CN112110697A - 一种应用多尺度纤维结构体提升混凝土动力特性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用多尺度纤维结构体提升混凝土动力特性的方法，属于混凝土加工技术领域，包括如下步骤：(1)原料称取、(2)多尺度纤维结构体水分散溶液制备、(3)多尺度纤维结构体水泥砂浆制备、(4)多尺度纤维结构体混凝土拌合物制备、(5)多尺度纤维结构体增强混凝土制备。本发明将纳米层次的碳纳米管接枝到微观层次碳纤维表面后，形成了一种多层次多尺度的纤维增强体，在混凝土基体中能够较好地与混凝土粘结，从而减少混凝土裂缝的发展，提高混凝土强度，制得的混凝土动力强度得到明显提升，混凝土的动态增长因子最高达到1.95，其强度相当于增加1倍。

Description

一种应用多尺度纤维结构体提升混凝土动力特性的方法
技术领域
本发明属于混凝土加工技术领域，具体涉及一种应用多尺度 纤维结构体提升混凝土动力特性的方法。
背景技术
近年来，随着我国经济实力快速增长，越来越多大型基础设 施工程陆续展开。2018年10月23日，港珠澳大桥正式通车，全 长55公里，前后经13年论证、设计、施工，总投资金额约1200 亿；我国高铁行业也是发展迅猛，据相关报道，2019年高铁总里 程突破3万公里，这些大型基础设施工程的发展都离不开混凝土 材料科学的进步。由于混凝土材料具有应变率敏感性，在动荷载 作用下会表现出与静态不同的力学特性，而混凝土结构在使用过程中不可避免的会遭受动荷载作用，因此，为了满足大型基础工 程抗飓风、抗强震和抗爆炸性能要求，急需对混凝土动力特性进 一步提升，不断推动大型混凝土结构发展，满足我国民用和国防 工程发展的需要。
为了提升混凝土动力特性，最常见的方法是在混凝土基体中 掺入纤维材料。常见的纤维包括碳纤维、钢纤维、玄武岩纤维等。 研究发现，将纤维材料掺入混凝土中后，能够在一定程度改善混 凝土性能，比如强度、韧性、吸能特性等。但相关试验表明，由 于纤维表面与混凝土基体之间材料特性的差异性，使得纤维在混 凝土基体中容易发生滑移破坏，导致普通纤维增强混凝土强度特 性的改善幅度有限。可见，改善纤维表面的基本特性，对于进一 步提升混凝土强度特性具有较大影响。
在这些纤维中，碳纤维不仅具有抗拉强度高、弹性模量大、 韧性强等优点，而且还具备优异的导电导热、耐磨耐腐蚀等特点， 掺入混凝土中后不仅能起到增强、阻裂作用，而且还能赋予混凝 土导电、压敏、温敏、电磁屏蔽等智能化功能，因此，碳纤维在 混凝土增强方面具有广阔应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用多尺度纤维结构体提升混凝 土动力特性的方法，有效的解决了碳纤维表面界面性能差的问题， 并改善了混凝土的品质。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案实现的：
一种应用多尺度纤维结构体提升混凝土动力特性的方法，包 括如下步骤：
(1)原料称取：
按对应重量份称取下列原料备用：
水泥364.00-375.00份、硅灰25.20-28.50份、粉煤灰 125.00-134.00份、砂691.00-712.00份、碎石1032.00-1058.00份、 水175.00-180.00份、减水剂5.10-5.40份、多尺度纤维结构体 2.95-3.68份；
(2)多尺度纤维结构体水分散溶液制备：
将步骤(1)称取的水和减水剂混合，再将多尺度纤维结构 体加入，然后再加入十二烷基硫酸钠，超声分散处理15min后得 多尺度纤维结构体水分散溶液备用；所述十二烷基硫酸钠的加入 量是水总质量的1～1.5％；
(3)多尺度纤维结构体水泥砂浆制备：
