CN117800688B - 耐高温橡胶混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及一种耐高温橡胶混凝土及其制备方法，本发明通过采用石英砂作为骨料，不添加粗骨料，叠加玻璃砂、玻璃粉、聚丙烯纤维、改性钢纤维和相变材料，并对胶凝材料进行调配，制备具有绿色环保、高强度、耐高温特性的橡胶混凝土。
Description
技术领域
本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及一种耐高温橡胶混凝土及其制备方法。
背景技术
近年来，随着工业化和城市化的发展，全球迎来汽车行业的迅速发展和玻璃制品的巨大制造量，因而产生的废弃橡胶轮胎和废弃玻璃的数量也越来越多。
目前，废旧橡胶轮胎和废弃玻璃的再生利用率较低，其中的大部分都被掩埋、焚烧，造成极大的资源浪费和严重的环境污染，如何对废弃橡胶轮胎和废弃玻璃进行二次回收利用成为研究者亟须解决的问题。
回收废旧汽车橡胶轮胎和废弃玻璃作为替代骨料制造混凝土可以实现其再利用，具有一定的环境效益和经济效益，同时能够在一定程度上解决建筑材料稀缺的问题。
将橡胶颗粒加入混凝土中可以得到具备良好韧性和延性的橡胶混凝土，但随着橡胶颗粒掺量的增加，橡胶混凝土弯曲性能提升的同时也会带来强度的降低，影响其在建筑结构中的使用，因此需对其强度提升进一步考虑。
高强混凝土具有极高的密实度，这使得其在高温下容易由于蒸汽压作用和热梯度影响下，发生高温爆裂，影响混凝土的强度和耐久性，在现代建筑火灾频发的社会环境下，对混凝土耐高温性能进行研究具有重要意义。
相变材料在建筑材料领域具有广阔的应用前景，一方面，将相变材料加入到混凝土材料不但可以有效地降低能源的消耗和减小空气调节系统的规模，而且还能控制室内温度在一定的小范围波动，从而改善舒适度，拥有绿色节能的应用前景。
另一方面，相变材料可有效解决混凝土内部水化反应热过高时导致混凝土结构开裂的问题。
当混凝土面临火灾等温度变化的极端工况时，相变材料可以降低混凝土升温速度和降温速度，可以延缓混凝土内部升温并使内部温度梯度更为均匀，减小内部温差导致的热应力，防止混凝土内部温度裂缝出现而导致的工作性能的快速劣化。
然而，相变材料的加入同样会引起混凝土强度的降低。
发明内容
为克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种耐高温橡胶混凝土及其制备方法，通过采用石英砂作为骨料，不添加粗骨料，叠加玻璃砂、玻璃粉、聚丙烯纤维、改性钢纤维和相变材料，并对胶凝材料进行调配，制备具有绿色环保、高强度、耐高温特性的橡胶混凝土。
具体的，本发明耐高温橡胶混凝土，由以下原料组成：水泥600-900重量份，粉煤灰120-250重量份，硅灰90-200重量份，稻壳灰50-100重量份，石英砂400-735重量份，水230-260重量份，20-40目橡胶颗粒40-100重量份，玻璃砂100-160重量份，玻璃粉70-100重量份，高效减水剂9-17重量份，聚丙烯纤维体积掺量为0.8-1%，改性钢纤维体积掺量为1-2%，相变材料体积掺量为2-5%。
优选的，所述改性钢纤维制备方法为：用砂纸沿钢纤维长度方向打磨10-15次，随后采用溶胶-凝胶法，使钢纤维表面包裹纳米二氧化硅薄膜。
优选的，所述相变材料由陶粒-石蜡相变材料、石墨-聚乙烯醇相变材料、Al-Si合金粉按体积比1:1:1配合而成。
