一种多元低弹模混杂纤维增强再生混凝土制备方法

摘要

本发明公开了一种多元低弹模混杂纤维增强再生混凝土制备方法，该方法用破碎的废旧混凝土作为混凝土的部分再生粗骨料，并添加废旧轮胎提取的尼龙纤维以及改性聚丙烯粗TANK纤维和聚丙烯三枝抗老化网状纤维，以改善再生混凝土的力学性能，每立方米混凝土中，以100份重量单位计，由以下物质组成：32.5R普通硅酸盐水泥：21份，细骨料：20份，天然碎石：25份～35份，再生粗骨料：15份～25份，尼龙纤维：0.01份～0.02份，改性聚丙烯粗TANK纤维：0.01份～0.02份，聚丙烯三枝抗老化网状纤维：0.01份～0.02份，水：9份；该方法制备简单，解决了建筑垃圾和“黑色污染”带来的环境问题，具有广阔的经济推广价值和社会效益。

说明书

技术领域

本发明属于新型环保的绿色建筑材料领域，涉及复合增强再生混凝土的制 备，特别涉及一种多元低弹模混杂纤维增强再生混凝土制备方法，该方法采用 破碎的废旧混凝土作为混凝土的部分再生粗骨料，并添加废旧轮胎提取的尼龙 纤维并加入聚丙烯三枝抗老化网状纤维和改性聚丙烯TANK纤维，通过合理的配 合比设计，制备多元混杂纤维增强再生混凝土。

背景技术

随着我国经济建设高速发展和城市化进程的日益加快，由城中村改造等造 成的建筑垃圾不仅对环境造成了严重的污染，而且要消耗大量的砂、石使得自 然资源面临逐渐枯竭。所以，为符合循环经济战略发展的要求，实现混凝土产 业的可持续发展，再生混凝土的制备新技术成为广泛关注的研究热点。该技术 不但能减少废弃混凝土作为建筑垃圾带来的环境危害，而且能节省大量的天然 砂石资源，是目前循环经济倡导下资源化再利用的具有良好经济和环境效益的 混凝土制备技术。然而再生粗骨料由于来源复杂、骨料品质劣化，由于再生混 凝土中新砂浆与再生骨料之间、新老砂浆之间界面问题、孔结构稀疏、混凝土 较大的离散性等诸多因素，影响了再生混凝土的研究与推广。

纤维由于具有良好的抗拉、阻裂增强、增韧的能力被用于普通混凝土中， 若采用纤维来增强增韧性能改善再生混凝土的孔结构、强化界面过渡区使得再 生混凝土的性能有所增强，该方法可作为制备性能增强再生混凝土的一种方法。

伴随汽车工业的发展大量的废弃轮胎不断产生，原始而简单的露天堆放、 焚烧销毁等方法，不仅大量占用土地资源而且还造成极大的环境污染。废旧轮 胎的循环再利用则可以较好的解决资源浪费、环境污染和节约土地资源等一系 列的环境问题，带来一定的经济效益和社会效益。

所以，将废旧轮胎和废弃混凝土两种废弃物资源化循环再利用，将废旧轮 胎分离的再生纤维复合高分子合成纤维，制备一种新型的混杂纤维再生混凝土， 就成为本发明主要研究的内容。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种多元低弹模混杂纤维增强再生混凝土制备方 法，该方法将废弃混凝土经过破碎、清洗、筛分等处理，将制备的再生粗骨料 部分应用于混凝土中，然后将由废旧轮胎提取的尼龙再生纤维与两种不同形状 和效能的聚丙烯纤维混合构成低弹模多元混杂再生纤维，并将其添加入再生混 凝土中，从而制备一种新型的多元混杂再生纤维增强的再生混凝土。该方法经 济简单，利用了混杂纤维中不同纤维的特点协同作用，阻止再生混凝土中微观 和宏观裂缝的产生与开展，起到增强/增韧的效果，为废旧轮胎和废弃混凝土的 循环再利用提供了一种新的途径。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种多元低弹模混杂纤维增强再生混凝土制备方法，其特征在于，该方法 用破碎的废旧混凝土作为混凝土的部分再生粗骨料，并添加废旧轮胎提取的尼 龙纤维以及改性聚丙烯粗TANK纤维和聚丙烯三枝抗老化网状纤维，以改善再生 混凝土的力学性能，具体制备按下列步骤进行：

步骤一，按照如下配比对再生混凝土进行配制，，每立方米混凝土中，以100 份重量单位计，由以下物质组成：32.5R普通硅酸盐水泥：21份，细骨料(中 砂)：20份，天然碎石(5-31.5mm)：25份～35份，再生粗骨料(5-20mm)：15 份～25份，尼龙纤维：0.01份～0.02份，改性聚丙烯粗TANK纤维：0.01份～ 0.02份，聚丙烯三枝抗老化网状纤维：0.01份～0.02份，水：9份。

