CN112679154A - 一种利用碳纤维加固的高延性混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及混凝土制备的领域，具体公开了一种利用碳纤维加固的高延性混凝土及其制备方法。一种利用碳纤维加固的高延性混凝土，由包含以下重量份的原料制备而成：水泥30~50份；粉煤灰8~16份；细砂12~25份；减水剂0.05~0.15份；氮化物改性碳纤维0.72~1.88份；增稠剂0.08~0.14份；水10~18份。其制备方法为：将水泥、粉煤灰、细砂混合搅拌，然后加入减水剂、增稠剂和水继续搅拌，再加入氮化物改性碳纤维继续搅拌，得到高延性混凝土。本申请具有提高混凝土的韧性和延性的优点。

Description

一种利用碳纤维加固的高延性混凝土及其制备方法

技术领域

本申请涉及混凝土制备的领域，更具体地说，它涉及一种利用碳纤维加固的高延性混凝土及其制备方法。

背景技术

随着对混凝土研究的不断深入，混凝土的种类越来越丰富，混凝土的性能也越来越优化，其中高延性混凝土便是极具代表性的一种。高延性混凝土是一种具有高强度、高韧性、高抗裂性能和高耐损伤能力的特种混凝土，具体体现在高延性混凝土的变形程度大，在面对地震等外界冲击时，高延性混凝土不易发生断裂，从而使混凝土整体的结构稳定性大大提高，对人民的生命财产起到保护作用。

高延性混凝土一般是在水泥、集料和水的基础上加入一定的纤维，可加入的纤维有多种，其中较为常见的是碳纤维，碳纤维是指含碳量在90%以上的纤维，具有高强度、高模量和耐疲劳性能好的优点，碳纤维应用于混凝土当中可以提高混凝土的抗裂性，因此是高延性混凝土常加入的纤维之一。

然而在实际应用中发现，碳纤维与水泥基的结合能力较差，单纯将碳纤维加入对混凝土的韧性和延性的提升较少，需要进一步改进。

发明内容

为了提高混凝土的韧性和延性，本申请提供一种利用碳纤维加固的高延性混凝土及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种利用碳纤维加固的高延性混凝土，采用如下的技术方案：

一种利用碳纤维加固的高延性混凝土，由包含以下重量份的原料制备而成：

水泥 30~50份；

粉煤灰 8~16份；

细砂 12~25份；

减水剂 0.05~0.15份；

氮化物改性碳纤维 0.72~1.88份；

增稠剂 0.08~0.14份；

水 10~18份。

通过采用上述技术方案，由于采用增稠剂和氮化物改性碳纤维，氮化物对碳纤维表面改性后，增强碳纤维与水泥基的结合强度，当混凝土受外力时，控制碳纤维在水泥基中的移动程度，从而抵抗混凝土的裂缝扩展，提高混凝土的韧性和延性，另外可能因为增稠剂增加的粘性协同促进碳纤维与水泥基的结合强度，进一步提高混凝土的延性。

优选的，所述增稠剂选自羟丙基甲基纤维素。

通过采用上述技术方案，羟丙基甲基纤维素应用于混凝土时，对水泥基的粘性提高效果较好。

优选的，所述氮化物改性碳纤维的制备方法为：将碳纤维在硝酸溶液中浸泡预处理，浸泡结束后取出碳纤维，用水淋洗，干燥，再将预处理后的碳纤维、丙烯酸、己内酰胺、引发剂和水在60~80℃下搅拌混合，搅拌结束后取出碳纤维，用水淋洗，干燥，得到共聚物改性碳纤维；将纳米氮化物、硅烷偶联剂和改性用乙醇在50~70℃下混合，混合结束后过滤得氮化物，干燥，得到改性氮化物；将共聚物改性碳纤维、改性氮化物和反应用乙醇混合，并在60~80℃下超声处理，超声处理结束后过滤得固体，固体在130~150℃下烘干，得到氮化物改性碳纤维。

