CN116003065B - 一种高耐候性玄武岩纤维混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高耐候性玄武岩纤维混凝土及其制备方法，属于混凝土技术领域，本发明在混凝土的制备过程中加入硅烷偶联剂改性的玄武岩纤维，改性玄武岩纤维表面现纳米花状的微裂纹，增大了比表面积，防止应力集中，有效增加界面粘结强度，无需加入减水剂，提高混凝土的耐候性，还可以缩短养护时间，由常规的3‑5d缩短至24‑48h。

Description

一种高耐候性玄武岩纤维混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，特别是涉及一种高耐候性玄武岩纤维混凝土及其制备方法。
背景技术
以水泥作为胶凝材料的混凝土已经被普遍应用于土木建筑行业一个多世纪的时间，对混凝土的需求量增加的同时，建筑功能的不断丰富，越来越多新型建筑结构形式出现，普通混凝土在很多时候已经难以在保持节能、节材、环保、高效的前提下同时又满足人们更高的要求，这势必需要开发利用更多具有优良性能的新型混凝土。
普通混凝土广泛应用于土木工程领域，但是其存在抗折强度低、易开裂等脆性材料难以避免的缺点，很多海内外的资料显示，因为混凝土结构耐候性出现问题而造成的经济损失巨大，且这种问题日益加剧。
因此，有必要提供一种高耐候性玄武岩纤维混凝土及其制备方法。
发明内容
为了提高混凝土的强度和耐候性能，本发明的目的是提供一种高耐候性玄武岩纤维混凝土及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种高耐候性玄武岩纤维混凝土，每立方米混凝土由以下原料组成：水140-160kg，水泥420-450kg，粗骨料900-1000kg，细骨料600-700kg，改性玄武岩纤维1.5-1.8kg。
玄武岩纤维掺杂量比较少时，不能在混凝土内部形成用于支撑整个浆体材料的三维网络结构，玄武岩纤维掺杂量比较多时，玄武岩纤维会发生粘结，导致其在混凝土内部分布不均匀，造成内部部分空隙增加，因此对混凝土的增韧效果不佳。因此，本发明限定了玄武岩纤维的掺杂量为1.5-1.8kg/m3(即每立方混凝土中添加玄武岩纤维1.5-1.8kg)。
优选的，所述水泥为普通硅酸盐水泥，等级为42.5R，42.5R级硅酸盐水泥，水化热量小，可以减少混凝土内外温度变化，减少裂缝的产生。
优选的，所述粗骨料的粒径为60-75mm。
优选的，所述细骨料的细度模数为2.5-2.7。
优选的，所述改性玄武岩纤维的制备方法如下：
(1)采用硅烷偶联剂对氧化石墨烯溶液进行改性，得到改性氧化石墨烯；
(2)将改性氧化石墨烯分散于水中，得到分散液，将玄武岩纤维浸泡于所述分散液中，固化，得到改性玄武岩纤维。
优选的，在改性玄武岩纤维的制备方法中，步骤(1)中，硅烷偶联剂与氧化石墨烯溶液的料液比为1g：(15-20)mL。
优选的，所述氧化石墨烯溶液的浓度为5mg·mL-1。
优选的，硅烷偶联剂为KH550、KH560或KH570。
优选的，在采用硅烷偶联剂对氧化石墨烯溶液进行改性过程中，加入盐酸调节pH至4-5，再进行反应。
优选的，在改性玄武岩纤维的制备方法中，步骤(1)中，反应温度为50-60℃，反应时间为1-2h。
优选的，在改性玄武岩纤维的制备方法中，步骤(2)中，固化温度为80-90℃，固化时间为2-3h。
对玄武岩纤维进行改性后，可以使玄武岩纤维表面出现纳米花状的微裂纹，增大比表面积，防止应力集中，有效增加界面粘结强度。硅烷偶联剂对氧化石墨烯进行改性后，硅烷分子和烷基链接枝到氧化石墨烯片层表面和氧化石墨烯片层间，氧化石墨烯的层间距增加，同时使氧化石墨烯从不同方向连接在一起，形成杂乱的结构。硅烷偶联剂的引入降低了氧化石墨烯层间亲水性，也降低了层间游离水和吸附水含量，由此提高改性玄武岩纤维的热稳定性。
