一种混杂芳纶纳米纤维改性混凝土及其制备方法与流程

本发明属于混凝土，特别是涉及一种混杂芳纶纳米纤维改性混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、传统混凝土作为一种脆性材料，具有易于成型，价格低廉，耐高温，相对耐久，抗压强度高等优点。自从波特兰水泥被发明后，作为混凝土主要的胶凝材料，已具有数百年的历史，且广泛用于全世界各地的土木工程、交通运输工程等。

2、混凝土材料的研究由普通混凝土向高强混凝土，再由高强混凝土向高性能混凝土方向发展，高性能混凝上同时注重混凝土的力学性能与耐久性。在配制高性能混凝土时，加入活性矿物细掺料和高效减水剂，使混凝土具有水胶比低、水泥用量低、水化热低和耐久性高等特点。随着国家经济技术的发展，越来越多的新型建筑及大型结构被实施，对于混凝土材料的性能的要求也逐步提高；但混凝土的固有缺点抗拉强度较低、韧性差，收缩大、易开裂等缺陷仍是作为建设材料使用过程中的主要问题。

3、工程实践中结构物产生的裂缝80%以上属于由变形变化引起。而理论和实践研究证明，变形变化引起的裂缝绝大部分是由于早期混凝土干燥和水化升温后降温产生的收缩应力引起。目前，从混凝土材料组成和配比上减少由变形变化引起的裂缝采用的主要技术措施包括：降低水泥用量以减小收缩，用膨胀剂补偿混凝土收缩，配置阻裂钢筋，掺入纤维增强（如合成纤维、钢纤维、碳纤维）等。本质上是提高混凝土体积稳定性，或增强混凝土抵抗变形的能力，或降低混凝土的脆性。聚丙烯纤维和钢纤维增强混凝土和膨胀混凝土国内外的研究报道较多。尼龙、聚丙烯、聚乙烯等纤维有利于提高砂浆的抗冲击性，此后又出现了玻璃纤维与碳纤维，但玻璃纤维在混凝土中会出现的强度和韧性退化等问题，现在多应用于结构加固，对其相关的物理研究较少。碳纤维是目前已知的综合性能最好的纤维之一，但其价格昂贵，大规模应用受到限制。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种混杂芳纶纳米纤维改性混凝土及其制备方法，解决普通混凝土易开裂、力学性能低的技术问题。

2、一方面，本发明提供一种混杂芳纶纳米纤维改性混凝土，包含如下重量份的组分：水120-160份，水泥650-700份，矿物掺合料100-120份，砂子570-610份，碎石850-900份，混杂芳纶纳米纤维 20-30份，减水剂5-10份，膨胀剂10-15份；

3、所述混杂芳纶纳米纤维制备工艺为：

4、（1）将芳纶纤维放入含有碱和二甲基亚砜的反应釜中，充分搅拌，得到芳纶纳米纤维分散液；

5、（2）向芳纶纳米纤维分散液中加入扁平玻璃纤维、石墨烯和实心玻璃微珠，混合均匀，再加入去离子水得混杂芳纶纳米纤维分散液，经抽滤、洗涤、干燥后得混杂芳纶纳米纤维；芳纶纤维、扁平玻璃纤维、石墨烯、实心玻璃微珠的质量比为1：（0.5-1）：（0.2-0.4）：（0.2-0.4）。

6、纤维对混凝土的改性作用主要取决于纤维的品种以及在混凝土中的分布情况、掺量等因素，这种改性作用发挥在混凝土微观结构的优化方面。特别是纳米纤维，由于其微观的尺寸效应，其增强防开裂作用是普通纤维无法比拟的。