通过采用上述技术方案，预处理使得碳纤维表面的活性基团增加，以供后续丙烯酸与己内酰胺形成的共聚物与碳纤维结合，纳米氮化物经硅烷偶联剂表面改性后，与共聚物结合，从而将纳米氮化物包覆于碳纤维表面。

优选的，所述预处理后的碳纤维、丙烯酸、己内酰胺、引发剂和水的重量比为100:(7~11):(2~5):(0.07~0.11):(500~700)，所述纳米氮化物、硅烷偶联剂和改性用乙醇的重量比为100:(11~15):(500~700)，所述共聚物改性碳纤维、改性氮化物和反应用乙醇的重量比为100:(50~72):(500~700)。

通过采用上述技术方案，上述配比使得纳米氮化物包覆于碳纤维表面的稳定性更强。

优选的，所述纳米氮化物选自氮化铬或氮化硅中的一种或多种。

通过采用上述技术方案，氮化铬或氮化硅均可以增强碳纤维表面与水泥基结合的能力。

优选的，所述纳米氮化物选自氮化铬和氮化硅复配而成，所述氮化铬和氮化硅的重量比为1:(0.21~0.33)。

通过采用上述技术方案，氮化铬和氮化硅复配使用可以协同提高碳纤维表面与水泥基结合的能力。

优选的，所述硅烷偶联剂选自乙烯基三乙氧基硅烷或γ―氨丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种。

通过采用上述技术方案，促使氮化物与碳纤维表面的共聚物结合。

优选的，当所述氮化物选自氮化铬时，所述硅烷偶联剂选自乙烯基三乙氧基硅烷；当所述氮化物选自氮化硅时，所述硅烷偶联剂选自γ―氨丙基三乙氧基硅烷。

通过采用上述技术方案，根据氮化物的选择，选取合适的硅烷偶联剂，提高氮化物与碳纤维表面的共聚物结合的稳定性。

优选的，所述减水剂选自聚羧酸减水剂。

优选的，所述引发剂选自过硫酸铵。

优选的，所述碳纤维的平均直径为8μm，平均长度6mm。

优选的，所述氮化硅和氮化铬的平均直径均为0.5μm。

通过采用上述技术方案，控制碳纤维和氮化物的尺寸，使氮化物更好的包覆于碳纤维表面。

优选的，所述细砂的粒径范围为2~5mm。

第二方面，本申请提供一种利用碳纤维加固的高延性混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：

一种利用碳纤维加固的高延性混凝土的制备方法，包括以下步骤：

将水泥、粉煤灰、细砂混合搅拌，然后加入减水剂、增稠剂和水继续搅拌，再加入氮化物改性碳纤维继续搅拌，得到高延性混凝土。

通过采用上述技术方案，氮化物改性碳纤维最后加入，减少氮化物改性碳纤维因为与细砂碰撞而造成氮化物分离的情况，保持碳纤维与水泥基的结合能力。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、由于采用增稠剂和氮化物改性碳纤维，氮化物包覆于碳纤维表面，增强碳纤维与水泥基的结合强度，当混凝土受外力时，抵抗混凝土的裂缝扩展，提高混凝土的韧性和延性，另外可能因为增稠剂增加的粘性协同促进碳纤维与水泥基的结合强度，进一步提高混凝土的延性。

2、本申请中优选采用在碳纤维表面形成共聚物的方式，使得改性氮化物更容易结合于碳纤维表面；

3、本申请中优选采用氮化硅与氮化铬复配使用，并根据不同的氮化物选取相应的硅烷偶联剂进行改性，从而提高氮化物在碳纤维表面结合的稳定性，进而进一步提高碳纤维与水泥基的结合强度。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

