本發(fā)明涉及一種纖維增強(qiáng)混凝土，更具體地，涉及一種纖維是由回收輪胎獲得的聚合纖維的纖維增強(qiáng)混凝土。

背景技術(shù)：

與一些其它建筑材料(例如，金屬和聚合物)相比，混凝土明顯更脆，并顯示出較差的拉伸強(qiáng)度?；炷量赡茉诓牧现泻徒缑嫣幎紨y帶有缺陷和微裂紋，甚至在施加外部載荷之前。這些缺陷和微裂紋可能源于多余的水、滲漏、塑性沉降、熱和收縮應(yīng)變，以及由外部約束施加的應(yīng)力集中。在施加的載荷下，分布的微裂紋可以蔓延、聚結(jié)和自我調(diào)整，以產(chǎn)生宏觀裂紋。當(dāng)載荷進(jìn)一步增加時(shí)，在宏觀裂紋的末端達(dá)到臨界裂紋生長(zhǎng)條件，并且可能促成不穩(wěn)定和災(zāi)難性故障。在疲勞載荷下，混凝土可能容易破裂，并且裂紋可能產(chǎn)生有害動(dòng)因的通路，這可能導(dǎo)致早期飽和、凍融破壞、結(jié)垢、變色和鋼腐蝕。

可以通過(guò)添加各種合適材料的短的、隨機(jī)分布的纖維來(lái)有利地修改上述微破裂和宏觀破裂過(guò)程。纖維不僅可以抑制裂紋的形成，也可以減弱裂紋的蔓延和生長(zhǎng)。所得的材料，被稱為“纖維增強(qiáng)混凝土”，正在迅速成為廣為接受的主流建筑材料。

在硬化狀態(tài)下，當(dāng)纖維被妥當(dāng)粘合時(shí)，纖維與混凝土基體在微裂紋的水平相互作用并有效彌合這些裂紋，從而提供延遲裂紋聚結(jié)和不穩(wěn)定生長(zhǎng)的應(yīng)力傳遞介質(zhì)。然而，如果纖維體積分?jǐn)?shù)足夠高，則這可能導(dǎo)致基體的拉伸強(qiáng)度增加超過(guò)折彎點(diǎn)(BOP)。

纖維增強(qiáng)混凝土可以分為兩大類，即正常性能纖維增強(qiáng)混凝土和高性能纖維增強(qiáng)混凝土。在正常性能纖維增強(qiáng)混凝土中，纖維具有低到中等體積分?jǐn)?shù)，這些纖維不能增強(qiáng)混凝土的拉伸/彎曲強(qiáng)度，纖維增強(qiáng)的好處僅限于減少塑性收縮破裂控制或加強(qiáng)后破裂模式中的能量吸收。在高性能纖維增強(qiáng)混凝土中，纖維具有高體積分?jǐn)?shù)，注意到纖維增強(qiáng)的好處在于增加的拉伸強(qiáng)度、定位前的應(yīng)變硬化響應(yīng)和超越破裂定位的加強(qiáng)“韌性”。Banthia,N.和Sheng,J.在Fracture Toughness of Micro-Fiber Reinforced Cement Composites,Cement and Concrete Composites,18:pp.251-269；1996中公開(kāi)了可以期望纖維產(chǎn)生拉伸/彎曲強(qiáng)度增加的纖維體積分?jǐn)?shù)，如下所示：

其中，τ_fu是界面的平均界面粘合強(qiáng)度，σ_mu是混凝土基體的拉伸強(qiáng)度，l_f是纖維長(zhǎng)度，d_f是纖維直徑，λ₁,λ₂,λ₃是分別與長(zhǎng)度、方向和分組相關(guān)的效率因子，α₁和α₂是與混凝土未破裂狀態(tài)有關(guān)的常數(shù)。公式1示出：如果對(duì)于給定的纖維增強(qiáng)混凝土，超過(guò)臨界體積分?jǐn)?shù)，則纖維增強(qiáng)混凝土將描繪應(yīng)變硬化和顯示多個(gè)裂紋。

在具有纖維體積分?jǐn)?shù)高于臨界體積分?jǐn)?shù)的纖維增強(qiáng)混凝土中，在彎折點(diǎn)之后，預(yù)期會(huì)發(fā)生多個(gè)裂紋，并且預(yù)期混凝土在長(zhǎng)度由下面的公式2給出的x和2x(其中，x是轉(zhuǎn)移)長(zhǎng)度之間的片段中破裂。

