CN117209219A - 一种硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土及其制备方法，包括硫酸钙晶须、短切玄武岩纤维束和短切玄武岩纤维，三种尺度的纤维均与混凝土有很好的相容性；硫酸钙晶须作为亚纳米级纤维，充分发挥其尺寸效应、物理填充效应及纤维特性，而且硫酸钙晶须可参与水泥水化反应生成钙矾石，优化混凝土孔隙结构，提高混凝土抗氯离子渗透性。在混凝土的裂缝发展阶段，晶须、纤维和纤维束分别从微观、细观和宏观尺度抑制裂缝的发展，以此增强混凝土的性能。三种纤维取长补短，在不同受力阶段发挥正向混掺效应来增强混凝土；抗压强度提高9%以上，劈裂抗拉强度提高40%以上，抗折强度提高25%以上，氯离子渗透系数降低9%以上，抗冻性提高40%以上。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，特别涉及一种硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土及其制备方法。
背景技术
高强混凝土是目前现代化建设需求不可缺少的一种建筑材料，其具有高性能、节能省材和绿色环保的优点，但当高强混凝土结构在恶劣环境下长期服役时，由于其内部孔隙结构劣化及微裂缝扩展等原因导致其耐久性能下降，进而影响混凝土工程的安全性。晶须和纤维可从不同尺度抑制混凝土内部裂缝的扩展，并降低混凝土的孔隙率，改善混凝土结构的综合性能。玄武岩纤维是近年来新兴的一种环境友好型材料，具有高达4150～4840MPa的抗拉强度，还具有较高的耐腐蚀性、弹性模量及韧性。研究表明，短切玄武岩纤维可以改善混凝土的抗冻性能，而且对混凝土的微裂缝的开展有很好的抑制作用，但是对混凝土的抗压强度、抗折强度及抗氯离子渗透性增强效果不是很明显，过量的玄武岩纤维还可能会降低混凝土的抗氯离子渗透性。玄武岩纤维束与玄武岩纤维混掺可以大幅提高混凝土的力学性能，但由于纤维束直径较大无法填补混凝土原生孔隙，在混凝土制备过程中引入较多孔隙，劣化了混凝土的孔隙结构，二者混掺不当容易降低混凝土的抗氯离子渗透性。
发明内容
本发明目的在于为了至少解决以上提到现有技术存在的技术问题之一，提供一种硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土及其制备方法，提高混凝土的强度和抗氯离子渗透性能。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土，包括短切玄武岩纤维束和短切玄武岩纤维；该混凝土还包括：硫酸钙晶须，所述硫酸钙晶须的质量含量在1%～3%之间，长度设置在50～200μm之间，直径设置在1～5μm之间。
进一步地，所述短切玄武岩纤维束的体积含量为0.3%，长度设置在30mm左右，直径设置在0.2mm左右，长径比设置在150左右。
进一步地，所述短切玄武岩纤维束为圆柱形。
进一步地，所述短切玄武岩纤维的体积含量为0.15%左右，长度设置在18mm左右，直径设置在13μm左右。
进一步地，该混凝土还包括骨料、胶凝材料和减水剂；骨料包括粗骨料和细骨料。
进一步地，所述减水剂包括聚羧酸类减水剂、萘系减水剂、木钙类减水剂或者复合减水剂。
另一方面，本发明提供如下技术方案：一种硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(a)、将粗骨料、细骨料搅拌均匀，得到骨料混合料；
(b)、将1/3短切玄武岩纤维加入骨料混合料中搅拌均匀，加入水泥搅拌均匀，再加入1/3短切玄武岩纤维搅拌均匀，随后加入硫酸钙晶须与部分水的悬浮液搅拌均匀，将剩余的水与减水剂加入混合料搅拌均匀，均匀加入剩余的短切玄武岩纤维搅拌均匀，得到晶须-纤维-骨料混合物；
(c)、在混合物中缓慢均匀地加入玄武岩纤维束搅拌均匀，得到硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土。
进一步地，包括以下步骤：
(a)、将粗骨料、细骨料搅拌15s，搅拌均匀，得到骨料混合料；
(b)、将1/3短切玄武岩纤维加入骨料混合料中搅拌15s，加入水泥继续搅拌30s，再加入1/3短切玄武岩纤维搅拌30s，随后加入硫酸钙晶须与部分水的悬浮液继续搅拌1min，将剩余的水与减水剂加入混合料搅拌2min，均匀加入剩余的短切玄武岩纤维搅拌2min得到晶须-纤维-骨料混合物；
(c)、在混合物中缓慢均匀地加入玄武岩纤维束搅拌30s，得到硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土。
进一步地，所述减水剂用量随纤维掺量的增加而增加。
进一步地，还包括以下步骤：
将新拌合好的混凝土迅速装入预先刷过脱模剂的试模中，放置在振动台上进行振捣，使其密实，用抹刀平整试件表面，养护成型，得到硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土制品。