碳纤维选购自南京纬达复合材料有限公司的短切碳纤维；

聚羧酸减水剂选购自湖南铭煌科技发展有限公司，型号MH-JS-101。

实施例

实施例1

一种利用碳纤维加固的高延性混凝土的制备：

S1.配置质量分数15%的硝酸溶液，室温下将6kg碳纤维浸没于硝酸溶液中1h，浸泡结束后取出碳纤维，用水淋洗，然后在70℃下1h烘干，完成碳纤维的预处理。

S2.将3.5g过硫酸铵溶于1kg第一份水，得到引发剂溶液，将5kg预处理后的碳纤维、0.35kg丙烯酸、0.1kg己内酰胺和24kg第二份水在60℃下搅拌混合，逐滴加入引发剂溶液，0.5h滴加完毕，继续搅拌2h，搅拌结束后取出碳纤维，用水淋洗，然后在50℃下1.5h烘干，得到共聚物改性碳纤维。

S3.将5kg氮化硅、0.55kg γ―氨丙基三乙氧基硅烷和25kg无水乙醇在50℃下混合，并超声振动1h，超声结束后过滤得氮化硅，氮化硅用水淋洗，在50℃下1h烘干，得到改性氮化硅。

S4.将5kg共聚物改性碳纤维、2.5kg改性氮化硅和25kg无水乙醇混合，并在60℃下超声振动，超声结束后过滤得固体，固体在130℃下2h烘干，得到氮化硅改性碳纤维。

S5.将30kg水泥、8kg粉煤灰、12kg细砂混合搅拌3min，然后加入0.05kg聚羧酸减水剂、0.08kg羟丙基甲基纤维素和10kg水继续搅拌0.5min，再加入0.72kg氮化物改性碳纤维继续搅拌2min，得到高延性混凝土。

实施例2~实施例3

实施例2至实施例3与实施例1的区别在于原料的用量以及反应温度的不同，具体区别如表1所示。

表1

	实施例1	实施例2	实施例3
				S1的碳纤维(kg)	6	6	6
S2的过硫酸铵(g)	3.5	5.5	5.5
				S2的第一份水(kg)	1	1	1
S2的预处理碳纤维(kg)	5	5	5
				S2的丙烯酸(kg)	0.35	0.55	0.55
S2的己内酰胺(kg)	0.1	0.25	0.25
				S2的第二份水(kg)	24	34	34
S3的氮化硅(kg)	5	5	5
				S3的γ―氨丙基三乙氧基硅烷(kg)	0.55	0.75	0.75
S3的无水乙醇(kg)	25	35	35
				S4的共聚物改性碳纤维(kg)	5	5	5
S4的改性氮化硅(kg)	2.5	3.6	3.2
				S4的无水乙醇(kg)	25	35	30
S5的水泥(kg)	30	50	40
				S5的粉煤灰(kg)	8	16	10
S5的细砂(kg)	12	25	20
				S5的聚羧酸减水剂(kg)	0.05	0.15	0.11
S5的氮化物改性碳纤维(kg)	0.72	1.88	1.36
				S5的羟丙基甲基纤维素(kg)	0.08	0.14	0.1
S5的水(kg)	10	18	16
				S2的搅拌温度(℃)	60	60	80
S3的混合温度(℃)	50	70	70
				S4的混合温度(℃)	60	80	60
S4的烘干温度(℃)	130	130	150

实施例4

本实施例与实施例3的区别在于，S3步骤中，用等量的氮化铬替代氮化硅，得到改性氮化铬，并在S4步骤中，用等量的改性氮化铬替代改性氮化硅，得到氮化铬改性碳纤维，在S5步骤中，用等量的氮化铬改性碳纤维替代氮化硅改性碳纤维。

实施例5

本实施例与实施例3的区别在于，S3步骤中，用等量的乙烯基三乙氧基硅烷替代γ―氨丙基三乙氧基硅烷。

实施例6

本实施例与实施例4的区别在于，S3步骤中，用等量的乙烯基三乙氧基硅烷替代γ―氨丙基三乙氧基硅烷。

实施例7

本实施例与实施例3的区别在于，S3步骤和S4步骤均进行两次，其中一次的S3步骤用等量的氮化铬替代氮化硅，得到改性氮化铬，其中一次的S4步骤用等量的改性氮化铬替代改性氮化硅，得到氮化铬改性碳纤维，在S5步骤中，用氮化铬改性碳纤维和氮化硅改性碳纤维混合而成的混合物替代氮化硅包覆纤维，氮化铬改性碳纤维的加入量为1.12kg和氮化硅改性碳纤维的加入量均为0.24kg。

