CN115448653A - 一种提高超高性能混凝土韧性的方法及所得超高性能混凝土 - Google Patents

一种提高超高性能混凝土韧性的方法及所得超高性能混凝土 Download PDF

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Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，尤其涉及一种提高超高性能混凝土韧性的方法及所得超高性能混凝土，包括以下步骤：制备得到石英粉和氧化石墨烯分层包覆的钢纤维；将水泥、硅灰、石英砂加入到搅拌机中干混，然后加入水和减水剂继续搅拌，得到新拌的水泥砂浆；最后，将石英粉和氧化石墨烯分层包覆的钢纤维加入到水泥砂浆中，搅拌，即可得到高韧性的超高性能混凝土。本发明利用氧化石墨烯和石英粉对钢纤维进行预处理，可以增加纤维表面的粗糙度，克服了传统钢纤维易从UHPC基体中拔出的弊端，从而大大提高了钢纤维与硬化水泥石之间的握裹力，改善了两者的界面粘结强度，极大提高了UHPC的韧性。

Description

一种提高超高性能混凝土韧性的方法及所得超高性能混凝土
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，尤其涉及一种提高超高性能混凝土韧性的方法及所得超高性能混凝土。
背景技术
超高性能混凝土（UHPC）是由水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂、石英粉、钢纤维和高效减水剂等加水拌合，经凝结硬化后形成的一种具有超高强度、高韧性、高耐久性能的水泥基复合材料。UHPC的超高力学性能主要体现在超高抗折强度和高韧性上，它主要依靠加入钢纤维来实现，可将UHPC的抗折强度提高到20 MPa以上，断裂能达到1500～40000 N/m，使UHPC跨入高韧性材料的行列。
然而，需要指出的是UHPC的高韧性性能与钢纤维的特性有着紧密的关系。目前，市场上售卖的钢纤维表面比较光滑，这将导致其与UHPC基体之间的界面粘结强度较低，在荷载的增加过程中钢纤维极易被拔出，无法充分发挥钢纤维对UHPC基体的桥接阻裂性能，大大降低了钢纤维对UHPC韧性的有效增强作用。
通常，可以通过对钢纤维进行一些处理来提高UHPC的抗拉韧性和抗裂性能，比如改变钢纤维的形状及对其进行表面改性等。已有研究表明，波纹形及端钩形的钢纤维相比于长直形钢纤维更可以提高UHPC的韧性，但波纹形及端钩形的钢纤维价格一般比较贵，且加入到UHPC中后会降低其流动性，同时对UHPC的搅拌设备也提出了更高的要求。此外，火焰处理、等离子体及酸处理等方式也可以改变钢纤维表面的粗糙度，但工艺流程复杂，且影响钢纤维自身的抗拉强度及使用寿命，极大限制了其进一步的推广应用。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种提高超高性能混凝土韧性的方法及所得超高性能混凝土。本发明利用氧化石墨烯和石英粉对钢纤维进行预处理，可以增加纤维表面的粗糙度，克服了传统钢纤维易从UHPC基体中拔出的弊端，从而大大提高了钢纤维与硬化水泥石之间的握裹力，改善了两者的界面粘结强度，极大提高了UHPC的韧性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种提高超高性能混凝土韧性的方法，包括以下步骤：
（1）将氧化石墨烯通过超声分散在异丙醇溶液中，得到均匀分散的氧化石墨烯-异丙醇混合液，然后将钢纤维加入到混合溶液中，连续搅拌直至氧化石墨烯全部吸附到钢纤维的表面，再加入微纳米级别的石英粉，不断搅拌，使石英粉再吸附到氧化石墨烯表面，将钢纤维与异丙醇溶液进行料液分离，然后将钢纤维在40摄氏度下进行烘干处理，得到石英粉和氧化石墨烯分层包覆的钢纤维；
（2）将水泥、硅灰、石英砂加入到搅拌机中干混5分钟，然后加入水和减水剂继续搅拌3分钟，得到新拌的水泥砂浆；
（3）最后，将步骤（1）得到的石英粉和氧化石墨烯分层包覆的钢纤维加入到步骤（2）得到的水泥砂浆中，继续搅拌5分钟，即可得到高韧性的超高性能混凝土。
