混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料及其生产工艺的制作方法

本发明涉及一种混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料及其生产工艺，属于混凝土外加剂技术领域。

背景技术：

在混凝土使用过程中，开裂问题一直是混凝土质量的短板。2014年7月，中国建筑防水协会发布《2013年全国建筑渗漏状况调查项目报告》指出：在抽查的地下建筑样本中，有1022个出现不同程度渗漏，渗漏率高达近60％；个别地区如重庆、无锡等地，地下结构渗漏率甚至达到了100％。在国外，美国已将混凝土的早期收缩开裂趋势的研究列入acbm(advancedcementbasedmaterials)新千年水泥混凝土的研究计划。可见混凝土开裂问题之难以解决的程度及在混凝土科学中的关注度。混凝土本身是一种脆性材料，其硬化水泥浆强度来源于纤维状水化产物之间的范德华类力，与离子键、共价键和金属键相比，其粒子间的连接强度非常低，故水泥基材料的抗裂性能先天不足。此外，混凝土中的缺陷型孔隙是造成强度和耐久性不足的重要原因。

目前，为了解决混凝土的开裂和有害孔隙问题，工程中通常采用加纤维、膨胀剂等方式。纤维常用的有有机合成纤维和钢纤维，但有机合成纤维力学性能较差，抗拉强度一般不超过1000mpa，解决早期塑性收缩有一定作用，但后期硬化阶段很难对开裂有所限制。钢纤维在因其使用工艺不方便，在普通工程中的使用受到限制。膨胀剂的使用应做到和混凝土的收缩时间曲线相匹配，分阶段、全过程的补偿混凝土收缩变形。并且对于使用膨胀剂的混凝土，应加强养护，保证其在混凝土中建立足够的预压应力，对施工养护的要求较高。

cn201610414707.6中公开了一种玄武岩纤维混凝土，其中制备玄武岩纤维的方法是：将60-68％wt的玄武岩、7-11％wt的焦炭、10-12％wt的白云石和11-19％wt的矿渣，通过粉碎、混合后送入冲天炉中进行高温熔融，熔融温度在1470℃以上，熔融液通过导流槽导流至制纤设备中进行制纤，制纤设备的出丝温度为1450-1455℃，喷吹压力为0.5mpa，在制成的玄武岩纤维中选取长度在3-20mm的玄武岩纤维。该方法是先将原料都粉碎、混合后再在高温下制备成改性玄武岩纤维，操作过程繁琐，需要消耗的能量太高，对设备要求也太严格。

cn201410481965.7中公开了一种玄武岩纤维滤料的改性聚苯硫醚/聚四氯乙烯分层涂覆方法，该方法将玄武岩纤维制成滤料基布，将改性聚苯硫醚乳液、聚四氟乙烯乳液和含氟硅烷偶联剂混合制成底层涂料；将所述滤料基布浸渍在所述底层涂料中，高温固化、随炉冷却、制成底层的步骤；用喷枪将面层涂料喷涂在底层表面，高温塑化后，得到成品。通过该方法制备的玄武岩纤维复合滤料能提高成品纤维的分散性，适合大规模工业生产。但是该方法是通过化学方法对玄武岩纤维进行改性，在工业规模生产中需要使用大量的化学物质，对操作人员的人身安全和环境都不友好，并且处理步骤较多，增加了操作难度和安全风险。

技术实现要素：

为了解决混凝土容易开裂的问题，本发明提供了一种混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料。同时，为了解决玄武岩纤维纳米复合材料分散性的问题，本发明还提供了所述玄武岩纤维纳米复合材料的制备方法。该方法通过对工艺设备进行改进，仅通过物理混合的方法对玄武岩纤维进行改性，使得操作简单，原料投料计量精确，并且能实现大批量的玄武岩纤维与改性材料均匀混合，提高玄武岩纤维纳米复合材料的分散性，避免玄武岩纤维在改性的过程中发生团聚，同时还能减少人工操作。

为了实现上述目的，本发明提供的玄武岩纤维纳米复合材料由以下组分按重量比配制而成：玄武岩纤维8～15％，纳米二氧化硅10～20％，纳米碳酸钙20～38％，超细矿物掺合料40～62％。