优选的，所述水泥为等级42.5或52.5的普通硅酸盐水泥。
优选的，所述粉煤灰为一级粉煤灰，更优选的，粉煤灰密度为2490kg/m3，含水率小于0.5%，粉煤灰可有效填充混凝土中的孔隙，使得玻璃混凝土的强度显著提高。
优选的，所述硅灰平均粒径在0.1-0.3μm，硅灰可促进混凝土中的火山灰反应，反应生成C-S-H凝胶，提高混凝土的强度和耐久性能。
本发明采用水泥作为主要胶凝材料，添加粉煤灰、硅灰等作为活性掺合料，工业固废的加入可降低混凝土成本，实现废弃物再利用，粉煤灰和硅灰主要起到活性作用，本发明研究表明，为提高橡胶混凝土的力学性能和耐高温性能，本发明添加相变材料和复合纤维后混凝土浆料匀质性较差，玻璃砂的加入更加导致混凝土容易板结，对此，本发明通过大量试验，在掺合料中添加稻壳灰，并添加部分细颗粒玻璃粉，从而使得混凝土匀质性提高，可成型性能优良。
优选的，所述石英砂粒径为0.2-1mm。
优选的，所述玻璃砂粒径为1.5-2mm，玻璃砂的添加降低了橡胶混凝土的密度，提高橡胶颗粒的抗浮性能和在混凝土中的分散性，并且玻璃砂可利用废弃玻璃破碎制得，实现废弃玻璃的回收利用，减少环境污染，但其容易导致橡胶混凝土浆料板结，本发明经过大量试验，通过添加稻壳灰和玻璃粉得以解决。
优选的，所述玻璃粉粒径小于0.075mm，玻璃粉的掺入可提高颗粒的流动性，对混凝土的孔隙具有填充作用，有利于改善橡胶混凝土的微结构，同时玻璃粉能够促进火山灰反应，使得浆体基质更加致密，并提高混凝土的断裂能，加强纤维和基质之间的结合，提高橡胶混凝土在高温下的力学性能，此外，玻璃粉的添加能够抑制玻璃砂充当骨料而造成的碱-硅酸反应，避免混凝土由于碱-硅酸反应膨胀发生变形、开裂、强度下降等病变行为，提高混凝土的耐久性，此外，玻璃粉协同硅灰可在高温下各个阶段对混凝土的强度提升发挥作用，20℃-400℃时玻璃粉可将部分Ca(OH)2转化为C-S-H凝胶并促进水泥水化反应的进行，该反应在300-400℃左右可达到强度峰值；400℃-600℃由部分玻璃粉仍可以与氢氧化钙反应，此温度段下混凝土强度下降比未掺入玻璃粉的普通混凝土强度下降慢；600℃-900℃高温条件下，玻璃粉由固相转化为液相，将填补裂缝并使得混凝土孔隙率降低，提高橡胶混凝土力学强度。
优选的，所述高效减水剂为萘系减水剂、聚羧酸减水剂的至少一种。
优选的，所述聚丙烯纤维长度12-15mm，直径为0.021-0.031mm，聚丙烯纤维在120℃左右的温度下熔化产生通道，可改善高温情况下混凝土的渗透性，使火灾引起的蒸汽压更容易消散，降低了孔隙压力，加入聚丙烯纤维的橡胶混凝土可以有效避免高温爆炸剥落现象，提高了橡胶混凝土的耐高温性能。
优选的，所述改性钢纤维长度为13-15mm，直径为0.12-0.18mm，抗拉强度大于2.8GPa。更优选的，所述改性钢纤维的制备方法为：首先进行物理处理，用180目砂纸沿纤维长度方向打磨10-15次。
然后进行化学处理，用氢氧化钠溶液或浓硝酸清洗钢纤维表面，去除杂质，随后用去离子水冲洗钢纤维至pH值约为7并风干备用，然后制备表面处理剂，使用1000ml无水乙醇作为溶剂，向其中加入80ml质量分数为1%的原硅酸乙酯和十六烷基三甲基溴化铵，随后将处理过的钢纤维加入到表面处理剂中，添加40ml氨水，超声分散30min，再进行45℃水浴12h，拿出钢纤维后用去离子水冲洗干净，在60℃下干燥完成制备，改性钢纤维提高了钢纤维与水泥基体的界面结合能力，同时，纳米二氧化硅薄膜可提高钢纤维在高温下的稳定性，减弱了钢纤维在高温下的劣化，增强了混凝土的抗拉强度；改性钢纤维的加入还可改善混凝土的收缩避免产生裂缝，提高混凝土的工作性能，具有多种优点。
