一种纳米二氧化硅与玄武岩纤维协同增强的再生混凝土及其制备方法与流程

1.本发明涉及再生混凝土领域，具体涉及一种纳米二氧化硅与玄武岩纤维协同增强的再生混凝土及其制备方法。


背景技术：

2.近几十年来，建筑业发展迅速，大量的现役混凝土结构物被改造或拆除，产生了大量的废弃混凝土。据不完全统计，全球混凝土使用量超过40亿立方米/年，砂和砾石材料使用量超过80亿吨/年。此外，混凝土行业在温室气体排放中所占的份额约占其全球总量的10％，其中近一半可以直接或间接地与水泥的生产有关。据分析报告统计,平均每新建1万平方米建筑就会产生近600吨的建筑垃圾,每拆除1万平方米的建筑会产生1000吨左右的建筑垃圾。再生混凝土可减少天然骨料的使用以及垃圾填埋场的数量和面积，有利于环境保护和经济发展。在资源和环境的双重压力下，再生混凝土已成为国内外学者研究的热点，理论价值及工程意义重大。
3.然而，与天然混凝土相比，再生混凝土的性能较差。主要原因是由于再生粗骨料棱角多、表面粗糙、表面附着大量硬化的水泥砂浆，使得再生骨料出现孔隙率、吸水率、力学强度以及弹性模量严重损失的现象。这些缺陷造成再生混凝土的力学强度及耐久性低于普通混凝土，在一定程度上限制了再生混凝土的推广和应用。因此，为解决再生混凝土的强度低、耐久性差等问题，亟需寻求一种再生混凝土制备方法，使得再生混凝土在实际工程中得到高质量应用。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种纳米二氧化硅与玄武岩纤维协同增强的再生混凝土及其制备方法，该方法能够充分发挥纳米二氧化硅的高活性与填充效应以及玄武岩纤维的增韧阻裂作用，操作简单，实用性强，得到的再生混凝土力学性能和耐久性能优异，解决了上述背景技术中提到的问题。
5.为改善再生骨料品质差的问题，选用纳米二氧化硅溶液对其改性，相较于其他纳米材料，其具有显著优点，如粒径尺寸小、比表面积大、化学活性高，极易与再生骨料中残留的氢氧化钙发生化学反应，促进水泥水化，激发再生骨料活性，填充再生骨料孔隙，从而降低骨料的吸水率、孔隙率、压碎指标，极大改善了再生骨料的基本物理性能，进而对再生混凝土的力学性能和耐久性产生了积极影响。
6.为改善再生混凝土脆性大、抗拉强度低、易收缩、开裂等缺陷，研究得出纤维的掺入可有效改善混凝土抗裂能力，增强混凝土延性，减少裂缝的出现，从而提高混凝土的力学和耐久性能。玄武岩纤维与其他可以用作再生混凝土增强材料的纤维相比，具有高耐化学性、高耐热性、高机械强度、应用温度范围广、成本低以及环境友好性等优势，掺加玄武岩纤维可有效减轻再生混凝土早期原生微裂缝的产生及发展，显著改善再生混凝土的变形性
能、韧性指数、抗弯强度、耐磨性并减少干缩性能，进而有效提高再生混凝土的延性和耐久性。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种纳米二氧化硅与玄武岩纤维协同增强的再生混凝土，所述再生混凝土包括水泥、水、改性再生粗骨料、天然细骨料、玄武岩纤维及聚羧酸高性能减水剂；所述水泥、水、改性再生粗骨料、天然细骨料、玄武岩纤维、聚羧酸高性能减水剂的质量比为1：0.48～0.52：2.72～2.76：1.45～1.49：0.006～0.018：0.006～0.012，所述再生混凝土的抗压强度达到36.51mpa，劈拉强度达到2.98mpa，抗折强度达到5.27mpa。
8.优选的，所述的改性再生粗骨料由废弃混凝土经过机械破碎筛分、纳米二氧化硅溶液预浸泡、烘干后得到；所述纳米二氧化硅溶液浓度为0～3％，纳米二氧化硅溶液浸泡时间为45～50h；所述改性再生粗骨料取代率为100％。
9.优选的，所述的纳米二氧化硅溶液浓度为2％，纳米二氧化硅溶液浸泡时间为48h。上述浓度的纳米二氧化硅溶液可以充分的发挥其填充效应及微粒子效应，从而显著改善再生粗骨料品质差的问题；同时，未反应完全的纳米二氧化硅粒子可通过自身高火山灰活性有效强化再生混凝土的抗压等力学性能。
10.上述浸泡时间可以使得粒径极小的纳米二氧化硅颗粒快速有效填充再生粗骨料的孔隙，细化粒径尺寸，降低总孔隙率，使再生粗骨料的吸水率降低，表观密度和堆积密度增大，再生粗骨料的整体物理性能得到显著改善。
11.优选的，所述玄武岩纤维为束状，长度为6～18mm，玄武岩纤维单丝直径为7～15μm，抗拉强度为3000～4800mpa，弹性模量为91～110gpa，密度为2.63～2.65g/cm3。