优选地，所述玄武岩纤维为直径18～22μm，长度为22mm的短切丝。

优选地，所述纳米二氧化硅的粒径为30～80nm。

优选地，所述纳米碳酸钙的粒径为80～120nm。

优选地，所述超细矿物掺合料的比表面积为600～750m2/kg。

优选地，所述超细矿物掺合料为超细粉煤灰、超细矿粉、超细石膏中的一种或其中几种按任意质量百分比混合。

上述任一项所述的混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

s1：将玄武岩纤维投入投料站，经提升机提升至计量秤称量后进入混合机，同时运转高速飞刀和混合机，高速飞刀转速为1800～2100r/min，混合机转速为100～130r/min，搅拌2～6分钟将集束状纤维全部分散于混合机内；

s2：将纳米二氧化硅及纳米碳酸钙投入投料站，经提升机提升至计量秤称量后投入步骤s1的混合机中，同时运转高速飞刀和混合机，高速飞刀转速为1800～2100r/min，混合机转速为100～130r/min，将玄武岩纤维、纳米二氧化硅和纳米碳酸钙混合物搅拌3～5分钟；

s3：将超细矿物掺合料投入投料站，经提升机提升至计量秤定量后投入混合机，同时运转高速飞刀混合机，高速飞刀转速为1800～2100r/min，混合机转速为100～130r/min，将玄武岩纤维、纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、超细矿物掺合料混合物搅拌10～15分钟，混合均匀后下料至缓冲料仓，得到所述的混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料。

其中，提升机可以是z式提升机，也可以是螺旋式提升机；计量秤可以是14头组合秤，也可以是螺旋计量秤；混合机可以是无重力混合机或其他能满足混合条件的混合机。

优选地，步骤s1、s2和s3中高速飞刀转速均为2000r/min，混合机转速均为120r/min。

优选地，所述计量秤和所述提升机内部均喷涂25μm厚的聚四氟乙烯。

本发明的有益效果是：(1)本发明中采用的玄武岩纤维抗拉强度达到3000mpa以上，不仅力学性能更优，而且耐高温、耐腐蚀，是由天然玄武岩制备的新型绿色高性能纤维，应用在混凝土中可全寿命的抑制混凝土的收缩开裂，提高抗裂性能。同时辅以纳米活性材料以及超细矿物掺合料的晶核作用、填充作用以及高活性，可有效解决混凝土的开裂、提高密实度。(2)高力学性能的玄武岩纤维材料在混凝土中构成一种三维乱向支撑的搭接体系，有效分散混凝土收缩应力，降低开裂风险。形成级配的纳米二氧化硅、纳米碳酸钙以及超细矿物掺合料在混凝土内部填充水化，并提供结晶成核点，使混凝土更加均匀密实，提高力学强度和耐久性。(3)通过对工艺设备进行改进，仅通过物理混合的方法对玄武岩纤维进行改性，使得操作简单，原料投料计量精确，并且在实现大批量的玄武岩纤维与改性材料混合均匀的同时还能提高玄武岩纤维纳米复合材料的分散性，避免玄武岩纤维在改性的过程中发生团聚。

附图说明

图1为实施例1制备玄武岩纤维纳米复合材料所使用的设备。

图中：1、投料站；2、螺旋提升机；3、螺旋计量秤；4、14头组合秤；5、z式提升机；6、无重力混合机；7、高速飞刀；8、缓冲料仓。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。本领域技术人员依据以下实施方式所作的任何等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

实施例1

本实施例的混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料，由下列组分按重量比配制而成：玄武岩纤维8％，纳米二氧化硅15％，纳米碳酸钙25％，超细矿物掺合料52％。其中超细矿物掺合料由23％超细矿粉、39％超细粉煤灰、38％超细石膏按质量百分比组成。