步骤二，将废旧混凝土采用颚式破碎机进行机械破碎并进行清洗、筛分， 制得再生粗骨料，在此基础上，依据《普通混凝土用砂、石质量及检测方法标 准》(JGJ52-2006)对再生粗骨料进行筛分析、含泥量及压碎值指标等骨料性能 进行试验，使得再生粗骨料满足连续级配、含泥量及压碎值指标的要求。

步骤三，对于细骨料颗粒级配，依据《普通混凝土用砂、石质量及检测方 法标准》(JGJ52-2006)，细骨料颗粒级配宜优先选用II区砂，以满足混凝土配 制过程中对细骨料级配的要求。

步骤四，按照按照配方量的重量份数，将细骨料和尼龙纤维、聚丙烯三枝 抗老化网状纤维和改性聚丙烯粗TANK纤维和32.5R普通硅酸盐水泥放入搅拌 机，干混搅拌均匀，搅拌时间不少于120秒。

步骤五，将天然碎石和再生粗骨料按照各自总重量百分比的70％加入上述干 混料中，在搅拌机中干混搅拌90-120秒后加入配方中总水量的60％进行搅拌， 混料搅拌时间不少于180秒。

步骤六，将余下的部分天然碎石和再生粗骨料再次投入至搅拌机中，并将 配方中余下总水量的40％再加入搅拌机进行搅拌，混料时间约2-3分钟，直至混 凝土拌合均匀，工作性能满足混凝土的浇筑要求。

本发明的优点：

1、选用由废弃轮胎提取的尼龙纤维结合两种聚丙烯纤维即聚丙烯三枝抗老 化网状纤维和改性聚丙烯粗TANK纤维，将这三种不同纤维混杂对再生混凝土性 能进行改善，制备一种低弹模多元混杂再生纤维增强的再生混凝土。这种混凝 土不仅使废弃轮胎和废旧混凝土都得到循环再利用，而且利用尼龙短纤维和聚 丙烯三枝抗老化网状纤维的桥接作用抑制再生混凝土中微观裂缝的开展，利用 改性聚丙烯粗TANK纤维阻止再生混凝土中宏观裂缝的发展，使得这三种纤维得 到充分共同作用而起到改善再生混凝土的物理力学性能。

2、制作方法简单，可以普遍满足常用中、低标号混凝土的要求，并且能够 改善再生混凝土的性能，尤其是混凝土的抗折性能。此外，由于尼龙纤维和再 生粗骨料来源于废旧轮胎和废弃混凝土，从废弃物循环再利用以及节能、环保 的角度均起到一定的经济和社会效益，具有广泛的应用推广价值。

附图说明

图1是废旧轮胎切割原料图片；

图2是废弃轮胎分离的尼龙纤维图片；

图3是截面为三角形的聚丙烯三枝抗老化网状纤维图片；

图4是聚丙烯三枝抗老化网状纤维电镜SEM扫描断面；

图5是纵截面呈波浪形的改性聚丙烯粗TANK纤维；

图6是混凝土粗骨料颗粒连续级配曲线；

图7是混凝土细骨料颗粒级配曲线；

图8是低弹模多元混杂再生纤维增强再生混凝土的立方体、轴心抗压强度 变化趋势直方图；

图9是低弹模多元混杂再生纤维增强再生混凝土劈裂抗拉强度、抗折强度 变化趋势直方图；

图10是低弹模多元混杂再生纤维增强再生混凝土强度归一化对比直方图；

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本实施例制备的多元低弹模混杂纤维增强再生混凝土，每立方米混凝土中， 以100份重量单位计，由以下物质组成：32.5R普通硅酸盐水泥：21份，细骨 料(中砂)：20份，天然碎石(5-31.5mm)：25份～35份，再生粗骨料(5-20mm)： 15份～25份，尼龙纤维：0.01份～0.02份，改性聚丙烯粗TANK纤维：0.01份～ 0.02份，聚丙烯三枝抗老化网状纤维：0.01份～0.02份，水：9份。其中，尼 龙纤维从废弃的轮胎中提取，即先将废弃轮胎破解(如图1)，然后从废旧轮胎 分离尼龙纤维(如图2所示)，再加入两种市售的低弹模聚丙烯纤维，即横断面 为三角形的低弹模聚丙烯三枝抗老化网状纤维(如图3所示)和纵向截面呈波 浪形的改性聚丙烯粗TANK纤维(如图5所示)，将这三种纤维混杂组成低弹模 多元混杂再生纤维，按照设计配比掺入再生混凝土中。

