專利名稱：：一種制造短切碳纖維增強(qiáng)混凝土的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及混凝土領(lǐng)域，尤其涉及一種碳纖維增強(qiáng)混凝土的制備方法。
背景技術(shù)：
：水泥混凝土是當(dāng)今消耗最多的建筑材料，但水泥混凝土又存在抗拉強(qiáng)度低、干縮率大、脆性大和抗沖擊性能差等缺點(diǎn)，而碳纖維以其高強(qiáng)、高模、質(zhì)輕、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)能改善普通水泥混凝土的不足。短切碳纖維填充到混凝土中，約束微裂縫擴(kuò)展，提高混凝土的抗裂性、抗?jié)B性和抗凍性，提高韌性，減少干縮變形，可以明顯地改善混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。再者，短切碳纖維的摻入可以提高混凝土的導(dǎo)電性，使得短切碳纖維增強(qiáng)混凝土(以下所述的"碳纖維混凝土"均指"短切碳纖維增強(qiáng)混凝土")兼具結(jié)構(gòu)材料和功能材料的特性。如將碳纖維混凝土用于各種公路路面、橋梁路面工程，利用短切碳纖維增強(qiáng)混凝土良好的導(dǎo)電性，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，制成可融雪化冰的功能路面，用于機(jī)場(chǎng)、橋面、坡道等；利用碳纖維混凝土良好的電磁屏蔽特性，用于信息保密機(jī)構(gòu)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)；碳纖維混凝土還具有感知應(yīng)力應(yīng)變、結(jié)構(gòu)損傷、裂紋等的能力，可制成傳感器用于土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)、路面交通測(cè)速、稱重等。隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，碳纖維價(jià)格降低較快，將有利于碳纖維混凝土在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。目前碳纖維的分散主要采用物理方法、化學(xué)方法或兩者兼有的分散方法。物理分散方法方面，如專利200520050437公開了一種專門用于碳纖維混凝土攪拌的設(shè)備；專利200610046791采用風(fēng)吹吸方法將短切碳纖維與混凝土混合的方法制備碳纖維混凝土。這些方法需要配備新的攪拌設(shè)備，并且由于每束碳纖維有1000根以上，單靠采用物理拌合工藝難使水泥等微細(xì)顆粒進(jìn)入碳纖維間，碳纖維分散比較困難。碳纖維成團(tuán)一方面不能發(fā)揮碳纖維的作用，另一方面將會(huì)在混凝土內(nèi)引入較大的孔洞，降低其耐久性和力學(xué)性能。碳纖維分散不均勻還會(huì)引起材料性能的離散性大?；瘜W(xué)分散方法方面，一般采用強(qiáng)氧化劑、硅烷等對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理，增加其含氧官能團(tuán)數(shù)量，提高親水性。除此之外，還使用纖維素醚類高分子材料作分散劑，降低水的表面張力，提高水的粘度以增加纖維間空間位阻，避免纖維分散后的重新團(tuán)聚。如專利03128010.2公開了一種含溫度補(bǔ)償?shù)母哽`敏度短切碳纖維水泥基電阻應(yīng)變傳感系統(tǒng)，采用羥甲基纖維素納作為分散劑，材料配合比為水泥碳纖維硅粉水分散劑=IOO:O.2l:15:55:O.4。專利200620097627.4公開了一種路面承載機(jī)敏傳導(dǎo)裝置，采用甲基纖維素作為碳纖維分散劑制備碳纖維混凝土，甲基纖維素用量為配制材料總質(zhì)量的0.4%。采用上述方法，一般分散劑的用量與碳纖維用量相同，高粘性分散劑的加入使得混凝土拌合料粘性大、流動(dòng)性變差。另外，分散劑包裹較多的水，使得混凝土拌合時(shí)水灰比提高。并且，分散劑吸附在水泥顆粒表面阻止水泥水化。因此，這樣制造的碳纖維混凝土結(jié)構(gòu)比較松散、孔隙率較高、抗壓強(qiáng)度較低、硬化時(shí)間長。在制備工藝流程上，須先將短切碳纖維與分散劑水溶液混合，再將混合物與其它原材料混合。存在的問題是受水灰比的限制，分散劑水溶液的量過少，而碳纖維的根數(shù)巨大，難以分散碳纖維。CN101712183A
