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CN101896651A - 用于水泥制品三维增强的合成纤维 - Google Patents

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CN101896651A CN2008801200510A CN200880120051A CN101896651A CN 101896651 A CN101896651 A CN 101896651A CN 2008801200510 A CN2008801200510 A CN 2008801200510A CN 200880120051 A CN200880120051 A CN 200880120051A CN 101896651 A CN101896651 A CN 101896651A
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Abstract

本发明涉及一种用于水泥制品三维增强的双组分纤维，其特征是：所述双组分纤维是同轴的芯-涂层纤维，其中所述芯包括热塑性聚合物，且所述涂层包括耐pH＞11环境的热塑性聚合物以及占所述涂层总重量3～30％的一种或多种亲水性物质和/或表面活性物质，或者所述涂层包括耐pH＞11环境并接枝有构成所述涂层总重量3～25％的一种或不同种类活性单体或不饱和单体的热塑性聚合物，其中所述涂层的表面张力至少为45mN/m。本发明还提供一种所述纤维的制造方法，包括这种纤维的水泥制品以及所述水泥制品的制造方法。

Description

用于水泥制品三维增强的合成纤维
技术领域
本发明涉及适用于水泥制品三维增强的合成纤维。
背景技术
众所周知，与其它建筑材料相比，水泥制品具有许多技术优点和经济优点。然而，在许多情况下水泥制品的应用受限，这是因为形成无特定结构的收缩裂缝导致它们耐久性不足和寿命不足。
无特定结构的收缩裂缝的形成由在用水泥砂浆生产水泥制品期间形成的小裂纹(称作毛细裂纹)所引起。此外，当对由水泥制品制得物件施加一次性负荷或恒定负荷时，或通过物件自身重量作用，毛细裂纹开始增多，其数量和尺寸变大，并转变成更大的收缩裂缝，导致耐久性受损和由水泥制品制得物件的破坏。通过防止毛细裂纹的增多，人们可实现混凝土制品耐久性的有效提高，并促使其寿命延长。
为了进一步提高水泥制品的物理耐久性和机械耐久性，使用不同的增强组分，例如金属增强、矿质元素和合成纤维。已知合成纤维能最有效地防止毛细裂纹发展成无特定结构的收缩裂缝，这是因为合成纤维是以上列出的增强成分类型中最薄的一种，且其大小与毛细裂纹的大小相当。
因而，含有合成纤维的水泥制品的三维增强能补偿混凝土制品的主要缺陷，例如收缩裂缝形成、抗张强度差和破坏时脆性高。因此，与不含增强合成纤维的水泥制品相比，包括纤维组分的水泥制品表现出更高的破坏强度、抗张强度、剪切强度、抗冲击性、疲劳强度、破裂强度、耐寒性和水密性。
然而，不是所有的合成纤维都同样适于用在水泥制品中。首先，应考虑增强材料的这些参数，如耐久性、变形性、耐化学品性，和其与水-水泥悬液的粘合。优选地，用于三维增强的合成纤维性能是这样的：这些纤维的应用能使得在水泥制品中部分或完全避免金属增强组分的使用，因为金属增强的使用导致水泥制品质量增大和制造成本增高。特别是，为了通过将合成纤维用作水泥制品的组分来确保有效防止毛发裂纹形成，这些纤维均匀分散在整个体积的水泥砂浆中是至关重要的，因为只有在这种情况下，才能在整体水泥制品内防止毛细裂纹的形成。
专利RU 2274618公开了一种水泥制品(混凝土)，其用金属和合成纤维增强并包括火山灰组分和粒径不大于10mm的填料。硬化后，合成纤维构成0.1～3体积％。优选合成纤维具有小于80μm的厚度、1.5mm～12mm的长度，并优选由聚乙烯和聚丙烯组成。
专利RU 2245858公开了一种水泥制品(混凝土)，包括由含高密度聚乙烯的聚乙烯、聚丙烯和其它合成聚合物组成的有机纤维。为了增强有机纤维的粘合，另外将选自二氧化硅、沉淀碳酸钠、磷酸盐、乳胶聚乙烯醇和消泡剂的物质引入到拟用于制造所述混凝土的水泥砂浆中。所述混凝土还进一步包括增强填料，所述填料是金属纤维或由其它无机材料制得的纤维。
如上述专利所公开，聚烯烃合成纤维的使用不能完全避免水泥制品中金属增强和无机纤维的使用。因为该因素，RU 2274618和RU 2245858中公开的水泥制品的制造昂贵，且所得制品的质量因包括金属增强组分而增大。导致在所述专利公开的制品中必须使用金属增强的一个原因是纤维不能均匀地分散在水泥制品体积内，由此不能有效起作用。这是由于根据所述专利所用纤维的表面张力小于水的表面张力的事实，因此合成聚乙烯纤维不能均匀地分散在水泥砂浆的水介质中。
