本發(fā)明屬于建筑材料領(lǐng)域，具體涉及一種混摻表面改性鋼纖維的水泥基復(fù)合材料及制備方法。

背景技術(shù)：

1、超高性能混凝土(uhpc)作為一種擁有優(yōu)異力學(xué)性能和良好耐久性的水泥基復(fù)合材料，是建筑工程中用量大、用途廣的建筑材料之一。而鋼纖維在水泥基體中的均勻分布是uhpc增強(qiáng)增韌的前提。如果纖維分散不均勻，纖維網(wǎng)骨架在uhpc受特定荷載作用時(shí)的增強(qiáng)作用大打折扣，應(yīng)力難以有效的從基體傳遞到纖維，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力的集中、微觀裂紋的發(fā)展與宏觀裂縫的產(chǎn)生等問(wèn)題，從而影響其服役年限。目前的uhpc系統(tǒng)無(wú)法完全利用鋼纖維的增強(qiáng)效果，基體韌性提升不夠，破壞時(shí)仍具有較差的脆性特征。

2、現(xiàn)有對(duì)鋼纖維分散均勻性的評(píng)價(jià)和調(diào)控技術(shù)的著力點(diǎn)主要是原料組成與配比、鋼纖維體積率或加工工況下的攪拌、振搗成型等方面。但由于鋼纖維表面光滑以及表面惰性，鍍層防銹處理后表面還具有一定的憎水性，因此其與uhpc基體之間的結(jié)合相對(duì)較差，界面在應(yīng)力作用下最先發(fā)生脫粘；纖維的重力效應(yīng)又造成了纖維在混凝土中上疏下密的分布。因此，從挑戰(zhàn)鋼纖維材料的表面特性出發(fā)，改善其與uhpc基體的界面相容性以及結(jié)合力，以克服鋼纖維的重力效應(yīng)，是提高鋼纖維在uhpc中分散性的研究新方向之一。

3、提高鋼纖維與uhpc基體結(jié)合性能的方法主要有：1)調(diào)控表面電荷種類(lèi)和密度，如添加電解質(zhì)、表面活性劑等化學(xué)方法或改變ph值、熱處理等物理方法；2)調(diào)控纖維表面能，如表面涂層、納米材料負(fù)載或砂紙打磨等方法。如申請(qǐng)?zhí)枮?02311169850.x的名為“一種鋼纖維表面改性處理的方法”的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)采用了具有自聚性和氧化性的多巴胺在鋼纖維表面形成聚多巴胺涂層，增強(qiáng)其與界面的粘接強(qiáng)度。然而，多巴胺價(jià)格昂貴；且易在空氣下氧化，不便于儲(chǔ)存運(yùn)輸。有必要基于鋼纖維表面特性作進(jìn)一步的改進(jìn)研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷或不足，本發(fā)明旨在提供一種混摻表面改性鋼纖維的水泥基復(fù)合材料，基于對(duì)鋼纖維材料表面進(jìn)行功能化修飾與逐層礦化引入納米顆粒，從而改善材料表面特性，以期提高鋼纖維分散均勻性。

2、本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的。

3、一種混摻表面改性鋼纖維的水泥基復(fù)合材料，按重量份計(jì)，原料包括水泥300-750份，粉煤灰60-100份，硅灰80-200份，礦粉40-100份，粗骨料300-600份，細(xì)骨料400-800份，氧化鋅晶須10-60份，改性鋼纖維50-200份，自來(lái)水150-200份，減水劑8-25份；

4、所述鋼纖維經(jīng)過(guò)了表面礦化的改性處理，其步驟如下：

5、s1：鋼纖維的預(yù)處理：對(duì)鋼纖維依次用中性清洗劑、乙醇以及水進(jìn)行清洗，烘干得到潔凈鋼纖維；

6、s2：鋼纖維的表面礦化改性：將潔凈鋼纖維在生物酚羥基酸水溶液中浸漬處理，結(jié)束后取出鋼纖維，用去離子水清洗；接著將鋼纖維依次在cacl2溶液、na2co3溶液溶液中常溫浸漬，浸漬過(guò)程置于搖床上進(jìn)行晃動(dòng)處理，浸漬結(jié)束后將鋼纖維取出并用去離子水清洗；重復(fù)1～4次cacl2溶液與na2co3溶液的交替浸漬與去離子水清洗的操作后，對(duì)鋼纖維烘干至恒重，冷卻后得到改性鋼纖維。

