CN112592130A - 一种再生钢纤维混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种再生钢纤维混凝土，各组分及其所占重量份数包括：水泥322～358份，砂550～615份，粉煤灰110～156份，石936～972份，轮胎橡胶集料66～104份，减水剂12～14份，水142～160份，改性钢纤维92～138份，其中所述改性钢纤维通过将废轮胎中回收得到的再生钢纤维依次进行酸洗和木质素环氧树脂改性而成。本发明所得再生钢纤维混凝土在实现废弃轮胎资源化利用的基础上，可进一步表现出优异的力学性能和抗氯离子渗透性能，适合推广应用。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种再生钢纤维混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土材料由于其脆性特性，容易在应变条件发生开裂，目前主要通过引入钢筋、垫子、网格和纤维等手段来提升抗裂性能。钢纤维混凝土作为一种结构材料，通过将钢纤维随机分布在水泥基体中，用于解决水泥基复合材料的裂缝敏感性和脆性问题。然而考虑到工业钢铁纤维生产过程中产生的能耗和环境问题，有必要寻找可持续、高效替代高成本钢铁纤维的新型改性材料；其中再生钢纤维被认为是一种可替代工业钢纤维的环保、低成本材料。
废轮胎是目前回收钢纤维的主要来源，这些钢纤维已成功应用于建筑行业的结构材料中，具有良好的环保和经济效益。利用废纤维生产钢筋混凝土，可降低对工业钢纤维的生产需求，且其价格明显低于商业钢纤维。
目前，虽有一些将废弃轮胎回收再生钢纤维用于混凝土的研究，但在工业应用中仍存在一定问题：1)回收设施采用的技术的多变性使回收钢纤维难以达到均匀的几何形状，而实现钢纤维均匀分散的均质混凝土混合料也具有挑战性；2)与工业钢纤维相比，再生钢纤维的使用时间更长，在海洋等富氯环境中更容易腐蚀，导致基体相互作用的恶化和退化，最终导致混凝土强度下降，不利于保证所得混凝土制品的稳定性能；3)常规的回收钢纤维对混凝土性能的改进效果有限，需进一步配合其他功能性组分以实现较高性能混凝土的制备。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种再生钢纤维混凝土，通过对废旧轮胎进行回收利用和改性获得改性再生钢纤维，然后将其应用于混凝土中可制备兼具优异力学性能和抗裂性能的混凝土；且涉及的制备方法简单、成本低，可实现废旧轮胎的资源化利用，具有重要的经济和环境效益。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种再生钢纤维混凝土，各组分及其所占重量份数包括：水泥322～358份，砂550～615份，粉煤灰110～156份，石936～972份，轮胎橡胶集料66～104份，减水剂12～14份，水142～160份，改性钢纤维92～138份，所述改性钢纤维通过将废轮胎中回收得到的再生钢纤维依次进行酸洗和木质素环氧树脂改性而成。
上述方案中，所述砂的细度模数为3.0～3.7，石为5～20mm连续级配的碎石，粉煤灰为F类粉煤灰。
上述方案中，所述轮胎橡胶集料的粒径为1～2mm。
上述方案中，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
上述方案中，所述再生钢纤维的长度为20～60mm，长径比为50～80。
上述方案中，所述改性钢纤维的具体制备步骤包括如下：
1)将从废轮胎中回收得到的再生钢纤维浸入混酸溶液中，进行酸洗处理，然后进行洗涤，烘干；
2)将4～6份四丁基溴化铵、2～3份木质素和1～3份环氧氯丙烷在80～90℃下反应3～5h，然后加入20～25份碱液、5～8份二甲基砜、50～60份酸洗处理后的再生钢纤维进行搅拌反应，干燥后得所述再生钢纤维。
上述方案中，所述混酸溶液由硝酸和氢氟酸按5～6:1的质量比混合而成。
上述方案中，所述酸洗处理温度为50～60℃，时间为30～45min。
上述方案中，所述搅拌反应温度为70～80℃，时间为3～4h。
上述方案中，所述碱液为饱和Ca(OH)2溶液。
上述方案中，所述碱液主要调节溶液的pH值，并在钢纤维表面形成一层钝化膜，钝化膜外层富含Ca(OH)2，钝化膜内层为Fe的氧化物/氢氧化物，实现钢纤维表面的钝化。
上述一种再生钢纤维混凝土的制备方法，包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各组分及其所占重量份数包括：水泥322～358份，砂550～615份，粉煤灰110～156份，石936～972份，轮胎橡胶集料66～104份，减水剂12～14份，水142～160份，改性钢纤维92～138份；
