一种利用花生壳灰制备的高延性纤维混凝土

本发明涉及高延性纤维混凝土制备领域，具体涉及一种利用花生壳灰制备的高延性纤维混凝土。

背景技术：

1、混凝土作为最常用的建筑材料之一，在建筑行业中发挥着至关重要的作用。混凝土可以分为两大类，一种是传统混凝土，一种是高延性纤维混凝土(ecc)。传统混凝土：水泥、水、砂(细骨料)、石子(粗骨料)及减水剂、矿物、纤维或其他增强材料以一定比例混合得到，增强材料可加可不加，加了增强材料，可以得到高性能的传统混凝土。传统混凝土配比中，用量最多的是砂子、石子等骨料，其次才是水泥。传统混凝土中水和水泥的质量比一般高于0.4，更关注的是其力学性能和耐久性能。ecc混凝土：水泥、砂子、纤维、水、减水剂。ecc混凝土中不需要添加石子等粗骨料，其配比中用量最多的是水泥，且ecc具有较低的水胶比，水和水泥胶凝体系的比例一般低于0.3。ecc混凝土又称为可弯曲的混凝土，具有很高的韧性，更关注的是它的应变率(延性)。

2、传统混凝土和ecc混凝土的侧重点不一样，使用的场所也不一样，配比存在巨大差异。随着社会的不断发展，超高层建筑、深埋隧道、大坝等超大型结构对混凝土的需求量急剧上升。为了承受这些巨型结构的荷载，混凝土需要在各个方面具有优异的性能，例如高抗压和抗拉强度、及高耐久性以抵抗侵蚀性物质(例如氯/硫酸根离子或化学剂)的渗透。然而，传统混凝土是一种脆性材料，它的韧性指标与其自身的强度呈负相关，在提高混凝土强度等级的同时，其韧性指标会下降，使其易开裂。传统混凝土的脆性和易开裂性阻碍了混凝土在建筑行业中的使用，特别是当结构承受过大的荷载时，例如爆炸和地震引起的荷载。为了解决这些问题，高延性纤维增强水泥基复合材料(ecc)(具有极高的拉伸应变能力，是传统混凝土的数百倍)越来越多的应用到工程实践中。

3、ecc虽然具有更好的性能，但因其水泥用量超过700kg/m3，约为传统混凝土水泥用量的2-3倍。在ecc混凝土中，纤维是提升混凝土性能的关键，纤维的种类、纤维和水泥基体间的粘结性能会影响ecc的各种性能指标。目前ecc中最常用的是钢纤维、聚乙烯纤维(pe)、聚乙烯醇纤维(pva)等。聚乙烯纤维具有超高强度，将其加入ecc中可以显著提升ecc力学强度，但pe纤维表面光滑疏水，难以和水泥基体发生良好的粘结行为，这限制了pe纤维对ecc性能的增强效果。一些工业副产品，如粉煤灰、硅灰和磨碎的粒化高炉矿渣等具有火山灰效应，活性火山灰成分会增加纤维和水泥基体之间的粘结性能，促进混凝土强度和延性的发展。粉煤灰和硅灰这样的火山灰成分已经被广泛研究来部分替代ecc中的水泥。

4、中国是世界上最大的花生生产国，每年可生产花生壳约540万吨，而花生壳约占花生质量的30％。花生壳通常被丢弃或堆放和焚烧。燃烧花生壳不可避免地会形成副产品—花生壳灰，这不仅浪费潜在资源，而且污染土壤和水体。花生壳灰也属于生物质灰的范畴，具有火山灰效果。利用花生壳灰来制备生态ecc的研究处于空白。有一些技术成功将生物质灰用到ecc的胶凝体系中，但是从生物质原材料获得生物质灰的过程是需要经历多层工艺的，目前的处理技术很少关注生物质灰的制备工艺对活性的影响。此外，生物质灰在ecc中的应用通常是考虑其与水泥、硅灰混掺后的作用效果，很少考虑多元胶凝体系下生物质灰的掺入对ecc性能变化规律的影响。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种利用花生壳灰制备的高延性纤维混凝土。本发明通过对花生壳灰进行操作处理来开发生态型ecc，旨在为进一步开发利用废弃材料部分替代水泥的环境和经济可持续的高强度、高延性ecc提供参考。用花生壳灰代替水泥，农业固废二次利用。一定程度上能够减少土地占用、以及土壤、空气污染和地下水污染。本发明首次使用花生壳灰来制备ecc，利用水泥、硅灰、矿粉、粉煤灰及花生壳灰构造ecc的多元胶凝体系，属于ecc胶凝体系原材料及配比设计上的创新。花生壳经过燃烧后剩下25％左右的花生壳灰，花生壳灰占花生质量的7.5％。稻壳灰是一种被广泛应用于土木工程领域的生物质材料，稻壳约占稻谷质量的20％，稻壳经过燃烧后剩下20％左右的稻壳灰，稻壳灰约占稻壳质量的4％。同等提取条件下花生壳灰的产率高于稻壳灰，提升了生物质灰的制备效率，节约生物质灰的提取成本，也更容易实现产业化应用。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、本发明第一方面提供了一种高延性纤维混凝土，包括以下质量份的组分：水泥80-95份，花生壳灰5-20份，矿粉8-12份，硅灰18-22份，粉煤灰18-22份，聚乙烯纤维1-2份，标准砂40-50份，减水剂2-4份，水20-30份；所述水泥和花生壳灰的总用量为100份。

