本發(fā)明屬于建筑材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于提高水泥基材料強度、變形和抗裂能力的具有與水泥基材料高界面粘結(jié)強度的改性纖維的制備方法。

背景技術(shù)：

水泥基材料是目前世界范圍內(nèi)用量最大和最廣的土木工程材料。水泥基材料具有抗壓強度高但抗拉強度較差的性能特點。為了提高水泥基材料的抗拉強度和抗裂性、抗沖擊性能，人們常采用的一種方法是摻加纖維。通過利用纖維的高抗拉強度和變形能力，分擔(dān)水泥基材料的應(yīng)力，可以控制水泥基材料裂紋的產(chǎn)生和進一步發(fā)展，從而提高抗裂性和抗拉強度等。碳纖維、玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維等具有強度高、彈性模量高等優(yōu)勢，可用于水泥基材料改性。但是未經(jīng)過改性處理的纖維表面平整光滑，惰性大，化學(xué)活性低，與水泥基材料基體間粘結(jié)強度較低，纖維易從基體拔出，從而影響了纖維對水泥基材料力學(xué)性能的改性效果，束縛了纖維優(yōu)良性能的充分發(fā)揮，降低了材料的利用率。發(fā)展適合于水泥基材料特點的纖維改性方法，制備具有與水泥基材料基體高界面粘結(jié)強度的改性纖維，將有效提高纖維對水泥基材料的增強增韌效果，制備出更高性能的纖維增強水泥基材料，提高相應(yīng)土木工程結(jié)構(gòu)的服役安全性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種具有與水泥基材料高界面粘結(jié)強度的改性纖維的制備方法，該方法利用納米sio2改性溶液對纖維表面改性以提高其與水泥基材料界面粘結(jié)強度，從而提高水泥基材料的強度、變形和抗裂能力等綜合性能。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種具有與水泥基材料高界面粘結(jié)強度的改性纖維的制備方法，包括如下步驟：

一、纖維改性

對纖維依次進行去除表面涂層、硝酸氧化和kh550溶液改性處理；

二、納米sio2改性溶液改性纖維

將改性纖維浸漬于納米sio2改性溶液中，在60~100℃的溫度下超聲反應(yīng)1~3h，然后乙醇洗滌，制得納米sio2接枝或生長的纖維試樣。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明在制備納米sio2改性溶液過程中，選取具有較低表面張力的硅酸乙酯作為前驅(qū)體溶液，制備過程中持續(xù)攪拌反應(yīng)溶液以對沉淀物的形成進行良好控制；此外，對于剛生成的納米sio2顆粒，利用kh560進行表面改性以獲得較高比表面積的sio2顆粒。

2、本發(fā)明對纖維表面進行氧化并利用納米sio2改性溶液表面接枝或生長改性處理來控制其表面形貌，可以增強纖維表面的粗糙度和比表面積，使纖維表面具有水化反應(yīng)活性，從而提高纖維與水泥基體的界面結(jié)合性能。

3、納米sio2具有高火山灰活性，將其摻入水泥基材料中，可以與水泥水化產(chǎn)物ca(oh)2發(fā)生二次反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠c-s-h，降低ca(oh)2在界面處的富集和定向排列，增加c-s-h在界面處的含量，同時誘導(dǎo)c-s-h朝針柱狀的方向生長，從而提高纖維與水泥基體的界面結(jié)合性能和界面粘結(jié)強度，使得纖維增強水泥基材料抗拉強度和抗裂性得到提高，對于水泥基材的變形能力有明顯改善，使碳纖維對水泥基材料的增強改性作用充分發(fā)揮，對纖維復(fù)合混凝土各組分性能的發(fā)揮有重要作用，提高了材料的利用率。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。

具體實施方式一：本實施方式提供了一種具有與水泥基材料高界面粘結(jié)強度的改性纖維的制備方法，具體實施步驟如下：

一、制備納米sio2改性溶液：

以硅酸乙酯作為前驅(qū)體溶液，通過溶膠凝膠法制備納米sio2改性溶液，具體方法如下：

將乙醇溶液與去離子水置于燒杯中并充分混合攪拌，將正硅酸乙酯置入混合液中密封靜置反應(yīng)1~3h，然后恒溫攪拌8~12h，得透明sio2溶膠，向透明sio2溶膠中滴加kh560繼續(xù)反應(yīng)10~15h，制得納米sio2改性溶液。所述的正硅酸乙酯的質(zhì)量少于溶液總質(zhì)量的50%，kh560的加入量不超過溶液總質(zhì)量的1%。

二、纖維改性

對纖維進行去除表面涂層、硝酸氧化和kh550溶液改性處理，具體方法如下：

（1）去除表面涂層

將纖維置于丙酮溶液中，在70℃的條件下恒溫回流洗滌10~15h，而后濾去丙酮溶液依次用乙醇與去離子水反復(fù)洗滌，再置于真空干燥箱中烘干，去掉纖維表面保護涂層。

