CN115159929B - 超高性能混凝土的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超高性能混凝土生产应用技术领域，尤其涉及一种超高性能混凝土的制备方法。本发明提供一种超高性能混凝土的制备方法，首先通过对超高分子量聚乙烯纤维进行表面改性，提高其粘结能力，然后，利用明胶将纳米材料吸附在纤维的表面，利用纤维使其能够均匀的分布在超高性能混凝土内，然后，利用干料的水化过程，水化热使明胶融化，进而使纳米材料脱离纤维，填充到混凝土中去，从而达到提高分散性的目的。
Description
技术领域
本发明属于超高性能混凝土生产应用技术领域，尤其涉及一种超高性能混凝土的制备方法。
背景技术
普通混凝土材料具有良好的抗压、抗渗、可塑和耐久性能，又有就地取材、工艺简便、成本低廉等特点，20 世纪中叶后被广泛应用于基础设施的建设，如房屋、公路、桥梁和水利工程等。直至今日混凝土已成为世界上最常用且使用最多的建筑材料，统计数据显示仅 2018 年我国预拌混凝土产量就达到 23.36 亿万立方米。
然而，普通混凝土存在抗拉强度低、脆性大、易开裂和自重大等缺陷，同时低强度混凝土需要耗费更多的自然资源，在生产过程中释放更多的废气和粉尘，造成环境的污染，不能满足建筑结构向轻型、大跨、耐久和环保等方向发展。因此，需要进一步研究和发展高强耐久的混凝土材料，以适应现代基础设施建设的需求。
为弥补普通混凝土的不足，超高性能混凝土（UHPC）应运而生。超高性能混凝土已经诞生并发展40余年，大量研究表明：与普通混凝土相比，UHPC 具有超强的力学性能（抗压强度 120MPa 以上，抗折强度 15MPa以上）、超高韧性、优异耐久性、自重轻和后期维护成本低等众多优点。但受到技术研究不成熟、施工工艺复杂、造价成本高、水泥用量多等问题的影响，UHPC始终都没有得到实质性推广应用。
2012年，在第三次UHPC国际会议中，将纳米材料在超高性能混凝土材料中的应用现状列入会议的重要章程之中，详细介绍了该领域的研究进展，纳米材料已成为改善UHPC性能的重要利器。目前，纳米材料能有效提升超高性能混凝土力学性能和耐久性的观点已被大量的科学研究所证实。但其存在一个明显的问题，就是纳米材料在混凝土中的分散性较差，由此导致超高性能混凝土改善不全面。
发明内容
本发明针对上述的纳米材料在超高性能混凝土分散性较差的技术问题，提出一种设计合理、方法简单、操作方面且能够有效提高纳米材料分散性的超高性能混凝土的制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：本发明提供一种超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
a、首先根据超高性能混凝土的相应配比称取所需的超高分子量聚乙烯纤维进行表面改性，提高超高分子量聚乙烯纤维的粘结能力，备用；
b、然后，根据超高性能混凝土的相应配比称取相应的纳米材料，然后，将纳米材料溶于明胶溶液中，超声分散；
c、将a步骤制备的超高分子量聚乙烯纤维加入明胶溶液中，超声分散均匀后，冷冻干燥，得到附着有明胶的超高分子量聚乙烯纤维，备用；
d、然后，将超高性能混凝土所需的干料混合在一起搅拌均匀；
e、然后向混合均匀的干料中添加高性能减水剂干粉搅拌，使干料和高性能减水剂干粉充分混合均匀；
f、按照水胶比为0.18的比例称取所需的水；
g、然后，称取三分之二e步骤获得的干料和高性能减水剂干粉的混合料与f步骤获取的所有水搅拌均匀后，加入c步骤获得附着有明胶的超高分子量聚乙烯纤维并搅拌均匀；
h、在搅拌完成后，不间断的将剩余的三分之一的干料和高性能减水剂干粉的混合料加入其中，不断搅拌，直到搅拌均匀，待混凝土基体达到理想流动性后停止搅拌，即可得到超高性能混凝土料。
作为优选，所述a步骤中，超高分子量聚乙烯纤维的改性方法包括以下步骤：
a1、将超高分子量聚乙烯纤维浸泡于乙醇中超声清洗，烘干；
a2、将清洗、烘干后的超高分子量聚乙烯纤维进行等离子体处理；
a3、将等离子体处理后的超高分子量聚乙烯纤维浸渍于含有硅烷偶联剂的乙醇/水混合溶液中，反应1h~5h后取出，于90-130℃下进行脱水缩合反应0.5~3h，即可得到粘结能力提高的超高分子量聚乙烯纤维。
作为优选，所述b步骤中，纳米材料为纳米CaCO3、纳米SiO2、纳米Al2O3、纳米MgO 、碳纳米管以及氧化石墨烯。
作为优选，所述b步骤中，明胶溶液的固含量以满足纳米材料附着即可。
作为优选，所述d步骤中，所述干料为水泥、硅灰、矿粉、石英粉以及石英砂。
