CN116675478A - 一种提高抗压强度的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种提高抗压强度的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土及其制备方法，属于地聚合物混凝土技术领域。由地聚合物混凝土和增强材料制成，地聚合物混凝土的原料中粉煤灰的掺量为568～580kg/m3，粉煤灰、骨料、碱激发剂和水的质量比为4.6～4.8：11～12：1.6～1.8：1；碱激发剂中水玻璃和氢氧化钠的质量比为175～185：26～30；纳米二氧化硅的掺量为0.5～2％；聚乙烯醇纤维的体积掺量为0.2～0.8％；钢纤维的体积掺量为0.25～1.0％。本发明在地聚合混凝土中掺入纳米二氧化硅、聚乙烯醇纤维和钢纤维不仅能够改善地聚合物混凝土的工作性能，还能提高地聚合混凝土的抗压强度。
Description
技术领域
本发明涉及地聚合物混凝土技术领域，尤其涉及一种提高抗压强度的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土及其制备方法。
背景技术
地聚合物混凝土固化收缩大，抗碳化性能差，一定程度上限制了其在工程建设中的应用，纳米材料在混凝土中的使用具有创新性。纳米材料指粒径为1nm～100nm的颗粒，是一种超细微粒，但比表面积很大，使其具有一些特殊性质，如小尺寸效应、高表面活性、量子效应等。混凝土中掺入适量纳米材料在一定程度上可以改善其物理性能、力学性能和耐久性能。纳米SiO2、纳米CaCO3、纳米TiO2和纳米Al2O3等在混凝土中应用广泛，其中纳米SiO2具有更强火山灰效应、填充效应和晶核作用，使混凝土具有更高的强度、工作性与耐久性。为了改善地聚合物混凝土的力学性能与微观结构，研究者们常将多种纳米材料组合以获得性能优异的混凝土。
钢纤维在混凝土中的应用，对抗压强度、韧性和抗冲击性能有提升作用，但钢纤维密度大，增加了混凝土的自重。PVA纤维自重较轻且抗碱性好，单独掺加既可降低混凝土自重，也可提升混凝土抗渗性，但会造成抗压强度有所下降。钢纤维与PVA纤维的结合，既可弥补两种纤维产生的缺陷，也可充分发挥纤维自身的性能优势，改善基体性能的同时带来经济效益。
从混凝土的拌和、浇筑直到其硬化，每个过程中都存在流动和变形现象。新拌混凝土的流变性能和工作性能对混凝土的施工具有重要意义，与混凝土硬化之后的力学性能、耐久性能密切相关。国内外学者近些年对地聚合物复合材料的流变性能开展了一系列研究，研究重点主要集中在碱激发剂、前驱体、水胶比和水玻璃模数等因素对地聚合物复合材料流变性能的影响。而对于掺加纳米材料和纤维后地聚合物复合材料流变性能的研究比较匮乏。因此，研究一种提高抗压强度的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土及其制备方法，使得地聚合物混凝土具有良好的流变性能以及抗压强度具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高抗压强度的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土及其制备方法，以解决现有技术中地聚合物混凝土流变性能差、抗压强度低的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种提高抗压强度的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土，包含地聚合物混凝土和增强材料，所述地聚合物混凝土包含如下原料：粉煤灰、骨料、碱激发剂和水；
所述粉煤灰在地聚合物混凝土中的掺量为568～580kg/m3；
所述粉煤灰、骨料、碱激发剂和水的质量比为4.6～4.8：11～12：1.6～1.8：1；
所述碱激发剂为水玻璃和氢氧化钠，其中水玻璃和氢氧化钠的质量比为175～185：26～30；
所述增强材料包含纳米二氧化硅、聚乙烯醇纤维和钢纤维；纳米二氧化硅占粉煤灰质量的0.5～2％；聚乙烯醇纤维在地聚合物混凝土中的体积掺量为0.2～0.8％；钢纤维在地聚合物混凝土中的体积掺量为0.25～1.0％。
作为优选，所述粉煤灰的密度为1.93～2.85g/cm3，堆积密度为0.55～1.31g/cm3。
作为优选，所述骨料包含粗骨料和细骨料，其中粗骨料和细骨料的质量比为0.9～1.1：1。
