CN115180897B - 一种纤维增强型高强度混凝土及其加工工艺 - Google Patents

一种纤维增强型高强度混凝土及其加工工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种纤维增强型高强度混凝土及其加工工艺，将粗骨料中粒径为5‑10mm页岩陶粒、10‑15mm页岩陶粒的体积分数比限定为3：2；限定水泥、粉煤灰和硅灰的配比；引入粒状橡胶，来大幅提高混凝土的抗冲磨性；为了减小粒状橡胶对混凝土强度的影响，引入聚乙烯纤维与玄武岩纤维，有效提高了力学性能；对加入的玄武岩纤维与聚乙烯纤维的含量进行限定；为提高玄武岩纤维与混凝土基体的相容性，用锆杂化硅树脂对玄武岩纤维表面进行改性；以有机硅单体原料，八水氧氯化锆为锆源，通过化学键合的方法将金属原Zr引入到硅树脂主链中，冰乙酸作为螯合配体，使合成的锆杂化硅树脂呈水溶性，有效增强混凝土的强度与韧性。

Description

一种纤维增强型高强度混凝土及其加工工艺
技术领域
本发明涉及混凝土领域，具体是一种纤维增强型高强度混凝土及其加工工艺。
背景技术
现今土木工程用量最大、应用最广的建筑材料是混凝土，普通混凝土存在抗拉强度低、自重大、凝固收缩大、难以振捣等缺点，随着科技的进步和发展，人们对更高性能的混凝土需求越来越多。现有轻骨料混凝土、轻骨料混凝土满足了部分建筑物对混凝土的特殊要求，轻骨料混凝土是为了减少本身的自重，用轻质粗骨料、轻质砂或普通砂代替普通混凝土中的骨料制备得到；自密实混凝土是通过改变混凝土配合比，从而形成一种高流动性、免振捣的混凝土。而自密实轻骨料混凝土则是在轻骨料混凝土、轻骨料混凝土的基础上发展起来的一种新型高性能混凝土。
自密实轻骨料混凝土虽然优点众多，但存在以下缺陷：抗拉抗折强度低、容易收缩开裂、韧性不足等。为此，需要在水泥基材料中掺入组分以改善混凝土的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纤维增强型高强度混凝土及其加工工艺，以解决现有技术中的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种纤维增强型高强度混凝土，以质量份数计，所述混凝土中原料组成为：水泥30-36份、粗骨料65-75份、细集料3-7份、粉煤灰10-20份、硅灰5-10份、水10-16份、聚乙烯醇纤维1-5份、改性玄武岩纤维5-10份、橡胶1-2份。
进一步的，粗骨料为粒径为5-10mm及10-15mm的碎石型页岩陶粒，颗粒类型为圆球型。
进一步的，橡胶为粒状橡胶，粒径为2-4mm。
进一步的，水泥、粉煤灰、硅灰的质量比分别为3：1.4：0.6。
进一步的，聚乙烯醇纤维、改性玄武岩纤维的质量比分别为1：2。
进一步的，改性玄武岩纤维的制备包括以下步骤：
1)甲基三乙氧基硅烷、八水氧氯化锆混合搅拌，加入N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二甲氧基硅烷、去离子水，在18-25℃下保温30-40min，加入六甲基二硅氧烷、冰乙酸，得到锆杂化硅树脂，然后加去离子水将锆杂化硅树脂稀释至固含量为0.6-0.8％，得到浸渍液；
2)将玄武岩纤维浸泡在丙酮溶液，超声清洗10-20min，然后在浸渍液中浸渍处理，取出后在110-120℃保温1-2h，得到改性玄武岩纤维。
进一步的，甲基三乙氧基硅烷、八水氧氯化锆、N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二甲氧基硅烷的摩尔比为20：1：3。
进一步的，六甲基二硅氧烷、冰乙酸的摩尔质量比为0.0025moL：0.6g。
进一步的，玄武岩纤维的线密度为300-500tex，玄武岩纤维的直径为6-8μm。
进一步的，一种纤维增强型高强度混凝土的加工工艺，包括以下步骤：
S1：制备改性玄武岩纤维；
S2：将粗骨料、细集料、橡胶、聚乙烯醇纤维混合30-60min，转速为800-1000rpm；加入粉煤灰、硅灰继续搅拌40-60min，转速为900-1100rpm；加入水泥、去离子水搅拌30-50min，转速为1000-1200rpm；加入改性玄武岩纤维搅拌30-60min，转速为800-1000rpm，得到一种纤维增强型高强度混凝土。
