CN114477920A - 一种绿色环保轻质高强混凝土 - Google Patents

一种绿色环保轻质高强混凝土 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种绿色环保轻质高强混凝土及其制备方法，其包括以下重量份的干料：700～900份细骨料，300～500份粗骨料，300～500份水泥，100～200份改性粉煤灰，20～30份改性纤维，10～20份减水剂。所述粗骨料为碳化核桃壳，所述改性纤维为改性钢纤维和改性竹纤维的混合。本发明制备的混凝土，符合轻质高强混凝土的要求，同时使用了多种工业废料为原料，具有绿色环保节约资源的特点，同时制备得到的轻质混凝土具有良好的力学性能。

Description

一种绿色环保轻质高强混凝土
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，具体涉及一种绿色环保轻质高强混凝土。
背景技术
伴随着人民生活水平的提高和科技水平的进步，绿色环保建筑材料自应用至今也已经得到了不断的发展，尤其是在建筑行业得以广泛的应用。混凝土是建筑行业中的主要材料之一，也是建筑物的主干材料。然而在建筑工程实施的时候，普通混凝土的大规模使用给环境带来了很大的压力。然而绿色混凝土材料使用有效的解决了这一问题。绿色环保混凝土材料和普通的混凝土材料相比较少了对于水泥的使用，从而有效的减少了水泥使用过程中有害物质的释放，并且绿色混凝土在使用的过程中可以实现资源的循环使用，从而达到了低消耗高质量、绿色环保的目的。
轻质高强混凝土是指用水泥、轻集料、轻砂和水，同时加入矿物掺合料和外加剂配置而成的，在20±1℃，相对湿度为90％的条件下，养护28d的干表观密度低于1950kg/m3，抗压强度不低于30MPa的混凝土。轻质高强混凝土克服了传统混凝土自重大等缺点，同时相比一般的轻质混凝土，有着较高的抗压强度，可以满足大部分建筑结构的要求。与此同时，轻质高强混凝土是多孔材料，导热系数和线膨胀系数大大低于普通混凝土，其保温隔热性能、耐火性能较普通混凝土更加优秀。
因此，使用绿色环保的方法制备轻质高强混凝土既能保护环境，又能节约资源，具有十分重要的现实意义，是目前混凝土最重要的研究方向之一。
在现阶段绿色环保混凝土的研究思路主要是在混凝土中大量掺加工业废渣，即在满足建筑工程性能要求的前提下，大量使用工业中产生的废渣来代替传统的水泥熟料，还有就是利用可以再生的骨料制备混凝土，例如用废弃混凝土、废砖砂浆等材料加工成骨料，然后用骨料和水泥砂浆制作。这些方法虽然环保，但是制备出来的混凝土很难达到轻质高强的效果，所以需要对现有技术的方法以及原料进行相应的改性，同时加入合适的外加剂从而达到目的效果。
专利CN103396064B公开了一种绿色环保轻质高强粉末混凝土，具体地，公开了其主要原料包括硅酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、矿粉、页岩陶砂、高效减水剂和水，利用粉末混凝土的堆积原理，没有使用金属纤维和石英砂等高成本原料，通过引入高强陶砂来获得轻质高强粉末混凝土。该专利并未对原料进行改性处理，仅是利用粉末混凝土的堆积原理来增加混凝土的强度，通过使用密度较小的原料来达到轻质的效果，因此得到的混凝土虽然具有轻质高强的特点，但是混凝土的和易性、稳定性并不好，影响了在实际中的应用。
专利CN110467394B公开了一种轻质高强度混凝土及其制备方法，具体的，公开了其主要是将海沙、水泥、改性粉煤灰、改性海泡石、硅烷偶联剂、聚乙烯亚胺水溶液、桃胶液、改性纤维和水混合，即得到轻质高效混凝土。其主要是通过化学改性的方法，将粉煤灰、海泡石进行轻质化处理，同时配合其他外加剂，增强其抗压强度，有着不错的效果。但是其所使用的原料大部分并不是可再生的资源，其环保性还有待进一步的提升。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种生产原料和工艺绿色环保且轻质高强的混凝土。
为了解决上述的技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
一种绿色环保轻质混凝土的制备方法，包括以下步骤：先将细骨料、粗骨料、水泥、改性粉煤灰干拌；然后加水，搅拌；之后再加改性纤维，搅拌；再加入水和减水剂，搅拌，得到混凝土砂浆；将砂浆倒入模具中，成型后脱模，养护后即得到绿色环保轻质混凝土。
优选的，所述绿色环保轻质混凝土包括以下重量份的原料：700～900份细骨料，300～500份粗骨料，300～500份水泥，100～200份改性粉煤灰，20～30份改性纤维，10～20份减水剂和150～250份水。