如果为了增加这种纤维的表面张力及使得其表面亲水性均匀，使用已进行过表面处理的纤维，则能实现更好的结果。由于这种处理，这些纤维均匀地分散在水泥砂浆体积内。
因此，本发明最接近的现有技术专利RU 2074153公开了用于水泥类制品分散增强的合成纤维束。根据所述专利，将每束包括10～106000单根纤维的合成纤维束引入到水泥砂浆中。在被引入到水泥砂浆中之前，合成纤维束用润湿剂处理以提高单根纤维的表面张力。为了进一步提高表面张力，还可将电晕放电处理与用润湿剂处理一起进行。根据所述专利的单根合成纤维是聚烯烃纤维，优选聚乙烯或聚丙烯纤维。
然而，尽管根据专利RU 2074153所用的合成纤维避免了金属增强的使用，含有这种纤维的水泥制品未表现出高耐久性。这是由于用亲水化剂的纤维表面处理不能为纤维整个表面提供均匀的表面张力。此外，当整个纤维束如RU 2074153中公开的处理时，一些单根纤维能保持未处理，这使得水泥制品中这些纤维的分散更差。
因此，仍然保持有进一步改善纤维亲水特性的必要性，例如整个纤维表面的表面张力强度和表面张力强度均匀性。
由此，本发明的目的是提供一种用于水泥制品三维增强的合成纤维，所述纤维具有表面张力强度高的均匀亲水表面，这将使得这种纤维均匀分散在水泥制品体积内。于是，所述纤维将具有良好的耐久性特性，例如高抗张强度、高伸长模量和低断裂伸长率。
令人惊奇地发现，本发明的目的可通过提供为同轴涂层-芯纤维的合成纤维来实现，其中，所述芯包括热塑性聚合物，优选聚乙烯、聚丙烯、聚-4-甲基-1-戊烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯，且所述涂层包括耐pH＞11的热塑性聚合物并还包括占所述涂层总重量3～30％的亲水性物质和/或表面活性物质，或者所述涂层包括耐pH＞11的热塑性聚合物，所述热塑性聚合物接枝有占所述涂层总重量3～25％的活性单体或不饱和单体，其中两种情况都实现了所述涂层的表面张力不小于45mN/m。
发明内容
本发明人已表明，当在纤维挤出之前将赋予纤维表面亲水性的物质直接加入到聚合物熔体的组合物中时，或者当纤维的聚合物接枝有提高其亲水性的共聚单体时，或连同用上述物质进行纤维表面处理时，可在纤维束中以及单根纤维的表面中实现更高数值的表面张力和更均匀的亲水性。然而，本发明人已发现，在将赋予纤维亲水性的物质加入纤维组合物中和将接枝共聚单体引入纤维聚合物的两种情况下，所得纤维的耐久性降至过低的值，且所得纤维不能防止收缩裂缝形成并不能承受由收缩应力引起的破裂。这是因为这一事实，即赋予纤维表面亲水性的大多数物质和大多数亲水性共聚单体是非常大的分子，所述大分子在其尺寸上与主要构成纤维的聚合物的单体相当。因此，它们影响主要聚合物分子的空间取向，导致其无序化。
为了解决该问题，本发明人建议改变用于三维增强的纤维结构。虽然现有技术已知的用于水泥制品三维增强的所有合成纤维都是单组分纤维，本发明人建议使用用于三维增强的双组分纤维，其中只有涂层经受上述改性，赋予其高且均匀的亲水性并降低其耐久性，而未经受过这种改性的纤维芯保证了整个纤维的耐久性。因此，本发明的技术效果通过纤维的特殊双组分结构来实现，所述技术效果在于提供了表现出高且均匀的表面亲水性和至少令人满意的耐久性的纤维。
因而，本发明提供一种用于水泥制品三维增强的双组分纤维，其特征在于其是同轴的芯-涂层纤维，其中所述芯包括热塑性聚合物，且所述涂层包括：
a)耐pH＞11环境的热塑性聚合物以及占所述涂层总重量3～30％的一种或多种亲水性物质和/或表面活性物质，或
b)耐pH＞11环境并接枝有构成所述涂层总重量3～25％的活性单体或不饱和单体的热塑性聚合物，
其中所述涂层的表面张力至少为45mN/m。
此外，本发明提供了一种所述合成纤维的制造方法，包括通过同轴喷丝器挤出所述主要涂层组分和所述主要芯组分的熔体以形成双组分组合物，其中所述主要涂层组分和所述主要芯组分均是热塑性聚合物，所述主要涂层组分能耐pH＞11的环境，并在所述挤出期间将占所述涂层总重量3～30％的一种或多种亲水性物质和/或表面活性物质引入所述涂层组分的熔体中。
本发明还提供一种制造所述合成纤维的方法，包括通过同轴喷丝器挤出所述主要涂层组分和所述主要芯组分的熔体以形成双组分组合物，其中所述主要涂层组分和所述主要芯组分均是热塑性聚合物，所述主要涂层组分能耐pH＞11的环境，并将接枝有构成所述涂层总重量3～25％的活性单体和/或不饱和单体的热塑性聚合物用作所述主要芯组分。
本发明还提供一种水泥制品，其由诸如含合成纤维分散体的混凝土混合物、砂浆混合物和水泥浆料等水泥制成，其特征在于将根据本发明的纤维用作所述合成纤维。