作为优选，所述细骨料为河砂，细骨料的细度模数为2.9～3.1；所述粗骨料为碎石，粗骨料的粒径为5～20mm。
作为优选，所述水玻璃的模数为3.0～3.4，固含量为32～35％。
作为优选，所述纳米二氧化硅的比表面积为210～230m2/g，粒径为20～40nm，表观密度为50～60g/L。
作为优选，所述聚乙烯醇纤维的直径为35～45μm，长度为10～14mm；所述钢纤维的直径为0.195～0.225mm，长度为11.5～14.5mm。
本发明提供了一种提高抗压强度的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)首先将粉煤灰、粗骨料和细骨料混合，再加入钢纤维进行搅拌，得到干拌混合物；
(2)将水和纳米二氧化硅混合，得到纳米二氧化硅分散液；
(3)将干拌混合物、碱激发剂和纳米二氧化硅分散液混合并搅拌，得到地聚合物混凝土拌合物；
(4)将地聚合物混凝土拌合物和聚乙烯醇纤维进行混合，得到纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土。
作为优选，步骤(1)中所述搅拌的时间为0.5～2min；步骤(3)中所述搅拌的时间为1～3min；步骤(4)中所述混合的时间为1～3min。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过在地聚合物混凝土中添加纳米SiO2、钢纤维和PVA纤维三种增强材料，通过调整纳米SiO2、钢纤维和PVA纤维的添加量保证纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土具有良好的流变性能。
(2)本发明通过在地聚合物混凝土添加纳米SiO2与钢纤维、PVA纤维使得纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土的抗压强度提高，然而超过一定掺量后，抗压强度会有所下降。
附图说明
图1为对比例4制得的地聚合混合土试件的破坏形态图；
图2为实施例1制得的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土试件的破坏形态图；
图3为实施例9制得的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土试件的破坏形态图。
具体实施方式
本发明提供了一种提高抗压强度的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土，包含地聚合物混凝土和增强材料，所述地聚合物混凝土包含如下原料：粉煤灰、骨料、碱激发剂和水；
所述粉煤灰在地聚合物混凝土中的掺量为568～580kg/m3；
所述粉煤灰、骨料、碱激发剂和水的质量比为4.6～4.8：11～12：1.6～1.8：1；
所述碱激发剂为水玻璃和氢氧化钠，其中水玻璃和氢氧化钠的质量比为175～185：26～30；
所述增强材料包含纳米二氧化硅、聚乙烯醇纤维和钢纤维；纳米二氧化硅占粉煤灰质量的0.5～2％；聚乙烯醇纤维在地聚合物混凝土中的体积掺量为0.2～0.8％；钢纤维在地聚合物混凝土中的体积掺量为0.25～1.0％。
在本发明中，所述粉煤灰在地聚合物混凝土中的掺量为568～580kg/m3，优选为571～577kg/m3，进一步优选为577kg/m3。
在本发明中，所述粉煤灰、骨料、碱激发剂和水的质量比优选为4.65～4.75：11.1～11.8：1.62～1.75：1，进一步优选为4.68～4.72：11.2～11.5：1.64～1.70：1。
在本发明中，所述碱激发剂为水玻璃和氢氧化钠，其中水玻璃和氢氧化钠的质量比优选为178～183：27～29，进一步优选为180：28。
在本发明中，所述增强材料包含纳米二氧化硅、聚乙烯醇纤维和钢纤维；纳米二氧化硅占粉煤灰质量的0.5～2％，优选为0.5％、1.0％、1.5％、2.0％，进一步优选为0.5％、1.0％；聚乙烯醇纤维在地聚合物混凝土中的体积掺量为0.2～0.8％，优选为0.2％、0.4％、0.6％、0.8％，进一步优选为0.4％、0.6％；钢纤维在地聚合物混凝土中的体积掺量为0.25～1.0％，优选为0.25％、0.5％、0.75％、1.0％，进一步优选为0.25％、0.5％。
在本发明中，所述粉煤灰的密度为1.93～2.85g/cm3，优选为2.0～2.4g/cm3，进一步优选为2.1～2.3g/cm3；堆积密度为0.55～1.31g/cm3，优选为0.6～1.2g/cm3，进一步优选为0.7～0.9g/cm3。