作为优选，所述e步骤中，高性能减水剂干粉占干料质量的2%。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于，
1、本发明提供一种超高性能混凝土的制备方法，首先通过对超高分子量聚乙烯纤维进行表面改性，提高其粘结能力，然后，利用明胶将纳米材料吸附在纤维的表面，利用纤维使其能够均匀的分布在超高性能混凝土内，然后，利用干料的水化过程，水化热使明胶融化，进而使纳米材料脱离纤维，填充到混凝土中去，从而达到提高分散性的目的。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
实施例1，本实施例旨在提供一种纳米材料分散性好的超高性能混凝土的制备方法
需要说明的是，本实施例改进的目的主要针对纳米材料的分散，超高性能混凝土所选用的原料可以与本实施例一致，也可以不与本实施例一致。在本实施例中，干料采用水泥、硅灰、矿粉、石英粉以及石英砂，其中，水泥为42.5级普通硅酸盐水泥即可。
硅灰，主要成分为二氧化硅，又称微硅粉，是冶炼金属硅和硅铁合金时的副产物。硅灰在混凝土中的作用主要是火山灰化学效应和微集料填充物理效应。二氧化硅可与水泥水化后的氢氧化钙发生化学反应，其化合产物便是硅酸钙凝胶。氢氧化钙对混凝土的强度有降低作用，但硅酸钙凝胶却能增加混凝土的强度，因此，加入微硅粉能在一定程度上改善了混凝土的强度。加入 UHPC中后，可起到提高UHPC密实度的作用。
粉煤灰主要是从燃煤电厂烟囱里收集出来的废弃细灰，可将其资源化利用作为混凝土中的掺合料，在UHPC 基体中能够起到“填充效应”和“滚珠效应”，提高UHPC基体的流动性。
矿粉，又称粒化高炉矿渣粉，是当今世界上公认的配制高性能混凝土的重要材料之一。UHPC 的制备中，在蒸汽养护时，矿粉可发挥火山灰活性，能有效降低基体中氢氧化钙的含量，对 UHPC 的强度提升有利。此外，它还可以当作基体中的微骨料，用以改善基体中的孔隙结构，提高密度，起到填充作用。
石英砂在制备UHPC中，作为骨料的存在。
石英粉在UHPC中主要起到填充作用，它以微小的粒径填充其它颗粒间的空隙，提高UHPC的堆积密度。
高性能减水剂干粉为聚羧酸高效减水剂，聚羧酸高效减水剂是一种高性能的减水剂，是制备UHPC不可或缺的原材料之一。在 UHPC 中掺入少量高效减水剂的主要作用，是为了保证在极低的水胶比情况下，制备出的 UHPC 仍然具有良好的和易性和力学性能。
纤维在UHPC中主要起到增韧的目的，目前，市场上常用的有钢纤维以及超高分子量聚乙烯纤维，在本实施例中，选用超高分子量聚乙烯纤维的短纤维，其掺量为总体积2%。
纳米材料为纳米CaCO3、纳米SiO2、纳米Al2O3、纳米MgO 、碳纳米管以及氧化石墨烯，在本实施例中，选用氧化石墨烯。其掺杂量为总重量的0.026%。
通过纳米材料的添加量即可以看出，纳米材料的添加量在整个超高性能混凝土的制备中，其含量太少，而超高性能混凝土本身水胶比就低，这就导致纳米材料很难分散。
为此，为了达到纳米材料分散的目的。在本实施例中，首先根据超高性能混凝土的相应配比称取所需的超高分子量聚乙烯纤维进行表面改性，提高超高分子量聚乙烯纤维的粘结能力，备用，提高超高分子量聚乙烯纤维的粘接能力主要是考虑到超高分子量聚乙烯纤维本身的掺量较大，且其直径一般在3mm左右，其具有一定的体积，这样，利用搅拌设备进行搅拌时，能够使其均匀分散，而将纳米材料吸附在超高分子量聚乙烯纤维上，则可以利用其达到提高分散性的目的。
超高分子量聚乙烯纤维的改性的方法有很多，本实施例提供一种效果较好的方法，具体如下：
将超高分子量聚乙烯纤维浸泡于乙醇中超声清洗，烘干；将清洗、烘干后的超高分子量聚乙烯纤维进行等离子体处理；最后，将等离子体处理后的超高分子量聚乙烯纤维浸渍于含有硅烷偶联剂的乙醇/水混合溶液中，反应1h~5h后取出，于90-130℃下进行脱水缩合反应0.5~3h，即可得到粘结能力提高的超高分子量聚乙烯纤维。这样做的目的，在保证超高分子量聚乙烯纤维本身性能的作用下提高超高分子量聚乙烯纤维的表面粗糙度，进而提高其粘结能力，备用。
然后，根据超高性能混凝土的相应配比称取相应的纳米材料，然后，将纳米材料溶于明胶溶液中，超声分散，在本实施例中，选用明胶的主要是考虑到明胶在低温下呈固态，在30~34℃左右的情况下其就开始液化，而随着其液化，纳米材料在搅拌的作用下，其就会从超高分子量聚乙烯纤维的脱离出来，由于本身纳米材料在超高分子量聚乙烯纤维的作用下，就已经分布均匀了，这样，在其脱离后，也达到均匀分布的目的。明胶溶液的固含量以满足纳米材料均匀附着即可，其在使用时，可以添加大量的水，以浸没明胶。
