一种高延性混凝土复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种高延性混凝土复合材料及其制备方法，本发明先对聚丙烯纤维进行辐照处理，通过接枝丙烯酸，提高了聚丙烯纤维的活性，然后在硅烷偶联剂的作用下，辐射改性聚丙烯纤维上的羧基与氨基改性氮化硼进行反应，将氨基改性氮化硼接枝在聚丙烯纤维上，本发明通过对聚丙烯纤维进行接枝改性，在其表面引入分散性良好的层状氮化硼，提高了聚丙烯纤维与混凝土的结合强度；同时通过羧基与氨基交联形成网络，提升了聚丙烯纤维分子链段的延展性，减弱分子内氢键作用，提高了混凝土的耐冻性能。

权利要求

1.一种高延性混凝土复合材料，其特征在于，以重量份计，由如下组分的原料所组成：水泥60‑80份、粉煤灰15‑25份、石英砂8‑12份、氮化硼改性聚丙烯纤维10‑20份、聚羧酸减水剂1‑2份、防水剂2‑3份和水30‑40份；

所述氮化硼改性聚丙烯纤维的制备方法，包括如下步骤：

60

(1)聚丙烯纤维的辐射改性：将聚丙烯纤维浸入20‑30wt％的丙烯酸水溶液中，于 Coγ‑射线辐照源下进行辐照反应，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，即得到辐射改性聚丙烯纤维；

(2)氨基改性氮化硼的制备：将氮化硼超声分散在去离子水中，调节溶液的pH为4‑5，然后向其中加入聚乙烯亚胺和环氧氯丙烷，加热搅拌反应，待反应结束后，将反应产物进行洗涤，干燥，即得到氨基改性氮化硼；

(3)氮化硼改性聚丙烯纤维的制备：将辐射改性聚丙烯纤维和氨基改性氮化硼均匀分散在甲醇和水的混合溶剂中，然后向其中加入硅烷偶联剂，加热搅拌反应，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，即得到氮化硼改性聚丙烯纤维。

2.根据权利要求1所述的高延性混凝土复合材料，其特征在于，步骤(1)中，辐照剂量为

400‑600KGy/h，辐照时间为4‑6h。

3.根据权利要求1所述的高延性混凝土复合材料，其特征在于，步骤(2)中，氮化硼、聚乙烯亚胺和环氧氯丙烷的质量比为10‑15:8‑12:5‑10。

4.根据权利要求1所述的高延性混凝土复合材料，其特征在于，步骤(2)中，加热反应温度为60‑80℃，加热反应时间为3‑5h。

5.根据权利要求1所述的高延性混凝土复合材料，其特征在于，步骤(3)中，辐射改性聚丙烯纤维、氨基改性氮化硼和硅烷偶联剂的质量比为10‑20:6‑10:3‑5。

6.根据权利要求1所述的高延性混凝土复合材料，其特征在于，步骤(3)中，所述硅烷偶联剂为KH560或KH570。

7.根据权利要求1所述的高延性混凝土复合材料，其特征在于，步骤(3)中，加热搅拌反应的温度为50‑70℃，搅拌反应时间为45‑90min。

8.根据权利要求1所述的高延性混凝土复合材料，其特征在于，所述水泥选自P.C52.5水泥。

9.如权利要求1‑8任一项所述的高延性混凝土复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将水泥、粉煤灰、石英砂和水混合，搅拌30‑60s，然后向其中加入氮化硼改性聚丙烯纤维、聚羧酸减水剂和防水剂，搅拌30‑60s，即得到所述高延性混凝土。

说明书

一种高延性混凝土复合材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及混凝土制备技术领域，具体涉及一种高延性混凝土复合材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 高延性混凝土是一种具有高强度、高韧性、高抗裂性能和高耐损伤能力的特种混凝土，具体体现在高延性混凝土的变形程度大，在面对地震等外界冲击时，高延性混凝土不易发生断裂，从而使混凝土整体的结构稳定性大大提高，对人民的生命财产起到保护作用。