本发明的有益效果：
本发明提供一种纤维增强型高强度混凝土及其加工工艺，通过调控成分及配比，得到的混凝土具有优秀的抗冲磨性、抗压强度、抗裂强度，且兼具高韧性。
在理想状态下，当混凝土中粗骨料间达到最密实状态时，空隙率最小，若此时填充物完全填入粗骨料的空隙中，则粗细骨料达到最紧密堆积状态。但实际情况下，由于骨料形状和粒径的不同，骨料体系很难达到理想状态下的紧密堆积；本发明经过实验，将粗骨料中粒径为5-10mm页岩陶粒、10-15mm页岩陶粒的体积分数比限定为3：2；限定水泥、粉煤灰和硅灰的配比，使其成为聚合粘结状的均匀浆体。
混凝土冲磨破坏过程中，主要表现为小角度的切削和大角度地冲击导致混凝土表面脆性断裂。本发明中在混凝土中引入粒状橡胶，来大幅提高混凝土的抗冲磨性，当运动的砂石对混凝土进行切削、冲击等作用时，粒状橡胶由于本身具有优良的弹性和耐磨性，在砂石的切削作用下会阻碍了对水泥石和骨料的破坏的切削作用，同时橡胶通过自身形变吸收回弹释放部分冲击动能，降低作用于混凝土的整体冲击动能，延缓水泥石内部微裂纹的产生和发展；
但是由于橡胶具有弹性，会减小骨料的骨架作用；在橡胶掺量相同时，不同橡胶形状对力学性能影响存在差异，其中掺粒状橡胶损失最少；因为橡胶具有憎水性，与水泥石的黏结强度较弱，会存在薄弱界面，粒状橡胶的数量少于粉状橡胶，而针状橡胶由于形状特殊，会引入连续的薄弱界面，所以表现为掺粒状橡胶的混凝土强度较高；因此为了减小粒状橡胶对混凝土强度的影响，引入聚乙烯纤维与玄武岩纤维，这是由于适量的纤维在混凝土中相互搭接，形成微网状空间体系，缓解裂纹尖端的应力集中，抑制裂纹扩展，从而增强混凝土的强度。
玄武岩纤维属于成本低廉、性能优良、绿色环保的新型纤维，具有较高的极限应变和弹性模量，掺入混凝土中有利于改善其内部结构密实度，分散在混凝土内部的纤维起到类似钢筋的作用，在二次纤维增强的作用下，纤维相互作用形成三维网状结构，桥接作用加强了与基体的结合，有效提高了力学性能。
但是轻骨料混凝土中加入过多的纤维会导致纤维团聚，降低轻集料混凝土的密实度，影响纤维与轻骨料混凝土基体的充分结合，增加了轻骨料混凝土的内部缺陷，最终导致轻骨料混凝土强度降低，因此本发明中对加入的玄武岩纤维与聚乙烯纤维的含量进行限定；
但玄武岩纤维与水泥、粗骨料等存在相容性问题，为提高玄武岩纤维与混凝土基体的相容性，用锆杂化硅树脂对玄武岩纤维表面进行改性；以有机硅单体原料，八水氧氯化锆为锆源，通过化学键合的方法将金属原Zr引入到硅树脂主链中，冰乙酸作为螯合配体，使合成的锆杂化硅树脂呈水溶性，有效增强混凝土的强度与韧性。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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做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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示诸如上、下、左、右、前、后……，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态如各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种纤维增强型高强度混凝土的加工工艺，包括以下步骤：
S1：制备改性玄武岩纤维，包括以下步骤：
1)0.02moL甲基三乙氧基硅烷、0.001moL八水氧氯化锆混合搅拌，加入0.03moLN-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二甲氧基硅烷、去离子水2mL，在18℃下保温40min，加入0.0025moL六甲基二硅氧烷、冰乙酸0.6g，得到锆杂化硅树脂，然后加去离子水将锆杂化硅树脂稀释至固含量为0.6％，得到浸渍液；
2)将玄武岩纤维浸泡在丙酮溶液，超声清洗10min，然后在浸渍液中浸渍处理，取出后在110℃保温2h，得到改性玄武岩纤维；
