一种C170强度等级的超高强高性能纤维混凝土及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种C170强度等级的超高强高性能纤维混凝土及其制备方法，所述混凝土的质量份组成如下：水泥497份、水74份、碎石1000份、细骨料760份、粉煤灰80份、稻壳灰75份、硅灰111份、减水剂14.4份、激发剂10份、纤维素纤维1.6份、羟基改性碳纳米管分散液41份，氧化石墨烯分散液42份、消泡剂2.6份。制备的混凝土具有较高的韧性和优异的耐久性能，与型钢之间具有较高的粘结强度，抗压强度达到175.91MPa，抗折强度达到35.76MPa，劈拉强度达到15.26MPa，与型钢之间的粘结强度达到7.49MPa，氯离子抗渗等级达到Ⅵ级。用于型钢混凝土组合结构中，能够有效发挥型钢与混凝土之间的协同工作性能，弥补型钢与混凝土粘结性能差、无法充分发挥二者各自的力学性能的不足。

【技术实现步骤摘要】
一种C170强度等级的超高强高性能纤维混凝土及其制备方法
本专利技术属于新型建筑材料领域,是一种掺稻壳灰、纤维素纤维、改性碳纳米管和氧化石墨烯的高强度、高韧性和高耐久性混凝土，具体涉及一种具有高韧性的C170强度等级的超高强高性能纤维混凝土及其制备方法。
技术介绍
普通混凝土和水泥基材料的抗拉强度低，韧性差，硬化过程中或外部荷载作用下会产生大量微裂缝，使Cl-、SO42-等有害离子和CO2等有害气体侵入混凝土内部，加快混凝土结构的侵蚀，严重影响混凝土或水泥基复合材料结构的耐久性，降低结构服役寿命。碳纳米管是一种具有纳米级别直径和微米级别长度的一维纤维材料，其长径比高达100-1000，弹性模量(可达到1TPa左右)大约是钢材的5倍而密度却只是钢材的1/6；碳纳米管的拉伸强度则可达到60-150GPa，压缩强度为100-170GPa，断裂应变在30-50％范围。因其优异的物理、力学性能，使碳纳米管成为理想的复合材料增强纤维。但是，由于碳纳米管表面完整光滑、缺陷少、缺少活性基团，在水及各种溶液或复合材料中的相对溶解度较低，加之碳纳米管之间存在较大的范德华力、表面处存在很大的表面自由能，因此碳纳米管之间极易发生自发的团聚或缠绕，严重影响碳纳米管在某些聚合物中的均匀分散。本专利技术使用表面活性剂对多壁碳纳米管进行分散和超声处理，在不切断碳纳米管且不破坏其表面结构的基础上，得到能够在水中稳定分散的改性多壁碳纳米管分散液，从而使其能够用于混凝土中，充分发挥其微纤维增韧作用。而石墨烯也是现有材料中强度和硬度最高的晶体结构，抗拉强度和弹性模量分别可达到125GPa和1.1TPa。单层石墨烯厚度仅为约0.35nm，是目前发现的自然界中最薄的二维材料，具有较高的比表面积，能很好的与聚合物结合。但是由于石墨烯面内是sp2杂化结构，纳米粒子间存在很强的分子引力引起相互吸附，造成石墨烯团聚在一起，不能稳定分散在聚合物中并发挥其作用，甚至会引起基体内部出现缺陷。而经过氧化处理的石墨烯单片表面引入了很多羟基、羧基等含氧官能团，使其能够均匀分散在水中，但是氧化石墨烯在碱性条件下容易发生絮凝，这对于氧化石墨烯在水泥中分散不利，甚至会引起混凝土的强度损失。本专利技术通过添加分散剂制备了能够在水泥中稳定分散的氧化石墨烯分散液，使其能够用于混凝土中，改善混凝土的综合性能。为了克服普通混凝土和高性能混凝土的脆性以及现有纤维混凝土与水泥基复合材料的缺点，采用具有蓄水功能和增韧作用的纤维素纤维以及具有超细微孔结构的稻壳灰(具有多孔结构的稻壳灰可吸收水分)，两种材料的“内养护作用”能够促进胶凝材料的水化进程；另外，通过在混凝土中加入改性碳纳米管和氧化石墨烯这两种组分，以改善混凝土的韧性，并使胶凝材料在水化过程中水化的更加充分，改善水化产物的晶体形状乃至混凝土内部结构的致密程度，最终达到提高混凝土的强度和耐久性能，并提升其韧性、塑性和抗拉强度之目标。