本發(fā)明涉及建筑材料，尤其涉及一種改性配重鋼質(zhì)骨料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、在核電混凝土工程領(lǐng)域，為了使混凝土對(duì)γ射線、x射線以及中子輻射具有較強(qiáng)的屏蔽能力，通過提高混凝土的表觀密度來吸收和衰減這些射線，是提升防輻射性能的重要手段。因此，防輻射混凝土的高表觀密度及其他技術(shù)要求使得其與普通混凝土在原材料選擇上存在一定差異。

2、由于鋼質(zhì)材料密度遠(yuǎn)大于天然礦物質(zhì)材料，所以用球形鋼丸(表觀密度為7200～8000kg/m3)作為配重材料是提高防輻射混凝土表觀密度的重要技術(shù)手段，其對(duì)于防輻射混凝土密度的提升效果極為顯著，同時(shí)也具有較高的性價(jià)比。另一方面，鋼丸由于其球狀粒形可以在體系中發(fā)揮滾動(dòng)效應(yīng)，高表觀密度混凝土的拌合物性能也能得到一定改善。因此，若要保證防輻射混凝土具有足夠高的密度且具備優(yōu)異的拌合物性能甚至達(dá)到自密實(shí)要求，摻加一定量的鋼丸作為細(xì)骨料效果顯著。專利“一種高表觀密度的預(yù)拌泵送重混凝土及其制備方法”中介紹了使用不同級(jí)配的鋼丸配制重混凝土，可配制出4400kg/m3的超重混凝土，密度可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。

3、鋼丸可以顯著提高混凝土的表觀密度，但也存在一定問題：首先，鋼丸的界面比天然骨料光滑且不吸水，在相同水膠比前提下，更多的水分可以作為自由水，混凝土更容易出現(xiàn)離析、泌水風(fēng)險(xiǎn)，這也會(huì)導(dǎo)致其與水泥砂漿之間的界面粘結(jié)力不足，弱化混凝土界面過渡區(qū)，進(jìn)而影響混凝土整體的力學(xué)性能；同時(shí)，在自身重力作用下，光滑的鋼丸會(huì)加大其在混凝土澆筑過程中的沉降風(fēng)險(xiǎn)，在混凝土硬化成型后會(huì)出現(xiàn)密度不均的現(xiàn)象。基于上述問題，開發(fā)一種改性配置鋼丸具有重要意義。這種材料不僅能使混凝土保持高表觀密度，還能避免因鋼質(zhì)材料與各材料間密度差異過大而導(dǎo)致的分層和離析問題。

4、公開于該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在加深對(duì)本發(fā)明總體背景技術(shù)的理解，而不應(yīng)當(dāng)被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種改性配重鋼質(zhì)骨料，經(jīng)過改性后的骨料可大大提高其與水泥砂漿層的界面黏結(jié)力，并且可有效改善混凝土拌合物和易性，降低混凝土由于各材料間密度差異過大而引起的離析、泌水風(fēng)險(xiǎn)，涉及的制備方法簡(jiǎn)單、操作方便，適合推廣。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

3、一種改性配重鋼質(zhì)骨料，包括作為核心介質(zhì)的鋼丸，以及設(shè)置在鋼丸外的改性層，改性層為粉體材料在鋼丸外側(cè)滾動(dòng)包覆制得，改性層的厚度為1～2mm。

4、采用改性層包裹鋼丸形成核殼結(jié)構(gòu)的原因主要是針對(duì)普通鋼丸的界面問題和沉降問題：(1)通過界面改性劑和水化反應(yīng)，增強(qiáng)了水泥基殼層與鋼丸的結(jié)合力，同時(shí)提高鋼丸與周圍砂漿和水化產(chǎn)物凝膠的粘結(jié)性；(2)通過改性層的表面粗糙度和界面親和性提高與漿體的摩擦阻力，并結(jié)合鋼丸的高密度核心形成更均勻的密度梯度，從而減緩下沉趨勢(shì)。