实施例8

本实施例与实施例7的区别在于，在用等量的氮化铬替代氮化硅的S3步骤中，用等量的乙烯基三乙氧基硅烷替代γ―氨丙基三乙氧基硅烷，得到改性氮化铬。

实施例9

本实施例与实施例8的区别在于，氮化铬改性碳纤维的加入量为1.02kg和氮化硅改性碳纤维的加入量均为0.34kg。

对比例

对比例1

本对比例与实施例3的区别在于，用等量的细砂替代氮化硅改性碳纤维和羟丙基甲基纤维素。

对比例2

本对比例与实施例3的区别在于，用等量的细砂替代氮化硅改性碳纤维。

对比例3

本对比例与实施例3的区别在于，用等量的细砂替代羟丙基甲基纤维素。

对比例4

本对比例与实施例3的区别在于，用等量的碳纤维替代氮化硅改性碳纤维。

对比例5

本对比例与实施例3的区别在于，用碳纤维和氮化硅的混合物替代氮化硅改性碳纤维，其中碳纤维0.83kg，氮化硅0.53kg。

性能检测试验

根据SL352-2006《水工混凝土试验规程》，对本申请的各个实施例和对比例进行轴向拉伸试验，混凝土养护时间为28天，测试混凝土的拉伸应变，测试结果如表2所示。

根据GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》对本申请的各个实施例和对比例进行抗折强度试验，混凝土养护时间为28天，测试结果如表2所示。

表2

	拉伸应变(%)	抗折强度(MPa)
			实施例1	3.76	12.91
实施例2	3.81	12.98
			实施例3	3.93	13.12
实施例4	3.86	12.99
			实施例5	3.45	12.77
实施例6	5.15	16.29
			实施例7	4.26	13.27
实施例8	5.88	17.58
			实施例9	5.94	17.76
对比例1	1.22	9.82
			对比例2	1.36	9.95
对比例3	2.75	11.01
			对比例4	2.23	10.63
对比例5	2.41	10.77

根据表2，对比例1为不加入羟丙基甲基纤维素和氮化硅改性碳纤维的混凝土，与对比例1相比，实施例3的拉伸应变和抗折强度均更大，原因是氮化硅包覆于碳纤维表面，增大碳纤维表面的粗糙程度，增强碳纤维与水泥基的结合强度，当混凝土受外力时，控制碳纤维在水泥基中的移动程度，从而抵抗混凝土的裂缝扩展，提高混凝土的韧性和延性，另外可能因为羟丙基甲基纤维素作为增稠剂增加了水泥基与碳纤维表面的氮化硅之间的粘性，协同促进碳纤维与水泥基的结合强度，进一步提高混凝土的延性。

与对比例2和对比例3相比，实施例3的拉伸应变和抗折强度均更大，说明单纯加入羟丙基甲基纤维素对混凝土的延性促进不大，而氮化硅改性碳纤维配合羟丙基甲基纤维素时的使用效果更好。

与对比例4和对比例5相比，实施例3的拉伸应变和抗折强度均更大，说明碳纤维能起到一定的提高混凝土延性的作用，但是将氮化硅包覆于碳纤维表面后，碳纤维与水泥基的结合能力更好，而若将碳纤维和氮化硅分开加入，对碳纤维与水泥基的结合效果无明显增加。

与实施例3相比，实施例4和实施例5的拉伸应变和抗折强度均变小，与实施例4相比，实施例6的拉伸应变和抗折强度均变大，说明当氮化物选自氮化铬时，硅烷偶联剂选自乙烯基三乙氧基硅烷的效果更好，当氮化物选自氮化硅时，硅烷偶联剂选自γ―氨丙基三乙氧基硅烷的效果更好，从而提高氮化铬与碳纤维表面共聚物结合的能力，而且氮化铬对碳纤维与水泥基结合能力的提高要优于氮化硅对碳纤维与水泥基结合能力的提高。