在本发明中，所述骨料包含粗骨料和细骨料，其中粗骨料和细骨料的质量比为0.9～1.1：1，优选为0.95～1.05：1，进一步优选为1～1.02：1。
在本发明中，所述细骨料为河砂，细骨料的细度模数为2.9～3.1，优选为3.0；所述粗骨料为碎石，粗骨料的粒径为5～20mm，优选为6～19mm，进一步优选为8～18mm。
在本发明中，所述水玻璃的模数为3.0～3.4，优选为3.1～3.3，进一步优选为3.2；固含量为32～35％，优选为32.5～34.5％，进一步优选为33～34.2％。
在本发明中，所述纳米二氧化硅的比表面积为210～230m2/g，优选为215～225m2/g，进一步优选为220m2/g；粒径为20～40nm，优选为25～35nm，进一步优选为28～32nm；表观密度为50～60g/L，优选为52～58g/L，进一步优选为55g/L。
在本发明中，所述聚乙烯醇纤维的直径为35～45μm，优选为38～42μm，进一步优选为39～41μm；长度为10～14mm，优选为11～13mm，进一步优选为12mm；所述钢纤维的直径为0.195～0.225mm，优选为0.20～0.22mm，进一步优选为0.21mm，长度为11.5～14.5mm，优选为12～14mm，进一步优选为13mm。
本发明提供了一种提高抗压强度的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)首先将粉煤灰、粗骨料和细骨料混合，再加入钢纤维进行搅拌，得到干拌混合物；
(2)将水和纳米二氧化硅混合，得到纳米二氧化硅分散液；
(3)将干拌混合物、碱激发剂和纳米二氧化硅分散液混合并搅拌，得到地聚合物混凝土拌合物；
(4)将地聚合物混凝土拌合物和聚乙烯醇纤维进行混合，得到纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土。
在本发明中，步骤(1)中所述搅拌的时间为0.5～2min，优选为1～2min，进一步优选为2min；步骤(3)中所述搅拌的时间为1～3min，优选为2min；步骤(4)中所述混合的时间为1～3min，优选为2min。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土中，粉煤灰的掺量为577kg/m3，细骨料的掺量为690kg/m3，粗骨料的掺量为695kg/m3，水玻璃的掺量为180kg/m3，氢氧化钠的掺量为28kg/m3，水的掺量为123kg/m3，纳米二氧化硅占粉煤灰质量的0.5％，聚乙烯醇纤维在地聚合物混凝土中的体积掺量为0.2％，钢纤维在地聚合物混凝土中的体积掺量为0.25％。
粉煤灰的密度为2.15g/cm3，堆积密度为0.78g/cm3，标准稠度为47.1％，含水量为0.62％；粉煤灰中的成分及含量为：SiO260.98％、Al2O324.47％、Fe2O36.7％、CaO 4.9％、MgO0.68％、f-CaO 0.58％、SO30.52％、其他1.17％。
骨料中细骨料为河南南阳采砂场生产的细度模数为3.0的天然河砂，粗骨料为南京汇聚石材有限公司生产的粒径为5mm～20mm，级配良好的碎石天然碎石。
水玻璃的模数为3.2，比重为1.41g/cm3，固含量为34.2％，SiO2含量为25.9％，Na2O含量为8.3％。氢氧化钠为片状固体，纯度达99.9％。
纳米二氧化硅的比表面积为220m2/g，平均粒径为30nm，表观密度为55g/L，pH值为6。
聚乙烯醇纤维的直径为40μm；长度为12mm，断裂伸长率为41％，弹性模量为16.5GPa，抗拉强度为1560MPa；钢纤维的直径为0.21mm，长度为13mm；钢纤维的密度为7850kg/m3，杨氏模量为210GPa，抗拉强度为2750MPa。
将粉煤灰、粗骨料和细骨料混合，再加入钢纤维搅拌2min，得到干拌混合物；将水和纳米二氧化硅混合，得到纳米二氧化硅分散液；将干拌混合物、碱激发剂和纳米二氧化硅分散液混合并搅拌3min，得到地聚合物混凝土拌合物；最后将地聚合物混凝土拌合物和聚乙烯醇纤维进行混合2min，得到纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于，粉煤灰的掺量为574kg/m3，纳米二氧化硅占粉煤灰质量的1％，其他条件均相同。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于，粉煤灰的掺量为571kg/m3，纳米二氧化硅占粉煤灰质量的1.5％，其他条件均相同。
