CN103321411A - 一种基于内模的混凝土孔结构设计与调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑材料设计领域，具体涉及一种基于内模的混凝土孔结构设计与调控方法，其步骤如下：（1）高吸水树脂进行预吸水：将高吸水树脂浸泡在盐水或淡水中达到设定粒径或直至饱和状态，捞出待用；（2）以吸水后的高吸水树脂作为内模，通过设定内模的几何形状、尺寸、用量和排布方式，高吸水树脂在混凝土浇筑后逐渐释放其中的水分，自身萎缩，在混凝土内部形成设定几何特征及空间分布规律的封闭孔隙或空腔结构。该种控制方法简单易行，受影响因素小，可根据需要实现内部孔形状、孔大小、孔分布、孔隙率、孔间距等准确可调，实现混凝土结构功能一体化。

Description

一种基于内模的混凝土孔结构设计与调控方法

技术领域

本发明属于建筑材料设计领域，具体涉及一种基于内模的混凝土孔结构设计与调控方法。

背景技术

目前我国仍处于大规模基础建设时期，混凝土年产量已连续多年超过世界混凝土年产量的一半以上。对于普通混凝土而言，碎石、砂子的总体积占混凝土体积的70%~80%，每年需要消耗碎石和砂子数十亿吨，对资源、环境产生非常大的影响。

同时，普通混凝土还存在自重过大、保温性能不良等问题，在一些设定要求下不能满足使用要求。针对这些缺陷，国内外对于轻集料混凝土、泡沫混凝土等都已经有较多研究。轻集料混凝土对轻集料的性能有较大的依赖性，往往会因为得不到优质的轻集料而受到限制，而我国目前生产的轻集料质量还达不到国际水准；另外，轻质集料的生产还面临能耗高、资源浪费等问题。泡沫混凝土受泡沫稳定性、孔洞形状、孔径尺寸、均匀性、孔隙率等因素影响较大，然而由于制备工艺的限制这些因素往往难以人为精确控制。 

目前所用的混凝土模板只能对混凝土构件进行外部围护成型。

另外，目前所接触的混凝土均难以实现内部结构人为准确调控，比如内部孔形状、孔大小、孔分布、孔隙率、孔间距等。同时，当混凝土内部存在连续开放的非封闭孔时，将会带来耐久性等问题；当混凝土内部存在的孔洞形状不规则，则会造成应力集中等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种基于内模的混凝土孔结构设计与调控方法，可以实现在混凝土内部制造设定几何特征及空间分布规律的封闭孔隙或空腔。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种基于内模的混凝土孔结构设计与调控方法，包括如下步骤：

（1）高吸水树脂进行预吸水：将高吸水树脂浸泡在水中达到设定粒径或直至饱和状态，捞出并沥干多余水分，待用；

（2）以吸水后的高吸水树脂作为内模，通过设定内模的形状、尺寸、用量和排布方式，高吸水树脂在混凝土浇筑后逐渐释放其中的水分，自身萎缩，在混凝土内部形成设定几何特征及空间分布规律的封闭孔隙或空腔结构。

按上述方案，所述的混凝土一般由水泥、矿物掺合料、集料、水、外加剂等组成，也可以根据需要进行调配。当然混凝土也可以由砂浆、净浆等替代。

按上述方案，所述高吸水树脂（简称SAP）的吸水倍率范围为20~300倍，成型前预先吸水，成型后在混凝土中释放水分，体积逐渐缩小并在其原来占据的空间形成封闭孔或尺寸较大的封闭空腔。

按上述方案，所述的封闭孔隙或空腔结构由内模的形状决定，所述封闭孔隙或空腔结构的形状可以为球形、方形、三角形、多边形、不规则形等。

按上述方案，所述的封闭孔隙或空腔结构的数量为一个、多个或大量。

按上述方案，所述的高吸水树脂吸水前的尺寸为不超过12mm，浸泡处理后尺寸2~50mm。

按上述方案，所述排布方式是均匀分布或者设定位置分布，所述均匀分布是通过内模与混凝土原料一起进行拌合实现的；所述设定位置分布是通过在混凝土原料的设定位置填充内模来实现的。

按上述方案，所述空间分布规律是指封闭孔隙或空腔结构的相互位置关系，比如封闭孔隙或空腔结构的间距、大小等。

本发明所述的混凝土内部形成封闭孔隙或空腔结构的空间分布规律，是由内模的用量及排布方式决定，而且可通过内模用量控制封闭孔隙率，及调控平均孔间距。所述的内模排布方式：一方面，当内模用量大的时候，可以将内模与混凝土原料一起进行拌合，从整体上获得均匀分布的内部结构；另一方面，当内模用量小的时候，在混凝土原料的设定位置填充内模，根据需要人为布置内模的分布位置。另外，不同内模（形状、尺寸）之间也可根据需要进行级配设计。

