一种防止高温爆裂的纳米混杂纤维高性能混凝土、制备方法及其应用

本发明属于工程，具体涉及一种防止高温爆裂的纳米混杂纤维高性能混凝土及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着中国城市化进程的加快，基础设施建设的需求也在不断增加。纤维混凝土作为一种高性能的建筑材料，可以降低传统水泥的使用量，从而减少对环境的破坏和碳排放。此外，由于纤维混凝土具有更高的强度、更好的抗裂性和耐久性，可以延长建筑物的使用寿命，降低维护和修复成本，有利于推动绿色建筑和环保建材的发展。

2、有效提高混凝土在高温环境中抵抗开裂和剥落的能力，降低其力学性能的劣化便显得尤为重要，这也是高性能混凝土在实际工程建设中得以广泛应用的待解决难题。

3、相较于单掺纤维混凝土，同时添加两种或更多种纤维材料所构成的混杂纤维混凝往往更具优势，可弥补各纤维单独使用时存在的缺陷和不足。在各类混掺纤维类型中，多壁碳纳米管由于其优异的力学性能、较高的热稳定性及热导率备受学者们的青睐。现有研究发现：由于多壁碳纳米管在混凝土中可以发挥填充纳米孔隙、桥接微裂纹、为水化产物提供辅助成核点的作用，进而能够有效提高混凝土在常温条件下的力学性能。与此同时，该纳米材料具备的较高热稳定性，使其在600℃的高温条件下依旧可以有效发挥增强作用；且较高的热导率也有助于混凝土内外温度的传递，降低温度梯度，减少热应力。此外，碳基材料的多壁碳纳米管对环境相对友好，在适当的条件下可实现可持续循环利用。

4、除了上述纳米材料，聚乙烯醇纤维具有较高的强度和模量、较好的耐磨性、亲水性和抗酸碱性，无毒、无害、无污染，作为可生物降解的材料，能够有效减少对传统化石燃料资源的依赖，属于新一代高科技绿色建材。现有研究发现：在常温条件下，向混凝土中掺入适量的聚乙烯醇纤维可以有效提高其开裂荷载，改善混凝土的破坏形态，增强水泥基材料的抗渗性、抗疲劳性及耐磨性 。在高温条件下，当混凝土内部温度达到聚乙烯醇纤维熔点后，纤维熔融所形成的孔隙或者通道可以为水蒸气的释放提供通道，降低蒸汽压，从而降低混凝土高温爆裂的风险。

5、纳米混杂纤维高性能混凝土的制备方法和应用旨在提高混凝土在高温环境下的综合性能，防止高温爆裂和性能劣化，以满足不同工程领域对混凝土材料的高性能要求。与此同时，鉴于高性能混凝土的广泛应用和火灾伤亡事故的频发，提高混凝土在火灾或高温条件下抗热开裂、热剥落能力以及残余力学性能极具现实意义，故而提出一种防止高温爆裂的纳米混杂纤维高性能混凝土。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种防止高温爆裂的纳米混杂纤维高性能混凝土，通过在高性能混凝土中掺入不同比例的多壁碳纳米管和聚乙烯醇纤维，能够增强高性能混凝土高温条件下的抗开裂、剥落性能，提高混凝土的残余力学性能，进而提高高性能混凝土建筑物在火灾或高温条件下抵抗损伤、劣化的能力。

2、本发明提供了所述纳米混杂纤维高性能混凝土的制备方法，并通过特定的分散方法和加料顺序保证高性能混凝土具备良好的工作性能。

3、本发明提供了所述纳米混杂纤维混凝土在工程技术领域的应用。

4、为达成以上目标，本发明提出了以下技术方案：

5、一种防止高温爆裂的纳米混杂纤维高性能混凝土，由以下重量份的组分原料制备得到：每立方米混凝土中硅酸盐水泥450~500 kg、砂650~700 kg、碎石1000~1100kg、水160~170 kg、矿粉25~30 kg、粉煤灰50~60 kg、减水剂6~8kg。

6、进一步地，还包括分散剂为聚乙烯吡咯烷酮粉末，且多壁碳纳米管mwcnts与分散剂按质量比1：2添加。

7、进一步地，还包括聚乙烯醇纤维pva，每立方米混凝土中聚乙烯醇纤维掺量为3.2~9.825 kg。

8、进一步地，聚乙烯醇纤维pva中加入纳米级材料组成纳米混掺纤维组，纳米级材料为多壁碳纳米管mwcnts，每立方米混凝土中多壁碳纳米管的掺量为450~500g。

9、进一步地，所述硅酸盐水泥水泥型号为p.o 42.5以上；减水剂为综合型聚羧酸减水剂，所述碎石直径为5~15 mm，砂为ⅱ区中砂。

10、进一步地，所述多壁碳纳米管直径为10~20 nm，长度大于5 µm，纯度大于97%，灰分小于3 wt%，比表面积为100~160 m2/g；所述聚乙烯醇纤维的当量直径为15.3 µm，长度为12mm，密度值为1.29 g/cm3，抗拉强度为1830mpa，初始弹性模量为40gpa。

