含有分散在水泥基质中的有机纤维的混凝土,混凝土水泥基质及预混和物

本发明涉及一种可用于制作构件的新型纤维混凝土，所制备的构 件特别是在抗张应力性能(弯曲应力和直张应力)方面性能优于现有 技术构件。其中所用的纤维是有机纤维。

对混凝土进行结构分析表明：其机械性能与其结构缺陷密切相关， 当对混凝土进行机械加载时，在混凝土中可观察到许多种类结构缺陷。 按尺寸可对它们加以区分。

关于最小尺寸的缺陷，可观察到混凝土中的所谓微孔缺陷，它们 属于所谓毛细孔。其来源于最初存在于新拌浆体中的晶粒间隙。尺寸 为50纳米-数微米。

在中间尺寸上，可观察到微裂纹缺陷，这些微裂纹具有1-100微 米的开口，这些微裂纹不会聚集在一起，即他们不会形成贯穿整个结 构体的连通的通道。这主要是由于混凝土的不均匀性所致，即当对颗 粒进行机械加载时，颗粒具有不同于胶结剂/水泥的机械性能和物理性 能。这类缺陷是导致混凝土的机械张应力性能和断裂性能较差的主要 原因。

在较大的尺寸上，可观察到宏观裂纹。这些裂纹开口在100微米 -1毫米的范围内变化。这些裂纹聚集在一起。

在制备不当的混凝土(夹杂有空气，填充缺陷)中也可观察到毫 米尺寸的明显缺陷。

人们已经提出用于减少这些不同的缺陷或减轻其影响的各种方 案。

因此，通过减少水灰比和使用流化剂可部分控制微孔率。使用细 填料，特别是具有火山灰反应特性的细填料也可降低微孔尺寸。

迄今，通过以下方法已大大减少了人们所关注的微裂纹：

-例如通过将颗粒尺寸减少到800微米改善混凝土的均质性，

-改善材料的密实性(在凝固前或凝固期间，使颗粒最优化和任选 地进行加压)，

-在凝固后进行热处理。

通过使用金属纤维控制微裂纹。

作为现有技术，可以提到WO-A-95/01316。其涉及如何控制金属纤 维和颗粒组分(砂子，颗粒)的尺寸比。该改善的纤维混凝土包括： 水泥，颗粒组分，具有火山灰反应特性的细组分，和金属纤维。颗粒 组份的最大粒径D至多为800微米，单个纤维长度I必须为4-20毫米， 而纤维的平均长度L与D之比R应该至少等于10。

所获得的混凝土表现出弯曲韧性或假冷加工特性。

也有人建议将含有有机纤维的混凝土或砂浆配料用于各种目的， 其中可任选地与金属纤维配合，例如像在“纤维增强水泥组合物” (A.BENTUR,S.MINDESS)(应用科学出版社1990)公开文本中所描述 的那样。

现有技术表明本领域技术人员如果要想配制纤维混凝土，除纤维 外，在混凝土水泥基质方面，将面临材料和比例多种可能的选择，以 致于为了配制与现有混凝土混合物相比性能得到改善的其成本不会对 其在建筑工业和公共工程中的有效应用造成严重阻碍的混凝土，仍然 会遇到这一问题。

为了获得所需的性能，人们作出的反应是使用有机纤维代替金属 纤维：韧性增加，特别是抗张应力增加，腐蚀效果降低，纤维混凝土 结构重量降低。对无线电信号的衰减作用减轻。

聚合物增强纤维所提供的有益作用是纤维混凝土的抗火性能被改 善。

另一个解决方案用于消除上述缺陷尤其是微裂纹，因为观察到现 有技术中所描述的实施方案主要用于消除宏观裂纹的发展，而不是微 裂纹的发展：即微裂纹没有被稳定并在应力作用下继续发展。

本发明的主题是一种包括有机增强纤维的与现有技术混凝土相比 性能、特别是在张应力(弯曲应力和直张应力)方面得到改善的混凝 土。

本发明的另一个目的是提供一种通过控制宏观裂纹的扩展其冷加 工性能被改善至超出首次破坏极限的混凝土，因此，本发明的目的也 是通过向混凝土提供韧性，使其应用领域拓宽至超出其首次破坏极限 的领域。

附图1是现有技术中具有韧性的混凝土的典型的直张应力曲线。

在破坏不是断裂型的情况下(此处断裂是指突然破坏，而不是逐 渐破坏)，结构设计工程师和结构计算工程师或检查结构安全性的工程 师需要评估材料的性能规律或材料表现出的特征。材料的韧性仅仅对 应于应力峰值A之前发生无弹性应变的直张应力。

为了说明韧性的优点，可以仅想象拉杆(嵌入其顶端的竖杆)的 行为，当其承受逐渐增加的张应力时(在下端增加重量)。一旦该承载 力达到峰值，马上发生并完成破坏(另外，在直张应力试验中，只有 在实验依据应变进行的情况下，仅能看到后峰值部分)。