进一步优选的，包括以下步骤：先将700～900份细骨料、300～500份粗骨料、300～500份水泥、100～200份改性粉煤灰加入搅拌机以30～60rpm搅拌2～3min；然后再加90～150份水，以30～60rpm搅拌2～3min；之后再加20～30份改性纤维，以30～60rpm搅拌4～6min；再加入60～100份水和10～20份减水剂，以60～100rpm搅拌2～3min，最后再以30～60rpm搅拌，得到混凝土砂浆；将砂浆倒入模具中，成型后脱模，再在温度为20～30℃、相对湿度80～90％条件下养护14～28d即得到绿色环保轻质混凝土。
优选的，所述细骨料为河砂、湖砂、山砂、淡化海砂中的一种。
优选的，所述粗骨料为碳化果壳。
进一步优选的，所述粗骨料为碳化核桃壳。
所述碳化核桃壳的制备方法，包括以下步骤：
S1将核桃壳水洗，去除残浆，干燥得到处理后的核桃壳备用；
S2处理后的核桃壳压碎至粒径为5～15mm的碎核桃壳；
S3将碎核桃壳放入碳化炉中，以5～10℃/min的升温速度升温至200～250℃保温0.5～1h，再以10～20℃/min的升温速度升温至350～550℃保温5～8h，冷却至20～30℃得到碳化核桃壳。
核桃壳是一种农业固体废弃物，其主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，发明人发现碳化可以引起核桃壳中有机物(纤维素、半纤维素和木质素)的热分解和裂解。同时，还能显著降低核桃壳的胀缩，提高核桃壳的尺寸稳定性、抗生性和表面质量。碳化前核桃壳内表面比较光滑，其与所含的有机物共同减弱了骨料与砂浆之间的黏附，导致混凝土强度的降低，碳化后，核桃内表面也变得粗糙，有机质含量降低，混凝土强度得到提升；最后，碳化可以最大程度固定碳，对环境的污染小，也可以使混凝土的轻质化进一步提升。
优选的，所述水泥为硅酸盐水泥、硫酸盐水泥或铝酸盐水泥中的任一种。
优选的，所述改性粉煤灰的制备方法为：将煤粉灰浸没在0.5～2mol/L硫酸水溶液中，在20～30℃下搅拌反应9～12h，反应结束后过滤，收集滤渣，将滤渣用水冲洗2～3次，最后，将冲洗后的滤渣在100～120℃条件下干燥12～16h，得到改性粉煤灰。
粉煤灰是燃煤电厂以及煤矸石、煤泥综合利用电厂排出的主要固体废物，主要成分使二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁等氧化物。其在混凝土中起作用的主要成分是活性的二氧化硅，本发明将粉煤灰酸化处理，得到改性粉煤灰，可以除掉其中对混凝土强度不利的金属氧化物，同时处理得到的改性粉煤灰的不仅比表面积进一步增大，还会形成微孔。因此，改性粉煤灰可以更好的在混凝土中发挥作用，同时提升混凝土的轻质效果。
优选的，所述改性纤维是改性钢纤维和/或改性竹纤维。
进一步优选的，所述改性钢纤维的制备方法包括以下步骤：
M1将钢纤维完全浸泡于200～500mL含1～2wt％EDTA的0.05～0.1mol/L氯化钙水溶液中，用0.5～1mol/L盐酸或0.5～1mol/L氢氧化钠水溶液调节溶液pH＝10～11；
M2向所述步骤M1所得溶液中以0.25～0.5mL/min的速率加入200～500mL 0.05～0.1mol/L碳酸钠水溶液，用0.5～1mol/L盐酸或0.5～1mol/L氢氧化钠水溶液调节溶液pH＝10～11；
M3将所述步骤M2所得溶液在20～30℃下反应24～72h，反应结束后取出钢纤维，用水洗涤2～3次，干燥得到碳酸钙改性钢纤维；
M4将聚乙二醇与多聚磷酸按摩尔比1：(1～1.5)混合，在60～90℃下反应2～4h，得到混合液；再将混合液与水按质量比(90～95)：(5～10)混合，在60～90℃下反应0.5～1h，得到聚乙二醇磷酸酯；
M5将碳酸钙改性钢纤维浸泡在聚乙二醇磷酸酯中，用量比为1g：(10～15)mL，在130～150℃下反应10～20min，冷却至20～30℃，取出钢纤维，用水洗涤2～3次，干燥得到改性钢纤维。
所述改性竹纤维的制备方法，包括以下步骤：
N1将竹纤维浸泡于200～500mL 2～10wt％的氢氧化钠水溶液中，20～30℃反应12～24h，反应结束后将竹纤维取出干燥得到预处理的竹纤维备用；
N2将预处理的竹纤维浸泡在950～1000mL 10～20wt％硅酸四乙酯水溶液中，再加入20～30mL 25～28wt％的氨水，在25～30℃下反应4～5h，反应结束后取出竹纤维，用水洗涤2～3次，干燥得到改性竹纤维。
最优选的，所述改性纤维是质量比为1：(1～3)的改性钢纤维和改性竹纤维的混合。
添加纤维的混凝土可以克服传统混凝土抗拉强度低、极限延伸率下等缺点，由于纤维的抗拉强度大、延伸率高，使混凝土抗拉、抗弯、抗冲击强度得以提高，同时可以有效避免由于混凝土碳化收缩导致的开裂，具有很重要的显示意义。本发明选用常用的钢纤维和可再生的竹纤维作为原料，提高所制备混凝土的性能。为了进一步改善纤维的增强效果，对所使用的钢纤维和竹纤维都进行了改性，通过对纤维表面进行修饰改善纤维与混凝土的粘结性能或者是改变纤维的形状以增加纤维与基体之间的摩阻和咬合力。