另一方面，本发明还提供如下技术方案：一种硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土制品，由本发明公开的硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土的制备方法制备得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明公开的硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土中，三种尺度的纤维均与混凝土有很好的相容性，短切玄武岩纤维束因其表面的粗糙特性与混凝土基体具有较强的结合力，对混凝土力学性能增强效果显著，而短切玄武岩纤维可以嵌入由玄武岩纤维束引入的孔隙，也因其较高的弹性模量，可以有效控制水化产物之间的位移，减少混凝土硬化过程中产生的微裂缝，有利于改善混凝土抗冻性能。硫酸钙晶须作为亚纳米级纤维，充分发挥其尺寸效应、物理填充效应及纤维特性，而且硫酸钙晶须可参与水泥水化反应生成钙矾石，进一步优化混凝土孔隙结构，提高混凝土抗氯离子渗透性。从多尺度纤维增强混凝土机理方面考虑，在混凝土的裂缝发展阶段，晶须、纤维和纤维束分别从微观、细观和宏观尺度抑制裂缝的发展，以此增强混凝土的性能。三种纤维取长补短，在不同受力阶段发挥正向混掺效应来增强混凝土，硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土的抗压强度提高9%以上，劈裂抗拉强度提高40%以上，抗折强度提高25%以上，氯离子渗透系数降低9%以上，抗冻性（冻融循环后的抗压强度）提高40%以上。
具体实施方式
在这里专用的词“实施例”，作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。本法实施例中性能指标测试，除非特别说明，采用本领域常规试验方法。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公开的内容。
除非另有说明，否则本文使用的技术和科学术语具有本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义；作为本发明中的其它未特别注明的原材料、试剂、试验方法和技术手段均指本领域内普通技术人员通常使用的原材料和试剂，以及通常采用的实验方法和技术手段。本文述及的骨料，通常是指本领域技术人员所知晓的混凝土用的骨料，包括但不限于石头、砂子等；本文述及的胶凝材料包括但不限于水泥等。
本公开所用的术语“基本”和“大约”用于描述小的波动。例如，它们可以是指小于或等于±5％，如小于或等于±2％，如小于或等于±1％，如小于或等于±0.5％，如小于或等于±0.2％，如小于或等于±0.1％，如小于或等于±0.05％。浓度、量和其它数值数据在本文中可以以范围格式表示或呈现。这样的范围格式仅为方便和简要起见使用，因此应灵活解释为不仅包括作为该范围的界限明确列举的数值，还包括该范围内包含的所有独立的数值或子范围。例如，“1～5％”的数值范围应被解释为不仅包括1％至5％的明确列举的值，还包括在所示范围内的独立值和子范围。因此，在这一数值范围中包括独立值，如2％、3.5％和4％，和子范围，如1％～3％、2％～4％和3％～5％等。这一原理同样适用于仅列举一个数值的范围。此外，无论该范围的宽度或所述特征如何，这样的解释都适用。
在本公开，包括权利要求书中，所有连接词，如“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“容纳”等被理解为是开放性的，即是指“包括但不限于”。连接词“由...构成”和“由...组成”是封闭连接词。
为了更好的说明本发明内容，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在实施例中，对于本领域技术人员熟知的一些方法、手段、仪器、设备、原料组成、分子结构等未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
在一些实施方式中，硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土包括短切玄武岩纤维束、短切玄武岩纤维和硫酸钙晶须，其中短切玄武岩纤维束的体积含量在0.3％左右，短切玄武岩纤维的体积含量在0.15％左右，硫酸钙晶须的质量含量在1%～3%之间。作为较为优选技术方案，硫酸钙晶须的质量含量在2%左右。作为可选技术方案，短切玄武岩纤维束的形状为圆柱形；作为可选技术方案，短切玄武岩纤维的长度设置在18mm左右，直径设置在13μm左右；硫酸钙晶须的长度设置在50～200μm之间，直径设置在1～5μm之间。
