CN108314391A - 一种表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土及其制备方法，属于建筑材料技术领域。所述的超高性能混凝土按照质量份数包括表面改性超细钢纤维50~300份、水泥500~1500份、矿物掺合料50~500份、细骨料1000~1800份、化学外加剂5~40份和水150~650份。所述的方法为：纳米二氧化硅改性剂的制备；超细钢纤维的表面改性；混凝土搅拌与养护。本发明对超细钢纤维进行表面生长SiO₂的改性处理，在形态学方面增加了表面粗糙度，增加纤维和基体间的摩擦系数，在化学方面利用了纳米SiO₂的高火山灰活性，与界面区的水泥水化产物Ca(OH)₂发生二次水化，生成水化硅酸钙凝胶C‑S‑H改善界面薄弱区域。其抗折强度达到25MPa以上，电阻率达到20000欧姆·厘米以上。

Description

一种表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土及其制 备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土及其制备方法。

背景技术

高性能混凝土从上世纪九十年代问世以来，以其优异的力学性能和耐久性能成为备受关注的新型水泥基建筑材料，并越来越多地应用于工程实践中。近年来，随着重大基础设施如大跨度桥梁、高铁等兴建，具有更高强度和耐久性的超高性能混凝土得到越来越多的研究和应用。超高性能混凝土一般通过添加纤维，利用纤维的桥联作用有效改善了传统混凝土抗折强度低、易开裂、易疲劳破坏的缺点。

钢纤维以其抗拉强度高、弹性模量大、易大规模批量生产等特点成为目前超高性能混凝土工程中，使用最广、技术最成熟的纤维种类，其中超细钢纤维等效直径小，比表面积大，能够在裂纹出现初期起到很好的增强作用。目前，我国已有专用于高速铁路的镀铜微丝钢纤维、常用于桥梁和路面的超细端钩型钢纤维等。

使用超细钢纤维作为增强材料的超高性能混凝土，经常面临钢纤维直接搭接形成导电通路、混凝土电阻下降及钢筋混凝土结构中的钢筋加速锈蚀的风险，所以在高铁、地铁等重要的交通基础设施使用的混凝土，需要在提供高力学性能与耐久性能同时，具备较高的阻抗，以减少杂散电流泄露和传导，避免钢筋混凝土构件的加速锈蚀，现有的混凝土不具备以上的所有特征。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有钢纤维混凝土阻抗低、杂散电流泄露的问题，提供一种表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土及其制备方法，原料中所用到的表面改性超细钢纤维是在普通混凝土用钢纤维的基础上，表面生长有不超过5000nm的具有水化反应活性的纳米SiO₂，可以与水泥基体进行可控程度的反应，在提高其与水泥界面粘结强度的同时，对钢纤维还起到防止导电内核直接接触的分隔作用，钢纤维在较高掺量下也难以形成导电通路，得到高强度并同时保持高阻抗，可用于钢筋混凝土结构，尤其是高铁、地铁等以减少杂散电流的泄露和传导，从而避免钢筋混凝土构件的加速锈蚀。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土，所述的超高性能混凝土按照质量份数包括表面改性超细钢纤维50~300份、水泥500~1500份、矿物掺合料50~500份、细骨料1000~1800份、化学外加剂5~40份和水150~650份。

一种上述的表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土的制备方法，所述的方法具体步骤如下：

步骤一：纳米二氧化硅改性剂的制备：取等体积的乙醇和水作为溶剂，称取溶剂质量分数1%的去离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵加入，溶剂质量分数6~12%的正硅酸乙酯加入，即得到纳米二氧化硅改性剂；

步骤二：超细钢纤维的表面改性：将超细钢纤维浸渍于纳米二氧化硅改性剂中，超细钢纤维与纳米二氧化硅改性剂的体积比为0.1~1：3，将混合溶液超声30min，超声功率为10kHz~60kHz，边超声边滴加氨水至pH=8~9，50~80℃水浴反应6~10 h，陈化1~7天后取出，经乙醇洗涤，在惰性气体保护下105℃烘干1~2 h并干燥保存；

步骤三：混凝土搅拌与养护：将经过表面改性的超细钢纤维和水泥、细骨料、矿物掺合料混合，搅拌均匀，再加入水和化学外加剂，搅拌均匀，在标准养护条件下养护，即得到表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

（1）本发明的纳米SiO₂改性剂制备过程简单，制备速度快，使用方便，获得的纳米二氧化硅具有很大的比表面积和化学活性；本发明使用的纤维为超细钢纤维，其比表面积大，更适合于表面改性，适合大规模批量生产与实际工程应用；