（2）硝酸氧化

將去掉表面保護涂層的纖維浸漬于濃硝酸中，在50~70℃水浴中氧化1~3h，然后依次用蒸餾水與乙醇反復(fù)洗滌纖維，直至清除其表面殘留的濃硝酸清洗至中性，最后真空干燥。

（3）kh550溶液改性

將經(jīng)過濃硝酸處理的纖維浸入kh550乙醇溶液中，于70~80℃加熱環(huán)境中回流反應(yīng)2~4h，然后經(jīng)乙醇洗滌、乙醇抽提、真空干燥，制得改性纖維。

三、納米sio2改性溶液改性纖維

將改性纖維浸漬于納米sio2改性溶液中，在60~100℃的溫度下超聲反應(yīng)1~3h，然后乙醇洗滌，制得納米sio2接枝或生長的纖維。

本實施方式中，所述纖維主要包括碳纖維、玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維等柔性纖維。纖維可以是短纖維改性，也可以是長纖維改性后再短切。

本實施方式中，纖維表面纖維表面接枝的sio2顆粒或生長的sio2薄層與纖維具有較強的范德華和氫鍵結(jié)合力，在與水泥基材料攪拌過程中不易脫落。sio2具有高火山灰活性，能與硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物中的ca(oh)2發(fā)生二次反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠（c-s-h），能增加c-s-h在纖維界面處的含量，改善纖維與水泥基體間界面的密實度和結(jié)構(gòu)。與未改性纖維相比，提高粘結(jié)性能和界面強度1倍以上，提高了纖維增強水泥基材料的強度和韌性。

具體實施方式二：本實施方式提供了一種具有與水泥基材料高界面粘結(jié)強度的改性碳纖維的制備方法，具體實施步驟如下：

（1）制備納米sio2改性溶液

選取500ml燒瓶作為反應(yīng)容器，稱量460g乙醇溶液與27g去離子水置于燒杯中并充分混合攪拌，隨后將208g的正硅酸乙酯置入混合液中。將所配備的溶液密封靜置反應(yīng)2h，然后室溫下緩慢攪拌10h，得透明sio2溶膠，隨后向溶液中緩慢滴加0.2mlkh560改性所制備的透明sio2溶膠，并繼續(xù)反應(yīng)12h，制得納米sio2改性溶液，備用。

（2）去除碳纖維表面涂層

截取10g碳纖維置于索氏提取瓶中，加入適量體積的丙酮溶液在70℃的條件下恒溫回流洗滌12h，而后濾去丙酮溶液依次用乙醇與去離子水反復(fù)洗滌，再將樣品置于100℃真空干燥箱中烘干，去掉纖維表面保護膠料層，并記為e-cf。

（3）硝酸氧化處理碳纖維

在60℃恒溫水浴鍋中將上述經(jīng)過去表面涂層的纖維e-cf浸漬于濃硝酸中氧化，氧化時間為2h，以增強其表面活性。氧化完后依次用蒸餾水與乙醇反復(fù)洗滌纖維，直至清除其表面殘留的濃硝酸清洗至中性，然后在100℃真空干燥，將制得的纖維記為n-cf。

（4）kh550溶液改性碳纖維

將經(jīng)過濃硝酸處理的纖維即n-cf浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%kh550乙醇溶液中，于70~80℃加熱環(huán)境中回流反應(yīng)3h。經(jīng)乙醇洗滌，在索氏抽提器中乙醇抽提24h，然后在100℃真空干燥，將制得的改性纖維記為kh-cf。

（5）納米sio2改性溶液改性碳纖維

將改性的纖維kh-cf浸漬于納米sio2改性溶液中用燒杯盛放，隨后將燒杯置于存有80℃純水的超聲清洗器中，超聲反應(yīng)2h，然后將超聲后的碳纖維樣品置于乙醇中震蕩洗滌6次，制得納米sio2接枝或生長的纖維試樣，記為si-cf。

本實施方式中，通過采用合理的試件成型工藝成功制備了碳纖維單絲拔出試樣的試件并進行單絲拔出試驗。通過拔出試驗測得碳纖維的位移-荷載曲線，進而測定了改性前后的界面粘結(jié)強度，表明平均界面強度從未改性前的1mpa增加到3mpa左右，界面增強效果達(dá)到200%。

具體實施方式三：本實施方式提供了一種具有與水泥基材料高界面粘結(jié)強度的改性玄武巖纖維的制備方法，具體實施步驟如下：

（1）制備納米sio2改性溶液

選取500ml燒瓶作為反應(yīng)容器，稱量460g乙醇溶液與27g去離子水置于燒杯中并充分混合攪拌，隨后將208g的正硅酸乙酯置入混合液中。將所配備的溶液密封靜置反應(yīng)2h，然后室溫下緩慢攪拌10h，得透明sio2溶膠，隨后向溶液中緩慢滴加0.2mlkh560改性所制備的透明sio2溶膠，并繼續(xù)反應(yīng)12h，制得納米sio2改性溶液，備用。