12.上述长度的玄武岩纤维长度适中，易于均匀分布在混凝土中，纤维表面附着的水泥浆体会增强纤维和混凝土的接触面积，使得混凝土间的黏结作用增强，从而显著改善再生混凝土的力学强度。
13.优选的，所述的水泥为p.o 42.5级普通硅酸盐水泥。
14.优选的，所述的改性再生粗骨料为连续级配粗骨料，粒径为5～20mm；所述的天然细骨料为连续级配的天然河砂，粒径为0.075～4.75mm。
15.优选的，所述聚羧酸高性能减水剂的减水率为25％。
16.为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：一种纳米二氧化硅与玄武岩纤维协同增强的再生混凝土的制备方法，包括如下步骤：
17.s1、通过对不同浓度纳米二氧化硅溶液浸泡后的改性再生粗骨料进行压碎值、吸水率、表观密度的测定，获得纳米二氧化硅溶液的最佳改性浓度；
18.s2、将废弃混凝土经过机械破碎筛分、最佳改性浓度纳米二氧化硅溶液浸泡、烘干后得到改性再生粗骨料；
19.s3、按配比准备水泥、水、天然细骨料、改性再生粗骨料、玄武岩纤维、聚羧酸高性能减水剂；
20.s4、预先润湿搅拌机筒体，然后将改性再生粗骨料、水泥及天然细骨料投入搅拌机中搅拌均匀；
21.s5、将玄武岩纤维均匀分散的加入，干拌60～90s；
22.s6、将水、聚羧酸高性能减水剂依次加入搅拌机中搅拌，直至拌合物混合均匀，得
到改性后的再生混凝土。
23.优选的，所述步骤s4中的搅拌时间为120～180s；所述步骤s6中的搅拌时间为180～300s。
24.优选的，所述步骤s5中玄武岩纤维加入具体是将玄武岩纤维分两次均匀分散的加入，玄武岩纤维体积掺入总量为0.1～0.2％，单次玄武岩纤维体积掺入量为总量的一半，范围为0.05～0.1％。
25.上述体积掺量的玄武岩纤维在再生混凝土内部形成乱向的三维支撑体系，并在缺陷处起到相互连接作用，改善了再生混凝土的内部孔结构，降低微裂缝尖端应力，进而抑制微裂缝的发展，进而有效提高了再生混凝土的力学强度。
26.分两次加入纤维是为了在拌合再生混凝土过程中，纤维能够更好的分散在水泥基体中，避免出现结团等不良情况造成水泥基体内部出现严重缺陷，影响再生混凝土早期强度的发展。
27.本发明的有益效果是：
28.1)本发明可有效节约砂石资源，实现废弃建筑物的重新利用并使得废弃建筑物处理产业成为新的经济增长点，有效缓解了资源短缺与环境污染的双重难题。
29.2)本发明通过不同浓度的纳米二氧化硅溶液对取代率为100％再生骨料预浸泡，纳米二氧化硅粒子通过其填充效应、化学活性、晶核作用、优化界面过渡区等强化机理有效细化孔隙，降低临界孔径，降低材料内部的总孔隙率，使骨料内部结构更加密实，从而提升再生粗骨料的综合性能，由改性再生粗骨料制备的再生混凝土力学性能及耐久性均显著优于普通再生混凝土，有效扩展了再生混凝土的实际工程应用。
30.3)本发明选用的玄武岩纤维的长度和掺量可以有效填充再生混凝土孔隙，降低孔隙率。此外，玄武岩纤维可以贯穿微裂缝，在混凝土内部形成空间网状结构，有效阻碍了微裂缝扩展和连通，降低了大孔形成几率，优化了内部孔结构。此外，玄武岩纤维与再生混凝土界面处覆盖着一层很厚的胶凝物质，能够加强纤维与混凝土基体界面之间的粘结能力，进而显著提高再生混凝土的抗拉和抗折性能，再生混凝土的抗压强度达到36.51mpa，劈拉强度达到2.98mpa，抗折强度达到5.27mpa。
31.4)本发明改性再生粗骨料表面未完全反应的纳米二氧化硅颗粒通过其表面原子的结合而成为水泥水化反应的非自发结晶核,形成以纳米二氧化硅颗粒为核心的均匀致密的水化硅酸钙胶凝，且其巨大的比表面为c-s-h凝胶提供了更多的成核位点，使得再生混凝土的新旧界面过渡区性能得到提升。同时，絮状c-s-h凝胶与化合物紧密搭接，强化了基体与玄武岩纤维之间的黏结力，增强了玄武岩纤维的联桥效应，进而改善了纤维与水泥基体间界面过渡区性能。因此，有效改善了再生粗骨料以及玄武岩纤维在水泥基体中形成的多重界面过渡区，导致力学强度降低的问题。