本发明通过采用聚丙烯纤维和改性钢纤维作为复合纤维，适应本发明耐高温橡胶混凝土原料体系，其分散性良好。
优选的，所述陶粒-石蜡相变材料制备方法为：将陶粒烘干，置于真空罐，加入过量石蜡吸附至饱和后，将陶粒取出吹干，并在表面喷涂海藻酸钠溶液，后浸于CaCl2溶液后，过滤干燥即得。
运用多孔材料吸附法对相变材料进行封装，并采取进一步的措施进行包裹提高其稳定性，改善了相变材料的渗漏问题，具有制备过程简便、生产成本低的特点。
优选的，所述石墨-聚乙烯醇相变材料制备方法为：将石墨烘干，置于真空罐，加入过量聚乙烯醇吸附至饱和后，将石墨取出吹干即得。
优选的，所述Al-Si合金粉中Al和Si的质量比为88:12。
优选的，烘干采用红外干燥箱。
本发明采用三种复合相变材料，延缓基体内发生的剧烈物理、化学变化，避免使混凝土内部温差过大从而引起较大的温度应力，抑制混凝土裂缝的产生，提高橡胶混凝土在高温下的耐久性和耐高温性。
本发明还涉及上述耐高温橡胶混凝土的制备方法，包括如下步骤：
1）将橡胶料粒采用碱性溶液浸泡，清水洗涤，干燥，得橡胶颗粒，
2）将水泥、粉煤灰、硅灰、稻壳灰、石英砂、橡胶颗粒、玻璃砂、玻璃粉混合均匀，加入相变材料，搅拌均匀得干混料，加入2/3的水、高效减水剂，继续搅拌均匀，得混合料1，
3）向混合料1依次加入聚丙烯纤维、改性钢纤维，搅拌均匀，加入剩余1/3的水，搅拌得混合料2，
4）将混合料2搅拌均匀，得混凝土浆料，
5）将混凝土浆料成型、振捣、脱模、养护，即得。
优选的，搅拌采用强制搅拌机﹐转速不小于120r/min。
优选的，步骤5）养护采用标准养护。
本发明具有以下技术优势：
1.本发明混凝土中加入废弃橡胶，有效地解决了废弃橡胶轮胎的回收利用问题，同时替代了混凝土中部分传统骨料，可降低混凝土制备成本，具有绿色环保的特点；
2.本发明加入玻璃砂和玻璃粉，其中玻璃砂作为骨料代替物，减轻了橡胶混凝土的自重，有便于运输，较细的玻璃粉作为胶凝物质添加到橡胶混凝土中，对混凝土的孔隙具有填充作用，有利于改善橡胶混凝土的微结构，并能够更好地促进火山灰反应，使得浆体基质更加致密，加强纤维和基质之间的结合，提高混凝土的断裂能，提高橡胶混凝土在高温下的力学性能，使得橡胶混凝土可在各个温度阶段保持较好的强度，此外，玻璃粉的加入可协同硅灰抑制碱－硅酸反应，减少混凝土内部凝胶产物的产生，避免混凝土发生变形、开裂，提高混凝土的耐久性；
3.本发明加入玻璃砂和玻璃粉，能够有效解决目前废弃玻璃的回收利用问题，玻璃粉的掺入可减少水泥的用量，降低二氧化碳的排放量，提高资源利用率的同时减少对环境的污染；
4.本发明聚丙烯纤维在高温情况下发生熔化，所产生的微通道允许水蒸气的排出，可提高混凝土的渗透性，降低孔隙压力，有效解决混凝土高温剥落中的蒸汽压机制问题，避免混凝土高温爆炸剥落现象的发生；
5.本发明改性钢纤维的加入，弥补了橡胶颗粒的掺入弱化纤维与基体间相互作用的不足，增强了纤维与基体的粘结性能，可以有效提高橡胶混凝土的力学性能，同时改性减弱了钢纤维的高温腐蚀，高温后仍能为混凝土提供强度，提高了橡胶混凝土的残余力学性能，从而增强了橡胶混凝土的耐高温性能；
6.本发明聚丙烯纤维和改性钢纤维复合使用分散性良好，增韧增强效果优良，适用于本发明耐高温橡胶混凝土材料体系；
