專利名稱：：一種制造短切碳纖維增強混凝土的方法
技術領域：
：本發明涉及混凝土領域，尤其涉及一種碳纖維增強混凝土的制備方法。
背景技術：
：水泥混凝土是當今消耗最多的建筑材料，但水泥混凝土又存在抗拉強度低、干縮率大、脆性大和抗沖擊性能差等缺點，而碳纖維以其高強、高模、質輕、耐腐蝕性好等優點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，約束微裂縫擴展，提高混凝土的抗裂性、抗滲性和抗凍性，提高韌性，減少干縮變形，可以明顯地改善混凝土結構的力學特性。再者，短切碳纖維的摻入可以提高混凝土的導電性，使得短切碳纖維增強混凝土(以下所述的"碳纖維混凝土"均指"短切碳纖維增強混凝土")兼具結構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混凝土良好的導電性，將電能轉化為熱能，制成可融雪化冰的功能路面，用于機場、橋面、坡道等；利用碳纖維混凝土良好的電磁屏蔽特性，用于信息保密機構的建筑圍護結構；碳纖維混凝土還具有感知應力應變、結構損傷、裂紋等的能力，可制成傳感器用于土木工程結構的健康監測、路面交通測速、稱重等。隨著工業技術的進步，碳纖維價格降低較快，將有利于碳纖維混凝土在工程領域的應用。目前碳纖維的分散主要采用物理方法、化學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備；專利200610046791采用風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顆粒進入碳纖維間，碳纖維分散比較困難。碳纖維成團一方面不能發揮碳纖維的作用，另一方面將會在混凝土內引入較大的孔洞，降低其耐久性和力學性能。碳纖維分散不均勻還會引起材料性能的離散性大。化學分散方法方面，一般采用強氧化劑、硅烷等對碳纖維進行表面處理，增加其含氧官能團數量，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聚。如專利03128010.2公開了一種含溫度補償的高靈敏度短切碳纖維水泥基電阻應變傳感系統，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敏傳導裝置，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、流動性變差。另外，分散劑包裹較多的水，使得混凝土拌合時水灰比提高。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構比較松散、孔隙率較高、抗壓強度較低、硬化時間長。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，而碳纖維的根數巨大，難以分散碳纖維。CN101712183A
發明內容本發明所要解決的技術問題是針對現有技術中存在的問題，提供一種能夠大批量制備性能穩定、均一的碳纖維混凝土的新方法。本發明解決其技術問題采用的技術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或拖布從碳纖維懸浮液中濾出，待碳纖維烘干后從過濾網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，再加水在攪拌機內混合14min，最后將混合料澆注密實成型后，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%。本發明與現有技術相比具有以下主要的優點第一，分散碳纖維的分散劑溶液總量較現有方法多，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，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使用，降低了生產成本。第四，本方法直接帶入到混凝土中的分散劑量較少，降低了分散劑對混凝土性能的負面影響；第五，混凝土攪拌時用水量比現有方法少，有利于提高混凝土的密實性。第六，本發明有利于現場大量拌制性能穩定、均一的碳纖維混凝土，實現商品化生產。圖1為本發明所采用的過濾網結構示意圖。具體實施例方式本發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或拖布從碳纖維懸浮液中濾出，待碳纖維烘干后從過濾網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，再加水在攪拌機內混合14min，最后將混合料澆注密實成型后，即得碳纖維混凝土；根據使用要求，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基碳纖維或瀝青基碳纖維，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，此為短切碳纖維的第一次分散。本發明采用采用的抄紙方法制備短切碳纖維氈時，使用四層結構的過濾網過濾，如圖1所示該過濾網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3，最后在不銹鋼絲網上鋪一層薄紗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度角噴射到過濾網上，該過濾網以一定的速度(例如15m/min)移動；或者將過濾網從裝有碳纖維懸浮液的箱底平行抬起，該過濾網結構能快速過濾水，使得碳纖維快速粘附在濾布上而從水中濾出；還可以拉動拖布從裝有碳纖維懸浮液的箱內拉出，將碳纖維懸浮液中的碳纖維濾出。濾布和拖布經過干燥處理后，取下碳纖維氈即成。碳纖維氈干燥后的面密度為530g/m2，內含纖維素醚的質量即含膠量為《15%。所述分散劑溶液，是指質量濃度為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，其粘度指標為質量濃度為2%的羧甲基纖維素納水溶液在25t:時粘度為8001200mPa.S。本發明采用上述的水溶性纖維素可作為分散劑，同時它又是碳纖維氈中單根碳纖維之間的粘結劑。因此，當水溶性纖維素與混凝土拌合水相遇時，其重新溶于水，碳纖維氈離解為單根碳纖維，實現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內混合時，該碳纖維氈遇水解體重新散開，隨著攪拌的進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，其配合比可根據普通混凝土配合比手冊或有關公式初步確定，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%。如果將碳纖維質量折算為碳纖維氈(按碳纖維氈中碳纖維的含量計算)，其參考配合比(質量比)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，再加水在攪拌機內混合14min，將混合料澆注密實成型后即得所述碳纖維混凝土。下面結合具體實施例對本發明作進一步說明，但不應理解為對本發明的限制。實施例1:配制質量濃度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。