一种高吸水率骨料的改性方法与流程
本发明属于混凝土骨料改性，具体涉及一种高吸水率骨料的改性方法。
背景技术：
1、在混凝土制备中，骨料作为主要组成部分，其性能直接影响混凝土的强度、耐久性和工作性能。高吸水率骨料因来源广泛、成本低廉，在工程中具有一定的应用潜力，但由于其内部存在大量连通或封闭孔隙，导致其自身强度较低、吸水率高，与水泥浆体的界面粘接性能差，成为制约其大规模应用的关键瓶颈。现有技术中，对高吸水率骨料的改性多集中于表面封闭处理，如采用水泥浆、树脂等材料涂刷骨料表面，试图隔绝水分渗透、提高表面强度，但此类方法仅能覆盖骨料表面，无法渗透至内部孔隙，无法从根本上解决骨料内部孔隙导致的性能劣化问题；且表面涂层与骨料内部结合不紧密，易在混凝土搅拌、成型过程中脱落，改性效果有限。同时，现有改性材料往往仅注重提升骨料表面与水泥浆体的粘接，忽略了骨料内部孔隙的利用，未实现“劣势转化为优势”的技术突破；此外，部分改性材料与水泥水化产物的相容性较差，无法形成稳定的粘接界面，且缺乏在混凝土碱性环境下的微膨胀特性，无法像膨胀螺栓一样与骨料孔隙紧密锚固，反而会产生不均匀收缩，降低不同固相之间的粘接性能，难以有效提升混凝土的整体性能。因此，开发一种能够渗透骨料内部、充分利用孔隙结构、兼具碱性响应微膨胀特性，且能精准实现粘接性能改性的方法，成为当前本领域亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、针对现有技术中高吸水率骨料改性效果差、无法利用孔隙优势、骨料与水泥水化产物粘接性能不足等问题，本发明提供了一种高吸水率骨料的改性方法，首先在微膨胀高粘性渗透材料中额外加入磁铁颗粒，待其渗透至骨料孔隙后，将骨料浸泡到含有磁流体的中空pva纤维的碱性溶液中，在碱性作用下，高粘性材料凝胶硬化并发生微膨胀，将纤维管死死钉在孔隙内硬化的填充物内，同时纤维管另一端延伸至骨料外表面形成稳定连接；其中，中空pva纤维管中磁流体采用“提前抽真空、再填充”的方式制备，确保磁流体填充饱满，将高粘性材料与纤维材料分开加入。本发明通过该设计，实现“纤维一侧端部进入孔隙内部、另一侧端部向外延伸”，结合晶核类材料的协同作用，强化与水泥水化产物的粘接性能，进而显著提升混凝土的力学性能和耐久性。
2、为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
3、一种高吸水率骨料的改性方法，包括以下步骤：
4、（1）骨料预处理：选取高吸水率骨料，用水清洗去除表面杂质、粉尘等，放入干燥设备中，在80~120℃条件下干燥至恒重，之后冷却至室温备用；
5、所述高吸水率骨料为吸水率5%以上的天然骨料、再生骨料、陶粒、火山岩石或浮石；
6、（2）微膨胀高粘性渗透材料制备：将碱性响应型微膨胀高粘性基体材料、磁铁颗粒、晶核类材料及无水乙醇混合，放入封闭搅拌器中搅拌直至形成均匀、无沉淀的乳浊状微膨胀高粘性渗透材料；
7、该步骤中搅拌转速为180~300r/min，搅拌时间为20~40min，搅拌过程封闭，避免乙醇挥发；磁铁颗粒作用是增强渗透材料与后续中空 pva 纤维管的吸附力，辅助纤维管定位，确保纤维管端部精准嵌入孔隙内部；该步骤中将高粘性基体材料、磁铁颗粒、晶核类材料与乙醇混合形成乳浊浆体-碱性响应型微膨胀高粘性基体材料，既能够通过无水乙醇阻碍其反应又能够使其成为流态，实现良好的填充，还能够在后期使得乙醇蒸发流出空隙，为后续水分渗透进去，使得粘性材料膨胀和水化反应提供通道；
