一种纳/微米填料复合增韧超高性能混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米填料改性水泥基材料领域，具体而言，尤其涉及一种纳%20/微米填料复合增韧超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
因具有高强及高耐久性能，超高性能混凝土已被越来越广泛地用于大%20跨结构、高层建筑以及复杂环境结构，但其所具有的高脆性问题也逐渐凸%20显。目前已有研究主要使用普通钢纤维提高超高性能混凝土的韧性，该钢%20纤维的常用直径为0.15-0.25mm，常用体积掺量为1.5％-2.5％，但混凝土%20搅拌完成后水分易聚于该钢纤维四周，进而形成钢纤维与基体之间的薄弱%20界面，限制了超高性能混凝土韧性的提高，低掺量的高纤维并未形成完整的增韧网络，不能有效提高韧性并限制构件的收缩，而高掺量的钢纤维往%20往会大幅度降低混凝土的工作性能，进而降低其强度和韧性；也有部分研%20究采用纳米填料包括碳纳米纤维、石墨烯等提高超高性能混凝土的韧性，%20但其往往同时大量使用化学分散剂，造成生产程序的复杂和生产成本的提%20高；并且，已有超高性能混凝土通常以提高抗压强度为前提，并通过高温%20养护或蒸压养护获得高韧性能，这大大限制了超高性能混凝土在实际工程%20中的应用，降低了其经济性，尤其对于有高韧性要求的结构/构件，超高%20性能混凝土的优势被大幅消减。
发明内容
根据上述提出现有的提高超高性能混凝土韧性的方法存在的问题，而提%20供一种纳/微米填料复合增韧超高性能混凝土及其制备方法。
本发明采用的技术手段如下：
一种纳/微米填料复合增韧超高性能混凝土，按重量比包括水泥：粉煤%20灰：硅灰：石英砂：不锈钢微丝：纳米填料：水：减水剂＝1：0.2～0.4：%200.2～0.4：1.2～1.6：0.10～0.20：0.0015～4.0000：0.35～0.45：0.0015～0.003。
进一步地，所使用的纳米填料选自0维、1维和2维纳米填料中的一种；%200维纳米填料包括纳米TiO2、纳米ZrO2、纳米SiO2和纳米包硅TiO2；1维纳%20米填料包括多壁碳纳米管CNT、单壁CNT、功能化CNT和碳纳米纤维；2%20维纳米填料包括石墨烯和纳米石墨片。
进一步地，所使用的水泥标号为P·Ⅰ42.5或P·O42.5R；所使用的粉煤灰%20为Ⅱ级灰；所使用的硅灰的细度为20-28m2/g。
进一步地，所使用的石英砂的粒径为0.1-0.5mm，SiO2含量≥99％，Fe2O3含量≤0.005％。
进一步地，所使用的不锈钢微丝的直径为8～25μm，长度为8～15mm，延%20伸率＞1％，抗拉强度大于780Mpa。
进一步地，所使用的减水剂为聚羧酸系减水剂。
本发明还提供了一种纳/微米填料复合增韧超高性能混凝土的制备方法：
当使用1维或者2维纳米填料时，搅拌流程为先将纳米填料、水及减水%20剂混合均匀后放置于超声仪中超声分散5分钟，冷却至室温后倒入搅拌锅%20内，再加入不锈钢微丝及硅灰低速搅拌1分钟，暂停，加入水泥、粉煤灰%20后，低速搅拌1～2分钟，高速搅拌2～4分钟后，暂停，加入石英砂，低速搅%20拌1～2分钟，再高速搅拌3～5分钟；
当使用0维纳米填料时，搅拌流程为先将纳米填料、不锈钢微丝、硅%20灰、水及减水剂倒入搅拌锅内混合均匀，低速搅拌1～3分钟，暂停，加入水%20泥、粉煤灰后，低速搅拌1～3分钟，高速搅拌2～4分钟，暂停，加入石英%20砂，低速搅拌1～2分钟，再高速搅拌3～5分钟。
进一步地，在标准养护箱内养护24小时后脱模，之后置于20±1℃水中%20养护至28天后置于空气中；标准养护箱内，温度20±1℃，湿度≥95％。
本发明采用纳/微米填料复合增韧超高性能混凝土，通过选择合理颗粒%20级配的复合胶凝材料和石英砂，与纳/微米复合填料共同构成紧密堆积结%20构，可在较高的水胶比及常温养护环境下，保证超高性能混凝土抗压强度大%20于120MPa和良好工作性的同时，大幅度提高其韧性，简化制备工艺。