CN107200516A - 一种改性玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种改性玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土，同时还提供了其制备方法，对玄武岩纤维表面进行处理来改变纤维的界面结构和化学成分，从而提高玄武岩纤维表面化学活性，使得玄武岩纤维表面与水泥基体形成紧密黏结的界面结构，发挥玄武岩纤维优异的力学性能，进而提高玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土的性能。可以有效的改善玄武岩纤维表面光滑和化学惰性从而解决玄武岩纤维与水泥基材粘接困难的问题。同时改性玄武岩增强火山渣轻集料混凝土不仅在组成上成分上选择的都是资源丰富且廉价的绿色环保型资源，而且可以获得抗压强度、抗折强度、抗冻性性能都非常优良的新型改性玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土。

Description

一种改性玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土及制备方法

技术领域：

本发明公开一种改性玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土，同时还提供了其制备方法，属于建筑材料技术领域。

背景技术：

轻集料混凝土具有自重轻、保温隔热和耐火性能好等特点。与同标号的普通混凝土相比，可减轻自重20～30%以上，轻集料混凝土的变形性能良好。轻质高强的轻集料混凝土备受人们关注，制备轻集料混凝土常见的骨料有陶粒、油页岩、炉渣、火山渣等，我国火山渣资源较丰富，火山渣是一种纯天然的轻骨料，它是在岩浆喷发遇到较低的压强和温度等外界环境冷却形成的，故在其内部形成大量孔隙。从而使得火山渣自身具有轻质多孔的特点。利用火山渣制备的轻集料混凝土具有强度高，质量轻、抗冻性能好等特点，但火山渣轻集料混凝土还存在易开裂、脆性大、收缩和徐变较大等问题，玄武岩纤维可改善上述缺点。

玄武岩纤维具有较高的弹性模量，优异的力学性能，良好的化学稳定性，成为了二十一世纪的绿色新能源材料。玄武岩纤维是一种无机纤维材料，它是由玄武岩在1450-1500℃的高温熔融时快速拉制形成的连续性纤维，外观为金褐色。火山渣轻集料混凝土的性能不仅与玄武岩纤维和基体本身特性有关，且与两相界面间的粘合状况密切相关。界面性能直接影响着火山渣轻集料混凝土的力学性能，如抗弯曲、层间剪切、抗折等。玄武岩纤维表面光滑且呈现化学惰性，不利于与胶凝材料有效粘合，在火山渣轻集料混凝土中很难发挥出玄武岩纤维优异的力学性能。常见的改性处理主要有偶联剂处理法、酸碱处理法、表面涂层法、低温等离子处理法等，酸碱处理法是刻蚀使纤维的纤维表面产生沟槽或者凹陷，沟槽和凹陷可以起到锚固的作用，但单纯的酸碱处理使得玄武岩纤维本身的结构发生改变，刻蚀后纤维不同部位的承受外部载荷的能力不同，不能保证纤维增强作用的连续性，且酸碱刻蚀的程度及位置很难去固定。

发明内容：

本发明提供了一种改性玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土，对玄武岩纤维表面加以改进，调控玄武岩纤维与基体界面微结构和化学成分，进而有效的提高玄武岩纤维与水泥基体的物理粘合和化学键合，在提高与基体粘合性能的同时，还要保持玄武岩纤维自身的强度。

本发明提供了一种改性玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土的制备方法，获得一种强度、抗冻性都非常优良的新型火山渣轻集料混凝土材料。

本发明提供了一种新型的玄武岩纤维表面的改性方法，具体步骤如下：

1）分别称取浓度为0.1-3mol/L 氢氧化钠溶液5-100重量份，模数为1-3的水玻璃5-100重量份，玄武岩纤维10-50重量份；

2）将氢氧化钠溶液与水玻璃溶液混合均匀；

3）将玄武岩纤维加入到步骤2）的混合溶液中，控制温度为10-100℃，处理时间为0.1-5h；滤净溶液得到处理的玄武岩纤维；

4）将步骤3）处理后的玄武岩纤维与硅灰按照1:1-10的重量份数进行拌和，实现表面包裹，将其置于105℃的干燥箱内进行烘干处理，制备出改性玄武岩纤维。

本发明所述的一种新型改性玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土的制备方法，具体步骤为：

本发明所述的一种改性玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土，其特征在于是由以下重量份数比的原料制成的：