所述氧化石墨烯的掺量为钢纤维质量的0.5～2%；
胶凝材料：水泥800～1000 kg/m3，硅灰100～200 kg/m3；
石英砂：900～1100 kg/m3；
石英粉：50～150 kg/m3；
钢纤维：100～200 kg/m3；
减水剂：掺量为胶凝材料总质量的2%～3%；
超高性能混凝土拌合物的水胶比保持在0.15～0.2之间；
所述的氧化石墨烯片径为1～10 μm，厚度为1～3 nm，含氧量为30%～50%；超声分散的功率为200 W，分散时间为10～30 min，搅拌速率为150～300 r/min，搅拌时间为30～120 min；
所述的石英粉粒径为0.1～50 μm，二氧化硅含量大于95%；所述的钢纤维为镀铜钢纤维，形状不定，优选为平直形钢纤维，长度为12～14 mm，直径为0.18～0.25 mm，抗拉强度大于2800 MPa；
所述的水泥为强度等级42.5及以上的硅酸盐水泥或其他水泥品种，所述的硅灰为二氧化硅含量大于95%，比表面积大于20000 m2/kg；所述的石英砂为多级配石英砂，其中粗砂（10～20目）、中砂（20～40目）及细砂（40～80目）的质量比为1：4：5；
所述的减水剂为聚羧酸系高效减水剂，减水率大于30%，还可以加入缓凝剂、早强剂等；所述的水为自来水。
有益效果
本发明公开了提高超高性能混凝土韧性的方法及所得超高性能混凝土，本发明具有以下优点：
（1）氧化石墨烯作为一种新型的二维纳米材料，比表面积大，强度高，柔韧性好，由于表面张力的作用可以吸附到钢纤维的表面，且由于表面嫁接了含氧官能团，活性位点多，可以吸附大量的石英粉颗粒。本发明利用氧化石墨烯和石英粉对钢纤维进行预处理，可以增加纤维表面的粗糙度，克服了传统钢纤维易从UHPC基体中拔出的弊端，从而大大提高了钢纤维与硬化水泥石之间的握裹力，改善了两者的界面粘结强度，极大提高了UHPC的韧性。
（2）本发明包覆在钢纤维表面的氧化石墨烯可以作为成核位点，促进水泥等胶凝材料的水化作用，不仅有利于提高界面连接性，还可以提高UHPC基体的力学强度。
（3）本发明通过将石英粉包覆在氧化石墨烯的表面克服了传统工艺直接将石英粉加入易团聚的问题，实现了石英粉颗粒的均匀分散。所得的UHPC试件相比于直接加入石英粉的UHPC，抗压和抗折强度分别提高了15%、10%。
附图说明
图1是实施例1的氧化石墨烯和石英粉颗粒包覆钢纤维的结构示意图；
图2是实施例1中制得的超高性能混凝土的应力-应变曲线图；
图中，1：钢纤维；2：氧化石墨烯；3：石英粉。
具体实施方式
以下，将详细地描述本发明。在进行描述之前，应当理解的是，在本说明书和所附的权利要求书中使用的术语不应解释为限制于一般含义和字典含义，而应当在允许发明人适当定义术语以进行最佳解释的原则的基础上，根据与本发明的技术方面相应的含义和概念进行解释。因此，这里提出的描述仅仅是出于举例说明目的的优选实例，并非意图限制本发明的范围，从而应当理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以由其获得其他等价方式或改进方式。
以下实施例仅是作为本发明的实施方案的例子列举，并不对本发明构成任何限制，本领域技术人员可以理解在不偏离本发明的实质和构思的范围内的修改均落入本发明的保护范围。除非特别说明，以下实施例中使用的试剂和仪器均为市售可得产品。
实施例1
一种提高超高性能混凝土韧性的方法，包括以下步骤：
（1）将氧化石墨烯通过超声分散在异丙醇溶液中，得到均匀分散的氧化石墨烯-异丙醇混合液，然后将钢纤维加入到混合溶液中，连续搅拌直至氧化石墨烯全部吸附到钢纤维的表面，再加入微纳米级别的石英粉，不断搅拌，使石英粉吸附到氧化石墨烯表面，将钢纤维与异丙醇溶液进行料液分离，然后将钢纤维进行烘干处理，得到石英粉和氧化石墨烯分层包覆的钢纤维；
（2）将水泥、硅灰、石英砂加入到搅拌机中干混，然后加入水和减水剂继续搅拌，得到新拌的水泥砂浆；
（3）最后，将步骤（1）得到的石英粉和氧化石墨烯分层包覆的钢纤维加入到步骤（2）得到的水泥砂浆中，搅拌，即可得到高韧性的超高性能混凝土。