（2）本发明对超细钢纤维进行表面生长SiO₂的改性处理，在形态学方面增加了表面粗糙度，增加纤维和基体间的摩擦系数，在化学方面利用了纳米SiO₂的高火山灰活性，与界面区的水泥水化产物Ca(OH)₂发生二次水化，生成水化硅酸钙凝胶C-S-H改善界面薄弱区域。从以上两方面进一步提高超细钢纤维与水泥基体的协同性和粘结性能，充分发挥材料的性能优势，抗折强度达到25MPa以上，电阻率达到20000欧姆·厘米以上。

（3）本发明制备的表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土，进一步提高界面强度的同时，避免了超细钢纤维之间的直接搭接，起到一定的分隔作用，使钢纤维在较高掺量下也难以形成导电通路，保持高阻抗，混凝土抗折强度25MPa以上时，其电阻率在20000欧姆·厘米以上，远优于未经过表面改性的同规格钢纤维，可用于高铁、地铁等以减少杂散电流的泄露和传导，有效避免钢筋混凝土构件的加速锈蚀。

（4）本发明的表面改性超细钢纤维不同于常见钢纤维，其表面具有一层自身无活性，但可与水泥反应的水化活性纳米SiO₂，该活性层可采用溶胶-凝胶法在钢纤维表面原位生成。表面改性超细钢纤维的SiO₂层可与硅酸盐水泥的水化产物氢氧化钙反应生成水化硅酸钙凝胶，提高超细钢纤维与水泥的界面密实度、界面强度，进一步提高了混凝土的强度和韧性；同时表面改性超细钢纤维的表面水化产物层阻隔钢纤维内核直接搭接导电通路的形成，保障了混凝土的高阻抗。制备的超高性能混凝土可用于桥梁、高铁、地铁道床等工程提高混凝土构件的力学承载能力，并减少杂散电流的传导，从而避免钢筋混凝土构件的加速锈蚀，保障重大基础设施的安全服役，具有广阔应用前景。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。

本发明对钢纤维进行表面生长SiO₂的改性处理，制备表面改性超细钢纤维，进一步用于制备高阻抗超高性能混凝土，在形态学和化学方面进一步提高界面强度的同时，阻止钢纤维直接接触，使其难以形成导电通路，使混凝土构件保持高阻抗，减少杂散电流的泄露，避免钢筋混凝土构件的加速锈蚀。

具体实施方式一：本实施方式记载的是一种表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土，所述的超高性能混凝土按照质量份数包括表面改性超细钢纤维50~300份、水泥500~1500份、矿物掺合料50~500份、细骨料1000~1800份、化学外加剂5~40份和水150~650份。

具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土，所述的水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，所述的化学外加剂为增塑剂、增塑剂与膨胀剂、增塑剂与引气剂或增塑剂、膨胀剂及引气剂三者的混合物。硅酸盐水泥多用于质检标定，普通硅酸盐水泥多用于实际工程，前者的混合材料含量小于5%，后者的混合材料含量在5~20%之间。所述的混合材料是指在粉磨水泥时与熟料、石膏一起加入用以改善水泥性能、调节水泥标号、提高水泥产量的人造或天然矿物质材料。具体可以是粒化高炉矿渣、火山灰质混合材、粉煤灰、石英岩或砂岩。

具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土，所述的矿物掺合料为硅灰、粉煤灰、粒化高炉矿渣的一种或几种。

具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土，所述的表面改性超细钢纤维以普通超细钢纤维为纤维基体，表面生长有一层厚度＜5000nm的、能够与硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥反应的纳米二氧化硅。所述的作为纤维基体的超细钢纤维为采用切断细钢丝法、钢锭铣削法等各种方法制备得到的各种形状、长度的超细钢纤维。

具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土，所述的细骨料为粒径≤5000μm的、级配合理的细骨料。所述的级配合理指骨料中大、中、小颗粒含量的搭配合适，孔隙率和总表面积都较小。

具体实施方式六：一种具体实施方式一至五任一具体实施方式所述的表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土的制备方法，所述的方法具体步骤如下：

步骤一：纳米二氧化硅改性剂的制备：取等体积的乙醇和水作为溶剂，称取溶剂质量分数1%的去离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）加入，溶剂质量分数6~12%的正硅酸乙酯（TEOS）加入，即得到纳米二氧化硅改性剂；