相比一般木材，竹纤维有着较高的强度和韧性，掺加进混凝土也有增强作用，很类似于低强度的钢纤维，而且竹纤维是一种绿色廉价的可再生资源，但其的缺点也很明显，例如竹纤维存在着大量的空隙、润湿性低、抗湿性差、纤维和混凝土粘结性不强等，而且在混凝土的碱性条件下会发生劣化降解，导致其过早的失效。
因此在本发明中将竹纤维浸泡在一定浓度碱性溶液处理一定时间，碱性处理可以促进部分无定形成分的去除，如半纤维素、木质素和纤维素可溶于碱性溶液，降低了纤维的聚集程度，使表面更加粗糙，增加了基质与纤维之间的界面，保证了基质与竹纤维之间良好的附着力；然后，对碱处理后的竹纤维进行硅烷化改性，由于其更大的比表面积和粗糙的表面，与混凝土基质结合的更加紧密，增强其对混凝土的改善效果。
对于钢纤维的处理，发明人提出了一个有效的改性办法，即在其表面制备一层碳酸钙，其作用在两个方面，一方面是在钢纤维表面制备一层碳酸钙，不仅可以让其表面变得更加粗糙，而且碳酸钙虽然不像活性二氧化硅直接参加水化过程，但是其与混凝土的粘结性能显著高于钢纤维与混凝土基质粘结性能，在另一方面，当混凝土收到外力作用到一定程度，混凝土内部的钢纤维发生滑动位移时，其表面的碳酸钙涂层会发生脱落，碳酸钙会在内部发生破裂，当钢纤维与基体之间的界面区域被堆积和重排时，这些碳酸钙颗粒会对这些间隙进行填充，界面之间的摩擦应力再次增大，从而提高了钢纤维的拉拔强度。改性钢纤维表面的碳酸钙涂层从以上两个方面增强其对混凝土的改善作用。
发明人在制备过程中，最先选用氯化钙和碳酸钠作为处理剂，碳酸钙在pH＝10的溶液中最容易形成，发明人通过大量的实验确定处理剂的浓度、反应条件和时间，但是效果都不够明显，分析可能的原因是不管怎么调整浓度和添加顺序，当反应时间变长时，在钢纤维表面的新生成粒径较小的碳酸钙颗粒由于奥斯瓦尔德熟化，即这些较小的晶体因为曲率较大，能量较高，会逐渐溶解到周围的介质中，然后再较大的晶体微粒表面重新析出，因此在反应时间较长时，钢纤维表面的碳酸钙颗粒都较大，而当碳酸钙颗粒较大时，对钢纤维与基体之间的间隙进行填充时，并不能将间隙完全填充，故对界面之间的摩擦应力增大的不够，从而表现出的效果不好；而当处理时间较短时，又不能得到足够量的碳酸钙颗粒发挥作用。
对此发明人通过在反应体系中添加一定浓度的EDTA，利用EDTA对钙离子的螯合作用，在反应初期降低溶液中有效的钙离子的浓度，从而降低了碳酸钙实际的成核热力学驱动力，引导碳酸钙形成更小的晶体。因此，较小粒径的碳酸钙颗粒可以很好的填充在钢纤维与混凝土基体之间的间隙中，从而显著增大了界面之间的摩擦应力。
发明人想到，由于本发明所需要制备的是轻量混凝土，因此在原料处理上，大部分都做了轻量化处理，虽然可以在保持强度的情况下减少混凝土密度，但是混凝土中存在较多孔隙，这会导致混凝土的抗离子渗透能力显著降低，特别是在混凝土中掺入的钢纤维，会受到离子渗透的影响，导致混凝土强度下降，其中对钢纤维影响最大的是氯离子。在混凝土这种强碱性的环境中，钢纤维是较为稳定的，不易发生锈蚀，但是当大量的氯离子渗透，会腐蚀钢纤维表面的钝化膜，在钢纤维表面形成腐蚀电池，再加上氯离子的去极化作用和到点作用，加快了钢纤维的腐蚀，不仅导致其强度下降，还会导致与混凝土的粘结力降低。
发明人为了解决这一问题，在碳酸钙改性钢纤维的基础上进行了进一步的改进，使用聚乙二醇磷酸酯对钢纤维表面的碳酸钙进行磷酸酯化改性，这样进一步改善了涂层的致密性，而且在表面的聚乙二醇的空间位阻作用，会减缓氯离子的渗透作用，使钢纤维表面的氯离子浓度降低，从而降低钢纤维被腐蚀的风险；与此同时，即使混凝土在受到强外力作用，钢纤维涂层出现破损，在混凝土中聚乙二醇据磷酸酯还可以释放磷酸根离子，其使一种有效的腐蚀抑制剂，磷酸盐与铁能发生复杂的磷酸化反应，生成难溶的磷酸膜沉积在钢纤维表面，防止钢纤维的锈蚀，还能减少混凝土与钢筋混用时，氯离子对钢筋的锈蚀，有着良好的技术效果。
优选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
本发明的有益效果：
1、与现有技术相比，本发明在原料的选择上大量使用了环保材料，如核桃壳，粉煤灰，竹纤维等原料，通过改性有效利用了这些原料，具有绿色环保的特点。
2、与现有技术相比，本发明在原料的改性方面，一方面考虑提升其性能，一方面对原料进行轻质化处理，制备出的混凝土达到了轻质高强的标准。
3、与现有技术相比，本发明提供了一种在钢纤维表面制备一层较小粒径碳酸钙的方法，且将这种改性钢纤维应用在混凝土中，既能改善钢纤维与混凝土基质界面的粘结性能，又能在钢纤维与基体之间的界面区域被堆积和重排时，对这些间隙进行填充，从以上两个方面增强钢纤维对混凝土性能的改善作用。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
本发明实施例中部分物质和仪器的具体参数如下：
