钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及混凝土桥桥面刚性铺装和新、 旧水泥混凝土路面罩面加铺用的混凝 土， 具体涉及钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土及其制备方法。背景技术
桥面铺装的功用是保护主梁整体部分的行车道板不受车辆轮胎或履带的直接磨 耗， 防止主梁遭受雨水的侵蚀， 并能对车辆轮重的集中荷载起到一定的分布作用。 铺装设计 的主要目标是控制裂缝扩展并将收缩应力、 温度应力和疲劳应力引起的裂缝减至最小。由 此， 桥面铺装要求有一定强度， 并能满足抗裂、 抗冲击、 具有耐磨性等各项要求。 考虑到分缝 处各板块角部易产生开裂， 也要求桥面铺装具有足够的抗弯强度和韧性。
现在国内外常用的桥面铺装材料有 ： 沥青混合料、 普通水泥混凝土、 钢筋网增强混 凝土、 连续配筋混凝土、 钢纤维增强混凝土、 聚合物改性混凝土、 聚合物纤维混凝土等。
强度一直是混凝土作为重要结构材料的主要性能指标， 混凝土高强化是多年来混 凝土研究与发展的努力方向。但是混凝土抗拉、 抗弯、 抗冲击、 抗爆以及韧性差等固有的弱 点却仍限制着其优势的充分发挥， 并且随着混凝土强度的不断提高， 这一弱点也愈益突出。 通常认为， 混凝土强度越高， 其韧性越差， 脆性越高， 结构延性和抗裂能力越不足， 给结构抗 震性能带来的隐患越大， 防火性能越差， 混凝土耐久性问题越大。因此， 长期以来许多学者 不断探索改善混凝土上述性能的方法和途径。纤维增强混凝土， 就是近年来研究和应用最 广的重要途径之一。纤维增强混凝土 ( 或简称纤维混凝土 )， 是以水泥浆、 砂浆和混凝土为 基材， 以金属材料、 无机材料或有机纤维为增强材料组成的一种水泥基复合材料， 它是将短 而细的， 具有高抗拉强度、 高极限延伸率、 高抗碱性等良好性能的纤维均匀地分散在混凝土 基体中形成的一种新型建筑材料。
目前纤维增强混凝土主要有两类 ： 一是高弹模量短纤维增强混凝土， 其代表纤维 是钢纤维。由于钢纤维可阻滞基体混凝土裂缝的开展， 因此钢纤维增强混凝土的抗拉、 抗 弯、 抗剪强度等较普通混凝土显著提高， 其抗冲击、 抗疲劳、 裂后韧性和耐久性也有较大的 改善， 但钢纤维对混凝土的初裂防止贡献不大， 钢纤维的加入使混凝土与桥面板的连接不 良而容易出现剥离， 导致桥面铺装的过早破坏 ； 另外钢纤维增强混凝土的抗渗性、 耐碱性、 耐候性和变形性能等也较差。有研究学者研制出了钢纤维增强聚合物改性混凝土， 较好地 改善了钢纤维增强混凝土材料的缺点， 获得了优良的性能， 但由于造价昂贵， 难以广泛推广 应用。 二是低弹模量短纤维增强混凝土， 其代表纤维是聚合物纤维。 聚合物纤维对混凝土的 作用主要是限制了混凝土早期裂缝的生成与发展， 增强了混凝土的耐久性。聚合物纤维的 阻裂效应主要体现在消除或减轻了早期混凝土中原生裂隙的发生和发展， 钝化了原生裂隙 尖端的应力集中， 使混凝土基体内的应力场更加持续和均匀。聚合物纤维的阻裂作用是从 根本上对混凝土自身缺陷的改善， 包括有效增加混凝土的韧性 ； 减少裂缝， 提高抗渗能力 ； 减少裂缝， 延缓钢筋锈蚀 ； 减少混凝土结构受到的化学侵蚀 ； 增强抗冻融能力， 减少混凝土 结构遭受破坏 ； 减少混凝土的泌水， 使表面混凝土的质量得以改善 ； 减少裂缝， 提高耐磨性和抗冲击能力等等。但聚合物纤维的加入对混凝土的强度提高没有贡献， 相反大量掺入聚 合物纤维对混凝土的强度有一定的降低作用。因此， 聚合物纤维这些优点能较好地补充和 完善钢纤维增强混凝土的防初裂和抗渗性等方面的缺点， 而钢纤维对混凝土的增强作用能 较好地弥补聚合物纤维混凝土在强度方面的损失。 发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷， 提供钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增 强混凝土及其制备方法。本发明通过如下技术方案实现 ：
钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土的制备方法， 包括如下步骤 ：
(1) 清洗砂、 石子， 并使其处于干燥状态 ；
(2) 将水泥、 砂、 石子按质量比 1 ∶ 1.45 ～ 2.2 ∶ 1.78 ～ 2.73 投入拌合设备中， 再按钢纤维与混凝土的体积比 0.6 ～ 0.8％∶ 1 投入钢纤维， 拌合均匀 ；
(3) 按水、 水泥质量比 0.30 ～ 0.48 ∶ 1 的比例准备水， 按高效减水剂与水泥的质 3 量比 0.3 ～ 1.2％∶ 1， 并按 1m 混凝土 0.6 ～ 1.2kg 聚合物纤维的比例投入所述水中搅匀 得到混合物 ； (4) 将步骤 (3) 得到的含有高效减水剂、 聚合物纤维和水的混合物投入混凝土拌 合设备中， 搅拌均匀后出料， 制备得钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土。
上述的钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土的制备方法中， 所述聚合物纤维为 短纤维聚丙烯或聚丙烯腈。
上述的钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土的制备方法中， 所述高效减水剂为 高浓缩粉剂， 所述高效减水剂以脂肪族羟基磺酸盐高缩合物为主要成分。
上述的钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土的制备方法中， 所述砂为中砂。
上述的钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土的制备方法中， 所述石子的级配为 5 ～ 20mm 连续级配。
上述的钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土的制备方法中， 砂、 石子应该提前 清洗， 并使其在使用时处于干燥状态， 否则搅拌时容易出现结团。
本发明还提供了由上述制备方法得到的钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土。
本发明的钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土在浇注后养护方法和普通混凝 土养护方法一致。
以下对本发明技术方案的部分原理作进一步说明 ： 桥面铺装通常没有结构性的目 的， 主要是用于提高桥面的耐久性和服务寿命。 一方面， 桥面铺装层要有足够的强度承受和 分散交通轮载， 有足够的耐磨性抵抗车轮的磨耗 ； 另一方面， 桥面铺装层要有足够的韧性来 满足桥面结构的变形， 防止出现裂缝和抵抗裂缝的扩展， 提高铺装层的抗渗透性， 从而提高 桥面的耐久性， 延长服务寿命。 除了混凝土成型过程中存在的孔隙外， 混凝土的抗渗性主要 决定于对裂缝产生和扩展的控制。钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土克服了钢纤维增 强混凝土和聚合物纤维混凝土的缺点， 发挥了各自的优点。 在混凝土凝结成型阶段， 聚合物 纤维在 μm 尺度上抑制了混凝土基体中微裂缝的形成和发展， 有效减少了微裂缝的数量和 尺寸， 改善了混凝土的脆性， 提高了混凝土的韧性和抗渗性。在混凝土固化承载阶段， 均匀 乱向分布的钢纤维在混凝土基体内有效减小初始缺陷处的应力集中， 通过桥联作用抑制裂
纹的产生和扩展， 提高混凝土的初裂强度、 弯曲韧性、 抗渗性、 耐久性等。同时， 钢纤维的掺 入能有效提高强混凝土的抗拉、 抗弯、 抗剪强度、 抗冲击、 抗疲劳、 裂后韧性等性能， 这恰恰 弥补了聚合物纤维对混凝土强度提高没有贡献的不足。因此， 钢纤维 / 聚合物纤维双纤维 增强混凝土是满足设计优良桥面铺装体系需要的新型材料。
本发明与现有技术相比， 具有如下优点 ：