实施例4
实施例4与实施例1的区别在于，粉煤灰的掺量为568kg/m3，，纳米二氧化硅占粉煤灰质量的2％，其他条件均相同。
实施例5
实施例5与实施例1的区别在于钢纤维的掺量不同，钢纤维在地聚合物混凝土中的体积掺量为0.5％，其他条件均相同。
实施例6
实施例6与实施例1的区别在于钢纤维的掺量不同，钢纤维在地聚合物混凝土中的体积掺量为0.75％，其他条件均相同。
实施例7
实施例7与实施例1的区别在于钢纤维的掺量不同，钢纤维在地聚合物混凝土中的体积掺量为1.0％，其他条件均相同。
实施例8
实施例8与实施例1的区别在于聚乙烯醇纤维的掺量不同，聚乙烯醇纤维在地聚合物混凝土中的体积掺量为0.4％，其他条件均相同。
实施例9
实施例9与实施例1的区别在于聚乙烯醇纤维的掺量不同，聚乙烯醇纤维在地聚合物混凝土中的体积掺量为0.6％，其他条件均相同。
实施例10
实施例10与实施例1的区别在于聚乙烯醇纤维的掺量不同，聚乙烯醇纤维在地聚合物混凝土中的体积掺量为0.8％，其他条件均相同。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于没有掺入纳米二氧化硅，粉煤灰的掺量为580kg/m3，其他条件均相同。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于没有掺入钢纤维，其他条件均相同。
对比例3
对比例3与实施例1的区别在于没有掺入聚乙烯醇纤维，其他条件均相同。
对比例4
对比例4与实施例1的区别在于没有掺入纳米二氧化硅、聚乙烯醇纤维和钢纤维，粉煤灰的掺量为580kg/m3，其他条件均相同。
各实施例和对比例中的原料掺量见表1：
表1实施例1～10和对比例1～4的原料掺量
试验方法：
(1)流变性能试验：
采用TR-CRI型全自动混凝土流变仪，该仪器由上海砼瑞仪器设备有限公司生产，具体试验方法如下：
在流变测试桶内装入新拌地聚合物混凝土，保证装入地聚合物混凝土的量为测试桶体积的2/3，测试桶高310mm，内径300mm。安装直径为100mm、高为200mm的十字转子并控制测试桶上升，直至其上升至浸没十字转子150mm处，点击静态测试按钮，开始测试0.1rps下的扭矩，10s～20s后，静态测试完成，通过计算得到静态屈服应力。
静态测试后，十字转子浸没深度保持在150mm处不变，并点击设备上的动态测试按钮，设备会依次检测0.6、0.55、0.5、0.45、0.4、0.35、0.3、0.25、0.2和0.15rps十个转速下产生的扭矩，最终计算得到地聚合物混凝土的动态屈服应力和塑性粘度。
由于流变仪叶轮转动的复杂性，剪切应力和剪切速率使用测得的扭矩和旋转速度计算，计算如式(1)所示。
T＝G+H×N (1)
式中：T—扭矩(N·m)；
G—曲线线性段延长线与y轴截距；
H—曲线线性段斜率；
N—叶轮转速(rps)。
对实施例1～10和对比例1～3所制备的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土进行流变性能试验，
定义混杂效应系数α1与α2，计算公式如下：
式中：α1、α2—混杂效应系数；
βNSP—纳米SiO2和钢-PVA混杂纤维复合后地聚合物混凝土的增强系数；
βmax(N,SP/S,NP/P,NS)—纳米SiO2、钢纤维和PVA纤维其中两种材料复合与另一种材料单掺后地聚合物混凝土增强系数的最大值；
βmin(N,SP/S,NP/P,NS)—纳米SiO2、钢纤维和PVA纤维其中两种材料复合与另一种材料单掺后地聚合物混凝土增强系数的最小值。
混杂效应系数α1和α2代表纤维的正混杂效应或负混杂效应。混杂效应的判断应遵循以下原则：当α1大于1.0时，纳米SiO2和钢-PVA混杂纤维对地聚合物混凝土的流变性能具有负混杂作用。若α1的值小于1.0，则通过α2的值进一步判断混杂效应，当α2大于1.0时为混杂效应为负，否则，混杂效应为正。
试验结果见表2、表3、表4：
表2混杂效应系数(静态屈服应力)
表3混杂效应系数(动态屈服应力)
表4混杂效应系数(塑性粘度)