水泥：100、1-15mm火山渣：300~60、矿渣：20~5、粉煤灰：10~30、硅灰：5~15、改性玄武岩纤维：0.05-5、减水剂：0.5-1.0、水：70。

本发明所述的一种新型改性玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土的制备方法，其特征在于：

按比例将水泥、矿渣、硅灰、粉煤灰、减水剂倒入搅拌锅内进行机械搅拌至均匀，然后加入改性玄武岩纤维，再加入45份水后搅拌均匀；在低速搅拌的过程中加入火山渣，再加入25份的水，低速搅拌120s后停办15s，再高速搅拌60s，即得。

本发明采用不同温度，不同处理时间，不同浓度的碱与水玻璃综合改性玄武岩纤维， 制备高性能的火山渣轻集料混凝土。本发明在利用碱（NaOH）和玄武岩纤维作用时，加入水玻璃进行“修复”处理，再用硅灰在处理后的玄武岩纤维进行涂覆，使得在被碱蚀后的玄武岩纤维表面形成一种沸石结构的包裹层，从而解决了玄武岩纤维和水泥基体界面粘结问题。此发明主要优势在于玄武岩纤维被氢氧化钠处理形成产生沟槽或者凹陷时，引进水玻璃去“修复”缺陷部位，由于水玻璃的添加引入了活性官能团，再与硅灰通过物理及化学键合结合，形成了一种综合性的处理方法。

本发明的积极效果在于：提供了一种改性玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土，其中包含了一种新型的玄武岩纤维表面处理方法—碱（NaOH）-水玻璃-硅灰综合处理法，对玄武岩纤维表面进行处理来改变纤维的界面结构和化学成分，从而提高玄武岩纤维表面化学活性，使得玄武岩纤维表面与水泥基体形成紧密黏结的界面结构，发挥玄武岩纤维优异的力学性能，进而提高玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土的性能。可以有效的改善玄武岩纤维表面光滑和化学惰性从而解决玄武岩纤维与水泥基材粘接困难的问题。同时改性玄武岩增强火山渣轻集料混凝土不仅在组成上成分上选择的都是资源丰富且廉价的绿色环保型资源，而且可以获得抗压强度、抗折强度、抗冻性性能都非常优良的新型改性玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土。

附图说明：

图1为本发明实施例的抗压强度柱状图；

图2为本发明实施例的抗折强度柱状图；

图3为未改性玄武岩纤维表面扫描电镜图；

图4为NaON与水玻璃综合处理后的玄武岩纤维表面；

图5为本发明所用的改性处理后纤维表面扫描电镜图；

图6未改性玄武岩纤维在混凝土拉拔实验中微观结构图；

图7改性玄武岩纤维在混凝土拉拔实验中微观结构图。

具体实施方式：

通过以下实施例进一步举例描述本发明，并不以任何方式限制本发明，在不背离本发明的技术解决方案的前提下，对本发明所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本发明的权利要求范围之内。

实施例1：

1）分别称取浓度为0.5mol/L 的氢氧化钠溶液100g，模数为3的水玻璃100g，玄武岩纤维10g；

2）将步骤1中氢氧化钠溶液与液态水玻璃溶液混合均匀；将10g玄武岩纤维加入到混合溶液中，控制温度为80℃，处理时间为2h；滤净溶液得到处理的玄武岩纤维；

3）将步骤2中处理后的玄武岩纤维与硅灰进行拌和，实现表面包裹，将其置于105℃的干燥箱内进行干燥3h，制备出改性玄武岩纤维，备用；

4）称取水泥100g，矿渣17.4g，粉煤灰21.7g，硅灰13g，改性玄武岩纤维0.5g，1-3mm火山渣55.7g，3-5mm火山渣98.7g，5-8mm火山渣98.7g，减水剂0.6g，水70g；

5）将步骤4中称取的水泥、矿渣、硅灰、粉煤灰、减水剂等材料倒入搅拌锅内进行机械搅拌至均匀，然后加入0.5g改性玄武岩纤维，再加入45g水后搅拌均匀；

6）在搅拌机低速搅拌的过程中加入步骤4称取的火山渣，再加入25g水，低速搅拌120s后停办15s，再高速搅拌60s后即得到本发明的新型改性玄武岩纤维火山渣轻集料混凝土。

