一种不锈钢纤维再生混凝土在硫酸盐干湿循环下强度提高的方法

1.本发明属于建筑骨料再生利用技术领域，具体涉及一种不锈钢纤维再生混凝土在硫酸盐干湿循环下强度提高的方法。


背景技术：

2.再生混凝土作为一种绿色建筑材料，能够最大限度的利用废弃混凝土，实现真正的“变废为宝”，不仅能解决天然骨料的紧缺间题，还能更好的保护生态环境，产生巨大的经济效益和环保效应，因此，得到了广泛应用。但由于再生粗骨料表面存在大量的砂浆粘连，难免产生大量孔隙，导致再生粗骨料的孔隙率及吸水率较高；与普通混凝土相比，再生混凝土受力时容易在新旧砂浆结合面产生微裂纹，发生应力集中，导致其强度偏低。通过各类方法提高再生混凝土的强度已成为当今的热点研究课题，常规的提高再生混凝土强度的方法有提高原材料的强度，比如提高骨料强度，提高水泥的强度，但单纯靠提高骨料、水泥强度来达到提高混凝土强度的目的，往往是不现实的，也是不经济的。此外通过掺加外加剂和外加掺合料也可一定程度上提高混凝土的强度，外加剂目的是改善混凝土的和易性，填充混凝土内部孔隙，加快水泥凝固时间，提高早期强度因而提高了强度。针对这一思路，如何通过适当的方法来填充混凝土的内部孔隙来提高强度是现阶段需要解决的问题。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术中存在的不足，本发明旨在提出一种不锈钢纤维再生混凝土在硫酸盐干湿循环下强度提高的方法。本发明通过对再生粗骨料进行改性，并将制备的混凝土试样辅之以硫酸盐干湿循环加快二次水化，填充了孔隙，以达到提高再生混凝土强度的效果。
4.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
5.一种不锈钢纤维再生混凝土在硫酸盐干湿循环下强度提高的方法，包括以下步骤：
6.(1)取5-20mm的连续级配的再生粗骨料浸泡于质量分数为3.5％-15％的硫酸钠溶液中，至少24h后取出烘干，得到改性的再生粗骨料；
7.(2)制备混凝土试件：
8.按拟配制的混凝土强度级别分别称取各原料：步骤(1)制备的改性的再生粗骨料、天然骨料、细砂、p.042.5普通硅酸盐水泥、s95级矿粉、ⅱ级粉煤灰、聚羧酸高效减水剂、不锈钢纤维和水，其中体系中水胶比为0.46；各原料经干拌法搅拌、振捣密实、标准养护得混凝土试件，具体步骤如下：
9.s1.将聚羧酸高效减水剂溶于水中，搅拌，制得减水剂分散液，备用；
10.s2.将步骤(1)制得的改性的再生粗骨料、天然骨料、细砂、p.042.5普通硅酸盐水泥、s95级矿粉、ⅱ级粉煤灰分别加入搅拌机中，搅拌均匀后，再取s1. 中70％-90％的减水
剂分散液倒入搅拌机中，进行预拌合；
11.s3.将不锈钢纤维加入搅拌机中搅拌，再将剩余减水剂分散液倒入搅拌机中进行搅拌，制备成浆料；
12.s4.将s3搅拌好的浆料装入模具中，放到振动台振动密实，试件带模养护 48h后，脱模，然后在温度为20
±
2℃,相对湿度为95
℅
以上标准条件下养护28d；
13.(3)将s4养护完成的不锈钢纤维再生混凝土试件放入硫酸盐干湿循环仪器中，进行5～15次干湿循环。
14.需要说明的是：水胶比是指整个体系中的水分重量与胶凝材料的重量之比，其中胶凝材料是由p.042.5普通硅酸盐水泥、s95级矿粉和ⅱ级粉煤灰组成；若所用原料细砂中含水量较高，体系中所加的水重量份数需扣除细砂中的水含量。
15.进一步，所述聚羧酸高效减水剂的重量占胶凝材料的重量的1％-2％，优选为1％；不锈钢纤维占骨料总重量(改性的再生粗骨料和天然骨料之和)的1％-2％。
16.进一步，所述改性的再生粗骨料能替换天然骨料重量的20％。
17.进一步，所述步骤(1)中再生骨料为将c15-c80级别的废弃混凝土破碎得到骨料，接着用自震动筛选机来机械活化去除骨料表面杂质，再用网筛筛选得到一级配粗骨料。所述一级配粗骨料粒径为5-20mm的连续级配，是按照规范《混凝土用再生粗骨料》(gb/t25177-2010)和《建筑用卵石、碎石》(gb/t14685-2011) 要求进行筛分试验的。
18.进一步，所述步骤(1)中硫酸钠溶液的质量分数为3.5％-5％。
19.进一步，所述步骤(1)中烘干条件为：温度控制在50℃，烘干时间为6小时。
