CN115925335B - 一种防锈钢纤混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种防锈钢纤混凝土及其制备方法，该防锈钢纤混凝土，包括如下重量份的原料：水泥：100份；细骨料：130～160份；粗骨料：230～300份；改性钢纤维：10～30份；水：30～40份；减水剂：0.1～1.0份；引气剂：0.1～0.5份；所述改性钢纤维由包括质量比为（3～4）：1的有机酸与正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯的改性剂改性得到，所述有机酸采用植酸和单宁酸中的一种或其组合。本申请的防锈钢纤维混凝土能够有效抵抗钢纤维发生锈蚀现象，保障混凝土性能的稳定。
Description
技术领域
本申请涉及混凝土领域，尤其是涉及一种防锈钢纤混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土早期收缩裂缝的成因较多，但温度应力是主要影响因素。在混凝土固化过程中，水泥水化反应释放的热量难以太原外界环境进行热交换，导致热量积聚在混凝土内部，从而产生内外的温差应力，进而导致收缩裂缝。
为克服上述问题，可通过在混凝土体系中掺杂钢纤维，以提高混凝土的导热性，并有效减少内外温差。然而钢纤维在混凝土中容易发生锈蚀，不易保持其强度性能的稳定性。
发明内容
本申请提供一种防锈钢纤混凝土及其制备方法，能够有效降低混凝土体系中钢纤维锈蚀的概率。
第一方面，本申请提供一种防锈钢纤混凝土，包括如下重量份的原料：
水泥：100份；
细骨料：130～160份；
粗骨料：230～300份；
改性钢纤维：10～30份；
水：30～40份；
减水剂：0.1～1.0份；
引气剂：0.1～0.5份；
所述改性钢纤维由包括质量比为(3～4)：1的有机酸与正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯的改性剂改性得到，所述有机酸采用植酸和单宁酸中的一种或其组合。
通过采用上述改性剂，能够在钢纤维表面形成保护膜，有效阻隔氧气和水分与钢纤维的接触，减少氧化锈蚀的概率。具体的，有机酸通过其含有的大量羟基以及羧基等活性基团，与钢纤维表面的金属离子发生络合反应，从而形成络合物膜；起到阻隔氧气以及腐蚀性离子的作用。而正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯水解后能够形成四个硅羟基，从而在钢纤维表面形成致密的Si-O-Si疏水性网络膜层。通过络合物膜层与疏水膜层的配合，有效减少锈蚀现象。
优选的，所述改性剂还包括有聚醚硅烷化合物，所述正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯与聚醚硅烷化合物的质量比为1：(0.5～1)；所述聚醚硅烷化合物由摩尔比为2～4:1的聚氧乙烯醚类表活和硅烷偶联剂在酸催化剂下反应得到。
钢纤维的掺入能够有效提高混凝土的导热性和抗拉强度，从而减少收缩裂缝的形成。但钢纤维之间易架桥纠缠较大，尤其是当掺量＞2％后，结团现象明显，导致混凝土拌合过程中摩擦力较大，不利于提高混凝土的和易性和最终强度。本申请将长链聚醚硅烷化合物通过其硅羟基接枝于前述膜层表面，能够起到良好的空间位阻作用，有效抑制钢纤维的结团现象，从而提高混凝土体系的和易性，进而有利于混凝土体系的充分分散水化，提高其强度性能。
优选的，所述反应温度为50～70℃。
反应温度的上升有利于提高反应速度，但可能导致所得化合物链长下降，不利于提高混凝土的和易性。
优选的，所述聚氧乙烯醚类表活采用脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯脂肪酸酯、烷基苯酚聚氧乙烯醚和聚氧乙烯脂肪胺中的一种或几种。
上述聚氧乙烯醚类表活与硅烷在酸催化条件下具有良好反应性，且其聚醚链为接枝后的钢纤维提供一定的空间位阻作用。
优选的，所述硅烷偶联剂采用氨基硅烷偶联剂、环氧基硅烷偶联剂、巯基硅烷偶联剂中的任一种。