实施例2：

1）分别称取浓度为1mol/L的 氢氧化钠溶液100g，模数为3的水玻璃100g，玄武岩纤维10g；

2）将步骤1中氢氧化钠溶液与液态水玻璃溶液混合均匀；将10g玄武岩纤维加入到混合溶液中，控制温度为60℃，处理时间为2h。滤净溶液得到处理的玄武岩纤维；

3）将步骤2中处理后的玄武岩纤维与硅灰进行拌和，实现表面包裹，将其置于105℃的干燥箱内进行干燥3h，制备出改性玄武岩纤维，备用。

4）称取水泥100g，矿渣17.4g，粉煤灰21.7g，硅灰13g，改性玄武岩纤维0.5g，1-3mm火山渣55.7g，3-5mm火山渣98.7g，5-8mm火山渣98.7g，减水剂0.6g，水70g；

5）将步骤4中称取的水泥、矿渣、硅灰、粉煤灰、减水剂等材料倒入搅拌锅内进行机械搅拌至均匀，然后加入0.5g改性玄武岩纤维，再加入45g水后搅拌均匀；

6）在搅拌机低速搅拌的过程中加入步骤4称取的火山渣，再加入25g水，低速搅拌120s后停办15s，再高速搅拌60s后即得到本发明的新型改性玄武岩纤维火山渣轻集料混凝土。

实施例3：

1）分别称取浓度为1mol/L 的氢氧化钠溶液100g，模数为3的水玻璃100g，玄武岩纤维10g；

2）将步骤1中氢氧化钠溶液与液态水玻璃溶液混合均匀；将10g玄武岩纤维加入到混合溶液中，控制温度为80℃，处理时间为1h。滤净溶液得到处理的玄武岩纤维；

3）将步骤2中处理后的玄武岩纤维与硅灰进行拌和，实现表面包裹，将其置于105℃的干燥箱内进行干燥3h，制备出改性玄武岩纤维，备用。

4）称取水泥100g，矿渣17.4g，粉煤灰21.7g，硅灰13g，改性玄武岩纤维0.5g，1-3mm火山渣55.7g，3-5mm火山渣98.7g，5-8mm火山渣98.7g，减水剂0.6g，水70g；

5）将步骤4中称取的水泥、矿渣、硅灰、粉煤灰、减水剂等材料倒入搅拌锅内进行机械搅拌至均匀，然后加入0.5g改性玄武岩纤维，再加入45g水后搅拌均匀；

6）在搅拌机低速搅拌的过程中加入步骤4称取的火山渣，再加入15g水，低速搅拌120s后停办25s，再高速搅拌60s后即得到本发明的新型改性玄武岩纤维火山渣轻集料混凝土。

实施例4：

1）分别称取浓度为2mol/L 氢氧化钠的溶液100g，模数为3的水玻璃100g，玄武岩纤维10g；

2）将步骤1中氢氧化钠溶液与液态水玻璃溶液混合均匀；将10g玄武岩纤维加入到混合溶液中，控制温度为60℃，处理时间为0.5h。滤净溶液得到处理的玄武岩纤维；

3）将步骤2中处理后的玄武岩纤维与硅灰进行拌和，实现表面包裹，将其置于105℃的干燥箱内进行干燥3h，制备出改性玄武岩纤维，备用。

4）称取水泥100g，矿渣17.4g，粉煤灰21.7g，硅灰13g，改性玄武岩纤维0.5g，1-3mm火山渣55.7g，3-5mm火山渣98.7g，5-8mm火山渣98.7g，减水剂0.6g，水70g；

5）将步骤4中称取的水泥、矿渣、硅灰、粉煤灰、减水剂等材料倒入搅拌锅内进行机械搅拌至均匀，然后加入0.5g改性玄武岩纤维，再加入45g水后搅拌均匀；

6）在搅拌机低速搅拌的过程中加入步骤4称取的火山渣，再加入25g水，低速搅拌120s后停办15s，再高速搅拌60s后即得到本发明的新型改性玄武岩纤维火山渣轻集料混凝土。

试验例1：

1）首先将5g未改性的玄武岩纤维置于105℃的干燥箱中干燥3h，称取0.5g备用。

2）称取水泥100g，矿渣17.4g，粉煤灰21.7g，硅灰13g，未改性玄武岩纤维0.5g，1-3mm火山渣55.7g，3-5mm火山渣98.7g，5-8mm火山渣98.7g，减水剂0.6g，水70g；