一种所述高耐候性玄武岩纤维混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将水和改性玄武岩纤维混合，搅拌2-5min，加入粗骨料，搅拌10-15min，再加入细骨料，搅拌5-10min，养护，即得到高耐候性玄武岩纤维混凝土。
优选的，在所述高耐候性玄武岩纤维混凝土的制备方法中，养护温度为20-40℃，养护时间为24-48h。
混凝土不耐高温的原因是：从混凝土内部化学结构来看，在高温下，水泥水化产物失水，胶凝材料的整体结构遭到破坏，从而造成骨料之间的相互分离。从混凝土结构的内部受力来看，混凝土在高温状态内部产生温度梯度，温度梯度在混凝土结构内部形成拉应力，从而使混凝土结构受力破坏。当混凝土强度较高时，其韧性较低，高温状态混凝土内部水汽化逃逸产生压力，造成混凝土的机械破坏。为了解决混凝土不耐高温的问题，本发明在混凝土的制备过程中加入玄武岩纤维，内部掺杂的纤维在混凝土受力时能够在一定程度上传递和协调混凝土结构内力，使其内力分布更均匀，从而延缓了脆弱部位的出现，增强混凝土的力学强度。混凝土在1000℃下恒温5h保持整体稳定性，剩余强度为15-23MPa，混凝土出现液相温度超过1350℃。改性玄武岩纤维在混凝土内部的掺杂，在一定程度上还可以起到钢筋的作用，增强混凝土的整体性，而且由于改性玄武岩纤维的比表面积更大，混凝土整体性更强，使得玄武岩纤维混凝土具有更优异的韧性、抗疲劳特性和抗冲击性能。
本发明公开了以下技术效果：
本发明在制备混凝土的过程中加入了改性玄武岩纤维，改性玄武岩纤维表面出现纳米花状的微裂纹，增大了比表面积，防止应力集中，有效增加界面粘结强度，无需加入减水剂，提高混凝土的耐候性，还可以缩短养护时间，由常规的3-5d缩短至24-48h。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明实施例中的水泥为购自哈尔滨亚泰水泥厂生产的天鹅牌42.5级普通硅酸盐水泥(旋窑)。
本发明实施例中未改性玄武岩纤维购自浙江杭州纤维厂生产的玄武岩纤维，单纤直径为13μm，长度为10mm，密度为2645kg·m-3，抗拉强度为2630MPa，弹性模量为86GPa，极限延伸率为2.85％。
本发明实施例中的粗骨料为粒径为60-75mm的碎石，细骨料为细度模数为2.5-2.7的天然河砂。
本发明中的室温指的是25±2℃。
实施例1
制备改性玄武岩纤维：
(1)将20mL浓度为5mg·mL-1的氧化石墨烯溶液加入烧杯中，加入1g硅烷偶联剂KH550，用盐酸调节pH为4，50℃水浴反应2h，冷却至室温，离心，使用去离子水洗涤，去除未反应的硅烷偶联剂，得到改性氧化石墨烯；
(2)将改性氧化石墨烯分散于20mL水中，得到分散液，将玄武岩纤维浸泡于所述分散液中，置于80℃真空干燥箱中固化3h，得到改性玄武岩纤维。
制备高耐候性玄武岩纤维混凝土：
每立方米混凝土由以下原料组成：水140kg，水泥430kg，粗骨料1000kg，细骨料600kg，改性玄武岩纤维1.5kg。
按照上述配比，将水和改性玄武岩纤维混合，搅拌3min，加入粗骨料，搅拌10min，再加入细骨料，搅拌5min，20℃养护48h，即得到高耐候性玄武岩纤维混凝土。
混凝土耐高温性能：混凝土在1000℃下恒温5h保持整体稳定性，剩余强度为15MPa，混凝土出现液相温度为1250℃。
实施例2
制备改性玄武岩纤维：