此外，本发明提供一种所述水泥制品的制造方法，包括制备含水混凝土混合物或含水水泥砂浆，加入合成纤维，搅拌所述混合物或砂浆并浇铸所述混合物或砂浆以得到预先确定形状的制品，其特征在于将根据本发明的纤维用作所述合成纤维。
具体实施方式
本发明提供一种用于水泥制品三维增强的双组分纤维，其特征在于其是同轴的芯-涂层纤维，其中所述芯包括热塑性聚合物，且所述涂层包括耐pH＞11(这是水泥砂浆环境特有的pH值)环境的热塑性聚合物以及占所述涂层总重量3～30％的一种或多种亲水性物质和/或表面活性物质。或者，所述涂层可包括耐pH＞11环境并接枝有构成所述涂层总重量3～25％的活性单体或不饱和单体的热塑性聚合物。于是，将亲水性物质和/或表面活性物质引入所述涂层和使所述涂层聚合物接枝活性共聚单体或不饱和共聚单体均保证了所述涂层的表面张力至少为45mN/m。
由于所述芯热塑性聚合物的高韧性，本发明的纤维表现出有利的耐久特性。于是，由于通过上述表面改性实现的至少45mN/m的涂层表面张力，所述纤维均匀分散在水泥制品的整个体积中。由于亲水性物质和/或表面活性物质被加入涂层中且不渗透芯中的事实，可能制造出兼具上述性能的纤维。因此，在芯中可防止这些物质对于聚合物耐久性的不利效果，且所述芯表现出足够的硬度以确保整个纤维的高耐久性。
纤维涂层中包含的亲水性物质和/或表面活性物质优选是亲水聚合物或共聚物。于是，这些亲水聚合物或共聚物最优选选自由聚乙二醇酯、聚乙氧基化酰胺、乙酸乙烯酯含量为至少30wt％的乙烯-乙酸乙烯酯、乙烯-丙烯酸共聚物、聚乙烯-乙二醇月桂基醚、烷基-磷酸酯-胺酯、乙烯-二胺聚乙二醇组成的组中。
有利地，所述亲水性物质和/或表面活性物质还可是脂肪酸酯和酰胺。于是，所述脂肪酸酯和酰胺最优选选自硬脂酸甘油酯和硬脂酸酰胺。
有利地，所述亲水性物质和/或表面活性物质还可是非离子表面活性物质或阳离子表面活性物质。
适于包含在本发明纤维涂层中的亲水性物质的最优选实例之一为乙烯-乙酸乙烯酯(Sevilen)，其是乙烯和乙酸乙烯酯的共聚产品。
乙烯-乙酸乙烯酯的性能主要取决于乙酸乙烯酯含量。当乙酸乙烯酯含量增大时，乙酸乙烯酯的耐久性、热稳定性和结晶性(伸长时的断裂应力)降低，而亲水性和粘合性增强。将表现出优异亲水性的乙烯含量大于30wt％的乙烯-乙酸乙烯酯用在本发明的纤维涂层中。于是，乙酸乙烯酯含量不大于15wt％的乙烯-乙酸乙烯酯具有差亲水性，但表现出高耐久性，如下文将要公开的，这使得可将其用作提高所述芯耐久性的添加剂。
如已经阐述的，根据本发明纤维的第二种选择，所述涂层包括耐pH＞11环境并接枝有构成所述涂层总重量3～25％的活性单体或不饱和单体的热塑性聚合物，并优选完全由该热塑性聚合物组成。根据本发明的这种纤维结构还使得所述纤维能表现出有利地高耐久特性和必需的亲水性。活性共聚单体或不饱和的被接枝的共聚单体提供了表面张力至少为45mN/m的涂层聚合物。于是，尽管这些被接枝的单体以及上述表面活性物质对涂层聚合物的耐久性有负面影响，根据本发明的整体纤维的耐久性仍保持足够高，因为其具有不含所述接枝单体的芯。
根据本发明所述纤维的第二种选择，所述涂层聚合物优选接枝有活性单体或不饱和单体，所述活性单体或不饱和单体选自由异丁烯、α-甲基苯乙烯、乙烯基烷基醚、异戊二烯、丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、丁二烯和苯乙烯组成的组中，最优选丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸甲酯。
优选地，所述芯的热塑性聚合物选自包括全同立构聚丙烯、聚乙烯、聚-4-甲基-1-戊烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯的组中。即使不含上述任何添加剂，这些聚合物的耐久性也足以高至确保具有由所述材料制成的芯的纤维能适合抵抗收缩应力的作用。由于这些聚合物具有较低的熔点并易于挤出，而降低了其生产过程的能耗，因此，这种聚合物的应用保证了合成纤维的低制造成本。
优选地，所述涂层热塑性聚合物选自包括全同立构聚丙烯、聚乙烯和聚-4-甲基-1-戊烯的组中。除上述优点以外，这些聚合物能耐pH＞11的水泥砂浆环境，因此它们可用作涂层组分。
优选地，除所述热塑性聚合物以外，根据本发明的纤维的芯还包括占芯总重量0.5～3wt％的引发纤维状晶体形成的物质，和/或占芯总重量3～30％的高分子聚合物和/或共聚物。这赋予所述芯以下特性：芯的抗张强度至少为800MPa，芯的伸长模量至少为8000MPa，且芯的断裂伸长率不高于20％。