优选的，所述改性钢纤维按照如下方法制得：
步骤1：将钢纤维浸渍于有机酸的水溶液中进行络合反应，干燥后得到预处理钢纤维；
步骤2：将正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯溶于酸性水溶液中，浸入预处理钢纤维，一段时间后加入聚醚硅烷化合物，继续浸渍反应，待反应完成后干燥即得。
通过采用上述改性操作步骤，使钢纤维表面依次形成络合物膜、Si-O-Si疏水性网络膜，起到良好的阻隔氧气、水分以及腐蚀性离子的作用，有效防止锈蚀现象。然后通过硅羟基的键合将聚醚硅烷化合物接枝于前述膜层上，起到降低结团，促进分散和降摩作用，有效改善高掺量钢纤维混凝土的和易性。
优选的，所述防锈钢纤混凝土的原料还包括1～5份的球形氧化铝。
采用球形氧化铝与钢纤维一同配合，作为导热填料，一方面，通过颗粒和纤维可形成导热网络，起到更为优异的导热和降低温差应力的作用。另一方面，球形氧化铝表面圆滑，能够起到润滑作用，有效补偿因钢纤维产量高导致的混凝土和易性的下降，进而提高混凝土的抗压强度。
优选的，球形氧化铝的D50粒径1～500μm，更优选球形氧化铝的D50粒径为50～100μm。
优选的，所述球形氧化铝表面修饰有三甲基甲氧基硅烷。
球形氧化铝表面活性较高，有具团聚趋势，通过三甲基甲氧基硅烷修饰后能够有效降低其表面活性，促进其分散。另外，水解接枝后的三甲基甲氧基硅烷不再具有反应活性，不会与其它活性基团键合；且三甲基甲氧基硅烷分子链较短，接枝后能够保障其渗透性，保障球形氧化铝的润滑作用。
优选的，三甲基甲氧基硅烷与球形氧化铝的用量比为1～5：100。
第二方面，本申请提供一种防锈钢纤混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
预混：将细骨料、粗骨料与水泥搅拌均匀，再加入水和减水剂，混合均匀，制得预混料；拌合：向预混料中加入改性钢纤维和引气剂，拌合均匀即得。
在将胶凝材料与骨料拌合均匀后加入改性钢纤维与引气剂，有利于胶凝材料的预分散。引气剂与改性钢纤维的同步加入，可利用引气剂产生的微小气泡起到润滑减摩作用，提高改性混凝土的和易性。
优选的，拌合步骤中，与改性钢纤维一同加入有1～5份的球形氧化铝。
通过使用球形氧化铝，在保障混凝土导热和减少温度裂缝的前提下，有效提高混凝土和易性，促进其水化反应的进行，提高混凝土固化后的强度性能。
综上所述，本申请具有如下有益效果：
1、本申请通过采用由有机酸与正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯组成的改性剂，对钢纤维进行改性，从而有效解决了导热钢纤维混凝土的防锈蚀问题。
2、通过进一步将聚醚硅烷化合物接枝于钢纤维表面，能够有效解决高掺量钢纤维混凝土的和易性下降问题，有效保障混凝土的抗压强度。
3、本申请通过采用三甲基甲氧基硅烷改性球形氧化铝，可在保障混凝土导热性能与抗开裂性能的前提下，有效补偿混凝土的和易性，进而促进其抗压强度的提高。
具体实施方式
聚醚硅烷化合物制备例
制备例1-1，一种聚醚硅烷化合物，按照如下操作制得：
在反应容器中加入179.3g(1mol)3-氨基丙基三甲氧基硅烷和1850.4g(3mol)烷基酚聚氧乙烯醚和50g十二烷基苯磺酸，升温至60℃，搅拌反应，3～4h后即得聚醚硅烷低聚物。
制备例1-2，一种聚醚硅烷化合物，按照如下操作制得：
在反应容器中加入236.3g(1mol)γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷和637.2g(2mol)脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO9)和20g十二烷基苯磺酸，升温至70℃，搅拌反应，3～4h后即得聚醚硅烷低聚物。
制备例1-3，一种聚醚硅烷化合物，按照如下操作制得：