5、鋼丸本身不具備防輻射性能，其在體系中最主要目的是配重，包裹改性層后形成的改性配重鋼質(zhì)骨料密度雖然會(huì)減小，但減小的程度較小，同時(shí)一定程度上減小可以使混凝土整個(gè)密度更均勻，形成更好的密度梯度，避免各材料之間密度差過大，導(dǎo)致混凝土分層。

6、本發(fā)明中，改性層的包裹相比普通鋼丸會(huì)提高其與混凝土漿體的界面粘結(jié)問題，改性層由水泥基粉體材料包覆形成，能夠在混凝土硬化過程中發(fā)生水化反應(yīng)，與周圍水泥漿體形成強(qiáng)界面結(jié)合；增加了改性配重鋼質(zhì)骨料與混凝土基體的機(jī)械咬合力和化學(xué)結(jié)合力。與未處理鋼丸相比，本發(fā)明中改性配重鋼質(zhì)骨料球形粒度均勻，改善了鋼丸表面光滑且不吸水的特性，解決了體系中由于鋼丸的存在導(dǎo)致更多的水分用于水化或充當(dāng)自由水，導(dǎo)致鋼丸與水泥石界面生成更多的ca(oh)2且加寬界面過渡區(qū)，致使界面過渡區(qū)脆弱而使配制的混凝土強(qiáng)度下降的問題。同時(shí)在混凝土硬化后，改性配重鋼質(zhì)骨料被牢固嵌入基體中，減少微觀缺陷，提升混凝土整體的力學(xué)性能和耐久性。

7、本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種改性配重鋼質(zhì)骨料的制備方法，具有同樣的技術(shù)效果。

8、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

9、一種改性配重鋼質(zhì)骨料的制備方法，包括如下操作步驟：

10、s01將直徑范圍為0.5～5mm的鋼丸，置入拋光設(shè)備中進(jìn)行精密拋光預(yù)處理；然后對(duì)拋光后的鋼制球體進(jìn)行清洗處理，具體采用超聲波清洗或去離子水沖洗并烘干備用；

11、鋼丸在拋光過程中，通過與工件表面的動(dòng)態(tài)接觸，實(shí)現(xiàn)了表面粗糙度的降低和比表面積的增加，從而優(yōu)化了材料的表面特性。

12、作為優(yōu)選的，選用滾筒式拋光機(jī)或振動(dòng)式拋光機(jī)，采用粒徑為60～400目的磨料，鋼丸和磨料的比例為1：2～3，并加入去離子水或水基拋光液，拋光至鋼丸的表面粗糙度(ra)達(dá)到0.2～0.5μm，確保表面既能附著界面改性劑，又不會(huì)過于光滑導(dǎo)致粘結(jié)力下降。

13、具體的，粗磨階段采用較大粒徑的磨料(如60～120目)，利用磨料的較強(qiáng)切削力，快速去除表面缺陷與雜質(zhì)，時(shí)間控制在20～30min，以去除表面較大不平整和雜質(zhì)，精磨采用較細(xì)粒徑的磨料(如200～400目)，通過較小的切削作用進(jìn)一步改善表面平整度，時(shí)間控制在30～60min，使表面粗糙度達(dá)到微米級(jí)。

14、作為優(yōu)選的，磨料為氧化鋁粉、碳化硅粉或陶瓷微粒中的一種或多種。氧化鋁粉和陶瓷微粒硬度適中，對(duì)鋼丸的微觀形態(tài)影響小，不會(huì)引起過度切削；碳化硅粉硬度較高，但具有良好的自銳性，能夠保持磨削鋒利性，減少磨料對(duì)鋼丸的二次損傷；通過控制磨料的粒徑范圍(60～400目)，可逐步實(shí)現(xiàn)從粗磨到精磨的表面處理，確保鋼丸表面平整度與光滑度兼顧。