硅酸盐水泥，P.O 42.5R，烧失量未4.24％，购自于安徽海螺水泥股份有限公司。
河砂，含泥量≤0.1％，购自于贵州宝利合建材有限公司。
粉煤灰，一级灰，购自于济宁恒志新型建材有限公司。
钢纤维，剪切型，长35mm，宽1.5mm，厚度0.7mm，拉伸400MPa，购自于河北衡水丰源土工材料有限公司。
竹纤维，平均长度75mm，平均细度0.1mm，回潮率10％，购自于福建建州竹业科技开发有限公司。
多聚磷酸，CAS号8017-16-1，含量≥85％，购自于上海麦克林生化科技有限公司。
聚乙二醇，平均分子量2000，购自于上海麦克林生化科技有限公司。
聚羧酸减水剂，工业级，氯离子含量＜0.03％，购自于山东新大地实业集团有限公司。
实施例1
一种绿色环保轻质高强混凝土，其制备方法包括以下步骤：先将800份河沙、400份碳化核桃壳、450份硅酸盐水泥、100份改性粉煤灰加入搅拌机以60rpm搅拌2min；然后再加108份水，以60rpm搅拌2min；之后再加20份改性纤维，以60rpm搅拌4min；再加入72份水和10份聚羧酸减水剂，以100rpm搅拌2min，最后再以60rpm搅拌，得到混凝土砂浆；将砂浆倒入涂过油的150mm×150mm×150mm的塑料模具中，通过震荡压实，用塑料薄膜覆盖在模具上开口，防止水分的蒸发流失，在温度为20℃、相对湿度90％条件下，24h后，将混凝土模块从模具中取出，并在相同温度和湿度的条件下养护28d后，得到绿色环保轻质高强混凝土。
所述碳化核桃壳的制备方法包括以下步骤：
S1将核桃壳水洗，去除残浆，干燥得到处理后的核桃壳备用；
S2处理后的核桃壳压碎至粒径为10±3mm的碎核桃壳；
S3将碎核桃壳放入碳化炉中，以10℃/min的升温速度升温至200℃保温1h，再20℃/min的升温速度升温至550℃保温5h，冷却至25℃得到碳化核桃壳；
所述改性粉煤灰的制备方法为：将煤粉灰浸没在1.5mol/L硫酸水溶液中，在25℃下搅拌反应12h，反应结束后过滤，收集滤渣，将滤渣用水冲洗3次，最后，将冲洗后的滤渣在120℃条件下干燥12h，得到改性粉煤灰；
所述改性纤维是质量比为1：3的改性钢纤维和改性竹纤维的混合；
所述改性钢纤维的制备方法包括以下步骤：
M1将钢纤维完全浸泡于200mL含1wt％EDTA的0.05mol/L氯化钙水溶液中，用0.5mol/L氢氧化钠水溶液调节溶液pH＝10；
M2向所述步骤M1所得溶液中以0.25mL/min的速率加入200mL0.05mol/L碳酸钠水溶液，用0.5mol/L氢氧化钠水溶液调节溶液pH＝10；
M3将所述步骤M2所得溶液置于25℃反应72h，反应结束后取出钢纤维，用水洗涤3次，干燥得到碳酸钙改性钢纤维；
M4将聚乙二醇与多聚磷酸按摩尔比1：1.3混合，在80℃下反应3h，得到混合液；再将混合液与水按质量比95：5混合，在80℃下反应1h，得到聚乙二醇磷酸酯；
M5将碳酸钙改性钢纤维浸泡在聚乙二醇磷酸酯中，用量比为1g：15mL，在140℃下反应20min，冷却至25℃，取出钢纤维，用水洗涤3次，干燥得到改性钢纤维；
所述改性竹纤维的制备方法包括以下步骤：
N1将竹纤维浸泡于200mL 6wt％的氢氧化钠水溶液中，25℃反应12h，反应结束后将竹纤维取出干燥得到预处理的竹纤维备用；
N2将预处理的竹纤维浸泡在1000mL 15wt％硅酸四乙酯水溶液中，再加入20mL28wt％的氨水，在25℃下反应4h，反应结束后取出竹纤维，用水洗涤3次，干燥得到改性竹纤维。
实施例2
一种绿色环保轻质高强混凝土，其制备方法包括以下步骤：先将800份河沙、400份碳化核桃壳、450份硅酸盐水泥、100份改性粉煤灰加入搅拌机以60rpm搅拌2min；然后再加108份水，以60rpm搅拌2min；之后再加20份改性钢纤维，以60rpm搅拌4min；再加入72份水和10份聚羧酸减水剂，以100rpm搅拌2min，最后再以60rpm搅拌，得到混凝土砂浆；将砂浆倒入涂过油的150mm×150mm×150mm的塑料模具中，通过震荡压实，用塑料薄膜覆盖在模具上开口，防止水分的蒸发流失，在温度为20℃、相对湿度90％条件下，24h后，将混凝土模块从模具中取出，并在相同温度和湿度的条件下养护28d后，得到绿色环保轻质高强混凝土。
所述碳化核桃壳的制备方法包括以下步骤：
S1将核桃壳水洗，去除残浆，干燥得到处理后的核桃壳备用；
S2处理后的核桃壳压碎至粒径为10±3mm的碎核桃壳；
S3将碎核桃壳放入碳化炉中，以10℃/min的升温速度升温至200℃保温1h，再20℃/min的升温速度升温至550℃保温5h，冷却至25℃得到碳化核桃壳；
所述改性粉煤灰的制备方法为：将煤粉灰浸没在1.5mol/L硫酸水溶液中，在25℃下搅拌反应12h，反应结束后过滤，收集滤渣，将滤渣用水冲洗3次，最后，将冲洗后的滤渣在120℃条件下干燥12h，得到改性粉煤灰；