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種能夠大批量制備性能穩(wěn)定、均一的碳纖維混凝土的新方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是將短切碳纖維在水溶性纖維素醚的水溶液中分散，再采用抄紙方法將碳纖維用過濾網(wǎng)或拖布從碳纖維懸浮液中濾出，待碳纖維烘干后從過濾網(wǎng)上的濾布或拖布上取下，即得一種碳纖維氈，然后將碳纖維氈切成邊長為48cm的小方塊，先使其與水泥混凝土原料干拌14min，再加水在攪拌機(jī)內(nèi)混合14min，最后將混合料澆注密實(shí)成型后，即得碳纖維混凝土；碳纖維用量為碳纖維混凝土總體積的0.22.5%。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下主要的優(yōu)點(diǎn)第一，分散碳纖維的分散劑溶液總量較現(xiàn)有方法多，增加了碳纖維間的距離，更易分散碳纖維。第二，第一次分散(即短切碳纖維在分散劑溶液中分散)、采用水溶性纖維素醚作為碳纖維氈中單根碳纖維之間的粘結(jié)劑等為第二次分散(即碳纖維氈遇水重新解體為短切碳纖維，均勻分散在水泥混凝土中)奠定了基礎(chǔ)，有利于碳纖維與混凝土的拌合與分散。第三，分散劑水溶液可以多次重復(fù)使用，降低了生產(chǎn)成本。第四，本方法直接帶入到混凝土中的分散劑量較少，降低了分散劑對(duì)混凝土性能的負(fù)面影響；第五，混凝土攪拌時(shí)用水量比現(xiàn)有方法少，有利于提高混凝土的密實(shí)性。第六，本發(fā)明有利于現(xiàn)場(chǎng)大量拌制性能穩(wěn)定、均一的碳纖維混凝土，實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)。圖1為本發(fā)明所采用的過濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供的制造碳纖維混凝土的方法，具體是將短切碳纖維在水溶性纖維素醚的水溶液中分散，再采用抄紙方法將碳纖維用過濾網(wǎng)或拖布從碳纖維懸浮液中濾出，待碳纖維烘干后從過濾網(wǎng)上的濾布或拖布上取下，即得一種碳纖維氈，然后將碳纖維氈切成邊長為48cm的小方塊，先使其與水泥混凝土原料干拌14min，再加水在攪拌機(jī)內(nèi)混合14min，最后將混合料澆注密實(shí)成型后，即得碳纖維混凝土；根據(jù)使用要求，碳纖維用量為短切碳纖維混凝土總體積的0.22.5%。濾布采用薄紗。所述的短切碳纖維，其長度為57mm，該碳纖維采用PAN基碳纖維或?yàn)r青基碳纖維，并且在每L分散劑溶液中碳纖維的添加量不超過1.0g。所述的短切碳纖維，其在分散劑溶液中攪拌15min，制得懸浮液。攪拌時(shí)滴入若干滴磷酸三丁酯消除氣泡，其用量以分散劑溶液表面無氣泡為準(zhǔn)，此為短切碳纖維的第一次分散。本發(fā)明采用采用的抄紙方法制備短切碳纖維氈時(shí)，使用四層結(jié)構(gòu)的過濾網(wǎng)過濾，如圖1所示該過濾網(wǎng)的底層為不銹鋼框架1，其上焊接有帶圓孔鍍鋅鋼板2，再往上鋪一層不銹鋼絲網(wǎng)3，最后在不銹鋼絲網(wǎng)上鋪一層薄紗4，薄紗起過濾水和固定碳纖維的作用。將碳纖維懸浮液以45度角或90度角噴射到過濾網(wǎng)上，該過濾網(wǎng)以一定的速度(例如15m/min)移動(dòng)；或者將過濾網(wǎng)從裝有碳纖維懸浮液的箱底平行抬起，該過濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)能快速過濾水，使得碳纖維快速粘附在濾布上而從水中濾出；還可以拉動(dòng)拖布從裝有碳纖維懸浮液的箱內(nèi)拉出，將碳纖維懸浮液中的碳纖維濾出。濾布和拖布經(jīng)過干燥處理后，取下碳纖維氈即成。碳纖維氈干燥后的面密度為530g/m2，內(nèi)含纖維素醚的質(zhì)量即含膠量為《15%。所述分散劑溶液，是指質(zhì)量濃度為0.4%的羧甲基纖維素納水溶液。