由表2、3和4可知，纳米SiO2和钢-PVA混杂纤维对地聚合物混凝土的流变性能均产生负混杂效应。PVA纤维与钢纤维混杂且体积掺量分别为0.2％和0.25％时，新拌地聚合物混凝土的静态屈服应力、动态屈服应力和塑性粘度随纳米SiO2质量掺量的变化规律为：对比N0S25P20组与N50S25P20组的混杂效应系数可知，N50S25P20组的混杂效应系数均小于N0S25P20组的混杂效应系数，说明纳米SiO2的掺加削弱了钢-PVA混杂纤维的负混杂效应。随着纳米SiO2质量掺量由0％逐渐增加到0.5％，新拌地聚合物混凝土的静态屈服应力、动态屈服应力和塑性粘度逐渐减小，分别由318Pa、278Pa和111.2Pa·s降低至306Pa、266Pa和74.7Pa·s。随着纳米SiO2质量掺量由0.5％继续增加，新拌地聚合物混凝土的静态屈服应力、动态屈服应力和塑性粘度逐渐增大，在纳米SiO2质量掺量为2.0％时达到最大，最大值为401Pa、361Pa和159.3Pa·s。
固定纳米SiO2质量掺量为0.5％，PVA纤维体积掺量为0.2％，当钢纤维体积掺量为0％时，新拌地聚合物混凝土的静态屈服应力、动态屈服应力和塑性粘度分别为237Pa、197Pa和64.4Pa·s。随着钢纤维体积掺量由0％逐渐增加到1.0％，新拌地聚合物混凝土的静态屈服应力、动态屈服应力和塑性粘度分别增加至560Pa、420Pa和147.6Pa·s，增量分别为323Pa、223Pa和83.2Pa·s，增幅为136.29％、113.20％和129.20％。固定纳米SiO2质量掺量为0.5％，钢纤维体积掺量为0.25％，当PVA纤维体积掺量为0％时，地聚合物混凝土的静态屈服应力、动态屈服应力和塑性粘度分别为211Pa、103Pa和40.8Pa·s。随着PVA纤维体积掺量由0％增加至0.8％，新拌地聚合物混凝土的静态屈服应力、动态屈服应力和塑性粘度分别增加至639Pa、599Pa和238.4Pa·s，增量分别为428Pa、496Pa和197.6Pa·s，增幅为202.84％、481.55％和484.31％。
(2)坍落扩展度试验：
采用上口直径为100mm，下口直径为200mm，高度为300mm的标准坍落度筒，具体试验步骤如下：
①进行试验前，用水将垫板与坍落度筒润湿，并确保垫板与坍落度筒内壁无明水。将垫板放置于坚实且水平的地面上，再将坍落度筒放置于垫板中间位置处，用双脚固定坍落度筒。
②将新拌地聚合物混凝土均匀分3次装入坍落度筒内，拌合物每装一次后，用振捣棒将坍落度筒内的地聚合物混凝土由内而外按螺旋形插捣25次，插捣底层地聚合物混凝土时，振捣棒插捣至垫板上，中上层则插入到其下层地聚合物混凝土的2cm～3cm处。
③插捣完毕后，需将坍落度筒上口多余地聚合物混凝土刮去，用抹刀抹平表面，再清除坍落度筒下口周围渗出的地聚合物混凝土，在5s～10s内平稳竖直地提起坍落度筒，使地聚合物混凝土自由均匀地流动到垫板上。
④在地聚合物混凝土拌合物不再流动时，测量其最大扩展直径和垂直方向上的直径，取两者的扩展直径平均值作为坍落扩展度的测定结果。
对实施例1～10和对比例1～3所制备的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土进行坍落扩展度试验，试验结果见表5：
表5混杂效应系数(坍落扩展度)
由表5可知，纳米SiO2和钢-PVA混杂纤维对地聚合物混凝土的工作性能均产生负混杂效应。在PVA纤维与钢纤维混杂且体积掺量分别为0.2％和0.25％时，随着纳米SiO2质量掺量的增加，拌合物坍落扩展度由400mm降低到350mm，降低了12.5％，计算得到的混杂效应系数均大于0。
固定纳米SiO2掺量为0.5％和PVA纤维掺量为0.2％时，随着钢纤维体积掺量从0％增加至1.0％，新拌地聚合物混凝土的坍落扩展度由410mm减少至280mm，减小了130mm，降幅为31.71％，混杂效应系数均大于0。固定纳米SiO2掺量为0.5％和钢纤维掺量为0.25％时，随着PVA纤维体积掺量从0％增加至0.8％，新拌地聚合物混凝土的坍落扩展度由550mm减少至255mm，减小了295mm，降幅为53.64％，混杂效应系数均大于0。
(3)V型漏斗试验
采用上口尺寸75×515mm，下口尺寸65mm×75mm×150mm，总高度450mm，容量约10L的V型漏斗进行试验，具体的试验步骤如下：
①将V型漏斗放置于平稳的地面上，试验前先用水润湿V型漏斗内壁，并确保漏斗内壁表面无明水。放置一个接料筒在V型漏斗下口正下方，检查并确保下口底盖已关闭。
②搅拌完成的地聚合物混凝土拌合物用盛料筒加到V型漏斗中，装满后再用抹刀将漏斗上口表面处刮平，并清除漏斗周围多余地聚合物混凝土，静置1min。
③静置结束后，将V型漏斗下口底盖打开，同时开始用秒表计时，期间俯视观察，同时观察记录地聚合物混凝土拌合物是否有堵塞现象发生。当地聚合物混凝土拌合物全部流空时，结束秒表计时，便可测得流空时间，进而计算其流动速率。