所述改性钢纤维的制备方法包括以下步骤：
M1将钢纤维完全浸泡于200mL含1wt％EDTA的0.05mol/L氯化钙水溶液中，用0.5mol/L氢氧化钠水溶液调节溶液pH＝10；
M2向所述步骤M1所得溶液中以0.25mL/min的速率加入200mL0.05mol/L碳酸钠水溶液，用0.5mol/L氢氧化钠水溶液调节溶液pH＝10；
M3将所述步骤M2所得溶液置于25℃反应72h，反应结束后取出钢纤维，用水洗涤3次，干燥得到碳酸钙改性钢纤维；
M4将聚乙二醇与多聚磷酸按摩尔比1：1.3混合，在80℃下反应3h，得到混合液；再将混合液与水按质量比95：5混合，在80℃下反应1h，得到聚乙二醇磷酸酯；
M5将碳酸钙改性钢纤维浸泡在聚乙二醇磷酸酯中，用量比为1g：15mL，在140℃下反应20min，冷却至25℃，取出钢纤维，用水洗涤3次，干燥得到改性钢纤维。
实施例3
一种绿色环保轻质高强混凝土，其制备方法包括以下步骤：先将800份河沙、400份碳化核桃壳、450份硅酸盐水泥、100份改性粉煤灰加入搅拌机以60rpm搅拌2min；然后再加108份水，以60rpm搅拌2min；之后再加20份改性竹纤维，以60rpm搅拌4min；再加入72份水和10份聚羧酸减水剂，以100rpm搅拌2min，最后再以60rpm搅拌，得到混凝土砂浆；将砂浆倒入涂过油的150mm×150mm×150mm的塑料模具中，通过震荡压实，用塑料薄膜覆盖在模具上开口，防止水分的蒸发流失，在温度为20℃、相对湿度90％条件下，24h后，将混凝土模块从模具中取出，并在相同温度和湿度的条件下养护28d后，得到绿色环保轻质高强混凝土；
所述碳化核桃壳的制备方法包括以下步骤：
S1将核桃壳水洗，去除残浆，干燥得到处理后的核桃壳备用；
S2处理后的核桃壳压碎至粒径为10±3mm的碎核桃壳；
S3将碎核桃壳放入碳化炉中，以10℃/min的升温速度升温至200℃保温1h，再20℃/min的升温速度升温至550℃保温5h，冷却至25℃得到碳化核桃壳；
所述改性粉煤灰的制备方法为：将煤粉灰浸没在1.5mol/L硫酸水溶液中，在25℃下搅拌反应12h，反应结束后过滤，收集滤渣，将滤渣用水冲洗3次，最后，将冲洗后的滤渣在120℃条件下干燥12h，得到改性粉煤灰；
所述改性竹纤维的制备方法包括以下步骤：
N1将竹纤维浸泡于200mL 6wt％的氢氧化钠水溶液中，25℃反应12h，反应结束后将竹纤维取出干燥得到预处理的竹纤维备用；
N2将预处理的竹纤维浸泡在1000mL 15wt％硅酸四乙酯水溶液中，再加入20mL28wt％的氨水，在25℃下反应4h，反应结束后取出竹纤维，用水洗涤3次，干燥得到改性竹纤维。
实施例4
一种绿色环保轻质高强混凝土，其制备方法包括以下步骤：先将800份河沙、400份碳化核桃壳、450份硅酸盐水泥、100份改性粉煤灰加入搅拌机以60rpm搅拌2min；然后再加108份水，以60rpm搅拌2min；之后再加20份碳酸钙改性钢纤维，以60rpm搅拌4min；再加入72份水和10份聚羧酸减水剂，以100rpm搅拌2min，最后再以60rpm搅拌，得到混凝土砂浆；将砂浆倒入涂过油的150mm×150mm×150mm的塑料模具中，通过震荡压实，用塑料薄膜覆盖在模具上开口，防止水分的蒸发流失，在温度为20℃、相对湿度90％条件下，24h后，将混凝土模块从模具中取出，并在相同温度和湿度的条件下养护28d后，得到绿色环保轻质高强混凝土；
所述碳化核桃壳的制备方法包括以下步骤：
S1将核桃壳水洗，去除残浆，干燥得到处理后的核桃壳备用；
S2处理后的核桃壳压碎至粒径为10±3mm的碎核桃壳；
S3将碎核桃壳放入碳化炉中，以10℃/min的升温速度升温至200℃保温1h，再20℃/min的升温速度升温至550℃保温5h，冷却至25℃得到碳化核桃壳；
所述改性粉煤灰的制备方法为：将煤粉灰浸没在1.5mol/L硫酸水溶液中，在25℃下搅拌反应12h，反应结束后过滤，收集滤渣，将滤渣用水冲洗3次，最后，将冲洗后的滤渣在120℃条件下干燥12h，得到改性粉煤灰；
所述碳酸钙改性钢纤维的制备方法包括以下步骤：
M1将钢纤维完全浸泡于200mL含1wt％EDTA的0.05mol/L氯化钙水溶液中，用0.5mol/L氢氧化钠水溶液调节溶液pH＝10；
M2向所述步骤M1所得溶液中以0.25mL/min的速率加入200mL0.05mol/L碳酸钠水溶液，用0.5mol/L氢氧化钠水溶液调节溶液pH＝10；
M3将所述步骤M2所得溶液置于25℃反应72h，反应结束后取出钢纤维，用水洗涤3次，干燥得到碳酸钙改性钢纤维。
实施例5
