一种具有高弯曲韧性的高延展混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体地，涉及一种具有高弯曲韧性的高延展混凝土及其制备方法。

背景技术

混凝土材料以其骨料取材方便、生产工艺简单、造价低廉以及优异的力学性能如抗压强度高、耐久性良好、耐腐蚀等优点，广泛应用于建筑工程中，也是目前世界上研究最多、应用最广的主要土木工程材料之一。随着经济的高速发展和社会需求的进一步增大，应用于严酷条件下的各种重大混凝土结构的建造不断增加，以及现在工程结构向大跨、高耸、形式新颖等方面发展，都对混凝土性能的要求越发苛刻，普通混凝土已无法满足当今工程建设的需求；其中，混凝土的脆性是其最大的弊端，且无法通过材质进行改良。

在很早以前人们发现将毛发、杂草、纤维等材料加入无机胶凝材料中，可以降低其脆性并减少开裂，比如将秸秆或杂草掺入粘土中垒墙修建房屋。为此，科研人员提出可以将纤维掺入水泥基体中以改善其脆性性能，纤维混凝土应运而生。纤维混凝土是以水泥浆、砂浆或混凝土为基体，以纤维为增强材料组成的复合材料，其中纤维种类繁多，有金属纤维、无机非金属纤维、合成纤维和天然有机纤维等等，现有技术中应用最为广泛的为钢纤维混凝土，其在保证混凝土强度的前提下可在一定程度上改善韧性；但是在长期试验研究中发现，钢纤维与混凝土基体结合强度不高，在破坏后钢纤维与基体易剥离，无法充分发挥钢纤维的增韧作用，主要原因有两点：其一为钢纤维在混凝土中易发生腐蚀，而腐蚀层为蓬松结构，导致钢纤维与混凝土剥离，其二为钢纤维与混凝土主要依靠摩擦力结合，结合强度不高。因此，本申请从改善钢纤维的腐蚀性以及与混凝土间的结合力出发，制备具有高弯曲韧性的高延展混凝土。

发明内容

为了解决背景技术中提到的技术问题，本发明的目的在于提供一种具有高弯曲韧性的高延展混凝土及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种具有高弯曲韧性的高延展混凝土，按照重量份计包括：硅酸盐水泥450-480份、矿粉120-150份、细骨料510-540份、复合增强纤维65-80份、减水剂4.2-4.4份和水180-200份；

所述复合增强纤维由以下方法制备：

步骤A1：将硅烷偶联剂KH550和四氢呋喃混合，以500-600rpm搅拌状态缓慢滴加三氯氧磷反应2-3h，硅烷偶联剂KH550分子上的氨基与三氯氧磷的氯基团取代反应，之后旋蒸回收四氢呋喃，得到螯合剂，再将螯合剂用水稀释成改性液，向改性液中加入钢纤维，在室温下浸泡12h，螯合剂与钢纤维具有良好螯合作用，将螯合剂附着在钢纤维表面，向钢纤维表面包覆上硅氧烷基团，之后取出钢纤维淋洗、干燥，制成改性钢纤维；

进一步地，三氯氧磷、硅烷偶联剂KH550和四氢呋喃的用量比为0.1mol：0.32-0.35mol：200-280mL。

进一步地，钢纤维和螯合剂的用量比为10g：1.5-1.8g，改性液中螯合剂的含量为3.5-4.5wt%，钢纤维选自熔钢抽丝法制成的长丝，直径为0.15mm。

步骤A2：将粉煤灰、脱硫石膏、硅灰和沸石混合粉碎至细度不低于325目，再加入水和聚乙烯醇搅拌均匀，制成碱膏；

进一步地，粉煤灰、脱硫石膏、硅灰和沸石的用量质量比为1：0.35-0.42:0.1-0.14:0.05-0.08。

进一步地，碱膏的含水量为78-82%，聚乙烯醇的占比为0.7-0.9wt%。

步骤A3：将碱膏涂覆在改性钢纤维表面，在55-60℃烘制30-40min定型，碱性条件下，改性钢纤维表面引入的硅氧烷基团与碱膏中的无机微粒反应，将碱膏紧密附着在纤维表面，之后置于焙烧炉中，先升温至160-180℃保温焙烧30-40min，之后升温至950-1000℃保温焙烧1.2-1.5h，碱膏烧结附着在改性钢纤维表面，形成含硅钙的多孔保护层，冷却至室温，剪切成长度为30-50mm短纤维，制成复合短切纤维；