对实施例1～10和对比例1～3所制备的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土进行V型漏斗试验，试验结果见表6：
表6混杂效应系数(流动速率)
由表6可知，固定PVA纤维和钢纤维体积掺量分别为0.2％和0.25％时，纳米SiO2质量掺量在0％、0.5％、1.0％、1.5％和2.0％时新拌地聚合物混凝土流动速率分别为370mL/s、322mL/s、303mL/s、285mL/s和263mL/s，纳米SiO2掺量在2.0％时流动速率最小，最小值为263mL/s，混杂效应系数均大于0。固定纳米SiO2质量掺量与PVA纤维体积掺量为0.5％和0.2％时，钢纤维体积掺量在0％、0.25％、0.5％、0.75％和1.0％时新拌地聚合物混凝土流动速率分别为370mL/s、322mL/s、303mL/s、285mL/s和263mL/s，钢纤维掺量在1.0％时流动速率最小，最小值为263mL/s，混杂效应系数均大于0。固定纳米SiO2质量掺量与钢纤维体积掺量为0.5％和0.25％时，PVA纤维体积掺量在0％、0.2％、0.4％、0.6％和0.8％时新拌地聚合物混凝土流动速率分别为526mL/s、322mL/s、212mL/s、142mL/s和111mL/s，PVA纤维掺量在0.8％时流动速率最小，最小值为111mL/s，混杂效应系数均大于0。
(4)筛析稳定性试验
筛析稳定性试验的试验装置包括一个方孔筛，孔径为5mm；一个接料底盘，直径为500mm；一台电子秤，称量为10kg、感量为5g；一个刚性容器，其内部直径不小于200mm，容量至少为11L，且其内壁标有10L容量刻度线。具体试验方法如下：
①先将10L左右的地聚合物混凝土拌合物装入一个刚性容器内，将其放置于坚实且水平的地面上，并静置15±0.5min；
②保证电子秤放置在水平稳定处且试验过程中不会受到扰动，称量接料底盘的质量MP后，将干燥的方孔筛放置于底盘上，将电子秤重新归零；
③将刚性容器内的地聚合物混凝土拌合物从距离方孔筛正上方500±5mm处平稳且匀速地倒入到方孔筛的筛孔上，保证倒入的地聚合物混凝土质量达到4.8±0.2kg，然后将其静置120±5s；
④静置后记录下倒入到筛孔上的地聚合物混凝土的实际质量MC，将方孔筛及筛上的地聚合物混凝土一起移走，电子秤重新归零，称量接料底盘以及透过筛孔掉落到底盘上的砂浆总质量MPM。
⑤用通过标准筛的地聚合物砂浆质量反映地聚合物混凝土拌合物的筛析指数，表达式如下：
式中：SSI—地聚合物混凝土拌合物筛析指数(％)，精确到0.01％；
MPM—接料底盘及掉落到底盘上的砂浆总质量(kg)；
MP—接料底盘的质量(kg)；
MC—倒入方孔筛的地聚合物混凝土的质量(kg)。
对实施例1～10和对比例1～3所制备的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土进行筛析稳定性试验，试验结果见表7：
表7混杂效应系数(筛析指数)
由表7可知，固定PVA纤维与钢纤维体积掺量分别为0.2％和0.25％时，随着纳米SiO2质量掺量的增加，新拌地聚合物混凝土的筛析指数逐渐减小，纳米SiO2掺量在2.0％时筛析指数最小，最小值0.19，较未掺纳米SiO2时降低了0.13。在钢-PVA混杂纤维地聚合物混凝土中掺加纳米SiO2，对地聚合物混凝土的筛析稳定性产生正混杂效应。固定纳米SiO2掺量为0.5％和PVA纤维掺量为0.2％时，随着钢纤维体积掺量从0％增加至1.0％，新拌地聚合物混凝土的筛析指数由0.31减少至0.14，减小了0.17，降幅为54.84％。在纳米SiO2复合PVA纤维地聚合物混凝土中掺加钢纤维，对地聚合物混凝土的筛析稳定性产生正混杂效应。固定纳米SiO2掺量为0.5％和钢纤维掺量为0.25％时，随着PVA纤维体积掺量从0％增加至0.8％，新拌地聚合物混凝土的筛析指数由0.3减少至0.06，减小了0.24，降幅为80％。在纳米SiO2复合钢纤维地聚合物混凝土中掺加PVA纤维，对地聚合物混凝土的筛析稳定性产生正混杂效应。
纳米SiO2和钢-PVA混杂纤维进一步降低了地聚合物混凝土的流动性，对地聚合物混凝土的坍落扩展度和流动速率产生负混杂效应，而对其筛析指数产生正混杂效应。
(5)立方体抗压强度试验
