一种含有碳纤维的混凝土、路牙石及路牙石的制备方法 |
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| 申请号 | CN201610409543.8 | 申请日 | 2016-06-03 | 公开(公告)号 | CN106082844A | 公开(公告)日 | 2016-11-09 |
| 申请人 | 张旭辉; | 发明人 | 张旭辉; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种含有 碳 纤维 的 混凝土 ，包括 碳纤维 及混凝土主料，碳纤维和所述混凝土主料的重量比为1:600‑1000，混凝土主料包括以下重量份的原料：胶凝材料313.6‑470.4份、细 骨料 512‑768份、粗骨料963.2‑1444.8份、 水 131.2‑196.8份；本发明还包括采用上述含有碳纤维的路牙石混凝土制备而成的路牙石。本发明所制备出的含碳纤维的混凝土在不损失抗压性能的 基础 上能够提高30％左右的抗拉性能，并且碳纤维约束作用显著；可明显改善建筑结构在承受 地震 等 自然灾害 时产生的巨大荷载时发生的剥离脱落现象，延缓 破碎 的混凝土 块 高空坠落的时间，提高结构整体的抗震性能，保证了人们生命和财产的安全。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种含有碳纤维的混凝土，其特征在于，包括碳纤维及混凝土主料，所述碳纤维和所述混凝土主料的重量比为1:600-1000，所述混凝土主料包括以下重量份的原料：胶凝材料 |
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| 说明书全文 | 一种含有碳纤维的混凝土、路牙石及路牙石的制备方法技术领域背景技术[0002] 混凝土是当今构筑物的主要材料，以其抗压强度高，价格低廉，使用方便等优点而被广泛应用于构筑物中，但混凝土属于脆性材料，当发生破坏时毫无征兆，具有不可预见性。目前市场上的路牙石都是由普通混凝土预制而成或是天然石材切割而成，如：花岗岩大理石制成的路牙石。由于天然石材切割而成的路牙石，不仅取材、施工困难，资源有限，破坏自然资源且成本昂贵，因此不被广泛使用。而市面上用的普通混凝土制成的路牙石虽价格低于天然石材，但其生产原料主要是用沙、石、水泥制成，生产出来的路牙石不仅抗压强度低而且在遭到破坏的时候影响其美观和整体性，掉落的破碎混凝土块会对环境造成污染，破碎后出现的缺口的混凝土路牙石块会对行人和车辆造成一定的伤害。 发明内容[0003] 有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种含有碳纤维的混凝土、路牙石及路牙石的制备方法，由该混凝土制备而成的路牙石能够在满足抗压性能的基础上，增加百分之三十的抗拉性能，有效避免路牙石因其脆性较高而突然断裂破碎后对路人或者车辆所造成得意外伤害。 [0004] 为实现以上目的，本发明采用如下技术方案： [0005] 一种含有碳纤维的混凝土，包括碳纤维和混凝土主料，所述碳纤维及所述混凝土主料的重量比为1:600-1000，所述混凝土主料包括以下重量份的原料：胶凝材料313.6-470.4份、细骨料512-768份、粗骨料963.2-1444.8份、水131.2-196.8份。 [0006] 优选地：所述含有碳纤维的混凝土包括碳纤维和混凝土主料，所述碳纤维及所述混凝土主料的重量比为1:600-1000，所述混凝土主料包括以下重量份的原料：胶凝材料392份、细骨料640份、粗骨料1204份、水164份。 [0007] 进一步的：所述含有碳纤维的混凝土包括碳纤维和混凝土主料，所述碳纤维及所述混凝土主料的重量比为1:700，所述混凝土包括以下重量份的原料：胶凝材料392份、细骨料640份、粗骨料1204份、水164份。 [0008] 优选地：所述胶凝材料为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥或复合硅酸盐水泥。进一步地：所述胶凝材料为普通硅酸盐水泥；更进一步地：所述混凝土主料中的水灰比为0.42。 [0009] 优选地：所述细骨料为Ⅱ级中砂，粒径不大于4.75mm，所述粗骨料为碎石，粒径不小于5mm，不大于20mm。 [0010] 一种采用上述含有碳纤维的混凝土制备而成的路牙石。 [0011] 优选地：上述路牙石的制备方法，包括以下步骤： [0012] (1)将上述重量份的胶凝材料、细骨料、粗骨料混合均匀后添加上述重量份的水搅拌均匀得到混凝土主料； [0013] (2)将碳纤维按上述比例以三维乱向的形式掺入所述混凝土主料中，搅拌均匀，得到含有碳纤维的混凝土； [0014] (3)将步骤(2)所得的含有碳纤维的混凝土浇筑在路牙石模具中，24小时以后脱模，养护28天以上成型，即可得到路牙石。 [0015] 进一步地：所述养护的温度为17-23℃，湿度为92％以上。 [0016] 普通硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、5％-20％的混合材料及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。具有强度高、水化热大，抗冻性好、干缩小，耐磨性较好、抗碳化性较好、耐腐蚀性差、不耐高温的特性。根据3d和28d龄期的抗压和抗折强度，将普通硅酸盐水泥划分为42.5、42.5R、52.5、52.5R四个强度等级。本发明所采用的胶凝材料为P.O42.5型普通硅酸盐水泥。 [0017] 粗骨料指在混凝土中，以砂、石起骨架作用，称为骨料或集料，其中粒径大于5mm的骨料称为粗骨料。普通混凝土常用的粗骨料有碎石及卵石两种。碎石是天然岩石、卵石或矿山废石经机械破碎、筛分制成的，粒径大于5mm的岩石颗粒。卵石是由自然风化、水流搬运和分选、堆积而成的、粒径大于5mm的岩石颗粒。本发明中所用到的粗骨料为宿州当地碎石，最小粒径不小于5mm，最大粒径不大于20mm。 [0018] 细骨料是与粗骨料相对的建筑材料，一种直径相对较小的骨料。混凝土中起骨架或填充作用的粒状松散材料。粒径在4.75mm以下的骨料称为细骨料。本发明中所用到的细骨料为Ⅱ级中砂。 [0019] 碳纤维(carbon fiber，简称CF)，是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。本发明中所用到的碳纤维由厦门中纺大化纤材料有限公司提供的日本原装进口东邦中等模量碳纤维，其型号为：UTS50-F22-12k。 [0020] 水灰比是指混凝土中水的用量与水泥用量的重量比值(本发明中的水泥为P.O42.5型普通硅酸盐水泥)，水灰比影响混凝土的流变性能、水泥浆凝聚结构以及其硬化后的密实度，因而在组成材料给定的情况下，水灰比是决定混凝土强度、耐久性和其他一系列物理力学性能的主要参数。对某种水泥就有一个最适宜的比值，过大或过小都会使强度等性能受到影响。 [0021] 本发明的有益效果： [0022] 1、本发明首先将胶凝材料、细骨料、粗骨料与水按上述比例混合均匀制备出具有30MPa以上抗压强度的混凝土，该混凝土制备出来的路牙石坚固结实但脆性较大，为了进一步改进以优化产品，本发明在此混凝土的基础上添加一定量的碳纤维，并利用碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量，不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工的特性以改善原产品的脆性； [0023] 本发明限定了碳纤维与混凝土主料的添加比例，在该比例下所制备出的含碳纤维的混凝土在不损失抗压性能的基础上能够提高30％左右的抗拉性能，并且碳纤维约束作用显著，可明显改善建筑结构在承受地震等自然灾害时产生的巨大荷载时发生的剥离脱落现象，延缓破碎的混凝土块高空坠落的时间，提高结构整体的抗震性能，保证了人们生命和财产的安全； [0024] 2、本发明采用普通的硅酸盐水泥，并根据组成材料的特性，将水灰比限定为0.42，这是由于水灰比是决定混凝土强度、耐久性和其他一系列物理力学性能的主要参数，水灰比影响混凝土的流变性能、水泥浆凝聚结构以及其硬化后的密实度，在本发明中当水灰比为0.42时，此比值最为适宜，若过大或过小都会影响产品的强度等性能。 [0025] 3、本发明将短切碳纤维以三维乱向的形式掺入混凝土中，使得本发明所制得的路牙石性能稳定，力学行为偏差小； [0026] 4、本发明利用含有碳纤维的混凝土制备路牙石，并在温度为17-23℃，湿度为92％以上的标准条件下进行养护，此养护条件可加强混凝土中水泥的水化作用，大大提高路牙石的强度。 