8、上述各原料质量分数如下：
9、碱性响应型微膨胀高粘性基体材料60~80份,
10、磁铁颗粒1~3份,
11、晶核类材料2~8份,
12、无水乙醇20~25份；
13、（3）第一阶段渗透：将步骤（1）预处理后的高吸水率骨料放入步骤（2）制备的微膨胀高粘性渗透材料中，采用真空加压浸渍法浸渍骨料，实现渗透材料的充分渗透，为纤维管“内锚外伸”奠定基础；浸渍完成后，取出含渗透材料的高吸水率骨料，20~30℃常温下自然晾干，备用；
14、（4）磁流体填充中空pva纤维管制备：先将中空pva纤维管放入真空设备中，抽真空至-0.07~-0.10mpa，保持15~25min；随后将磁流体缓慢注入抽真空状态下的中空pva纤维管的真空设备中，填充完成后，静置10~20min，确保磁流体均匀填充于pva纤维管内部，进一步提升纤维管的磁性和力学性能，得到磁流体填充纤维管；
15、（5）第二阶段纤维管锚固：将步骤（4）制备的磁流体填充纤维管均匀分散于碱性分散液中，形成纤维管分散液；将步骤（3）处理后得到的含渗透材料的高吸水率骨料放入纤维管分散液中，浸泡20~40min，期间保持溶液温度为25~35℃，借助磁铁颗粒与磁流体的磁性吸附作用，引导中空 pva 纤维管一端精准嵌入骨料内部孔隙中的渗透材料内，另一端自然延伸至骨料外表面；同时，碱性分散液触发孔隙内的微膨胀高粘性渗透材料发生凝胶硬化，硬化膨胀后的渗透材料将纤维管嵌入端死死钉在孔隙内部，形成牢固的“膨胀锚固-磁性吸附”双重固定结构，纤维管延伸端则外露于骨料表面，为后续与水泥浆体的结合提供连接位点；
16、（6）表面成型与养护：将步骤（5）处理后的骨料取出，淋洗去除表面多余的纤维管分散液，放入养护箱中，在温度20~25℃、相对湿度60%~80%条件下养护12~24h，使孔隙内的渗透材料完全硬化、纤维管与渗透材料的粘接更加牢固，同时骨料表面形成一层连续、致密的保护层（由硬化的渗透材料与外露的纤维管端部组成），从而得到改性高吸水率骨料；该改性高吸水率骨料加入混凝土后，内部硬化的渗透材料与混凝土碱性环境进一步反应，纤维管内部的磁流体与混凝土水化产物协同作用，进一步强化纤维管与水泥浆体的结合，提升整体力学性能。
17、进一步地，步骤（1）中所述高吸水率骨料的粒径为5~31.5mm，干燥后的含水率≤0.1%，避免骨料内部水分影响渗透材料的渗透和固化效果，同时避免水分与微膨胀组分、磁铁颗粒提前反应，确保微膨胀效应和磁性吸附作用在第二阶段精准触发，保证“双重锚固”和纤维管“内锚外伸”的成型效果。