上述玄武岩纤维纳米复合材料的制备方法为：

s1：如图1，将直径为18μm～22μm、长度为22mm的玄武岩纤维短切丝投入投料站1，经z式提升机5提升至14头组合秤4，经称量后进入无重力混合机6，同时运转高速飞刀7和无重力混合机6；高速飞刀7的转速为2000r/min，无重力混合机6的转速为120r/min，搅拌3分钟将集束状纤维全部分散于混合机内；

s2：将粒径为30～80nm的纳米二氧化硅及粒径为80～120nm的纳米碳酸钙投入投料站1，经螺旋提升机2提升至螺旋计量秤3，经称量后投入步骤s1的无重力混合机6中，同时运转高速飞刀7和无重力混合机6；高速飞刀转速为2000r/min，无重力混合机6的转速为120r/min，将玄武岩纤维、纳米二氧化硅和纳米碳酸钙混合物搅拌3分钟；

s3：将比表面积为600～750m2/kg的超细矿物掺合料投入投料站1，经螺旋提升机2提升至螺旋计量秤3定量后投入无重力混合机6，同时运转高速飞刀7和无重力混合机6；高速飞刀转7的速为2000r/min，无重力混合机6的转速为120r/min，将玄武岩纤维、纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、超细矿物掺合料混合物搅拌10分钟，混合均匀后下料至缓冲料仓8，得到混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料。

实施例2

本实施例的混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料，由下列组分按重量比配制而成：玄武岩纤维10％，纳米二氧化硅12％，纳米碳酸钙38％，超细矿物掺合料40％。其中超细矿物掺合料由35％超细矿粉、32.5％超细粉煤灰、32.5％超细石膏按质量百分比组成。

本实施例的玄武岩纤维纳米复合材料的制备方法与实施例1相同。

实施例3

本实施例的混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料，由下列组分按重量比配制而成：玄武岩纤维15％，纳米二氧化硅20％，纳米碳酸钙20％，超细矿物掺合料45％。其中超细矿物掺合料由33.3％超细矿粉、33.3％超细粉煤灰、33.4％超细石膏按质量百分比组成。

本实施例的玄武岩纤维纳米复合材料的制备方法与实施例1相同。

实施例4

本实施例的混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料，由下列组分按重量比配制而成：玄武岩纤维8％，纳米二氧化硅10％，纳米碳酸钙20％，超细矿物掺合料62％。其中超细矿物掺合料由37％超细矿粉、37％超细粉煤灰、26％超细石膏按质量百分比组成。

本实施例的玄武岩纤维纳米复合材料制备方法与实施例1相同。

实施例5

本实施例与实施例1的区别在于：步骤s1、s2和s3中的高速飞刀转7的速均为1800r/min，无重力混合机6的转速为100r/min。步骤s1中的混合时间为6分钟，步骤s2中的混合时间为5分钟，步骤s3中的混合时间为15分钟。

实施例6

本实施例与实施例1的区别在于：本实施例的玄武岩纤维纳米复合材料的制备方法与实施例1的不同之处在于，步骤s1、s2和s3中的高速飞刀转7的速均为2100r/min，无重力混合机6的转速为130r/min。步骤s1中的混合时间为2分钟，步骤s2中的混合时间为4分钟，步骤s3中的混合时间为12分钟。

对比例1

本对比例的混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料，由下列组分按重量比配制而成：玄武岩纤维6％，纳米二氧化硅17％，纳米碳酸钙25％，超细矿物掺合料52％。其中超细矿物掺合料由23％超细矿粉、39％超细粉煤灰、38％超细石膏按质量百分比组成。

所述玄武岩纤维纳米复合材料的制备方法与实施例1相同。

对比例2

本对比例的混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料，由下列组分按重量比配制而成：玄武岩纤维18％，纳米二氧化硅17％，纳米碳酸钙20％，超细矿物掺合料45％。其中超细矿物掺合料由33.3％超细矿粉、33.3％超细粉煤灰、33.4％超细石膏按质量百分比组成。

所述玄武岩纤维纳米复合材料的制备方法与实施例1相同。

对比例3

本对比例的混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料组成与实施例1相同，不同之处在于所述玄武岩纤维纳米复合材料的制备方法如下：

s1：如图1，将粒径为30～80nm的纳米二氧化硅及粒径为80～120nm的纳米碳酸钙投入投料站1，经螺旋提升机2提升至螺旋计量秤3，经称量后投入无重力混合机6中，同时运转高速飞刀7和无重力混合机6；高速飞刀转速为2000r/min，无重力混合机6的转速为120r/min，将纳米二氧化硅和纳米碳酸钙混合物搅拌3分钟；