7、優(yōu)選的，所述生物酚羥基酸為植物醇酸、植物酚酸的至少一種；所述植物醇酸包括植酸、海藻酸、酒石酸的至少一種；所述植物酚酸包括單寧酸類(lèi)、黃烷醇類(lèi)的至少一種；所述黃烷醇類(lèi)包括沒(méi)食子酸、表兒茶素、表沒(méi)食子兒茶素、表兒茶素沒(méi)食子酸酯和表沒(méi)食子兒茶素沒(méi)食子酸酯的至少一種。

8、優(yōu)選的，所述生物酚羥基酸為單寧酸、植酸、沒(méi)食子酸、海藻酸的至少一種；進(jìn)一步優(yōu)選為植酸與單寧酸。

9、優(yōu)選的，生物酚羥基酸溶液的濃度為0.1～2.0wt％；cacl2與na2co3水溶液的濃度為0.1～1.0mol/l，進(jìn)一步優(yōu)選為0.2-0.5mol/l。

10、優(yōu)選的，生物酚羥基酸的浸漬條件為40～80℃，10～40min；cacl2、na2co3溶液的浸漬時(shí)間為5～30min，搖床晃動(dòng)頻率為20～50rpm；鋼纖維烘干溫度為50℃-80℃。

11、優(yōu)選的，所述鋼纖維選用直徑0.15～0.35mm，長(zhǎng)徑比為40～75，抗拉強(qiáng)度≥2000mpa的平直型、端鉤型或波浪型鋼纖維的一種或多種；

12、優(yōu)選的，所述鋼纖維選自普通鋼纖維及鍍銅鋼纖維、鍍鋅鋼纖維的至少一種。

13、優(yōu)選的，所述氧化鋅晶須與改性鋼纖維的質(zhì)量比為(0.5～3)：5；進(jìn)一步優(yōu)選為(1.5～2)：5。

14、優(yōu)選的，所述氧化鋅晶須為四針狀結(jié)構(gòu)，直徑為0.5～5μm，長(zhǎng)度為10～50μm。

15、氧化鋅晶須是一種形狀似短纖維而尺寸遠(yuǎn)小于短纖維的須狀晶體，氧化鋅晶須的加入，取代了部分鋼纖維重量，一定程度也削減了鋼纖維的重力效應(yīng)。其中，所用四針狀氧化鋅晶須為單晶體結(jié)構(gòu)，幾乎沒(méi)有結(jié)構(gòu)缺陷，具有極高的力學(xué)強(qiáng)度與彈性模量；且其特殊的立體四針狀結(jié)構(gòu)使其具有各向同性的增強(qiáng)作用，更容易實(shí)現(xiàn)在水泥基材中的均勻分布，并賦予水泥基復(fù)合材料增強(qiáng)增韌性能。

16、本發(fā)明還提供一種混摻表面改性處理鋼纖維的水泥基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

17、首先將水泥、粉煤灰、硅灰、礦粉、氧化鋅晶須加入拌料機(jī)中攪拌3～4min；隨后加入水、減水劑，繼續(xù)攪拌3～4min，得到均勻濕拌合物；逐次加入改性鋼纖維，攪拌1～2min后進(jìn)行裝模、振搗、成型和養(yǎng)護(hù)，得到該水泥基復(fù)合材料。