然而，由于纖維控制裂紋生長(zhǎng)和提供裂紋尖端增韌的優(yōu)異能力，混凝土的疲勞性能可以通過(guò)具有適當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)和纖維分布的纖維增強(qiáng)顯著加強(qiáng)。由于纖維增強(qiáng)，擴(kuò)散和滲透性都可以被控制，并且可以延遲腐蝕。

2007年9月11日授予Pilakoutas等人的美國(guó)專利7,267,873公開(kāi)了設(shè)置有可以從回收輪胎獲得的直徑在0.05mm和0.3mm之間的薄鋼纖維的纖維增強(qiáng)混凝土。建議兩種替代方案以避免當(dāng)將纖維混入混凝土中時(shí)的結(jié)成團(tuán)塊的問(wèn)題。第一種方案包括使用表現(xiàn)出優(yōu)異的粘結(jié)特性的纖維束。第二種方案包括使用長(zhǎng)度和厚度在寬分布1/d比率不超過(guò)250情況下的纖維混合物，其具有減少結(jié)成團(tuán)塊趨勢(shì)的效果，從而能夠達(dá)到有效的密度。

然而，仍然需要改進(jìn)的纖維增強(qiáng)混凝土的附加劑和混合技術(shù)。還仍然需要充分了解使用中的附加劑性能并優(yōu)化這些復(fù)合材料以提高持久性和耐久性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種纖維增強(qiáng)混凝土，其中，所述纖維是從回收的車輛輪胎獲得的聚合纖維。

因此，提供一種包含聚合纖維的水泥基混合物。聚合纖維可以從回收的車輛輪胎來(lái)獲得。水泥基混合物可以包含占水泥質(zhì)量0.1％和1.0％之間的聚合纖維。水泥基混合物可以包含占水泥質(zhì)量大約0.4％的聚合纖維。水泥基混合物可以是砂漿或混凝土。聚合纖維可以是聚對(duì)苯二甲酸乙二酯。

聚合纖維可以通過(guò)使用重力方法分離聚合纖維來(lái)獲得。聚合纖維可以通過(guò)使用溶劑分離聚合纖維來(lái)獲得?？梢酝ㄟ^(guò)將水泥基混合物吹入混凝土混合器，將聚合纖維添加到水泥基混合物。

可以通過(guò)使用精細(xì)水泥；使用選自包括羧甲基纖維素，硅灰和磨細(xì)高爐礦渣的分散劑組的分散劑；使用以非常高的速度旋轉(zhuǎn)的高剪切混合器；和/或使用組分以特定順序被引入混合器中以獲得更好的纖維分散并使聚合纖維的纏結(jié)最小化的特別批處理序列，將聚合纖維分散在水泥基混合物中。

附圖說(shuō)明

根據(jù)下列僅由示例的方法給出的實(shí)施例的描述，參考附圖，本發(fā)明將會(huì)更容易理解，其中：

圖1是通過(guò)回收輪胎獲得的廢輪胎纖維絨毛的照片；

圖2包含圖1的廢輪胎絨毛的掃描電子顯微鏡圖像；

圖3是示出廢輪胎纖維絨毛的主要有機(jī)成分是聚對(duì)苯二甲酸乙二酯的圖表；

圖4是用于測(cè)試?yán)w維增強(qiáng)砂漿的塑性收縮破裂的基底的透視圖；

圖5是用于測(cè)試?yán)w維增強(qiáng)砂漿的塑性收縮破裂的具有纖維增強(qiáng)砂漿覆蓋的基底的透視圖；

圖6是示出包含廢輪胎纖維絨毛(STF)或市售原始聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)的纖維增強(qiáng)砂漿中的最大裂紋寬度的圖表；

圖7是示出包含廢輪胎纖維絨毛(STF)或市售原始聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)的纖維增強(qiáng)砂漿的裂紋寬度百分比減少的圖表；

圖8是示出包含廢輪胎纖維絨毛(STF)或市售原始聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)的纖維增強(qiáng)砂漿中試樣的總裂紋面積的圖表；以及

圖9是示出包含廢輪胎纖維絨毛(STF)或市售原始聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)的纖維增強(qiáng)砂漿中的總裂紋面積百分比減少的圖表。