所述的水溶性纖維素，可以采用羧甲基纖維素納，還可以采用甲基纖維素(MC)、羥甲基纖維素(HMC)、羥乙基纖維素(HEC)、羥丙基纖維素(HPC)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)、羥乙基甲基纖維素(HEMC)等中的一種，或多種。采用羧甲基纖維素納時(shí)，其粘度指標(biāo)為質(zhì)量濃度為2%的羧甲基纖維素納水溶液在25t:時(shí)粘度為8001200mPa.S。本發(fā)明采用上述的水溶性纖維素可作為分散劑，同時(shí)它又是碳纖維氈中單根碳纖維之間的粘結(jié)劑。因此，當(dāng)水溶性纖維素與混凝土拌合水相遇時(shí)，其重新溶于水，碳纖維氈離解為單根碳纖維，實(shí)現(xiàn)了碳纖維與水泥混凝土的均勻共混。所述的碳纖維氈，在其與水泥混凝土原料一起在攪拌機(jī)內(nèi)混合時(shí)，該碳纖維氈遇水解體重新散開，隨著攪拌的進(jìn)行二次分散到水泥混凝土原料，稱為碳纖維的第二次分散。上述的水泥混凝土原料，其為水泥、砂、石、水、硅粉、粉煤灰和混凝土外加劑等，其配合比可根據(jù)普通混凝土配合比手冊(cè)或有關(guān)公式初步確定，試配后確定最終的配合比。如采用42.5普通硅酸鹽水泥配制C30C45碳纖維混凝土，其參考配合比(質(zhì)量比)為水泥砂石水碳纖維減水劑=i:1.18:3.20:(o.46o.55):(i.12%6.74%):i%。如果將碳纖維質(zhì)量折算為碳纖維氈(按碳纖維氈中碳纖維的含量計(jì)算)，其參考配合比(質(zhì)量比)水泥砂石水碳纖維氈減水劑=i:1.18:3.20:(o.460.55):(1.26%7.60%):1%。硅粉可替代0%15%的水泥，并適當(dāng)提高水量。粉煤灰可替代0%10%的水泥。將碳纖維氈切成邊長為48cm的小方塊，先使其與水泥混凝土原料干拌14min，再加水在攪拌機(jī)內(nèi)混合14min，將混合料澆注密實(shí)成型后即得所述碳纖維混凝土。下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。實(shí)施例1:配制質(zhì)量濃度0.4X的羧甲基纖維素納水溶液25L，水溫在25t:左右。加入美國Zoltek公司的長度為6.4mm的PANEX35短切碳纖維10g，邊加入邊攪拌35min。攪拌時(shí)滴入若干滴磷酸三丁酯(武漢宏大化學(xué)試劑廠生產(chǎn))，用量以溶液表面無氣泡為準(zhǔn)。采用過濾網(wǎng)過濾碳纖維懸浮液，過濾網(wǎng)總面積為11112，過濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)如附圖l所示。將附有碳纖維的濾布在烘干設(shè)備內(nèi)烘干或在陽光下曬干后，取下短切碳纖維氈。采用靈敏度為0.Olg的電子天平稱量碳纖維氈質(zhì)量如表1所示。因此，碳纖維氈的質(zhì)量平均值為11.27g/m2，其中含膠量為11.3%，碳纖維含量88.7%。實(shí)施例2:配制濃度0.4%的羥丙基甲基纖維素(分子量為20萬)水溶液50L，水溫在25°C左右。加入上海碳素有限公司的5mmPAN基短切碳纖維10g，邊加入邊攪拌35min。攪拌時(shí)滴入若干滴磷酸三丁酯(武漢宏大化學(xué)試劑廠生產(chǎn))，用量以分散劑溶液表面無氣泡為準(zhǔn)。采用過濾網(wǎng)過濾碳纖維懸浮液，過濾網(wǎng)總面積為11112，過濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)如附圖l所示。將附有碳纖維的布在烘干設(shè)備內(nèi)烘干或在陽光下曬干后，取下短切碳纖維氈。類似實(shí)施例1，采用靈敏度為0.Olg的電子天平稱量得碳纖維氈平均質(zhì)量為11.48g/m2，含膠量為12.9%，碳纖維含量87.1%。實(shí)施例3:配制濃度0.4%的羥丙基甲基纖維素(分子量為20萬)水溶液50L，水溫在25°C左右。加入臺(tái)灣臺(tái)塑集團(tuán)生產(chǎn)的5mmPAN基短切碳纖維10g，邊加入邊攪拌35min。攪拌時(shí)滴入若干滴磷酸三丁酯(武漢宏大化學(xué)試劑廠生產(chǎn))，用量以分散劑溶液表面無氣泡為準(zhǔn)。采用過濾網(wǎng)過濾碳纖維懸浮液，過濾網(wǎng)總面積為11112，過濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)如附圖l所示。