一种改性混杂纤维及利用其制备的低碳型抗裂混凝土的制作方法

本发明属于建筑材料，具体涉及一种改性混杂纤维及利用其制备的低碳型抗裂混凝土。

背景技术：

1、混凝土的耐久性关系到工程的使用寿命，其中混凝土的抗裂性对混凝土的耐久性起着决定性作用；如何改善混凝土的抗裂性具有重要的实际意义和经济价值。水泥基材料的复合化可以提高混凝土的性能，其中利用纤维增强是改善混凝土性能的有效措施。

2、应用于混凝土的纤维根据弹性模量主要分为两类：一类是低弹性模量纤维，如聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、纤维素纤维等；这类纤维更倾向于提高水泥混凝土的韧性、抗冲击性、抗热爆裂性等；另一类是高弹性模量纤维，如钢纤维、碳纤维等；这类纤维可以提高混凝土的抗拉强度和刚性，同时也能提高其韧性。水泥混凝土是多相多组分的非均质体系，不同性能的纤维混杂掺入混凝土，能够在不同层次上进行强化，发挥不同纤维各自的特性效应，并且不同纤维的特性相互补充，达到协同增强的效果。

3、然而现有混杂纤维或单一纤维对水泥混凝土抗裂性等改进方案，通常集中在力学性能改善或单种纤维本身改性方面，对应的改进效果有限。如：文献“冻融作用下纤维改性水泥铁尾矿砂的抗折性能研究”中，采用纤维和水泥对铁尾矿砂进行改性处理，但该方案主要针对冻融环境下纤维改性尾矿砂的抗折力学性能；文献“表面活性剂改性高强度钢纤维混凝土及应用效果”，将钢纤维进行表面清洗后浸入表面活性剂溶液中改性固化，然后置于搅拌均匀的混凝土物料中，得到高强度混凝土产品，该方案主要将表面活性剂改性纤维应用于混凝土中，改善纤维和基体的界面粘接，进而表现出良好的粘接性能；专利申请cn116283129 a公开了一种复合纤维改性混凝土，将竹纤维和羊毛纤维分别进行预处理并加入偶联剂进行材料复合，后应用于混凝土中，提升机械强度、阻燃性等性能，该方案主要通过共价键的形式将竹纤维、废羊毛纤维与纳米二氧化硅结合起来，但对应的力学性能改进效果有限。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于针对现有技术存在的问题和不足，提供一种改性混杂纤维，采用基于玄武岩纤维、陶瓷纤维、碳纤维三种纤维的混杂纤维，将其作为整体，采用淀粉醚和石墨烯对混杂纤维进行预处理、酸液浸泡、硅烷偶联剂改性和纳米氧化锌/纳米碳化锆改性等处理，同时结合分次离心碰撞工艺，可有效改善混杂纤维的抗拉强度等；将其应用于制备混凝土，可在显著降低水泥用量的前提下，兼顾良好的力学性能和耐久性能等，适合推广应用。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种改性混杂纤维的制备方法，包括以下步骤：

4、1)将玄武岩纤维、陶瓷纤维、碳纤维混合得混杂纤维，将其加入淀粉醚溶液中进行第一浸泡处理，然后加入石墨烯，依次进行第一搅拌、静置，第二搅拌，第二浸泡处理，再进行醇洗，然后烘干(80～90℃，5～6h)，得预处理混杂纤维；

5、2)将所得预处理混杂纤维浸泡在酸液中，然后将所得混合液加入行星型式球磨仪中，进行一次离心碰撞，再进行水洗，干燥(100～105℃，2～3h)；

6、3)将硅烷偶联剂加入醇水溶液中，进行水浴水解，然后加入经步骤2)处理所得混杂纤维，进行加热搅拌处理；再将所得混合料浸入纳米氧化锌/纳米碳化锆混合液中，进行真空渗透处理；最后加入行星型式球磨仪中进行二次离心碰撞，即得所述改性混杂纤维。

7、上述方案中，所述玄武岩纤维、陶瓷纤维、碳纤维的质量比为1:0.4～0.6:0.4～0.6。

8、上述方案中，所述玄武岩纤维的直径为12～16μm，陶瓷纤维的直径为2.0～3.0μm，碳纤维的直径为5～10μm。

9、上述方案中，所述混杂纤维的长度为5～8mm。

10、上述方案中，所述淀粉醚溶液的浓度为4～6wt％。

11、进一步地，所述淀粉醚细度(100目筛)≥99％，粘度(2％的水溶液)为1600～2800mpa·s，ph值为8～12。

12、上述方案中，所述石墨烯的片径为1～5μm。

13、上述方案中，步骤1)中引入的混杂纤维、淀粉醚、石墨烯的质量比为1:16～36:0.8～1.2。

14、进一步地，步骤1)中，第一浸泡处理时间为2～3h；第二浸泡处理为15～18h。

15、进一步地，步骤1)中，第一搅拌时间为40～60min(60～80r/min转速)；静置时间为2～3h；第二搅拌时间为30～40min(40～60r/min转速，且低于第一搅拌的转速)。