15、s02采用界面改性劑對(duì)預(yù)處理后的鋼丸進(jìn)行改性，待分散均勻后備用；其中，界面改性劑為硅烷偶聯(lián)劑，能夠在鋼丸表面形成活性基團(tuán)，增強(qiáng)鋼丸與無機(jī)粉體的界面結(jié)合力。

16、作為優(yōu)選的，改性包括如下步驟：

17、(1)界面改性劑溶液的制備：將硅烷偶聯(lián)劑(如kh-550、kh-570)按質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5％～2％的比例加入去離子水或乙醇溶液中，攪拌均勻形成透明溶液；調(diào)整溶液的ph值至4～5，利于偶聯(lián)劑水解并形成活性基團(tuán)，添加表面活性劑以增強(qiáng)均勻性；表面活性劑的摻量為0.1％～0.3％，能夠進(jìn)一步降低表面張力，幫助溶液均勻附著在鋼丸表面；

18、(2)鋼丸的界面改性：將拋光預(yù)處理后的鋼丸完全浸沒于界面改性劑溶液中，控制浸泡時(shí)間為10～20min，保證鋼丸表面均勻附著改性劑；將經(jīng)過改性劑處理的鋼丸從溶液中取出進(jìn)行干燥：溫度控制在60～80℃；時(shí)間為30～60min，以確保改性劑在鋼丸表面充分固化并形成穩(wěn)定涂層，干燥后的鋼丸表面呈現(xiàn)均勻、微粗糙的狀態(tài)，有利于后續(xù)粉體材料的結(jié)合。

19、過程中，硅烷偶聯(lián)劑在弱酸性條件下發(fā)生水解，生成活性基團(tuán)硅醇基(si-oh)，硅醇基通過與拋光后的鋼丸表面上的羥基基團(tuán)(-oh)發(fā)生縮合反應(yīng)，形成化學(xué)鍵(si-o-si)，使改性劑均勻附著并穩(wěn)定存在；在干燥溫度下，改性劑進(jìn)一步固化，最終形成致密、均勻、微粗糙的穩(wěn)定涂層。

20、s03將粉體材料按比例混合均勻，然后與經(jīng)界面改性后的鋼丸一起放入成球機(jī)中，成球機(jī)通過滾動(dòng)、摩擦與撞擊作用，使粉體材料均勻附著并逐層包覆在鋼丸表面，滾動(dòng)成球，期間噴灑水分提供必要的潤濕性與粘結(jié)力，保證粉體在滾動(dòng)過程中逐步成型。

21、作為優(yōu)選的，步驟s03中，按照質(zhì)量份數(shù)計(jì)，粉體材料包括40～60份水泥、20～35份粉煤灰、10～31份硅灰和0～5份石膏。將上述粉體材料置于混合機(jī)中攪拌5-10min，直至材料分布均勻、無明顯團(tuán)聚現(xiàn)象，還可添加少量分散劑或減水劑提高粉體的流動(dòng)性，混合均勻后與鋼丸一起放入成球機(jī)中，粉體材料與經(jīng)界面改性后的鋼丸表面發(fā)生機(jī)械咬合和物理粘附；水分在滾動(dòng)過程中激活粉體中的水泥基材料，形成初步膠結(jié)層；界面改性劑的存在進(jìn)一步增強(qiáng)粉體與鋼丸的結(jié)合力，避免包覆層脫落。

22、作為優(yōu)選的，步驟s03中，粉體材料和鋼丸的質(zhì)量比為1～2:1，采用微霧化噴嘴將水噴灑均勻，水分控制粉體材料質(zhì)量的5％～10％，避免過濕影響成球強(qiáng)度。

23、作為優(yōu)選的，成球機(jī)的轉(zhuǎn)速為15～25轉(zhuǎn)/min，成球時(shí)間為10～20min。制得改性配重鋼質(zhì)骨料的外觀尺寸均勻，無明顯過大或過小的偏差；粉體包覆層致密且穩(wěn)定，提升骨料的表觀密度與抗壓性能。