7.本发明采用三种复合相变材料，有效降低混凝土产生的温度梯度，当温度达到相变温度后，相变材料发生相变吸收热量，从而改善混凝土内部的热分布，降低混凝土内部的温度应力，防止混凝土高温爆裂；
8.本发明稻壳灰和玻璃粉的添加配合其他原料，可调整混凝土浆料匀质性，提高施工性能。
具体实施方式
为表征本发明技术效果，制备橡胶混凝土并养护至28d后，置于不同温度下处理2h后，进行抗压强度测试。
其中，水泥采用P052.5水泥；粉煤灰采用一级粉煤灰，密度为2490kg/m3，含水率0.5%；石英砂粒径为0.2-1mm；橡胶颗粒采用20目、30目、40目分别按6：3：1掺入；玻璃砂粒径为1.5-2mm；高效减水剂采用聚羧酸减水剂；聚丙烯纤维长度12-15mm，直径为0.021-0.031mm；改性钢纤维长13mm，直径0.12mm，制备方法为：用砂纸沿钢纤维长度方向打磨10-15次，随后采用溶胶-凝胶法，使钢纤维表面包裹纳米二氧化硅薄膜；玻璃粉粒径小于0.075mm；陶粒-石蜡相变材料制备方法为：将陶粒烘干，置于真空罐，加入过量石蜡吸附至饱和后，将陶粒取出吹干，并在表面喷涂海藻酸钠溶液，后浸于CaCl2溶液后，过滤干燥即得；石墨-聚乙烯醇相变材料制备方法为：将石墨烘干，置于真空罐，加入过量聚乙烯醇吸附至饱和后，将石墨取出吹干即得；Al-Si合金粉中Al和Si的质量比为88:12。
实施例1
耐高温橡胶混凝土，由以下原料组成：水泥800重量份、粉煤灰200重量份、硅灰120重量份、稻壳灰80重量份、石英砂440重量份、橡胶颗粒100重量份、水245重量份、玻璃砂150重量份、玻璃粉90重量份、高效减水剂16重量份，聚丙烯纤维体积掺量0.9%，改性钢纤维体积掺量1%，相变材料体积掺量4%，其中相变材料由陶粒-石蜡相变材料、石墨-聚乙烯醇相变材料、Al-Si合金粉按体积比1:1:1配合而成。
经检测，混凝土扩展度680mm，匀质性良好，试件常温抗压强度132.7MPa，200℃处理后抗压强度121.5MPa，400℃处理后抗压强度77.7MPa，600℃处理后抗压强度46.2MPa。
实施例2
耐高温橡胶混凝土，由以下原料组成：水泥800重量份、粉煤灰200重量份、硅灰120重量份、稻壳灰80重量份、石英砂500重量份、橡胶颗粒80重量份、水240重量份、玻璃砂150重量份、玻璃粉90重量份、高效减水剂10重量份，聚丙烯纤维体积掺量0.9%，改性钢纤维体积掺量1%，相变材料体积掺量4%，其中相变材料由陶粒-石蜡相变材料、石墨-聚乙烯醇相变材料、Al-Si合金粉按体积比1:1:1配合而成。
经检测，混凝土扩展度690mm，匀质性良好，试件常温抗压强度138.3MPa，200℃处理后抗压强度127.4MPa，400℃处理后抗压强度82.5MPa，600℃处理后抗压强度50.8MPa。
对比例1
橡胶混凝土，由以下原料组成：水泥800重量份、粉煤灰200重量份、硅灰200重量份、石英砂500重量份、橡胶颗粒80重量份、水240重量份、玻璃砂150重量份、玻璃粉90重量份、高效减水剂10重量份，聚丙烯纤维体积掺量0.9%，改性钢纤维体积掺量1%，相变材料体积掺量4%，其中相变材料由陶粒-石蜡相变材料、石墨-聚乙烯醇相变材料、Al-Si合金粉按体积比1:1:1配合而成。
经检测，混凝土扩展度710mm，有泌浆和板结现象，试件常温抗压强度96.2MPa，200℃处理后抗压强度86.9MPa，400℃处理后抗压强度45.1MPa，600℃处理后抗压强度34.5MPa。