在反应容器中加入196.3g(1mol)γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷和1782.8g(4mol)十八胺聚氧乙烯醚和60g十二烷基苯磺酸，升温至50℃，搅拌反应，3～4h后即得聚醚硅烷低聚物。
制备例1-4，一种聚醚硅烷化合物，与制备例1-1的区别在于，反应温度为80℃。
改性钢纤维制备例
制备例2-1，一种改性钢纤维，按照如下方法制备得到：
步骤1：将10㎏钢纤维浸渍于80㎏2.5wt％的植酸水溶液中,进行络合反应，1.5h后过滤，得到预处理钢纤维；
步骤2：将1㎏正硅酸甲酯溶于60L pH为5的醋酸水溶液中，浸入预处理钢纤维，3h后加入0.75㎏的制备例1-1所得聚醚硅烷化合物，继续浸渍反应1h，待反应完成后过滤、干燥即得改性钢纤维。
制备例2-2，一种改性钢纤维，按照如下方法制备得到：
步骤1：将10㎏钢纤维浸渍于60㎏5wt％的单宁酸水溶液中,进行络合反应，1.5h后过滤，得到预处理钢纤维；
步骤2：将1㎏正硅酸甲酯溶于60L pH为5的醋酸水溶液中，浸入预处理钢纤维，2h后加入1㎏制备例1-2所得的聚醚硅烷化合物，继续浸渍反应1h，待反应完成后过滤、干燥即得改性钢纤维。
制备例2-3，一种改性钢纤维，按照如下方法制备得到：
步骤1：将10㎏钢纤维浸渍于100㎏5wt％的植酸水溶液中,进行络合反应，2h后过滤，得到预处理钢纤维；
步骤2：将1㎏正硅酸乙酯溶于酸性pH为4的醋酸水溶液中，浸入预处理钢纤维，3h后加入0.5㎏制备例1-3所得聚醚硅烷化合物，继续浸渍反应2h，待反应完成后过滤、干燥即得改性钢纤维。
制备例2-4，一种改性钢纤维，与制备例1的区别在于，步骤2中采用制备例1-4所得聚醚硅烷聚合物。
制备例2-5，一种改性钢纤维，与制备例1的区别在于，步骤2中采用等量3-氨基丙基三甲氧基硅烷替代制备例1-4所得聚醚硅烷聚合物。
制备例2-6，一种改性钢纤维，与制备例1的区别在于，步骤2中采用等量烷基酚聚氧乙烯醚替代制备例1-4所得聚醚硅烷聚合物。
制备例2-7，一种改性钢纤维，与制备例1的区别在于，步骤2中未加入聚醚硅烷聚合物，具体操作为将1㎏正硅酸甲酯溶于60L pH为5的醋酸水溶液中，浸入预处理钢纤维，4h后过滤干燥即得改性钢纤维。
制备例2-8，一种改性钢纤维，与制备例1的区别在于，改性剂中未采用正硅酸甲酯。改性步骤为：将10㎏钢纤维浸渍于80㎏2.5wt％的植酸水溶液中,进行络合反应，1.5h后加入得到预处理钢纤维；0.75㎏的制备例1-1所得聚醚硅烷化合物，继续浸渍反应1h，待反应完成后过滤、干燥即得改性钢纤维。
制备例2-9，一种改性钢纤维，与制备例1的区别在于，改性剂中未采用有机酸，改性步骤为：将1㎏正硅酸甲酯溶于60L pH为5的醋酸水溶液中，浸入钢纤维，3h后加入0.75㎏的制备例1-1所得聚醚硅烷化合物，继续浸渍反应1h，待反应完成后过滤、干燥即得改性钢纤维。
改性球形氧化铝制备例
制备例3-1，改性球形氧化铝(D50粒径为60～80μm)，将10㎏球形氧化铝和0.2㎏三甲基甲氧基硅烷搅拌共混即得。
制备例3-2，改性球形氧化铝(D50粒径为60～80μm)，将10㎏球形氧化铝和0.1㎏三甲基甲氧基硅烷搅拌共混即得。
制备例3-3，改性球形氧化铝(D50粒径为60～80μm)，将10㎏球形氧化铝和0.5㎏三甲基甲氧基硅烷搅拌共混即得。
制备例3-4，改性球形氧化铝(D50粒径为60～80μm)，将10㎏球形氧化铝和0.2㎏二甲基二甲氧基硅烷搅拌共混即得。
制备例3-5，改性球形氧化铝(D50粒径为60～80μm)，将10㎏球形氧化铝和0.2㎏甲基三甲氧基硅烷搅拌共混即得。
实施例
以下实施例所用钢纤维的平均长度为30～50mm，直径为0.2～0.5mm；水泥采用复合硅酸盐水泥(P.C42.5)；粗骨料为5～20mm连续级配的天然碎石；细骨料为细度模数为2.6-3.0的Ⅱ区中砂，含泥量＜2.0％。
实施例1，一种防锈钢纤混凝土，按照如下步骤制备得到：
预混：将150㎏细骨料、260㎏粗骨料与100㎏水泥搅拌均匀，再加入36㎏水和0.55㎏聚羧酸减水剂，搅拌均匀，制得预混料；