7、纤维要想取得良好的增强效果，需要与水泥具有良好的粘结性，并且分散性要较好。无机纤维亲水性较好，与水泥基体具有良好的相容性。而有机纤维亲水性差，存在分散性差的问题。特别是有机纳米纤维，由于存在纳米效应，其在水泥基体中更难以分散均匀。为了改善芳纶纳米纤维的分散性能，cn11812577a采用在芳纶纳米纤维表面接枝埃洛石纳米管和二氧化硅提高其相容性。然而，该工艺复杂，成本较高，难以推广使用。本发明采用碱/dmso浸泡法制备芳纶纳米纤维，该法制备的芳纶纳米纤维亲水性好，一定程度上提高了其在水溶液中的分散性能。然而，由于纳米纤维固有的团聚特性，直接添加时，很难均匀分散在水泥基体中。为了解决上述问题，本发明在碱/dmso浸泡法制备芳纶纳米纤维的制备过程中，加入一定量不同形态的扁平玻璃纤维、石墨烯、实心玻璃微珠无机填料。扁平玻璃纤维呈一维的直线型结构，且相对于普通圆形玻璃纤维，其横截面为异型结构，可提高与芳纶纳米纤维的接触面积，改善芳纶纳米纤维的分散性能；石墨烯为二维片层结构，实心玻璃微珠为零维球形结构。上述填料的添加，可形成点、线、面的连续结构，与芳纶纳米纤维提前进行混合，可有效改善纳米纤维的分散性能。且本发明将扁平玻璃纤维、石墨烯、实心玻璃微珠添加到芳纶纳米纤维的碱/dmso溶液中，该溶液不仅可有效去除扁平玻璃纤维、石墨烯、实心玻璃微珠表面工业生产中残留的有机基团，提高其分散性能；而且可使无机填料和纳米纤维之间以及与水泥之间的结合力大大增强。实心玻璃微珠相比空心玻璃微珠力学性能更高，增强作用明显。特别的，应控制片层结构石墨烯的添加量：用量过少时，无法起到协同分散的作用；用量过多时，可能会过度富集芳纶纳米纤维，不利于芳纶纳米纤维的分散。

8、芳纶纳米纤维、扁平玻璃纤维、石墨烯、实心玻璃微珠等填料的添加，可对混凝土产生协同增强作用。由于芳纶纳米纤维、扁平玻璃纤维、石墨烯、实心玻璃微珠的外貌形态、内部结构、表面性质和颗粒级配等物理形状不同，可产生形态效应，不同形貌的尺寸相互交错，扁平玻璃纤维呈异型结构，可将其与物料彼此粘连，起到骨料的作用；芳纶纳米纤维尺寸较小，容易形成致密的不定向网络，起到加强筋的作用；而石墨烯、球形的实心玻璃微珠则可以改善扁平玻璃纤维和芳纶纳米纤维的分散性能，使纤维与水泥紧密的粘连在一起。上述填料均匀分布在混凝土中，形成交互网络，有效降低了混凝土孔隙的产生，提高抗渗能力，防止裂缝的产生和发展。同时，上述填料的添加可起到微集料效应，芳纶纳米纤维、扁平玻璃纤维、石墨烯、实心玻璃微珠均匀分布于水泥浆体中，使混凝土孔隙减少，不仅提高了混凝土的韧性，而且抑制了细微裂纹的产生，这些效应都使混凝土的性能大大提高。

9、在一实施例中，所述水泥为硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥。

10、在一实施例中，所述矿物掺合料为粉煤灰、硅粉、磨细矿渣中的至少一种。

11、在一实施例中，所述减水剂为聚羧酸减水剂。

12、在一实施例中，所述膨胀剂为uea膨胀剂。

13、在一实施例中，所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾。

14、在一实施例中，所述芳纶纤维、碱和二甲基亚砜比例为1g：（1-2）g：（350-500）ml。

15、在一实施例中，所述步骤（1）中搅拌为室温下搅拌4-8天。

16、在一实施例中，所述芳纶纤维、扁平玻璃纤维、石墨烯、实心玻璃微珠的质量比为1：（0.6-0.8）：0.3：0.3。扁平玻璃纤维为横截面长径/短径之比为2-7的玻璃纤维，其长度为1-10mm，长径、短径长度范围为1-60μm。