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种C170强度等级的超高强高性能纤维混凝土及其制备方法，本专利技术的创新性系在混凝土中掺入了具有增韧和内养护作用的纤维素纤维、具有内养护作用的一种新型活性矿物掺合料无碳稻壳灰，以及具有增韧和纳米填充效应的改性多壁碳纳米管和氧化石墨烯。各组分之间的协同作用能够促进胶凝材料水化更加充分，改善混凝土内部的微观组成，减少有害孔隙数量，使混凝土内部结构更加密实，最终制备出具有超高强度、高韧性、高耐久性、高体积稳定性的新型高性能纤维混凝土材料。为实现上述目的，本专利技术公开的技术方案是：一种C170强度等级的超高强高性能纤维混凝土，包括下述质量份数的原料：水泥497份、水74份、碎石1000份、细骨料760份、粉煤灰80份、稻壳灰75份、硅灰111份、减水剂14.4份、激发剂10份、纤维素纤维1.6份、羟基改性碳纳米管分散液41份，氧化石墨烯分散液42份、消泡剂2.6份。所述水泥为P·Ⅰ62.5R硅酸盐水泥，其与聚羧酸系减水剂相容性良好。所述细骨料采用质量比为8:2的质地坚硬的河砂和级配良好的优质石英砂，河砂细度模数为2.8-3.2，石英砂中二氧化硅含量不小于98％，粒径为0.3-0.6mm，密度为2.62g/cm3。所述碎石选择级配良好、致密坚硬、表面粗糙的玄武岩碎石，将连续粒级的5-10mm、10-16mm的碎石按照7:3的质量比混合使用，母体岩石强度不低于250MPa，最大粒径不超过16mm。所述粉煤灰采用电厂优质Ⅰ级特细粉煤灰，需水量比不大于95％，比表面积应大于600m2/kg。所述硅灰中二氧化硅的质量百分比不小于93％，火山灰活性指数大于95％，平均粒径0.1-0.3μm，比表面积大于15m2/g。所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，固含量为20％，pH值为7-8，减水率在30％以上，7d、28d抗压强度比不小于180％；所述消泡剂采用美国瀚森AXILATDF6352DD消泡剂。所述稻壳灰是由稻壳在650-800℃的温度下经过焚烧、使用球磨机研磨30-40min制得的灰粉色粉末，其二氧化硅含量为93.6％，粒径为5-25μm，比表面积大于70m2/g。所述激发剂为有机-无机复合激发剂，按照下述质量百分比计的原料复配而成：98％的水玻璃，2％的三乙醇胺；所述水玻璃溶液的模数为1.2，是由工业氢氧化钠和市售的模数为3.4的水玻璃溶液配制而成的。所述纤维素纤维为UF500纤维素纤维，长度2-3mm，直径为15-20μm，抗拉强度≥900MPa，弹性模量≥8.5GPa，断裂延伸率达到10％，比重为1.1g/cm3，具有良好的亲水性，较高的握裹力和耐酸碱性能。所述碳纳米管分散液是羟基改性碳纳米管分散液，是由多壁碳纳米管依次经过碱性条件下的水热反应得到羟基改性多壁碳纳米管粉末，然后与表面活性剂和助剂在去离子水中分散处理后得到。所述羟基改性碳纳米管分散液的制备方法如下：1)配制浓度为2.0M的NaOH水溶液，称取2份多壁碳纳米管加入100份配制的NaOH水溶液中，超声处理5min；将碳纳米管分散液倒入高压反应釜，密封后180℃反应120min；后冷却至室温，离心分离，加入去离子水稀释并洗涤，除去清液；再超声10min，搅拌，偏氯乙烯滤膜过滤，所得固态产物水洗至滤液为中性；40℃下干燥12h，得到表面含羟基等含氧官能团的改性多壁碳纳米管；2)称取步骤1)中制备的表面含羟基等含氧官能团的改性多壁碳纳米管、表面活性剂0.5份、消泡剂0.1份和去离子水98份，将表面活性剂、消泡剂和改性碳纳米管依次分散到去离子水中，搅拌，使碳纳米管被表面活性剂水溶液完全浸湿；超声处理30min；之后对分散液进行离心沉降；3)将上层液体过300目滤布，得到碳纳米管分散液1；将底部沉淀团聚的碳纳米管按照步骤2)再次进行超声60min，得到碳纳米管分散液2，碳纳米管分散液1和2中羟基改性多壁碳纳米管在水中能够均匀稳定分散。所述多壁碳纳米管平均管径为40-50nm，长度为10-20μm，纯度≥98％。所述表面活性剂为聚乙二醇辛基苯基醚，pH＝7.0，浊点63℃，是一种非离子型表面活性剂；所述消泡剂为美国瀚森AXILATDF6352DD消泡剂。