步骤（1）中，所述氧化石墨烯片径为1～10μm，厚度为1～3 nm，含氧量为30%～50%。所述石英粉粒径为0.1～50μm，二氧化硅含量大于95%；所述钢纤维为镀铜钢纤维，长度为12～14 mm，直径为0.18～0.25 mm，抗拉强度大于2800 MPa。
所述氧化石墨烯的掺量为钢纤维质量的0.5%，所述石英粉的掺量为钢纤维质量的0.5%。
步骤（1）中，超声分散的功率为200 W，分散时间为10 min，搅拌速率为150 r/min，搅拌时间为120 min，将钢纤维在40摄氏度下进行烘干处理。
步骤（2）中，所述水泥为强度等级42.5及以上的硅酸盐水泥；所述的硅灰的二氧化硅含量大于95%，比表面积大于20000 m2/kg；所述石英砂为多级配石英砂，其中粗砂（10～20目）、中砂（20～40目）及细砂（40～80目）的质量比为1：4：5。
所述水泥砂浆中，水泥800kg/m3，硅灰100kg/m3，石英砂900kg/m3。所述的减水剂为聚羧酸系高效减水剂，减水率大于30%；所述水泥砂浆中，所述减水剂掺量为水泥砂浆总质量的2%；所述水泥砂浆中，还加入缓凝剂、早强剂。
步骤（3）中，所述高韧性的超高性能混凝土中，钢纤维100kg/m3；所述高韧性的超高性能混凝土的水胶比保持在0.15。
实施例2
一种提高超高性能混凝土韧性的方法，包括以下步骤：
（1）将氧化石墨烯通过超声分散在异丙醇溶液中，得到均匀分散的氧化石墨烯-异丙醇混合液，然后将钢纤维加入到混合溶液中，连续搅拌直至氧化石墨烯全部吸附到钢纤维的表面，再加入微纳米级别的石英粉，不断搅拌，使石英粉吸附到氧化石墨烯表面，将钢纤维与异丙醇溶液进行料液分离，然后将钢纤维进行烘干处理，得到石英粉和氧化石墨烯分层包覆的钢纤维；
（2）将水泥、硅灰、石英砂加入到搅拌机中干混，然后加入水和减水剂继续搅拌，得到新拌的水泥砂浆；
（3）最后，将步骤（1）得到的石英粉和氧化石墨烯分层包覆的钢纤维加入到步骤（2）得到的水泥砂浆中，搅拌，即可得到高韧性的超高性能混凝土。
所述氧化石墨烯片径为1～10μm，厚度为1～3 nm，含氧量为30%～50%。所述石英粉粒径为0.1～50μm，二氧化硅含量大于95%；所述钢纤维为镀铜钢纤维，长度为12～14 mm，直径为0.18～0.25 mm，抗拉强度大于2800 MPa。
所述氧化石墨烯的掺量为钢纤维质量的1.5%，所述石英粉的掺量为钢纤维质量的1.5%。
步骤（1）中，超声分散的功率为200 W，分散时间为20 min，搅拌速率为200 r/min，搅拌时间为90min，将钢纤维在40摄氏度下进行烘干处理。
步骤（2）中，所述水泥为强度等级42.5及以上的硅酸盐水泥或其他水泥品种；所述的硅灰的二氧化硅含量大于95%，比表面积大于20000 m2/kg；所述石英砂为多级配石英砂，其中粗砂（10～20目）、中砂（20～40目）及细砂（40～80目）的质量比为1：4：5。
步骤（2）中，所述水泥砂浆中，水泥900kg/m3，硅灰150kg/m3，石英砂1000kg/m3。
步骤（2）中，所述的减水剂为聚羧酸系高效减水剂，减水率大于30%；所述水泥砂浆中，所述减水剂掺量为水泥砂浆总质量的2.5%；所述水泥砂浆中，还加入缓凝剂、早强剂。
步骤（3）中，所述高韧性的超高性能混凝土中，钢纤维150kg/m3；所述高韧性的超高性能混凝土的水胶比保持在0.18。
实施例3
一种提高超高性能混凝土韧性的方法，包括以下步骤：
（1）将氧化石墨烯通过超声分散在异丙醇溶液中，得到均匀分散的氧化石墨烯-异丙醇混合液，然后将钢纤维加入到混合溶液中，连续搅拌直至氧化石墨烯全部吸附到钢纤维的表面，再加入微纳米级别的石英粉，不断搅拌，使石英粉吸附到氧化石墨烯表面，将钢纤维与异丙醇溶液进行料液分离，然后将钢纤维进行烘干处理，得到石英粉和氧化石墨烯分层包覆的钢纤维；
（2）将水泥、硅灰、石英砂加入到搅拌机中干混，然后加入水和减水剂继续搅拌，得到新拌的水泥砂浆；
（3）最后，将步骤（1）得到的石英粉和氧化石墨烯分层包覆的钢纤维加入到步骤（2）得到的水泥砂浆中，搅拌，即可得到高韧性的超高性能混凝土。