以质量份数计，所述混凝土中原料组成为：水泥30份、粗骨料65份、细集料3份、粉煤灰14份、硅灰6份、去离子水10份、聚乙烯醇纤维1份、改性玄武岩纤维2份、橡胶1份；
粗骨料为粒径为5-10mm及10-15mm的碎石型页岩陶粒，颗粒类型为圆球型，粗骨料中粒径为5-10mm页岩陶粒、10-15mm页岩陶粒的体积分数比为3：2；
橡胶为粒状橡胶，粒径为2mm；
改性玄武岩纤维与混凝土的质量比为1.5％；
水泥、粉煤灰、硅灰的质量比分别为3：1.4：0.6；
聚乙烯醇纤维、改性玄武岩纤维的质量比分别为1：2；
S2：将粗骨料、细集料、橡胶、聚乙烯醇纤维混合30min，转速为1000rpm；加入粉煤灰、硅灰继续搅拌40min，转速为1100rpm；加入水泥、去离子水搅拌30min，转速为1200rpm；加入改性玄武岩纤维搅拌30min，转速为1000rpm，得到一种纤维增强型高强度混凝土。
实施例2
一种纤维增强型高强度混凝土的加工工艺，包括以下步骤：
S1：制备改性玄武岩纤维，包括以下步骤：
1)0.02moL甲基三乙氧基硅烷、0.001moL八水氧氯化锆混合搅拌，加入0.03moLN-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二甲氧基硅烷、去离子水2mL，在20℃下保温35min，加入0.0025moL六甲基二硅氧烷、冰乙酸0.6g，得到锆杂化硅树脂，然后加去离子水将锆杂化硅树脂稀释至固含量为0.7％，得到浸渍液；
2)将玄武岩纤维浸泡在丙酮溶液，超声清洗15min，然后在浸渍液中浸渍处理，取出后在115℃保温1.5h，得到改性玄武岩纤维；
以质量份数计，所述混凝土中原料组成为：水泥33份、粗骨料70份、细集料5份、粉煤灰15.4份、硅灰6.6份、去离子水13份、聚乙烯醇纤维3份、改性玄武岩纤维6份、橡胶1.5份；
粗骨料为粒径为5-10mm及10-15mm的碎石型页岩陶粒，颗粒类型为圆球型，粗骨料中粒径为5-10mm页岩陶粒、10-15mm页岩陶粒的体积分数比为3：2；
橡胶为粒状橡胶，粒径为3mm；
水泥、粉煤灰、硅灰的质量比分别为3：1.4：0.6；
聚乙烯醇纤维、改性玄武岩纤维的质量比分别为1：2；
改性玄武岩纤维与混凝土的质量比为4.5％；
S2：将粗骨料、细集料、橡胶、聚乙烯醇纤维混合40min，转速为900rpm；加入粉煤灰、硅灰继续搅拌50min，转速为1000rpm；加入水泥、去离子水搅拌40min，转速为1100rpm；加入改性玄武岩纤维搅拌40min，转速为900rpm，得到一种纤维增强型高强度混凝土。
实施例3
一种纤维增强型高强度混凝土的加工工艺，包括以下步骤：
S1：制备改性玄武岩纤维，包括以下步骤：
1)0.02moL甲基三乙氧基硅烷、0.001moL八水氧氯化锆混合搅拌，加入0.03moLN-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二甲氧基硅烷、去离子水2mL，在25℃下保温30min，加入0.0025moL六甲基二硅氧烷、冰乙酸0.6g，得到锆杂化硅树脂，然后加去离子水将锆杂化硅树脂稀释至固含量为0.8％，得到浸渍液；
2)将玄武岩纤维浸泡在丙酮溶液，超声清洗20min，然后在浸渍液中浸渍处理，取出后在120℃保温1h，得到改性玄武岩纤维；
以质量份数计，所述混凝土中原料组成为：水泥36份、粗骨料75份、细集料7份、粉煤灰14.4份、硅灰7.2份、去离子水16份、聚乙烯醇纤维5份、改性玄武岩纤维10份、橡胶2份；
粗骨料为粒径为5-10mm及10-15mm的碎石型页岩陶粒，颗粒类型为圆球型，粗骨料中粒径为5-10mm页岩陶粒、10-15mm页岩陶粒的体积分数比为3：2；
橡胶为粒状橡胶，粒径为4mm；
水泥、粉煤灰、硅灰的质量比分别为3：1.4：0.6；
聚乙烯醇纤维、改性玄武岩纤维的质量比分别为1：2；
改性玄武岩纤维与混凝土的质量比为5.8％；
S2：将粗骨料、细集料、橡胶、聚乙烯醇纤维混合60min，转速为800rpm；加入粉煤灰、硅灰继续搅拌60min，转速为900rpm；加入水泥、去离子水搅拌50min，转速为1000rpm；加入改性玄武岩纤维搅拌60min，转速为800rpm，得到一种纤维增强型高强度混凝土。
对比例1
以实施例3为对照组，用粉状橡胶替换粒状橡胶，粉状橡胶的粒径为1mm，密度为1.15g/m3，其他工序正常。