將附有碳纖維的布在烘干設(shè)備內(nèi)烘干或在陽光下曬干后，取下短切碳纖維氈。類似實(shí)施例l，采用靈敏度為0.Olg的電子天平稱量得制得的碳纖維氈平均質(zhì)量為11.35g/m2，含膠量為11.9%，碳纖維含量88.1%。實(shí)施例4:碳纖維分散性試驗(yàn)方案1:取華新水泥股份有限公司生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥800g，水220g，取按實(shí)施例1制成的碳纖維氈4.5g(其中含碳纖維4g)。將碳纖維氈切成邊長4cm的小方塊，使其與水泥干拌lmin，再加水在攪拌機(jī)內(nèi)混合2min。從濕混合料的不同部位抽取等量樣品8份，每份45g。先用水洗除水泥，濾出碳纖維，再將碳纖維用濃鹽酸浸泡3小時(shí)后除去殘留的水泥，洗凈后干燥。采用靈敏度為O.lmg的高精度電子分析天平稱重，繼而按下式求出變動(dòng)系數(shù)W和纖維分散系數(shù)P，即^/=:xl00%、(1)式中，Xi為某一樣品中碳纖維的質(zhì)量；；為各樣品中碳纖維質(zhì)量的平均值；n為取樣份數(shù)，此處n=8。在碳纖維完全均勻分布的條件下，即每一試樣中所含纖維數(shù)完全一致時(shí)，W=0;如全部纖維都集中于某一試樣中，而其它試樣中無纖維時(shí)，則W—①。因此，當(dāng)W越接近O，表示混凝土中碳纖維的分散性越好。方案2:取華新水泥股份有限公司生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥800g，水255g，美國Zoltek公司的長度為6.4mm的PANEX35短切碳纖維4g，CMC3.2g。先用150g熱水溶解CMC，待完全溶解后，加入剩余的水和碳纖維手工攪拌lmin，再加入水泥在攪拌機(jī)內(nèi)拌合2min。從濕混合料的不同部位抽取等量樣品8份，每份45g。先用水洗除水泥，濾出碳纖維，再將碳纖維用濃鹽酸浸泡3小時(shí)后除去殘留的水泥，洗凈后干燥。采用靈敏度為0.lmg的高精度電子分析天平稱重，繼而按公式(1)和(2)求出變動(dòng)系數(shù)W。兩次試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用碳纖維氈時(shí)，其在水泥中的分散效果要好于直接用短切碳纖維再加分散劑的效果。而且，前者在用水量和CMC含量方面都要明顯小于后者。實(shí)施例5:取按實(shí)施例1制成的短切碳纖維氈，按表3所示的配合比配制了若干種碳纖維混其中，標(biāo)準(zhǔn)差S為凝土，表中數(shù)值為配制11113碳纖維混凝土所需的材料。先將華新水泥股份有限公司生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥、本地產(chǎn)中砂和細(xì)石、FDN減水劑(武漢浩源化工廠生產(chǎn))、邊長為5cm碳纖維氈方塊一起干拌lmin，然后加入水?dāng)嚢?min。拌合后，填模并振實(shí)。l天后脫模，在水中養(yǎng)護(hù)28天后，采用直流四電極法測(cè)試體積電阻率，采用三點(diǎn)彎曲測(cè)試抗折強(qiáng)度。表3中B、C、D配方配制的碳纖維混凝土其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度比普通混凝土高，可用于用于混凝土梁、柱或板構(gòu)件的預(yù)制和現(xiàn)澆，以及現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的修復(fù)和加固；D、E、F、G等配方可用于配制導(dǎo)電混凝土。附表表1實(shí)施例1制得的碳纖維氈質(zhì)量<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表3幾種典型的碳纖維混凝土配比、電阻率、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>承碳纖維在碳纖維混凝土中的體積含量從B-G分別為0.278%;0.556%;0.833%;1.11%;1.39%;1.67%。