将步骤(1)称取的水泥、硅灰、粉煤灰、砂共同混合搅拌 45s，然后再将步骤(2)制得的多尺度纤维结构体水分散溶液加 入，继续搅拌45s，得多尺度纤维结构体水泥砂浆备用；
(4)多尺度纤维结构体混凝土拌合物制备：
将步骤(1)称取的碎石与步骤(3)制得的多尺度纤维结构 体水泥砂浆共混搅拌120s，得多尺度纤维结构体混凝土拌合物备 用；
(5)多尺度纤维结构体增强混凝土制备：
将步骤(4)制得的多尺度纤维结构体混凝土拌合物注入到 模具内，磁力振动处理150s，密实成型后进行养护处理24h后脱 模，最后再养护处理27d后即得多尺度纤维结构体增强混凝土。
进一步的，步骤(1)中所述的水泥为42.5R P·O水泥。
进一步的，步骤(1)中所述的硅灰的平均粒径为0.1～0.15 μm，比表面积为15～27m2/g，SiO2含量为92％。
进一步的，步骤(1)中所述的粉煤灰的密度为2.05g/cm3， 比表面积≥355m2/kg。
进一步的，步骤(1)中所述的砂的细度模数为2.78，密度 为2.63g/cm3，堆积密度为1.50kg/L，含泥量为1.1％。
进一步的，步骤(1)中所述的碎石的粒径为5～20mm，密 度为2.70g/cm3，堆积密度为1.62kg/L，含为泥量0.2％。
进一步的，步骤(1)中所述的减水剂为FDN高效减水剂或 聚羧酸高效减水剂。
进一步的，步骤(1)中所述的多尺度纤维结构体是采用化 学接枝法制备得到碳纳米管/碳纤维多尺度纤维结构体，其中碳 纳米管为羟基碳纳米管，型号为XFM03,OD为5-15nm，长度为 10-30μm，纯度大于95％；碳纤维为日本东丽公司生产的 T700SC-12K-50C型纤维。
进一步的，步骤(5)中所述的养护处理时控制环境湿度≥95％、 温度为20±2℃。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明中所使用的多尺度纤维结构体的分散性好，因减水剂 和十二烷基硫酸钠混合液具有分散纤维的功能，减水剂中强极性 的羟基、羧基和磺酸基，通过十二烷基硫酸钠表面活性剂的作用， 使得这些强极性基团可以吸附在纤维结构体表面，增大结构体间的相互斥力，从而提高分散度；同时超声波的空化作用使纤维结 构体在混合液中进一步分散。上述分散处理可以避免传统方法中 将水溶性纤维素醚带入水泥基体中，从而减少对混凝土的强度的 影响。本发明将纳米层次的碳纳米管接枝到微观层次碳纤维表面 后，形成了一种多层次多尺度的纤维增强体，在混凝土基体中能 够较好地与混凝土粘结，从而减少混凝土裂缝的发展，提高混凝 土强度，制得的混凝土动力强度得到明显提升，混凝土的动态增 长因子最高达到1.95，其强度相当于增加1倍。
具体实施方式
实施例1
一种应用多尺度纤维结构体提升混凝土动力特性的方法，包 括如下步骤：
(1)原料称取：
按对应重量份称取下列原料备用：
水泥364.00kg、硅灰25.20kg、粉煤灰125.00kg、砂691.00kg、 碎石1032.00kg、水175.00kg、减水剂5.10kg、多尺度纤维结构体 2.95kg、；
(2)多尺度纤维结构体水分散溶液制备：
将步骤(1)称取的水和减水剂混合，再将多尺度纤维结构 体加入，然后再加入十二烷基硫酸钠，超声分散处理15min后得 多尺度纤维结构体水分散溶液备用；所述十二烷基硫酸钠的加入 量是水总质量的1％；
(3)多尺度纤维结构体水泥砂浆制备：
将步骤(1)称取的水泥、硅灰、粉煤灰、砂共同混合搅拌 45s，然后再将步骤(2)制得的多尺度纤维结构体水分散溶液加 入，继续搅拌45s，得多尺度纤维结构体水泥砂浆备用；
(4)多尺度纤维结构体混凝土拌合物制备：
将步骤(1)称取的碎石与步骤(3)制得的多尺度纤维结构 体水泥砂浆共混搅拌120s，得多尺度纤维结构体混凝土拌合物备 用；
(5)多尺度纤维结构体增强混凝土制备：
