一種用于混凝土增韌的復(fù)合材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于增韌復(fù)合材料的制備領(lǐng)域，具體涉及一種用于混凝土增韌的復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】
[0002]高鐵高架橋和大跨度橋梁的橋面以及各類型隧道拱墻等這些建筑結(jié)構(gòu)和部位，其應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜苛刻。而普通混凝土的抗彎強度較低、脆性高，因此在應(yīng)力復(fù)雜的環(huán)境中容易產(chǎn)生裂縫甚至斷裂，從而嚴重影響這些建筑的使用壽命和安全。為提高混凝土的韌性，亟需開發(fā)具有增韌效能的新型復(fù)合材料。
[0003]本發(fā)明的混凝土增韌用復(fù)合材料，采用增韌效能優(yōu)異的改性二氧化硅納米管、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物和木粉纖維，通過增溶劑和硅烷偶聯(lián)劑的表面改性作用將三種增韌材料有效結(jié)合，形成一種獨特的復(fù)合增韌體系，制備出的復(fù)合材料能夠在混凝土中充分分散，有效發(fā)揮材料協(xié)同增韌的效果，賦予混凝土整體具有良好的韌性、各向同性和抗疲勞性，是一種高性能混凝土增韌材料。本發(fā)明的混凝土增韌用復(fù)合材料可以很方便地與其它混凝土組分混合分散均勻，再經(jīng)標養(yǎng)后即可得到增韌混凝土制品，能應(yīng)用于跨海跨江大橋、高鐵高架橋的橋面，及地鐵隧道拱墻等混凝土材料領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于混凝土增韌的復(fù)合材料。該復(fù)合材料在混凝土中充分分散，賦予了混凝土良好的韌性、各向同性和抗疲勞性，是一種高性能混凝土增韌材料。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種用于混凝土增韌的復(fù)合材料，按重量份計，由以下原料組成:改性二氧化硅納米管
1.2-1.8份、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物22-28份、活化木粉纖維46-50份、硅烷偶聯(lián)劑3.5-5份、增溶劑3.0-3.5份、填料4-6份和水180-220份。
[0006]所述改性二氧化硅納米管制備方法包括以下步驟:
(1)在兩個相同的5L尼龍罐中各裝入30顆直徑為10 mm的不銹鋼球和45顆直徑為5 mm的不銹鋼球，然后分別加入0.9 kg二氧化硅納米管，再分別滴加90 ml無水乙醇，并用尼龍蓋密封；將兩個球磨罐對稱地放入球磨機中，在轉(zhuǎn)速為400 rpm、且每30分鐘自動轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)方向的條件下球磨處理48 h ；
(2)取步驟(1)處理后的二氧化硅納米管加入到pH為8、20wt%吐溫20水溶液中，超聲18 h，過濾，用水洗凈后，于55-57°C下真空干燥15 h;
(3)取步驟(2)處理后的二氧化硅納米管在40L、35wt%氫氧化鈉水溶液中攪拌48小時，過濾，將粉末用純水洗凈后，于58-60°C下真空干燥18 h ;
(4)取步驟(3)處理后的二氧化硅納米管在35L、20wt%雙氧水中攪拌72小時，過濾，將粉末用純水洗凈后，于50-52°C下真空干燥48 h，得到1.52-1.60 kg表面帶羥基的二氧化硅納米管；
(5)取步驟(4)制備的表面帶羥基的二氧化硅納米管1.5 kg，加入到40 L 二氯甲烷中，在氮氣保護下室溫超聲處理3h后，加入110ml三氟化硼-乙醚絡(luò)合物并室溫攪拌3h ;再在-13~-15°C、攪拌條件下，緩慢滴加570ml 3-甲基_3_羥甲基氧雜環(huán)丁烷，控制滴加時間為6h ;滴加完畢后于-1113°C繼續(xù)攪拌lh ;然后加入550 ml無水甲醇，以5500_6000rpm離心處理20-25min，分離回收溶劑，粉末經(jīng)無水甲醇洗凈并在室溫下真空干燥24 h后，得到1.77-1.86 kg改性二氧化硅納米管；
所述二氧化硅納米管純度>96%，長度為2-4 μ m，管徑為150-300 nm,比表面積>500 m2/
g°
[0007]所述的活化木粉纖維制備方法為:室溫下，將木粉纖維45kg，在136L、20wt%氫氧化鈉水溶液中攪拌36小時后過濾，將木粉纖維用水洗至中性；然后，將木粉纖維在90 L18wt%雙氧水溶液中攪拌30小時，過濾并用水洗凈；再將木粉纖維加入到pH為8、25 wt%吐溫20水溶液中超聲3 h、攪拌18小時后過濾，用水洗凈后，于60-62°C下真空干燥24 h后待用。
[0008]—種制備如上所述的復(fù)合材料的方法，包括以下步驟:
(1)取改性二氧化硅納米管、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、活化木粉纖維、硅烷偶聯(lián)劑、增溶劑、填料和水備用；
(2)在室溫下將硅烷偶聯(lián)劑加入水中，攪拌至完全溶解，制得硅烷偶聯(lián)劑水溶液；然后將改性二氧化硅納米管和活化木粉纖維加入到硅烷偶聯(lián)劑水溶液中，超聲3 h后，攪拌5h，再升溫至59-61 °C攪拌36 h，過濾，將粉末按500 r/min的轉(zhuǎn)速離心處理35 min，再將粉末在53-55°C下真空干燥30小時待用；