上述碳纖維為水泥質(zhì)量的百分比從B-G分別為1.12%;2.25%;3.36%;4.49%;5.62%;6.74%。權(quán)利要求一種制造短切碳纖維增強(qiáng)混凝土的方法，其特征在于將短切碳纖維在水溶性纖維素醚的水溶液中分散，再采用抄紙方法將碳纖維用過濾網(wǎng)或拖布從碳纖維懸浮液中濾出，待碳纖維烘干后從過濾網(wǎng)上的濾布或拖布上取下，即得一種碳纖維氈，然后將碳纖維氈切成邊長為4～8cm的小方塊，先使其與水泥混凝土原料干拌1～4min，再加水在攪拌機(jī)內(nèi)混合1～4min，最后將混合料澆注密實(shí)成型后，即得短切碳纖維增強(qiáng)混凝土；碳纖維用量為短切碳纖維增強(qiáng)混凝土總體積的0.2～2.5％。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于短切碳纖維的長度為57mm，該碳纖維采用PAN基碳纖維或?yàn)r青基碳纖維，并且采用水溶性纖維素作為碳纖維在水中分散的分散劑。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于每L分散劑溶液中短切碳纖維的添加量不超過1.Og，短切碳纖維在分散劑溶液中攪拌15min，攪拌時(shí)滴入若干滴磷酸三丁酯消除氣泡，用量以分散劑溶液表面無氣泡為準(zhǔn)。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述水溶性纖維素是指羧甲基纖維素納，該羧甲基纖維素納也作為碳纖維氈中單根碳纖維之間的粘結(jié)劑，其粘度指標(biāo)為質(zhì)量濃度為2%的羧甲基纖維素納水溶液在25t:時(shí)粘度為8001200mPa.S。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述水溶性纖維素是甲基纖維素、羥甲基纖維素、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素、羥丙基甲基纖維素、羥乙基甲基纖維素中的一種，或多種。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于將碳纖維懸浮液以45度角或90度角噴射到過濾網(wǎng)上，該過濾網(wǎng)處于移動(dòng)狀態(tài)；或者將過濾網(wǎng)從裝有碳纖維懸浮液的箱底平行抬起，使得碳纖維從水中濾出；或者用拖布從裝有碳纖維懸浮液的箱內(nèi)拉出，將碳纖維懸浮液中的碳纖維濾出。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于使用四層結(jié)構(gòu)的過濾網(wǎng)過濾，該過濾網(wǎng)的底層為不銹鋼框架(l)，其上焊接有帶圓孔鍍鋅鋼板(2)，再往上鋪一層不銹鋼絲網(wǎng)(3)，最后在不銹鋼絲網(wǎng)上鋪一層薄紗(4)，薄紗起過濾水和固定碳纖維的作用。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所制得的碳纖維氈干燥后的面密度為530g/m2，內(nèi)含纖維素醚的質(zhì)量即含膠量為《15%。全文摘要本發(fā)明涉及制造短切碳纖維增強(qiáng)混凝土的方法，具體是將短切碳纖維在水溶性纖維素醚的水溶液中分散，再采用抄紙方法將碳纖維用過濾網(wǎng)或拖布從碳纖維懸浮液中濾出，待碳纖維烘干后從濾布或拖布上取下，然后將取下的碳纖維氈切成邊長為4～8cm的小方塊，先使其與混凝土原料干拌1～4min，再加水?dāng)嚢?～4min，最后將混合料澆注密實(shí)成型后，即得短切碳纖維增強(qiáng)混凝土；碳纖維用量為短切碳纖維增強(qiáng)混凝土總體積的0.2～2.5％。本發(fā)明有利于碳纖維與混凝土的拌合與分散，有利于提高混凝土的密實(shí)性和降低生產(chǎn)成本，有利于現(xiàn)場(chǎng)大量拌制性能穩(wěn)定、均一的碳纖維增強(qiáng)混凝土。文檔編號(hào)B28C7/04GK101712183SQ200910272460公開日2010年5月26日申請(qǐng)日期2009年10月20日優(yōu)先權(quán)日2009年10月20日發(fā)明者侯正燾,孫明清,李濱,范曉明,陳龍,龔學(xué)進(jìn)申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)