18、进一步地，步骤（2）中所述碱性响应型微膨胀高粘性基体材料为微纳米蒙脱土（粒径为10nm~20μm）、微纳米级模数不高于1.5的硅酸钠颗粒（粒径为10nm~20μm）、纳米二氧化硅（粒径为10~200nm）按质量比10：1~2：0.5~1组成的混合物加入到无水乙醇中制备得到，无水乙醇用量与混合物的质量比为1~2:1；该基体材料在碱性环境（ph=13~14）下可发生吸水微膨胀并反应生成微膨胀水化产物，既能充分填充至骨料内部孔隙，又能与骨料表面、水泥水化产物形成稳定粘接，同时实现“膨胀螺栓”式锚固；所述颗粒尺寸的规定既能够保证其能够渗透到骨料孔隙中，蒙脱土、硅酸钠和纳米二氧化硅按这个比例渗透进入粗骨料后，在之后的纤维管悬浊液中浸泡时碱液渗透进去，蒙脱土膨胀、硅酸钠溶解变粘以及纳米二氧化硅与碱性的硅酸钠反应使得模数增大，粘度增大，提高对纤维的固定作用。
19、步骤（2）中碱性响应型微膨胀高粘性基体材料，当用量低时，渗透材料膨胀量不足，无法与骨料孔隙壁形成紧密咬合，也无法将纤维管嵌入端死死钉住，锚固效果差（如掺量低时，纤维管嵌入端易松动，界面粘接强度提升有限）；当掺量高时，过度膨胀会产生过大内应力，导致骨料孔隙壁开裂，反而降低骨料自身强度（如掺量占比过高，骨料劈裂抗拉强度下降）；因此，控制微膨胀材料用量，既能保证“膨胀螺栓”式锚固效果，又能避免骨料开裂，兼具实用性和科学性，同时为纤维管嵌入端的固定提供稳定载体。
20、进一步地，步骤（2）中所述晶核类材料为纳米羟基磷灰石晶核和纳米c-s-h按质量2~1：1混合得到，其掺量为碱性响应型微膨胀高粘性基体材料质量的3%~10%；所述纳米羟基磷灰石晶核和纳米c-s-h的尺寸均控制在10~200nm；本发明晶核类材料表面羟基可与水泥水化产物中的ca2+、si4+发生化学反应，作为水泥水化产物的成核位点，降低水化产物的成核能垒，促进c-s-h凝胶等水化产物的生成与生长，强化改性剂与水泥水化产物的粘接作用，相比于单掺，按比例互掺能够更加充分的发挥早强和强化效应。
21、进一步地，步骤（2）中所述磁铁颗粒粒径为50nm~100μm，纯度≥98%，该粒径可均匀分散于渗透材料中，且能与磁流体产生稳定的磁性吸附；掺量1~3份时，磁性吸附力适中，可精准引导纤维管定位，掺量＜1份时，掺量过低时，磁性吸附力不足，无法精准引导中空 pva纤维管定位，纤维管易偏移；掺量＞3份时，掺量过高时，会影响渗透材料的流动性和渗透效果，且导致渗透材料硬化后粘接性减弱；该掺量范围可兼顾磁性吸附效果、渗透材料流动性和力学性能，与磁流体填充中空 pva 纤维管形成最佳磁性协同，确保纤维管“内锚外伸”的精准性。
22、进一步地，步骤（3）中所述真空浸渍法的具体过程为：先将预处理后的高吸水率骨料抽真空，再对该高吸水率骨料进行加压浸渍，使渗透材料充分渗透至骨料内部孔隙中；所述真空加压浸渍法的真空度为-0.06~-0.09mpa，加压的压力为0.3~0.8mpa，浸渍时间为30~90min，通过真空加压可排出内部空气，确保后续磁流体填充饱满；更进一步地，所述真空加压浸渍过程中每隔15~20min搅拌一次（搅拌转速60~300r/min，搅拌时长2~3min）渗透材料，确保渗透材料浓度均匀，避免因骨料吸附导致局部渗透材料浓度降低，影响渗透效果、磁铁颗粒的均匀分布及后续微膨胀的均匀性，防止局部过度膨胀导致骨料开裂、局部膨胀不足影响锚固效果。