将步骤(4)制得的多尺度纤维结构体混凝土拌合物注入到 模具内，磁力振动处理150s，密实成型后进行养护处理24h后脱 模，最后再养护处理27d后即得多尺度纤维结构体增强混凝土。
步骤(1)中所述的水泥为42.5R P·O水泥。
步骤(1)中所述的硅灰的平均粒径为0.1～0.15μm，比表面 积为15～27m2/g，SiO2含量为92％。
步骤(1)中所述的粉煤灰的密度为2.05g/cm3，比表面积≥ 355m2/kg。
步骤(1)中所述的砂的细度模数为2.78，密度为2.63 g/cm3，堆积密度为1.50kg/L，含泥量为1.1％。
步骤(1)中所述的碎石的粒径为5～20mm，密度为2.70 g/cm3，堆积密度为1.62kg/L，含为泥量0.2％。
步骤(1)中所述的减水剂为FDN高效减水剂。
步骤(1)中所述的多尺度纤维结构体是采用化学接枝法制 备得到碳纳米管/碳纤维多尺度纤维结构体，其中碳纳米管为羟 基碳纳米管，型号为XFM03,OD为5-15nm，长度为10-30μm， 纯度大于95％；碳纤维为日本东丽公司生产的T700SC-12K-50C 型纤维。
步骤(5)中所述的养护处理时控制环境湿度≥95％、温度 为20±2℃。
实施例2
一种应用多尺度纤维结构体提升混凝土动力特性的方法，包 括如下步骤：
(1)原料称取：
按对应重量份称取下列原料备用：
水泥370.00kg、硅灰27.50kg、粉煤灰129.00kg、砂705.00kg、 碎石1045.00kg、水178.00kg、减水剂5.20kg、多尺度纤维结构体 3.31kg；
(2)多尺度纤维结构体水分散溶液制备：
将步骤(1)称取的水和减水剂混合，再将多尺度纤维结构 体加入，然后再加入十二烷基硫酸钠，超声分散处理15min后得 多尺度纤维结构体水分散溶液备用；所述十二烷基硫酸钠的加入 量是水总质量的1.3％；
(3)多尺度纤维结构体水泥砂浆制备：
将步骤(1)称取的水泥、硅灰、粉煤灰、砂共同混合搅拌 45s，然后再将步骤(2)制得的多尺度纤维结构体水分散溶液加 入，继续搅拌45s，得多尺度纤维结构体水泥砂浆备用；
(4)多尺度纤维结构体混凝土拌合物制备：
将步骤(1)称取的碎石与步骤(3)制得的多尺度纤维结构 体水泥砂浆共混搅拌120s，得多尺度纤维结构体混凝土拌合物备 用；
(5)多尺度纤维结构体增强混凝土制备：
将步骤(4)制得的多尺度纤维结构体混凝土拌合物注入到 模具内，磁力振动处理150s，密实成型后进行养护处理24h后脱 模，最后再养护处理27d后即得多尺度纤维结构体增强混凝土。
步骤(1)中所述的水泥为42.5R P·O水泥。
步骤(1)中所述的硅灰的平均粒径为0.1～0.15μm，比表面 积为15～27m2/g，SiO2含量为92％。
步骤(1)中所述的粉煤灰的密度为2.05g/cm3，比表面积≥ 355m2/kg。
步骤(1)中所述的砂的细度模数为2.78，密度为2.63 g/cm3，堆积密度为1.50kg/L，含泥量为1.1％。
步骤(1)中所述的碎石的粒径为5～20mm，密度为2.70 g/cm3，堆积密度为1.62kg/L，含为泥量0.2％。
步骤(1)中所述的减水剂为聚羧酸高效减水剂。
步骤(1)中所述的多尺度纤维结构体是采用化学接枝法制 备得到碳纳米管/碳纤维多尺度纤维结构体，其中碳纳米管为羟 基碳纳米管，型号为XFM03,OD为5-15nm，长度为10-30μm， 纯度大于95％；碳纤维为日本东丽公司生产的T700SC-12K-50C 型纤维。
步骤(5)中所述的养护处理时控制环境湿度≥95％、温度 为20±2℃。
实施例3
一种应用多尺度纤维结构体提升混凝土动力特性的方法，包 括如下步骤：
(1)原料称取：
按对应重量份称取下列原料备用：