将制得的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土浇注三个尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体试件，在高温箱中养护4d后取出放入标准养护室。龄期达到28d取出，擦净表面、测量尺寸、检查外观，并进行立方体抗压强度试验，取三组数据的平均值作为地聚合物混凝土立方体抗压强度值。采用上海华龙公司生产的2000kN微机控制伺服万能试验机进行立方体抗压强度试验测试，取加载速度为1.5kN/s，记录试件破坏时的荷载。
地聚合物混凝土立方体抗压强度按式(4)计算，结果精确至0.1MPa。
式中：fm,cu—立方体抗压强度(MPa)；
Nu—试件破坏荷载(N)；
A—试件受压面积(mm2)。
对实施例1～10和对比例1～4所制备的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土进行立方体抗压强度试验，试验结果见表8：
表8混杂效应系数(抗压强度)
由表8可知，在PVA纤维与钢纤维混杂且体积掺量分别为0.2％和0.25％时，随着纳米SiO2掺量从0％增加到1.5％，地聚合物混凝土立方体抗压强度逐渐增大，由39.5MPa增加到47.9MPa，增加了21.27％。随着纳米SiO2掺量继续增加到2.0％，抗压强度由47.9MPa降低到46.5MPa，降低了1.4MPa。三种材料混掺后的混杂效应系数均大于0，体现了对地聚合物混凝土抗压强度的正混杂效应。固定纳米SiO2质量掺量和PVA体积掺量分别为0.5％和0.2％，地聚合物混凝土立方体抗压强度随钢纤维掺量的增加呈现先增加后减小的趋势。钢纤维体积掺量为0.75％时，地聚合物混凝土立方体抗压强度最大，最大值为49.2MPa；在钢纤维掺量为0％、0.25％、0.5％、0.75％和1.0％时，地聚合物混凝土立方体抗压强度分别为37.9MPa、44.2MPa、46.5MPa、49.2MPa和48.1MPa，混杂效应系数均大于0，表明纳米SiO2和混杂纤维对地聚合物混凝土的抗压强度起到正混杂作用。
固定纳米SiO2质量掺量和钢纤维体积掺量分别为0.5％和0.25％，地聚合物混凝土立方体抗压强度呈现先增加后减小的趋势。PVA纤维体积掺量为0.6％时，地聚合物混凝土立方体抗压强度最大，最大值为50.1MPa；PVA纤维掺量为0％、0.2％、0.4％、0.6％和0.8％时，地聚合物混凝土立方体抗压强度分别为35.4MPa、44.2MPa、47.6MPa、50.1MPa和49.1MPa，混杂效应系数在四种掺量时均大于0，体现了混杂纤维的正混杂效应。
综上所述，纳米SiO2与钢纤维、PVA纤维混掺后地聚合物混凝土的抗压强度具有正混杂效应，然而超过一定掺量后，地聚合物混凝土的抗压强度会有所下降。
图1、图2和图3分别为对比例4、实施例1和实施例9地聚合物混凝土试件的破坏形态图，没有掺加纳米材料和纤维的对比例4的试件其在加压破坏过程中，无明显破坏征兆且较迅速破坏，试件被压碎后，表面的地聚合物混凝土剥落现象很明显，见图1。而掺加了纳米材料和纤维的试件，受压破坏形态明显改善，试件受压过程中会出现几条不规则裂缝，随压力增加有的裂缝会不断延伸至贯穿整个试件。试件表面几乎不存在剥落现象，整体性较好，见图2和图3。这是因为纤维在地聚合物混凝土基体中起到了桥接作用，抑制了裂缝的产生与发展，降低了地聚合物混凝土的破坏与损伤程度，进而提高了地聚合物混凝土的韧性和抵抗变形能力。
由以上实施例可知，本发明提供了一种提高抗压强度的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土，包含地聚合物混凝土和增强材料，其中地聚合物混凝土包含如下原料：粉煤灰、骨料、碱激发剂和水；粉煤灰在地聚合物混凝土中的掺量为568～580kg/m3；粉煤灰、骨料、碱激发剂和水的质量比为4.6～4.8：11～12：1.6～1.8：1；碱激发剂为水玻璃和氢氧化钠，其中水玻璃和氢氧化钠的质量比为175～185：26～30；增强材料包含纳米二氧化硅、聚乙烯醇纤维和钢纤维；纳米二氧化硅占粉煤灰质量的0.5～2％；聚乙烯醇纤维在地聚合物混凝土中的体积掺量为0.2～0.8％；钢纤维在地聚合物混凝土中的体积掺量为0.25～1.0％。本发明通过在地聚合混凝土中掺入纳米二氧化硅、聚乙烯醇纤维和钢纤维不仅能够改善地聚合物混凝土的工作性能，还能提高地聚合混凝土的抗压强度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种提高抗压强度的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土，其特征在于，包含地聚合物混凝土和增强材料，所述地聚合物混凝土包含如下原料：粉煤灰、骨料、碱激发剂和水；