20.进一步，步骤(2)中各原料：
21.所述细砂为非沿海地带的水洗河砂，细度模数0.7-1.5(即平均粒径在0.25mm 以下)。
22.所述普通硅酸盐水泥为p.042.5，比表面积大于280m2/kg。
23.所述s95级矿粉为碱性矿粉，例如石灰石矿粉，粒径小于0.075mm，其活性钙、硅、铝无机物的总含量大于30％，活性指数28天≥95％。
24.进一步，所述ⅱ级粉煤灰中：sio2含量为45％-60％、al2o3含量为20％-35％、 fe2o3含量为5％-10％、cao含量约为5％、烧失量为5％-30％。
25.进一步，所述聚羧酸高效减水剂：减水率不小于25％。
26.进一步，所述不锈钢纤维为304平直型不锈钢纤维，长度为30mm-60mm，长径比(指长度与厚度的比值)为75-150，抗拉强度≥1200mpa；所述304不锈钢纤维为高铬高镍不锈钢纤维。
27.进一步，步骤(2)中若配制c30强度等级的再生混凝土，各原料按重量份计为：229份改性后的再生粗骨料、918份天然骨料、673份细砂、226份p.042.5 普通硅酸盐水泥、38-114份s95级矿粉、38-114份ⅱ级粉煤灰、3.8份聚羧酸高效减水剂、11.47-22.94份不锈钢纤维；其中，s95级矿粉占胶凝材料重量的 10％-30％，ⅱ级粉煤灰占胶凝材料重量的10％-30％；体系中水胶比为0.46。
28.进一步，所述步骤(3)中进行硫酸盐干湿循环试验所用硫酸盐为硫酸钠，所述硫酸钠溶液浓度与步骤(1)中硫酸钠溶液浓度相同。
29.进一步，所述步骤(3)中进行硫酸盐干湿循环试验，一次循环周期为24h，包括15h
浸泡时间，0.5h的溶液排空，0.5h的风干时间，6h的烘干时间，2h的冷却时间；其中烘干温度为80℃，冷却温度为28℃，溶液温度控制在20-25℃。
30.与现有技术相比，本发明具有的优点及有益效果为：
31.(1)本发明先通过再生骨料机械活化强化骨料强度，紧接着进行硫酸钠溶液浸泡，并将制备的混凝土试样辅之以硫酸盐干湿循环加快二次水化，填充了孔隙，以达到提高强度的效果，但此处提到的干湿循环是一定循环次数以内的初期循环。再加上掺入的不锈钢纤维，能够有效阻碍混凝土内部微裂缝的扩展，改善混凝土的脆性，提高强度。
32.(2)硫酸钠能使水化产物硫铝酸钙更快地生成，从而加快了水泥的水化硬化速度。
33.(3)本发明方法利用的硫酸钠溶液可进行回收，继续利用，降低强化再生混凝土骨料的成本。
附图说明
34.图1为混凝土试件的界面过渡区电镜图。
具体实施方式
35.下面将结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
36.以下各实施例及对比例中所用原料介绍如下：
37.再生粗骨料：先将c30级别的废弃混凝土破碎得到骨料，接着将破碎好的废弃混凝土骨料放入自震动筛选机反复震动旋转，目的是去除骨料表面容易脱落的颗粒，再用网筛按照规范《混凝土用再生粗骨料》(gb/t25177-2010)和《建筑用卵石、碎石》(gb/t14685-2011)要求进行筛分试验，得到粒径为5-20mm 的连续级配的一级配粗骨料。
38.天然骨料：为采用中建商砼有限公司江夏厂提供的5-20mm连续级配的青石。
39.细砂：非沿海地带的水洗河砂，细度模数0.7-1.5(即平均粒径在0.25mm以下)，含水率2％。
40.s95级矿粉：采用中建商砼有限公司江夏厂提供的s95级矿粉，该矿粉为石灰石矿粉，符合国家标准gb/t 18046-2017《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》要求的s95级矿渣粉。
[0041]ⅱ级粉煤灰：采用中建商砼有限公司江夏厂提供的ⅱ级粉煤灰。
[0042]
p.042.5普通硅酸盐水泥：采用中建商砼有限公司江夏厂提供的p.042.5普通硅酸盐水泥。
[0043]
聚羧酸高效减水剂：采用江苏省海丰新材料有限公司生产的聚羧酸高效减水剂，减水率不小于25％。
[0044]
不锈钢纤维：采用河南省星光磨料厂生产的304平直型不锈钢纤维，长度为 30mm-60mm，长径比(指长度与厚度的比值)为75-150，抗拉强度≥1200mpa。