32.5)本发明是基于工程实践提出的具体详细的再生骨料增强改性方案，通过添加纳米二氧化硅与玄武岩纤维对再生骨料的压碎值、吸水率、表观密度以及再生混凝土的抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度都具有较好的改善效果，制备方法具有操作简单，实用性强，应用前景更好，为再生混凝土的广泛应用奠定了基础。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明在各实施例及对比例中采用的水泥为p.o 42.5级普通硅酸盐水泥；所述的再生粗骨料为废弃混凝土破碎后筛分得到的连续级配粗骨料，粒径为5～20mm；天然细骨料为连续级配的天然河砂，粒径为0.075～4.75mm；纳米二氧化硅溶液浓度为3％；玄武岩纤维抗拉强度为3000～4800mpa，弹性模量为91～110gpa，密度为2.63～2.65g/cm3；高效聚羧酸减水剂的固含量(减水率)为25％。
35.制备改性再生粗骨料
36.实施例1
37.1.制备
38.将废弃混凝土试块经过破碎、筛分得到再生粗骨料，选取粒径范围5～20mm的粗骨料，再用浓度为1％的纳米二氧化硅溶液浸泡48h后捞出、烘干处理，获得改性混凝土粗骨料。
39.2.性能测试
40.根据《水泥胶砂强度检验方法(iso法)》(gb-t14685-2011)、《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》(jgj53-92)测得改性再生粗骨料的压碎值、吸水率、表观密度分别为：12.82％、5.87％、2659kg/m3。
41.实施例2
42.1.制备
43.将废弃混凝土试块经过破碎、筛分得到再生粗骨料，选取粒径范围5～20mm的粗骨料，再用浓度为2％的纳米二氧化硅溶液浸泡48h后捞出、烘干处理，获得改性混凝土粗骨料。
44.2.性能测试
45.根据《水泥胶砂强度检验方法(iso法)》(gb-t14685-2011)、《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》(jgj53-92)测得改性再生粗骨料的压碎值、吸水率、表观密度分别为：11.99％、4.987％、2667kg/m3。
46.实施例3
47.1.制备
48.将废弃混凝土试块经过破碎、筛分得到再生粗骨料，选取粒径范围5～20mm的粗骨料，再用浓度为3％的纳米二氧化硅溶液浸泡48h后捞出、烘干处理，获得改性混凝土粗骨料。
49.2.性能测试
50.根据《水泥胶砂强度检验方法(iso法)》(gb-t14685-2011)、《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》(jgj53-92)测得改性再生粗骨料的压碎值、吸水率、表观密度分别为：11.42％、4.95％、2672kg/m3。
51.对比例1:
52.将废弃混凝土试块经过破碎、筛分得到再生粗骨料，选取粒径范围5～20mm的粗骨料，再用清水浸泡48h后捞出、烘干处理，获得改性混凝土粗骨料。根据《水泥胶砂强度检验方法(iso法)》(gb-t14685-2011)、《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》(jgj53-92)测得改性再生粗骨料的压碎值、吸水率、表观密度分别为：14.85％、6.52％、2650kg/m3。
53.本发明实施例1～3及对比例1所得的纳米二氧化硅改性再生粗骨料的物理性能测试结果如下表1：
54.表1实施方法物理性能指标表
[0055] 压碎值(％)吸水率(％)表观密度(kg/m3)对比例114.856.522650实施例112.825.872659实施例211.994.982667实施例311.424.952672
[0056]
由上表知，纳米二氧化硅溶液浓度为2％时，再生粗骨料的压碎值、吸水率、表观密度等物理性能指标改善效果最优。
[0057]
制备改性再生混凝土
[0058]
通过反复试验，最终确定配合比为水泥、水、改性再生粗骨料、天然细骨料、玄武岩纤维及聚羧酸高性能减水剂的质量比为：1：0.52：2.74：1.47：0.006～0.018：0.006～0.012，采用该配比获得的再生混凝土成品流动性能最优。分析玄武岩纤维的加入量对改性再生混凝土的强度影响。
[0059]
实施例4：选取实施例1中制得的改性再生粗骨料
[0060]
1.制备
[0061]
(1)按质量比为1：0.52：2.74：1.47：0.006：0.006准备水泥、水、改性再生粗骨料、天然细骨料、玄武岩纤维及聚羧酸高性能减水剂等所需原料；
[0062]
(2)预先润湿搅拌机筒体，然后将改性再生粗骨料、水泥及砂投入搅拌机中，预搅拌120s；
