研磨纤维水泥

本发明涉及纤维增强的水泥质组合物，如混凝土、砂浆和灰浆。特别涉及研磨纤维和水泥的组合物制备方法，这种组合物可生产优质纤维增强混凝土、砂浆和灰浆。

通过在混合料中加入有机纤维，可以改进混凝土、砂浆和灰浆的物理性能。多种有机聚合物纤维如单纤维、有纤维组织的薄膜和细纤维已用来掺入到混凝土混合料中。最佳的聚合物在最初的湿料和最终凝固的组合物中，不起化学反应和不受水解作用。业已证明，聚烯烃和钢的纤维具有很好的拉伸应变性和牢固性，掺入它们能改进混凝土和砂浆性能。

在水合和聚合反应过程中，纤维变得很细地粘在水泥质产品上。在凝固反应中它可部分地防止水泥质成分的收缩。这些纤维提供抗击性、抗裂性和耐磨性，控制塑料收缩裂纹，改善后开裂状况并延长疲劳寿命。为了提供这些和其它改进的特性，必须使这些纤维均匀地分散在初始混合料中。

在本发明之前，用于熟水泥质组合物中的纤维是市售的散装或包装的原纤维、单纤维或微丝。一般，纤维和水泥、砂、粒料、其它掺和物、水一起放入混合机。较长的纤维往往引起结块和成球，特别在高密度及混合物剪切作用时更是如此，组合物成分能离析和分散这些纤维。由于熟水泥质混合料的组织结构和不透明性，不可能用肉眼监测混合。但是，凝固水泥质组合物的检验表明，纤维往往不能有效均匀分散和处于最佳游离状态。

0.0001至10体积百分比的研磨纤维均匀分散在可水合水泥粉末 中形成的可水合混合物是这样制备的：即，把纤维母体和水泥熟料放到研磨机内，研磨该混合物直至熟料变成细粉。纤维可以是钢、耐碱玻璃、碳、陶瓷或有机聚合物纤维或者它们的混合物。适宜的纤维母体是钢纤维和呈挤出单丝状的聚烯烃或直经达20000登尼尔、长度1至75mm的有纤维组织的薄膜纤维。最佳的纤维是钢、聚丙烯及它们的混合物。

本发明的目的是提供一种可水合的水泥质混合料，用该混合料生产出的纤维增强水合产品，在纤维表面粘接、拉伸应变能力、后裂缝状况、刚性、冲击强度、抗疲劳、耐火、握裹钢筋、耐腐蚀和韧性方面都有改善。这些目的是通过将纤维母体与水泥熟料一起研磨，形成纤维水泥而实现的。

可以发现，当纤维与熟料一起在研磨机内研磨时，其均匀分散度得以增加。在纤维的研磨和分散过程中，水泥颗粒嵌入纤维表面，增加了表面的亲水性。当与水接触时，纤维很快地湿润并在混合过程中分散开，这就在凝固水泥质组合物中，消除了纤维的成球和结块现象。其结果，用特定的纤维与水泥的体积比，可增加产品的机械强度和抗裂缝性能，并且，增加了用特殊纤维或纤维混合物而得到的混凝土最大刚度。

波特兰水泥是这样形成的：焙烧碎石灰石、铁矿石、砂和粘土至高温，形成水泥熟料，该熟料冷却后，碾碎成均匀的颗粒，该颗粒尺寸适合于研磨机，例如球磨机。该熟料颗粒然后被研磨成细粉。该细粉即为市售的，消费者熟知的水泥。该细粉与其它配料和水混合，就可形成所需产品，如砂浆、灰浆、喷浆料或混凝土等。例如，混凝土是由波特兰水泥、砂、粒料、掺合剂和水的水合混合料而形 成的。纤维添加物一般与其它添加物同时加入到混合料中，在混合机内作为组成成分分散并相互混合。纤维添加物可以减少因混凝土凝固收缩而产生的裂缝或减小该裂缝宽度。由于在正常混合中，纤维分散是困难的，所以，纤维的长度与直径之比不应大于100～1。另外，即使纤维的长度与直径之比小于100～1，由于混凝土中纤维分散度的不可避免的可变性，该纤维不能承受较大的拉力。因此需要由结构钢筋和加强钢筋承受该拉力。

根据本发明方法，通过将纤维母体和熟料颗粒放到水泥研磨机内研磨，就可以得到改进的、纤维均匀分散的纤维增强产品。由于熟料颗粒和研磨部件对纤维的作用，纤维母体变细、变粗糙和磨损。在为制备混凝土加入这些组分时，就可以使纤维快速湿润并均匀分散而不成球和结块。在水合作用过程中，该变细、变粗糙、磨损的纤维与水泥的机械粘接更强，在改善上述所有特性方面，纤维增强是起重要作用的。纤维的长度与直径之比（长度除以直径）可以采用大于100～1，并且纤维分散的均匀度可增加到使得纤维所承受大部分拉力的程度。