[0045]
普通钢纤维：采用河南省星光磨料厂生产的平直型普通热轧钢纤维，长度为 30mm-60mm，长径比(指长度与厚度的比值)为75-150，抗拉强度≥1200mpa。
[0046]
实施例1
[0047]
一种不锈钢纤维再生混凝土在硫酸盐干湿循环下强度提高的方法，包括以下步骤：
[0048]
(1)取5-20mm的连续级配的再生粗骨料浸泡于3.5wt％的硫酸钠溶液中，浸泡24h后，取出放入恒温箱中，温度控制在50℃，烘干时间为6小时，得到改性的再生粗骨料。
[0049]
(2)按质量份计，分别取229份步骤(1)制得的改性后的再生粗骨料、918 份天然骨料、673份细砂、226份p.042.5普通硅酸盐水泥、76份s95级矿粉、76份ⅱ级粉煤灰、3.8份聚羧酸高效减水剂、17.21份不锈钢纤维以及适量水，制成混凝土试件，其中体系中水胶比为0.46，具体步骤如下：
[0050]
s1.将0.076kg聚羧酸高效减水剂溶于3.21kg水中，搅拌均匀，制得减水剂分散液，备用；
[0051]
s2.将4.58kg步骤(1)所得改性的再生粗骨料、18.36kg天然骨料、13.73kg 细砂(实际砂量为13.46kg)、1.52kgs95级矿粉、1.52kgⅱ级粉煤灰和4.52kgp.0 42.5普通硅酸盐水泥分别加入搅拌机中，搅拌30s后，再取s1.中85％的减水剂分散液倒入搅拌机中，搅拌2min；
[0052]
s3.将0.3442kg不锈钢纤维加入搅拌机中搅拌，再将剩余减水剂分散液倒入搅拌机中，进入快速搅拌模式，搅拌30s,制备成浆料，然后出料；
[0053]
s4.将s3.搅拌好的浆料装入模具中，放到振动台振动密实，试件带模养护 48h后，脱模，然后在温度为20
±
2℃,相对湿度为95
℅
以上标准条件下养护28d。
[0054]
(3)将s4.养护完成的不锈钢纤维再生混凝土试件放入lsy-18型混凝土硫酸盐干湿循环试验设备中，进行干湿循环试验；具体操作为：将试件均匀的放在托架上，试件与试件之间保持间隔30mm，将3.5wt％的硫酸钠溶液从加液口加入储液箱，液面高度浸没试件且高出试件顶部30mm为止；然后按照要求设置面板上的浸泡时间、风干时间、烘干时间、冷却时间、烘干温度、冷却温度；最后打开电源开关，设备自动进入运行状态；面板设置的一次循环周期为24h，包括 15h浸泡时间，0.5h的溶液排空，0.5h的风干时间，6h的烘干时间，2h的冷却时间，其中烘干温度为80℃，冷却温度为28℃，溶液温度控制在20-25℃；进行0次、5次、10次、15次、20次干湿循环。干湿循环20次的混凝土试件，直接取出进行力学性能试验(抗压强度测试)；干湿循环0次即不进行干湿循环，则是直接取步骤(2)中的4)的混凝土试件进行力学性能试验；干湿循环5次 (或10次、或15次)结束以后，从实验箱内取出混凝土试件，进行力学性能试验(抗压强度测试)。
[0055]
实施例2
[0056]
一种不锈钢纤维再生混凝土在硫酸盐干湿循环下强度提高的方法，步骤与实施例1相同，唯一区别在于，步骤(1)中用于浸泡5-20mm的连续级配的再生粗骨料的硫酸钠溶液的浓度及进行干湿循环试验的浓度均为5wt％。
[0057]
实施例3
[0058]
一种不锈钢纤维再生混凝土在硫酸盐干湿循环下强度提高的方法，步骤与实施例1相同，唯一区别在于，步骤(1)中用于浸泡5-20mm的连续级配的再生粗骨料的硫酸钠溶液的浓度及进行干湿循环试验的浓度均为10wt％。
[0059]
实施例4
[0060]
一种不锈钢纤维再生混凝土在硫酸盐干湿循环下强度提高的方法，步骤与实施例1相同，唯一区别在于，步骤(1)中用于浸泡5-20mm的连续级配的再生粗骨料的硫酸钠溶液的浓度及进行干湿循环试验的浓度均为15wt％。
[0061]
对比例1
[0062]
与实施例2的方法不同的是：将步骤(1)对再生粗骨料进行改性的硫酸钠溶液替换为纯净水。
[0063]
其中，对干湿循环0次的混凝土试件进行切片电镜实验，使用的仪器为sem 扫描电子显微镜，电镜试验的步骤如下：
[0064]
步骤1：将养护28天的实施例1试块进行轴心抗压破坏后，取出试件中心骨料的水泥基体与304不锈钢纤维粘结的碎块；