步骤（1）中，所述氧化石墨烯片径为1～10μm，厚度为1～3 nm，含氧量为30%～50%。所述石英粉粒径为0.1～50μm，二氧化硅含量大于95%；所述钢纤维为镀铜钢纤维，长度为12～14 mm，直径为0.18～0.25 mm，抗拉强度大于2800 MPa。
所述氧化石墨烯的掺量为钢纤维质量的2%，所述石英粉的掺量为钢纤维质量的1%。
步骤（1）中，超声分散的功率为200 W，分散时间为30 min，搅拌速率为300 r/min，搅拌时间为30min，将钢纤维在40摄氏度下进行烘干处理。
步骤（2）中，所述水泥为强度等级42.5及以上的硅酸盐水泥或其他水泥品种；所述的硅灰的二氧化硅含量大于95%，比表面积大于20000 m2/kg；所述石英砂为多级配石英砂，其中粗砂（10～20目）、中砂（20～40目）及细砂（40～80目）的质量比为1：4：5。
步骤（2）中，所述水泥砂浆中，水泥1000kg/m3，硅灰200kg/m3，石英砂1100kg/m3。
所述的减水剂为聚羧酸系高效减水剂，减水率大于30%；所述水泥砂浆中，所述减水剂掺量为水泥砂浆总质量的3%；所述水泥砂浆中，还加入缓凝剂、早强剂。
步骤（3）中，所述高韧性的超高性能混凝土中，钢纤维200kg/m3；所述高韧性的超高性能混凝土的水胶比保持在0.2。
实验例1
为了证明本发明所述超高性能混凝土的优异性能，现进行以下性能测试实验。
对比例1：钢纤维、石英粉单独加入来替代实施例1中所述石英粉和氧化石墨烯分层包覆的钢纤维，钢纤维、石英粉用量以及其他原料用量和工艺均与实施例1相同，制备得到超高性能混凝土。
对比例2：氧化石墨烯包覆的钢纤维来替代实施例1中所述石英粉和氧化石墨烯分层包覆的钢纤维，钢纤维、石英粉用量以及其他原料用量和工艺均与实施例1相同，制备得到超高性能混凝土。
测试例：本发明实施例1中所述方法制得的超高性能混凝土。
对比例1、对比例2、测试例中的混凝土进行抗压、抗折、抗拉强度测试，测试结果如下：
对比例1：抗压125MPa，抗折20MPa，极限抗拉9MPa；
对比例2：抗压129MPa，抗折22.5MPa，极限抗拉10MPa；
测试例：抗压136MPa，抗折25MPa，极限抗拉12MPa。
实施例1中制得的超高性能混凝土的应力-应变曲线如图2所示。
实验例2
对比例1：钢纤维、石英粉单独加入来替代实施例2中所述石英粉和氧化石墨烯分层包覆的钢纤维，钢纤维、石英粉用量以及其他原料用量和工艺均与实施例1相同，制备得到超高性能混凝土。
对比例2：氧化石墨烯包覆的钢纤维来替代实施例2中所述石英粉和氧化石墨烯分层包覆的钢纤维，钢纤维、石英粉用量以及其他原料用量和工艺均与实施例1相同，制备得到超高性能混凝土。
测试例：本发明实施例2中所述方法制得的超高性能混凝土。
对比例1、对比例2、测试例中的混凝土进行抗压、抗折、抗拉强度测试，测试结果如下：
对比例1：抗压122MPa，抗折18MPa，极限抗拉8.6MPa；
对比例2：抗压126MPa，抗折20MPa，极限抗拉9.4MPa；
测试例：抗压130MPa，抗折23MPa，极限抗拉11MPa。
实验例3
为了证明本发明所述超高性能混凝土的优异性能，现进行以下性能测试实验。
对比例1：钢纤维、石英粉单独加入来替代实施例3中所述石英粉和氧化石墨烯分层包覆的钢纤维，钢纤维、石英粉用量以及其他原料用量和工艺均与实施例1相同，制备得到超高性能混凝土。
对比例2：氧化石墨烯包覆的钢纤维来替代实施例3中所述石英粉和氧化石墨烯分层包覆的钢纤维，钢纤维、石英粉用量以及其他原料用量和工艺均与实施例1相同，制备得到超高性能混凝土。
测试例：本发明实施例3中所述方法制得的超高性能混凝土。
对比例1、对比例2、测试例中的混凝土进行抗压、抗折、抗拉强度测试，测试结果如下：
对比例1：抗压117MPa，抗折16MPa，极限抗拉8MPa；
对比例2：抗压121MPa，抗折18MPa，极限抗拉8.6MPa；
测试例：抗压126MPa，抗折20MPa，极限抗拉10MPa。