优选地，引发纤维状晶体形成的上述物质是微细分散的矿物质，诸如氧化物、氮化物、碳化物或硅酸盐，并具有为所述纤维横截面积十分之一～五十分之一的平均粒径(20～50μm)。
上述高分子聚合物优选选自聚乙烯醇和乙酸乙烯酯含量小于15wt％的乙烯-乙酸乙烯酯。
优选地，所述合成纤维的直径为10～50μm，最优选18～25μm。此直径与水泥制品中常出现的收缩裂缝的尺寸相当，且这保证了所述合成纤维在作为水泥制品的增强组分中的功能更佳。
所述合成纤维的长度取决于拟应用此纤维的水泥制品的性质；其主要取决于水泥砂浆填料的粒径。纤维长度优选不超过25mm，因为较长的纤维会导致水泥砂浆中形成纤维球。还优选纤维长度不小于3mm，因为较短的纤维在水泥砂浆的颗粒之间将不能有效锚固。
所述芯优选构成合成纤维的10～50wt％，更优选构成所述纤维的10～15wt％。如果所述芯构成小于10wt％的纤维，存在当双组分纤维通过喷丝器拉丝时将不能完全被涂层覆盖的风险。相反，高于50wt％涂层的应用能导致所需机械特性(伸长模量、抗张强度和断裂伸长率)的显著恶化。
所述纤维的横截面形状优选为圆形，因为这种形状使得所述纤维能用纤维制造中常用的用于生产热粘合无纺纤维的设备制造。
本发明的其它方面涉及以上公开的用于水泥制品三维增强的芯-涂层合成纤维的制造方法，其特征在于主要涂层组分和主要芯组分均是热塑性聚合物，所述主要涂层组分能耐pH＞11的环境，并将占涂层总重量3～30％的一种或多种亲水性物质和/或表面活性物质在挤出期间引入到涂层组分的熔体中。因为在挤出之前将亲水性物质和/或表面活性物质加入到芯组分的熔体中，所以它们不会渗透纤维芯，在纤维的芯中，它们将阻碍实现芯所需耐久性所必需的热塑性聚合物分子的结构有规性。
此外，本发明提供了用于水泥制品三维增强的芯-涂层合成纤维的制造方法，包括通过同轴喷丝器挤出主要涂层组分和主要芯组分的熔体以形成双组分组合物，其中主要涂层组分和所述主要芯组分均是热塑性聚合物，所述主要涂层组分能耐pH＞11的环境，并将接枝有构成涂层总重量3～25％的活性单体和/或不饱和单体的热塑性聚合物用作主要芯组分。因为根据本发明的方法基本避免了纤维的两种主要组分(涂层组分，所述涂层组分包括用活性单体和/或不饱和单体改性的聚合物且具有至少45mN/m的表面张力，但耐久性差，和耐久性高的芯组分)的互相渗透，本发明的第二选择也能制造出同时具有上述高耐久性和亲水特性的纤维。
为了本发明的目的，术语“主要芯组分”和“主要涂层组分”的意思是热塑性聚合物：在涂层组分的情况下，包括接枝有活性单体和/或不饱和单体的聚合物，该聚合物分别构成芯和涂层的最高重量分数，限定双组分纤维的结构；且在主要芯组分的情况下，也限定纤维的机械性能。可构成主要芯组分和主要涂层组分的热塑性聚合物的特征详见本发明纤维的前述公开。本领域技术人员将理解，除所述聚合物和亲水性物质或表面活性物质之外，根据本发明的纤维的芯和涂层可包括本领域已知并具有不同功能的任何其它添加剂。相应地，根据本发明方法的变形还可包括向所述芯或芯熔体中加入这些已知的添加剂。
根据本发明方法的各种变形，优选将占所述芯总重量0.5～3wt％的引发纤维状晶体形成的物质，和/或占芯总重量3～30％的高分子聚合物和/或共聚物在挤出期间加入所述芯聚合物的熔体中。
根据本发明方法的各种变形，所得纤维优选以2.5～4.5的拉伸比拉伸。这进一步改进了纤维耐久性，因为这种拉伸进一步促进纤维聚合物的空间排序(纤维的结构改变)。
本发明方法的各种变形优选包括以下步骤：
1)涂层组分和芯组分的熔纺以形成双组分组合物。
2)拉伸所得初级丝束。
3)表面处理、热加固、干燥和切割。
所述纤维在两条生产线上制造，所述两条生产线为纤维形成线和切割线。
在下文中更详细地说明所述步骤。
1)将所述涂层组分和所述芯组分在单独的挤出机中熔融，同时以提供两种熔体均匀稠度的方式搅拌。挤出机中已熔融组分的温度必须高于这些组分的熔点，并必须保证有利于后续纤维纺丝的特殊粘度特性。于是，如果进行所述方法的第一变形，将上述提高芯耐久性的组分加入芯熔体中，且将上述提高亲水性的组分加入涂层熔体中。当进行所述方法的第二变形时，将接枝有上述活性单体或亲水性单体的聚合物用作主要涂层组分。
2)将已熔融的芯和涂层组分通过分散系统和过滤系统加料到喷丝板上，且它们进一步通过喷丝器。可使用4～10个喷丝器。由于这种纤维的两个组分应适宜分布在喷丝器中，所以获得双组分聚合物纤维是比获得单组分纤维更复杂的过程。因此，当得到双组分纤维时，使用特殊类型的喷丝器，其使熔体流形成预定的同心形状。过滤器中开口直径取决于制得的双组分纤维的直径。成形开口的数量为约1800个。所形成的在横截面上同心的纤维进入冷却井(cooling well)，在冷却井中它们被气流冷却。当纤维离开冷却井时，被聚集成丝束并预拉伸。所述预拉伸(以约1.1～1.8的拉伸比)意在防止纤维卷曲，并保证它们更好地包装成罐(将丝束传输至拉伸线的包装)。所述纤维还可在线轴或绕线筒上卷绕。
