CN116217182A - 绿色高强耐高温多尺度纤维增强橡胶混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其是涉及一种绿色高强耐高温多尺度纤维增强橡胶混凝土及其制备方法，通过对胶凝材料进行调配，并配合多尺度纤维，解决橡胶混凝土强度低的问题，同时提高其耐高温性能，具有绿色环保、高强度、高延性、抗爆裂、耐高温等特点，有利于橡胶混凝土在建筑结构中的推广使用。

Description

绿色高强耐高温多尺度纤维增强橡胶混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其是涉及一种绿色高强耐高温多尺度纤维增强橡胶混凝土及其制备方法。
背景技术
随着全球人口增长与汽车行业的飞速发展，废弃轮胎的数量大幅增加。废弃轮胎会产生大量的橡胶废料，这些废弃橡胶不能够自然降解，易传播各类疾病，造成严重的环境污染问题，如何处置这些橡胶废料亟待解决。将废弃橡胶回收利用到建筑材料当中，是克服废弃橡胶污染的有效方法之一。近年来绿色发展的主题同样要求建筑行业发展绿色建筑和新型建材，充分发挥建筑固废的资源化再利用，成为突破绿色建材发展的瓶颈之一。废弃橡胶替代传统的混凝土骨料，引起国内外众多学者的关注。
橡胶混凝土有着良好的韧性和延性，优良的抗冲击性能和弯曲性能，然而替代骨料后，随着橡胶掺量的增加，橡胶颗粒与基体的粘结性能较差，混凝土的强度会显著降低，限制其在建筑结构中的使用。此外，考虑高温对混凝土结构的影响是非常有必要的，尤其是对于高强混凝土，由于其自身的密实性，火灾高温下容易发生爆裂破坏。混凝土一旦发生表面剥落或爆裂，不仅承载能力将大大降低，而且爆裂产生的裂缝也会加速混凝土结构内部的碳化，使钢筋锈蚀，严重影响其耐久性，然而，现有技术并未对橡胶混凝土的耐高温性能进行研究。
发明内容
为克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种高强耐高温橡胶混凝土，尤其是涉及一种绿色高强耐高温多尺度纤维增强橡胶混凝土及其制备方法，通过对胶凝材料进行调配，并配合多尺度纤维，解决橡胶混凝土强度低的问题，同时提高其耐高温性能，具有绿色环保、高强度、高延性、耐高温等特点，有利于橡胶混凝土在建筑结构中的推广使用。
具体的，本发明绿色高强耐高温多尺度纤维增强橡胶混凝土,原料由水泥、粉煤灰、硅灰、石英砂、橡胶颗粒、水、高效减水剂、多尺度纤维组成。
优选的，本发明绿色高强耐高温多尺度纤维增强橡胶混凝土,由如下原料组成：
水泥650-900份，
粉煤灰150-250份，
硅灰100-300份，
石英砂440-735份，
橡胶颗粒30-100份，
水230-260份，
高效减水剂8-17份，上述份为重量份，
多尺度纤维体积掺量为2-5%，例如，1立方米混凝土中按0.02-0.05立方米纤维进行称量。
更优选的，多尺度纤维由改性钢纤维、合成纤维、晶须按体积比为1-2:1-2:1-3组成。
本发明采用市售原料，成本低，制备过程中水泥、粉煤灰、硅灰、石英砂、橡胶颗粒、水、高效减水剂按重量份称取，多尺度纤维采用体积法量取，制备工艺简单。
优选的，所述水泥为等级42.5或52.5的普通硅酸盐水泥。
优选的,所述粉煤灰为一级粉煤灰，更优选的，粉煤灰密度为2490kg/m3，含水率小于0.5%。
本发明采用水泥、粉煤灰和硅灰作为胶凝材料，经实验研究发现，其更有利于橡胶混凝土力学性能和耐高温性能的提高，并且粉煤灰和硅灰的大量使用可降低混凝土成本，提高废弃物利用率，变废为宝，实现绿色环保。
优选的，所述石英砂粒径为0.2-1mm。
优选的，所述橡胶颗粒粒径为20-40目。本发明采用橡胶颗粒部分替代石英砂，其体积替代率大约在10-30%，可实现废橡胶的高效再利用。
优选的，所述高效减水剂为聚羧酸高效减水粉剂，减水率大于30%。
优选的，本发明对钢纤维表面进行改性，具体的，所述改性钢纤维制备方法为：用砂纸沿钢纤维长度方向打磨10-15次，随后采用溶胶-凝胶法，使钢纤维表面包裹纳米二氧化硅薄膜。