拌合：向预混料中加入23.5㎏制备例2-1所得改性钢纤维、3㎏制备例3-1所得改性球形氧化铝和0.3㎏三萜皂苷引气剂，拌合均匀即得。
实施例2，一种防锈钢纤混凝土，按照如下步骤制备得到：
预混：将130㎏细骨料、300㎏粗骨料与100㎏水泥搅拌均匀，再加入40㎏水和1㎏聚羧酸减水剂，搅拌均匀，制得预混料；
拌合：向预混料中加入10㎏制备例2-2所得改性钢纤维、1㎏制备例3-2所得改性球形氧化铝和0.1㎏三萜皂苷引气剂，拌合均匀即得。
实施例3，一种防锈钢纤混凝土，按照如下步骤制备得到：
预混：将160㎏细骨料、230㎏粗骨料与100㎏水泥搅拌均匀，再加入30㎏水和0.1㎏聚羧酸减水剂，搅拌均匀，制得预混料；
拌合：向预混料中加入30㎏制备例2-3所得改性钢纤维、5㎏制备例3-3所得改性球形氧化铝和0.5㎏松香类引气剂，拌合均匀即得。
实施例4，一种防锈钢纤混凝土，与实施例1的区别在于，采用制备例2-4所得改性钢纤维。
实施例5，一种防锈钢纤混凝土，与实施例1的区别在于，采用制备例2-5所得改性钢纤维。
实施例6，一种防锈钢纤混凝土，与实施例1的区别在于，采用制备例2-6所得改性钢纤维。
实施例7，一种防锈钢纤混凝土，与实施例1的区别在于，采用制备例2-7所得改性钢纤维。
实施例8，一种防锈钢纤混凝土，与实施例1的区别在于，采用制备例3-4所得改性球形氧化铝。
实施例9，一种防锈钢纤混凝土，与实施例1的区别在于，采用制备例3-5所得改性球形氧化铝。
实施例10，一种防锈钢纤混凝土，与实施例1的区别在于，采用等量未改性的球形氧化铝替代改性球形氧化铝。
实施例11，一种防锈钢纤混凝土，与实施例1的区别在于，采用等量氧化铝替代改性球形氧化铝。
实施例12，一种防锈钢纤混凝土，与实施例1的区别在于，采用等量制备例2-1所得改性钢纤维替代改性球形氧化铝。
实施例13，一种防锈钢纤混凝土，与实施例1的区别在于，采用等量中空玻璃微珠(D50粒径为60～80μm)替代改性球形氧化铝。
对比例
对比例1，一种防锈钢纤混凝土，与实施例1的区别在于，采用制备例2-8所得改性钢纤维。
对比例2，一种防锈钢纤混凝土，与实施例1的区别在于，采用制备例2-9所得改性钢纤维。
对比例3，一种防锈钢纤混凝土，与实施例1的区别在于，采用等量未改性的钢纤维替代制备例2-1所得改性钢纤维。
性能检测试验
1、防锈性能测试：取上述各实施例与对比例所用改性钢纤维或常规钢纤维10根，置于23±2℃，50±5RH％的室内环境下，每隔12h向试块各表面均匀喷淋一次20wt％的氯化钠水溶液，每次100ml，7d后将观察钢纤维锈蚀情况。以锈蚀面积超过20％的钢纤维数量表征试验结果。
2、抗开裂性能测试：按照GB/T 50082-2009中的规定，测定混凝土浇筑24h单位面积上的总开裂面积(mm2/㎡)，以表征混凝土抗开裂性能。单位面积上的总开裂面积越小，则其早期抗开裂性能越好。
3、混凝土强度性能测试：按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》的规定进行测试。
表1、试验结果
结果分析：
1、结合实施例1～12和对比例1～3并结合表1可以看出，本申请通过采用有机酸与正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯对钢纤维进行表面改性，显著的提高了钢纤维的防锈效果。其原因可能在于，有机酸与正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯依次在钢纤维表面形成了络合物膜和疏水性有机硅膜，有效阻隔了氧气、水和氯离子等腐蚀性离子与钢纤维的接触和反应。
2、结合实施例1和实施例5～7并结合表1可以看出，本申请在上述改性基础上，进一步采用聚醚硅烷化合物进行处理，有利于提高混凝土的抗开裂性能和抗压强度。其原因可能在于，长链聚醚硅烷化合物通过其硅羟基接枝于前述膜层表面，能够起到良好的空间位阻作用，有效抑制钢纤维的结团现象，促进钢纤维分散并降低混凝土体系摩擦阻力，从而提高混凝土体系的和易性，进而有利于混凝土体系的充分分散水化，提高其强度性能。