2)将称取的砂、石、轮胎橡胶集料进行混料，然后引入水、减水剂和水泥，搅拌均匀，再加入粉煤灰混合均匀，最后加入改性钢纤维，混合均匀，即得所述再生钢纤维混凝土。
优选的，为消除再生钢纤维几何形状变化引起的不良问题，保证改性钢纤维混凝土中钢纤维均匀分布在混凝土中，步骤2)中采用垂直轴的间歇式搅拌机进行混料。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明采用的再生钢纤维和轮胎橡胶集料，可实现废旧轮胎在混凝土中的资源化利用，减少废旧轮胎带来的环境危害或其他处置成本，具有显著的经济和环境效益；
2)本发明通过对废轮胎回收所得再生钢纤维进行酸洗和木质素环氧树脂改性，利用木质素环氧树脂与再生钢纤维界面之间的物理吸附和化学吸附作用，在二者界面形成致密的吸附膜，有效阻止C1-向钝化膜表面和钢纤维表面的扩散；此外，制备的木质素环氧改性钢纤维在发挥常规增强、抗裂作用外，可与水泥基胶凝体系形成更强的界面粘结力(钢纤维混凝土复合材料最薄弱的环节)，且其界面粘结性能几乎不受氯离子腐蚀环境的影响，可进一步有效提升所得钢纤维混凝土的力学性能、稳定性能和耐久性能，有效延长混凝土结构的服役寿命。
具体实施方式
下面申请人将结合具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，以使本领域的技术人员更加清楚地理解本发明。但以下内容不应理解为是对本发明的权利要求书请求保护范围的限制。
以下实施例中，采用的水泥为天宇华鑫水泥厂生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥，其比表面积375m2/kg，氯离子含量0.02％，28d抗压强度50.8MPa；砂由新疆和砼源提供，其细度模数3.0～3.7；石子由新疆和砼源提供，级配5～20mm；粉煤灰由红雁二电厂提供的F类II级粉煤灰，其细度35％，需水量比108％，烧失量5.8％；减水剂采用聚羧酸高性能标准型减水剂，由西部卓越建材有限公司提供，减水率27.3％；轮胎橡胶集料由四川金摩尔环保新材料有限责任公司，粒径为1～2mm，表观密度1.34g/cm3。
以下实施例中，所述改性钢纤维的制备方法包括如下步骤：
1)将再生钢纤维完全浸人硝酸和氢氟酸的混合液(质量比为5:1)中，在60℃下酸洗30分钟后用去离子水充分洗涤，于75℃烘干。
2)将四丁基溴化铵、木质素和环氧氯丙烷在80～90℃下反应3～5h，然后加入碱液和二甲基砜以及酸洗处理后的再生钢纤维进行搅拌反应，干燥后即得到改性后的再生钢纤维。
上述方案中，所述再生钢纤维由四川金摩尔环保新材料有限责任公司提供，其长度为20～60mm，长径比为50～80。
实施例1
一种再生钢纤维混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)首先将再生钢纤维完全浸入硝酸和氢氟酸的混合液(质量比为5:1)中，在60℃下酸洗30分钟后用去离子水充分洗涤，于75℃烘干后待用；然后将4份(重量份，下同)四丁基溴化铵、3份木质素和2份环氧氯丙烷在90℃下反应4h，然后加入20份饱和Ca(OH)2溶液和6份二甲基砜以及55份酸洗处理后的再生钢纤维进行在70℃温度下搅拌反应3h，干燥后即得到改性后的再生钢纤维；
2)制备1m3预处理再生钢纤维混凝土，按配比称取各原料，各组分及其所占重量份数包括：水泥358份，砂550份，粉煤灰110份，石子972份，轮胎橡胶集料66份，减水剂14份，水160份，改性钢纤维92份；
3)将称取的砂、石、轮胎橡胶集料加入搅拌机中进行混料，然后引入水、减水剂和水泥，搅拌均匀，再加入粉煤灰混合均匀，最后加入改性钢纤维，搅拌过程中产生的摩擦，能促进改性钢纤维在混凝土中的均匀分布，混合均匀后，即得所述再生钢纤维混凝土。
对比例1
对比例1的制备方法与实施例1大致相同，不同之在于不对钢纤维进行改性，直接利用再生钢纤维替代改性钢纤维；
实施例2～6
实施例2～6的制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于分别采用表1所述配方条件制备对应的再生钢纤维混凝土。
对比例2～6
对比例2～6的制备方法分别与实施例2～6大致相同，不同之处在于分别直接采用不进行改性的再生钢纤维替代实施例2～6中对应的改性钢纤维。
表1实施例1～6所述再生钢纤维混凝土的配合比(重量份数)