非弹性材料的韧性特征在于在简单的张应力试验中的整个应力- 应变曲线，但仅考虑不超过顶点的部分。其也可用破坏应力εA和对应 于破坏应力的弹性应变εe1=εB·(σA/σB)之比来限定(条件是σA大于σB)； 该比值等于破坏时的正割模量(顶点应变除顶点应力，或OA斜率)除 弹性模量(OB斜率)的值。

韧性可用韧性系数δ表述：

δ=εA·σB/εB·σA    如果σA≥σB

δ=1                          如果σA＜σB

式中εA=顶点应变，而且

   εe1=εB·σA/σB

εe1=在顶点应力下经弹性外推在施加应力下所获得的应变而得到 的应变。

该定义完全与在试验样品(多裂纹)上面观察到的的物理性能一 致：在首次出现裂纹处，局部达到所谓的第一裂纹顶点B(其是局部 或部分区域的最大值)，接着在图1中可以看到一个位于第一顶点B和 点C之间的开口，此处曲线超出了该顶点的数值；此时首次出现的裂 纹是稳定的，因为在整个受压体内应力又增加了，直至第二次出现裂 纹为止。这一行为是强劲的，所以只能在尺寸更大的物体内才能保持 更加稳定。

本发明另一个目的是增加混凝土首次出现破坏(即微裂纹)的应 力值，由此拓宽混凝土(弹性线性行为)的应用领域。

本发明的另一个目的是通过水泥基体和有机纤维的协同效果在微 裂纹发生和宏观裂纹扩展方面同时改善混凝土的性能。

业已发现通过将特定性能的水泥基质与特定性能的有机纤维复合 形成混凝土可达到本发明目的。

更准确地说，本发明一般地涉及包括有机纤维分散在其中的硬化 水泥基体的混凝土。该混凝土通过将水与除了有机纤维以外还含有以 下组份的组合物掺和而获得：

(a)水泥

(b)最大粒径D至多为2毫米、优选至多为1毫米的颗粒组分；

(c)具有火山灰反应特性且基本粒径最大为20微米，优选至多为 1微米的细组分；

(d)至少一种分散剂，并且满足以下条件：

(e)以水泥(a)和组份(c)的总重量为基准计水E的百分比为 8-25％。

(f)单个有机纤维长度I至少为2毫米，而I/Φ比至少为20，其 中Φ为纤维直径；

(g)纤维平均长度L和颗粒组分最大粒径D之比R至少为5；

(h)纤维数量要使其体积在凝固后的混凝土体积中最大达到8％。

因此，通过重新设计颗粒骨架及其与增强纤维的关系，本发明解 决了为了兼顾机械性能和流变性能而遇到的问题。

本发明混凝土的各种性能未发生明显改变。如果在基质中也使用 粒径超过2毫米的颗粒组分(b)，其比例应不超过所有(a)+(b) +(c)组分总体积的25％。

这类颗粒以这样的比例存在可被认为是在下列条件下，不会影响 材料的机械性能的填料；

-所有(a),(b)和(c)组分的D50粒径最大为200微米，优选 最大为150微米；

-纤维平均长度L与所有(a),(b)和(c)组分的D75粒径之比R 至少为5，优选至少为10

应将粒径D75和D50理解为颗粒通过筛子的数量分别达到颗粒总体 积75％和50％时的筛径。

因此，本发明也涉及一种包括有机纤维分散在其中的硬化水泥基 体的混凝土。该混凝土通过将水与含有除了有机纤维以外的以下组份 的组合物掺和而获得：

(a)水泥

(b)颗粒组分；

(c)具有火山灰反应特性且基本粒径最大为1微米，优选至多为 0.5微米的组分；

(d)至少一种分散剂，并且满足以下条件：

(1)以水泥(a)和组份(c)的总和C重量为基准计水E的百分 比为8-24％。

(2)单个纤维长度I至少为2毫米，而纤维的I/Φ比至少为20， 其中Φ为纤维直径；

(3)纤维平均长度L和整个(a),(b)和(c)组分的D75粒径 之比R至少为5，优选至少为10；

(4)纤维数量要使其体积在凝固后的混凝土体积中最大达到8％；

(5)整个(a),(b)和(c)组分的D75粒径最大为2毫米，优选 最大为1毫米，D50粒径最大为150微米，优选最大为100微米。

条件3和5适用于除纤维以外的全部混合固体组分(a),(b)和 (c)，但不适用于单个组分。

另外，一部分有机纤维也可被金属纤维所取代：由此获得的“组 合式”复合体机械性能可根据所要求的性能(弹性和冷加工性部分/ 过顶点部分)进行改变。

有机纤维的存在可改善上述混凝土的抗火性能。

事实上，当温度剧烈增加时，所说纤维的熔融特性使得有可能形 成蒸汽或水在压力作用下逃逸的通道。

有机纤维尤其可被选自聚乙烯醇纤维(APV)，聚丙烯腈纤维(PAN)， 聚乙烯纤维(PE)，高密度聚乙烯纤维(PEHD)，聚丙烯纤维(PP)，均 聚体或共聚体，聚酰胺或聚酰亚胺纤维，芳族聚酰胺纤维或碳纤维。 也可使用这些纤维的混合物。本发明所使用的增强纤维选自各种商购 纤维，可将它们分类为以下三种纤维中的一种纤维：高模量非反应性 纤维，低模量非反应性纤维，和反应性纤维。以下说明性实例尤其涉 及其模量高于混凝土基质的非反应性PEHD纤维和其模量低于混凝土 基质的非反应性聚酰胺纤维(PA)以及可与混凝土基质进行反应的APV 纤维。