本发明通过上述技术方案达到克服钢纤维混凝土初裂、 渗透、 耐磨、 变形、 收缩等 性能差的缺陷和聚合物纤维混凝土抗弯、 抗拉、 抗剪、 抗疲劳、 抗冲击等性能差的缺陷， 具有 抗初裂强度高、 抗渗透、 耐磨、 变形性能优良、 收缩小， 抗弯、 抗拉、 抗剪强度高， 抗疲劳、 抗冲 击性能优良等效果。 在钢纤维和聚合物纤维的协同作用下， 弱点明显被克服， 各组分性能得 到了充分发挥， 形成了刚柔相济性能良好的复合材料。
总的来说， 钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土克服了钢纤维混凝土和聚合物 纤维混凝土的不足， 发挥了两者的优点， 具有初始裂缝少、 初裂强度高、 抗拉抗弯强度高、 抗 冲击性能高、 抗疲劳性能好、 耐久性好、 抗渗性好等优良性能， 并且施工程序和工艺没有特 殊要求。钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土综合性能高， 价格合理， 在混凝土桥桥面刚 性铺装和新、 旧水泥混凝土路面罩面加铺领域具有广阔的推广前景。 具体实施方式
本发明的钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土配方如下 ：
其中水泥是普通硅酸盐水泥， 减水剂是高效减水剂， 是以脂肪族羟基磺酸盐高缩 合物为主要成分， 为高浓缩粉剂。聚合物纤维是是市售产品。砂是中砂， 石子的级配是 5 ～ 20mm 连续级配 ； 聚合物纤维的掺量是每 1 立方米混凝土的聚合物纤维质量 ； 钢纤维体积比 是钢纤维与混凝土的体积比。
以下结合实施例对本发明的具体实施作进一步说明， 但本发明的实施和保护范围 不限于此。
实施例 1
制备钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土的原材料 ：
(1) 水泥 ： 强度等级为 32.5 的普通硅酸盐水泥 ；
(2) 砂 ： 河砂， 表观密度 2.65g/cm3， 堆积密度 1400kg/m3， 孔隙率 47.2 ％， 含泥量 1％， 细度模数 2.8， 为中砂 ；
(3) 碎石 ： 人工轧制花岗岩碎石， 粒径＜ 20mm ；
(4) 钢纤维 ： 剪切型钢纤维， 长度 30mm， 等效直径 0.69mm， 长径比 45， 抗拉强度＞ 755MPa ；
(5) 聚合物纤维 ： 聚丙烯纤维或聚丙烯腈纤维， 束状单丝， 长度 12/19mm， 直径 20/38μm， 抗拉强度＞ 500MPa ；
(6) 减水剂 ： KJ-5 高效减水剂， 高浓、 粉剂。
钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土的制备方法如下 ：
(1) 清洗砂、 石子， 并使其处于干燥状态 ；
(2) 钢纤维从袋中倒出后， 检查、 剔除有锈蚀、 结团的钢纤维 ；
(3) 将水泥、 砂、 石子按质量比 1 ∶ 1.82 ∶ 2.23 投入拌合设备中， 再按钢纤维与混 凝土的体积比 0.6％∶ 1 投入钢纤维， 拌合均匀 ；
(4) 按水、 水泥质量比 0.44 ∶ 1 的比例准备水， 按高效减水剂与水泥的质量比 3 0.48％∶ 1， 按 1m 混凝土 1.2kg 聚合物纤维的比例投入水中搅匀得到混合物 ；
(5) 将含有高效减水剂、 聚合物纤维和水的混合物投入混凝土拌合设备中， 搅拌均 匀后即可出料， 制备得钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土。
所述石子的级配是 5 ～ 20mm 连续级配。
实施例 2
制备钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土的原材料 ： (1) 水泥 ： 强度等级为 32.5 的普通硅酸盐水泥 ；
(2) 砂 ： 河砂， 表观密度 2.65g/cm3， 堆积密度 1400kg/m3， 孔隙率 47.2 ％， 含泥量 1％， 细度模数 2.8， 为中砂 ；
(3) 碎石 ： 人工轧制花岗岩碎石， 粒径＜ 20mm ；
(4) 钢纤维 ： 剪切型钢纤维， 长度 30mm， 等效直径 0.69mm， 长径比 45， 抗拉强度＞ 755MPa ；
