CN112960956A - 一种纳米改性超高强钢纤维混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米改性超高强钢纤维混凝土及其制备方法，涉及建筑混凝土技术领域。按重量份计，本发明的混凝土包含有以下组分：硅酸盐水泥370‑420份、矿粉80‑120份、粉煤灰微珠30‑50份、硅灰30‑60份、高性能减水剂12‑20份、钢纤维40‑160份、氧化石墨烯0.05‑0.25份、纳米二氧化硅3‑20份、砂子600‑800份、石子900‑1100份和自来水110‑130份。本发明提供的纳米改性超高强钢纤维混凝土，成分中含有钢纤维、氧化石墨烯、纳米二氧化硅等物质，可改善水泥石与骨料的界面微结构，可显著提高混凝土的力学性能、抗渗性以及耐久性。

Description

一种纳米改性超高强钢纤维混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑混凝土技术领域，尤其涉及一种纳米改性超高强钢纤维混凝土及其制备方法。

背景技术

超高强混凝土的力学性能和耐久性等性能明显比普通和高强混凝土的更高，其应用于实际工程中时，具有承载力大、结构自重轻、可以减小结构的截面积、节约空间、提高材料的利用率等显著优点。然而，随着混凝土强度的提高，其脆性更加明显，尤其是超高强混凝土，其在轴压作用下应变软化性能微乎其微，呈突然性的爆裂破坏。

钢纤维是一种具有高抗拉强度、高弹性模量的金属纤维。在超高强混凝土中掺入钢纤维后，均匀乱向分布的纤维能够有效阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，明显改善高强超高强混凝土的脆性，提高基体混凝土的抗压、抗拉、抗折强度，并提高混凝土的抗弯抗冲击韧性。尽管如此，微米级钢纤维却对纳米尺度裂纹扩展和微裂缝萌生难以起到抑制的作用。对此，人们开始研究利用纳米级纤维，如氧化石墨烯，改善水泥混凝土的微观结构，期望进一步提升其性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有超高强混凝土技术存在的不足，本发明的目的是一种纳米改性超高强钢纤维混凝土及其制备方法，使之超高强混凝土具有高韧性、高强度及高耐久性等效果。

为了解决上述问题，本发明提出以下技术方案：

一种纳米改性超高强钢纤维混凝土，按重量份计，包含有以下组分：硅酸盐水泥370-420份、矿粉80-120份、粉煤灰微珠30-50份、硅灰30-60份、高性能减水剂12-20份、钢纤维40-160份、氧化石墨烯0.05-0.25份、纳米二氧化硅3-20份、砂子600-800份、石子900-1100份和自来水110-130份。

其进一步地技术方案为，所述粉煤灰微珠的比表面积大于1200m²/kg。

进一步的，粉煤灰微珠具有实心球状且连续粒径分布，具有降低超高强混凝土粘性的作用。

其进一步地技术方案为，所述高性能减水剂的减水率不低于40％。

进一步地，所述高性能减水剂为聚羧酸高性能减水剂。

其进一步地技术方案为，所述钢纤维的长径比为50-100。

其进一步地技术方案为，所述氧化石墨烯的长径比为400-1000。

需要说明的是，对于氧化石墨烯这种准二维片层结构纳米材料，长径比指的是长度相对于厚度的比值。

氧化石墨烯是采用氧化还原法制备石墨烯的中间产物，其具有与石墨烯相似的二维结构、巨大的比表面积和优异的性能，同时氧化石墨烯表面上含有大量羧基、羟基和环氧基等氧化官能团，这使得氧化石墨烯具有良好的亲水性，很容易分散于水性介质中。因此，本发明在混凝土成分中添加氧化石墨烯，可以改善水泥石的微观结构，有效抑制纳米尺度裂缝的扩展，同时还能发挥盾牌效应，阻碍侵蚀介质的渗入，从而提高混凝土的性能。

其进一步地技术方案为，所述氧化石墨烯为氧化石墨烯分散液，含氧量不低于35％。

具体地，所述氧化石墨烯，是利用超声剥离配制成的一定浓度的氧化石墨烯分散液。

其进一步地技术方案为，所述纳米二氧化硅的粒径为20nm-30nm。

具体地，所述纳米二氧化硅，采用化学沉淀法制备得到。

本发明将高活性的纳米SiO₂掺入混凝土中，水化产物Ca(OH)₂会更多地在纳米SiO₂表面形成键合，并生成C-S-H凝胶，起到了降低Ca(OH)₂含量和细化Ca(OH)₂晶体尺寸的作用，同时C-S-H凝胶以纳米SiO₂为核心形成簇状结构，纳米SiO₂起到C-S-H凝胶网络结点的作用，从而促进水泥水化，还能够填充C-S-H凝胶之间的结合空隙，改善水泥石与骨料的界面微结构，从而显著提高混凝土的力学性能、抗渗性以及耐久性。