纳/微%20米填料复合增韧超高性能混凝土的主要作用机理包括：①采用不锈钢微丝代%20替钢纤维，由于其微米级直径和大比表面积，可解决常用钢纤维与基体之间%20的薄弱界面问题，还可减小宏观孔隙尺寸，增强整体结构宏观密实度，同时%20其在低掺量下即可在混凝土内形成广泛分布的增韧网络，限制裂纹的产生与%20发展，桥接与跨越裂纹，并可通过该搭接网络的作用抑制收缩的发生，提高%20混凝土的韧性；②以高效减水剂为分散介质加入纳米填料时，一方面不需要%20额外的化学分散剂，不会在混凝土内部引入不利因素，也简化了制备流程和%20工艺，另一方面纳米填料具备纳米核心作用，通过其小尺寸和大比表面积的%20优势，发挥吸附、填充及粘结效应，增强水化产物的纳/微观密实度，减少%20原生裂纹，从纳/微观上提高混凝土的韧性，这只可发生在已加入不锈钢微%20丝的密实混凝土宏观结构中，对于宏观孔隙较多的使用普通纤维的超高性能%20混凝土，该效应不能得到有效发挥，再者，部分纳米填料会吸附在不锈钢微%20丝表面，持续发挥纳米核心效应，使得不锈钢微丝被剥离、拔出及拉断的钉%20扎阻力增大，进而提高混凝土的韧性；③本发明中超高性能混凝土的原材料%20尺寸小于500微米，水化产物尺寸介于纳米与微米之间，这使得纳/微米材料%20的复合掺入可进一步增强尺寸的匀质性，可在根本上改善超高性能混凝土的%20非匀质特性，使其在常温养护条件下即可获得高韧性能。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的纳/微米填料复合增韧超高性能混凝土及其制备方法，得%20到的超高性能混凝土具有微米级的直径和大比表面积，不锈钢微丝低掺量下%20即可在超高性能混凝土内形成广泛分布的增韧网络，并增强混凝土宏观结构%20的密实性，这在提高超高性能混凝土韧性的同时可保证其具有良好的施工性%20能，拓展了其应用范围；同时通过复合掺入纳米级填料，可利用其纳米核心%20效应，减少超高性能混凝土内部的原生缺陷，增强纳/微观结构密实度，且%20不用使用额外的分散剂，与以往纳米改性水泥基材料相比，简化了工艺流%20程，节约了使用成本，同时，部分纳米填料可吸附于不锈钢微丝表面，使得%20不锈钢微丝被剥离、拔出及拉断的钉扎阻力增大，进一步提高混凝土的韧%20性；低掺量的纳/微米填料即可显著降低超高性能混凝土的脆性，提高其韧%20性，这对于优化结构设计，节约资源和能源具有重要意义。
基于上述理由本发明可在纳米填料改性水泥基材料等领域广泛推广。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明%20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%20本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例%20的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限%20制。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%20提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明将纳/微米填料复合用于增韧超高性能混凝土，制备出结构致%20密、性能优异、工艺简单、应用范围广的以高韧性为特征的超高性能混凝%20土。
下面结合具体实例说明本发明所述的纳/微米填料复合增韧超高性能混%20凝土及其制备方法。
超高性能混凝土的抗折和抗压强度的测试方法参照GB/T17671-1999水%20泥胶砂强度测定方法(ISO法)。
弯曲韧性采用上述试验得到的荷载-位移曲线积分运算而得。
实施例1
本实施例中混凝土各组分的重量比为水泥：粉煤灰：硅灰：石英砂：不%20锈钢微丝：纳米填料：水：减水剂＝1：0.25：0.31：1.375：0.15：0.0025：%200.4：0.0015。其所用水泥为P·O42.5R；所用不锈钢微丝的直径为20μm，长%20度为10mm；所用纳米填料为多壁碳纳米管，其长度为0.5～2μm，外径小于%208nm；所用减水剂为聚羧酸系减水剂。所用超声仪的功率为1200W。
搅拌流程为：第一步，先将多壁碳纳米管、减水剂及水混合后置于超声%20仪中超声5分钟，在空气中冷却至室温后倒入搅拌锅内；第二步，加入硅灰%20和不锈钢微丝，采用水泥胶砂搅拌机低速搅拌1分钟；第三步，暂停，加入%20水泥和粉煤灰，低速搅拌1分钟后，高速搅拌2分钟；第四步，暂停，加入%20石英砂，低速搅拌1分钟后，高速搅拌3分钟，即得纳/微米填料复合增韧超%20高性能混凝土浆体。
将纳/微米填料复合增韧超高性能混凝土试件在标准养护箱内养护24小%20时后拆模，在20±1℃水中养护至28天后置于空气中待测。
实施例2