24、s04將成型后的配重鋼質(zhì)骨料置于混凝土養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，在標(biāo)準(zhǔn)條件下(20±2℃，濕度≥95％)養(yǎng)護(hù)7～14天，得到改性配重鋼質(zhì)骨料。

25、作為優(yōu)選的，步驟s04中，將成球后的骨料置于通風(fēng)環(huán)境中自然固化2～4小時(shí)，再搬運(yùn)至混凝土養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)7天。

26、本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供一種改性配重鋼質(zhì)骨料的應(yīng)用方法，將其用于自密實(shí)混凝土中進(jìn)行配重，顯著提高自密實(shí)混凝土的表觀密度。

27、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

28、采用上述方法制得的改性配重鋼質(zhì)骨料制備自密實(shí)混凝土，按照質(zhì)量份數(shù)計(jì)，自密實(shí)混凝土包括包括水泥270～300份，ⅰ級(jí)粉煤灰60～80份，s95礦粉80～100份，細(xì)砂1100～1300份，碎石1100～1300份，改性配重鋼質(zhì)骨料450～550份，水160～180份，外加劑3～5份。

29、作為優(yōu)選的，水泥選用普通硅酸鹽水泥(如p.o?42.5、p.o?52.5)，用于提供膠凝性能和強(qiáng)度；細(xì)沙作為細(xì)骨料，優(yōu)選中細(xì)砂，具體選擇細(xì)度模數(shù)為2.3～2.6，表觀密度為4600～4800kg/m3的鐵礦石，確保混凝土的和易性；碎石作為粗骨料，選擇粒徑為5～20mm、級(jí)配良好，表觀密度為4600～4800kg/m3的鐵礦石，起到骨架支撐作用；外加劑選用高效減水劑(如聚羧酸減水劑)，改善混凝土流動(dòng)性和強(qiáng)度性能。

30、自密實(shí)混凝土的制備方法為：

31、將水泥、細(xì)骨料、粗骨料和改性配重鋼質(zhì)骨料按比例投入攪拌機(jī)低速攪拌0.5～1min，使所有固體材料初步混合均勻。

32、在干拌均勻的基礎(chǔ)上，逐步加入水和外加劑；提高攪拌速度，繼續(xù)攪拌2.5～4min，使混凝土拌合物達(dá)到均勻狀態(tài)；

33、將混凝土拌合物澆筑并使用振動(dòng)器進(jìn)行振搗，排除混凝土中的氣泡，確保密實(shí)性；

34、澆筑后的混凝土表面覆蓋濕布或塑料薄膜，在標(biāo)準(zhǔn)條件下(20±2℃，濕度≥95％)養(yǎng)護(hù)7～14天，使混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

35、有益效果

36、(1)改性材料為水泥、粉煤灰等活性較強(qiáng)的物質(zhì)，通過核殼結(jié)構(gòu)包覆鋼丸骨料，不僅使其呈現(xiàn)更加均勻規(guī)整的球形顆粒形態(tài)，改善混凝土拌合物性能，還能顯著提高與水泥砂漿和水化產(chǎn)物凝膠的界面黏結(jié)力。同時(shí)，改性處理降低了鋼丸的表觀密度，有效緩解了重混凝土因密度過大導(dǎo)致的離析和泌水問題。該制備方法簡(jiǎn)單、操作方便，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

37、(2)在改性過程中，粒徑較小的鋼丸骨料通過持續(xù)滾動(dòng)，能夠有效粘附處于不同水化狀態(tài)的原材料顆粒，形成表觀致密的改性層。這種結(jié)構(gòu)不僅有利于c-s-h凝膠的附著，還能改善混凝土界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，從而顯著提升混凝土的整體強(qiáng)度。

38、(3)本發(fā)明通過在鋼丸的表面上粘接大小不等的粉體顆粒，有效增加骨料表面的粗糙度。這種設(shè)計(jì)可以顯著增加骨料下沉的阻滯力，從而降低鋼質(zhì)骨料在新拌混凝土中的下沉風(fēng)險(xiǎn)。