更优选的，本发明对钢纤维表面进行改性处理，首先进行物理处理，用180目砂纸沿纤维长度方向打磨10-15次。然后进行化学处理，用氢氧化钠溶液或浓硝酸清洗钢纤维表面，去除杂质，随后用去离子水冲洗钢纤维至pH值约为7并风干备用，然后制备表面处理剂，使用1000ml无水乙醇作为溶剂，向其中加入80ml质量分数为1%的原硅酸乙酯和十六烷基三甲基溴化铵，随后将处理过的钢纤维加入到表面处理剂中，添加40ml氨水，超声分散30min，再进行45℃水浴12h，拿出钢纤维后用去离子水冲洗干净，在60℃下干燥。然而，上述改性处理仅为一个示例，其他可使钢纤维表面包裹纳米二氧化硅薄膜的方法也同样适用于本发明。
本发明钢纤维表面进行改性，采用物理方法和化学方法相结合，首先进行物理方法改性，用180目砂纸沿钢纤维长度方向打磨10-15次，增加钢纤维表面粗糙度，随后采用溶胶-凝胶法，使钢纤维表面包裹纳米二氧化硅薄膜，该二氧化硅可与水泥水化产物氢氧化钙进行反应，不但提高钢纤维与水泥基体的粘结性能，从而提高界面强度，并且，纳米二氧化硅薄膜可提高钢纤维在高温下的稳定性，有效抵消高温下橡胶混凝土的强度损失。
优选的，所述改性钢纤维长度为13-15mm，直径为0.12-0.18mm，抗拉强度大于2.8Gpa。
优选的，所述合成纤维为聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维或聚丙烯纤维，长度12-15mm，直径为0.021-0.031mm，抗拉强度大于1.4GPa。
优选的，所述晶须为碳酸钙晶须或硫酸钙晶须，晶须长度为0.05-0.08mm，直径为0.5-1.2μm，抗拉强度大于3GPa。
本发明采用改性钢纤维、合成纤维和晶须作为多尺度纤维，其中，改性钢纤维增强了纤维与基体的相互作用，具有优异的力学性能，能够显著提高橡胶混凝土的强度，随着钢纤维掺量的增加，橡胶混凝土的强度增加，钢纤维经表面改性后，同样可提高橡胶混凝土的耐高温性能；聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维作为合成纤维可以显著提高橡胶混凝土的韧性，并且，合成纤维的熔点较低，聚乙烯醇纤维熔点为225℃-230℃，聚乙烯纤维熔点为108℃-126℃，聚丙烯纤维熔点为165℃-173℃，高温后熔化，为橡胶混凝土结构内部水蒸气的逸出提供通道，有效抑制了高温爆裂现象，提高橡胶混凝土的高温性能，但是逸出通道的产生会导致橡胶混凝土在高温下的力学性能，且橡胶颗粒的掺入，纤维与基体的相互作用减弱，且显著增加混凝土有害孔的数量，从而降低混凝土的强度，高温后，由于橡胶软化，承受荷载时沿基体界面处容易形成裂缝，强度劣化更加明显，本发明添加晶须，属于微米尺度的纤维，其首先增强了纤维与橡胶混凝土基体之间的粘结，抑制混凝土水化硬化过程中微裂缝的产生与扩展，减少了橡胶混凝土中的有害孔数量，细化孔隙结构，提高力学强度，并且，晶须高温稳定，可有效降低橡胶混凝土在高温下橡胶颗粒软化和合成纤维逸出通道的产生导致的混凝土高温力学性能降低和强度失效；此外，本发明微米尺度纤维可从微观尺度抑制混凝土中裂缝的形成与扩展，钢纤维与合成纤维可从宏观尺度抑制混凝土的开裂，两者共同作用，进一步提高橡胶混凝土的强度与高温性能。
本发明还涉及上述绿色高强耐高温多尺度纤维增强橡胶混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将橡胶料粒采用碱性溶液浸泡，清水洗涤，干燥，得橡胶颗粒；
2）按配比称取水泥、粉煤灰、硅灰、石英砂、橡胶颗粒、减水剂、晶须，搅拌均匀，加入2/3的水，搅拌均匀，得混合料1；
3）向混合料1中加入改性钢纤维、合成纤维，搅拌均匀，加入剩余1/3的水，搅拌均匀，得混凝土浆料；
4）将混凝土浆料成型、振捣、脱模、养护，即得。
优选的，步骤1）中采用1%质量分数的NaOH溶液作为碱性溶液，浸泡时间为24h，采用自然通风或烘干进行干燥。
优选的，步骤2）-3）中，搅拌采用强制搅拌机，转速不小于120r/min。
优选的，步骤4）中振捣采用振动台或手提式振动器，振捣密实后过24h脱模，所述养护为标准养护，养护时间为28d，标准养护时控制温度为20±2℃，湿度为90 ± 5%。