与实施例3相比，实施例7的拉伸应变和抗折强度均变大，与实施例7相比，实施例8和实施例9的拉伸应变和抗折强度均变大，说明氮化硅和氮化铬两者复配使用对碳纤维与水泥基的结合强度提高更多，而且氮化硅和氮化铬复配使用时需要搭配相应的硅烷偶联剂使用。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种利用碳纤维加固的高延性混凝土，其特征在于，由包含以下重量份的原料制备而成：

水泥 30~50份；

粉煤灰 8~16份；

细砂 12~25份；

减水剂 0.05~0.15份；

氮化物改性碳纤维 0.72~1.88份；

增稠剂 0.08~0.14份；

水 10~18份。

2.根据权利要求1所述的一种利用碳纤维加固的高延性混凝土，其特征在于：所述增稠剂选自羟丙基甲基纤维素。

3.根据权利要求1所述的一种利用碳纤维加固的高延性混凝土，其特征在于：所述氮化物改性碳纤维的制备方法为：将碳纤维在硝酸溶液中浸泡预处理，浸泡结束后取出碳纤维，用水淋洗，干燥，再将预处理后的碳纤维、丙烯酸、己内酰胺、引发剂和水在60~80℃下搅拌混合，搅拌结束后取出碳纤维，用水淋洗，干燥，得到共聚物改性碳纤维；将纳米氮化物、硅烷偶联剂和改性用乙醇在50~70℃下混合，混合结束后过滤得氮化物，干燥，得到改性氮化物；将共聚物改性碳纤维、改性氮化物和反应用乙醇混合，并在60~80℃下超声处理，超声处理结束后过滤得固体，固体在130~150℃下烘干，得到氮化物改性碳纤维。

4.根据权利要求3所述的一种利用碳纤维加固的高延性混凝土，其特征在于：所述预处理后的碳纤维、丙烯酸、己内酰胺、引发剂和水的重量比为100:(7~11):(2~5):(0.07~0.11):(500~700)，所述纳米氮化物、硅烷偶联剂和改性用乙醇的重量比为100:(11~15):(500~700)，所述共聚物改性碳纤维、改性氮化物和反应用乙醇的重量比为100:(50~72):(500~700)。

5.根据权利要求3所述的一种利用碳纤维加固的高延性混凝土，其特征在于：所述纳米氮化物选自氮化铬或氮化硅中的一种或多种。

6.根据权利要求3所述的一种利用碳纤维加固的高延性混凝土，其特征在于：所述纳米氮化物选自氮化铬和氮化硅复配而成，所述氮化铬和氮化硅的重量比为1:(0.21~0.33)。

7.根据权利要求3所述的一种利用碳纤维加固的高延性混凝土，其特征在于：所述硅烷偶联剂选自乙烯基三乙氧基硅烷或γ―氨丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种。

8.根据权利要求5所述的一种利用碳纤维加固的高延性混凝土，其特征在于：当所述氮化物选自氮化铬时，所述硅烷偶联剂选自乙烯基三乙氧基硅烷；当所述氮化物选自氮化硅时，所述硅烷偶联剂选自γ―氨丙基三乙氧基硅烷。

9.根据权利要求1所述的一种利用碳纤维加固的高延性混凝土，其特征在于：所述减水剂选自聚羧酸减水剂。

10. 一种利用碳纤维加固的高延性混凝土的制备方法，其特征在于：用于制备权利要求1~9任一所述的一种利用碳纤维加固的高延性混凝土， 包括以下步骤：

将水泥、粉煤灰、细砂混合搅拌，然后加入减水剂、增稠剂和水继续搅拌，再加入氮化物改性碳纤维继续搅拌，得到高延性混凝土。