具體實(shí)施方式

從回收輪胎獲得的聚合纖維用作混凝土增強(qiáng)物。預(yù)期這種纖維控制收縮破裂，減輕聚結(jié)的微裂紋，并加強(qiáng)延展性、韌性、耐沖擊性和耐疲勞度。由于它們對(duì)裂紋成核與生長(zhǎng)的高抵抗性，這種纖維可以降低混凝土的滲透性并防止有害動(dòng)因的進(jìn)入，從而潛在地延遲材料降解和鋼腐蝕。

圖1示出位于加拿大不列顛哥倫比亞省德?tīng)査死锞S登大道969號(hào)V3M 5R6(969Cliveden Avenue,Delta,British Columbia,Canada V3M 5R6)的西方橡膠制品有限公司(Western Rubber Products Ltd.)使用常規(guī)回收方法從汽車輪胎獲得的廢輪胎纖維絨毛。當(dāng)輪胎被回收時(shí)，它們通常被切割和轉(zhuǎn)換為連續(xù)越來(lái)越小的尺寸的碎橡膠。切削工具的磨損可能產(chǎn)生空氣傳播的聚合纖維，然后其被收集并裝袋。這些聚合物纖維通常包括聚酯、人造絲、尼龍等。通過(guò)使用重力方法或溶劑將聚合纖維與雜質(zhì)(諸如碎橡膠)分離。

廢輪胎纖維絨毛通常包含在回收過(guò)程中沒(méi)有從聚合纖維中分離的微量的碎橡膠顆粒和鋼纖維。圖2示出具有粘附的碎橡膠顆粒的廢輪胎纖維絨毛和一些纖維的表面損傷的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。圖3示出根據(jù)ASTM(1998)廢輪胎纖維絨毛的主要有機(jī)成分被確定為聚對(duì)苯二甲酸乙二酯，即聚酯。下面的表1示出與用于混凝土增強(qiáng)的市售原始聚對(duì)苯二甲酸乙二酯纖維相比較的廢輪胎纖維絨毛的一些物理性能。

表1-纖維性能

以恒定為0.50的水灰比和砂灰比制備包含占水泥質(zhì)量0.1％、0.2％、0.3％和0.4％的廢輪胎纖維絨毛或市售原始聚對(duì)苯二甲酸乙二酯纖維的砂漿混合物。使用羧基丙烯酸酯共聚物作為高效減水劑并使用機(jī)械攪拌器，將廢輪胎纖維絨毛或市售原始聚對(duì)苯二甲酸乙二酯首先分散在混合水中。然后，將水泥和細(xì)骨料依次添加到廢輪胎纖維絨毛或市售原始聚對(duì)苯二甲酸乙二酯懸浮液中。使用普通硅酸鹽水泥，并且細(xì)骨料是比重為2.65的天然砂。砂漿混合物使用Hobart^TM混合物制備，總混合時(shí)間是六分鐘。下面的表2示出用于覆蓋物和基底的砂漿混合物，以測(cè)試在包含廢輪胎纖維絨毛或市售原始聚對(duì)苯二甲酸乙二酯纖維的砂漿中收縮引起的破裂。

表2-覆蓋物和基底的質(zhì)量混合比例

在沙漿混合物中塑性收縮引起的破裂使用不列顛哥倫比亞大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種方法進(jìn)行測(cè)試，該方法在下列文獻(xiàn)中被披露：

Banthia,N.,Yan,C.,and Mindess,S.,Restrained Shrinkage Cracking in Fiber Reinforced Concrete:A Novel Test Technique,Cement and Concrete Research,26(1),1996,pp.9-14；

Banthia,N.and Campbell,K.Restrained Shrinkage Cracking in Bonded Fiber Reinforced Shotcrete,RILEM-Proc.35,The lnterfacial Transition Zone in Cementitious Composites,Eds.Katz,Bentur,Alexander and Arligui,E and F N.Spon,1998,pp.216-223；

Banthia,N.and Gupta,P.,Repairing with Fiber Reinforced Concrete Repairs,ACI Concrete International,28(11),Nov 2006,pp.36-40；

Banthia,N.and Gupta,R.,Influence of Polypropylene Fiber Geometry on Plastic Shrinkage Cracking in Concrete,Cement and Concrete Research,36(7),July 2006,pp.1263-1267.