对比例2
以实施例3为对照组，用针状橡胶替换粒状橡胶，针状橡胶的长度为10mm，宽度为1mm，其他工序正常。
对比例3
以实施例3为对照组，粗骨料中粒径为5-10mm页岩陶粒、10-15mm页岩陶粒的体积分数比为3:3，其他工序正常。
对比例4
以实施例3为对照组，粗骨料中粒径为5-10mm页岩陶粒、10-15mm页岩陶粒的体积分数比为3:1，其他工序正常。
对比例5
以实施例3为对照组，没有添加聚乙烯醇纤维，其他工序正常。
对比例6
以实施例3为对照组，没有添加改性玄武岩纤维，其他工序正常。
对比例7
以实施例3为对照组，用玄武岩纤维替换改性玄武岩纤维，其他工序正常。
对比例8
以实施例3为对照组，改性玄武岩纤维与混凝土的质量比为1.4％，其他工序正常。
对比例9
以实施例3为对照组，改性玄武岩纤维与混凝土的质量比为6％，其他工序正常。
上述实施例与对比例中所用原料来源：
甲基三乙氧基硅烷H935108：上海麦克林生化科技有限公司；N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二甲氧基硅烷：道康宁；六甲基二硅氧烷，冰乙酸，八水氧氯化锆，丙酮：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；水泥：硅酸盐水泥，采用海螺牌水泥42.5复合硅酸盐水泥；粗骨料：山东科立得环保产品有限公司生产的粒径为5-10mm及10-15mm的碎石型页岩陶粒，颗粒类型为圆球型；细集料：包头本地河砂，为级配良好的Ⅱ区中砂，细度模数2.7；粉煤灰：包头达旗电厂生产的I级粉煤灰；硅灰：西安霖源微硅粉有限公司生产的硅灰；玄武岩纤维(无捻，线密度400tex，直径7μm)：山西巴塞奥特有限公司；聚乙烯醇纤维长度为6mm，直径为0.0015mm，断裂伸长率为7.2％，抗拉强度1820MPa，弹性模量为40100MPa。
性能测试：
对实施例1-3、对比例1-9所制得的混凝土进行性能测试；样品制作依据《GB/T50080-2002普通混凝土拌合物性能试验方法》进行，并在标准养护条件下养护28d；按《GB/T50081-2019普通混凝土力学性能试验方法标准》进行抗弯拉强度、抗弯拉弹性模量；抗弯拉强度和抗弯拉弹性模量试件每组各6个，试验尺寸为100mm×400mm×100mm的样品，抗弯拉强度采用NYL-300C抗弯拉试验机进行测试；
根据《水工混凝土试验规程》(SL352—2020)，进行混凝土立方体抗冲磨试验，采用水下钢球法；抗冲磨强度Ra＝T·A/(m2-m1)，Ra为抗冲磨强度，(h·m2)/kg；T为累计时间，h；A为受冲磨面积，m2；m1、m2分别为冲磨前、冲磨后的质量，kg；
参考《纤维混凝土试验方法标准》(CECS13：2009)，使用自制落锤抗冲击装置，底座为刚性水平板；样品为直径150mm×高65mm的圆饼形，冲击球(直径63mm，重4.45kg)在450mm高度自由落下，冲击放置在试件顶面的钢球，冲击锤每次冲击完成提升至预设的凹槽内，保证样品中心、冲击球、冲击锤在同一竖直线上，每完成一次冲击即为一个循环；当试件表面出现第一条裂缝时即为初裂冲击次数N1，当观察到裂纹贯穿时即为终裂冲击次数N2；混凝土冲击功为W＝mghn，W为冲击功，J；m为冲击锤质量，kg；g为重力加速度，取9.8m/s2，h为冲击锤下落高度，n为冲击次数；所得结果如表1所示；
表1
本发明提供一种纤维增强型高强度混凝土及其加工工艺，通过调控成分及配比，得到的混凝土具有优秀的抗冲磨、抗压强度、抗裂强度，且兼具高韧性。
将实施例3与对比例1、对比例2进行对比可知，本发明中在混凝土中引入粒状橡胶，来大幅提高混凝土的抗冲磨性，当运动的砂石对混凝土进行切削、冲击等作用时，粒状橡胶由于本身具有优良的弹性和耐磨性，在砂石的切削作用下会阻碍了对水泥石和骨料的破坏的切削作用，同时橡胶通过自身形变吸收回弹释放部分冲击动能，降低作用于混凝土的整体冲击动能，延缓水泥石内部微裂纹的产生和发展；因为橡胶具有憎水性，与水泥石的黏结强度较弱，会存在薄弱界面，粒状橡胶的数量少于粉状橡胶，而针状橡胶由于形状特殊，会引入连续的薄弱界面，所以表现为掺粒状橡胶的混凝土强度较高。