17、另一方面，本发明还提供了一种混杂芳纶纳米纤维改性混凝土的制备方法，包括以下步骤：

18、（1）按配比称取各组分；

19、（2）预先将水，水泥，矿物掺合料、混杂芳纶纳米纤维混合均匀；然后，在搅拌条件下，依次加入减水剂，膨胀剂，砂子，碎石，混合均匀后即得混杂芳纶纳米纤维改性混凝土。

20、有益效果：

21、本发明采用碱/dmso浸泡法制备芳纶纳米纤维，且在碱/dmso浸泡法制备芳纶纳米纤维的制备过程中，加入一定量不同形态的扁平玻璃纤维、石墨烯、实心玻璃微珠无机填料，充分发挥有机纤维的韧性和扁平玻璃纤维的刚性的技术效果。芳纶纳米纤维、扁平玻璃纤维、石墨烯、实心玻璃微珠等填料的添加，可对混凝土产生协同增强作用。由于芳纶纳米纤维、扁平玻璃纤维、石墨烯、实心玻璃微珠的外貌形态、内部结构、表面性质和颗粒级配等物理形状不同，可产生形态效应和微集料效应，芳纶纳米纤维、扁平玻璃纤维、石墨烯、实心玻璃微珠均匀分布于水泥浆体中，使混凝土孔隙减少，不仅提高了混凝土的韧性，而且抑制了细微裂纹的产生，这些效应都使混凝土的性能大大提高。

技术特征：

1.一种混杂芳纶纳米纤维改性混凝土，其特征在于，包含如下重量份的组分：水120-160份，水泥650-700份，矿物掺合料100-120份，砂子570-610份，碎石850-900份，混杂芳纶纳米纤维 20-30份，减水剂5-10份，膨胀剂10-15份；

2.如权利要求1所述的混杂芳纶纳米纤维改性混凝土，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥。

3.如权利要求1所述的混杂芳纶纳米纤维改性混凝土，其特征在于，所述矿物掺合料为粉煤灰、硅粉、磨细矿渣中的至少一种。

4.如权利要求1所述的混杂芳纶纳米纤维改性混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂。

5.如权利要求1所述的混杂芳纶纳米纤维改性混凝土，其特征在于，所述膨胀剂为uea膨胀剂。

6.如权利要求1所述的混杂芳纶纳米纤维改性混凝土，其特征在于，所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾。

7.如权利要求1所述的混杂芳纶纳米纤维改性混凝土，其特征在于，所述芳纶纤维、碱和二甲基亚砜比例为1g：（1-2）g：（350-500）ml。

8.如权利要求1所述的混杂芳纶纳米纤维改性混凝土，其特征在于，所述步骤（1）中搅拌为室温下搅拌4-8天。

9.如权利要求1所述的混杂芳纶纳米纤维改性混凝土，其特征在于，所述芳纶纤维、扁平玻璃纤维、石墨烯、实心玻璃微珠的质量比为1：（0.6-0.8）：0.3：0.3。

10.如权利要求1-9任一项所述的混杂芳纶纳米纤维改性混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明属于混凝土技术领域，特别是涉及一种混杂芳纶纳米纤维改性混凝土及其制备方法。本发明的混杂芳纶纳米纤维改性混凝土原料包含：水，水泥，矿物掺合料，砂子，碎石，混杂芳纶纳米纤维，减水剂，膨胀剂。本发明在碱/DMSO浸泡法制备芳纶纳米纤维的制备过程中，加入一定量不同形态的扁平玻璃纤维、石墨烯、实心玻璃微珠无机填料。由于芳纶纳米纤维、扁平玻璃纤维、石墨烯、实心玻璃微珠的外貌形态、内部结构、表面性质和颗粒级配等物理形状不同，可产生形态效应和微集料效应，上述填料均匀分布于水泥浆体中，使混凝土孔隙减少，不仅提高了混凝土的韧性，而且抑制了细微裂纹的产生，这些效应都使混凝土的性能大大提高。

技术研发人员：刘宗保,张海,李琳,尹迟
受保护的技术使用者：苏州初心莫移科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23