s2：将直径为18μm～22μm、长度为22mm的玄武岩纤维短切丝投入投料站1，经z式提升机5提升至14头组合秤4，经称量后进入步骤s1的无重力混合机6，同时运转高速飞刀7和无重力混合机6；高速飞刀7的转速为2000r/min，无重力混合机6的转速为120r/min，将集束状玄武岩纤维、纳米二氧化硅和纳米碳酸钙混合物搅拌3分钟；

s3：将比表面积为600～750m2/kg的超细矿物掺合料投入投料站1，经螺旋提升机2提升至螺旋计量秤3定量后投入无重力混合机6，同时运转高速飞刀7和无重力混合机6；高速飞刀转7的速为2000r/min，无重力混合机6的转速为120r/min，将玄武岩纤维、纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、超细矿物掺合料混合物搅拌10分钟，混合均匀后下料至缓冲料仓8，得到混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料。

对比例4

本对比例的混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料组成与实施例1相同，不同之处在于所述玄武岩纤维纳米复合材料的制备方法如下：

s1：如图1，将粒径为30～80nm的纳米二氧化硅及粒径为80～120nm的纳米碳酸钙投入投料站1，经螺旋提升机2提升至螺旋计量秤3，经称量后投入无重力混合机6中，同时运转高速飞刀7和无重力混合机6；高速飞刀转速为2000r/min，无重力混合机6的转速为120r/min，将纳米二氧化硅和纳米碳酸钙混合物搅拌3分钟；

s2：将比表面积为600～750m2/kg的超细矿物掺合料投入投料站1，经螺旋提升机2提升至螺旋计量秤3定量后投入无重力混合机6，同时运转高速飞刀7和无重力混合机6；高速飞刀转7的速为2000r/min，无重力混合机6的转速为120r/min，将纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、超细矿物掺合料混合物搅拌3分钟，

s3：将直径为18μm～22μm、长度为22mm的玄武岩纤维短切丝投入投料站1，经z式提升机5提升至14头组合秤4，经称量后进入无重力混合机6，同时运转高速飞刀7和无重力混合机6；高速飞刀7的转速为2000r/min，无重力混合机6的转速为120r/min，将集束状玄武岩纤维、纳米二氧化硅和纳米碳酸钙混合物搅拌10分钟。

为了测试实施例1-6、对比例1-4中玄武岩纤维纳米复合材料的性能，将实施例1-6、对比例1-4制备的玄武岩纤维纳米复合材料各取20kg加入到基准混凝土中，根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(gb/t50081-2019)中相关规定，测定混凝土的7d、28d抗压强度；根据《普通土凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(gb/t50082-2009)中相关规定，测定混凝土的抗开裂性能，用裂缝降低系数η来表征。裂缝降低系数η按下式计算：

其中，ck为基准混凝土单位面积上的总开裂面积(mm2/m2)，精确到1mm2/m2；cs为实施例中添加玄武岩纤维纳米复合材料的混凝土单位面积上的总开裂面积(mm2/m2)，精确到1mm2/m2。