23、进一步地，步骤（4）中所述中空pva纤维管，直径为0.05~0.2mm，长度为2~5mm；其长度适配骨料孔隙深度与骨料表面延伸需求，确保一端可嵌入孔隙内部、一端可延伸至骨料外表面；直径＞0.2mm无法渗透细小孔隙，直径＜0.05mm力学强度不足，易断裂；长度＜2mm无法外露，长度＞5mm易导致缠绕和界面强度下降；长度过短则无法实现“内锚外伸”（嵌入端长度不足、外伸端无法外露），长度过长则影响粘接性能；在选择pva纤维管时，其具体直径应根据骨料表面的孔径确定，中空pva纤维管的直径应不大于骨料表面孔径d50的2/3，确保一端可深入孔隙内部，一端可延伸至骨料外表面，实现稳定的力学桥接。
24、进一步地，步骤（4）中所述磁流体为纳米磁性颗粒与碱性分散液的混合物，磁流体中纳米磁性颗粒质量占比5%~10%，含量过低则磁性响应不足，含量过高则磁流体流动性差，无法填充纤维管；所述纳米磁性颗粒粒径为5~20nm；
25、进一步地，步骤（4）及步骤（5）中碱性分散液由氢氧化钠与去离子水配制而成，ph值为13~14，为后续渗透材料凝胶硬化提供碱性触发条件。步骤（5）中碱性分散液ph值为13~14，ph值过低则无法触发渗透材料凝胶硬化和微膨胀，ph值过高则会导致渗透材料硬化速度过快，产生内应力；浸泡温度为25~35℃，浸泡时间为20~40min；浸泡温度过低则反应速率慢，浸泡时间不足则纤维管定位不精准、渗透材料硬化不充分，浸泡时间过长则增加工艺成本；该参数范围经多组试验验证，可确保渗透材料充分硬化、微膨胀效果稳定，纤维管精准实现“内锚外伸”。
26、进一步地，在本发明改性方法中，对磁铁颗粒、纤维管直径、磁流体纳米级磁性颗粒、晶核类材料、碱性响应型微膨胀高粘性基体材料的颗粒尺寸确定时应提前考虑骨料的孔径尺寸，确保颗粒能够渗透进入孔隙内。
27、本发明的核心创新点不仅在于将骨料孔隙由劣势转化为优势、实现“微膨胀锚固+纤维强化”的双重固定，更在于通过“高粘性材料与纤维材料分开加入”的设计，结合磁流体填充中空pva纤维管的制备工艺，实现“纤维一侧端部进入孔隙内部、另一侧端部向外延伸”，构建了“内部双重锚固-界面化学诱导-外部纤维桥接”的三级协同增强体系，各组分、各工艺并非简单叠加，而是在不同尺度、不同阶段发生复杂的物理化学协同作用，具体机理如下：
28、（1）内部双重锚固效应：微膨胀高粘性渗透材料在真空/加压条件下渗透进入骨料内部孔隙，其中添加的磁铁颗粒均匀分散于渗透材料中，为后续中空pva纤维管的定位提供磁性吸附位点；当骨料浸泡于含磁流体填充的纤维管的碱性溶液中时，碱性环境触发渗透材料发生凝胶微膨胀硬化，膨胀后的硬化渗透材料如同“膨胀螺栓”一样与骨料孔壁紧密咬合；同时，磁铁颗粒与纤维管内部的磁流体产生磁性吸附作用，引导纤维管一端精准嵌入孔隙内的渗透材料中，硬化的渗透材料将纤维管嵌入端死死钉住，形成“微膨胀锚固+纤维强化”双重固定结构，解决了传统纤维无法在孔隙内部实现牢固粘接的痛点，从骨料内部实现高强度锚固，为后续外部纤维桥接提供坚实基础，同时填充孔隙、提升骨料自身密实度。在这个过程中，使用无水乙醇进行混合后，当渗透材料完全渗入骨料空隙后，会缓慢挥发，降低骨料与渗透材料之间的润滑性，增加颗粒间摩擦力，能够使得材料完全留在骨料内，且留出了乙醇挥发后的空隙，这些空隙为后期碱性溶液的渗透、膨胀性水化产物的产生提供了空间。