进一步地，碱膏在改性钢纤维上的涂覆量为2.5-2.8g/m。

步骤A4：配制pH值为8.0-9.0的碳酸钠溶液，加入硅酸钠和硝酸钙搅拌溶解，超声震荡20-30min，加入复合短切纤维静置24h，形成硅酸钙附着沉积在复合短切纤维表面，过滤取滤饼干燥，制成复合增强纤维；

进一步地，复合短切纤维、硅酸钠、硝酸钙和碳酸钠溶液的用量比为100g：8.5-10g：3-5g：550-600mL。

一种具有高弯曲韧性的高延展混凝土的制备方法为：将硅酸盐水泥、矿粉、细骨料、复合增强纤维和减水剂混合，再加水拌匀，制成具有高弯曲韧性的高延展混凝土。

本发明的有益效果：

本发明在混凝土中掺加一种复合增强纤维，其以钢纤维为芯材，通过硅烷偶联剂KH550和三氯氧磷取代反应制成含磷的螯合剂，对钢纤维处理后在表面附着含硅氧烷基团的有机物，提高钢纤维表面活性，之后在表面涂覆以粉煤灰为主材的碱膏，改性钢纤维表面引入的硅氧烷基团与碱膏中的无机微粒反应，将碱膏紧密附着在纤维表面，经烧结后形成含硅钙的多孔保护层，之后通过沉积法在多孔结构中负载硅酸钙，与现有钢纤维混凝土相比，钢纤维表面的烧结层对钢纤维防护，减轻钢纤维腐蚀导致的强度下降，表面的多孔结构增强与混凝土的嵌合强度，使得钢纤维不易从混凝土中脱落剥离，且烧结层中富含硅钙成分以及沉积的硅酸钙易与混凝土形成水化凝胶，在钢纤维近层形成强化带，进一步加强钢纤维与混凝土的结合强度，充分发挥钢纤维的增韧作用。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，本实施例制备复合增强纤维，具体如下：

a1、取硅烷偶联剂KH550和四氢呋喃混合，施加600rpm机械搅拌，在40min内缓慢滴加三氯氧磷，滴加后继续保持搅拌反应，整体加入反应时间为2h，其中，三氯氧磷、硅烷偶联剂KH550和四氢呋喃的用量比为0.1mol：0.35mol：280mL，反应后旋蒸回收四氢呋喃，取旋蒸产物制成螯合剂；

将螯合剂和水配置成浓度为5.5wt%的改性液，再取熔钢抽丝法制取的钢纤维长丝，直径为0.15mm，将钢纤维按照螯合剂用量1.5g/10g浸入改性液中，在室温下浸泡12h，之后取出钢纤维用水淋洗，热风干燥10min，制成改性钢纤维。

a2、将粉煤灰、脱硫石膏、硅灰和沸石按照质量比为1：0.35:0.14:0.08混合粉碎，采用325目筛网筛分，再加入水和聚乙烯醇搅拌均匀，控制聚乙烯醇的占比为0.9wt%，含水量为82%，制成碱膏。

a3、将碱膏涂覆在改性钢纤维表面，控制涂覆量为2.8g/m，将涂覆后的纤维在60℃烘制30min定型，之后置于焙烧炉中，先升温至180℃保温焙烧30min，之后升温至1000℃保温焙烧1.2h，冷却至室温，采用冲切机剪切成长度为30mm短纤维，制成复合短切纤维。

a4、取碳酸钠用水溶解稀释成pH值为9.0的碳酸钠溶液，再加入硅酸钠和硝酸钙搅拌溶解，以28kHz超声分散20min，再加入复合短切纤维静置24h，其中，复合短切纤维、硅酸钠、硝酸钙和碳酸钠溶液的用量比为100g：10g：5g：600mL，过滤取滤饼，在60℃下干燥3h，制成复合增强纤维。