基准混凝土的配比见表1，基准混凝土、加入实施例1-6和对比例1-4的玄武岩纤维纳米复合材料制备的混凝土的测试结果见表2。

表1基准混凝土组分配比表

表2添加各实施例和对比例中玄武岩纤维纳米复合材料的混凝土的性能测试数据

根据以上试验结果可知，与不添加任何纤维的基准混凝土相比，掺加玄武岩纤维纳米复合材料的混凝土7d抗压强度可提高15.4％以上，28d抗压强度可提高18.7％以上；裂缝降低系数在89％以上。对比例1与实施例1相比，玄武岩纤维纳米复合材料中玄武岩纤维含量减少，纳米二氧化硅含量增加，导致混凝土抗压强度明显降低，抗裂性能显著下降。对比例2与实施例3相比，玄武岩纤维纳米复合材料中玄武岩纤维含量增加，纳米二氧化硅含量减少，也导致混凝土抗压强度明显降低，抗裂性能显著下降。对比例3和对比例4与实施例1相比，改变了玄武岩纤维纳米复合材料的制备方法，导致混凝土抗压强度和抗裂性能都显著下降，尤其是对比例4下降的幅度最大。这是因为先将集束状的玄武岩纤维分散，再用纳米二氧化硅和纳米碳酸钙对其表面进行改性，能提高玄武岩纤维的分散性，并最大程度地发挥玄武岩纤维和其他原料各自固有的性能；而改变制备方法后，玄武岩纤维的分散性变差，容易团聚，使得纳米二氧化硅和纳米碳酸钙对其表面改性的效果不明显。玄武岩纤维加入量过少时，对混凝土的抗裂性能提升不显著；玄武岩纤维加入量过多时会使玄武岩纤维在混凝土中的分散性不好，导致混凝土的和易性和均质性变差，使混凝土强度和耐久性降低，甚至容易导致混凝土输送泵堵塞。由此可见，按照本发明的制备方法制备的玄武岩纤维纳米复合材料，其组成成分在限定范围内时，对混凝土抗压强度和抗裂性能提升效果最好。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。对于任何熟悉本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。任何依据本发明申请保护范围及说明书内容所作的简单的等效变化和修饰，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种混凝土用用玄武岩纤维纳米复合材料，其特征在于，由下列组分按重量比配制而成：玄武岩纤维8～15％，纳米二氧化硅10～20％，纳米碳酸钙20～38％，超细矿物掺合料40～62％。

2.如权利要求1所述的混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料，其特征在于，所述玄武岩纤维为直径18～22μm，长度为22mm的短切丝。

3.如权利要求1所述的混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料，其特征在于，所述纳米二氧化硅的粒径为30～80nm。

4.如权利要求1所述的混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料，其特征在于，所述纳米碳酸钙的粒径为80～120nm。

5.如权利要求1所述的混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料，其特征在于，所述超细矿物掺合料的比表面积为600～750m2/kg。

6.如权利要求1所述的混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料，其特征在于，所述超细矿物掺合料为超细粉煤灰、超细矿粉、超细石膏中的一种或其中几种按任意质量百分比混合。

7.如权利要求1-6任一项所述的混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1：将玄武岩纤维投入投料站，经提升机提升至计量秤称量后进入混合机，同时运转高速飞刀和混合机，高速飞刀转速为1800～2100r/min，混合机转速为100～130r/min，搅拌2～6分钟将集束状纤维全部分散于混合机内；

s2：将纳米二氧化硅及纳米碳酸钙投入投料站，经提升机提升至计量秤称量后投入步骤s1的混合机中，同时运转高速飞刀和混合机，高速飞刀转速为1800～2100r/min，混合机转速为100～130r/min，将玄武岩纤维、纳米二氧化硅和纳米碳酸钙混合物搅拌3～5分钟；

s3：将超细矿物掺合料投入投料站，经提升机提升至计量秤定量后投入混合机，同时运转高速飞刀混合机，高速飞刀转速为1800～2100r/min，混合机转速为100～130r/min，将玄武岩纤维、纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、超细矿物掺合料混合物搅拌10～15分钟，混合均匀后下料至缓冲料仓，得到所述的混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料。

8.如权利要求7所述的混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s1、s2和s3中高速飞刀转速均为2000r/min，混合机转速均为120r/min。

9.如权利要求7所述的混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述计量秤和所述提升机内部均喷涂25μm厚的聚四氟乙烯。

技术总结

本发明提供了一种混凝土用玄武岩纤维纳米复合材料及其制备方法。该玄武岩纤维纳米复合材料由下列组分按质量比配制而成：玄武岩纤维8～15％，纳米二氧化硅10～20％，纳米碳酸钙20～38％，超细矿物掺合料40～62％。本发明还提供了该玄武岩纤维纳米复合材料的制备方法，该方法通过对工艺设备进行改进，仅通过物理混合的方法对玄武岩纤维进行改性，使得操作简单，原料投料计量精确，并且能实现大批量的玄武岩纤维与改性材料均匀混合，提高玄武岩纤维纳米复合材料的分散性，避免玄武岩纤维在改性的过程中发生团聚，同时还能减少人工操作。

技术研发人员：张鸿浩;谢杰柱;桂红光;李家东;王海龙

受保护的技术使用者：武汉三源特种建材有限责任公司

技术研发日：2021.03.18

技术公布日：2021.07.13