(3)將填料、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物和步驟(2)制好的粉末裝入高速混合機中，在350-400 r/min轉(zhuǎn)速下分散3-4 h后，升溫至105-110°C，再加入增溶劑，在530-600r/min轉(zhuǎn)速下分散18-22 min后，放入冷混鍋中冷卻，待溫度降到48_50°C時放料，得到初混料；
(4)將步驟(3)制備好的初混料置于溫度為175-190°C、轉(zhuǎn)速為70-85r/min的雙螺桿擠出機中混煉1-1.5 h后擠出，得到混煉料；
(5)將步驟(4)制備好的混煉料粉碎處理，得到粒度為90-200目的增韌用復(fù)合材料。
[0009]所述的復(fù)合材料用于增韌混凝土時，添加量為0.01~6wt%o
[0010]所述的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物的主要指標:密度:1.01 g/cm3;熔體流動速率:5.0 g/10min (200°C，5kg);洛氏硬度:10 ;彎曲強度:21Mpa ;拉伸強度:18 Mpa ；斷裂伸長率:250% ;熱變形溫度:60°C (1.8Mpa，未退火)。
[0011]所述的木粉纖維的粒徑為100-230目。
[0012]所述的增溶劑為馬來酸酐接枝共聚物，優(yōu)選美國Kraton SEBS FG 1901X馬來酸酐接枝三元共聚物，其主要指標:馬來酸酐接枝物:1.5% ;密度:0.91 g/ cm3;熔體指數(shù):22g/10min ;粘度:cps 5000 (25°C，25% 甲苯溶液)；斷裂伸長率:500%。
[0013]所述的填料為針狀硅灰石，填料的粒徑為1-25 μ m0
[0014]所述的硅烷偶聯(lián)劑為美國聯(lián)碳公司市售的A-171或A-151硅烷偶聯(lián)劑。
[0015]所述的雙氧水為市售濃度為40%的過氧化氫水溶液。
[0016]所述的吐溫20為市售的淺黃色粘稠液體，其主要物化指標:活性物:98-99% ;皂化值(KOHmg/g):40-50 ;羥值(KOHmg/g):80-108 ;HLB 值:16.7 ;酸值(KOHmg/g):彡 1.0 ;水份(%) 1.0〇
[0017]本發(fā)明的混凝土增韌用復(fù)合材料首次采用了改性二氧化硅納米管，二氧化硅納米管具有力學(xué)性能優(yōu)異的二維納米管結(jié)構(gòu)，是一種理想的混凝土增韌材料；由于二氧化硅納米管比表面能高，比表面積大，容易團聚形成塊狀聚集體而喪失其優(yōu)異的力學(xué)性能，本發(fā)明進一步對二氧化硅納米管進行化學(xué)改性，通過在其表面構(gòu)筑超支化高分子結(jié)構(gòu)，顯著增強納米管之間的體積排斥作用。這種改性二氧化硅納米管可以在混凝土體系中充分分散，更好地發(fā)揮不同增韌材料的協(xié)同效果。同時，本發(fā)明的增韌用復(fù)合材料采用了成本較低、來源廣泛、易于加工且環(huán)境友好的木粉纖維。經(jīng)化學(xué)活化處理的木粉纖維分子鏈中含有大量親水性強的羥基活性基團，可以與混凝土成型過程中的水化產(chǎn)物，如硅酸鈣凝膠、鈣礬石和氫氧化鈣等物質(zhì)形成氫鍵等分子間作用力，從而提高混凝土的微觀應(yīng)力應(yīng)變性能。
[0018]本發(fā)明的有益效果在于:
本發(fā)明的混凝土增韌用復(fù)合材料通過增溶劑和硅烷偶聯(lián)劑的表面改性作用，首次將增韌效能優(yōu)異的改性二氧化硅納米管、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物和木粉纖維這三種材料有效結(jié)合，形成了一種獨特的復(fù)合增韌體系，制備出的復(fù)合材料可以在混凝土中充分分散，有效發(fā)揮材料協(xié)同增韌的效果，賦予混凝土整體具有良好的韌性、各向同性和抗疲勞性，是一種高性能混凝土增韌材料；以粒度為30目的混凝土增韌用復(fù)合材料為例，按各組分的配比，即復(fù)合材料0.92 kg/m3、細集料700 kg/m3、粉煤灰45 kg/m3、礦渣粉41 kg/m3、水泥430 kg/m3、碎石1000 kg/m3、減水劑4.5 kg/m3和水185 kg/m3,制備的混凝土試樣在溫度20±2°C、相對濕度90±5%的條件下養(yǎng)護至28天齡期，其抗壓強度為92 MPa，抗彎強度為26 MPa，拉伸強度為15 MPa，能應(yīng)用于跨?？缃髽?、高鐵高架橋的橋面，及地鐵隧道拱墻等混凝土材料領(lǐng)域。
【具體實施方式】
[0019]本發(fā)明用下列實施例來進一步說明本發(fā)明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于下列實施例；以下結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步說明。
[0020]實施例1
首先制備改性二氧化硅納米管:
(1)在兩個相同的5 L尼龍罐中各裝入30顆直徑為10 mm的不銹鋼球和45顆直徑為5 mm的不銹鋼球，然后分別加入0.9 kg二氧化硅納米管，再分別滴加90 ml無水乙醇，并用尼龍蓋密封。將兩個球磨罐對稱地放入球磨機中，在轉(zhuǎn)速為400 rpm、且每30分鐘自動轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)方向的條件下球磨處理48 h;
(2)取步驟(1)處理后的二氧化硅納米管加入到pH為8、濃度為20 wt%的吐溫20的水溶液中超聲18 h，過濾，用水洗凈后，于55°C下真空干燥15 h ;
(3)取步驟(3)處理后的二氧化娃納米管在40 L、濃度為35wt%的氫氧化鈉水溶液中攪拌48小時，過濾，將粉