較。普通碳纖維與本發明所用的低成本碳纖維的區別在于普通碳纖維具有較好的表 面狀態、稍高的力學性能(如抗拉強度、彈性模量等)，但市場價格要高出130元/公斤。低 成本碳纖維是利用低能耗生產工藝制備的(或普通碳纖維生產工藝的邊角料)，力學性能 和表面狀態均較普通碳纖維要差，市場價格在80 100元/公斤。各混凝土配方如表1所示。表1用普通碳纖維配制的混凝土及與實施例1-3制備的低成本碳纖維增強混凝土的配方(Kg/m3)
權利要求
1.一種低成本碳纖維增強混凝土，由以下六類組分組配而成水泥(A)添加比例為410 510kg/m3 ；分散劑⑶占水泥用量的5% 15% (wt)；聚羧酸(鹽)減水劑(C)占A和B總量的0. 5% 2. 0% (wt)；水⑶占水泥用量的30% 40% (wt)；砂、石(E)按每m3混凝土重MOOkg計算，砂石總量為MOOkg扣除A、B、D組分后的重 量，其中砂在砂石總量中占30% 40% (wt，砂率)。低成本碳纖維(F)占混凝土的體積摻量為0.5% 2%。
2.根據權利要求1所述的低成本碳纖維增強混凝土，其特征在于所述水泥(A)選用 普通硅酸鹽水泥(P · 0或P · I)。
3.根據權利要求1所述的低成本碳纖維增強混凝土，其特征在于所述分散劑(B)是 一種以硅質材料為主要成份組分，其SW2含量在35% 90% (wt)，具體可為硅灰、粉煤灰 或礦渣。
4.根據權利要求1所述的低成本碳纖維增強混凝土，其特征在于所述聚羧酸減水劑 (C)為特殊調配的組分，由 10% (wt)消泡組分和90 99% (wt)母液復配并分散在 水中而成；所述母液可為烯丙醇聚氧乙烯醚、丙烯酸聚乙二醇酯或烷基聚醚等，所述消泡組分可 為高碳醇、聚二甲基硅氧烷或聚醚改性硅等。
5.根據權利要求1所述的低成本碳纖維增強混凝土，其特征在于所述砂、石(E)選用 普通河砂與石子。
6.一種制備權利要求1-5所述低成本碳纖維增強混凝土的方法，包括以下步驟1)先將低成本碳纖維(F)與分散劑(B)充分混合，再加入到水泥(A)中混合均勻；2)將砂、石(E)、步驟1)中得到的混合物依次加入攪拌機中進行干拌，再將聚羧酸減水 劑(C)加到拌合用水(D)中混合均勻，再一起加入到攪拌機內進行攪拌，混勻后得到產品。
7.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于所述步驟幻中的攪拌方法為將砂、 石(E)、步驟1)中得到的混合物加入后，開動攪拌機進行干混30秒，停止攪拌機，再將預混 有聚羧酸減水劑的拌合水加入，繼續攪拌180秒。
8.權利要求1-5所述的低成本碳纖維增強混凝土在建筑領域中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種低成本碳纖維增強混凝土及其制備方法與應用。該低成本碳纖維增強混凝土，由以下六類組分組配而成水泥(A)410～510kg/m3；分散劑(B)，占水泥用量的5％～15％(wt)；減水劑(C)，占A和B總量的0.5％～2.0％(wt)；水(D)，占水泥用量的30％～40％(wt)；砂、石(E)，按每m3混凝土重2400kg計算，砂石總量為2400kg扣除A、B、D組分后的重量，其中砂在砂石總量中占30％～40％(wt，砂率)；低成本碳纖維(F)，占混凝土的體積摻量為0.5％～2％。本發明充分利用碳纖維的高力學性能來提升混凝土的韌性，并降低碳纖維混凝土單方制備成本50％，具有品質優、制備工藝簡單、成本低等優點，適合大面積推廣和應用。
文檔編號C04B14/38GK102093010SQ20101056487
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月24日 優先權日2010年11月24日
發明者吳浩, 姚燕, 王玲, 高春勇 申請人:中國建筑材料科學研究總院