其进一步地技术方案为，所述砂子的细度模数为2.3-3.0。

具体地，所述砂子可以是天然河砂。

其进一步地技术方案为，所述石子的粒径为5mm-20mm。

具体地，所述石子为碎石。

本发明还提供一种所述的纳米改性超高强钢纤维混凝土的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：按比例，将硅酸盐水泥、矿粉、粉煤灰微珠、硅灰、纳米二氧化硅、砂子和石子的顺序投料，在混凝土搅拌机中干拌，以混合均匀；

步骤2：向步骤1所得混合物中加入氧化石墨烯溶液、水和高性能减水剂，搅拌1-4分钟，混合均匀；

步骤3：向步骤2所得的新拌混合物中均匀撒入钢纤维，搅拌3-5分钟，混合均匀，在标准环境下养护，即得所述纳米改性超高强钢纤维混凝土材料。

与现有技术相比，本发明提供的纳米改性超高强钢纤维混凝土，成分中含有钢纤维、氧化石墨烯、纳米二氧化硅等物质，可改善水泥石与骨料的界面微结构，可显著提高混凝土的力学性能、抗渗性以及耐久性。具体地，其具有下列优异性能：

1、工作性能良好，无离析、泌水现象；

2、硬化后早期强度发展快，后期强度持续发展，28d抗压强度不低于120MPa；

3、具有高抗拉强度，不低于8.5MPa；

4、弯曲韧性高；

5、高抗氯离子渗透性能和抗碳化性能；

6、体积稳定性良好，不易产生裂缝。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的纳米改性超高强钢纤维混凝土的微观结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图中类似的组件标号代表类似的组件。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明实施例说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明实施例。如在本发明实施例说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

实施例1

本发明实施例提供的纳米改性超高强钢纤维混凝土，具体组分及重量份如下：硅酸盐水泥400份、矿粉100份、粉煤灰微珠40份、硅灰40份、聚羧酸高性能减水剂16份、钢纤维80份、氧化石墨烯0.15份、纳米二氧化硅10份、砂子700份、石子950份和自来水115份。

本发明还提供所述的纳米改性超高强钢纤维混凝土的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：按比例，将硅酸盐水泥、矿粉、粉煤灰微珠、硅灰、纳米二氧化硅、砂子和石子的顺序投料，在混凝土搅拌机中干拌，以混合均匀；

步骤2：向步骤1所得混合物中加入氧化石墨烯溶液、水和高性能减水剂，搅拌2分钟，混合均匀；

步骤3：向步骤2所得的新拌混合物中均匀撒入钢纤维，搅拌4分钟，混合均匀，在标准环境下养护，即得所述纳米改性超高强钢纤维混凝土材料。

本实施例得到纳米改性超高强钢纤维混凝土的微观结构图见图1。

将所得纳米改性超高强钢纤维混凝土材料样品在标准环境下养护7天和28天，分别测试其力学性能，结果如下表1：

表1：

项目	抗压强度(MPa)	抗折强度(MPa)	劈裂抗拉强度(MPa)
				7天力学性能	82.2	9.1	6.9
28天力学性能	132.6	14.2	10.5

实施例2

本发明实施例提供的纳米改性超高强钢纤维混凝土，具体组分及重量份如下：硅酸盐水泥380份、矿粉120份、粉煤灰微珠35份、硅灰40份、聚羧酸高性能减水剂13份、钢纤维120份、氧化石墨烯0.10份、纳米二氧化硅12份、砂子700份、石子950份和自来水110份。

实施例3

本发明实施例提供的纳米改性超高强钢纤维混凝土，具体组分及重量份如下：硅酸盐水泥415份、矿粉85份、粉煤灰微珠48份、硅灰55份、聚羧酸高性能减水剂16份、钢纤维40份、氧化石墨烯0.25份、纳米二氧化硅20份、砂子780份、石子1100份和自来水125份。

实施例4

本发明实施例提供的纳米改性超高强钢纤维混凝土，具体组分及重量份如下：硅酸盐水泥385份、矿粉100份、粉煤灰微珠35份、硅灰40份、聚羧酸高性能减水剂15份、钢纤维150份、氧化石墨烯0.15份、纳米二氧化硅12份、砂子700份、石子1000份和自来水120份。

实施例5

本发明实施例提供的纳米改性超高强钢纤维混凝土，具体组分及重量份如下：硅酸盐水泥400份、矿粉85份、粉煤灰微珠48份、硅灰55份、聚羧酸高性能减水剂16份、钢纤维60份、氧化石墨烯0.25份、纳米二氧化硅20份、砂子750份、石子1100份和自来水125份。