攪拌時滴入若干滴磷酸三丁酯(武漢宏大化學試劑廠生產)，用量以溶液表面無氣泡為準。采用過濾網過濾碳纖維懸浮液，過濾網總面積為11112，過濾網結構如附圖l所示。將附有碳纖維的濾布在烘干設備內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量如表1所示。因此，碳纖維氈的質量平均值為11.27g/m2，其中含膠量為11.3%，碳纖維含量88.7%。實施例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。攪拌時滴入若干滴磷酸三丁酯(武漢宏大化學試劑廠生產)，用量以分散劑溶液表面無氣泡為準。采用過濾網過濾碳纖維懸浮液，過濾網總面積為11112，過濾網結構如附圖l所示。將附有碳纖維的布在烘干設備內烘干或在陽光下曬干后，取下短切碳纖維氈。類似實施例1，采用靈敏度為0.Olg的電子天平稱量得碳纖維氈平均質量為11.48g/m2，含膠量為12.9%，碳纖維含量87.1%。實施例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。加入臺灣臺塑集團生產的5mmPAN基短切碳纖維10g，邊加入邊攪拌35min。攪拌時滴入若干滴磷酸三丁酯(武漢宏大化學試劑廠生產)，用量以分散劑溶液表面無氣泡為準。采用過濾網過濾碳纖維懸浮液，過濾網總面積為11112，過濾網結構如附圖l所示。將附有碳纖維的布在烘干設備內烘干或在陽光下曬干后，取下短切碳纖維氈。類似實施例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量為11.35g/m2，含膠量為11.9%，碳纖維含量88.1%。實施例4:碳纖維分散性試驗方案1:取華新水泥股份有限公司生產的42.5普通硅酸鹽水泥800g，水220g，取按實施例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，再加水在攪拌機內混合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系數W和纖維分散系數P，即^/=:xl00%、(1)式中，Xi為某一樣品中碳纖維的質量；；為各樣品中碳纖維質量的平均值；n為取樣份數，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完全一致時，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，則W—①。因此，當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內拌合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)求出變動系數W。兩次試驗結果如表2所示。試驗結果表明，采用碳纖維氈時，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。實施例5:取按實施例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，標準差S為凝土，表中數值為配制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的42.5普通硅酸鹽水泥、本地產中砂和細石、FDN減水劑(武漢浩源化工廠生產)、邊長為5cm碳纖維氈方塊一起干拌lmin，然后加入水攪拌2min。拌合后，填模并振實。l天后脫模，在水中養護28天后，采用直流四電極法測試體積電阻率，采用三點彎曲測試抗折強度。表3中B、C、D配方配制的碳纖維混凝土其抗壓強度和抗折強度比普通混凝土高，可用于用于混凝土梁、柱或板構件的預制和現澆，以及現有結構的修復和加固；D、E、F、G等配方可用于配制導電混凝土。附表表1實施例1制得的碳纖維氈質量<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表3幾種典型的碳纖維混凝土配比、電阻率、抗壓強度和抗折強度<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量的百分比從B-G分別為1.12%;2.25%;3.36%;4.49%;5.62%;6.74%。權利要求一種制造短切碳纖維增強混凝土的方法，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或拖布從碳纖維懸浮液中濾出，待碳纖維烘干后從過濾網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，再加水在攪拌機內混合1～4min，最后將混合料澆注密實成型后，即得短切碳纖維增強混凝土；碳纖維用量為短切碳纖維增強混凝土總體積的0.2～2.5％。2.根據權利要求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基碳纖維或瀝青基碳纖維，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.根據權利要求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。4.根據權利要求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劑，其粘度指標為質量濃度為2%的羧甲基纖維素納水溶液在25t:時粘度為8001200mPa.S。5.根據權利要求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.根據權利要求1所述的方法，其特征在于將碳纖維懸浮液以45度角或90度角噴射到過濾網上，該過濾網處于移動狀態；或者將過濾網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拉出，將碳纖維懸浮液中的碳纖維濾出。7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于使用四層結構的過濾網過濾，該過濾網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(3)，最后在不銹鋼絲網上鋪一層薄紗(4)，薄紗起過濾水和固定碳纖維的作用。8.根據權利要求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，內含纖維素醚的質量即含膠量為《15%。全文摘要本發明涉及制造短切碳纖維增強混凝土的方法，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，再加水攪拌1～4min，最后將混合料澆注密實成型后，即得短切碳纖維增強混凝土；碳纖維用量為短切碳纖維增強混凝土總體積的0.2～2.5％。本發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性和降低生產成本，有利于現場大量拌制性能穩定、均一的碳纖維增強混凝土。文檔編號B28C7/04GK101712183SQ200910272460公開日2010年5月26日申請日期2009年10月20日優先權日2009年10月20日發明者侯正燾,孫明清,李濱,范曉明,陳龍,龔學進申請人:武漢理工大學