本发明具有如下技术优势：
1）本发明利用废弃橡胶，解决废弃轮胎处理问题，并且替代混凝土传统骨料，降低成本，更加轻质，节能减排，绿色环保；
2）本发明混凝土基体强度较高，多尺度纤维的加入进一步提高了橡胶混凝土强度，抗压强度可达110MPa，解决了橡胶混凝土强度低的问题，可用于建筑结构承载；
3）改性钢纤维、合成纤维、晶须之间相互桥接，从宏观和微观多尺度抑制橡胶混凝土的开裂，增加橡胶混凝土的韧性与耐久性；
4）钢纤维表面进行改性，弥补了橡胶颗粒的掺入弱化纤维与基体间相互作用的不足，增强了纤维与基体的粘结，充分发挥钢纤维提高强度的作用；
5）碳酸钙晶须、硫酸钙晶须微观尺度纤维的加入，进一步增强了纤维与基体之间的粘结，细化了橡胶混凝土内部孔隙结构，减少基体由于橡胶颗粒的加入造成的有害孔数量增加。另一方面，晶须在高温下发生固相反应，改善基体内部的孔隙分布，提高橡胶混凝土高温后的强度和韧性；
6）充分利用合成纤维低熔点的特性，高温后熔融，为水蒸气的逸出提供通路，有效避免爆裂现象，改性钢纤维和晶须的熔点较高，高温后仍能提供强度，提高了橡胶混凝土高温后的残余力学性能，多尺度纤维协同作用，增强了橡胶混凝土耐高温性能。
具体实施方式
为对本发明绿色高强耐高温多尺度纤维增强橡胶混凝土的效果进行描述，通过调整原料和配比制备试件并进行28d养护后，置于不同温度下处理2h后，进行抗压强度测试。其中，水泥采用PO52.5水泥；粉煤灰采用一级粉煤灰，密度为2490kg/m3，含水率0.5%；石英砂粒径为0.2-1mm橡胶颗粒采用20目、30目、40目分别按6：3：1掺入；改性钢纤维长13mm，直径0.12mm规格，合成纤维采用聚乙烯醇纤维，长12mm，直径0.031mm规格；晶须采用碳酸钙晶须，长0.05-0.08mm，直径0.5-1.2μm。
实施例1
绿色高强耐高温多尺度纤维增强橡胶混凝土，由以下原料组成：水泥815重量份、粉煤灰204重量份、硅灰204重量份、石英砂440重量份、橡胶颗粒97重量份、水245重量份、高效减水剂16.3重量份，改性钢纤维体积掺量1%，聚乙烯醇纤维体积掺量1%，碳酸钙晶须体积掺量2%。
经检测，试件常温抗压强度119.7MPa，200℃处理后抗压强度113.4MPa，400℃处理后抗压强度63.4MPa，600℃处理后抗压强度40.1MPa。
实施例2
绿色高强耐高温多尺度纤维增强橡胶混凝土，由以下原料组成：水泥815重量份、粉煤灰204重量份、硅灰204重量份、石英砂518重量份、橡胶颗粒80重量份、水240重量份、高效减水剂9.8重量份，改性钢纤维体积掺量1%，聚乙烯醇纤维体积掺量2%，碳酸钙晶须体积掺量2%。
经检测，试件常温抗压强度125.2MPa，200℃处理后抗压强度119.0MPa，400℃处理后抗压强度69.3MPa，600℃处理后抗压强度40.6MPa。
对比例1
橡胶混凝土，由以下原料组成：水泥815重量份、粉煤灰204重量份、硅灰204重量份、石英砂571重量份、橡胶颗粒80重量份、水240重量份、高效减水剂9.8重量份。
经检测，试件常温抗压强度83.6MPa，200℃处理后抗压强度66.1MPa，400℃处理后试件爆裂，600℃处理后试件爆裂。
对比例2
橡胶混凝土，由以下原料组成：水泥815重量份、粉煤灰204重量份、硅灰204重量份、石英砂518重量份、橡胶颗粒80重量份、水240重量份、高效减水剂9.8重量份，钢纤维体积掺量1%，聚乙烯醇纤维体积掺量2%，碳酸钙晶须体积掺量2%。
经检测，试件常温抗压强度98.2MPa，200℃处理后抗压强度78.7MPa，400℃处理后抗压强度41.2MPa，600℃处理后抗压强度32.9MPa。
对比例3
橡胶混凝土，由以下原料组成：水泥815重量份、粉煤灰204重量份、硅灰204重量份、石英砂518重量份、橡胶颗粒80重量份、水240重量份、高效减水剂9.8重量份，聚乙烯醇纤维体积掺量3%，碳酸钙晶须体积掺量2%。
经检测，试件常温抗压强度83.5MPa，200℃处理后抗压强度71.1MPa，400℃处理后抗压强度33.7MPa，600℃处理后抗压强度21.6 MPa。
对比例4