所述粉煤灰在地聚合物混凝土中的掺量为568～580kg/m3；
所述粉煤灰、骨料、碱激发剂和水的质量比为4.6～4.8：11～12：1.6～1.8：1；
所述碱激发剂为水玻璃和氢氧化钠，其中水玻璃和氢氧化钠的质量比为175～185：26～30；
所述增强材料包含纳米二氧化硅、聚乙烯醇纤维和钢纤维；纳米二氧化硅占粉煤灰质量的0.5～2％；聚乙烯醇纤维在地聚合物混凝土中的体积掺量为0.2～0.8％；钢纤维在地聚合物混凝土中的体积掺量为0.25～1.0％。
2.根据权利要求1所述的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土，其特征在于，所述粉煤灰的密度为1.93～2.85g/cm3，堆积密度为0.55～1.31g/cm3。
3.根据权利要求1或2所述的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土，其特征在于，所述骨料包含粗骨料和细骨料，其中粗骨料和细骨料的质量比为0.9～1.1：1。
4.根据权利要求3所述的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土，其特征在于，所述细骨料为河砂，细骨料的细度模数为2.9～3.1；所述粗骨料为碎石，粗骨料的粒径为5～20mm。
5.根据权利要求2或4所述的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土，其特征在于，所述水玻璃的模数为3.0～3.4，固含量为32～35％。
6.根据权利要求5所述的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土，其特征在于，所述纳米二氧化硅的比表面积为210～230m2/g，粒径为20～40nm，表观密度为50～60g/L。
7.根据权利要求2或4或6所述的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土，其特征在于，所述聚乙烯醇纤维的直径为35～45μm，长度为10～14mm；所述钢纤维的直径为0.195～0.225mm，长度为11.5～14.5mm。
8.权利要求1～7任意一项所述的纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)首先将粉煤灰、粗骨料和细骨料混合，再加入钢纤维进行搅拌，得到干拌混合物；
(2)将水和纳米二氧化硅混合，得到纳米二氧化硅分散液；
(3)将干拌混合物、碱激发剂和纳米二氧化硅分散液混合并搅拌，得到地聚合物混凝土拌合物；
(4)将地聚合物混凝土拌合物和聚乙烯醇纤维进行混合，得到纳米二氧化硅和混杂纤维增强地聚合物混凝土。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述搅拌的时间为0.5～2min；步骤(3)中所述搅拌的时间为1～3min；步骤(4)中所述混合的时间为1～3min。
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| CN (1) | CN116675478A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117228976A (zh) * | 2023-09-27 | 2023-12-15 | 石家庄市长安育才建材有限公司 | 一种混凝土防碳化剂及其制备方法与应用 |
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2023
- 2023-07-03 CN CN202310803418.5A patent/CN116675478A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117228976A (zh) * | 2023-09-27 | 2023-12-15 | 石家庄市长安育才建材有限公司 | 一种混凝土防碳化剂及其制备方法与应用 |
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