所述氧化石墨烯分散液通过下述方法得到：(1)在1份氧化石墨烯粉末中加入100份去离子水，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种C170强度等级的超高强高性能纤维混凝土，其特征在于，纤维混凝土包括下述质量份数的原料：水泥497份、水74份、碎石1000份、细骨料760份、粉煤灰80份、稻壳灰75份、硅灰111份、减水剂14.4份、激发剂10份、纤维素纤维1.6份、羟基改性碳纳米管分散液41份，氧化石墨烯分散液42份、消泡剂2.6份。

【技术特征摘要】
1.一种C170强度等级的超高强高性能纤维混凝土，其特征在于，纤维混凝土包括下述质量份数的原料：水泥497份、水74份、碎石1000份、细骨料760份、粉煤灰80份、稻壳灰75份、硅灰111份、减水剂14.4份、激发剂10份、纤维素纤维1.6份、羟基改性碳纳米管分散液41份，氧化石墨烯分散液42份、消泡剂2.6份。2.根据权利要求1所述的C170强度等级的超高强高性能纤维混凝土，其特征在于，所述水泥为P·Ⅰ62.5R硅酸盐水泥，其与聚羧酸系减水剂相容性良好；所述细骨料采用质量比为8:2的质地坚硬的河砂和级配良好的优质石英砂，河砂细度模数为2.8-3.2，石英砂中二氧化硅含量不小于98％，粒径为0.3-0.6mm，密度为2.62g/cm3；所述碎石选择级配良好、致密坚硬、表面粗糙的玄武岩碎石，将连续粒级的5-10mm、10-16mm的碎石按照7:3的质量比混合使用，母体岩石强度不低于250MPa，最大粒径不超过16mm；所述粉煤灰采用电厂优质Ⅰ级特细粉煤灰，需水量比不大于95％，比表面积应大于600m2/kg；所述硅灰中二氧化硅的质量百分比不小于93％，火山灰活性指数大于95％，平均粒径0.1-0.3μm，比表面积大于15m2/g；所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，固含量为20％，pH值为7-8，减水率在30％以上，7d、28d抗压强度比不小于180％；所述消泡剂采用美国瀚森AXILATDF6352DD消泡剂。3.根据权利要求1所述的C170强度等级的超高强高性能纤维混凝土，其特征在于，所述稻壳灰是由稻壳在650-800℃的温度下经过焚烧、使用球磨机研磨30-40min制得的灰粉色粉末，其二氧化硅含量为93.6％，粒径为5-25μm，比表面积大于70m2/g。4.根据权利要求1所述的C170强度等级的超高强高性能纤维混凝土，其特征在于，所述激发剂为有机-无机复合激发剂，按照下述质量百分比计的原料复配而成：98％的水玻璃，2％的三乙醇胺；所述水玻璃溶液的模数为1.2，是由工业氢氧化钠和市售的模数为3.4的水玻璃溶液配制而成。5.根据权利要求1所述的C170强度等级的超高强高性能纤维混凝土，其特征在于，所述纤维素纤维为UF500纤维素纤维，长度为2-3mm，直径为15-20μm，抗拉强度≥900MPa，弹性模量≥8.5GPa，断裂延伸率达到10％，比重为1.1g/cm3。6.根据权利要求1所述的C170强度等级的超高强高性能纤维混凝土，其特征在于，所述羟基改性碳纳米管分散液是通过下述方法制得的：1)配制浓度为2.0M的NaOH水溶液，称取2份多壁碳纳米管加入100份配制的NaOH水溶液中，超声处理5min；将碳纳米管分散液倒入高压反应釜，密封后180℃反应120min；后冷却至室温，离心分离，加入去离子水稀释并洗涤，除去清液；再超声10min，搅拌，偏氯乙烯滤膜过滤，所得固态产物水洗至滤液为中性；40℃下干燥12h，得到表...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑山锁，阮升，郑淏，董方园，董立国，郑捷，张艺欣，张晓辉，江梦帆，左河山，周炎，牛丽华，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61