在以下的实验中，申请人由不同的拆迁工地收集了不同来源的废旧混凝土， 经现场调查，拆除原结构的服役时间分别为15年和40年，此外，还收集了实 验室做完试验的废弃混凝土，分别将其破碎、筛分、清洗加工。粗骨料分别分 为天然碎石和三种不同来源的再生混凝土骨料。其中天然碎石骨料表示为NA； 采用实验室破碎的再生骨料为RA-I；采用服役寿命15年的拆迁废弃混凝土制备 的再生骨料表示为RA-II，服役寿命40年的表示为RA-III。

以下是发明人给出的实施例。

实施例：

1、对废旧混凝土进行机械破碎、筛分、清洗等，制备的粗骨料颗粒级配应 满足《普通混凝土用砂、石质量及检测方法标准》(JGJ52-2006)第3.2.1条中 表3.2.1-2(碎石或卵石的颗粒级配范围)对骨料的要求。由图6可知，天然粗 骨料NA、再生粗骨料RA-I、RA-II、RA-III均满足JGJ52-2006对粗骨料连续级 配的要求。

由颗粒级配累计曲线图6确定出颗粒的相关粒径d₁₀、d₃₀和d₆₀，并求出不 均匀系数Ku＝d₆₀/d₁₀和曲率系数其中d₁₀为小于某颗粒粒径的 颗粒质量累计百分数为10％时对应的粒径；d₃₀为小于某颗粒粒径的颗粒质量累 计百分数为30％时对应的粒径；d₆₀为小于某颗粒粒径的颗粒质量累计百分数为 60％时对应的粒径。

由JGJ52-2006中第3.2.1条中表3.2.1-2可知，对于5-31.5mm以内的粗 骨料，经计算，不均匀系数K_u的范围在(0.37，0.69)之间，而曲率系数K_c范 围应在(0.80，1.53)之间。由表1可知各不同骨料的不均匀系数和曲率系数， 均满足JGJ52-2006对颗粒级配的要求，说明骨料级配良好。

表1  粗骨料不均匀系数及曲率系数

  颗粒级配系数   NA   RA-I   RA-II   RA-III   d₁₀  21.89   23.74   23.83   24.18

  d₃₀  17.36   17.94   18.38   18.87   d₆₀  12.73   13.94   15.63   17.03   Ku   0.58   0.59   0.66   0.70   Kc   1.08   0.97   0.91   0.86

2、粗骨料除颗粒连续级配的要求，还有影响骨料性能的其他因素，如针、 片状颗粒含量，含泥量、压碎值指标及坚固性指标等，可针对各个指标进行试 验。本实施例主要测定了骨料的含泥量、压碎值指标及其饱和面干状态下压碎 值指标。其试验结果如表2所示，实施例中粗骨料均满足JGJ52-2006对含泥量、 压碎值指标和饱和面干压碎值指标要求。

表2 粗骨料含泥量和压碎信指标

  颗粒级配系数   NA   RA-I   RA-II   RA-III   JGJ52-2006限值   含泥量/％   0.83   0.67   0.75   0.85   ＜1.0   压碎值指标/％   6.39   15.78   13.61   17.39   ＜20   饱和面干状态压碎值指标/％   6.42   19.30   17.63   19.38   ＜20

3、细骨料级配依据JGJ52-2006中第3.1.2条中表3.1.2-3对细骨料颗粒 级配的要求，对砂进行筛分析，分析结果如表3和图5所示，砂属II区砂，为 制备混凝土优先选用砂。

表3细骨料天然砂颗粒级配试验

4、本实施例给出一种多元低弹模混杂纤维增强再生混凝土配方，以100份 重量单位计，由以下物质组成：32.5R普通硅酸盐水泥：500Kg；细骨料(中砂)： 466Kg；天然碎石(5-31.5mm)：600-839Kg；再生粗骨料(5-20mm)：360-600Kg； 尼龙纤维：0.3Kg；改性聚丙烯粗TANK纤维：0.3Kg；聚丙烯三枝抗老化网状 纤维：0.3Kg；水：215Kg。

制备过程是，首先按照配方量的重量份数，将干物料如细骨料(中砂)和 尼龙纤维、改性聚丙烯粗TANK纤维和聚丙烯三枝抗老化网状纤维与32.5R普通 硅酸盐水泥放入搅拌机，干混搅拌均匀，时间不少于2分钟；其次，将天然碎 石和再生粗骨料按照各自总重量的百分比的70％加入上述干混料中，在搅拌机中 干混搅拌90-120秒后加入配方中总水量的60％进行搅拌，混料搅拌时间不少于 180秒；最后，将余下的部分天然碎石和再生粗骨料再次投入至搅拌机中，并将 配方中余下总水量的40％再加入搅拌机进行搅拌，混料时间约2-3分钟，直至混 凝土拌合均匀，工作性能满足混凝土的浇筑要求。