(1)将20mL浓度为5mg·mL-1的氧化石墨烯溶液加入烧杯中，加入1g硅烷偶联剂KH560，用盐酸调节pH为4，60℃水浴反应1h，冷却至室温，离心，使用去离子水洗涤，去除未反应的硅烷偶联剂，得到改性氧化石墨烯；
(2)将改性氧化石墨烯分散于20mL水中，得到分散液，将玄武岩纤维浸泡于所述分散液中，置于90℃真空干燥箱中固化2h，得到改性玄武岩纤维。
制备高耐候性玄武岩纤维混凝土：
每立方米混凝土由以下原料组成：水150kg，水泥430kg，粗骨料900kg，细骨料600kg，改性玄武岩纤维1.6kg。
按照上述配比，将水和改性玄武岩纤维混合，搅拌4min，加入粗骨料，搅拌12min，再加入细骨料，搅拌8min，30℃养护24h，即得到高耐候性玄武岩纤维混凝土。
混凝土耐高温性能：混凝土在1000℃下恒温5h保持整体稳定性，剩余强度为23MPa，混凝土出现液相温度为1380℃。
实施例3
制备改性玄武岩纤维：
(1)将15mL浓度为5mg·mL-1的氧化石墨烯溶液加入烧杯中，加入1g硅烷偶联剂KH570，用盐酸调节pH为5，60℃水浴反应1h，冷却至室温，离心，使用去离子水洗涤，去除未反应的硅烷偶联剂，得到改性氧化石墨烯；
(2)将改性氧化石墨烯分散于20mL水中，得到分散液，将玄武岩纤维浸泡于所述分散液中，置于80℃真空干燥箱中固化2h，得到改性玄武岩纤维。
制备高耐候性玄武岩纤维混凝土：
每立方米混凝土由以下原料组成：水160kg，水泥420kg，粗骨料900kg，细骨料700kg，改性玄武岩纤维1.8kg。
按照上述配比，将水和改性玄武岩纤维混合，搅拌5min，加入粗骨料，搅拌15min，再加入细骨料，搅拌10min，30℃养护48h，即得到高耐候性玄武岩纤维混凝土。
混凝土耐高温性能：混凝土在1000℃下恒温2h保持整体稳定性，剩余强度为20MPa，混凝土出现液相温度为1350℃。
实施例4(改性玄武岩纤维掺杂量过高)
制备改性玄武岩纤维：
(1)将20mL浓度为5mg·mL-1的氧化石墨烯溶液加入烧杯中，加入1g硅烷偶联剂KH560，用盐酸调节pH为4，60℃水浴反应1h，冷却至室温，离心，使用去离子水洗涤，去除未反应的硅烷偶联剂，得到改性氧化石墨烯；
(2)将改性氧化石墨烯分散于20mL水中，得到分散液，将玄武岩纤维浸泡于所述分散液中，置于90℃真空干燥箱中固化2h，得到改性玄武岩纤维。
制备高耐候性玄武岩纤维混凝土：
每立方米混凝土由以下原料组成：水150kg，水泥430kg，粗骨料900kg，细骨料600kg，改性玄武岩纤维2.0kg。
按照上述配比，将水和改性玄武岩纤维混合，搅拌4min，加入粗骨料，搅拌12min，再加入细骨料，搅拌8min，30℃养护24h，即得到高耐候性玄武岩纤维混凝土。
混凝土耐高温性能：混凝土在1000℃下恒温3h保持整体稳定性，剩余强度为5MPa。
实施例5(改性玄武岩纤维掺杂量过低)
制备改性玄武岩纤维：
(1)将20mL浓度为5mg·mL-1的氧化石墨烯溶液加入烧杯中，加入1g硅烷偶联剂KH560，用盐酸调节pH为4，60℃水浴反应1h，冷却至室温，离心，使用去离子水洗涤，去除未反应的硅烷偶联剂，得到改性氧化石墨烯；
(2)将改性氧化石墨烯分散于20mL水中，得到分散液，将玄武岩纤维浸泡于所述分散液中，置于90℃真空干燥箱中固化2h，得到改性玄武岩纤维。
制备高耐候性玄武岩纤维混凝土：
每立方米混凝土由以下原料组成：水150kg，水泥430kg，粗骨料900kg，细骨料600kg，改性玄武岩纤维1.0kg。
按照上述配比，将水和改性玄武岩纤维混合，搅拌4min，加入粗骨料，搅拌12min，再加入细骨料，搅拌8min，30℃养护24h，即得到高耐候性玄武岩纤维混凝土。