橡胶混凝土，由以下原料组成：水泥815重量份、粉煤灰204重量份、硅灰204重量份、石英砂518重量份、橡胶颗粒80重量份、水240重量份、高效减水剂9.8重量份，改性钢纤维体积掺量3%，碳酸钙晶须体积掺量2%。
经检测，试件常温抗压强度100.2MPa，200℃处理后抗压强度91.6MPa，400℃处理后试件爆裂，600℃处理后试件爆裂。
对比例5
橡胶混凝土，由以下原料组成：水泥815重量份、粉煤灰204重量份、硅灰204重量份、石英砂518重量份、橡胶颗粒80重量份、水240重量份、高效减水剂9.8重量份，改性钢纤维体积掺量2%，聚乙烯醇纤维体积掺量3%。
经检测，试件常温抗压强度94.0MPa，200℃处理后抗压强度65.2MPa，400℃处理后抗压强度40.3MPa，600℃处理后抗压强度20.1 MPa。
对比例6
橡胶混凝土，由以下原料组成：水泥815重量份、矿粉204重量份、硅灰204重量份、石英砂518重量份、橡胶颗粒80重量份、水240重量份、高效减水剂9.8重量份，改性钢纤维体积掺量1%，聚乙烯醇纤维体积掺量2%，碳酸钙晶须体积掺量2%。
经检测，试件常温抗压强度109.5MPa，200℃处理后抗压强度77.3MPa，400℃处理后抗压强度58.6MPa，600℃处理后抗压强度30.2MPa。
最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种绿色高强耐高温多尺度纤维增强橡胶混凝土,其特征在于,由如下原料组成：
水泥650-900份，
粉煤灰150-250份，
硅灰100-300份，
石英砂440-735份，
橡胶颗粒30-100份，
水230-260份，
高效减水剂8-17份，
多尺度纤维体积掺量为2-5%，
多尺度纤维由改性钢纤维、合成纤维、晶须按体积比为1-2:1-2:1-3组成，
其中份为重量份。
2.根据权利要求1所述的橡胶混凝土,其特征在于,所述水泥为等级42.5或52.5的普通硅酸盐水泥。
3.根据权利要求1所述的橡胶混凝土,其特征在于,所述粉煤灰为一级粉煤灰。
4.根据权利要求1所述的橡胶混凝土,其特征在于,所述石英砂粒径为0.2-1mm。
5.根据权利要求1所述的橡胶混凝土,其特征在于,所述橡胶颗粒粒径为20-40目。
6.根据权利要求1所述的橡胶混凝土,其特征在于,所述高效减水剂为聚羧酸高效减水粉剂，减水率大于30%。
7.根据权利要求1所述的橡胶混凝土,其特征在于,所述改性钢纤维制备方法为：用砂纸沿钢纤维长度方向打磨10-15次，随后采用溶胶-凝胶法，使钢纤维表面包裹纳米二氧化硅薄膜，所述改性钢纤维长度为13-15mm，直径为0.12-0.18mm，抗拉强度大于2.8GPa；所述合成纤维为聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维或聚丙烯纤维，长度12-15mm，直径为0.021-0.031mm，抗拉强度大于1.4GPa；所述晶须为碳酸钙晶须或硫酸钙晶须，晶须长度为0.05-0.08mm，直径为0.5-1.2μm，抗拉强度大于3GPa。
8.根据权利要求1-7任一项所述绿色高强耐高温多尺度纤维增强橡胶混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将橡胶料粒采用碱性溶液浸泡，清水洗涤，干燥，得橡胶颗粒；
2）按配比称取水泥、粉煤灰、硅灰、石英砂、橡胶颗粒、减水剂、晶须，搅拌均匀，加入2/3的水，搅拌均匀，得混合料1；
3）向混合料1中加入改性钢纤维、合成纤维，搅拌均匀，加入剩余1/3的水，搅拌均匀，得混凝土浆料；
4）将混凝土浆料成型、振捣、脱模、养护，即得。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，搅拌采用强制搅拌机，转速不小于120r/min。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述养护为标准养护。
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