对比例2
橡胶混凝土，由以下原料组成：水泥800重量份、粉煤灰200重量份、硅灰120重量份、稻壳灰80重量份、石英砂740重量份、橡胶颗粒80重量份、水240重量份、高效减水剂10重量份、聚丙烯纤维体积掺量0.9%，改性钢纤维体积掺量1%，相变材料体积掺量4%，其中相变材料由陶粒-石蜡相变材料、石墨-聚乙烯醇相变材料、Al-Si合金粉按体积比1:1:1配合而成。
经检测，混凝土扩展度660mm，纤维结团下沉，125.4MPa，200℃处理后抗压强度93.3MPa，400℃处理后抗压强度42.6MPa，600℃处理后抗压强度22.9MPa。
对比例3
橡胶混凝土，由以下原料组成：水泥800重量份、粉煤灰200重量份、硅灰120重量份、稻壳灰80重量份、石英砂500重量份、橡胶颗粒80重量份、水240重量份、玻璃砂150重量份、玻璃粉90重量份、高效减水剂10重量份，聚乙烯醇纤维体积掺量0.9%，钢纤维体积掺量1%，相变材料体积掺量4%，其中相变材料由陶粒-石蜡相变材料、石墨-聚乙烯醇相变材料、Al-Si合金粉按体积比1:1:1配合而成。
经检测，混凝土扩展度670mm，轻微泌浆，试件常温抗压强度118.4MPa，200℃处理后抗压强度82.8MPa，400℃处理后抗压强度51.3MPa，600℃处理后抗压强度31.6MPa。
对比例4
橡胶混凝土，由以下原料组成：水泥800重量份、粉煤灰200重量份、硅灰120重量份、稻壳灰80重量份、石英砂500重量份、橡胶颗粒80重量份、水240重量份、玻璃砂150重量份、玻璃粉90重量份、高效减水剂10重量份，相变材料体积掺量5%，其中相变材料由陶粒-石蜡相变材料、石墨-聚乙烯醇相变材料、Al-Si合金粉按体积比1:1:1配合而成。
经检测，混凝土扩展度700mm，匀质性良好，试件常温抗压强度109.7MPa，200℃处理后抗压强度100.3MPa，400℃处理后试件爆裂，600℃处理后试件爆裂。
对比例5
橡胶混凝土，由以下原料组成：水泥800重量份、粉煤灰200重量份、硅灰120重量份、稻壳灰80重量份、石英砂500重量份、橡胶颗粒80重量份、水240重量份、玻璃砂150重量份、玻璃粉90重量份、高效减水剂10重量份，聚丙烯纤维体积掺量2.9%，改性钢纤维体积掺量1%。
经检测，混凝土扩展度710mm，匀质性良好，试件常温抗压强度105.1MPa，200℃处理后抗压强度63.2MPa，400℃处理后抗压强度37.8MPa，600℃处理后抗压强度19.9MPa。
对比例6
橡胶混凝土，由以下原料组成：水泥800重量份、粉煤灰200重量份、硅灰120重量份、稻壳灰80重量份、石英砂500重量份、橡胶颗粒80重量份、水240重量份、玻璃砂150重量份、玻璃粉90重量份、高效减水剂10重量份，聚丙烯纤维体积掺量0.9%，改性钢纤维体积掺量1%，相变材料体积掺量4%，其中相变材料由陶粒-石蜡相变材料、Al-Si合金粉按体积比1:1配合而成。
经检测，混凝土扩展度670mm，匀质性良好，试件常温抗压强度126.6MPa，200℃处理后抗压强度90.3MPa，400℃处理后抗压强度55.8MPa，600℃处理后抗压强度36.0MPa。
对比例7
橡胶混凝土，由以下原料组成：水泥800重量份、粉煤灰250重量份、硅灰120重量份、稻壳灰120重量份、石英砂500重量份、橡胶颗粒80重量份、水240重量份、玻璃砂150重量份、高效减水剂10重量份，聚丙烯纤维体积掺量0.9%，改性钢纤维体积掺量1%，相变材料体积掺量4%，其中相变材料为陶粒-石蜡相变材料。