步骤二：超细钢纤维的表面改性：将超细钢纤维浸渍于纳米二氧化硅改性剂中，超细钢纤维与纳米二氧化硅改性剂的体积比为0.1~1：3，将混合溶液超声30~60min，超声功率为10kHz~60kHz，边超声边滴加氨水至pH=8~9，50~80℃水浴反应6~10 h，陈化1~7天后取出，经乙醇洗涤，在惰性气体保护下105℃烘干1~2 h并干燥保存，此时超细钢纤维表面生长有一层5000nm厚度以下的SiO₂薄层；

步骤三：混凝土搅拌与养护：将经过表面改性的超细钢纤维和水泥、细骨料、矿物掺合料混合，搅拌均匀，再加入水和化学外加剂，搅拌均匀，在标准养护条件下养护，即得到表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土。

实施例1：

一种表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土的制备方法

1、纳米二氧化硅改性剂的制备：

量取250mL的无水乙醇和250mL的水作为溶剂，称取4.3g去离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵加入，再称取43.2g的正硅酸乙酯加入并搅拌，得到改性剂，封口备用。

2、超细钢纤维的表面改性：

称取30g超细钢纤维加入改性剂中，将混合溶液超声处理30min，边超声边滴加氨水至pH=9，然后在60℃下恒温水浴反应6 h，在室温下陈化48 h。取出后经乙醇溶液洗涤，在惰性气体保护下105℃烘干2 h，干燥保存。

3、混凝土搅拌和与养护：

根据实际情况选择各原料用量，下表为其中一种用料比：

拌和和养护方法：

将经过表面改性的超细钢纤维、水泥、石英砂和硅灰混合，在混凝土搅拌机低速搅拌3min，加入水和高效减水剂，再低速搅拌6min，高速搅拌1min，浇筑进相应的模具中。然后在振动台上振动30s，表面覆盖聚乙烯薄膜，24h后脱模。脱模后在温度20±2℃、相对湿度≥95％的标准养护条件下养护，即得到表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土。

4、电阻率的测量：

使用3中同样的方法和用料比，浇筑在3个40mm×40mm×50mm的二电极电阻率测量试件，并用碳网做电极。

使用二电极测试电阻率的方法，采用交流电流测量养护28天的试件的5个电阻值并计算电阻率，再取平均值，结果显示，在标准养护条件下养护28天的试件，其电阻率大于20000欧姆·厘米。

Claims (6)

1.一种表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土，其特征在于：所述的超高性能混凝土按照质量份数包括表面改性超细钢纤维50~300份、水泥500~1500份、矿物掺合料50~500份、细骨料1000~1800份、化学外加剂5~40份和水150~650份。

2.根据权利要求1所述的一种表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土，其特征在于：所述的水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，所述的化学外加剂为增塑剂、增塑剂与膨胀剂、增塑剂与引气剂或增塑剂、膨胀剂与引气剂三者的混合物。

3.根据权利要求1所述的一种表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土，其特征在于：所述的矿物掺合料为硅灰、粉煤灰、粒化高炉矿渣的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的一种表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土，其特征在于：所述的表面改性超细钢纤维以普通超细钢纤维为纤维基体，表面生长有一层厚度＜5000nm的、能够与硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥反应的纳米二氧化硅。

5.根据权利要求1所述的一种表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土，其特征在于：所述的细骨料为粒径≤5000μm的细骨料。

6.一种权利要求1~5任一权利要求所述的表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土的制备方法，其特征在于：所述的方法具体步骤如下：

步骤一：纳米二氧化硅改性剂的制备：取等体积的乙醇和水作为溶剂，称取溶剂质量分数1%的去离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵加入，溶剂质量分数6~12%的正硅酸乙酯加入，即得到纳米二氧化硅改性剂；

步骤二：超细钢纤维的表面改性：将超细钢纤维浸渍于纳米二氧化硅改性剂中，超细钢纤维与纳米二氧化硅改性剂的体积比为0.1~1：3，将混合溶液超声30~60min，超声功率为10kHz~60kHz，边超声边滴加氨水至pH=8~9，50~80℃水浴反应6~10 h，陈化1~7天后取出，经乙醇洗涤，在惰性气体保护下105℃烘干1~2 h并干燥保存；

步骤三：混凝土搅拌与养护：将经过表面改性的超细钢纤维和水泥、细骨料、矿物掺合料混合，搅拌均匀，再加入水和化学外加剂，搅拌均匀，在标准养护条件下养护，即得到表面改性超细钢纤维增强高阻抗超高性能混凝土。