[0063]
(3)将玄武岩纤维分两次均匀分散的加入到步骤(2)所得的混合物中，干拌90s；
[0064]
(4)将水、减水剂依次加入搅拌机中，搅拌180s，直至形成目标再生混凝土拌合物。
[0065]
2.性能测试
[0066]
根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(gb/t50081-2019)，测得改性再生混凝土的坍落度为105mm，28d抗压强度为26.22mpa，劈拉强度为2.28mpa，抗折强度为3.90mpa。
[0067]
实施例5：选取实施例1中制得的改性再生粗骨料
[0068]
1.制备
[0069]
(1)按质量比为1：0.52：2.74：1.47：0.012：0.009准备水泥、水、改性再生粗骨料、天然细骨料、玄武岩纤维及聚羧酸高性能减水剂等所需原料；
[0070]
(2)预先润湿搅拌机筒体，然后将改性再生粗骨料、水泥及砂投入搅拌机中，预搅拌120s；
[0071]
(3)将玄武岩纤维分两次均匀分散的加入到步骤(2)所得的混合物中，干拌90s；
[0072]
(4)将水、减水剂依次加入搅拌机中，搅拌180s，直至形成目标再生混凝土拌合物。
[0073]
2.性能测试
[0074]
根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(gb/t50081-2019)，测得改性再生混凝土的坍落度为96mm，28d抗压强度为30.25mpa，劈拉强度为2.58mpa，抗折强度为4.51mpa。
[0075]
实施例6：选取实施例1中制得的改性再生粗骨料
[0076]
1.制备
[0077]
(1)按质量比为1：0.52：2.74：1.47：0.018：0.012准备水泥、水、改性再生粗骨料、天然细骨料、玄武岩纤维及聚羧酸高性能减水剂等所需原料；
[0078]
(2)预先润湿搅拌机筒体，然后将改性再生粗骨料、水泥及砂投入搅拌机中，预搅拌120s；
[0079]
(3)将玄武岩纤维分两次均匀分散的加入到步骤(2)所得的混合物中，干拌90s；
[0080]
(4)将水、减水剂依次加入搅拌机中，搅拌300s，直至形成目标再生混凝土拌合物。
[0081]
2.性能测试
[0082]
根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(gb/t50081-2019)，测得改性再生混凝土的坍落度为82mm，28d抗压强度为23.79mpa，劈拉强度为2.67mpa，抗折强度为4.16mpa。
[0083]
实施例7：选取实施例3中制得的改性再生粗骨料
[0084]
1.制备
[0085]
(1)按质量比为1：0.52：2.74：1.47：0.006：0.006准备水泥、水、改性再生粗骨料、天然细骨料、玄武岩纤维及聚羧酸高性能减水剂等所需原料；
[0086]
(2)预先润湿搅拌机筒体，然后将改性再生粗骨料、水泥及砂投入搅拌机中，预搅拌120s；
[0087]
(3)将玄武岩纤维分两次均匀分散的加入到步骤(2)所得的混合物中，干拌90s；
[0088]
(4)将水、减水剂依次加入搅拌机中，搅拌180s，直至形成目标再生混凝土拌合物。
[0089]
2.性能测试
[0090]
根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(gb/t50081-2019)，测得改性再生混凝土的坍落度为92mm，28d抗压强度为31.28mpa，劈拉强度为2.62mpa，抗折强度为4.55mpa。
[0091]
实施例8：选取实施例3中制得的改性再生粗骨料
[0092]
1.制备
[0093]
(1)按质量比为1：0.52：2.74：1.47：0.012：0.009准备水泥、水、改性再生粗骨料、天然细骨料、玄武岩纤维及聚羧酸高性能减水剂等所需原料；
[0094]
(2)预先润湿搅拌机筒体，然后将改性再生粗骨料、水泥及砂投入搅拌机中，预搅拌120s；
[0095]
(3)将玄武岩纤维分两次均匀分散的加入到步骤(2)所得的混合物中，干拌90s；
[0096]
(4)将水、减水剂依次加入搅拌机中，搅拌180s，直至形成目标再生混凝土拌合物。
[0097]
2.性能测试
[0098]