4、优选地，所述高延性纤维混凝土，包括以下质量份的组分：水泥80-95份，花生壳灰5-20份，矿粉9-11份，硅灰19-21份，粉煤灰19-21份，聚乙烯纤维1-2份，标准砂44-46份，减水剂2-4份，水22-28份；所述水泥和花生壳灰的总用量为100份。

5、进一步优选地，所述花生壳灰的用量为花生壳灰和水泥总量的5％-20％。

6、优选地，所述花生壳灰包括以下质量百分比的成分：28％-45％sio2、5％-20％al2o3、8％-18％fe2o3、3％-12％mgo、6％-26％cao、0.8％-1.5％na2o、6％-11％k2o、0.5％-2.5％mno、2.5％-4％p2o5、0.4％-0.7％tio2、2.5％-5.5％so3。

7、优选地，所述水泥为普通硅酸盐水泥，所述硅灰的sio2含量为94wt％-96wt％，所述聚乙烯纤维的长度为10-14mm，所述花生壳灰的粒径为1-150μm。

8、优选地，所述花生壳灰的制备方法包括以下步骤：

9、将清洗、干燥后的花生壳放入马弗炉中，5-10℃/min升温，升温至400-700℃，保温0.8-1.2h，煅烧后产物加入三乙醇胺作为助磨剂，放入研磨机进行研磨，最后得到所述花生壳灰。

10、进一步优选地，所述花生壳灰的制备方法中，升温速率为5℃/min，升温至600℃，保温0.8-1.2h。

11、进一步优选地，所述花生壳灰的制备方法中，所述三乙醇胺助磨剂的添加量为煅烧后产物质量的0.08％-0.12％。

12、进一步优选地，所述花生壳灰的制备方法中，所述研磨机的转速为300-350转/min，研磨时间为30-40min。

13、本发明第二方面提供了一种所述的高延性纤维混凝土的制备方法，包括以下步骤：

14、将高延性纤维混凝土的制备原料按配方混合，浇筑水泥浆体，使用振动台振捣，将制备好的样品在室内静置后移入标准养护室内养护，养护后得到所述高延性纤维混凝土。

15、优选地，室内静置的时间为0.5-1.5天，标准养护室内养护的时间为25-28天。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、1、本发明使用矿粉、粉煤灰、硅灰和花生壳灰四种火山灰活性成分协同作为水泥胶凝体系，在显著减少水泥用量的前提下，增加pe纤维和水泥基体粘结性能，充分发挥pe纤维的增韧效果，提升ecc的力学性能、抗裂性能。随着花生壳灰掺量的增加，ecc的韧性增加，应变率不断变大。本发明中ecc试块的最大应变率可以达到9.25％。而评判ecc是否满足ecc的性能标准，通常是评判ecc的应力应变率是否超过2％，本发明中ecc最大的应变率远远超过2％，本发明得到一种超高延性、防开裂的高性能ecc。

18、2、本发明中花生壳灰、矿粉、粉煤灰、硅灰属于火山灰成分，促进水泥的二次水化，生成更多的水化产物，填充水泥基体内部的孔隙，增加ecc的抗压强度。当花生壳灰的替代率为10％时，ecc的抗压强度抗压达到91.25mpa。

19、3、本发明以花生壳灰代替一部分水泥来制备ecc，可以降低ecc样品在制备过程中的成本。

20、4、考虑燃烧温度、升温速率对花生壳在烧成花生壳灰的处理过程中对生物质灰性能的影响，得到花生壳灰后，常规处理手段是直接对生物质灰进行研磨，本发明首次提出对燃烧后的生物质加入助磨剂(本发明使用三乙醇胺作为助磨剂)，加入助磨剂后，利用研磨机对花生壳灰进行研磨，得到尺寸分布均匀的花生壳灰。这是生物质材料处理过程中的创新。