18、生物酚羥基酸是植物界中分布最廣泛的物質(zhì)之一，其本身含大量羥基，可作為螯合劑，與金屬離子發(fā)生螯合作用生成穩(wěn)定的金屬絡(luò)合物；本發(fā)明以鋼纖維表面的金屬(鐵或鍍層金屬鋼纖維所含銅或鋅)作為金屬離子來(lái)源，利用羥基與金屬離子的配合作用率先完成生物酚羥基酸在鋼纖維表面的功能化修飾；外加的ca2+與生物酚羥基酸進(jìn)一步交聯(lián)形成穩(wěn)定的雙層配合物網(wǎng)絡(luò)；通過(guò)ca2+與co32-的交替沉積實(shí)現(xiàn)caco3納米顆粒在配合物網(wǎng)絡(luò)中的穿插生長(zhǎng)；ca2+以及纖維表面的鐵/銅/鋅與生物酚羥基酸所形成的牢固的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)糾纏結(jié)構(gòu)，可以將沉積的顆粒緊緊地錨定在纖維上。

19、納米顆粒的引入，一方面可以提供大量的固定位點(diǎn)，促進(jìn)水泥砂漿的附著；caco3顆粒與水泥砂漿良好的親和性有利于增強(qiáng)鋼纖維與水泥砂漿基材之間的結(jié)合強(qiáng)度。另一方面，沉積的顆粒賦予了纖維表面粗糙度與親水性，原料混合過(guò)程中鋼纖維與水泥砂漿的摩擦力增大，鋼纖維更易隨水泥砂漿的流動(dòng)被拖帶到混凝土原料混合物各個(gè)部位，分散更為均勻。

20、本發(fā)明的有益效果：

21、本發(fā)明所述技術(shù)方案從調(diào)整鋼纖維材料特性出發(fā)，于鋼纖維表面進(jìn)行生物酚羥基酸的功能化修飾以及逐層礦化處理引入納米顆粒，以增強(qiáng)其與水泥基體的界面粘結(jié)應(yīng)力，克服了部分鋼纖維的重力效應(yīng)，有利于改善鋼纖維在水泥基體中的分散均勻性；且配合物網(wǎng)絡(luò)的化學(xué)鍵加固了二者結(jié)合的穩(wěn)定性。

22、本發(fā)明采用原位生長(zhǎng)caco3的添加方式，可有效避免常規(guī)外加顆粒時(shí)出現(xiàn)的顆粒剝落或結(jié)團(tuán)問(wèn)題。累積生長(zhǎng)的caco3顆?？梢栽黾永w維的表面積與活性位點(diǎn)，增加了鋼纖維與水泥砂漿的接觸與摩擦力；又賦予了纖維表面的物理粗糙度與親水性，促使其分散更均勻。同時(shí)，生物酚羥基酸在鋼纖維上的預(yù)先沉積也賦予了鋼纖維表面羥基等親水極性基團(tuán)，進(jìn)一步提高了潤(rùn)濕性，便于膠凝材料水化過(guò)程中在鋼纖維表面的粘附。

23、生物酚羥基酸在金屬表面絡(luò)合時(shí)，在金屬表面形成了一層致密的單分子保護(hù)膜，還可有效阻止氧氣等與金屬表面接觸、抵抗鋼纖維的腐蝕。

24、氧化鋅晶須的加入，一方面可以發(fā)揮其密實(shí)填充效應(yīng)，改善鋼纖維混凝土內(nèi)部微結(jié)構(gòu)、細(xì)化孔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)混凝土致密化并減少孔隙率；同時(shí)降低毛細(xì)孔內(nèi)水的表面張力和附加壓力，減少混凝土的干燥收縮；微米尺度的氧化鋅晶須還可包裹顆粒穿插進(jìn)水泥基體內(nèi)并防止裂紋傳播，增強(qiáng)與水泥基體的物理粘附性。另一方面氧化鋅晶須取代了部分鋼纖維重量，一定程度削減了鋼纖維的重力效應(yīng)。此外，氧化鋅材料自身具有較強(qiáng)的射線屏蔽與電波吸收功能，可增強(qiáng)uhpc的防輻射性能與抗靜電作用。