可通过复合各种特性和/或长度的纤维来生产“组合式”增强组分， 以下说明性实例尤其涉及APV有机短纤维(6毫米)和长金属纤维(13 毫米)，并且表明可以获得非常好的增强协同效果。类似复合的其他实 例如下：

APV或PEHD短纤维(6毫米)和APV长纤维(20毫米)，

短钢纤维(5毫米)和APV长纤维(20毫米)。

这些有机纤维可形成单股体或多股体，其直径为10-800微米，有 机纤维可以纺织或无纺结构或复合扭绞线束(丝混合物)形式被使用。

单个有机纤维长度优选为5-40毫米。

纤维数量要使其体积小于凝固后混凝土体积的8％，而优选小于5％。

I/Φ比至少为20，而优选最大为500，其中Φ为纤维直径。

实验表明甚至纤维数量使其体积小到1％时，如果考虑基体配比的 话，其作用仍然是有效的，但该数值不应该认为是其限制值。

事实上，有效用量强烈地取决于纤维的几何形貌，其化学特性及 其内在机械性能(弹性模量，流动性阀值，力学强度)。

使用特性不同的纤维混合物可使混凝土根据所要求的特性选定性 能。

有利地，纤维在水泥基质中的平均粘附应力必须至少为2兆帕， 优选至少为5兆帕，这取决于纤维的特性。

如下所述，该应力由埋在混凝土块体中的单股纤维的拔出实验确 定。

可以用几种方法来控制纤维/基体的粘结力数值，这些方法可单独 使用或同时使用。

通过使纤维和水泥基体之间的反应活性获得纤维在水泥基体中的 粘结力。用对混凝土进行热处理(养护)的方法或对纤维进行表面处 理的方法可提高该反应活性。

根据第二种方法，可通过在组合物中加入至少一种下列化合物获 得纤维在水泥基质中的粘结应力：主要包括二氧化硅的二氧化硅化合 物，沉积的碳酸钙，聚乙烯醇水溶液，磷酸盐，胶乳，表面活性剂(消 泡剂，润湿剂等)或所述化合物的混合物。

主要包括二氧化硅的二氧化硅化合物是指选自沉淀法二氧化硅， 二氧化硅溶胶，热解法二氧化硅(气溶胶型)，硅铝酸盐，例如罗狄亚 化学公司出品的Tixosil 28的合成产品；或通过腐蚀粘土型天然产物 如蒙脱石，硅酸镁，海泡石，绿土而获得的产品。

优选地，使用至少一种沉淀法二氧化硅。

沉淀法二氧化硅是指通过使碱金属硅酸盐与酸，通常为无机酸在 沉淀介质中合适的pH、特别是碱性，中性或略为酸性的pH值下进行 反应进而沉淀而获得的二氧化硅。

通常，沉淀法二氧化硅引入量以混凝土整个组合物的干重量为基 准计为0.1-5％。超出5％时，在混凝土制备过程中通常可观察到流变学 问题。

将沉淀法二氧化硅优选地以水悬浮液形式引入到组合物中，更具 体地，二氧化硅水悬浮液具有以下特性：

-干物质含量为10-40重量％，

-粘度小于4.10-2Pa.s，其中剪切力为50S-1，

-以7500转/分钟的速度搅拌30分钟，所说悬浮液的澄清液体中 含有的二氧化硅数量大于悬浮液中含有的二氧化硅重量的50％。

在专利申请WO-A-96/01787中更加详细地描述了这种悬浮液，由 罗狄亚化学公司生产的60SL二氧化硅悬浮液特别适合于这种混凝土。

有利地，混凝土基质也包括可改善基质韧性的组份，其选自针状- 或片状组分，其平均粒径最大为1毫米，而且体积为所加入的颗粒组 分(b)和火山灰组分(c)总体积的2.5％-35％。基质韧性优选至少为 15焦尔/平方米，有利地至少为20焦尔/平方米。

水泥基质指不包括纤维的硬化水泥组合物。

颗粒状组分主要是经过筛或破碎的细砂或细砂的混合物，有利地 包括硅砂，特别是石英粉。

这些组分最大粒径D优选至多为1毫米，或至多500微米。

通常，颗粒组分重量占水泥基质重量的20-60％，优选占所说基质 重量的25-50％。

纤维平均长度L和颗粒组分最大粒径D之比R至少为5，特别是当 颗粒组分具有1毫米的最大粒径时。

本发明组合物的水泥有利地是波特兰水泥如CPA,PMES,HP,HPR, CEMIPMES,52.5或52.5R或HTS(高二氧化硅含量)水泥。

具有火山灰反应特性的细组分具有至少为0.1微米，至多为20微 米，优选最大为0.5微米的基本粒径。它们可选自二氧化硅如飞灰， 高炉矿渣，粘土衍生物如高岭土。二氧化硅可来自锆工业的硅灰，从 而代替来自硅工业的硅灰。