将实施例3与对比例3、对比例4进行对比可知，在理想状态下，当混凝土中粗骨料间达到最密实状态时，空隙率最小，若此时填充物完全填入粗骨料的空隙中，则粗细骨料达到最紧密堆积状态。但实际情况下，由于骨料形状和粒径的不同，骨料体系很难达到理想状态下的紧密堆积；本发明经过实验，将粗骨料中粒径为5-10mm页岩陶粒、10-15mm页岩陶粒的体积分数比限定为3：2；限定水泥、粉煤灰和硅灰的配比，使其成为聚合粘结状的均匀浆体。
将实施例3与对比例5、对比例6进行对比可知，为了减小粒状橡胶对混凝土强度的影响，引入聚乙烯纤维与玄武岩纤维，这是由于适量的纤维在混凝土中相互搭接，形成微网状空间体系，缓解裂纹尖端的应力集中，抑制裂纹扩展，从而增强混凝土的强度。
将实施例3与对比例7进行对比可知，为提高玄武岩纤维与混凝土基体的相容性，用锆杂化硅树脂对玄武岩纤维表面进行改性；以有机硅单体原料，八水氧氯化锆为锆源，通过化学键合的方法将金属原Zr引入到硅树脂主链中，冰乙酸作为螯合配体，使合成的锆杂化硅树脂呈水溶性，有效增强混凝土的强度与韧性。。
将实施例3与对比例8、对比例9进行对比可知，混凝土中加入过多的纤维会导致纤维团聚，降低混凝土的密实度，影响纤维与混凝土基体的充分结合，增加了混凝土的内部缺陷，最终导致混凝土强度降低，因此本发明中对加入的玄武岩纤维与聚乙烯纤维的含量进行限定。
以上所述仅为本发明的为实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种纤维增强型高强度混凝土，其特征在于，以质量份数计，所述混凝土中原料组成为：水泥30-36份、粗骨料65-75份、细集料3-7份、粉煤灰10-20份、硅灰5-10份、去离子水10-16份、聚乙烯醇纤维1-5份、改性玄武岩纤维5-10份、橡胶1-2份；
所述粗骨料为粒径为5-10mm及10-15mm的碎石型页岩陶粒，颗粒类型为圆球型，粗骨料中粒径为5-10mm页岩陶粒、10-15mm页岩陶粒的体积分数比为3：2；
聚乙烯醇纤维、改性玄武岩纤维的质量比分别为1：2，改性玄武岩纤维与混凝土的质量比为1.5-5.8％；
所述改性玄武岩纤维的制备包括以下步骤：
1)甲基三乙氧基硅烷、八水氧氯化锆混合搅拌，加入N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二甲氧基硅烷、去离子水，在18-25℃下保温30-40min，加入六甲基二硅氧烷、冰乙酸，得到锆杂化硅树脂，然后加去离子水将锆杂化硅树脂稀释至固含量为0.6-0.8％，得到浸渍液；
2)将玄武岩纤维浸泡在丙酮溶液，超声清洗10-20min，然后在浸渍液中浸渍处理，取出后在110-120℃保温1-2h，得到改性玄武岩纤维；
橡胶为粒状橡胶，粒径为2-4mm；
水泥、粉煤灰、硅灰的质量比分别为3：1.4：0.6。
2.根据权利要求1所述的一种纤维增强型高强度混凝土，其特征在于，改性玄武岩纤维的制备中，甲基三乙氧基硅烷、八水氧氯化锆、N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)甲基二甲氧基硅烷的摩尔比为20：1：3。
3.根据权利要求1所述的一种纤维增强型高强度混凝土，其特征在于，改性玄武岩纤维的制备中，六甲基二硅氧烷、冰乙酸的摩尔质量比为0.0025moL：0.6g。
4.根据权利要求1所述的一种纤维增强型高强度混凝土，其特征在于，玄武岩纤维的线密度为300-500tex，玄武岩纤维的直径为6-8μm。
5.根据权利要求1-4中任一种所述的一种纤维增强型高强度混凝土的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：制备改性玄武岩纤维；
S2：将粗骨料、细集料、橡胶、聚乙烯醇纤维混合30-60min，转速为800-1000rpm；加入粉煤灰、硅灰继续搅拌40-60min，转速为900-1100rpm；加入水泥、去离子水搅拌30-50min，转速为1000-1200rpm；加入改性玄武岩纤维搅拌30-60min，转速为800-1000rpm，得到一种纤维增强型高强度混凝土。
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