水泥375.00kg、硅灰28.50kg、粉煤灰134.00kg、砂712.00kg、 碎石1058.00kg、水180.00kg、减水剂5.40kg、多尺度纤维结构体 3.68kg；
(2)多尺度纤维结构体水分散溶液制备：
将步骤(1)称取的水和减水剂混合，再将多尺度纤维结构 体加入，然后再加入十二烷基硫酸钠，超声分散处理15min后得 多尺度纤维结构体水分散溶液备用；所述十二烷基硫酸钠的加入 量是水总质量的1.5％；
(3)多尺度纤维结构体水泥砂浆制备：
将步骤(1)称取的水泥、硅灰、粉煤灰、砂共同混合搅拌 45s，然后再将步骤(2)制得的多尺度纤维结构体水分散溶液加 入，继续搅拌45s，得多尺度纤维结构体水泥砂浆备用；
(4)多尺度纤维结构体混凝土拌合物制备：
将步骤(1)称取的碎石与步骤(3)制得的多尺度纤维结构 体水泥砂浆共混搅拌120s，得多尺度纤维结构体混凝土拌合物备 用；
(5)多尺度纤维结构体增强混凝土制备：
将步骤(4)制得的多尺度纤维结构体混凝土拌合物注入到 模具内，磁力振动处理150s，密实成型后进行养护处理24h后脱 模，最后再养护处理27d后即得多尺度纤维结构体增强混凝土。
步骤(1)中所述的水泥为42.5R P·O水泥。
步骤(1)中所述的硅灰的平均粒径为0.1～0.15μm，比表面 积为15～27m2/g，SiO2含量为92％。
步骤(1)中所述的粉煤灰的密度为2.05g/cm3，比表面积≥ 355m2/kg。
步骤(1)中所述的砂的细度模数为2.78，密度为2.63 g/cm3，堆积密度为1.50kg/L，含泥量为1.1％。
步骤(1)中所述的碎石的粒径为5～20mm，密度为2.70 g/cm3，堆积密度为1.62kg/L，含为泥量0.2％。
步骤(1)中所述的减水剂为FDN高效减水剂或聚羧酸高效 减水剂。
步骤(1)中所述的多尺度纤维结构体是采用化学接枝法制 备得到碳纳米管/碳纤维多尺度纤维结构体，其中碳纳米管为羟 基碳纳米管，型号为XFM03,OD为5-15nm，长度为10-30μm， 纯度大于95％；碳纤维为日本东丽公司生产的T700SC-12K-50C 型纤维。
步骤(5)中所述的养护处理时控制环境湿度≥95％、温度 为20±2℃。
实施例4
本实施例4与实施例2相比，区别仅在于，将多尺度纤维结 构体的使用量调至2.95kg，除此外的方法步骤均相同。
实施例5
本实施例5与实施例2相比，区别仅在于，将多尺度纤维结 构体的使用量调至3.68kg，除此外的方法步骤均相同。
为了对比本发明效果，对上述实施例2、实施例4、实施例5 对应制得的混凝土试件进行性能测试，采用电液伺服液压力机测 试试件的静态强度，采用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)进行混凝土试件动态压缩试验，得到动态压 缩强度，具体数据如下表1所示：
表1
Figure BDA0002672405930000091
通常情况下，采用混凝土强度的动态增长因子来反应其强度 的变化规律，动态增长因子是指混凝土动态压缩强度与静态强度 比值，其具体计算公式表示为：
Figure BDA0002672405930000101
其中fcu为动态压缩强度，fc0为静态压缩强度。
上述混凝土试件的动态增强因子的数据如下表2所示：
表2
Figure BDA0002672405930000102
综上可以看出，本发明将多尺度纤维结构体掺入混凝土中后， 可以大幅提升混凝土的强度，尤其是混混凝土的动态强度。

Claims (9)

1.一种应用多尺度纤维结构体提升混凝土动力特性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)原料称取：
按对应重量份称取下列原料备用：