当使用水泥替代物时，特别是使用具有火山灰反应特性的组份时， 本发明组合物中水/水泥重量百分比可变化。水的含量用水E与水泥和 具有火山灰反应特性的组份总重量比来限定：其大约在8-25％之间或 13-25％之间变化。

本发明组合物也包括分散剂，该分散剂通常也是流化剂。流化剂 可选自木质素磺酸盐，酪蛋白，多萘，特别是碱金属聚萘磺酸盐，甲 醛衍生物，碱金属聚丙烯酸盐，碱金属聚羧酸盐和接枝聚环氧乙烷。 通常，本发明组合物中每100重量份水泥包括0.5-2.5重量份流化剂。

也可向本发明组合物中加入其它的外加剂，例如消泡剂。作为实 例特别可提及基于聚二甲基硅氧烷的消泡剂。

在这类外加剂中，特别值得一提的是呈溶液，固体形式的硅氧烷， 优选为树脂，油或乳液形式，并且优选是在水中。尤其适合的是主要 包括结构单元M(RSiO0.5)和D(R2SiO)的硅氧烷。在这些结构式中，基团 R可相同的或不同，更特别地选自氢和包括1-8个碳原子的烷基，优 选为甲基。结构单元数量为30-120。

组合物中这种外加剂数量通常是每100重量份水泥最多为5重量 份。

用MET(透射电子显微镜)或MEB(扫描电子显微镜)测量所有颗 粒的尺寸。

可用任何本领域技术人员已知的方法，尤其是通过将固体组分和 水混合，成型(模制，浇铸，注射，泵送，挤压，捏炼)和硬化制备 混凝土。

在室温-100℃，尤其是60～100℃的养护温度下将所获得的混凝土 养护至获得所需机械性能所要求的龄期，养护时间为6小时-4天，而 最佳时间为2天左右，混合物终凝后和初凝至少一天后开始养护。

养护可在干燥条件或潮湿条件下进行，或在干燥和潮湿环境循环 交替条件下进行，例如在潮湿条件下养护24小时，紧接着在干燥环境 中养护24小时。

对终凝后的混凝土进行养护，优选地至少养护一天，而更优选大 约至少为7天。

当在高温下对混凝土进行养护时，加入石英粉是特别有用的。

本发明获得的混凝土通常表现出直张应力Rt至少为6兆帕，其行 为可能具有一定的弹性。

他们也可表现出四点弯曲强度Rf至少为20兆帕，抗压强度Rc至 少为140兆帕，而破坏能量Wf至少为2000焦尔/平方米。

特别是通过向水泥组合物中加入形状各向异性的平均粒径最大为 1毫米，优选最大为500微米的增强剂可使水泥基质获得韧性。

通常，本发明组合物中增强剂以针状或片状形式存在。

微增强剂的“尺寸”是指其最大方向上(特别是对于针状而言为 长度方向)的平均尺寸。

这些可以是天然的或合成的产品。

针状增强剂可选自硅灰石纤维，铝土矿纤维，莫来石纤维，钛酸 钾纤维，碳化硅纤维，磷酸盐纤维，例如磷酸钙纤维，具体地是羟基 磷灰石(HAP)，纤维素纤维或其衍生物，碳纤维，碳酸钙纤维，(耐碱) 玻璃纤维。也可使用以下物质的短纤维(最大长度为2毫米，优选最 大长度为1毫米)：聚乙烯醇，聚丙烯腈，高密度聚乙烯，聚酰胺，芳 族聚酰胺或聚丙烯。在本发明增强剂定义内也包括如钢棉一类的物质。

片形增强剂可选自片状云母，片状滑石，片状复合硅酸盐(粘土)， 片状蛭石，片状氧化铝。

在本发明混凝土组合物中，可以使用不同形式或种类的这些微增 强剂的混合物。

这些增强剂表面上可以涂覆由以下组份中的至少一种物质获得的 聚合物有机涂层：聚乙烯醇，硅烷，硅酸盐，硅氧烷树脂，或聚有机 硅氧烷或以下成分之间的反应产物：(ⅰ)至少一种含有3-22个碳原子 的羧酸，(ⅱ)至少一种含有2-25个碳原子的多官能团芳族或脂族胺 或取代的胺，和(ⅲ)作为水溶性金属配合物的交联剂，其含有至少 一种选自锌，铝，钛，铜，铬，铁，锆和铅的金属。