16、优选的，步骤1)中整体过程的试验环境温度为22～26℃。

17、上述方案中，所述酸液可选用硝酸溶液或硫酸溶液等。

18、优选的，所述酸液为硝酸溶液，其浓度为30～35vol％。

19、上述方案中，步骤2)中，引入的预处理混杂纤维与酸液的固液比为1g:100～120ml。

20、上述方案中，步骤2)中所述浸泡时间为30～60min。

21、上述方案中，步骤2)中，所述一次离心碰撞采用的转速为240～260r/min(球磨珠(锆石)占罐内体积的30～35％)，时间为3～5h。

22、上述方案中，所述醇水溶液中，无水乙醇与水的体积比为7～8:2～3。

23、上述方案中，所述硅烷偶联剂的用量为醇水溶液质量的1.0～1.4％。

24、上述方案中，所述水浴水解采用的温度为60～65℃，时间为20～25min。

25、上述方案中，步骤3)中，经步骤2)处理所得混杂纤维与所得水解液的质量比为1～2:10。

26、上述方案中，步骤3)中，所述加热搅拌处理采用的温度为50～55℃，时间为1～1.5h。

27、上述方案中，所述纳米氧化锌/纳米碳化锆混合液中，纳米氧化锌的浓度为0.1～0.2mg/ml，纳米碳化锆的浓度为0.2～0.3mg/ml。

28、进一步地，所述纳米氧化锌的粒径为20～30nm，纳米碳化锆的粒径为5～20nm。

29、上述方案中，所述真空渗透处理采用的真空度为5×10-2～5×10-3pa，时间为2～3h。

30、上述方案中，所述二次离心碰撞采用的转速为240～260r/min(球磨珠(锆石)占罐内体积30～35％)，时间为10～20min。

31、本发明还公开了一种利用上述改性混杂纤维制备的低碳型抗裂混凝土，所述改性混杂纤维在混凝土中的掺量为胶凝材料总质量的0.15～0.42％。

32、进一步地，所述低碳型抗裂混凝土中，各组分及其所占重量份数包括：水泥180～190kg/m3，粉煤灰85～95kg/m3，矿粉75～85kg/m3，改性混杂纤维0.7～1.4kg/m3，砂730～750kg/m3，石1145～1175kg/m3，水135～145g/m3，聚羧酸减水剂6.5～7.5kg/m3。

33、上述方案中，所述水泥可选用p.o 42.5级以上的硅酸盐水泥等；粉煤灰可选用f·ⅲ或f·ⅱ粉煤灰等，细度32～38％；矿粉可选用s75级以上的矿粉，比表面积380～400m2/kg；砂为粗砂，细度模数3.2～3.5，含水率2.2～2.6％，含泥量1.0～1.2％；石为5～20mm碎石，含泥量0.4～0.6％，压碎指标2～4％，表观密度2650～2700kg/m3；聚羧酸减水剂固含为12.00～13.00％，减水率为26～28％。

34、根据上述方案制备的低碳型抗裂混凝土，其28d抗压强度52～54mpa，较同标号传统混凝土配比水泥用量下降35～45kg，且同龄期抗压强度提升5～8％左右；抗冻等级可达f250以上，28d电通量为300～500c，56d电通量为100～200c，早期抗裂性能较同标号传统混凝土提升20％以上。

35、本发明的原理为：

36、1)本发明首先将玄武岩纤维、陶瓷纤维、碳纤维三种纤维混合，再将所得混杂纤维作为整体进行同步、综合改性，有效保证三种纤维混杂后的稳定性及良好的配合改进作用：在混杂纤维改性过程中，采用淀粉醚溶液混合石墨烯导电剂进行浸泡处理，可在洗涤纤维表面杂质、加快分散速度的同时，发挥表面活化的作用；此外，浸泡过程中引入的石墨烯导电剂(通常含有少量的官能团，且片径小，在淀粉醚溶液中分散性能优异)，在淀粉醚溶液中可表现出良好的分散性、稳定性(由于淀粉醚溶液的表面活性影响)，有效促进混杂纤维整体分散，并且可进一步促进部分碳纤维的石墨化(石墨烯中的单质态碳附着于碳纤维中)，有利于后期改性纤维对混凝土耐久性方面的提升。

37、2)本发明所述混杂纤维的改进过程中，进一步采用基于离心碰撞法的行星型式球磨工艺，主要利用粒子在离心碰撞的作用下反复高速旋转碰撞产生机械能，促进步骤1)中混合纤维在淀粉醚溶液及石墨烯导电剂中的改性反应的二次反应，保证改进效果，且操作简单，同时可进一步改善混杂纤维的结构分布状态，有利于保证改性混杂纤维在混凝土中的分散效果。

38、3)本发明创新的采用纳米氧化锌、纳米碳化锆材料对混杂纤维进一步改性，其中引入的纳米氧化锌有利于改善陶瓷纤维的韧性和延展性，纳米氧化锆有利于提升混杂纤维的耐久性能等；纳米氧化锌在本发明所述溶液体系中具有较好的分散性和相容性，同时通过调控纳米氧化锌与纳米碳化锆的粒径和配比，并利用偶联剂在恒温加热及搅拌条件下对混杂纤维表面进行接枝改性，在不损伤混杂纤维的同时增大其表面极性；经表面改性处理后，为混杂纤维表面反应提供有利环境，便于纤维结合及其他材料性能的附加反应，促进增强其力学性能及耐久性能等；最后，进一步结合二次离心碰撞工艺，进一步为纳米材料改性过程提供机械能并加强反应过程中的分散性作用。

39、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

40、1)本发明采用基于玄武岩纤维、陶瓷纤维、碳纤维三种纤维的混杂纤维，将其作为整体，首先采用淀粉醚和石墨烯进行预处理，酸液浸泡、硅烷偶联剂改性和纳米氧化锌/纳米碳化锆改性等处理，同时结合分次离心碰撞工艺，可有效改善混杂纤维的综合使用性能(具有良好的抗拉强度等)；

41、2)将本发明所述改性混杂纤维应用于制备混凝土，可在显著降低水泥用量的前提下，兼顾良好的力学性能和耐久性能等。