经检测，混凝土扩展度660mm，相变材料出现上浮，试件常温抗压强度97.7MPa，200℃处理后抗压强度61.4MPa，400℃处理后抗压强度39.2MPa，600℃处理后试件爆裂。
最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种耐高温橡胶混凝土，其特征在于，由以下原料组成：
水泥600-900重量份，粉煤灰120-250重量份，硅灰90-200重量份，稻壳灰50-100重量份，石英砂400-735重量份，水230-260重量份，20-40目橡胶颗粒40-100重量份，玻璃砂100-160重量份，玻璃粉70-100重量份，高效减水剂9-17重量份，聚丙烯纤维体积掺量为0.8-1%，改性钢纤维体积掺量为1-2%，相变材料体积掺量为2-5%；
所述改性钢纤维制备方法为：用砂纸沿钢纤维长度方向打磨10-15次，随后采用溶胶-凝胶法，使钢纤维表面包裹纳米二氧化硅薄膜；
所述相变材料由陶粒-石蜡相变材料、石墨-聚乙烯醇相变材料、Al-Si合金粉按体积比1:1:1配合而成。
2.根据权利要求1所述耐高温橡胶混凝土，其特征在于，所述水泥为等级42.5或52.5的普通硅酸盐水泥，所述粉煤灰为一级粉煤灰，所述硅灰平均粒径在0.1-0.3μm。
3.根据权利要求1所述耐高温橡胶混凝土，其特征在于，所述石英砂粒径为0.2-1mm。
4.根据权利要求1所述耐高温橡胶混凝土，其特征在于，所述玻璃砂粒径为1.5-2mm，所述玻璃粉粒径小于0.075mm。
5.根据权利要求1所述耐高温橡胶混凝土，其特征在于，所述聚丙烯纤维长度12-15mm，直径为0.021-0.031mm。
6.根据权利要求1所述耐高温橡胶混凝土，其特征在于，所述改性钢纤维长度为13-15mm，直径为0.12-0.18mm，抗拉强度大于2.8GPa。
7.根据权利要求1所述耐高温橡胶混凝土，其特征在于，所述陶粒-石蜡相变材料制备方法为：将陶粒烘干，置于真空罐，加入过量石蜡吸附至饱和后，将陶粒取出吹干，并在表面喷涂海藻酸钠溶液，后浸于CaCl2溶液后，过滤干燥即得；所述石墨-聚乙烯醇相变材料制备方法为：将石墨烘干，置于真空罐，加入过量聚乙烯醇吸附至饱和后，将石墨取出吹干即得；所述Al-Si合金粉中Al和Si的质量比为88:12。
8.根据权利要求7所述耐高温橡胶混凝土，其特征在于，烘干采用红外干燥箱。
9.根据权利要求1-8任一项所述耐高温橡胶混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将橡胶料粒采用碱性溶液浸泡，清水洗涤，干燥，得橡胶颗粒，
2）将水泥、粉煤灰、硅灰、稻壳灰、石英砂、橡胶颗粒、玻璃砂、玻璃粉混合均匀，加入相变材料，搅拌均匀得干混料，加入2/3的水、高效减水剂，继续搅拌均匀，得混合料1，
3）向混合料1依次加入聚丙烯纤维、改性钢纤维，搅拌均匀，加入剩余1/3的水，搅拌得混合料2，
4）将混合料2搅拌均匀，得混凝土浆料，
5）将混凝土浆料成型、振捣、脱模、养护，即得。
10.根据权利要求9所述耐高温橡胶混凝土的制备方法，其特征在于，步骤5）养护采用标准养护。
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