一种绿色环保轻质高强混凝土，其制备方法包括以下步骤：先将800份河沙、400份碳化核桃壳、450份硅酸盐水泥、100份粉煤灰加入搅拌机以60rpm搅拌2min；然后再加108份水，以60rpm搅拌2min；之后再加20份改性纤维，以60rpm搅拌4min；再加入72份水和10份聚羧酸减水剂，以100rpm搅拌2min，最后再以60rpm搅拌，得到混凝土砂浆；将砂浆倒入涂过油的150mm×150mm×150mm的塑料模具中，通过震荡压实，用塑料薄膜覆盖在模具上开口，防止水分的蒸发流失，在温度为20℃、相对湿度90％条件下，24h后，将混凝土模块从模具中取出，并在相同温度和湿度的条件下养护28d后，得到绿色环保轻质高强混凝土；
所述碳化核桃壳的制备方法包括以下步骤：
S1将核桃壳水洗，去除残浆，干燥得到处理后的核桃壳备用；
S2处理后的核桃壳压碎至粒径为10±3mm的碎核桃壳；
S3将碎核桃壳放入碳化炉中，以10℃/min的升温速度升温至200℃保温1h，再20℃/min的升温速度升温至550℃保温5h，冷却至25℃得到碳化核桃壳；
所述改性纤维是质量比为1：3的改性钢纤维和改性竹纤维的混合；
所述改性钢纤维的制备方法包括以下步骤：
M1将钢纤维完全浸泡于200mL含1wt％EDTA的0.05mol/L氯化钙水溶液中，用0.5mol/L氢氧化钠水溶液调节溶液pH＝10；
M2向所述步骤M1所得溶液中以0.25mL/min的速率加入200mL0.05mol/L碳酸钠水溶液，用0.5mol/L氢氧化钠水溶液调节溶液pH＝10；
M3将所述步骤M2所得溶液置于25℃反应72h，反应结束后取出钢纤维，用水洗涤3次，干燥得到碳酸钙改性钢纤维；
M4将聚乙二醇与多聚磷酸按摩尔比1：1.3混合，在80℃下反应3h，得到混合液；再将混合液与水按质量比95：5混合，在80℃下反应1h，得到聚乙二醇磷酸酯；
M5将碳酸钙改性钢纤维浸泡在聚乙二醇磷酸酯中，用量比为1g：15mL，在140℃下反应20min，冷却至25℃，取出钢纤维，用水洗涤3次，干燥得到改性钢纤维；
所述改性竹纤维的制备方法包括以下步骤：
N1将竹纤维浸泡于200mL 6wt％的氢氧化钠水溶液中，25℃反应12h，反应结束后将竹纤维取出干燥得到预处理的竹纤维备用；
N2将预处理的竹纤维浸泡在1000mL 15wt％硅酸四乙酯水溶液中，再加入20mL28wt％的氨水，在25℃下反应4h，反应结束后取出竹纤维，用水洗涤3次，干燥得到改性竹纤维。
实施例6
一种绿色环保轻质高强混凝土，其制备方法包括以下步骤：先将800份河沙、400份核桃壳、450份硅酸盐水泥、100份改性粉煤灰加入搅拌机以60rpm搅拌2min；然后再加108份水，以60rpm搅拌2min；之后再加20份改性纤维，以60rpm搅拌4min；再加入72份水和10份聚羧酸减水剂，以100rpm搅拌2min，最后再以60rpm搅拌，得到混凝土砂浆；将砂浆倒入涂过油的150mm×150mm×150mm的塑料模具中，通过震荡压实，用塑料薄膜覆盖在模具上开口，防止水分的蒸发流失，在温度为20℃、相对湿度90％条件下，24h后，将混凝土模块从模具中取出，并在相同温度和湿度的条件下养护28d后，得到绿色环保轻质高强混凝土；
所述改性粉煤灰的制备方法为：将煤粉灰浸没在1.5mol/L硫酸水溶液中，在25℃下搅拌反应12h，反应结束后过滤，收集滤渣，将滤渣用水冲洗3次，最后，将冲洗后的滤渣在120℃条件下干燥12h，得到改性粉煤灰；
所述改性纤维是质量比为1：3的改性钢纤维和改性竹纤维的混合；
所述改性钢纤维的制备方法包括以下步骤：
M1将钢纤维完全浸泡于200mL含1wt％EDTA的0.05mol/L氯化钙水溶液中，用0.5mol/L氢氧化钠水溶液调节溶液pH＝10；
M2向所述步骤M1所得溶液中以0.25mL/min的速率加入200mL0.05mol/L碳酸钠水溶液，用0.5mol/L氢氧化钠水溶液调节溶液pH＝10；
M3将所述步骤M2所得溶液置于25℃反应72h，反应结束后取出钢纤维，用水洗涤3次，干燥得到碳酸钙改性钢纤维；
M4将聚乙二醇与多聚磷酸按摩尔比1：1.3混合，在80℃下反应3h，得到混合液；再将混合液与水按质量比95：5混合，在80℃下反应1h，得到聚乙二醇磷酸酯；
M5将碳酸钙改性钢纤维浸泡在聚乙二醇磷酸酯中，用量比为1g：15mL，在140℃下反应20min，冷却至25℃，取出钢纤维，用水洗涤3次，干燥得到改性钢纤维；
所述改性竹纤维的制备方法包括以下步骤：
N1将竹纤维浸泡于200mL 6wt％的氢氧化钠水溶液中，25℃反应12h，反应结束后将竹纤维取出干燥得到预处理的竹纤维备用；
N2将预处理的竹纤维浸泡在1000mL 15wt％硅酸四乙酯水溶液中，再加入20mL28wt％的氨水，在25℃下反应4h，反应结束后取出竹纤维，用水洗涤3次，干燥得到改性竹纤维。
测试例1
混凝土密度测试：分别称量以上各实施例的混凝土模块的质量并计算密度，每个实施例样品做3个平行，结果取平均值。测试结果如表1所示。
表1混凝土密度
密度(kg/m<sup>3</sup>)
实施例1 1727
实施例2 1743
实施例3 1701