涂层厚度可在0.01-10微米之间变化，优选在0.1-1微米之间。

胶乳可选自苯乙烯-丁二烯胶乳，丙烯酸胶乳，苯乙烯-丙烯酸胶 乳，甲基丙烯酸胶乳，羧酸化胶乳和磷酸化胶乳。具有钙复合官能团 的胶乳是优选的。

通过在流化床中或使用FORBERG型搅拌机在上述化合物中的一种 存在下处理增强剂可获得聚合物有机涂层。

优选的化合物包括罗狄亚化学公司生产的H240聚有机硅氧烷， Rhodorsil 878,865和1830PX硅氧烷树脂，403/60/WS和WB LS 14Manalox，硅酸钾。

特别推荐将这样的处理用于作为天然产物的增强剂中。

混凝土可以是具有胶接线或胶接筋的预张预应力混凝土，也可以 是具有涂覆了油脂的钢筋鞘管单筋或钢筋鞘管缆线或棒的后张预应力 混凝土，缆线可用线材或扭铰线材制备。

预应力不管是预张形式还是后张形式，都特别适合于本发明的混 凝土制品。

金属预应力缆线总是具有特别高的张应力强度，当错误地使用时， 含有金属缆线的基体的脆性不会使混凝土结构件的尺寸达到最优。

通过使用高性能混凝土混合物已经取得进步。在本发明混凝土的 情况下，通过有机纤维或复合纤维，材料被均匀地增强，从而使得混 凝土达到较高的机械性能，同时具有一定的韧性。通过使用缆线或筋， 不管模式是什么样的，该材料的预应力均能得到完全利用，从而形成 耐张性和抗弯性非常好的预应力混凝土构件，并使其达到最优。

由于机械性能增加，得到的体积缩小，从而可形成非常轻的预制 构件。结果，可获得许多由于重量轻而易于运输的混凝土构件。其特 别适合于构筑现有技术中广泛使用后张预应力法的建筑物大型构件。 这种技术方案向这样的构件提供了特别好的组装效率和存库时间。

还有，热处理明显地减少了养护后的倒缩。因而也及时限制了预 应力损失。

该性能是特别需要的，并且上述优点与制品很低的可渗透性有关。 这对于现有构件的耐久性和及时保养特别有好处。并且使得这种材料 能够有效地代替钢构件。

本发明也涉及适合用于获得和实施上述混凝土的水泥基质。

最后，本发明还涉及含有制备上述混凝土和基体所必需的所有或 部分组份的预混和物。

以下实施例用于说明本发明，但不限制本发明的范围。 试样制备 1)原材料

-波特兰水泥：(高硅含量)，HTS型(LAFARGE，法国)

-砂子：BE31石英砂(SIFRACO，法国)

-石英粉：C400级，50％的颗粒小于10微米(SIFRACO，法国)

-硅灰：由锆生产过程中获得的细微二氧化硅玻璃体(SEPR，法国)

-辅剂：X404(MAPEI意大利)或OPTIMA 100(CHRYSO，法国) 液态超塑化剂

-纤维：有机纤维是APV(KURARAY RM182,RF1500和RF4000, UNITIKA 1800),PEHD(DSM-Dyneema)或PA(FILTEC PAK 50)纤维， 它们是单股纤维，直径为50-600微米，长度为5-32毫米。用量为1-5 体积％(相对于总体积)。

-针状增强剂：硅灰石(CaSiO3)NYAD G等级(NYCO美国)

-片状增强剂：云母(白云母)MG 160级(ARVOR高岭土，法国)。 2)生产方式

按以下顺序将组份混合：

-将基质破碎组份和其它组份掺和

-加入水和一部分辅剂，

-混合

-加入剩余部分的流化剂

-混合

-加入增强纤维

-混合。

混合时间强烈地取决于所使用的搅拌机种类(EIRICH或HOBART)。

通过在过程结束时降低混合速度有助于脱除气体。

随后按照一般的程序填充模具并且振动。 3)养护

在20℃下熟化。试样在浇铸后脱模48小时。随后进行处理，处理 包括：在大约20℃水中放置至少14天。之后再将试样机器处理(取 决于所进行的试验)至浇铸后的第26-28天，并随后进行试验。

-在90℃下进行热处理。试样在浇铸后脱模48小时。随后进行热 处理，热处理包括：在90℃炉中放置24小时，炉内具有热湿空气(＞90 ％RH)，接着在干燥空气中放置24小时。浇铸后任选地加工6天，并 在随后的数天内进行试验(最少为浇铸后7天)。 测试方法 直张应力性能：Rt

将尺寸为70×70×280毫米的棱柱形体机械加工为哑铃状试样，以 便使其有效截面为70×50平方毫米，高为50毫米，再对样品进行直张 应力试验，从而获得该数值。将试样小心对齐后，将它牢固地装在实 验床上(UTS)只有一个自由度(没有与万向节型球形联轴节连接)。