短切玄武岩纤维对提高混凝土的抗压强度、抗折强度的效果有限，通过混掺短切玄武岩纤维与玄武岩纤维束可以有效提升混凝土的力学性能，但混掺不当容易削弱混凝土的抗渗性能，不利于混凝土结构的应用。本发明公开发现，硫酸钙晶须可以通过填充作用改善混凝土的内部孔隙结构，且能在微观尺度限制混凝土内部微裂缝的发展；短切玄武岩纤维可在细观尺度限制混凝土内部微裂缝的发展；由于加捻工艺，玄武岩纤维束的表面较为粗糙，从而也增加了纤维与基体间的机械咬合力，在宏观尺度限制混凝土内部裂缝的发展，可以有效提升混凝土的力学性能。本发明公开将硫酸钙晶须、短切玄武岩纤维及短切玄武岩纤维束混掺加入混凝土，可以多尺度有效抑制混凝土的微裂缝扩展和改善混凝土的孔隙结构，进而提升混凝土的力学性能及耐久性能。
在一些实施方式中，硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土还包括骨料、胶凝材料和减水剂。骨料包括粒径不同的粗骨料和细料。作为可选技术方案，减水剂包括聚羧酸类减水剂、萘系减水剂、木钙类减水剂或者复合减水剂。
在另一些实施方式中，公开了一种硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土的制备方法，该方法包括以下步骤：(a)、将粗骨料、细骨料搅拌均匀，得到骨料混合料；(b)、将1/3短切玄武岩纤维加入骨料混合料中搅拌均匀，加入水泥搅拌均匀，再加入1/3短切玄武岩纤维搅拌均匀，随后加入硫酸钙晶须与部分水的悬浮液搅拌均匀，将剩余的水与减水剂加入混合料搅拌均匀，均匀加入剩余的短切玄武岩纤维搅拌，得到晶须-纤维-骨料混合物；(c)、在混合物中缓慢均匀地加入玄武岩纤维束搅拌均匀，得到硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土。进一步地，硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土的制备方法包括如下步骤：(a)、将粗骨料、细骨料搅拌15s，搅拌均匀，得到骨料混合料；(b)、将1/3短切玄武岩纤维加入骨料混合料中搅拌15s，加入水泥继续搅拌30s，再加入1/3短切玄武岩纤维搅拌30s，随后加入硫酸钙晶须与部分水的悬浮液继续搅拌1min，将剩余的水与减水剂加入混合料搅拌2min，均匀加入剩余的短切玄武岩纤维搅拌2min；(c)、在混合物中缓慢均匀地加入玄武岩纤维束搅拌30s，得到硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土。
进一步，本发明一些实施方式中，混杂玄武岩纤维增强混凝土的制备方法，还包括将新拌合好的混凝土迅速装入预先刷过脱模剂的试模中，放置在振动台上进行振捣，使其密实，用抹刀平整试件表面，养护成型，得到硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土制品。本文中述及的模具为本领域技术人员所熟知的类型，可以根据混杂玄武岩纤维增强混凝土制品的需要设置。
本发明一些实施例还公开了用于增强混凝土的短切玄武岩纤维束的制备方法，包括步骤：(a)普通玄武纤维单丝进行加捻合股，得到玄武岩纤维束；(b)玄武岩纤维束浸入丙烯酸乳液；(c)将处理后的玄武岩纤维束切割，得到用于增强混凝土的短切玄武岩纤维束。
实施例1
本实施例1对硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土的立方体抗压强度进行示例性比较。
混凝土的配料和组分为，水灰比为0.34，水泥强度等级为42.5，其他配合比见表1。
表1混凝土配合比
本实施例采用的立方体试验块的尺寸为150mm×150mm×150mm的试件，每组三个试件，共进行7组实验，每一组实验的组分见表2所示。
表2实施例1立方体抗压强度实验组分列表
PC为对照实验，硫酸钙晶须、短切玄武岩纤维、玄武岩纤维束的掺量为0。其他组为不同硫酸钙晶须、短切玄武岩纤维束和短切玄武岩纤维含量的实验，表中列出了硫酸钙晶须占水泥质量百分比、短切玄武岩纤维束掺量、短切玄武岩纤维掺量以及硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维混凝土试验块的抗压强度和抗压强度的增长率。
从试验数据可知，本发明实施例公开的硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土的抗压强度增加，最高的增长率可达9.2％。
实施例2
本实施例2对混杂玄武岩纤维增强混凝土的劈裂抗拉强度进行示例性比较。
混凝土基准配合比同实施例1。
本实施例采用的立方体试验块的尺寸为150mm×150mm×150mm的试件，每组三个试件，共进行7组实验，每一组实验的组分见表3所示。
表3实施例2立方体劈裂抗拉强度实验组分列表