2)纤维的丝束随后用所谓的非线性拉伸法拉伸，所述非线性拉伸法的进行独立于纺丝工艺。拉伸用包括一排热辊和多个热溶液池(或蒸煮器)的设备进行，其中整个纤维丝束同时拉伸。所述纤维丝束通过第一排辊，然后通过热溶液池(蒸煮器)，然后通过第二辊。第二排辊的转速高于第一排辊的转速。然后，加热过的纤维丝束用由第一排速度与第二排速度的比决定的拉伸比拉伸。此外，可使用第二个热溶液池(蒸煮器)和第三排辊(两步拉伸)，其中第三辊具有比第二辊更高的转速。在这种情况下，拉伸比是最后排辊转速与第一排辊转速之比。
特定的拉伸比有利于得到具有预定抗张强度的纤维。
根据本发明的合成纤维以约2～12的拉伸比拉伸。为了得到所需拉伸值，拉伸比优选为2.5～4.5。
3)优选地，根据本发明的合成纤维表面另外用电晕放电和/或亲水性物质和/或表面活性物质处理，所述亲水性物质和/或表面活性物质选自由脂肪酸-缩水甘油酯、脂肪酸酰胺、聚乙二醇酯、聚乙氧基化酰胺、非离子表面活性物质和阳离子表面活性物质，或两种或更多种所述物质的混合物组成的组中。由于这种处理，纤维表面可得到更好的亲水性。
然后将纤维在传送带式炉中热固定并干燥，随后将干燥的丝束投入切割机(Neumag)中，其中纤维被切成所需长度(3～25mm)的片。
将所得纤维丝束包装入要求不拆包的水溶性袋或聚乙烯或聚丙烯袋。纤维包装重量为0.6～0.9kg。
本发明的另一个方面涉及由包括本发明合成纤维分散体的混凝土混合物、砂浆混合物或水泥浆料得到的水泥制品。
根据本发明的水泥制品是通过基于水凝水泥的混合物的混合、形成和固化得到的具有有利物理和机械性能的三维增强的水泥制品。所述混合物由水凝水泥、水、填料、功能性添加剂和均匀分散在混凝土混合物体积中的三维增强纤维组成。用在本发明水泥制品中的三维增强纤维是根据本发明的纤维。
存在许多种水泥制品，根据它们的目的，可再分成结构水泥制品和特殊水泥制品。
根据水泥制品的厚度，它们可细分成超重混凝土(大于2500kg/cm3)、重混凝土(1200～2200kg/cm3)、轻混凝土(600～1200kg/cm3)和超轻混凝土(500kg/cm3及更低)。关于耐久性，所述水泥制品被细分成以下级别：重混凝土-100、150、200、250、300、400、500、600、700、800和轻混凝土-25、35、50、75、100、150、200、300、400。
根据水泥类型、填料类型和应用领域，水泥制品被细分成：喷混凝土、干式混合物、水凝混凝土、重混凝土、轻化混凝土、轻混凝土、人造石、路面混凝土、抹面混凝土、纤维性混凝土等。
根据本发明的纤维的应用领域不受任何特定类型的水泥制品限制。
优选地，所述水泥制品包括0.01～0.05wt％的本发明的纤维。很难向混凝土混合物中加入大于0.05wt％的纤维而不形成纤维球，而加入量小于0.01wt％则所述纤维不会具有增强效果。
本发明的又一个方面涉及所述水泥制品的制造方法，包括制备含水混凝土混合物或含水水泥砂浆，加入合成纤维，搅拌所述混合物或砂浆，并浇铸所述混合物或砂浆以得到预定形状的制品。根据本发明的水泥制品制备方法与已知方法的不同之处在于加入到所述砂浆中的纤维是本发明的纤维。优选地，本发明的纤维以纤维丝束加入。
此外，可向水泥砂浆加入改变所得水泥制品动力学和改善流变性能的有机表面增塑剂。优选的亲水性增塑剂包括以下商品名的可商购添加剂：S-3、SP-1、S-5、S-62、LST、Mighty 100、Sikamet、Isoplastic、Cementol Delta、Cementol Omega F、Addiment BV 1、Melment、Lignopan B-1、Lignopan B-3、Universal P-2。优选的亲水性增塑剂包括以下商品名的可商购添加剂：Penta-801、Penta-803、Penta-804、Penta-805、Penta-814、Penta-820、Penta-830、GCJ、PFM MLK、GCJ-94M、疏水化液体136-157M、GCJ-10、GCJ-11。
作为将亲水性物质和/或表面活性物质引入所述涂层中，或通过使涂层聚合物接枝有活性单体和/或不饱和单体来改性涂层聚合物的结果，本发明的纤维表面实现了亲水性，因此当搅拌混凝土混合物或水泥砂浆时，纤维丝束完全分解成单根纤维，所述单根纤维均匀分散在混凝土混合物或水泥砂浆的体积中，并在固化完成后在水泥中紧密聚拢。