11、一种防止高温爆裂的混杂纤维高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：

12、s1、第一混合物制备

13、硅酸盐水泥、砂、碎石、矿粉、粉煤灰搅拌混合1min制得第一混合物；

14、s2、第一溶液制备

15、考虑到多壁碳纳米管mwcnts掺量、所用烧杯的体积容量以及hjw-60型强制式单卧轴混凝土搅拌机的出料容量，确定多壁碳纳米管mwcnts分散过程中的用水量；为达到较好的分散效果，烧杯中所盛液体体积宜占烧杯总体积容量的2/3左右。综上所述，计算确定分散多壁碳纳米管mwcnts的用水量为混凝土总用水量的40%。因此，将水按总量40%和60%分为2份，减水剂按总量40%和60%质量分为2份，水总量60%份和减水剂总量60%份混合搅拌制得第一溶液；

16、s3、多壁碳纳米管预处理

17、多壁碳纳米管mwcnts经25、200、400或600℃升温处理；

18、s4、多壁碳纳米管悬浊液制备

19、水总量40%份、多壁碳纳米管mwcnts、分散剂、减水剂总量40%份混合，超声分散1小时制得多壁碳纳米管悬浮液；

20、s5、混合制备

21、上述第一混合物和第一溶液搅拌1-2min，再加入多壁碳纳米管悬浮液搅拌1min制得第二混合物，第二混合物中加入聚乙烯醇纤维pva搅拌3-4min，制得混杂纤维混凝土成品。

22、进一步地，所述s3中多壁碳纳米管mwcnts经600℃高温处理；超声分散选用kq-700de型数控超声波清洗器进行，超声波强度为70%，持续时间为60 min的超声分散。

23、一种防止高温爆裂的混杂纤维高性能混凝土的应用，其特征在于用于高温工业炉窑、热工设备、发电厂和核电站的结构构件和设备基础、公路、桥梁工程的桥面、路面和桥墩；隧道衬砌、矿井支护、建筑物的外墙和屋顶。

24、具体的技术参数细化说明：

25、一种防止高温爆裂的混杂纤维高性能混凝土，由以下重量份的组分材料制备得到：每立方米混凝土中，硅酸盐水泥450~500kg、砂650~700kg、碎石1000~1100kg、水160~170kg、矿粉25~30kg、粉煤灰50~60kg、减水剂6~8kg；多壁碳纳米管为450~500g；聚乙烯醇纤维分别为3.2~9.825kg。

26、优选的，所述水泥为p.o 42.5普通硅酸盐水泥，且每立方米混凝土的水泥用量为450~500kg。

27、优选的，所述减水剂为综合型聚羧酸高性能减水剂，减水率为25%~28%。

28、优选的，包含对照组和混掺组的所述每立方米混凝土中，多壁碳纳米管纳米材料的掺入质量分别为0g和450~500g。所述聚乙烯醇纤维的掺入质量分别为0kg、3.2~9.825kg。

29、优选的，所述多壁碳纳米管直径为10~20nm，长度大于5µm，纯度大于97%，灰分小于3 wt%，比表面积为100~160 m2/g。

30、优选的，多壁碳纳米管的分散处理除了采用聚乙烯吡咯烷酮粉末进行分散以外，本发明还采用了高温活化的预处理方法。

31、优选的，多壁碳纳米管的高温活化最佳温度为600℃。

32、优选的，所述聚乙烯醇纤维的当量直径为15.3µm，长度为12mm，密度值为1.29 g/cm3，抗拉强度为1830mpa，初始弹性模量为40gpa。

33、本发明提供所述纳米混杂纤维高性能混凝土在工程技术领域的实际应用。该类纳米混杂纤维混凝土，除了应对高性能混凝土高层建筑物的偶发火灾情况，还适用于多种高温环境下的工程应用，其中包括：高温工业炉窑和热工设备的支撑结构；发电厂和核电站的结构构件和设备基础；需要跨越高温区域公路、桥梁工程的桥面、路面和桥墩；需要穿越高温岩层或矿体工程中的隧道衬砌和矿井支护；炎热地区建筑物的外墙和屋顶等。