具体实施方式[0027] 下面通过5个实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述，在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所有的设备和原料等均可从市场购得或是本行业常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。 [0028] 在本发明实施例1-5中所采用的胶凝材料均为P.O42.5型普通硅酸盐水泥；粗骨料均为宿州当地碎石，最小粒径不小于5mm，最大粒径不大于20mm；细骨料均为Ⅱ级中砂；碳纤维均由厦门中纺大化纤材料有限公司提供的日本原装进口东邦中等模量碳纤维，其型号为：UTS50-F22-12k。其中碳纤维的技术指标如表1所示： [0029] 表1碳纤维的技术指标 [0030] [0031] 实施例1 [0032] 本发明提供了一种含有碳纤维的混凝土，包括碳纤维和混凝土主料，所述碳纤维及所述混凝土主料的重量比为1:600，所述混凝土主料包括以下重量份的原料：普通硅酸盐水泥313.6份、细骨料512份、粗骨料963.2份、水131.2份，其水灰比为0.42。 [0033] 采用上述含有碳纤维的混凝土制备路牙石，其制备方法为：将上述重量份的普通硅酸盐水泥、细骨料、粗骨料混合均匀后添加上述重量份的水搅拌均匀得到混凝土主料，然后混凝土主料与碳纤维按上述比例混合搅拌，即可得到含有碳纤维的混凝土，将得到的含有碳纤维的混凝土浇筑在990mm*150mm*150mm的模具中制作路牙石，24小时后脱模，在温度为17℃、湿度为92％的标准养护条件下养护28天成型，得到1#路牙石。 [0034] 实施例2 [0035] 本发明提供了一种含有碳纤维的混凝土，包括碳纤维和混凝土主料，所述碳纤维及所述混凝土主料的重量比为1:700，所述混凝土主料包括以下重量份的原料：普通硅酸盐水泥352.8份、细骨料576份、粗骨料1083.6份、水147.6份，其水灰比为0.42。 [0036] 采用上述含有碳纤维的混凝土制备路牙石，其制备方法为：将上述重量份的普通硅酸盐水泥、细骨料、粗骨料混合均匀后添加上述重量份的水搅拌均匀得到混凝土主料，然后混凝土主料与碳纤维按上述比例混合搅拌，即可得到含有碳纤维的混凝土，将得到的含有碳纤维的混凝土浇筑在990mm*150mm*150mm的模具中制作路牙石，24小时后脱模，在在温度为19℃、湿度为93％的标准养护条件下养护28天成型，得到2#路牙石。 [0037] 实施例3 [0038] 本发明提供了一种含有碳纤维的混凝土，包括碳纤维和混凝土主料，所述碳纤维及所述混凝土主料的重量比为1:800，所述混凝土主料包括以下重量份的原料：普通硅酸盐水泥392份、细骨料640份、粗骨料1204份、水164份，其水灰比为0.42。 [0039] 采用上述含有碳纤维的混凝土制备路牙石，其制备方法为：将上述重量份的普通硅酸盐水泥、细骨料、粗骨料混合均匀后添加上述重量份的水搅拌均匀得到混凝土主料，然后混凝土主料与碳纤维按上述比例混合搅拌，即可得到含有碳纤维的混凝土，将得到的含有碳纤维的混凝土浇筑在990mm*150mm*150mm的模具中制作路牙石，24小时后脱模，在温度为20℃、湿度为92％的标准养护条件下养护28天成型，得到3#路牙石。 [0040] 实施例4 [0041] 本发明提供了一种含有碳纤维的混凝土，包括碳纤维和混凝土主料，所述碳纤维及所述混凝土主料的重量比为1:900，所述混凝土主料包括以下重量份的原料：普通硅酸盐水泥431.2份、细骨料704份、粗骨料1324.4份、水180.4份，其水灰比为0.42。 [0042] 采用上述含有碳纤维的混凝土制备路牙石，其制备方法为：将上述重量份的普通硅酸盐水泥、细骨料、粗骨料混合均匀后添加上述重量份的水搅拌均匀得到混凝土主料，然后混凝土主料与碳纤维按上述比例混合搅拌，即可得到含有碳纤维的混凝土，将得到的含有碳纤维的混凝土浇筑在990mm*150mm*150mm的模具中制作路牙石，24小时后脱模，在温度为21℃、湿度为93％的标准养护条件下养护28天成型，得到4#路牙石。 [0043] 实施例5 [0044] 本发明提供了一种含有碳纤维的混凝土，包括碳纤维和混凝土主料，所述碳纤维及所述混凝土主料的重量比为1:1000，所述混凝土主料包括以下重量份的原料：普通硅酸盐水泥470.4份、细骨料768份、粗骨料1444.8份、水196.8份，其水灰比为0.42。 [0045] 采用上述含有碳纤维的混凝土制备路牙石，其制备方法为：将上述重量份的普通硅酸盐水泥、细骨料、粗骨料混合均匀后添加上述重量份的水搅拌均匀得到混凝土主料，然后混凝土主料与碳纤维按上述比例混合搅拌，即可得到含有碳纤维的混凝土，将得到的含有碳纤维的混凝土浇筑在990mm*150mm*150mm的模具中制作路牙石，24小时后脱模，在温度为23℃、湿度为92％的标准养护条件下养护28天成型，得到5#路牙石。 [0046] 下面对实施例1-5进行抗压试验和劈裂试验以对本发明做进一步的验证，需要说明的是，在抗压试验及劈裂试验中均采用不添加碳纤维的混凝土浇筑而成的0#路牙石作为对照，测试对象包括0#路牙石、1#路牙石、2#路牙石、3#路牙石、4#路牙石、5#路牙石6组试件，每组试件提供3个样品进行检测，其中抗压试验采用TYE-2000B型压力试验机，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)分别对送检的6组试件进行抗压检测；碳纤维混凝土劈裂试验采用TYE-2000B型压力试验机和劈裂试验夹具，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)分别对送检的6组试件进行检测，最终得出普通混凝土(0#路牙石)、1/600碳纤维混凝土(1#路牙石)、1/700碳纤维混凝土(2#路牙石)、1/800碳纤维混凝土(3#路牙石)、1/900碳纤维混凝土(4#路牙石)、1/1000碳纤维混凝土(5#路牙石)的抗压强度值及抗拉强度值，具体数据如表2所示： [0047] 通过表2中的抗压强度数据可以看出，在普通混凝土中掺入碳纤维后得到的混凝土其抗压强度较普通混凝土均有所降低，随碳纤维含量的增加，其抗压强度在不断地变化，其中2#的抗压强度最高，这是由于通常我们把把碳纤维的结构看成由两维有序的结晶和孔洞组成，其中孔洞的含量、大小和分布对碳纤维的性能影响较大。当孔隙率低于某个临界值时，孔隙率对碳纤维复合材料的层间剪切强度、弯曲强度和拉伸强度无明显的影响。而引起材料力学性能下降的临界孔隙率是1％-4％。孔隙体积含量在0-4％范围内时，孔隙体积含量每增加1％，层间剪切强度大约降低7％。孔隙主要分布在纤维束之间和层间界面处。并且孔隙含量越高，孔隙的尺寸越大，并显著降低了层合板中层间界面的面积。当材料受力时，易沿层间破坏，这也是层间剪切强度对孔隙相对敏感的原因。另外孔隙处是应力集中区，承载能力弱，当受力时，孔隙扩大形成长裂纹，从而遭到破坏。 [0048] 因此，通过上述分析可得出掺入碳纤维的混凝土强度之所以比原有混凝土强度低，其主要原因可能是由于碳纤维的掺入导致了混凝土的空隙率增大，使得混凝土强度的降低。 [0049] 通过表2的抗拉强度数据可以看出：掺入碳纤维的混凝土明显增强了普通混凝土的抗拉强度，随着碳纤维掺量的逐渐变化抗拉强度值也在不断地变化，但都高于普通混凝土原有的抗拉强度；其中在质量比为1/700碳纤维混凝土(2#路牙石)出现了峰值，即碳纤维掺量为1/700时抗拉强度达到最大。 [0050] 同时在抗压实验过程中，根据不同碳纤维含量的路牙石承受压力荷载后的变形程度时发现，普通混凝土在承受荷载破坏后，破坏形态成沙漏状，即承载面周围混凝土面破坏较严重，出现了大面积的混凝土脱落剥离现象；而碳纤维混凝土在承受荷载过后，承载面周围混凝土面未出现较大面积的混凝土脱落现象，四周混凝土面能基本保持原有的立方体形态，承压面周围破坏面基本上能保持其立方体的完整性。由此可以得出：碳纤维在混凝土中能够有效约束破碎的混凝土，能够有效的延缓破碎混凝土的剥离脱落的时间，从而改善了混凝土的脆性破坏。 [0051] 在比较普通混凝土与碳纤维混凝土承受劈裂荷载后的变形程度发现，普通混凝土在承受荷载破坏后，劈裂边缘破坏形态为脆性破坏，而碳纤维混凝土在承受劈裂荷载后，劈裂边缘由于碳纤维的约束作用使得混凝土块在承受脆性破坏的同时呈现出了柔性破坏。由此可以得出：碳纤维混凝土显著地增强了混凝土抗拉性能。 [0052] 表2混凝土抗压强度 |
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