优选地，纤维丝束包括具有特定切割长度的单根纤维。切割长度主要取决于所用填料的分数和类型，并由混凝土基体微孔的大小决定。当将砂型填料(0.14～5mm)用于水泥-砂混凝土或砂混凝土时，优选的切割长度为3～8mm。对于混凝土，取决于填料分数，优选的切割长度为8～25mm。由于在这种情况下纤维球会形成，不希望使用长于25mm的纤维。
可将根据本发明的纤维加入准备好的混凝土混合物或水泥砂浆中。因而，在重力搅拌机或加压搅拌机中实现最佳分散。
根据本发明的纤维丝束还可与混凝土混合物制造过程中或水泥-砂干混合物(水泥-砂装配混合物、自流平地面、石膏和其它混合物)制造过程中的混凝土混合物的干组分混合。
如果混凝土是在专于制造预制结构和制品的工厂中制备，则将混合物的干组分以制备混凝土技术建议的工艺顺序混合，且用计量送料器或另一种方法加入必要量的纤维。因而，为了使纤维的分散尽可能均匀，混凝土混合物的搅拌时间将比俄罗斯联邦国家标准7474-94要求的时间长10～20％。
可在固定在汽车上的搅拌机中将纤维加到水泥砂浆中，所述汽车将准备好的混凝土混合物直接传送到水泥混合物将被堆放的地点。
为了改善水泥制品的物理和机械参数，根据本发明纤维的量构成水泥材料的0.01～0.05wt％。难以将大于0.05wt％的纤维引入混凝土混合物中而不形成纤维球。占水泥材料0.01～0.05wt％的纤维量导致液体塑性状态和固化状态的水泥制品的耐久性提高。加入本发明的纤维具有以下立即出现的作用：它导致混凝土混合物结合的增强，防止凝结时大而重的颗粒沉淀，保证液态混合物的塑性并使得混凝土混合物的泵进料更容易。当水泥制品由混凝土混合物或水泥砂浆成形，液体塑性状态的塑性增加防止了水泥制品的裂缝形成以及组分分离。
作为将本发明纤维加入到水泥制品的结果，水泥制品的圆锥塌落度和水污染级别轻微下降，但混合物的可灌筑性得到改善。因此，在将本发明的纤维加入到混凝土混合物或水泥砂浆之后，不需要加入水来改善圆锥塌落度。
为了进一步降低所述纤维的水需求并改善可灌筑性，以及为了通过混合水来控制水凝水泥的流变性和/或反应速率，可将本领域技术人员已知的不同有机表面活性增塑剂加入到水泥砂浆或混凝土混合物中以制造本发明的水泥制品。
亲水性增塑剂非限制性包括以下商品名的可商购添加剂：Hydro C-3、SP-1、S-5、S-62、LST、Mighty-100、Sikamet、Isoplastic、Cementol Delta、Cementol Omega F、Addiment BV1、Melment、Lingopan B-1、Lingopan B-3、Universal P-2。
亲水性增塑剂非限制性包括以下商品名的可商购添加剂：Penta-801、Penta-803、Penta-804、Penta-805、Penta-814、Penta-820、Penta-830、GCJ、PFM MLK、GCJ-94M、疏水化液体136-157M、GCJ-10、GCJ-11。
本发明由以下实施例来进一步阐明，所述实施例不会限制本发明仅由权利要求限定的范围。
实施例1长切割合成纤维的制备
所述纤维的制备是通过在两个单独的挤出机中熔融聚丙烯21020-02(1级，俄罗斯联邦国家标准26996-86)。将乙烯-乙酸乙烯酯以熔体的20wt％的量加入一个挤出机中的聚丙烯熔体中。将作为粘合粘结剂的聚乙烯醇以熔体7wt％的量通过计量送料器加入到另一用于形成所述芯的熔体中。
将来自挤出机的熔体通过管线进一步投料至喷丝器板上，其中形成具有同心芯-涂层结构的纤维。然后将所得纤维用气流冷却。随后，将所述纤维用电晕放电处理，并以1.2的拉伸比拉伸。在将所述纤维以3.5的拉伸比拉伸，用Sintesin 7465溶液处理并热固定后，所形成的纤维丝束经包装成“罐”(用于传输至拉伸线的包装)。接着，以12mm的切割长度在切割机Neumag上切割所得纤维。由此制备的纤维直径为25μm，由测定表面润湿角的方法和聚合物测定方法DIN 53374所测定的抗张强度为35mN/m。抗张强度为584MPa，断裂拉伸率-38％(评价在拉伸试验机P-502167上进行)。
实施例2短切割合成纤维的制备
短切割合成纤维通过与实施例1中所述类似的方法得到，不同之处在于所述纤维以5mm长度切割。因此，纤维直径为25μm，表面张力-48mN/m，断裂伸长率-27％。
实施例3用于住宅和工业建筑的预制混凝土构件
在建筑部分中，最广泛应用的是密度为2200～2500kg/m3的常规重混凝土，包括重矿石的填料(砂、砾石、碎石)和地方工业的副产物(例如碎熔碴和颗粒状冶金炉渣)。为了促进混凝土固化，当制备预制混凝土构件时进行热处理。
制备以下组成的常规重混凝土混合物的测试样品和参照样品。
水：140l
水泥：350kg
碎石：1415kg
砂：590kg。
将实施例1的纤维丝束以每350kg水泥材料0.875kg(即每1kg水泥0.0025kg)的量加入到测试混合物样品中。