Rt=Fmax/70x50

式中Fmax代表在70x50中心截面发生破坏时N点(顶点)处的最 大力。

韧性系数：δ

韧性系数δ用以下关系限定：

   δ=εA·σB/εB·σA    如果σA≥σB

式中εA=顶点应变，而且

   εe1=εB·σA/σB

εe1是在顶点应力下经弹性外推在施加应力下所获得的应变而得到 的应变。 弯曲性能：Rf

Ⅰ)4点弯曲

Rf是对放在球形联轴节支座上面的70×70×280毫米的棱柱形试样 进行4点弯曲(轴间距70×210)试验而获得的数值。

Rf=3Fmax(I-I’)/2dw2

式中Fmax代表N点处的最大力(顶点力)，I=210毫米，I’=I/3， 而d=w=70毫米。

ⅱ)3点弯曲

Rf是对放在球形联轴节支座上面的40×40×250毫米的棱柱形试样 进行3点弯曲(轴间距是200)试验而获得的数值。

Rf=3FmaxI/2dw2

式中Fmax代表N点处的最大力(顶点力)，I=200毫米，而d=w=40 毫米。 抗压性能Rc：

Rc是对校正后的圆柱形试样(直径为70毫米/高度为140毫米) 直接进行加压而获得的数值。

Rc=4F/πd2

式中F代表N点的破坏力，而d为试样直径(70毫米)。 韧性：Kc，Gc

韧性用应力(临界应力强度因子：Kc)或能量(能量临界度：Gc) 来表征，使用断裂线性机理(Break Linear Mechanics)体系。

对具有缺口的40×40×250或70×70×280毫米棱柱形体即SENB几何 形貌的试样进行3点弯曲试验(ASTM程序-E399-83)。使用带有金 钢盘的铣床，在这些棱柱形体上面干法形成V型缺口。缺口的相对深 度a/w为0.4(a：缺口深度，w：试样高度)。

应力强度临界因子Kc由断裂时的承载力F和在不稳定点的裂纹长 度获得(伺服移动试验，速度为10-2毫米/秒，试验在万能试验机 SCHENCK上进行)： $\mathrm{Kc}=3\mathrm{FI}\sqrt{\mathrm{aY}}/2{\mathrm{dw}}^2$

式中，I代表支撑点之间的轴间距(弯曲台段)：210毫米，

d和w分别是试样的深度和高度，

a是断裂期间缺口的长度，

Y是取决于裂纹长度(α=a/w)的形状参数。在3点弯曲试验中， 按照SRAWLEY J.E(International J.of Fracture(1976)，Vol12. PP475-476)，优选使用以下Y参数：

Y=1.99-α(1-α)(2.15-3.93α+2.7α2)/(1+2α)(1-α)3/2。

Gc可从力位移曲线中获得，条件是：消除干扰应变的影响，而且 将所散失的能量传递到韧带(ligament)部分：(w-a)xd．

在平面应变中，Kc和Gc之间存在以下简单的关系：

Gc=Kc2(1-V2)/E 式中：

E是弹性模量，

v代表泊松系数

E通过以预定的基本频率位于两个支座上的棱柱形试样振动而经 验性地获得(GRINDO-SONIC法)。 断裂能量：Wf

Wf是通过确定对70×70×280毫米棱柱形试样进行4点弯曲试验时 力下垂曲线下的总面积而获得的数值。校正所测试的下垂线以便确定 真正的试样位移。

Wf=∫Fδc/dw

其中，F是所施加的力，δc是真正的位移(校正后的下垂量)，dxw 是试样截面。 粘接性

通过埋在混凝土试块中的单股纤维的拔出试验确定在水泥基体中 的有机纤维的粘结应力。

在尺寸为4×4×4厘米的混凝土试块中埋入丝线。所用的组成与进 行机械试验(抗弯，抗压和抗张)时的试样相同：水/水泥之比固定为 0.25。

所埋入的丝线长为10毫米，使用速度为0.1毫米/分钟的万能试 验机靠张力拔出丝线。

用合适的力传感器测试施加的应力，而用拉伸仪传感器测试丝线 的位移(相对于试样)。

由以下简单的通式中推导出平均粘接应力：

τd=Fmax/πΦIe

式中，Fmax是所测试的最大应力，Φ是丝线直径，而Ie是埋入的 长度。

实施例

用在以下表Ⅰ-Ⅵ中限定的纤维生产纤维混凝土。在以下的表 Ⅱ-Ⅵ中限定了这些混凝土的组成。组成以重量表示。

在以下的表Ⅱ-Ⅴ中也指出了混凝土的性能。如图2-14所示。

在这些图中：

图2是在混凝土试样的4点弯曲试验中，通过以应力值(兆帕) 为纵坐标，以下垂量(毫米)为横坐标而获得的曲线，E/C比为0.2， 在20℃下熟化(28天)，其与钢纤维(钢筋)和有机纤维(APV)相比 较。

图3是在混凝土试样的4点弯曲试验中，通过以应力值(兆帕) 为纵坐标，以下垂量(毫米)为横坐标而获得的曲线，E/C比为0.2， 并且在90℃下进行热处理，其与钢纤维(钢筋)和有机纤维(APV) 相比较。

图4是在混凝土试样的直张应力试验中，通过以应力值(兆帕) 为纵坐标，以伸长量(毫米)为横坐标而获得的曲线，E/C比为0.2， 在20℃下熟化(28天)，其与有机纤维(APV)相比较。