本发明通过对内模的形状、尺寸、用量和排布方式进行设计，从而在混凝土内部人为可控地制造设定几何特征及空间分布规律的封闭孔隙或空腔结构，高吸水树脂使用量低则形成低封闭孔隙率，反之，则形成高封闭孔隙率，实现混凝土结构-功能一体化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

第一，与以往混凝土外模板常进行的混凝土外部形状构造不同，以内模的形式在混凝土内部维护成型，从而构造不同的混凝土内部结构，且该方法简单易行；

第二，本发明以内模的形式实现混凝土（包括砂浆、净浆等）内部结构的形状、尺度及空间分布特征的可设计性，实现了混凝土内部孔结构形状、孔大小、孔分布、孔隙率、孔间距等准确可调，在一定范围内实现孔径大小的连续可调，在较大范围内实现了孔隙率的连续可调；

第三，通过该控制方法制备的混凝土内部孔结构可稳定控制，克服了泡沫混凝土等孔结构影响因素多且难以控制等问题；形成均匀规则、封闭孔结构改善应力集中等问题；

第四，通过该控制方法制备的混凝土密度有较大降低，同时可保证有足够强度，较大程度地降低混凝土固体原材料用量，避免了砂石资源的大量消耗； 

第五，在混凝土强度发展中，内部高吸水树脂的缓慢释放水的过程还可以起到内养护及调节混凝土内部湿度场的作用，不仅可起到减小混凝土收缩，降低混凝土开裂风险的作用，还可在一定程度上促进混凝土强度的发展。

附图说明

图1是具有均匀分布的某一粒径球形孔结构的混凝土结构。

图2 是孔隙率连续可调的球形孔结构。

图3 是具有级配孔结构的混凝土结构。

图4 是空腔分布可调的混凝土结构。

图5 是混凝土内部制造一个封闭球形空腔。

图6 是混凝土内部制造一个封闭方形空腔。

图7 是薄壁结构的混凝土结构。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

一种基于内模的混凝土孔结构设计与调控方法，控制混凝土的内部结构为孔径大小连续可调的球形结构，包括如下步骤：

（1）高吸水树脂进行预吸水：干燥球形高吸水树脂粒径范围为0~12mm（不等于0），经过浸泡处理后粒径范围为2~50mm，捞出并沥干多余水分，待用；

（2）以吸水后的高吸水树脂作为内模，高吸水树脂的形状为球形，尺寸为2~50mm，用量见表1，与混凝土原料一起进行拌合，高吸水树脂分布在混凝土内，高吸水树脂在混凝土硬化后逐渐释放其中的水分，自身萎缩，从而在混凝土内部形成均匀分布的孔径范围为2~50mm的封闭球形孔。

在此仅以干燥粒径为2~2.5mm的球形高吸水树脂为例，浸泡处理后粒径为5~6mm，故混凝土内部球形孔径控制在5~6mm范围内（如附图1所示）。

所用原材料及性能如下：

高吸水树脂(SAP)：（球形）干燥粒径2~2.5mm，浸泡后粒径5~6mm。

水泥：普通硅酸盐水泥（PC），比表面积318m²/kg，强度等级42.5；硫铝酸盐水泥（SAC），比表面积279 m²/kg，强度等级42.5。

矿物质掺合料：Ⅱ级粉煤灰（FA），细度（0.045mm筛余）7.8%；S95级矿渣粉（SG），比表面积420m²/kg；硅灰（SF），比表面积25000m²/kg。

细骨料：陶砂，最大粒径为4.75mm，表观密度为1.20 g/cm??，吸水率17%。

拌合水：自来水。

纤维：聚甲醛纤维，长度为6mm~12mm。

外加剂：聚羧酸减水剂，减水率为20%。

混凝土配合比（kg/m³）如表1。

内部孔径大小连续可调的混凝土主要性能见表2。

实施例2：

一种基于内模的混凝土孔结构设计与调控方法，控制混凝土的内部球形孔隙率的连续可调性，包括如下步骤：

（1）高吸水树脂进行预吸水：选取某一粒径范围（0-1mm，1-1.5mm，1.5-2mm，2-2.5mm，2.5-3mm，依次至12mm）或几个粒径范围级配的干燥球形高吸水树脂预先进行浸泡处理，当然也可选择不同形状的高吸水树脂进行结合（如形状不规则的高吸水树脂微粒），达到粒径要求后捞出并沥干多余水分，待用；