上述參考文獻(xiàn)的全部公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。

圖4示出示例性硬化基底，其被用于測(cè)試砂漿混合物中塑性收縮引起的破裂。基底根據(jù)上文表2中提供的混合比例鑄造?；子伤芰夏じ采w二十四小時(shí)，然后轉(zhuǎn)移到具有飽和石灰水的水箱中并儲(chǔ)存至少六十天。然后，基底用于測(cè)試在使用表2提供的砂漿混合物鑄造的砂漿中收縮引起的破裂。此示例中使用的基底尺寸為40mm x 95mm x 325mm，并且在其平面上有多個(gè)基本半圓形凸起。半圓形凸起的直徑為18.5mm。當(dāng)按照ASTM C 39測(cè)試時(shí)基底有89MPa的耐壓強(qiáng)度。

圖5示出具有砂漿混合物的覆蓋物的基底?；椎耐蛊鸺訌?qiáng)了基底的粗糙度，并在砂漿混合物的覆蓋物上施加均勻的約束。新鮮砂漿混合物的覆蓋物被直接放在硬化基底上?；缀蜕皾{混合物的覆蓋物置于干燥環(huán)境中以測(cè)試塑性收縮引起的破裂。砂漿混合物用于測(cè)試塑性收縮引起的破裂，因?yàn)樯皾{中的破裂比混凝土中的破裂更為顯著，并且纖維增強(qiáng)效果更為明顯。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，沙漿混合物中的塑性收縮引起的破裂是包括廢輪胎纖維絨毛或市售原始聚對(duì)苯二甲酸乙二酯纖維的混凝土和其它基于水泥的混合物中預(yù)期的塑料收縮引起的破裂的指示。

使用以下程序制備具有包含廢輪胎纖維絨毛或市售原始聚對(duì)苯二甲酸乙二酯纖維的表2的砂漿混合物的每一個(gè)的覆蓋物的基底的三個(gè)樣品。將固化的、空氣干燥的基底放置在測(cè)量為100mm×100mm×375mm的聚氯乙烯(PVC)模具中。然后，將60mm深的包含廢輪胎纖維絨毛或市售原始聚對(duì)苯二甲酸乙二酯纖維的砂漿混合物的覆蓋物傾倒在基底上并用泥刀完成。然后，將基底和覆蓋物轉(zhuǎn)移到環(huán)境室中，并在兩小時(shí)后脫模以增加暴露干燥的表面積。將樣品在環(huán)境室中再放置二十小時(shí)，之后在覆蓋物中形成裂紋圖案。還使用類似的方法制備包含不具有廢輪胎纖維絨毛或市售原始聚對(duì)苯二甲酸乙二酯纖維的覆蓋物的參考樣品。

在測(cè)試中使用尺寸為1705mm x 1705mm x 380mm的環(huán)境室。環(huán)境室設(shè)置有能夠調(diào)節(jié)和監(jiān)測(cè)環(huán)境室內(nèi)的條件的溫度探針和濕度探針。三個(gè)加熱器鼓風(fēng)機(jī)單元(240伏，4800瓦，具有1/30HP，1550RPM內(nèi)部電風(fēng)扇)向環(huán)境室供應(yīng)熱空氣。這些單元又由溫度探針控制，以在環(huán)境室中保持恒定的溫度。允許熱空氣通過(guò)三個(gè)240mm x 175mm的開(kāi)口逸出該室。保持50℃±1℃的溫度以及大約5％的相對(duì)濕度。在這些條件下，在試樣位置處測(cè)量0.80kg/m²/h的近似表面蒸發(fā)速率。同時(shí)測(cè)試給定覆蓋物混合物的三個(gè)樣品。

在環(huán)境室中在二十四小時(shí)后表征在砂漿覆蓋物上形成的裂紋。使用精度為0.01mm的高倍顯微鏡進(jìn)行裂紋表征。使用具有0.001mm的測(cè)量精度的圖像分析軟件評(píng)估裂紋寬度和長(zhǎng)度。除了記錄在給定樣品中觀察到的最大裂紋寬度之外，對(duì)于每個(gè)裂紋，在若干位置測(cè)量寬度并平均?；谶@些寬度和長(zhǎng)度測(cè)量，確定參考砂漿和包含廢輪胎纖維絨毛或市售原始聚對(duì)苯二甲酸乙二酯纖維的砂漿的最大裂紋寬度和總裂紋面積。發(fā)現(xiàn)在沙漿混合物中包含廢輪胎纖維絨毛或市售原始聚對(duì)苯二甲酸乙二酯纖維顯著減少收縮破裂。