根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(gb/t50081-2019)，测得改性再生混凝土的坍落度为81mm，28d抗压强度为36.51mpa，劈拉强度为2.98mpa，抗折强度为5.27mpa。
[0099]
实施例9：选取实施例3中制得的改性再生粗骨料
[0100]
1.制备
[0101]
(1)按质量比为1：0.52：2.74：1.47：0.018：0.012准备水泥、水、改性再生粗骨料、
天然细骨料、玄武岩纤维及聚羧酸高性能减水剂等所需原料；
[0102]
(2)预先润湿搅拌机筒体，然后将改性再生粗骨料、水泥及砂投入搅拌机中，预搅拌120s；
[0103]
(3)将玄武岩纤维分两次均匀分散的加入到步骤(2)所得的混合物中，干拌90s；
[0104]
(4)将水、减水剂依次加入搅拌机中，搅拌300s，直至形成目标再生混凝土拌合物。
[0105]
2.性能测试
[0106]
根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(gb/t50081-2019)，测得改性再生混凝土的坍落度为71mm，28d抗压强度为28.50mpa，劈拉强度为3.08mpa，抗折强度为4.85mpa。
[0107]
对比例2：选取实施例1中制得的改性再生粗骨料
[0108]
1.制备
[0109]
(1)按质量比为1：0.52：2.74：1.47：0：0.006准备水泥、水、再生粗骨料、天然细骨料、玄武岩纤维及聚羧酸高性能减水剂等所需原料；
[0110]
(2)预先润湿搅拌机筒体，然后将改性粗骨料、水泥及砂投入搅拌机中，预搅拌90s；
[0111]
(3)将水、减水剂依次加入搅拌机中，搅拌180s，直至形成目标再生混凝土拌合物。
[0112]
2.性能测试
[0113]
根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(gb/t50081-2019)，测得改性再生混凝土的坍落度为110mm，28d抗压强度为27.19mpa，劈拉强度为2.17mpa，抗折强度为3.52mpa。
[0114]
对比例3：选取实施例3中制得的改性再生粗骨料
[0115]
1.制备
[0116]
(1)按质量比为1：0.52：2.74：1.47：0：0.006准备水泥、水、再生粗骨料、天然细骨料、玄武岩纤维及聚羧酸高性能减水剂等所需原料；
[0117]
(2)预先润湿搅拌机筒体，然后将改性粗骨料、水泥及砂投入搅拌机中，预搅拌90s；
[0118]
(3)将水、减水剂依次加入搅拌机中，搅拌180s，直至形成目标再生混凝土拌合物。
[0119]
2.性能测试
[0120]
根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(gb/t50081-2019)，测得改性再生混凝土的坍落度为97mm，28d抗压强度为32.50mpa，劈拉强度为2.49mpa，抗折强度为4.10mpa。
[0121]
本发明实施例4～9及对比例2～3所得的纳米二氧化硅与玄武岩纤维协同增强的改性再生混凝土的强度测试结果如下表2：
[0122]
表2实施方法力学性质表
[0123][0124]
由上述数据可得，本发明纳米二氧化硅溶液的浓度为2％，玄武岩纤维体积掺量为0.1～0.2％时力学性能提升最优。此时，在实施例8配合比下的再生混凝土抗压强度达到了36.51mpa，劈拉强度达到了2.98mpa，抗折强度为5.27mpa，相较于对比例2～3力学强度得到显著提升。
[0125]
由上表可以看出，本发明得到的改性再生混凝土相较于未处理的再生混凝土具有更好的力学性能，并且纳米二氧化硅与玄武岩纤维协同增强的再生混凝土的强度优于单一强化方式的再生混凝土。
[0126]
本发明再生粗骨料表面存在未反应完的纳米二氧化硅可以与水泥水化产物ca(oh)2发生反应生成c-s-h凝胶，强化再生粗骨料表面的附着砂浆，提高再生混凝土界面过渡区的强度；纳米二氧化硅和再生骨料的粗糙表面有利于玄武岩纤维的分布，进而充分发挥纤维的增韧、阻裂效应，纳米二氧化硅与玄武岩纤维的协同作用使得再生混凝土的力学性能和耐久性能显著提高。本发明对开展强化再生混凝土力学性能的研究及工程应用具有一定的参考价值。
[0127]
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。