| 编号 | 水泥 | 砂 | 粉煤灰 | 石 | 轮胎橡胶集料 | 减水剂 | 水 | 改性钢纤维 |
| 实施例1 | 358 | 550 | 110 | 972 | 66 | 14 | 160 | 92 |
| 实施例2 | 358 | 613 | 110 | 972 | 66 | 14 | 160 | 138 |
| 实施例3 | 322 | 615 | 156 | 936 | 104 | 12 | 142 | 92 |
| 实施例4 | 322 | 615 | 156 | 936 | 104 | 12 | 142 | 138 |
| 实施例5 | 358 | 550 | 110 | 949 | 66 | 14 | 160 | 115 |
| 实施例6 | 353 | 551 | 112 | 949 | 85 | 14 | 160 | 115 |
将实施例1～6所再生钢纤维混凝土分别进行力学性能等测试，结果见表2。其中采用的检验标准及方法包括：《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2016)；《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2016)；《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)。
表2实施例1～6和对比例1～6所得再生钢纤维混凝土的性能测试结果
上述结果表明，采用本发明所述改性钢纤维可进一步有效提升所得混凝土的力学系能和抗氯离子侵蚀性，本发明所得再生钢纤维混凝土可兼顾良好的力学性能好和耐久性，尤其抗氯离子侵蚀性得到明显提升，可有效延长混凝土结构在海洋环境或有腐蚀介质的环境中(如冬季撒盐的路面及桥面)等恶劣条件的服役寿命。
上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种再生钢纤维混凝土，各组分及其所占重量份数包括：水泥322～358份，砂550～615份，粉煤灰110～156份，石936～972份，轮胎橡胶集料66～104份，减水剂12～14份，水142～160份，改性钢纤维92～138份；所述改性钢纤维通过将废轮胎中回收得到的再生钢纤维依次进行酸洗和木质素环氧树脂改性而成。
2.根据权利要求1所述的再生钢纤维混凝土，其特征在于，所述改性钢纤维的具体制备步骤包括如下：
1)将从废轮胎中回收得到的再生钢纤维浸入混酸溶液中，进行酸洗处理，然后进行洗涤，烘干；
2)将四丁基溴化铵、木质素和环氧氯丙烷在80～90℃下反应3～5h，然后加入碱液、二甲基砜、酸洗处理后的再生钢纤维进行搅拌反应，干燥后得所述再生钢纤维。
3.根据权利要求2所述的再生钢纤维混凝土，其特征在于，所述酸洗处理温度为50～60℃，时间为30～45min；所述搅拌反应温度为70～80℃，时间为3～4h。
4.根据权利要求2所述的再生钢纤维混凝土，其特征在于，所述四丁基溴化铵、木质素、环氧氯丙烷和二甲基砜的质量比为(4～6):(2～3):(1～3):(5～8)。
5.根据权利要求1所述的再生钢纤维混凝土，其特征在于，所述砂的细度模数为3.0～3.7；石为5～20mm连续级配的碎石；粉煤灰为F类粉煤灰。
6.根据权利要求1所述的再生钢纤维混凝土，其特征在于，所述轮胎橡胶集料的粒径为1～2mm。
7.根据权利要求1所述的再生钢纤维混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
8.根据权利要求1所述的再生钢纤维混凝土，其特征在于，所述再生钢纤维的长度为20～60mm，长径比为50～80。
9.根据权利要求1～8任一项所述再生钢纤维混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各组分及其所占重量份数包括：水泥322～358份，砂550～615份，粉煤灰110～156份，石936～972份，轮胎橡胶集料66～104份，减水剂12～14份，水142～160份，改性钢纤维92～138份；
2)将称取的砂、石、轮胎橡胶集料进行混料，然后引入水、减水剂和水泥，搅拌均匀，再加入粉煤灰混合均匀，最后加入改性钢纤维，混合均匀，即得所述再生钢纤维混凝土。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中采用垂直轴的间歇式搅拌机进行混料。
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