实施例2，本实施例制备复合增强纤维，具体如下：

a1、取硅烷偶联剂KH550和四氢呋喃混合，施加500rpm机械搅拌，在60min内缓慢滴加三氯氧磷，滴加后继续保持搅拌反应，整体加入反应时间为3h，其中，三氯氧磷、硅烷偶联剂KH550和四氢呋喃的用量比为0.1mol：0.32mol：200mL，反应后旋蒸回收四氢呋喃，取旋蒸产物制成螯合剂；

将螯合剂和水配置成浓度为7.5wt%的改性液，再取熔钢抽丝法制取的钢纤维长丝，直径为0.15mm，将钢纤维按照螯合剂用量1.8g/10g浸入改性液中，在室温下浸泡12h，之后取出钢纤维用水淋洗，热风干燥10min，制成改性钢纤维。

a2、将粉煤灰、脱硫石膏、硅灰和沸石按照质量比为1：0.42:0.1:0.05混合粉碎，采用325目筛网筛分，再加入水和聚乙烯醇搅拌均匀，控制聚乙烯醇的占比为0.7wt%，含水量为78%，制成碱膏。

a3、将碱膏涂覆在改性钢纤维表面，控制涂覆量为2.5g/m，将涂覆后的纤维在55℃烘制40min定型，之后置于焙烧炉中，先升温至160℃保温焙烧40min，之后升温至950℃保温焙烧1.5h，冷却至室温，采用冲切机剪切成长度为50mm短纤维，制成复合短切纤维。

a4、取碳酸钠用水溶解稀释成pH值为8.0的碳酸钠溶液，再加入硅酸钠和硝酸钙搅拌溶解，以28kHz超声分散30min，再加入复合短切纤维静置24h，其中，复合短切纤维、硅酸钠、硝酸钙和碳酸钠溶液的用量比为100g：8.5g：3g：550mL，过滤取滤饼，在60℃下干燥3h，制成复合增强纤维。

实施例3，本实施例制备复合增强纤维，具体如下：

a1、取硅烷偶联剂KH550和四氢呋喃混合，施加600rpm机械搅拌，在50min内缓慢滴加三氯氧磷，滴加后继续保持搅拌反应，整体加入反应时间为2.2h，其中，三氯氧磷、硅烷偶联剂KH550和四氢呋喃的用量比为0.1mol：0.34mol：250mL，反应后旋蒸回收四氢呋喃，取旋蒸产物制成螯合剂；

将螯合剂和水配置成浓度为6.0wt%的改性液，再取熔钢抽丝法制取的钢纤维长丝，直径为0.15mm，将钢纤维按照螯合剂用量1.6g/10g浸入改性液中，在室温下浸泡12h，之后取出钢纤维用水淋洗，热风干燥10min，制成改性钢纤维。

a2、将粉煤灰、脱硫石膏、硅灰和沸石按照质量比为1：0.38:0.12:0.06混合粉碎，采用325目筛网筛分，再加入水和聚乙烯醇搅拌均匀，控制聚乙烯醇的占比为0.8wt%，含水量为80%，制成碱膏。

a3、将碱膏涂覆在改性钢纤维表面，控制涂覆量为2.6g/m，将涂覆后的纤维在60℃烘制35min定型，之后置于焙烧炉中，先升温至170℃保温焙烧40min，之后升温至980℃保温焙烧1.3h，冷却至室温，采用冲切机剪切成长度为50mm短纤维，制成复合短切纤维。

a4、取碳酸钠用水溶解稀释成pH值为9.0的碳酸钠溶液，再加入硅酸钠和硝酸钙搅拌溶解，以28kHz超声分散30min，再加入复合短切纤维静置24h，其中，复合短切纤维、硅酸钠、硝酸钙和碳酸钠溶液的用量比为100g：9g：4g：580mL，过滤取滤饼，在60℃下干燥3h，制成复合增强纤维。