[0003] 作为最常见的一种建筑材料，水泥混凝土在拉伸或弯曲荷载作用下表现出了一种脆性特性，为了改善混凝土材料的脆性，在混凝土材料内添加一定量的短切纤维(即纤维混凝土)是一种较为常见的方式，而在高延性混凝土材料的制备过程中，最常用的纤维是聚丙烯纤维，但是聚丙烯纤维与水泥基的结合能力较差，单纯加入聚丙烯纤维对混凝土的韧性和延性的提升较少，因此需要对其进一步进行改性。

发明内容

[0004] 针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高延性混凝土复合材料及其制备方法，解决现有的混凝土力学性能以及耐低温性能不佳的技术问题。

[0005] 为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

[0006] 一种高延性混凝土复合材料，以重量份计，由如下组分的原料所组成：水泥60‑80份、粉煤灰15‑25份、石英砂8‑12份、氮化硼改性聚丙烯纤维10‑20份、聚羧酸减水剂1‑2份、防水剂2‑3份和水30‑40份。

[0007] 优选的，所述氮化硼改性聚丙烯纤维的制备方法，包括如下步骤：

[0008] (1)聚丙烯纤维的辐射改性：将聚丙烯纤维浸入20‑30wt％的丙烯酸水溶液中，于60
Coγ‑射线辐照源下进行辐照反应，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，即得到辐射改性聚丙烯纤维；

[0009] (2)氨基改性氮化硼的制备：将氮化硼超声分散在去离子水中，调节溶液的pH为4‑5，然后向其中加入聚乙烯亚胺和环氧氯丙烷，加热搅拌反应，待反应结束后，将反应产物进行洗涤，干燥，即得到氨基改性氮化硼；

[0010] (3)氮化硼改性聚丙烯纤维的制备：将辐射改性聚丙烯纤维和氨基改性氮化硼均匀分散在甲醇和水的混合溶剂中，然后向其中加入硅烷偶联剂，加热搅拌反应，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，即得到氮化硼改性聚丙烯纤维。

[0011] 优选的，步骤(1)中，辐照剂量为400‑600KGy/h，辐照时间为4‑6h。优选的，步骤(2)中，氮化硼、聚乙烯亚胺和环氧氯丙烷的质量比为10‑15:8‑12:5‑10。

[0012] 优选的，步骤(2)中，加热反应温度为60‑80℃，加热反应时间为3‑5h。优选的，步骤(3)中，辐射改性聚丙烯纤维、氨基改性氮化硼和硅烷偶联剂的质量比为10‑20:6‑10:3‑5。

[0013] 优选的，步骤(3)中，所述硅烷偶联剂为KH560或KH570。

[0014] 优选的，步骤(3)中，加热搅拌反应的温度为50‑70℃，搅拌反应时间为45‑90min。

[0015] 优选的，所述水泥选自P.C52.5水泥。

[0016] 本发明还提供上述高延性混凝土复合材料的制备方法，包括如下步骤：将水泥、粉煤灰、石英砂和水混合，搅拌30‑60s，然后向其中加入氮化硼改性聚丙烯纤维、聚羧酸减水剂和防水剂，搅拌30‑60s，即得到所述高延性混凝土。

[0017] 有益效果

[0018] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

[0019] (1)本发明先对聚丙烯纤维进行辐照处理，通过接枝丙烯酸，提高了聚丙烯纤维的活性，然后在硅烷偶联剂的作用下，辐射改性聚丙烯纤维上的羧基与氨基改性氮化硼进行反应，将氨基改性氮化硼接枝在聚丙烯纤维上。

[0020] (2)本发明通过对聚丙烯纤维进行接枝改性，在其表面引入分散性良好的层状氮化硼，提高了聚丙烯纤维与混凝土的结合强度；同时通过羧基与氨基交联形成网络，提升了聚丙烯纤维分子链段的延展性，减弱分子内氢键作用，提高了混凝土的耐冻性能。

[0021] (3)本发明先利用聚乙烯亚胺对氮化硼进行改性，然后将其接枝在聚丙烯纤维上，聚乙烯亚胺较长的碳链为聚丙烯纤维提供了优异的柔韧性能，同时氮化硼的层状结构和聚乙烯亚胺的长链结构共同增强了聚丙烯纤维与水泥基的结合强度，当混凝土受外力时，能有效抵抗混凝土的裂缝扩展，提高混凝土的韧性和延性。

具体实施方式

[0022] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

[0023] 以下通过具体较佳实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明并不仅限于以下的实施例。