然后，将超高分子量聚乙烯纤维加入明胶溶液中，超声分散均匀后，冷冻干燥，真空冷冻干燥技术是将湿物料或溶液在较低的温度(-10℃~-50℃)下冻结成固态，然后在真空(1.3~13帕)下使其中的水分不经液态直接升华成气态，最终使物料脱水的干燥技术，这样，就可以得到得到附着有明胶的超高分子量聚乙烯纤维，备用。这样做的目的，利用超声分散确保分散的均匀，然后，再利用真空冷冻干燥技术确保含有纳米材料的明胶粘附在超高分子量聚乙烯纤维上。
然后，将超高性能混凝土所需的干料混合在一起搅拌均匀，然后向混合均匀的干料中添加高性能减水剂干粉搅拌，使干料和高性能减水剂干粉充分混合均匀，此步骤就是常见的超高性能混凝土的制备步骤，再此，不加详细描述。
然后，按照水胶比为0.18的比例称取所需的水。然后，称取三分之二的干料和高性能减水剂干粉的混合料与获取的所有水搅拌均匀后，这样做的目的主要是因为超高性能混凝土本身水胶比就低，其流动性较差，不利用搅拌均匀，而先减少三分之一的量，这样，就使此时的水胶比大，流动性好，促进纤维的分布均匀。
然后，将附着有明胶的超高分子量聚乙烯纤维加入其中，并搅拌均匀。在此过程中，由于水化过程是一个放热的过程，其在水化过程中，会对明胶进行加热，进而使明胶脱离超高分子量聚乙烯纤维，而随着搅拌，其会分布的更加均匀。
在搅拌完成后，不间断的将剩余的三分之一的干料和高性能减水剂干粉的混合料加入其中，不断搅拌，直到搅拌均匀，待混凝土基体达到理想流动性后停止搅拌，即可得到超高性能混凝土料。
实验：将实施例1制备得到的超高性能混凝土料制作呈试块，待其养护完成后，多处钻孔取料，经扫描电子显微镜观察后，发现取料样本中均发现氧化石墨烯且分布均匀，达到纳米材料均匀分散的目的。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.一种超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、首先根据超高性能混凝土的相应配比称取所需的超高分子量聚乙烯纤维进行表面改性，提高超高分子量聚乙烯纤维的粘结能力，备用；
b、然后，根据超高性能混凝土的相应配比称取相应的纳米材料，然后，将纳米材料溶于明胶溶液中，超声分散；
c、将a步骤制备的超高分子量聚乙烯纤维加入明胶溶液中，超声分散均匀后，冷冻干燥，得到附着有明胶的超高分子量聚乙烯纤维，备用；
d、然后，将超高性能混凝土所需的干料混合在一起搅拌均匀；
e、然后向混合均匀的干料中添加高性能减水剂干粉搅拌，使干料和高性能减水剂干粉充分混合均匀；
f、按照水胶比为0.18的比例称取所需的水；
g、然后，称取三分之二e步骤获得的干料和高性能减水剂干粉的混合料与f步骤获取的所有水搅拌均匀后，加入c步骤获得附着有明胶的超高分子量聚乙烯纤维并搅拌均匀；
h、在搅拌完成后，不间断的将剩余的三分之一的干料和高性能减水剂干粉的混合料加入其中，不断搅拌，直到搅拌均匀，待混凝土基体达到理想流动性后停止搅拌，即可得到超高性能混凝土料；
其中，所述a步骤中，超高分子量聚乙烯纤维的改性方法包括以下步骤：
a1、将超高分子量聚乙烯纤维浸泡于乙醇中超声清洗，烘干；
a2、将清洗、烘干后的超高分子量聚乙烯纤维进行等离子体处理；
a3、将等离子体处理后的超高分子量聚乙烯纤维浸渍于含有硅烷偶联剂的乙醇/水混合溶液中，反应1h~5h后取出，于90-130℃下进行脱水缩合反应0.5~3h，即可得到粘结能力提高的超高分子量聚乙烯纤维。
2.根据权利要求1所述的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，所述b步骤中，纳米材料为纳米CaCO3、纳米SiO2、纳米Al2O3、纳米MgO 、碳纳米管以及氧化石墨烯。
3.根据权利要求2所述的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，所述b步骤中，明胶溶液的固含量以满足纳米材料附着即可。
4.根据权利要求3所述的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，所述d步骤中，所述干料为水泥、硅灰、矿粉、石英粉以及石英砂。
5.根据权利要求4所述的超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，所述e步骤中，高性能减水剂干粉占干料质量的2%。
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