实施例4 1747
实施例5 1821
实施例6 1735
通过结果可知，上述所有实施例的密度都低于1950kg/m3，符合轻质混凝土的条件。其中本发明对原料的改性中，除了将作为粗骨料的核桃壳碳化对混凝土密度有显著的降低之外，对粉煤灰的改性、纤维的改性对混凝土的密度影响并不大，只是较小幅度的下降。钢纤维相比竹纤维，会显著提高混凝土的密度，但是由于掺量不大，因此实际的影响也不大。综合来看，本发明选用的原料及其制备方法得到的混凝土均能达到轻质混凝土的要求。
测试例2
混凝土力学性能测试：分别按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》对各实施例制备的混凝土模块进行力学性能的测试：
按照上述标准第6节测试并计算混凝土的抗压强度；
按照上述标准第9节测试并计算混凝土的劈裂抗拉强度；
所得的结果如表2所示。
表2混凝土力学性能
Figure BDA0003547228390000181
通过分析表2的结果可知，实施例的各项力学性能都表现得最好，抗压强度和劈裂抗拉强度分别是56.4MPa和5.45MPa。
通过对比实施例1～3可以发现，添加的一定比例改性钢纤维和改性竹纤维的混凝土，比只单独加一种改性纤维的混凝土在抗压强度和劈裂抗拉强度都有提升，尤其是劈裂抗拉强度，这可能的原因是，两种纤维同时添加产生的协同增效的作用，因为两者改性的方式不同，改善混凝土的抗拉性能的机制也不同，两者同时添加时，改性竹纤维表面的活性二氧化硅涂层可以直接与水泥水化过程中产生的氢氧化钙发生反应，使竹纤维和混凝土基质之间具有良好的粘结性能，因此在混凝土搅拌的制备过程中，改性竹纤维可能与改性钢纤维由于表面都具有一定的疏水性，从而发生缠绕交联的作用，所以改性钢纤维和竹纤维在混凝土基质中，是处于一个交联状态，竹纤维缠绕在钢纤维表面一方面可以提高钢纤维与混凝土界面之间的粘结力，另一方面还受到竹纤维的物理缠绕作用，使得混凝土在外力的作用下，内部的改性钢纤维更不易发生滑动，从而产生较单一添加改性钢纤维或改性竹纤维更好的抗拉性能。因此，同时添加一定比例的改性竹纤维与改性钢纤维对提升混凝土强度有着显著的协同作用。
值得注意的时实施例2和实施例4之间的差别，实施例2使用的时改性钢纤维，而实施例4使用的时碳酸钙改性钢纤维，可以看出实施例4的抗压强度以及劈裂抗拉强度都显著高于实施例2，这其中的原因可能是，碳酸钙改性钢纤维与混凝土界面之间的粘结性比改性钢纤维更好，因为改性钢纤维表面的聚乙二醇会导致钢纤维的疏水性增加，同时由于空间位阻的关系，导致与混凝土界面之间的粘结性降低，从而导致混凝土强度下降。而实施例1通过将改性钢纤维与改性竹纤维按一定比例混合进行添加，通过协同作用改善了这一缺点。
实施例5与实施例1的唯一区别是没有对核桃壳进行碳化处理，可以看出抗压性能和劈裂抗拉性能都显著下降，导致的原因可能是，核桃壳作用混凝土的骨料，起着支撑稳定混凝土的作用，但是如果核桃壳不经过处理直接添加，由于核桃壳中含有大量亲水的基团和生物质，其与水泥的相容性很差，且核桃壳内表面过于光滑，会导致两者界面之间存在的量的缝隙且界面粘结力不强，在外力的作用下很容易发生滑动和开裂，且核桃壳含有的生物质会被混凝土的碱性条件或微生物发生降解，导致其支撑性能显著下降，因此将核桃壳碳化处理，不仅可以解决上述问题，去掉了影响混凝土性能的成分，还能使混凝土进一步轻量化。
实施例6与实施例1的区别在于使用的未经改性的粉煤灰，其抗压性能和劈裂抗拉性能相比实施例有着一定程度的下降，下降的程度不大，其原因可能是，改性后的粉煤灰主要是将其中部分不参加水化过程和对混凝土有害的杂质去除，同时让粉煤灰具有更大的比表面积，在混凝土的制备中反应的更加充分完全，从而达到水泥轻质化节约资源的目的，由于使用的粉煤灰中的杂质含量并不高，所以与实施例相比，抗压强度和抗拉强度下降的幅度不大，但改性后的粉煤灰相比未改性的粉煤灰具有更好的效果。
测试例3
抗氯离子腐蚀能力测试：分别将实施例1～4的混凝土模块经过30次腐蚀循环后，将混凝土在温度20℃，6％氯化钠水溶液中浸泡12h，干燥12h为一次腐蚀循环，按照测试例2中测试劈裂抗拉强度的方法，测试其劈裂抗拉强度，并比较腐蚀前和腐蚀后的变化差值；
所得结果如表3所示。
表3抗氯离子腐蚀能力测试
Figure BDA0003547228390000201
通过分析表3结果可知，说明氯离子对混凝土劈裂抗拉强度的影响，主要是作用于钢纤维，对实施例3中只使用改性竹纤维的混凝土影响不大，而对于实施例4中只是用碳酸钙改性钢纤维的混凝土影响最大，腐蚀后劈裂抗拉强度下降了0.31MPa；实施例1和实施例2中使用的钢纤维均是改性钢纤维，腐蚀后劈裂抗拉强度下降较低，说明通过对钢纤维的改性，显著提高了混凝土的抗氯离子腐蚀能力，且实施例1比实施例2下降程度更小，说明改性竹纤维与改性钢纤维之间的交联，也可以通过空间位阻的作用防止氯离子对钢纤维的腐蚀作用。由此可以得出，通过对钢纤维的改性以及与改性竹纤维的复合添加，可以显著提高混凝土的抗氯离子腐蚀能力，从而扩大本发明的应用范围。