混凝土耐高温性能：混凝土在1000℃下恒温3h保持整体稳定性，剩余强度为8MPa。
实施例6(直接加入购买的未改性玄武岩纤维)
制备高耐候性玄武岩纤维混凝土：
每立方米混凝土由以下原料组成：水150kg，水泥430kg，粗骨料900kg，细骨料600kg，未改性玄武岩纤维1.6kg。
按照上述配比，将水和未改性玄武岩纤维混合，搅拌4min，加入粗骨料，搅拌12min，再加入细骨料，搅拌8min，30℃养护24h，即得到高耐候性玄武岩纤维混凝土。
混凝土耐高温性能：混凝土在1000℃下恒温2h无法保持整体稳定性。
性能测试
对本发明实施例1-6所得高耐候性玄武岩纤维混凝土进行性能测试，测试方法如下：
1、坍落度、流动性：按照GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验标准》进行测试；
2、抗压强度和抗折强度：按照GB/T50107-2010《混凝土强度检验评定标准》进行检测；
3、劈裂强度：按照JTG 3420-2020《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行测试；
4、抗弯拉强度、抗冻融性能：按照JTG 3420-2020《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行测试；
5、抗渗性能、限制收缩率：按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试；
具体结果见表1。
表1
由表1可知，本发明实施例1-3制备的混凝土呈现了良好的强度性能、抗冻性和抗渗性，综合性能良好。而改变了改性玄武岩纤维加入比例的实施例4-5和直接添加未改性玄武岩纤维的实施例6，其强度性能、抗渗性能等均呈现了不同程度的减弱。可以说明，本发明改性玄武岩纤维对于提高混凝土的耐候性起到关键作用，添加量减少，无法发挥应有的增强效果，而添加量过多，反而会因为团聚应力集中而导致开裂。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种高耐候性玄武岩纤维混凝土，其特征在于，每立方米混凝土由以下原料组成：水140-160kg，水泥420-450kg，粗骨料900-1000kg，细骨料600-700kg，改性玄武岩纤维1.5-1.8kg；
所述改性玄武岩纤维的制备方法如下：
(1)采用硅烷偶联剂对氧化石墨烯溶液进行改性，得到改性氧化石墨烯；
(2)将改性氧化石墨烯分散于水中，得到分散液，将玄武岩纤维浸泡于所述分散液中，固化，得到改性玄武岩纤维；
步骤(1)中，硅烷偶联剂与氧化石墨烯溶液的料液比为1g：(15-20)mL，反应温度为50-60℃，反应时间为1-2h；
步骤(2)中，固化温度为80-90℃，固化时间为2-3h；
所述水泥为42.5级普通硅酸盐水泥；
所述粗骨料的粒径为60-75mm。
2.根据权利要求1所述一种高耐候性玄武岩纤维混凝土，其特征在于，所述细骨料的细度模数为2.5-2.7。
3.一种权利要求1-2任一项所述高耐候性玄武岩纤维混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将水和改性玄武岩纤维混合，搅拌2-5min，加入粗骨料，搅拌10-15min，再加入细骨料，搅拌5-10min，养护，即得到高耐候性玄武岩纤维混凝土。
4.根据权利要求3所述高耐候性玄武岩纤维混凝土的制备方法，其特征在于，养护温度为20-40℃，养护时间为24-48h。
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