将专利RU 2074153中公开的长度为12mm且直径为20μm的纤维丝束以RU 2074153中公开的每1m31.2的量加入到参照混合物样品中。
28天后(混凝土的等级龄期)，测定参照样品和测试样品的破坏强度和冲击韧性。测试样品的破坏强度比参照样品的高12.3％，且冲击韧性是参照样品的2.1倍。
在正常固化28天后，提供参照混凝土样品和包括本发明纤维的混凝土样品的劈裂强度(CS)。
Figure GPA00001155456000152
耐久特性的提高是因为所述纤维粘合性能的改善及其抗张强度的提高。
实施例4用于自流平地面的混凝土和干混合物
工业混凝土地面的主要计算参数为弹性应力和压应力、水密性，以及冲击应力和动力荷载抗性。
制备具有以下组成的自流平地面的测试样品和参照样品：
水：140l
水泥：510kg
碎石：1250kg
砂：700kg。
将根据实施例1的单个纤维丝束以每510kg水泥材料1.1kg(即每1kg水泥0.0023kg)的量加入测试混合物样品中。
将专利RU 2074153中公开的长度为12mm且直径为21μm的聚丙烯纤维丝束以每1m3的所述混合物1.2的量加入到参照混合物样品中。
比较由以上公开组成的测试混合物和参照混合物制得的水泥样品，表明与参照样品相比，测试样品的以下特性发生改变：
-根据俄罗斯联邦国家标准22690-88测定的测试样品中的收缩裂缝的量比参照样品的低28％。
-测试样品弯曲时抗张强度比参照样品高9.4％。
-测试样品的抗冲击性是参照样品的6倍(比较原位测试)。
-测试样品的裂缝韧性是参照样品的5～7倍。
实施例5不用压热器固化的密度级别为D600的多孔(泡沫)混凝土
多孔混凝土是用于墙体建造的建筑材料和绝热材料。
制备具有如下组成的测试混合物样品和参照混合物样品：
水泥：              450kg
大小系数1～1.5的砂：500kg
发泡剂：            0.7kg
水：                25kg。
根据俄罗斯联邦国家标准21520-89进行测定。
  参照   用本发明的纤维测试   有效性
  破坏强度，MPa   1.43   1.6   12.50％
  抗张强度，MPa   0.251   0.304   21.10％
  收缩，mm/m   0.42   0.24   42％
  热传导Wt/(m*S)   0.14   0.14   0
以上提供的数据表明，向多孔混凝土中加入本发明的纤维导致其耐久性改善，而测试样品的热传导与参照样品的热传导没有差异。

Claims (33)

1.一种用于水泥制品三维增强的合成纤维，其特征在于所述合成纤维是同轴的芯-涂层纤维，其中所述芯包括热塑性聚合物，且所述涂层包括：
a)耐pH＞11环境的热塑性聚合物以及占所述涂层总重量3～30％的一种或多种亲水性物质和/或表面活性物质，或
b)耐pH＞11环境并接枝有构成所述涂层总重量3～25％的一种或多种活性单体或不饱和单体的热塑性聚合物，
其中所述涂层的表面张力至少为45mN/m。
2.根据权利要求1所述的纤维，其特征在于所述纤维的芯由耐pH＞11环境并接枝有构成所述涂层总重量3～25％的一种或不同种类的活性单体或不饱和单体的热塑性聚合物组成。
3.根据权利要求1或2所述的纤维，其特征在于所述活性单体或不饱和单体选自由异丁烯、α-甲基苯乙烯、乙烯基烷基醚、异戊二烯、丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、丁二烯和苯乙烯组成的组中。
4.根据权利要求1所述的纤维，其特征在于所述亲水性物质是亲水性聚合物或共聚物。
5.根据权利要求4所述的纤维，其特征在于所述亲水性聚合物选自由聚乙二醇酯、聚乙氧基化酰胺、乙酸乙烯酯含量至少为30wt％的乙烯-乙酸乙烯酯、乙烯-丙烯酸共聚物、聚乙二醇月桂基醚、烷基-磷酸酯-胺酯和乙烯-二胺聚乙二醇组成的组中。
6.根据权利要求1所述的纤维，其特征在于所述亲水性物质是脂肪酸酯或脂肪酸酰胺。
7.根据权利要求6所述的纤维，其特征在于所述脂肪酸酯是硬脂酸甘油酯。
8.根据权利要求6所述的纤维，其特征在于所述脂肪酸酰胺是硬脂酸酰胺。
9.根据权利要求1所述的纤维，其特征在于所述表面活性物质是非离子表面活性物质或阳离子表面活性物质。
10.根据权利要求1所述的纤维，其特征在于所述纤维的芯包括占所述芯总重量0.5～3％的引发纤维状晶体形成的一种或多种物质，和/或占所述芯总重量3～30％的一种或多种高分子聚合物和/或共聚物。
11.根据权利要求10所述的纤维，其特征在于所述芯中所述引发纤维状晶体形成的物质是微细分散的矿物质，诸如氧化物、氮化物、碳化物或硅酸盐，并具有所述纤维横截面积十分之一～五十分之一的平均粒径。