29、（2）界面诱导效应（晶核材料的催化作用）：传统改性剂与水泥水化产物的粘接多为物理粘接，强度较低。本发明中，预掺于渗透材料中的纳米晶核，在水泥水化初期起到了异相成核位点的作用：纳米晶核与水泥水化生成的c-s-h凝胶晶体结构相似，能够诱导水泥水化产物在渗透材料表面、中空纤维管表面定向生长、紧密交织，将界面粘接强度提升了一个数量级，与内部双重锚固结构、外部纤维桥接形成协同，进一步强化骨料与水泥浆体的结合。
30、（3）外部纤维桥接效应（磁流体填充纤维管，精准实现“内锚外伸”）：本发明通过“高粘性材料与纤维材料分开加入”的设计，结合磁流体填充纤维管的真空制备工艺，实现“纤维一侧端部进入孔隙内部、另一侧端部向外延伸”的技术特点，相较于传统固体纤维掺入方式，避免了“渗透困难、伸展不均”的问题，实现了“内锚牢固、外伸稳定”的精准效果，与内部双重锚固、界面化学诱导形成协同，使粘接界面具备“强而韧”的力学性能，进一步提升整体稳定性。
31、综上所述，四者的协同作用表现为：微膨胀高粘性渗透材料提供物理骨架并实现微膨胀锚固，磁铁颗粒与磁流体协同实现纤维管精准定位，晶核材料提供化学连接，纤维管提供外部力学桥接。该体系缺一不可，若缺少磁铁颗粒，纤维管无法精准定位嵌入孔隙；若缺少磁流体填充，纤维管无磁性响应能力，且自身强度不足；若缺少晶核，则与水泥石无法形成化学结合；若缺少微膨胀特性，渗透材料无法与骨料孔隙形成紧密锚固，纤维管嵌入端易松动。
32、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
33、（1）本发明打破传统改性思路，不将高吸水率骨料的孔隙视为性能劣化特征，反而将其作为微膨胀高粘性渗透材料的渗透空间，通过“高粘性材料与纤维材料分开加入”的设计，结合磁铁颗粒与磁流体的磁性协同作用，彻底解决“纤维一侧端部进入孔隙内部、另一侧端部向外延伸”的技术难题，实现纤维管“内锚牢固、外伸稳定”的精准效果，从根本上提升骨料与水泥浆体的力学桥接性能。
34、（2）创新性构建“微膨胀锚固+磁性吸附”双重固定结构，微膨胀高粘性渗透材料在碱性环境下硬化膨胀，将纤维管嵌入端死死钉在孔隙内部，磁铁颗粒与磁流体协同实现纤维管精准定位，避免纤维管偏移、松动，相较于传统单一锚固方式，锚固强度提升，解决了传统纤维与骨料内部结合松散、易脱落的问题，将骨料孔隙劣势转化为锚固优势。
35、（3）本发明创新性通过微膨胀高粘性材料、纳米羟基磷灰石晶核、磁铁颗粒、磁流体填充中空 pva 纤维管等材料的协同应用，相较于传统改性材料，显著提升了骨料浆体界面的粘接性能，提高了混凝土的耐久性和力学性能，既能与骨料表面形成牢固的粘结层，依靠双重锚固实现孔隙内部的紧密固定，又能通过纤维管外伸端与水泥水化产物形成稳定的力学桥接，提高混凝土的综合性能。
36、（4）中空纤维管采用“提前抽真空、再填充磁流体”的工艺，确保磁流体填充饱满、无空隙，既提升了纤维管的磁性响应能力，又增强了纤维管自身的力学强度，同时磁流体与混凝土水化产物协同作用，进一步强化纤维管与水泥浆体的结合，提升混凝土的整体力学性能。
37、（5）本发明改性方法相较于传统材料性能更优，改性后的骨料性能稳定，可直接用于混凝土制备，能显著提升混凝土的性能，扩大高吸水率骨料的应用范围，符合绿色建材的发展趋势，具有良好的工程应用价值和经济效益。