在此基础上，结合实施例4可知，聚醚硅烷化合物的反应温度过高将导致产物接枝后的分散减摩性能下降。
3、结合实施例1和实施例8～11并结合表1可以看出，本申请通过采用三甲基甲氧基硅烷改性球形氧化铝，能够有效提高钢纤维混凝土的抗开裂性能和抗压强度，采用未改性的球形氧化铝则不能达到最佳效果。而采用常规氧化铝则效果更差。
4、结合实施例1和实施例12～13并结合表1可以看出，采用改性钢纤维替代前述改性球形氧化铝，虽然能够利用钢纤维的抗拉效果来提高混凝土的抗开裂性能，但不利于改善混凝土的和易性，导致混凝土抗压强度下降是。而采用具有减摩作用的中空玻璃微珠替代改性球形氧化铝，可提高混凝土和易性，改善其抗压强度，但不利于提高混凝土的导热性，进而使得混凝土抗开裂性能下降。
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 (9)
1.一种防锈钢纤混凝土，其特征在于，包括如下重量份的原料：
水泥：100份；
细骨料：130～160份；
粗骨料：230～300份；
改性钢纤维：10～30份；
水：30～40份；
减水剂：0.1～1.0份；
引气剂：0.1～0.5份；
所述改性钢纤维由包括质量比为（3～4）：1的有机酸与正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯的改性剂改性得到，所述有机酸采用植酸和单宁酸中的一种或其组合；
所述改性剂还包括有聚醚硅烷化合物，所述正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯与聚醚硅烷化合物的质量比为1：（0.5～1）；所述聚醚硅烷化合物由摩尔比为2～4:1的聚氧乙烯醚类表活和硅烷偶联剂在酸催化剂下反应得到；
所述聚醚硅烷化合物通过其硅羟基接枝于所述有机酸与正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯形成的膜层表面。
2.根据权利要求1所述的一种防锈钢纤混凝土，其特征在于，所述反应温度为50～70℃。
3.根据权利要求1所述的一种防锈钢纤混凝土，其特征在于，所述聚氧乙烯醚类表活采用脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯脂肪酸酯、烷基苯酚聚氧乙烯醚和聚氧乙烯脂肪胺中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种防锈钢纤混凝土，其特征在于，所述硅烷偶联剂采用氨基硅烷偶联剂、环氧基硅烷偶联剂、巯基硅烷偶联剂中的任一种。
5.根据权利要求1所述的一种防锈钢纤混凝土，其特征在于，所述改性钢纤维按照如下方法制得：
步骤1：将钢纤维浸渍于有机酸的水溶液中进行络合反应，干燥后得到预处理钢纤维；
步骤2：将正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯溶于酸性水溶液中，浸入预处理钢纤维，一段时间后加入聚醚硅烷化合物，继续浸渍反应，待反应完成后干燥即得。
6.根据权利要求1所述的一种防锈钢纤混凝土，其特征在于，所述防锈钢纤混凝土的原料还包括1～5份的球形氧化铝。
7.根据权利要求6所述的一种防锈钢纤混凝土，其特征在于，所述球形氧化铝表面修饰有三甲基甲氧基硅烷。
8.为根据权利要求1～7任一项所述的一种防锈钢纤混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
预混：将细骨料、粗骨料与水泥搅拌均匀，再加入水和减水剂，混合均匀，制得预混料；
拌合：向预混料中加入改性钢纤维和引气剂，拌合均匀即得。
9.根据权利要求8所述的一种防锈钢纤混凝土的制备方法，其特征在于，拌合步骤中，与改性钢纤维一同加入有1～5份的球形氧化铝。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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