12.根据权利要求10所述的纤维，其特征在于所述高分子共聚物选自聚乙烯醇和乙酸乙烯酯含量不大于15wt％的乙烯-乙酸乙烯酯。
13.根据权利要求1所述的纤维，其特征在于所述热塑性芯聚合物选自包括全同立构聚丙烯、聚乙烯、聚-4-甲基-1-戊烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯的组中。
14.根据权利要求1所述的纤维，其特征在于所述热塑性涂层聚合物选自包括全同立构聚丙烯、聚乙烯和聚-4-甲基-1-戊烯的组中。
15.根据权利要求1所述的纤维，其特征在于所述纤维的直径为10～50μm。
16.根据权利要求15所述的纤维，其特征在于所述纤维的直径为18～25μm。
17.根据权利要求1所述的纤维，其特征在于所述纤维的切割长度为3～25mm。
18.根据权利要求1所述的纤维，其中所述芯/涂层重量比为50/50～90/10。
19.根据权利要求18所述的纤维，其中所述芯/涂层重量比为85/15～90/10。
20.一种制造根据权利要求1或权利要求4～19中任意一项所述纤维的方法，包括通过同轴喷丝器挤出主要涂层组分和主要芯组分的熔体以形成双组分组合物，其中所述主要涂层组分和所述主要芯组分均是热塑性聚合物，所述主要涂层组分能耐pH＞11的环境，和将占所述涂层总重量3～30％的一种或多种亲水性物质和/或表面活性物质在所述挤出期间引入到所述涂层组分的熔体中。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于将占所述芯总重量0.5～3％的引发纤维状晶体形成的一种或多种物质，和/或占所述芯总重量3～30％的一种或多种高分子聚合物和/或共聚物在所述挤出期间引入到芯聚合物的熔体中。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于将所得到的纤维以2.5～4.5的拉伸比拉伸。
23.根据权利要求20所述的方法，其特征在于将所得纤维的表面用电晕放电处理，和/或用亲水性物质和/或表面活性物质处理，所述亲水性物质和/或表面活性物质选自由脂肪酸-缩水甘油酯、脂肪酸酰胺、聚乙二醇酯、聚乙氧基化酰胺、非离子表面活性物质和阳离子表面活性物质，或两种或更多种所述物质的混合物组成的组中。
24.一种制造根据权利要求1～3或10～19中任意一项所述纤维的方法，包括通过同轴喷丝器挤出所述主要涂层组分和所述主要芯组分的熔体以形成双组分组合物，其中所述主要涂层组分和所述主要芯组分均是热塑性聚合物，所述主要涂层组分能耐pH＞11的环境，并将接枝有构成所述涂层总重量3～25％的活性单体和/或不饱和单体的热塑性聚合物用作所述主要芯组分。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于将占所述芯总重量0.5～3％的引发纤维状晶体形成的一种或多种物质和/或占所述芯总重量3～30％的一种或多种高分子聚合物和/或共聚物在所述挤出之前引入到所述芯聚合物的熔体中。
26.根据权利要求24所述的方法，其特征在于将所得到的纤维以2.5～4.5的拉伸比拉伸。
27.根据权利要求24所述的方法，其特征在于将所得纤维的表面用电晕放电处理，和/或用亲水性物质和/或表面活性物质处理，所述亲水性物质和/或表面活性物质选自由脂肪酸-缩水甘油酯、脂肪酸酰胺、聚乙二醇酯、聚乙氧基化酰胺、非离子表面活性物质和阳离子表面活性物质，或两种或更多种所述物质的混合物组成的组中。
28.一种水泥制品，由包括合成纤维分散体的混凝土混合物、砂浆混合物或水泥浆料制成，其特征在于所述合成纤维是权利要求1～19中任意一项所述的纤维。
29.根据权利要求28所述的水泥制品，其特征在于所述水泥制品包括占所述水泥材料0.01～0.05wt％的所述合成纤维。
30.一种水泥制品的制造方法，包括制备含水混凝土混合物、含水水泥砂浆或含水水泥浆料，加入合成纤维，搅拌所述混合物或砂浆或浆料，并浇铸所述混合物或砂浆或浆料以得到预定形状的制品，其特征在于所述合成纤维是权利要求1～19中任意一项所述的纤维。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于所述纤维具有至少3mm并小于8mm的长度。
32.根据权利要求30所述的方法，其特征在于所述纤维具有8～25mm的长度。
33.根据权利要求30所述的方法，其特征在于所述混凝土混合物或水泥浆料还包括增塑剂，所述增塑剂是有机表面活性亲水性或疏水性添加剂。
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