综上所述，本发明提供了一种绿色环保轻质高强混凝土及其制备方法，选用的大量其他产业的废料，节约了资源，保护了环境，与此同时在本发明的过程中，提供了多种对原料的改性方法，可以对其他类型混凝土的制备提供一定的启发。

Claims (10)

1.一种绿色环保轻质混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：先将细骨料、粗骨料、水泥、改性粉煤灰干拌；然后加水，搅拌；之后再加改性纤维，搅拌；再加入水和减水剂，搅拌，得到混凝土砂浆；将砂浆倒入模具中，成型后脱模，养护后即得到绿色环保轻质混凝土。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：先将700～900份细骨料、300～500份粗骨料、300～500份水泥、100～200份改性粉煤灰加入搅拌机以30～60rpm搅拌2～3min；然后再加90～150份水，以30～60rpm搅拌2～3min；之后再加20～30份改性纤维，以30～60rpm搅拌4～6min；再加入60～100份水和10～20份减水剂，以60～100rpm搅拌2～3min，最后再以30～60rpm搅拌，得到混凝土砂浆；将砂浆倒入模具中，成型后脱模，再在温度为20～30℃、相对湿度80～90％条件下养护14～28d即得到绿色环保轻质混凝土。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的粗骨料为碳化核桃壳。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述碳化核桃壳的制备方法包括以下步骤：
S1将核桃壳水洗，去除残浆，干燥得到处理后的核桃壳备用；
S2处理后的核桃壳压碎至粒径为5～15mm的碎核桃壳；
S3将碎核桃壳放入碳化炉中，以5～10℃/min的升温速度升温至200～250℃保温0.5～1h，再以10～20℃/min的升温速度升温至350～550℃保温5～8h，冷却至20～30℃得到碳化核桃壳。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述水泥为硅酸盐水泥、硫酸盐水泥或铝酸盐水泥中的任一种。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述改性纤维是改性钢纤维和/或改性竹纤维。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述改性钢纤维的制备方法包括以下步骤：
M1将钢纤维完全浸泡于200～500mL含1～2wt％EDTA的0.05～0.1mol/L氯化钙水溶液中，用0.5～1mol/L氢氧化钠水溶液调节溶液pH＝10～11；
M2向所述步骤M1所得溶液中以0.25～0.5mL/min的速率加入200～500mL 0.05～0.1mol/L碳酸钠水溶液，用0.5～1mol/L氢氧化钠水溶液调节溶液pH＝10～11；
M3将所述步骤M2所得溶液置于20～30℃反应24～72h，反应结束后取出钢纤维，用水洗涤2～3次，干燥得到碳酸钙改性钢纤维；
M4将聚乙二醇与多聚磷酸按摩尔比1：(1～1.5)混合，在60～90℃下反应2～4h，得到混合液；再将混合液与水按质量比(90～95)：(5～10)混合，在60～90℃下反应0.5～1h，得到聚乙二醇磷酸酯；
M5将碳酸钙改性钢纤维浸泡在聚乙二醇磷酸酯中，用量比为1g：(10～15)mL，在130～150℃下反应10～20min，冷却至20～30℃，取出碳酸钙改性钢纤维，用水洗涤2～3次，干燥得到改性钢纤维。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述改性竹纤维的制备方法包括以下步骤：
N1将竹纤维浸泡于200～500mL 2～10wt％的氢氧化钠水溶液中，20～30℃反应12～24h，反应结束后将竹纤维取出干燥得到预处理的竹纤维备用；
N2将预处理的竹纤维浸泡在950～1000mL 10～20wt％硅酸四乙酯水溶液中，再加入20～30mL 25～28wt％的氨水，在25～30℃下反应4～5h，反应结束后取出预处理的竹纤维，用水洗涤2～3次，干燥得到改性竹纤维。
9.如权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于：所述改性纤维是质量比为1：(1～3)的改性钢纤维和改性竹纤维的混合。
10.一种绿色环保轻质混凝土，由权利要求1-9任一项所述的制备方法制备而成。
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