一种表面超支化改性钢纤维的制备方法及基于该改性钢纤维的超高性能混凝土技术

本发明专利技术公开了一种表面超支化改性钢纤维的制备方法及基于该改性钢纤维的超高性能混凝土。本发明专利技术所述表面超支化改性钢纤维的制备方法包括：将预处理钢纤维置于硅烷偶联剂水解液中反应得到硅烷偶联剂改性钢纤维；之后将硅烷偶联剂改性钢纤维置于正硅酸乙酯、无水乙醇与去离子水的混合溶液中得到表面超支化改性钢纤维。通过该方法对钢纤维表面进行超支化修饰，改善耐腐蚀性，同时实现多向嵌入基体，强化粘结性，提高钢纤维对UHPC超高性能混凝土的增韧、增强和阻裂性能，且成本低，操作方法简单，无毒性，对环境无危害，还可对材料进行批量化处理。处理。

【技术实现步骤摘要】
一种表面超支化改性钢纤维的制备方法及基于该改性钢纤维的超高性能混凝土


[0001]本专利技术涉及建筑材料领域，具体涉及一种表面超支化改性钢纤维的制备方法及基于该改性钢纤维的超高性能混凝土。

技术介绍

[0002]超高性能混凝土(UHPC)是拥有优异力学性能和良好耐久性的新一代水泥基复合材料，在高层建筑、大跨桥梁、海洋工程、水利工程、核电工程和特种结构等领域已经得到广泛应用。钢纤维是制备UHPC增韧、增强的重要组分。但是，为防止钢纤维的锈蚀，通常对钢纤维镀铜处理，使得钢纤维表面光滑，钢纤维与UHPC基体间的界面结合性能较差，严重制约着纤维增韧增强效果的发挥。目前使用的钢纤维与UHPC基体间一般没有化学作用，界面粘结强度仅依靠物理吸附或机械咬合力，界面粘结力较纤维本身弱，导致钢纤维与基体脱粘仍是UHPC的主要破坏形式。导致UHPC的拉伸性能不足，一定程度上限制了其应用效果。因此，提高钢纤维与基体的粘结力是大幅度提高UHPC性能的重要手段。
[0003]目前，提高钢纤维与UHPC基体结合性能的方法主要有：UHPC基体的致密化、变形纤维的使用和对钢纤维表面化学涂层处理。UHPC基体致密化是向UHPC基体中添加超细材料或以蒸汽或高压釜固化来实现，但超细材料的掺加、特殊的养护条件和变形纤维的使用都会增加UHPC的成本。因此，钢纤维的表面化学涂层处理是目前增韧、增强UHPC的主要手段，对钢纤维表层改性成为国内外学者广泛关注的热点。提高钢纤维与基体的粘结强度一般采用表面异型、表面刻蚀等方法，但易引起钢纤维拉伸强度损失。如最常见化学处理方法是用磷酸锌处理钢纤维表面，但磷酸锌中的重金属对环境产生污染，且能耗较高，使该方法很难在增韧、增强钢纤维与UHPC界面结合上得到广泛应用。通过物理刻蚀或吸附纳米粒子提高钢纤维表面粗糙度来改善其与基体粘结性，也很难从根本上解决钢纤维与基体粘结性差的问题。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术提供了一种表面超支化改性钢纤维的制备方法及基于该改性钢纤维的超高性能混凝土。该方法通过原位、嫁接与桥联生长，对钢纤维表面进行超支化修饰，改善耐腐蚀性，同时实现多向嵌入基体，强化粘结性，提高钢纤维对UHPC超高性能混凝土的增韧、增强和阻裂性能，且成本低，操作方法简单，无毒性，对环境无危害，还可对材料进行批量化处理。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0006]本专利技术提供了一种表面超支化改性钢纤维的制备方法，具体包括：
[0007](1)钢纤维的预处理：将干净的钢纤维置于NaOH溶液中浸泡，然后用无水乙醇和去离子水进行清洗，以除去钢纤维表面的油脂和杂质，得到预处理钢纤维，使得钢纤维表面支接高活性羟基；
[0008](2)硅烷偶联剂水解液的配制：将硅烷偶联剂、无水乙醇与去离子水搅拌混合均匀得到硅烷偶联剂水解液；
[0009](3)硅烷偶联剂改性钢纤维：将步骤(1)中得到的预处理钢纤维置于步骤(2)中制备的硅烷偶联剂水解液中反应5
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20min，反应完成后取出置于100
‑
120℃鼓风干燥箱中干燥1
‑
3h，得到硅烷偶联剂改性钢纤维；
[0010](4)表面超支化改性钢纤维的制备：首先配制正硅酸乙酯、无水乙醇与去离子水的混合溶液置于容器中，其次将步骤(3)获得的硅烷偶联剂改性钢纤维置于混合溶液中搅拌反应，反应完成后干燥得到表面超支化改性钢纤维。
[0011]步骤(1)中所述NaOH溶液质量溶度为10
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30wt％，浸泡时间15
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40min。
[0012]步骤(1)中所述钢纤维的长度为10
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15mm，直径为0.1
‑
0.3mm。
[0013]步骤(2)中搅拌混合均匀后使用冰醋酸调节混合液的pH值，保持在<50℃环境下搅拌反应4
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8h得到所述硅烷偶联剂水解液；溶液pH值为4
‑
7。
[0014]以步骤(1)所述预处理钢纤维为基准，步骤(2)中所述硅烷偶联剂含量为步骤(1)得到的预处理钢纤维质量的1％
‑
5％，无水乙醇和去离子水重量比为1：8～10；步骤(3)中所述硅烷偶联剂水解液和预处理钢纤维的质量比为1.8～2.2：1；
[0015]步骤(4)中所述正硅酸乙酯混合溶液与步骤(3)所述硅烷偶联剂改性钢纤维的质量比为2.0
‑
3.0:1；所述正硅酸乙酯、无水乙醇与去离子水摩尔比为0.8～1.2:8～12:13～16。
[0016]步骤(4)中配制的混合溶液首先采用稀盐酸调节溶液的pH值为3
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5.5后使用；搅拌反应为1
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48h,反应完成后取出置于50
‑
60℃鼓风干燥箱中干燥2
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6h得到产物；反应后得到的改性钢纤维在钢纤维表面原位生长或嫁接出三维枝杈状结构的纳米二氧化硅。