34、纳米混掺纤维组主要是在高性能混凝土中同时掺入多壁碳纳米管纳米材料和聚乙烯醇纤维材料，从而发挥纳米材料和宏观纤维的跨尺度协同效应。通过对不同混掺比例下的混凝土试样进行高温前后的力学性能测试，以期寻找出最佳纤维混掺比例，从而降低高性能混凝土热开裂、热剥落，减少混凝土的高温劣化。混掺材料选用的是纳米级材料和聚乙烯醇纤维。目前，和聚乙烯醇纤维进行混掺的宏观纤维类主要包括玄武岩纤维和钢纤维，然而混凝土的开裂、剥落往往都源于微裂纹的萌生和扩展，因此选用纳米级材料和宏观纤维进行混掺可以发挥跨尺度的增强效应。和聚乙烯醇纤维进行混掺的纳米级材料为多壁碳纳米管。目前，和聚乙烯醇纤维进行混掺的纳米级材料主要为纳米二氧化硅。然而，相较于纳米二氧化硅，多壁碳纳米管具有更高的强度和刚度、更好的稳定性和热导率，有利于提升混凝土的耐高温性能。所掺碳纳米管为高温活化处理后的多壁碳纳米管。多壁碳纳米管相较于单壁碳纳米管更加易于分散，且高温活化处理能够在碳纳米管表面和末端增加亲水性基团和缺陷位点；从而提高其与掺杂物之间的附着力。所述混凝土中所掺纤维类型为高温活化处理后的多壁碳纳米管和聚乙烯醇纤维。所用碎石直径为5~15 mm，砂为ⅱ区中砂。所述混凝土所用化学外加剂为综合型聚羧酸高性能减水剂，所述减水剂的减水率范围为25%~28%；同时该类减水剂亦可作为多壁碳纳米管悬浮液的稳定剂。所述多壁碳纳米管直径为10~20 nm，长度大于5 µm，纯度大于97%，灰分小于3 wt%，比表面积为100~160 m2/g。10~20nm、20~40nm、40~60nm直径的多壁碳纳米管增强水泥基材料的力学性能进行研究发现：在实现提高水泥基材料最大抗压强度方面，10~20 nm、0.1 wt%的多壁碳纳米管是最佳直径和含量；且较素混凝土，该直径和掺量条件下，混凝土7天的抗压强度值提高了10.28%，28天的抗压强度值提高了11.23%。所述聚乙烯醇纤维的当量直径为15.3µm，长度为12 mm，密度值为1.29 g/cm3，抗拉强度为1830mpa，初始弹性模量为40gpa。1.98%，抗压强度提高了11.23%。制备多壁碳纳米管悬浮液所采用的稳定剂为聚羧酸高性能减水剂，每立方米多壁碳纳米管混凝土在制备碳纳米管悬浮液时所需用水为制备混凝土总用水量的40%，且加入的减水剂剂量为2.4 kg~3.2 kg。

35、本发明涉及的混杂纤维混凝土高温条件下的增强机制及作用机理如下：

36、本发明主要从提升混凝土抗拉强度和降低孔隙压力两个方面来缓解混凝土在高温条件下的热开裂和热剥落。多壁碳纳米管在600℃以下的结构是很稳定的，其优异的抗拉强度和纳米尺寸可以有效桥接微裂纹；此外，多壁碳纳米管具有的高温稳定性和较好的热导性，可以进行快速导热，降低混凝土内外的温度梯度，减少温度应力。聚乙烯醇纤维会在225～230℃左右发生熔化，熔融纤维与基体间所产生的残留空隙和通道可以释放高温条件下积聚的水蒸气，从而降低蒸汽压。

37、此外，由于多壁碳纳米管可以填充混凝土内部的纳米孔隙、为水化产物提供辅助成核点、增加混凝土的堆积密度、致使结构更为致密，因此其在增强混凝土强度的同时也会阻碍水蒸气的释放，促使蒸汽压力的积累。然而，尽管聚乙烯醇纤维高温熔融后所产生的空隙可以释放水蒸气、降低蒸汽压力，但会造成混凝土孔隙率的增加，进而导致混凝土力学性能的降低。因此，本发明将不同比例的两者进行混掺，找出减少高性能混凝土高温开裂剥落和残余力学性能最高的理想配比，以期改善高性能混凝土在火灾或高温条件下的性能劣化。

38、本发明提供的上述技术方案产生了良好的改善效果：

39、本发明提供了一种防止高温爆裂的混杂纤维高性能混凝土，通过向混凝土中掺入不同比例的多壁碳纳米管与聚乙烯醇纤维，降低混凝土在高温条件下的开裂、剥落，降低高性能混凝土建筑物在火灾及高温条件下的性能劣化；相较于素混凝土，混掺纤维混凝土抵抗高温开裂、剥落的能力表现出明显的提高。

40、本发明设计一种合适的纤维混掺比例，用以防止高性能混凝土在高温条件下的开裂和剥落行为，同时降低高性能混凝土在火灾或高温加热之后的性能劣化。所述混凝土为纳米混杂纤维高性能混凝土；所述纳米混杂纤维包括多壁碳纳米管和聚乙烯醇纤维。这种防止高温爆裂的纳米混杂纤维高性能混凝土，通过向搅拌均匀的干料中依次加入水和减水剂、分散良好的多壁碳纳米管悬浮液、聚乙烯醇纤维，待其搅拌均匀后即可得到具有良好工作性能的纳米混杂纤维高性能混凝土；利用纳米材料和宏观纤维的联合作用以提高其在高温条件下的综合性能。针对多壁碳纳米管的预处理部分，本发明提出高温活化的创新性方法，即将多壁碳纳米管粉末放入高温箱内进行600℃的活化处理。通过对本发明设计的多壁碳纳米管和聚乙烯醇混杂纤维混凝土进行耐高温性能研究发现，相较于基准对照组混凝土，本发明设计的纳米混杂纤维混凝土在高温环境下的抗热开裂和抗热剥落性能皆有所提高，且相关测试结果表明残余力学性能也在一定程度上得到了改善。