水泥364.00-375.00份、硅灰25.20-28.50份、粉煤灰125.00-134.00份、砂691.00-712.00份、碎石1032.00-1058.00份、水175.00-180.00份、减水剂5.10-5.40份、多尺度纤维结构体2.95-3.68份；
(2)多尺度纤维结构体水分散溶液制备：
将步骤(1)称取的水和减水剂混合，再将多尺度纤维结构体加入，然后再加入十二烷基硫酸钠，超声分散处理15min后得多尺度纤维结构体水分散溶液备用；所述十二烷基硫酸钠的加入量是水总质量的1～1.5％；
(3)多尺度纤维结构体水泥砂浆制备：
将步骤(1)称取的水泥、硅灰、粉煤灰、砂共同混合搅拌45s，然后再将步骤(2)制得的多尺度纤维结构体水分散溶液加入，继续搅拌45s，得多尺度纤维结构体水泥砂浆备用；
(4)多尺度纤维结构体混凝土拌合物制备：
将步骤(1)称取的碎石与步骤(3)制得的多尺度纤维结构体水泥砂浆共混搅拌120s，得多尺度纤维结构体混凝土拌合物备用；
(5)多尺度纤维结构体增强混凝土制备：
将步骤(4)制得的多尺度纤维结构体混凝土拌合物注入到模具内，磁力振动处理150s，密实成型后进行养护处理24h后脱模，最后再养护处理27d后即得多尺度纤维结构体增强混凝土。
2.根据权利要求1所述的一种应用多尺度纤维结构体提升混凝土动力特性的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的水泥为42.5R P·O水泥。
3.根据权利要求1所述的一种应用多尺度纤维结构体提升混凝土动力特性的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的硅灰的平均粒径为0.1～0.15μm，比表面积为15～27m2/g，SiO2含量为92％。
4.根据权利要求1所述的一种应用多尺度纤维结构体提升混凝土动力特性的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的粉煤灰的密度为2.05g/cm3，比表面积≥355m2/kg。
5.根据权利要求1所述的一种应用多尺度纤维结构体提升混凝土动力特性的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的砂的细度模数为2.78，密度为2.63g/cm3，堆积密度为1.50kg/L，含泥量为1.1％。
6.根据权利要求1所述的一种应用多尺度纤维结构体提升混凝土动力特性的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的碎石的粒径为5～20mm，密度为2.70g/cm3，堆积密度为1.62kg/L，含为泥量0.2％。
7.根据权利要求1所述的一种应用多尺度纤维结构体提升混凝土动力特性的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的减水剂为FDN高效减水剂或聚羧酸高效减水剂。
8.根据权利要求1所述的一种应用多尺度纤维结构体提升混凝土动力特性的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的多尺度纤维结构体是采用化学接枝法制备得到碳纳米管/碳纤维多尺度纤维结构体，其中碳纳米管为羟基碳纳米管，型号为XFM03,OD为5-15nm，长度为10-30μm，纯度大于95％；碳纤维为日本东丽公司生产的T700SC-12K-50C型纤维。
9.根据权利要求1所述的一种应用多尺度纤维结构体提升混凝土动力特性的方法，其特征在于，步骤(5)中所述的养护处理时控制环境湿度≥95％、温度为20±2℃。
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