圖6示出包含廢輪胎纖維絨毛或市售原始聚對(duì)苯二甲酸乙二酯纖維的樣品無(wú)一具有寬度大于0.7mm的裂紋。圖7示出對(duì)于包含0.1％-0.3％市售原始聚對(duì)苯二甲酸乙二酯纖維的樣品，與參考砂漿相比，最大裂紋寬度的減少范圍在86.4％至93.2％，對(duì)于包含0.1-0.4％廢輪胎纖維絨毛的樣品，與參考混合物相比，最大裂紋寬度的減少分別為52.7％，68.2％，72.4％和92.7％。圖8示出樣品的總裂紋面積，并表明廢輪胎纖維絨毛或市售原始聚對(duì)苯二甲酸乙二酯纖維在減少塑性收縮破裂中非常有效。圖9示出將0.1％-0.4％的廢輪胎纖維絨毛添加到砂漿混合物中引起總裂紋面積減少約74％-97.5％，而包含0.1％-0.3％的市售原始聚對(duì)苯二甲酸乙二酯纖維的樣品的總裂紋面積的減少?gòu)?6變化至99.4％。從圖7和圖9所示的值來(lái)看，最佳市售原始聚對(duì)苯二甲酸乙二酯纖維含量為0.2％，而最佳廢輪胎纖維絨毛含量為0.4％?？傮w來(lái)看，0.4％的廢輪胎纖維絨毛可以用于實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于0.3％的市售原始聚對(duì)苯二甲酸乙二酯纖維的性能。

進(jìn)一步可以認(rèn)為在回收輪胎時(shí)分離聚合纖維的方法，諸如使用碎屑和聚合纖維之間的不同密度的重力法，或使用溶劑從纖維表面去除附著的碎屑的溶解分離，將產(chǎn)生適于增強(qiáng)混凝土的聚合纖維。也可以看出將聚合纖維添加到混凝土中的方法將導(dǎo)致更好的纖維分散。鑒于聚合纖維的高比表面積和它們預(yù)期具有的高度纏結(jié)形式，預(yù)期通過(guò)常規(guī)方法的混合是不合適的。當(dāng)聚合纖維被添加時(shí)會(huì)趨向結(jié)成團(tuán)塊和非均勻分散。

為了適當(dāng)混合，認(rèn)為必須在混凝土基體中有適當(dāng)?shù)睦w維輸送以及適當(dāng)?shù)睦w維混合與分散?；炷粱w中的纖維輸送可以通過(guò)向混凝土混合器中吹入纖維來(lái)實(shí)現(xiàn)。聚合纖維可能需要機(jī)械攪拌以在吹入之前分離。

纖維混合與分散可以通過(guò)使用下列技術(shù)實(shí)現(xiàn)：

使用更精細(xì)的水泥；

使用適當(dāng)?shù)姆稚?，例如，羧甲基纖維素、硅灰、磨細(xì)高爐礦渣；

使用專用型混合器，例如，以非常高的速度旋轉(zhuǎn)的高剪切混合器；和/或

使用組分以特定順序被引入混合器中以獲得更好的纖維分散并使聚合纖維的纏結(jié)最小化的特別批處理序列。

進(jìn)一步可以認(rèn)為，對(duì)于涉及化學(xué)和礦物附加劑的使用的混合物改性，可以獲得比無(wú)纖維混凝土具有更好的耐用性和抗裂性的混合物。這種纖維增強(qiáng)混凝土，除了其較低的碳足跡之外，還可以描繪出更好的裂紋控制、改善的能量吸收能力、加強(qiáng)的抗沖擊性和更好的耐疲勞性。進(jìn)一步可以看出，使用專門的混合技術(shù)(諸如高剪切混合)和混合比例的適當(dāng)改變，高達(dá)水泥質(zhì)量1％的纖維含量不應(yīng)在混合程度和纖維分散中造成問(wèn)題。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，上面提供的諸多細(xì)節(jié)僅是示例性的方法，并非意在限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍將參照權(quán)利要求確定。