PC为对照实验，硫酸钙晶须、短切玄武岩纤维、玄武岩纤维束的掺量为0。其他组为不同硫酸钙晶须、短切玄武岩纤维束和短切玄武岩纤维含量的实验，表中列出了硫酸钙晶须占水泥质量百分比、短切玄武岩纤维束掺量、短切玄武岩纤维掺量以及硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维混凝土试验块的劈裂抗拉强度和劈裂抗拉强度的增长率。
从试验数据可知，本发明实施例公开的硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土的劈拉强度增加，最高的增长率高达45.4％。
实施例3
本实施例3对硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土的抗折强度进行示例性比较。
混凝土基准配合比同实施例1。
本实施例采用的试验块的尺寸为100mm×100mm×400mm的试件，每组三个试件，共进行7组实验，每一组实验的组分见表4所示。
表4实施例3抗折强度实验组分列表
PC为对照实验，硫酸钙晶须、短切玄武岩纤维、玄武岩纤维束的掺量为0。其他组为不同硫酸钙晶须、短切玄武岩纤维束和短切玄武岩纤维含量的实验，表中列出了硫酸钙晶须占水泥质量百分比、短切玄武岩纤维束掺量、短切玄武岩纤维掺量以及硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维混凝土试验块的抗折强度和抗折强度的增长率。
从试验数据可知，本发明实施例公开的硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土的抗折强度增加，最高的增长率高达29.8％。
实施例4
本实施例4对硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土的氯离子迁移系数进行示例性比较。
混凝土基准配合比同实施例1。
本实施例采用的试验块的尺寸为Φ100mm×50mm的圆柱体试件，每组三个试件，共进行7组实验，每一组实验的组分见表5所示。
表5实施例4氯离子渗透系数实验组分列表
PC为对照实验，硫酸钙晶须、短切玄武岩纤维、玄武岩纤维束的掺量为0。其他组为不同硫酸钙晶须、短切玄武岩纤维束和短切玄武岩纤维含量的实验，表中列出了硫酸钙晶须占水泥质量百分比、短切玄武岩纤维束掺量、短切玄武岩纤维掺量以及硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维混凝土试验块的氯离子迁移系数和氯离子迁移系数的变化率。
从试验数据可知，本发明实施例公开的硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土的抗氯离子渗透性能提高，氯离子迁移系数最高的下降率达9.1％。
实施例5
本实施例5对硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土的抗冻性进行示例性比较。
混凝土基准配合比同实施例1。
本实施例采用的试验块有两种尺寸：一种为100mm×100mm×400mm的棱柱体用于测试不同冻融循环次数后相对动弹性模量，每组三个试件，共进行7组实验，每一组实验的组分见表6；
表6实施例5相对动弹性模量实验组分列表
注：“—”表明混凝土相对动弹性模量降低到60%以下，试验停止。
另一种为100mm×100mm×100mm立方体用于测试冻融循环150次后抗压强度损失率，每组三个试件，共进行7组实验，每一组实验的组分见表7所示。
表7实施例5抗压强度损失率实验组分列表
PC为对照实验，硫酸钙晶须、短切玄武岩纤维、玄武岩纤维束的掺量为0。其他组为不同硫酸钙晶须、短切玄武岩纤维束和短切玄武岩纤维含量的实验，表6、表7中分别列出了硫酸钙晶须占水泥质量百分比、短切玄武岩纤维束掺量、短切玄武岩纤维掺量以及硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维混凝土试验块的相对动弹性模量、冻融循环150前后抗压强度与抗压强度损失率。
从试验数据可知，本发明实施例公开的硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土的抗冻性能提高，经历150次冻融循环后，其相对动弹性模量的最小损失率仅为1.8%，抗压强度的最小损失率仅为2.5%，冻融后的抗压强度较素混凝土提升率高达47.2%。在经历300次冻融循环后，普通混凝土、单掺短切玄武岩纤维或纤维束的混凝土及混杂短切玄武岩纤维增强混凝土相对动弹性模量均降低到60%以下，而硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土的相对动弹性模量的最小损失率仅为13.4%。