(5) 聚合物纤维 ： 聚丙烯纤维或聚丙烯腈纤维， 束状单丝， 长度 12/19mm， 直径 20/38μm， 抗拉强度＞ 500MPa ；
(6) 减水剂 ： KJ-5 高效减水剂， 高浓、 粉剂。
钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土的制备方法如下 ：
(1) 清洗砂、 石子， 并使其处于干燥状态 ；
(2) 钢纤维从袋中倒出后， 检查、 剔除有锈蚀、 结团的钢纤维 ；
(3) 将水泥、 砂、 石子按质量比 1 ∶ 1.82 ∶ 2.23 投入拌合设备中， 再按钢纤维与混 凝土的体积比 0.8％∶ 1 投入钢纤维， 拌合均匀 ；
(4) 按水、 水泥质量比 0.44 ∶ 1 的比例准备水， 按高效减水剂与水泥的质量比 3 0.48％∶ 1， 按 1m 混凝土 0.9kg 聚合物纤维的比例投入水中搅匀得到混合物 ；
(5) 将含有高效减水剂、 聚合物纤维和水的混合物投入混凝土拌合设备中， 搅拌均 匀后即可出料， 制备得钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土。
所述石子的级配是 5 ～ 20mm 连续级配。
实施例 3
制备钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土的原材料 ：
(1) 水泥 ： 强度等级为 32.5 的普通硅酸盐水泥 ；
(2) 砂 ： 河砂， 表观密度 2.65g/cm3， 堆积密度 1400kg/m3， 孔隙率 47.2 ％， 含泥量 1％， 细度模数 2.8， 为中砂 ；
(3) 碎石 ： 人工轧制花岗岩碎石， 粒径＜ 20mm ；
(4) 钢纤维 ： 剪切型钢纤维， 长度 30mm， 等效直径 0.69mm， 长径比 45， 抗拉强度＞ 755MPa ；
(5) 聚合物纤维 ： 聚丙烯纤维或聚丙烯腈纤维， 束状单丝， 长度 12/19mm， 直径 20/38μm， 抗拉强度＞ 500MPa ；
(6) 减水剂 ： KJ-5 高效减水剂， 高浓、 粉剂。
钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土的制备方法如下 ：
(1) 清洗砂、 石子， 并使其处于干燥状态 ；
(2) 钢纤维从袋中倒出后， 检查、 剔除有锈蚀、 结团的钢纤维 ；
(3) 将水泥、 砂、 石子按质量比 1 ∶ 1.82 ∶ 2.23 投入拌合设备中， 再按钢纤维与混 凝土的体积比 0.8％∶ 1 投入钢纤维， 拌合均匀 ；
(4) 按水、 水泥质量比 0.44 ∶ 1 的比例准备水， 按高效减水剂与水泥的质量比 3 0.48％∶ 1， 按 1m 混凝土 1.2kg 聚合物纤维的比例投入水中搅匀得到混合物 ；
(5) 将含有高效减水剂、 聚合物纤维和水的混合物投入混凝土拌合设备中， 搅拌均 匀后即可出料， 制备得钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土。 所述石子的级配是 5 ～ 20mm 连续级配。
用本发明的制备方法制备钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土， 不但具有高抗 渗性、 高耐久性， 而且具有优良的抗冲击和抗疲劳性能 ( 如表 1 所示 )， 能有效地延长桥面铺 装的使用寿命。采用本发明对 “119 省道” 里程 K54+930-K54+960 的路面及与其相连的麻冚 桥的桥面进行了旧桥面、 路面的改造， 铺装过程中钢纤维 / 聚合物纤维双纤维增强混凝土 采用现场拌合， 经过随机抽样检查两种纤维在混凝土中分布均匀 ； 该改造路段运行情况良 好。实验室和工程应用情况均表明， 用本发明的制备方法制备钢纤维 / 聚合物纤维双纤维 增强混凝土可广泛应用于混凝土桥桥面刚性铺装和新、 旧水泥混凝土路面罩面加铺。
表 1 不同混凝土材料的性能对比
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