图5是在混凝土试样的直张应力试验中，通过以应力值(兆帕) 为纵坐标，以伸长量(毫米)为横坐标而获得的曲线，E/C比为0.2， 在90℃下进行热处理，其与有机纤维(APV)相比较。

图6是在含有硅灰石的混凝土试样的直张应力试验中，通过以应 力值(兆帕)为纵坐标，以伸长量(毫米)为横坐标而获得的曲线，E/C 比为0.24，在20℃下熟化(28天)，其与有机纤维(APV)相比较。

韧性指标δ大约在3-5的范围内变化。

图7是在混凝土试样3点弯曲试验中，通过以应力(兆帕)为纵 坐标，以下垂量(毫米)为横坐标而获得的曲线，E/C比为0.25，在 90℃下进行热处理，其与APVRF1500纤维相比较。

图8是在混凝土试样3点弯曲试验中，通过以应力(兆帕)为纵 坐标，以下垂量(毫米)为横坐标而获得的曲线，E/C比为0.25，在 90℃下进行热处理，其与长度不同的APVRF1500纤维(10-30毫米) 相比较。

图9是在混凝土试样3点弯曲试验中，通过以应力(兆帕)为纵 坐标，以下垂量(毫米)为横坐标而获得的曲线，E/C比为0.25，在 90℃下进行热处理，其与PEHD纤维相比较。

图10是在混凝土3点弯曲试验中获得的、表明APV有机纤维 (RF1500:2体积％，RF4000:2体积％)在混凝土基质中的混合物的 效果的曲线，E/C比为0.25，在90℃下热处理48小时。

图11是对在表Ⅴ中含有PEHD纤维的组合物18和19进行3点弯 曲试验，从而获得的应力/位移曲线。

图12是类似于图11的、用表V中含有PA纤维的组合物20和21 获得的曲线。

图13是类似于图11和12的、用表V中含有APV纤维的组合物 22,23和24以及含有APV/钢复合纤维的组合物25获得的曲线。

图14是类似于图11-13的，用于比较在表Ⅴ中的组合物18 (PEHD),20(PA)和23(APV)不同种类的纤维性能的曲线。

图15是说明不同种类的纤维单股拔出试验结果的曲线，其以所施 加的力为纵坐标，以位移为横坐标，基体的组成表示在表Ⅵ中。

实施例18-25的3点弯曲试验结果对应于其中在40×40×160毫米 棱柱形试样上轴间距选用120毫米的试验。

(4点)弯曲试验：图2和图3清楚地表明：将纤维分散在混凝土 基体中明显提高了增强效果。掺入4体积％聚乙烯醇纤维(APV)可以 获得与钢筋(2体积％)分散在混凝土中相似的性能。热处理(90℃) 增加了APV纤维和混凝土基体的反应活性：因此，在(4点)弯曲试 验中可观察到较高的顶点应力。

在直张应力试验(图4和图5)中，当聚乙烯醇纤维(APV)的存 在量为4体积％时，可观察到重要的冷加工效果(韧性)：在张应力试 样中观察到重要的多重裂纹。但在钢筋的情况下未观察到这一现象， 这是因为其硬度较大并且这样的纤维在混凝土基体中呈现平均粘接力 所致。在90℃热处理的情况下，顶点值得到明显改善。

在APV纤维分散在含有硅灰石的基体中(图6)的情况下，也观察 到了类似的性能，首次破坏应力被提高了。

在有机纤维存在下，经过3点弯曲试验的混凝土混合物表现出较 高韧性：在顶点应力之前具有较高的冷加工性，后顶点散失能量，在 APV聚乙烯醇纤维(图7)和PEHD高密度聚乙烯纤维(图9)的情况 下也观察到这一现象。

纤维长度必须优化：兼顾到流变性和机械性能。例如，对于直径 大约为400微米的APV纤维，在3点弯曲试验中，观察到在纤维长度 接近约18毫米的数值处(图8)存在一个转折点。这就使细长比因子 为50左右。

图10说明了纤维混合物的优点，一方面观察到平均尺寸的APV纤 维(KURARAY1500:4体积％)可使混凝土的弯曲强度(顶点应力)增 加，另一方面尺寸较大的APV纤维(KURARAY4000:4体积％)又在弯 曲时(后顶点区域)导致能量明显散失，从而有损抗弯曲强度(顶点 应力)。将两种纤维复合可出人意料地获得即改进了抗弯曲强度(顶点 应力)，又改进了所散失的能量(韧性)的增强混凝土，如图10所示。

通过复合增强：将有机纤维和金属纤维复合可使该效果得到改进。

不应将本发明限制为上述实施方案。

本发明也包括混凝土混合物和预混合物，该混合物除了要求保护 的组合物和等同组合物外也包括不会阻止所要求保护的组合物或等同 组合物产生所需性能的其他成分，而该预混合物包括制备混凝土基体 的所需或部分组分。