（2）去除玄武巖纖維表面涂層

截取10g玄武巖纖維置于索氏提取瓶中，加入適量體積的丙酮溶液在70℃的條件下恒溫回流洗滌10h，而后濾去丙酮溶液依次用乙醇與去離子水反復(fù)洗滌，再將樣品置于100℃真空干燥箱中烘干，去掉纖維表面保護膠料層，并記為e-bf。

（3）硝酸氧化處理玄武巖纖維

在50℃恒溫水浴鍋中將上述經(jīng)過去表面涂層的纖維e-bf浸漬于濃硝酸中氧化，氧化時間為2.5h，以增強其表面活性。氧化完后依次用蒸餾水與乙醇反復(fù)洗滌纖維，直至清除其表面殘留的濃硝酸清洗至中性，然后在100℃真空干燥，將制得的纖維記為n-bf。

（4）kh550溶液改性玄武巖纖維

將經(jīng)過濃硝酸處理的纖維即n-bf浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%kh550乙醇溶液中，于75℃加熱環(huán)境中回流反應(yīng)4h。經(jīng)乙醇洗滌，在索氏抽提器中乙醇抽提24h，然后在100℃真空干燥，將制得的改性纖維記為kh-bf。

（5）納米sio2改性溶液改性玄武巖纖維

將改性的纖維kh-bf浸漬于納米sio2改性溶液中用燒杯盛放，隨后將燒杯置于存有100℃純水的超聲清洗器中，超聲反應(yīng)1.5h，然后將超聲后的碳纖維樣品置于乙醇中震蕩洗滌6次，制得納米sio2接枝或生長的纖維試樣，記為si-cf。

本實施方式中，通過采用合理的試件成型工藝成功制備了玄武巖纖維單絲拔出試樣的試件并進行單絲拔出試驗。通過拔出試驗測得玄武巖纖維的位移-荷載曲線，進而測定了改性前后的界面粘結(jié)強度，表明與未改性玄武巖纖維相比，提高粘結(jié)性能和界面強度1倍以上，提高了玄武巖纖維增強水泥基材料的強度和韌性。

具體實施方式四：本實施方式提供了一種具有與水泥基材料高界面粘結(jié)強度的改性聚乙烯醇纖維的制備方法，具體實施步驟如下：

（1）制備納米sio2改性溶液

選取500ml燒瓶作為反應(yīng)容器，稱量460g乙醇溶液與27g去離子水置于燒杯中并充分混合攪拌，隨后將208g的正硅酸乙酯置入混合液中。將所配備的溶液密封靜置反應(yīng)2h，然后室溫下緩慢攪拌10h，得透明sio2溶膠，隨后向溶液中緩慢滴加0.2mlkh560改性所制備的透明sio2溶膠，并繼續(xù)反應(yīng)12h，制得納米sio2改性溶液，備用。

（2）去除聚乙烯醇纖維表面涂層

截取10g聚乙烯醇纖維置于索氏提取瓶中，加入適量體積的丙酮溶液在70℃的條件下恒溫回流洗滌10h，而后濾去丙酮溶液依次用乙醇與去離子水反復(fù)洗滌，再將樣品置于100℃真空干燥箱中烘干，去掉聚乙烯醇纖維表面保護膠料層，制得去表面涂層的聚乙烯醇纖維。

（3）硝酸氧化處理聚乙烯醇纖維

在60℃恒溫水浴鍋中將上述經(jīng)過去表面涂層的聚乙烯醇纖維浸漬于濃硝酸中氧化，氧化時間為3h，以增強其表面活性。氧化完后依次用蒸餾水與乙醇反復(fù)洗滌纖維，直至清除其表面殘留的濃硝酸清洗至中性，然后在100℃真空干燥，制得硝酸氧化處理的聚乙烯醇纖維。

（4）kh550溶液改性聚乙烯醇纖維

將經(jīng)過濃硝酸處理的聚乙烯醇纖維浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%kh550乙醇溶液中，于80℃加熱環(huán)境中回流反應(yīng)3h。經(jīng)乙醇洗滌，在索氏抽提器中乙醇抽提24h，然后在100℃真空干燥，制得kh550溶液改性的聚乙烯醇纖維。

（5）納米sio2改性溶液改性聚乙烯醇纖維

將kh550溶液改性的聚乙烯醇纖維浸漬于納米sio2改性溶液中用燒杯盛放，隨后將燒杯置于存有80℃純水的超聲清洗器中，超聲反應(yīng)3h，然后將超聲后的碳纖維樣品置于乙醇中震蕩洗滌6次，制得納米sio2接枝或生長的纖維試樣。

本實施方式中，通過采用合理的試件成型工藝成功制備了聚乙烯醇纖維單絲拔出試樣的試件并進行單絲拔出試驗。通過拔出試驗測得聚乙烯醇纖維的位移-荷載曲線，進而測定了改性前后的界面粘結(jié)強度，表明與未改性聚乙烯醇纖維相比，提高粘結(jié)性能和界面強度1倍以上，提高了聚乙烯醇纖維增強水泥基材料的強度和韌性。