[0024] 需要说明的是，无特殊说明外，本发明中涉及到的化学试剂均通过商业渠道购买。

[0025] 水泥所采用的型号为P.C52.5；

[0026] 粉煤灰购自石家庄驰霖矿产品有限公司，密度为2.45kg/m3；

[0027] 所选用的石英砂的粒度为40‑60目，购自武汉恒旺福建材有限公司；所采用的氮化硼为六方氮化硼，购自山东力昂新材料科技有限公司；聚丙烯纤维购自山东鸣鑫化工有限公司；

[0028] 聚乙烯亚胺购自康迪斯化工(湖北)有限公司；聚羧酸减水剂购自济南源飞伟业化工有限公司；防水剂FS102购自河南博浪实业有限公司。

[0029] 实施例1

[0030] 一种高延性混凝土复合材料的制备方法，包括如下步骤：

[0031] (1)氮化硼改性聚丙烯纤维的制备

[0032] 将20g聚丙烯纤维浸入20wt％的丙烯酸水溶液中，于60Coγ‑射线辐照源下进行辐照反应，辐照剂量为400KGy/h，辐照时间为4h，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，即得到辐射改性聚丙烯纤维；

[0033] 将10g氮化硼超声分散在300mL去离子水中，调节溶液的pH为4，然后向其中加入8g聚乙烯亚胺和5g环氧氯丙烷，在60℃下加热搅拌反应3h，待反应结束后，将反应产物进行洗涤，干燥，即得到氨基改性氮化硼；

[0034] 将10g辐射改性聚丙烯纤维和6g氨基改性氮化硼均匀分散在50mL甲醇和100mL水的混合溶剂中，然后向其中加入3g硅烷偶联剂KH560，在50℃下加热搅拌反应45min，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，即得到氮化硼改性聚丙烯纤维。

[0035] (2)高延性混凝土复合材料的制备

[0036] 将600g水泥、150g粉煤灰、80g石英砂和300g水混合，搅拌40s，然后向其中加入100g氮化硼改性聚丙烯纤维、10g聚羧酸减水剂和20g防水剂FS102，搅拌30s，即得到所述高延性混凝土。

[0037] 实施例2

[0038] 一种高延性混凝土复合材料的制备方法，包括如下步骤：

[0039] (1)氮化硼改性聚丙烯纤维的制备

[0040] 将20g聚丙烯纤维浸入25wt％的丙烯酸水溶液中，于60Coγ‑射线辐照源下进行辐照反应，辐照剂量为500KGy/h，辐照时间为5h，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，即得到辐射改性聚丙烯纤维；

[0041] 将15g氮化硼超声分散在300mL去离子水中，调节溶液的pH为5，然后向其中加入10g聚乙烯亚胺和8g环氧氯丙烷，在80℃下加热搅拌反应4h，待反应结束后，将反应产物进行洗涤，干燥，即得到氨基改性氮化硼；

[0042] 将15g辐射改性聚丙烯纤维和8g氨基改性氮化硼均匀分散在50mL甲醇和100mL水的混合溶剂中，然后向其中加入4g硅烷偶联剂KH570，在50℃下加热搅拌反应60min，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，即得到氮化硼改性聚丙烯纤维。

[0043] (2)高延性混凝土复合材料的制备

[0044] 将800g水泥、200g粉煤灰、100g石英砂和350g水混合，搅拌50s，然后向其中加入150g氮化硼改性聚丙烯纤维、15g聚羧酸减水剂和25g防水剂FS102，搅拌40s，即得到所述高延性混凝土。

[0045] 实施例3

[0046] 一种高延性混凝土复合材料的制备方法，包括如下步骤：

[0047] (1)氮化硼改性聚丙烯纤维的制备

[0048] 将20g聚丙烯纤维浸入30wt％的丙烯酸水溶液中，于60Coγ‑射线辐照源下进行辐照反应，辐照剂量为600KGy/h，辐照时间为5h，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，即得到辐射改性聚丙烯纤维；

[0049] 将12g氮化硼超声分散在300mL去离子水中，调节溶液的pH为5，然后向其中加入12g聚乙烯亚胺和10g环氧氯丙烷，在80℃下加热搅拌反应5h，待反应结束后，将反应产物进行洗涤，干燥，即得到氨基改性氮化硼；