5、为研究多元混杂再生纤维对再生混凝土力学性能的影响，依据《普通混 凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)，分别制备了如前所述的五组 试件进行对比分析。

其一为普通混凝土，作为对比试件，记为NC；其二是取代率为30％的再生 混凝土，混凝土中未添加任何纤维，记为RAC-I；其三是在取代率为30％的再生 混凝土中添加低弹模混杂再生纤维，记为RAC-IF；其四是取代率为50％的再生 混凝土，其中未添加任何纤维，记为RAC-II；其五，取代率为50％的再生混凝 土中添加低弹模混杂再生纤维，记为RAC-IIF。通过实施例分析说明该再生纤维 对再生混凝土力学性能的影响。

低弹模多元混杂再生纤维增强再生混凝土力学性能指标对比如表4。

表4：低弹模多元混杂再生纤维增强再生混凝土力学性能指标对比

低弹模多元混杂再生纤维增强/增韧的再生混凝土立方体抗压强度和轴心 抗压强度如图8、10所示，与普通混凝土NC相比，随着取代率的增高，取代率 为30％的RAC-I立方体抗压强度比取代率为50％的RAC-II高8.64％，且均分别 高于普通混凝土9.61％和1.07％，当添加低弹模多元混杂纤维后，取代率分别为 30％的RAC-IF和取代率为50％RAC-IIF的立方体抗压强度均高于普通混凝土 7.29％和1.12％。对于轴心抗压强度，取代率为30％的RAC-I低于普通混凝土约 5.85％，当添加混杂再生纤维后，轴压强度则仅低于普通混凝土1.61％，说明再 生混凝土中添加混杂再生纤维后，再生混凝土轴压强度得到一定改善；而取代 率为50％的再生混凝土，添加混杂再生纤维后，RAC-IIF要比RAC-II轴压强度 要高9.24％，到达普通混凝土NC轴心抗压强度的1.13倍。所以，低弹模多元 混杂再生纤维对再生混凝土的抗压性能基本上能达到改善的效果，且满足普通 混凝土两种抗压强度性能的要求。

对于劈裂抗拉强度和抗折强度，结果如图9、10所示。再生混凝土中由于 再生粗骨料与砂浆界面粘结性能较差，其中水化产物并未能充分填充界面空间 使得混凝土中孔结构相对薄弱，使得再生混凝土的劈裂强度均低于普通混凝土， 其中未添加纤维的RAC-I和RAC-II分别降低12.68％和10.84％，但当添加低弹 模混杂再生纤维后，RAC-IF和RAC-IIF的强度降幅有明显减少，其中RAC-IIF 的降幅最小，相比普通混凝土仅降低了3.77％，说明混杂再生纤维对再生混凝土 中劈裂强度有着一定的改善效果。对于抗折强度，RAC-I和RAC-II相比普通混 凝土NC相差无几，其中RAC-I略高与普通混凝土2.78％，RAC-II到达普通混 凝土强度的99.64％，而当添加低弹模多元混杂再生纤维后，抗折强度均高于取 代率为30％的RAC-I和50％的RAC-II，且高于普通混凝土的抗折强度，其中 RAC-IF高于普通混凝土6.62％，RAC-IIF高于普通混凝土11.45％，由图10可 以明显看出，由于多元混杂纤维的阻裂增韧作用，使得RAC-IF的抗折强度比 RAC-I增加了4％，RAC-IIF的抗折强度比RAC-II增加了11.8％，说明多元混杂 纤维协同作用，利用其中短纤维和聚丙烯三枝抗老化网状纤维抑制了再生混凝 土中的微裂缝开展并一定程度的改善了孔结构，利用改性聚丙烯粗TANK纤维 的微筋材作用阻止了宏观裂缝的开展使得再生混凝土抗韧性能得到增强。

综上所述，对再生混凝土中添加由废旧轮胎提取的尼龙再生纤维和两种聚 丙烯粗、细纤维混杂构成的低弹模多元混杂再生纤维，对再生混凝土的立方体 抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度均有不同程度的改善，尤 其是对抗折强度的较为敏感，并且相比普通混凝土，能满足甚至超越普通混凝 土的相应指标要求，所以低弹模多元混杂再生纤维对再生混凝土的物理力学性 能具有较好的改善效果。