表Ⅰ 所研究的有机纤维的特性 密度 模量E (Gpa) 机械强度 (Mpa) 破坏伸长     (％) 直径 (μm) 长度 (mm) 熔点 (℃)  APV  RM182  RF350  RF1500  RF4000   1.3  20-30  800-1200     7-10     15     200     400     600     6     12     20/30     30     220   PEHD   0.97     90     2700     3-5     50     50     50     5     10     18     150     PA   1.12     2-5  500-900     20-30     500     500     20     30     260     钢    7.6     210     2900     200     13     1550

表Ⅱ 对纤维混凝土机械性能的评价：与APV纤维/钢纤维比较     实施例     1     2     3     4     5     6     7     8     波特兰水泥     1     1     1     1     1     1    1     1     砂子  1.430  1.430  1.430  1.430  1.430  1.430  1.29   1.29     石英粉  0.300  0.300  0.300  0.300  0.300  0.300  0.300   0.300     硅灰  0.325  0.325  0.325  0.325  0.325  0.325  0.325   0.325 辅剂(干基)  0.012  0.012  0.012  0.012  0.012  0.012  0.015   0.015     水  0.200  0.200  0.24  0.24  0.20  0.20  0.24   0.24     纤维：种类     纤维：％体积     无     无     钢     2％     钢     2％     APV     4％     APV     4％     APV     4％     APV     4％     硅灰石     0     0     0     0     0     0     10     10     云母     0     0     0     0     0     0     0     0 熟化或热处理(T℃)     20     90     20     90     20     90     20     90     4点弯曲强度     16.6    16.5     18.5     21.3     23  27.5     22     27 抗张强度(Mpa)     7.1    6.75     7.75     10.75     9   8.5    9.25     9.45 抗断裂强度Gc(J/m2)     9.2    10     10     10.5     9.75  10.25     20     22     抗压强度     190    198     155     182.5     138  147.5     143     147 散失能量wf(J/m2)     12     15    ＞5000 ＞5000   ＞5000 ＞5000   ＞5000   ＞5000

纤维种类：APV=聚乙烯醇

表Ⅲ 用不同的有机纤维获得的机械性能的评价     实施例     9     10     11     12     13     波特兰水泥     1     1     1     1     1     沙子     1.430     1.430     1.430     1.430     1.430     石英粉     0.300     0.300     0.300     0.300     0.300     硅灰     0.325     0.325     0.325     0.325     0.325     辅剂(干基)     0.01     0.01     0.01     0.01     0.01     水     0.25     0.25     0.25     0.25     0.25     纤维：种类     纤维：％体积     APV1500     4     APV4000     4     APV1800     PEHD     1     PAN     1.5 熟化或热处理(T℃)     90     90     90     90     90 3点弯曲强度(Mpa)     35     27     25     22.5     20 抗断裂强度Gc(J/m2)     10     10     11.25     11     10 抗压强度(Mpa)     142     145     152.5     145 APV纤维种类=KURARAY(1500,4000),UNITIKA(1800)聚乙烯醇 PEHD=高密度聚乙烯 PAN=聚丙烯腈

表Ⅳ AVP(1500)纤维：纤维长度的影响     实施例     14     15     16     17     波特兰水泥     1     1     1     1     砂子     1.430     1.430     1.430     1.430     石英粉     0.300     0.300     0.300     0.300     硅灰     0.325     0.325     0.325     0.325     辅剂(干基)     0.01     0.01     0.01     0.01     水     0.25     0.25     0.25     0.25 纤维：长度(mm)     纤维：％体积     30     4     18     4     12     4     6     4 熟化或热处理(T℃)     90     90     90     90  3点弯曲强度(MPa)     35     30     16.5     12 抗压强度(MPa)     145     152     132.5     135     破坏类型     韧性     韧性 无冷加工     半断裂

表Ⅴ     实施例  18     19     20    21    22    23    24     25 波特兰水泥  1     1     1    1    1    1    1     1     硅灰  0.325    0.325     0.325    0.325    0.325    0.325    0.325     0.325     石英粉  0.3    0.3     0.3    0.3    0.3    0.3    0.3     0.3     砂子  1.43    1.43     1.43    1.43    1.43    1.43    1.2     1.43     硅灰石    -     -    -    -    -     -    0.24      - 辅剂(干基)  0.018    0.018     0.018    0.018    0.019    0.017    0.018     0.018     水(E/C)  0.25    0.25     0.22    0.22    0.19    0.21    0.21     0.25     纤维：种类  PEHD    PEHD     PA    PA    APV    APV    APV  APV 钢 纤维：长度(mm)  5    10     20    30    12    20    20     6  13 纤维：直径(mm)  0.05    0.05     0.5    0.5    0.2    0.4    0.4  0.015  0.2 纤维：％体积  1.5    1     5    5    4    4    4     1  2     热处理(T℃)  90    90     90    90    90    90    90     90  3点弯曲强度 40×40×160mm  26.5    24.6     20.4    21.3    20.5    24.9    27.9     44.0 抗压强度MPa  121    185     122    139    150    137    140     178

表Ⅵ 用于拔出实验的基体组成     波特兰水泥     1     砂子     1.43     石英粉     0.3     硅灰     0.325     辅剂(干基)     0.018     E/C     0.25     熟化或热处理(T℃)     90