本发明公开的硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土中，三种尺度的纤维均与混凝土有很好的相容性，短切玄武岩纤维束因其表面的粗糙特性与混凝土基体具有较强的结合力，对混凝土力学性能增强效果显著，而短切玄武岩纤维可以嵌入由玄武岩纤维束引入的孔隙，也因其较高的弹性模量，可以有效控制水化产物之间的位移，减少混凝土硬化过程中产生的微裂缝，有利于改善混凝土抗冻性能。硫酸钙晶须作为亚纳米级纤维，充分发挥其尺寸效应、物理填充效应及纤维特性，而且硫酸钙晶须可参与水泥水化反应生成钙矾石，进一步优化混凝土孔隙结构，提高混凝土抗氯离子渗透性。从多尺度纤维增强混凝土机理方面考虑，在混凝土的裂缝发展阶段，晶须、纤维和纤维束分别从微观、细观和宏观尺度抑制裂缝的发展，以此增强混凝土的性能。三种纤维取长补短，在不同受力阶段发挥正向混掺效应来增强混凝土，硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土的抗压强度提高9%以上，劈裂抗拉强度提高40%以上，抗折强度提高25%以上，氯离子渗透系数降低9%以上，抗冻性（冻融循环后的抗压强度）提高40%以上。
本发明公开的技术方案和实施例中公开的技术细节，仅是示例性说明本发明的构思，并不构成对本发明的限定，凡是对本发明公开的技术细节所做的没有创造性的改变，都与本发明具有相同的发明精神，都在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土，包括短切玄武岩纤维束和短切玄武岩纤维；其特征在于，该混凝土还包括：
硫酸钙晶须，所述硫酸钙晶须的质量含量在1%～3%之间，长度设置在50～200μm之间，直径设置在1～5μm之间。
2.根据权利要求1所述的硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土，其特征在于，该混凝土还包括骨料、胶凝材料和减水剂；骨料包括粗骨料和细骨料。
3.根据权利要求2所述的硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土，其特征在于，所述减水剂包括聚羧酸类减水剂、萘系减水剂、木钙类减水剂或者复合减水剂。
4.根据权利要求2或3所述的硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)、将粗骨料、细骨料搅拌均匀，得到骨料混合料；
(b)、将1/3短切玄武岩纤维加入骨料混合料中搅拌均匀，加入水泥搅拌均匀，再加入1/3短切玄武岩纤维搅拌均匀，随后加入硫酸钙晶须与部分水的悬浮液搅拌均匀，将剩余的水与减水剂加入混合料搅拌均匀，均匀加入剩余的短切玄武岩纤维搅拌均匀，得到晶须-纤维-骨料混合物；
(c)、在混合物中缓慢均匀地加入玄武岩纤维束搅拌均匀，得到硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)、将粗骨料、细骨料搅拌15s，搅拌均匀，得到骨料混合料；
(b)、将1/3短切玄武岩纤维加入骨料混合料中搅拌15s，加入水泥继续搅拌30s，再加入1/3短切玄武岩纤维搅拌30s，随后加入硫酸钙晶须与部分水的悬浮液继续搅拌1min，将剩余的水与减水剂加入混合料搅拌2min，均匀加入剩余的短切玄武岩纤维搅拌2min得到晶须-纤维-骨料混合物；
(c)、在混合物中缓慢均匀地加入玄武岩纤维束搅拌30s，得到硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述减水剂用量随纤维掺量的增加而增加。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：
将新拌合好的混凝土迅速装入预先刷过脱模剂的试模中，放置在振动台上进行振捣，使其密实，用抹刀平整试件表面，养护成型，得到硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土制品。
8.一种硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土制品，由权利要求7所述的制备方法制备得到。
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|---|---|---|---|
| CN202311467846.1A CN117209219A (zh) | 2023-11-07 | 2023-11-07 | 一种硫酸钙晶须混杂玄武岩纤维增强混凝土及其制备方法 |
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| CN117209219A true CN117209219A (zh) | 2023-12-12 |
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2023
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