[0017]本专利技术还提供了一种基于上述表面超支化改性钢纤维的超高性能混凝土，其原料组分包括普通水泥、硅灰、粉煤灰、矿粉、石英砂、聚羧酸减水剂、表面超支化改性钢纤维及水；
[0018]其中每1m3的UHPC超高性能混凝土中各组分含量如下：普通水泥700
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800kg，硅灰100
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150kg，粉煤灰150
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200kg，矿粉50
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100kg，聚羧酸减水剂10
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20kg；
[0019]所述表面超支化改性钢纤维含量为超高性能混凝土体积含量的1
‑
3Vol％；
[0020]所述拌合水和胶凝材料(普通水泥、硅灰、粉煤灰及矿粉)的质量比为0.16～0.19：1；
[0021]所述石英砂和胶凝材料的质量比为0.8～1.2：1。
[0022]本专利技术所述普通水泥平均粒径为10.0
‑
20.0μm，比表面积为1900
‑
2100m2/kg；
[0023]所述硅灰平均粒径为1.0
‑
2.0μm，比表面积为10000
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12000m2/kg；
[0024]所述粉煤灰平均粒径为5.0
‑
10.0μm，比表面积为2400
‑
2600m2/kg；
[0025]所述矿粉平均粒径为8.0
‑
12.0μm，比表面积为1000
‑
1200m2/kg。
[0026]本专利技术所述石英砂为粒径范围在0
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0.3mm、0.3
‑
0.6mm、0.6
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2.36mm的石英砂按质量比150～200：250～300：650～700组成。
[0027]本专利技术还提供了所述UHPC超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面超支化改性钢纤维的制备方法，其特征在于，具体包括：(1)钢纤维的预处理：将干净的钢纤维置于NaOH溶液中浸泡，然后用无水乙醇和去离子水进行清洗，以除去钢纤维表面的油脂和杂质，得到预处理钢纤维，使得钢纤维表面支接高活性羟基；(2)硅烷偶联剂水解液的配制：将硅烷偶联剂、无水乙醇与去离子水搅拌混合均匀得到硅烷偶联剂水解液；(3)硅烷偶联剂改性钢纤维：将步骤(1)中得到的预处理钢纤维置于步骤(2)中制备的硅烷偶联剂水解液中反应5
‑
20min，反应完成后取出置于100
‑
120℃鼓风干燥箱中干燥1
‑
3h，得到硅烷偶联剂改性钢纤维；(4)表面超支化改性钢纤维的制备：首先配制正硅酸乙酯、无水乙醇与去离子水的混合溶液置于容器中，其次将步骤(3)获得的硅烷偶联剂改性钢纤维置于混合溶液中搅拌反应，反应完成后干燥得到表面超支化改性钢纤维。2.根据权利要求1所述的一种表面超支化改性钢纤维的制备方法，其特征在于，以步骤(1)所述预处理钢纤维为基准，步骤(2)中所述硅烷偶联剂含量为步骤(1)得到的预处理钢纤维质量的1％
‑
5％，无水乙醇和去离子水重量比为1：8～10；步骤(3)中所述硅烷偶联剂水解液和预处理钢纤维的质量比为1.8～2.2：1；步骤(4)中所述正硅酸乙酯混合溶液与步骤(3)所述硅烷偶联剂改性钢纤维的质量比为2.0
‑
3.0:1；所述正硅酸乙酯、无水乙醇与去离子水摩尔比为0.8～1.2:8～12:13～16。3.根据权利要求1所述的一种表面超支化改性钢纤维的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述钢纤维的长度为10
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15mm，直径为0.1
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0.3mm。4.根据权利要求1所述的一种表面超支化改性钢纤维的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述NaOH溶液质量溶度为10
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30wt％，浸泡时间15
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40min。5.根据权利要求1所述的一种表面超支化改性钢纤维的制备方法，其特征在于，步骤(2)中搅拌混合均匀后使用冰醋酸调节混合液的pH值，保持在<50℃环境下搅拌反应4
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8h得到所述硅烷偶联剂水解液；溶液pH值为4
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7。6.根据权利要求1所述的一种表面超支化改性钢纤维的制备方法，其特征在于，步骤(4)中配制的混合溶液首先采用稀盐酸调节溶液的pH值为3
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5.5后使用；搅拌反应为1
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48h,反应完成后取出置于50
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60℃鼓风干燥箱中干燥2
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6h得到产物。7.一种基于上述权利要求1至6任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙浩，于林玉，刘万刚，陆豪，王仁孝，
申请(专利权)人：山东鲁桥建材有限公司，
类型：发明
国别省市：