本实施例中混凝土各组分的重量比为水泥：粉煤灰：硅灰：石英砂：不%20锈钢微丝：纳米填料：水：减水剂＝1：0.25：0.31：1.375：0.15：0.015：%200.4：0.0015。其所用水泥为P·O42.5R；所用不锈钢微丝的直径为20μm，长%20度为10mm；所用纳米填料为纳米包硅TiO2，其为金红石相，外径为20nm，%20二氧化硅与二氧化钛的比例为0.04：1；所用减水剂为聚羧酸系减水剂。
搅拌流程为：第一步，先将纳米包硅TiO2、硅灰、不锈钢微丝、减水剂%20及水混合，采用水泥胶砂搅拌机低速搅拌1分钟；第二步，暂停，加入水泥%20和粉煤灰，低速搅拌1分钟后，高速搅拌2分钟；第三步，暂停，加入石英%20砂，低速搅拌1分钟后，高速搅拌3分钟，即得纳/微米填料复合增韧超高性%20能混凝土浆体。
将纳/微米填料复合增韧超高性能混凝土试件在标准养护箱内养护24小%20时后拆模，在20±1℃水中养护至28天后置于空气中待测。
实施例3
本实施例中混凝土各组分的重量比为水泥：粉煤灰：硅灰：石英砂：不%20锈钢微丝：纳米填料：水：减水剂＝1：0.25：0.31：1.375：0.15：0.0025：%200.4：0.0015。其所用水泥为P·Ⅰ42.5；所用不锈钢微丝的直径为20μm，长度%20为10mm；所用纳米填料为多壁碳纳米管，其长度为0.5～2μm，外径小于%208nm；所用减水剂为聚羧酸系减水剂。所用超声仪的功率为1200W。
搅拌流程为：第一步，先将多壁碳纳米管、减水剂及水混合后置于超声%20仪中超声5分钟，在空气中冷却至室温后倒入搅拌锅内；第二步，加入硅灰%20和不锈钢微丝，采用水泥胶砂搅拌机低速搅拌1分钟；第三步，暂停，加入%20水泥和粉煤灰，低速搅拌1分钟后，高速搅拌2分钟；第四步，暂停，加入%20石英砂，低速搅拌1分钟后，高速搅拌3分钟，即得纳/微米填料复合增韧超%20高性能混凝土浆体。
将纳/微米填料复合增韧超高性能混凝土试件在标准养护箱内养护24小%20时后拆模，在20±1℃水中养护至28天后置于空气中待测。
实施例4
本实施例中混凝土各组分的重量比为水泥：粉煤灰：硅灰：石英砂：不%20锈钢微丝：纳米填料：水：减水剂＝1：0.25：0.31：1.375：0.15：0.015：%200.4：0.0015。其所用水泥为P·Ⅰ42.5；所用不锈钢微丝的直径为20μm，长度%20为10mm；所用纳米填料为纳米包硅TiO2，其为金红石相，外径为20nm，二%20氧化硅与二氧化钛的比例为0.04：1；所用减水剂为聚羧酸系减水剂。
搅拌流程为：第一步，先将纳米包硅TiO2、硅灰、不锈钢微丝、减水剂%20及水混合，采用水泥胶砂搅拌机低速搅拌1分钟；第二步，暂停，加入水泥%20和粉煤灰，低速搅拌1分钟后，高速搅拌2分钟；第三步，暂停，加入石英%20砂，低速搅拌1分钟后，高速搅拌3分钟，即得纳/微米填料复合增韧超高性%20能混凝土浆体。
将纳/微米填料复合增韧超高性能混凝土试件在标准养护箱内养护24小%20时后拆模，在20±1℃水中养护至28天后置于空气中待测。
对比例1
与实施例1不同之处在于组分中不含有不锈钢微丝和多壁碳纳米管。
对比例2
与实施例1不同之处在于组分中不含有不锈钢微丝。
对比例3
与实施例2不同之处在于组分中不含有不锈钢微丝。
对比例4
与实施例1不同之处在于组分中不含有多壁碳纳米管。
对比例5
与实施例3不同之处在于组分中不含有不锈钢微丝和多壁碳纳米管。
对比例6
与实施例3不同之处在于组分中不含有不锈钢微丝。
对比例7
与实施例4不同之处在于组分中不含有不锈钢微丝。
对比例8
与实施例3不同之处在于组分中不含有多壁碳纳米管。
性能测试
纳/微米复合填料对超高性能混凝土抗折强度、折压比及弯曲韧性的影%20响如表1和表2所示。由表1和表2可知，无论使用哪种水泥，复合使用纳%20米填料和不锈钢微丝的超高性能混凝土的弯曲韧性均高于单掺纳米填料或者%20不锈钢微丝时。
表1采用P·O42.5%20R水泥时，纳/微米填料对超高性能混凝土性能的影响
表2采用P·Ⅰ42.5水泥时，纳/微米填料对超高性能混凝土性能的影响
最后应说明的是：以上各实施例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例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例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例技术方案的范围。