用已有技术的分散方法，纤维密集度高于一个较低的绝对体积比或密集度有损混凝土的物理特性，用本发明的方法，较高的绝对体积比或纤维密度可以增加强度、抗裂和其它所需特性。即使是低绝对体积比，在所需特性和纤维的“纤维增强作用”方面，也有显著增加。

以下就波特兰水泥组合物对本发明进行说明，这仅仅是为了便于说明清楚，并不作为限定。该方法和组合物同样适合于任何水泥质组合物。该水泥质组合物是通过研磨可水合成分至细粉而做成的。 其中的碾细成分和矿物颗粒与纤维的相互研磨作用，可产生出改进的研磨纤维。

可用于本发明的纤维包括任何具有耐碱性，强度和稳定性的无机纤维或有机聚合物纤维。这里所说的“耐碱性”一词是指在大部分波特兰水泥环境中耐碱。

适合的无机纤维包括钢、耐碱玻璃、碳（石墨）和陶瓷等的纤维。钢纤维是最适宜的无机纤维。它们可以呈粗的带状或绳状或细纤维状，例如“钢棉”。

适合的有机纤维是：人造丝、尼龙和其它的聚酰胺、聚丙烯腈、聚乙酸乙烯酸、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚酯，如涤纶丝和聚酯薄膜、奥龙、聚烯烃如聚乙烯、聚丙烯。聚烯烃因其化学稳定性、坚固性、可变形的表面特性及其在变细扩散中的作用，是最适宜的有机纤维。在研磨作用下的变细、扩散过程中，分子排列成行，因此纤维的拉伸应变能力得到增强。在凝固水泥质混合料中，纤维表面变粗糙和磨损增强了与水泥的机械粘接特性。最佳的聚烯烃纤维是聚丙烯单纤维和有纤维组织的聚丙烯薄膜。

研磨的纤维混合物也包括在本发明范围内。最佳的混合物包括聚烯烃和钢纤维，在混凝土混合料中，它们各自的特性在抗裂和韧度方面提供了附加的改进。

研磨无机纤维母体可以是任何金属、耐碱玻璃、合成陶瓷或碳的纤维。这些纤维可以买到并正广泛用于增强水泥质结构和聚合结构。钢纤维的一个适当来源是Novocon、International、Inc（美国芝加哥）。

研磨有机纤维母体可以是通常的聚烯烃单纤维和有纤维组织的 塑料薄膜，如US3591395、US4297409和US4414030中所揭示的用于混凝土混合料中。它们的直径或当量直径从负登尼尔至20000登尼尔，最好为1～4000登尼尔。

这里所用的“当量直径”一词是指横断面面积等于纤维横断面面积的圆周的直径。该词特别适合用来描述由拉伸和切断薄膜而形成的母体纤维的相对尺寸。

母体纤维的长度可以为1～75mm，最好为5～50mm。加入熟料中的纤维成分数量，应使得产生的研磨纤维水泥组合物中，有0.0001～10体积百分比的纤维，最好有0.1～5.0体积百分比的纤维。

加入的纤维的特定尺寸和数量取决于最终产品。该产品中，波特兰水泥是已制备好的。例如，对于浆料和砂浆，母体纤维的直径或当量直径最好为1～1000登尼尔，母体纤维长度最好为5～15mm，纤维密度最好为0.1～5体积百分比。对于标准混凝土板，母体纤维的直径最好为1～2000登尼尔，母体纤维的长度最好为5～25mm，纤维密度最好为0.1～2体积百分比。对于用在桥梁和其它结构物中的钢筋混凝土梁这样的承受高应力的承重结构物，母体纤维的直径最好为6～5000登尼尔，母体纤维长度最好为10～50mm，纤维密度最好为0.1～5体积百分比。纤维-可水合水泥质粉末混合物被包装、贮存和与其它成分混合形成浆料、砂浆、喷浆料和混凝土，其方法和配料与制备通常的纤维增强水泥质产品相同。研磨纤维增强的水泥质产品，在纤维表面粘接、拉伸应变能力、后裂缝状况、刚度、冲击强度、抗疲劳、耐火、握裹钢筋、抗腐蚀和韧性方面都有所改善。这些改善是由于纤维-水泥混合物的形成而得到的，而该混合物是通过研磨纤维母体和水泥熟料而得到的。