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

背景技術：

1、在核電混凝土工程領域，為了使混凝土對γ射線、x射線以及中子輻射具有較強的屏蔽能力，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、由于鋼質材料密度遠大于天然礦物質材料，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手段，其對于防輻射混凝土密度的提升效果極為顯著，同時也具有較高的性價比。另一方面，鋼丸由于其球狀粒形可以在體系中發(fā)揮滾動效應，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到自密實要求，摻加一定量的鋼丸作為細骨料效果顯著。專利“一種高表觀密度的預拌泵送重混凝土及其制備方法”中介紹了使用不同級配的鋼丸配制重混凝土，可配制出4400kg/m3的超重混凝土，密度可設計性強。

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、泌水風險，這也會導致其與水泥砂漿之間的界面粘結力不足，弱化混凝土界面過渡區(qū)，進而影響混凝土整體的力學性能；同時，在自身重力作用下，光滑的鋼丸會加大其在混凝土澆筑過程中的沉降風險，在混凝土硬化成型后會出現(xiàn)密度不均的現(xiàn)象?；谏鲜鰡栴}，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，還能避免因鋼質材料與各材料間密度差異過大而導致的分層和離析問題。

4、公開于該背景技術部分的信息僅僅旨在加深對本發(fā)明總體背景技術的理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成本領域技術人員所公知的現(xiàn)有技術。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的第一個目的是提供一種改性配重鋼質骨料，經過改性后的骨料可大大提高其與水泥砂漿層的界面黏結力，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、泌水風險，涉及的制備方法簡單、操作方便，適合推廣。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是：

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

4、采用改性層包裹鋼丸形成核殼結構的原因主要是針對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，增強了水泥基殼層與鋼丸的結合力，同時提高鋼丸與周圍砂漿和水化產物凝膠的粘結性；(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。

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骨料密度雖然會減小，但減小的程度較小，同時一定程度上減小可以使混凝土整個密度更均勻，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提高其與混凝土漿體的界面粘結問題，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，與周圍水泥漿體形成強界面結合；增加了改性配重鋼質骨料與混凝土基體的機械咬合力和化學結合力。與未處理鋼丸相比，本發(fā)明中改性配重鋼質骨料球形粒度均勻，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致更多的水分用于水化或充當自由水，導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度下降的問題。同時在混凝土硬化后，改性配重鋼質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性能和耐久性。

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

8、為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是：

9、一種改性配重鋼質骨料的制備方法，包括如下操作步驟：

10、s01將直徑范圍為0.5～5mm的鋼丸，置入拋光設備中進行精密拋光預處理；然后對拋光后的鋼制球體進行清洗處理，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態(tài)接觸，實現(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，選用滾筒式拋光機或振動式拋光機，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)達到0.2～0.5μm，確保表面既能附著界面改性劑，又不會過于光滑導致粘結力下降。

13、具體的，粗磨階段采用較大粒徑的磨料(如60～120目)，利用磨料的較強切削力，快速去除表面缺陷與雜質，時間控制在20～30min，以去除表面較大不平整和雜質，精磨采用較細粒徑的磨料(如200～400目)，通過較小的切削作用進一步改善表面平整度，時間控制在30～60min，使表面粗糙度達到微米級。

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，對鋼丸的微觀形態(tài)影響小，不會引起過度切削；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采用界面改性劑對預處理后的鋼丸進行改性，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，增強鋼丸與無機粉體的界面結合力。

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)按質量分數(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；調整溶液的ph值至4～5，利于偶聯(lián)劑水解并形成活性基團，添加表面活性劑以增強均勻性；表面活性劑的摻量為0.1％～0.3％，能夠進一步降低表面張力，幫助溶液均勻附著在鋼丸表面；

18、(2)鋼丸的界面改性：將拋光預處理后的鋼丸完全浸沒于界面改性劑溶液中，控制浸泡時間為10～20min，保證鋼丸表面均勻附著改性劑；將經過改性劑處理的鋼丸從溶液中取出進行干燥：溫度控制在60～80℃；時間為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(-oh)發(fā)生縮合反應，形成化學鍵(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，然后與經界面改性后的鋼丸一起放入成球機中，成球機通過滾動、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，滾動成球，期間噴灑水分提供必要的潤濕性與粘結力，保證粉體在滾動過程中逐步成型。

21、作為優(yōu)選的，步驟s03中，按照質量份數(shù)計，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中攪拌5-10min，直至材料分布均勻、無明顯團聚現(xiàn)象，還可添加少量分散劑或減水劑提高粉體的流動性，混合均勻后與鋼丸一起放入成球機中，粉體材料與經界面改性后的鋼丸表面發(fā)生機械咬合和物理粘附；水分在滾動過程中激活粉體中的水泥基材料，形成初步膠結層；界面改性劑的存在進一步增強粉體與鋼丸的結合力，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量的5％～10％，避免過濕影響成球強度。

23、作為優(yōu)選的，成球機的轉速為15～25轉/min，成球時間為10～20min。制得改性配重鋼質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骨料置于混凝土養(yǎng)護室內，在標準條件下(20±2℃，濕度≥95％)養(yǎng)護7～14天，得到改性配重鋼質骨料。

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

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

27、為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是：

28、采用上述方法制得的改性配重鋼質骨料制備自密實混凝土，按照質量份數(shù)計，自密實混凝土包括包括水泥270～300份，ⅰ級粉煤灰60～80份，s95礦粉80～100份，細砂1100～1300份，碎石1100～1300份，改性配重鋼質骨料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度；細沙作為細骨料，優(yōu)選中細砂，具體選擇細度模數(shù)為2.3～2.6，表觀密度為4600～4800kg/m3的鐵礦石，確?；炷恋暮鸵仔?；碎石作為粗骨料，選擇粒徑為5～20mm、級配良好，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)，改善混凝土流動性和強度性能。

30、自密實混凝土的制備方法為：

31、將水泥、細骨料、粗骨料和改性配重鋼質骨料按比例投入攪拌機低速攪拌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，使混凝土拌合物達到均勻狀態(tài)；

33、將混凝土拌合物澆筑并使用振動器進行振搗，排除混凝土中的氣泡，確保密實性；

34、澆筑后的混凝土表面覆蓋濕布或塑料薄膜，在標準條件下(20±2℃，濕度≥95％)養(yǎng)護7～14天，使混凝土達到設計強度要求。

35、有益效果

36、(1)改性材料為水泥、粉煤灰等活性較強的物質，通過核殼結構包覆鋼丸骨料，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物凝膠的界面黏結力。同時，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致的離析和泌水問題。該制備方法簡單、操作方便，具有良好的推廣應用價值。

37、(2)在改性過程中，粒徑較小的鋼丸骨料通過持續(xù)滾動，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。這種結構不僅有利于c-s-h凝膠的附著，還能改善混凝土界面過渡區(qū)的微觀結構，從而顯著提升混凝土的整體強度。

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。這種設計可以顯著增加骨料下沉的阻滯力，從而降低鋼質骨料在新拌混凝土中的下沉風險。