3）将步骤2中称取的水泥、矿渣、硅灰、粉煤灰、减水剂等材料倒入搅拌锅内进行机械搅拌至均匀，然后加入0.5g未改性玄武岩纤维，再加入45g水后搅拌均匀；

4）在搅拌机低速搅拌的过程中加入步骤2中称取的火山渣，再加入25g水，低速搅拌120s后停办15s，再高速搅拌60s后即得到玄武岩纤维火山渣轻集料混凝土。

实施例1-4和试验例1所制备的玄武岩火山渣轻集料混凝土进行强度性能和抗冻性实验：

强度检测方法按照《混凝土强度检验评定标准》GB50107-2010进行；抗冻性根据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性和耐久性能试验方法标准》进行抗冻融循环次数的测定。

表1各实施例的玄武岩纤维混凝土性能

实施例	抗压强度（MPa）	抗折强度（MPa）	冻融循环次数
				试验例1	33.5	5.7	200
实施例1	40.0	7.8	250
				实施例2	39.0	7.3	250
实施例3	39.2	7.4	250
				实施例4	38.9	7.2	250

表1的实验数据表明，试验例1为未改性玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土的性能指标；实施例1到实施例4是改性玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土的性能指标。如图1、图2所示，本发明中实施例1的改性玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土的抗压强度高达40MPa，抗折强度可达7.8MPa，相比于试验例1中未改性玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土抗折强度提高了32.2%。抗压强度提高了19.4%。与此同时,当改性玄武岩纤维占体积掺量的0.3%时，改性玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土的抗冻融循环可达250次，相比于同掺量条件下的未改性的玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土的抗冻性可提高50次左右。所以本发明得到一种各项性能优良的新型改性玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土。

图3为未处理的玄武岩纤维，表面极其光滑，且存在化学惰性。本发明利用氢氧化钠进行对玄武岩纤维表面进行处理，破坏玄武岩纤维表面化学键，形成表面缺陷，增加活性位点，降低表面能，从而改善了玄武岩纤维表面的化学惰性；加入水玻璃后，在玄武岩纤维表面缺陷处通过化学键合形成一种壳体结构的保护层如图4所示，由于处理后的玄武岩表面还存在多余的Na⁺等碱性成分，随即加入活性硅灰进行表面涂覆包裹处理如图5所示，即活性SiO₂与处理后的玄武岩纤维表面通过化学反应生产钠矾石或钙矾石结构成分，使得表面粗糙表面积较大，增加了其与水泥浆体接触面积，提高了玄武岩纤维与轻集料混凝土结合时的握裹力。从而增大了轻集料混凝土的抗压抗折强度及密实度。

如图6、图7所示，未改性的玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土在拉拔试验时，由于玄武岩纤维表面极其光滑，在与水泥基体之间粘结不够牢固，机械咬合力差，故玄武岩纤维直接从混凝土基体中被拔出。改性玄武岩纤维表面与水泥基体通过物理及化学键合结合，界面粘接十分牢固，在拉拔试验时，玄武岩纤维连同水泥基体一起被拔出，展现出很强的界面结合力，解决了玄武岩纤维与水泥基体粘接困难的问题。

Claims (3)

1.一种玄武岩纤维表面的改性方法，其特征在于包括以下步骤：

分别称取浓度为0.1-3mol/L 氢氧化钠溶液5-100重量份，模数为1-3的水玻璃5-100重量份，玄武岩纤维10-50重量份；

将氢氧化钠溶液与水玻璃溶液混合均匀；

将玄武岩纤维加入到步骤2）的混合溶液中，控制温度为10-100℃，处理时间为0.1-5h；滤净溶液得到处理的玄武岩纤维；

4）将步骤3）处理后的玄武岩纤维与硅灰按照1:1-10的重量份数进行拌和，实现表面包裹，将其置于105℃的干燥箱内进行烘干处理，制备出改性玄武岩纤维。

2.一种改性玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土，其特征在于是由以下重量份数比的原料制成的：

水泥：100、1-15mm火山渣：300~60、矿渣：20~5、粉煤灰：10~30、硅灰：5~15、改性玄武岩纤维：0.05-5、减水剂：0.5-1.0、水：70份。

3.根据权利要求2所示的一种新型改性玄武岩纤维增强火山渣轻集料混凝土的制备方法，其特征在于：

按比例将水泥、矿渣、硅灰、粉煤灰、减水剂倒入搅拌锅内进行机械搅拌至均匀，然后加入改性玄武岩纤维，再加入45份水后搅拌均匀；在低速搅拌的过程中加入火山渣，再加入25份的水，低速搅拌120s后停办15s，再高速搅拌60s，即得。