[0065]
步骤2：选取试件中心骨料的水泥基体与304不锈钢纤维粘结的碎块，用切割机将碎块切割成长宽高10mm的样品，并且用砂纸将表面打磨平整，直至光滑无粗糙；
[0066]
步骤3：将打磨完的样品放入无水乙醇中浸泡24h做脱水处理，使试样内部的水化反应充分进行直至完全水化；
[0067]
步骤4：浸泡达到规定时间以后，取出试样，将试样放入恒温恒湿箱，设置 80％湿度，40℃温度，24h，烘干试样；
[0068]
步骤5：将烘干的试样放在干燥的仪器中送去sem电镜实验室进行电镜实验，由于混凝土为非均质材质，导电性较差，而电镜实验需要将样品在产生电荷充电放电条件下才可以输出图像，所以要对混凝土切片表面进行喷金处理，使其表面导电；
[0069]
步骤6：将喷金处理后的试样放置于操作台，开启仪器进行抽真空处理，就可以进行扫描观察了。
[0070]
混凝土试件的界面过渡区电镜照片如图1所示。图1中，wz代表混凝土细骨料与浆体区域，混凝土水化产生水化产物c-s-h和ca(oh)2，由于加入的粉煤灰和矿粉，因而内部结构是致密的，304zone代表304不锈钢钢纤维的区域，haz 表示304不锈钢纤维和混凝土连接的界面过渡区，可明显看到304zone外层有屏障保护膜。因为304不锈钢纤维中含有铬(cr)元素，铬(cr)会与腐蚀介质中的氧反应形成一层很薄的氧化膜，防止进一步的氧化，并且当氧化膜遭到破坏时，暴露出的钢表面会重新形成这种“钝化膜”，起到保护作用，使得混凝土试块在侵蚀环境中有效阻止外界侵蚀溶液对混凝土内部的侵蚀。
[0071]
对比例2
[0072]
与实施例2的方法不同的是：将步骤(2)中所加的不锈钢纤维换为相同重量份的普通钢纤维。
[0073]
对比例3
[0074]
与实施例2的方法不同的是：将步骤(2)中所加的不锈钢纤维用相同重量份的改性后的再生粗骨料替代。
[0075]
以上各实施例及对比例制得的混凝土试件进行抗压强度测试，根据《gb/ t50081-2016普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，用dye-2000s微机伺服压力试验机进行立方体抗压强度值测定，试验时取3个试件测值的算术平均值作为该组试件的强度值，精确至0.1mpa。各试件的抗压强度指标如表1。
[0076]
表1
[0077][0078]
由表1可知，实施例1-4得到的不锈钢再生混凝土抗压强度明显高于对比例 1，骨料表面不作任何改性处理的对比例1试件其抗压强度低于经硫酸钠溶液改性处理过的粗骨料制得的试件。当试件进行干湿循环以后，在一定次数下，随着次数的增多，试件的强度提高，这表明试件内部孔隙结构在干湿循环下得到填充，密度增大，一定程度上提高了其抗压能力。但是所浸泡的硫酸钠溶液浓度越高试件强度并未显著提高。
[0079]
根据表1可知，硫酸钠溶液浓度在3.5％-5％之间，循环次数在15次时所显示的强度值最大。循环15次以后进入20次循环所测强度出现了降低，可以推测出，在一定次数之内，硫酸盐干湿循环对混凝土起到了强度增强的效果，但是随着干湿循环次数的增加，强度下降了，强化只发生在干湿循环初期，达到一定次数以后，混凝土表面出现空洞，开始劣化。因此本发明提出的一种不锈钢纤维再生混凝土在硫酸盐干湿循环下强度提高的方法限制了循环次数不宜太多，溶液浓度不宜太高。
[0080]
当预处理浸泡溶液为质量分数5％的硫酸钠溶液时，进行0次、5次、10次、 15次、20次干湿循环后分别进行抗压实验，通过实验数据可看到，实施例2掺有不锈钢纤维的再生混凝土在前15次干湿循环后的抗压强度呈现增长趋势，而对比例2掺有普通钢纤维的再生混凝土在进行0次、5次、10次、15次、20次干湿循环后的抗压结果明显降低，并可明显看到试件表面有大量严重的锈渍，且生锈的钢纤维混凝土表面存在剥落现象；对比例3未掺纤维的再生混凝土在进行 0次、5次、10次、15次、20次干湿循环后的抗压结果较为平缓，在15次以后才有明显的强度下降；由此可推断出，实施例2掺有不锈钢纤维的再生混凝土在前期干湿循环下有着协同增效的效果。
[0081]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。