[0050] 将20g辐射改性聚丙烯纤维和10g氨基改性氮化硼均匀分散在50mL甲醇和100mL水的混合溶剂中，然后向其中加入5g硅烷偶联剂KH560，在60℃下加热搅拌反应60min，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，即得到氮化硼改性聚丙烯纤维。

[0051] (2)高延性混凝土复合材料的制备

[0052] 将700g水泥、250g粉煤灰、120g石英砂和350g水混合，搅拌30s，然后向其中加入180g氮化硼改性聚丙烯纤维、20g聚羧酸减水剂和25g防水剂FS102，搅拌45s，即得到所述高延性混凝土。

[0053] 实施例4

[0054] 一种高延性混凝土复合材料的制备方法，包括如下步骤：

[0055] (1)氮化硼改性聚丙烯纤维的制备

[0056] 将20g聚丙烯纤维浸入25wt％的丙烯酸水溶液中，于60Coγ‑射线辐照源下进行辐照反应，辐照剂量为500KGy/h，辐照时间为5h，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，即得到辐射改性聚丙烯纤维；

[0057] 将15g氮化硼超声分散在300mL去离子水中，调节溶液的pH为5，然后向其中加入10g聚乙烯亚胺和8g环氧氯丙烷，在70℃下加热搅拌反应5h，待反应结束后，将反应产物进行洗涤，干燥，即得到氨基改性氮化硼；

[0058] 将18g辐射改性聚丙烯纤维和10g氨基改性氮化硼均匀分散在50mL甲醇和100mL水的混合溶剂中，然后向其中加入4g硅烷偶联剂KH570，在60℃下加热搅拌反应90min，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，即得到氮化硼改性聚丙烯纤维。

[0059] (2)高延性混凝土复合材料的制备

[0060] 将800g水泥、200g粉煤灰、100g石英砂和350g水混合，搅拌45s，然后向其中加入160g氮化硼改性聚丙烯纤维、15g聚羧酸减水剂和25g防水剂

[0061] FS102，搅拌60s，即得到所述高延性混凝土。

[0062] 对比例1

[0063] 一种混凝土复合材料的制备方法，包括如下步骤：

[0064] 将700g水泥、250g粉煤灰、120g石英砂和350g水混合，搅拌30s，然后向其中加入180g聚丙烯纤维、20g聚羧酸减水剂和25g防水剂FS102，搅拌45s，即得到混凝土复合材料。

[0065] 对比例2

[0066] 一种混凝土复合材料的制备方法，包括如下步骤：

[0067] 将700g水泥、250g粉煤灰、120g石英砂和350g水混合，搅拌30s，然后向其中加入120g聚丙烯纤维、60g氮化硼、20g聚羧酸减水剂和25g防水剂FS102，搅拌45s，即得到混凝土复合材料。

[0068] 分别将实施例1‑4和对比例1‑2所制备的混凝土浇筑在钢筋网络结构表面，制备混凝土试块，然后进行性能测试：

[0069] 抗压强度测试：按照GB/T50081‑2019《普通混凝士力学性能试验方法标准》制作标准试块，并测量标准试块养护28d的抗压强度；

[0070] 抗折强度测试：按照GB/T50081‑2019《普通混凝士力学性能试验方法标准》制作标准试块，并测量标准试块养护28d的抗折强度；

[0071] 拉伸应变测试：按照SL/T 352‑2020《水工混凝土试验规程》进行拉伸试验测试，混凝土试块的养护时间为28d；

[0072] 耐低温测试：将实施例1‑4和对比例1‑2所制备的混凝土标准试块养护28d后，置于低温箱内，以1℃/min的降温速率降至‑80℃，恒定2h，然后取出试件用塑料膜进行包裹，在常温下放置48h，然后测试试块的抗压强度；测试结果如下表所示：

[0073]

[0074]

[0075] 从表中可以看出，本实施例所制备的混凝土复合材料具有良好的韧性和延性，同时还具有良好的耐低温性能。

[0076] 最后需要说明的是：以上实施例不以任何形式限制本发明。对本领域技术人员来说，在本发明基础上，可以对其作一些修改和改进。因此，凡在不偏离本发明精神的基础上所做的任何修改或改进，均属于本发明要求保护的范围之内。