通过综合对比可以看出，本发明所述超高性能混凝土的抗压、抗折、抗拉强度均有明显的提高。本发明利用氧化石墨烯和石英粉对钢纤维进行预处理，可以增加纤维表面的粗糙度，克服了传统钢纤维易从UHPC基体中拔出的弊端，从而大大提高了钢纤维与硬化水泥石之间的握裹力，改善了两者的界面粘结强度，极大提高了UHPC的韧性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种提高超高性能混凝土韧性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将氧化石墨烯通过超声分散在异丙醇溶液中，得到均匀分散的氧化石墨烯-异丙醇混合液，然后将钢纤维加入到混合溶液中，连续搅拌直至氧化石墨烯全部吸附到钢纤维的表面，再加入微纳米级别的石英粉，不断搅拌，使石英粉吸附到氧化石墨烯表面，将钢纤维与异丙醇溶液进行料液分离，然后将钢纤维进行烘干处理，得到石英粉和氧化石墨烯分层包覆的钢纤维；
（2）将水泥、硅灰、石英砂加入到搅拌机中干混，然后加入水和减水剂继续搅拌，得到新拌的水泥砂浆；
（3）最后，将步骤（1）得到的石英粉和氧化石墨烯分层包覆的钢纤维加入到步骤（2）得到的水泥砂浆中，搅拌，即可得到高韧性的超高性能混凝土。
2.根据权利要求1所述的提高超高性能混凝土韧性的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述氧化石墨烯片径为1～10μm，厚度为1～3 nm，含氧量为30%～50%。
3.根据权利要求1所述的提高超高性能混凝土韧性的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述石英粉粒径为0.1～50μm，二氧化硅含量大于95%；所述钢纤维为镀铜钢纤维，长度为12～14 mm，直径为0.18～0.25 mm，抗拉强度大于2800 MPa。
4.根据权利要求1所述的提高超高性能混凝土韧性的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述氧化石墨烯的掺量为钢纤维质量的0.5%～2%，所述石英粉的掺量为钢纤维质量的0.25%～1.5%。
5.根据权利要求1所述的提高超高性能混凝土韧性的方法，其特征在于，步骤（1）中，超声分散的功率为200 W，分散时间为10～30 min，搅拌速率为150～300 r/min，搅拌时间为30～120 min，将钢纤维在40摄氏度下进行烘干处理。
6.根据权利要求1所述的提高超高性能混凝土韧性的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述水泥为强度等级42.5及以上的硅酸盐水泥或其他水泥品种；所述的硅灰的二氧化硅含量大于95%，比表面积大于20000 m2/kg；所述石英砂为多级配石英砂，其中粗砂（10～20目）、中砂（20～40目）及细砂（40～80目）的质量比为1：4：5。
7.根据权利要求1所述的提高超高性能混凝土韧性的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述水泥砂浆中，水泥800～1000kg/m3，硅灰100～200kg/m3，石英砂900～1100kg/m3。
8.根据权利要求1所述的提高超高性能混凝土韧性的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述的减水剂为聚羧酸系高效减水剂，减水率大于30%；所述水泥砂浆中，所述减水剂掺量为水泥砂浆总质量的2%～3%；所述水泥砂浆中，还加入缓凝剂、早强剂。
9.根据权利要求1所述的提高超高性能混凝土韧性的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述高韧性的超高性能混凝土中，钢纤维100～200kg/m3；所述高韧性的超高性能混凝土的水胶比保持在0.15～0.2之间。
10.一种超高性能混凝土，其特征在于，所述超高性能混凝土由权利要求1-9任一所述方法制备得到。
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