实施例4，本实施例制备复合增强纤维，具体如下：

a1、取硅烷偶联剂KH550和四氢呋喃混合，施加600rpm机械搅拌，在60min内缓慢滴加三氯氧磷，滴加后继续保持搅拌反应，整体加入反应时间为2.5h，其中，三氯氧磷、硅烷偶联剂KH550和四氢呋喃的用量比为0.1mol：0.34mol：280mL，反应后旋蒸回收四氢呋喃，取旋蒸产物制成螯合剂；

将螯合剂和水配置成浓度为7.0wt%的改性液，再取熔钢抽丝法制取的钢纤维长丝，直径为0.15mm，将钢纤维按照螯合剂用量1.6g/10g浸入改性液中，在室温下浸泡12h，之后取出钢纤维用水淋洗，热风干燥10min，制成改性钢纤维。

a2、将粉煤灰、脱硫石膏、硅灰和沸石按照质量比为1：0.4:0.12:0.07混合粉碎，采用325目筛网筛分，再加入水和聚乙烯醇搅拌均匀，控制聚乙烯醇的占比为0.9wt%，含水量为80%，制成碱膏。

a3、将碱膏涂覆在改性钢纤维表面，控制涂覆量为2.5g/m，将涂覆后的纤维在55℃烘制35min定型，之后置于焙烧炉中，先升温至180℃保温焙烧40min，之后升温至980℃保温焙烧1.5h，冷却至室温，采用冲切机剪切成长度为40mm短纤维，制成复合短切纤维。

a4、取碳酸钠用水溶解稀释成pH值为9.0的碳酸钠溶液，再加入硅酸钠和硝酸钙搅拌溶解，以28kHz超声分散25min，再加入复合短切纤维静置24h，其中，复合短切纤维、硅酸钠、硝酸钙和碳酸钠溶液的用量比为100g：9.5g：4.5g：600mL，过滤取滤饼，在60℃下干燥3h，制成复合增强纤维。

以下实施例制备具有高弯曲韧性的高延展混凝土，配方中涉及原料选取如下：

硅酸盐水泥，选自P.O42.5R硅酸盐水泥，由安徽海螺水泥股份有限公司生产；

矿粉，选自S95级矿粉，由武汉武新新型建材有限公司生产；

细骨料，选自天然河砂，细度模数为2.6，具体级配如表1所示：

减水剂，选自PCA-Ⅰ高效聚羧酸减水剂，由江苏苏博特新材料股份有限公司生产。

混凝土的配制方法为：将硅酸盐水泥、矿粉、细骨料、复合增强纤维和减水剂投加到拌料机中以60rpm搅拌10min，再将水按照3：1分配，分两次加入搅拌12min，制成混凝土；

具体配料如表2所示：

取边长为100mm立方体模具和尺寸为40×40×160mm的棱柱模具，注入混凝土振捣压实，抹平静置，40h后拆模，标准养护28d，龄期为56d得到立方体和棱柱试样；

取立方体试样，按照加载速率为5kN/s匀速加载，对试样进行抗压强度测试，具体测试数据如表3所示：

由表3数据可知，本发明制备的混凝土的抗压强度达到62.15-65.70MPa，具有良好的抗压性能。

基于以上测试数据，取立方体试样，按照加载速率为2kN/s匀速加载至抗压强度为80%，卸压后自然养护90d，再次进行抗压测试，具体测数据如表4所示：

由表4数据可知，本发明制备混凝土二次抗压强度保持为61.85-63.95MPa，表现出良好的抗压韧性和耐损能力。

取以上制备的棱柱试样，采用三点抗折试验法进行抗折试验，加载速率为0.5kN/s，具体测试数据如表5所示：

由表5数据可知，本发明制备的混凝土抗折强度达到23.45-25.80MPa，具有良好的抗折性能。

在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。