实施例6

本发明实施例提供的纳米改性超高强钢纤维混凝土，具体组分及重量份如下：硅酸盐水泥390份、矿粉110份、粉煤灰微珠46份、硅灰45份、聚羧酸高性能减水剂15份、钢纤维100份、氧化石墨烯0.12份、纳米二氧化硅14份、砂子780份、石子1100份和自来水125份。

上述实施例制备的纳米改性超高强钢纤维混凝土均具有下列优异性能：

1、工作性能良好，无离析、泌水现象；

2、硬化后早期强度发展快，后期强度持续发展，28d抗压强度不低于120MPa；

3、具有高抗拉强度，不低于8.5MPa；

4、弯曲韧性高；

5、高抗氯离子渗透性能和抗碳化性能；

6、体积稳定性良好，不易产生裂缝。

对比例1

对比例1与实施例1的不同之处是未添加氧化石墨烯，硅酸盐水泥用量为400.15份。

样品在标准环境下养护7天和28天的力学性能，结果如下表2：

表2：

项目	抗压强度(MPa)	抗折强度(MPa)	劈裂抗拉强度(MPa)
				7天力学性能	75.2	8.2	6.3
28天力学性能	112.3	13.3	9.7

对比例2

对比例2与实施例1的不同之处是未添加纳米二氧化硅，硅酸盐水泥用量为410份。

样品在标准环境下养护7天和28天的力学性能，结果如下表3：

表3：

项目	抗压强度(MPa)	抗折强度(MPa)	劈裂抗拉强度(MPa)
				7天力学性能	71.8	7.1	5.7
28天力学性能	107.6	12.6	9.1

对比例3

对比例3与实施例1的不同之处是未添加氧化石墨烯以及纳米二氧化硅，硅酸盐水泥用量为410.15份。

样品在标准环境下养护7天和28天的力学性能，结果如下表4：

表4：

项目	抗压强度(MPa)	抗折强度(MPa)	劈裂抗拉强度(MPa)
				7天力学性能	67.8	6.9	5.5
28天力学性能	102.3	11.7	8.0

基于上述，本发明利用氧化石墨烯和纳米二氧化硅等纳米材料进一步改善超高强钢纤维混凝土的性能，可显著提高混凝土的力学性能、抗渗性以及耐久性，可用于大型桥梁、超高层建筑等混凝土材料要求较高的工程，具有重要的现实意义。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述，为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种纳米改性超高强钢纤维混凝土，其特征在于，按重量份计，包含有以下组分：硅酸盐水泥370-420份、矿粉80-120份、粉煤灰微珠30-50份、硅灰30-60份、高性能减水剂12-20份、钢纤维40-160份、氧化石墨烯0.05-0.25份、纳米二氧化硅3-20份、砂子600-800份、石子900-1100份和自来水110-130份。

2.如权利要求1所述的纳米改性超高强钢纤维混凝土，其特征在于，所述粉煤灰微珠的比表面积大于1200m²/kg。

3.如权利要求1所述的纳米改性超高强钢纤维混凝土，其特征在于，所述高性能减水剂的减水率不低于40％。

4.如权利要求1所述的纳米改性超高强钢纤维混凝土，其特征在于，所述钢纤维的长径比为50-100。

5.如权利要求1所述的纳米改性超高强钢纤维混凝土，其特征在于，所述氧化石墨烯的长径比为400-1000。

6.如权利要求1所述的纳米改性超高强钢纤维混凝土，其特征在于，所述氧化石墨烯为氧化石墨烯分散液，含氧量不低于35％。

7.如权利要求1所述的纳米改性超高强钢纤维混凝土，其特征在于，所述纳米二氧化硅的粒径为20nm-30nm。

8.如权利要求1所述的纳米改性超高强钢纤维混凝土，其特征在于，所述砂子的细度模数为2.3-3.0。

9.如权利要求1所述的纳米改性超高强钢纤维混凝土，其特征在于，所述石子的粒径为5mm-20mm。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的纳米改性超高强钢纤维混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：按比例，将硅酸盐水泥、矿粉、粉煤灰微珠、硅灰、纳米二氧化硅、砂子和石子的顺序投料，在混凝土搅拌机中干拌，以混合均匀；

步骤2：向步骤1所得混合物中加入氧化石墨烯溶液、水和高性能减水剂，搅拌1-4分钟，混合均匀；

步骤3：向步骤2所得的新拌混合物中均匀撒入钢纤维，搅拌3-5分钟，混合均匀，在标准环境下养护，即得所述纳米改性超高强钢纤维混凝土材料。

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