（2）以吸水后的高吸水树脂作为内模，用量见表2，与混凝土原料一起进行拌合，高吸水树脂分布在混凝土内，高吸水树脂在混凝土硬化后逐渐释放其中的水分，自身萎缩，从而在混凝土内部形成隙率为24%的均匀分布的球形孔。通过控制内模使用量，来达到混凝土内部封闭孔隙率连续可调的目的。高吸水树脂使用量低则形成低封闭孔隙率，反之，则形成高封闭孔隙率（如附图2所示）。高吸水树脂在混凝土硬化后逐渐释放其中的水分，自身萎缩基本消失，从而在混凝土内部形成具有某一球形孔隙率的封闭球形孔结构。

在此，仅以干燥粒径2~2.5mm的球形高吸水树脂设计球形孔隙率为24%的混凝土结构为例。

所用原材料及性能如下：

高吸水树脂(SAP)：（球形）干燥粒径2~2.5mm，浸泡处理后粒径5~6mm。

水泥：普通硅酸盐水泥（PC），比表面积318m²/kg，强度等级42.5；硫铝酸盐水泥（SAC），比表面积279 m²/kg，强度等级42.5。

矿物质掺合料：Ⅱ级粉煤灰（FA），细度（0.045mm筛余）7.8%；S95级矿渣粉（SG），比表面积420m²/kg；硅灰（SF），比表面积25000m²/kg。

细骨料：陶砂，最大粒径为4.75mm，表观密度为1.20 g/cm??，吸水率17%。

拌合水：自来水。

纤维：聚甲醛纤维，长度为6mm~12mm。

外加剂：聚羧酸减水剂，减水率为20%。

混凝土配合比（kg/m³）如表3。

孔隙率连续可调的混凝土主要性能如表4。

实施例3：

一种基于内模的混凝土孔结构设计与调控方法，控制混凝土的内部具有级配孔结构，包括如下步骤：

（1）干燥高吸水树脂颗粒进行级配：不同粒径之间（0-1mm，1-1.5mm，1.5-2mm，2-2.5mm，2.5-3mm，依次至12mm）可选任意两组或多组之间进行级配；

（2）高吸水树脂进行预吸水：干燥球形高吸水树脂预先进行浸泡处理，达到粒径要求后捞出并沥干多余水分，待用；

（3）以吸水后的高吸水树脂作为内模，以粒径范围分别为4~5mm, 5~6mm, 7~8mm的球形高吸水树脂为例，按照质量比1:2:7的比例关系进行级配，总的用量见表3，将内模与混凝土原料一起进行拌合，高吸水树脂（内模）在混凝土硬化后逐渐释放其中的水分，自身萎缩，从而在混凝土内部形成具有级配孔结构的球形孔（如图3）。

在此，仅以粒径范围分别为4~5mm, 5~6mm, 7~8mm的球形高吸水树脂为例，按照1:2:7的比例关系进行级配。

所用原材料及性能如下：

高吸水树脂(SAP)：干燥粒径1.5~2mm，2~2.5mm，2.5~3mm，浸泡处理后粒径4~5mm，5~6mm，7~8mm。

水泥：普通硅酸盐水泥（PC），比表面积318m²/kg，强度等级42.5；硫铝酸盐水泥（SAC），比表面积279 m²/kg，强度等级42.5。

矿物质掺合料：Ⅱ级粉煤灰（FA），细度（0.045mm筛余）7.8%；S95级矿渣粉（SG），比表面积420m²/kg；硅灰（SF），比表面积25000m²/kg。

细骨料：陶砂，最大粒径为4.75mm，表观密度为1.20 g/cm??，吸水率17%。

拌合水：自来水。

纤维：聚甲醛纤维，长度为6mm~12mm。

外加剂：聚羧酸减水剂，减水率为20%。

混凝土配合比（kg/m³）如表5。

具有级配孔结构的混凝土主要性能如表6。

实施例4：

一种基于内模的混凝土孔结构设计与调控方法，控制混凝土的内部空腔分布可调的结构，包括如下步骤：

（1）高吸水树脂进行预吸水：干燥球形或方形高吸水树脂预先进行浸泡处理，达到粒径要求后捞出并沥干多余水分，待用；

（2）内模布置：通过对高吸水树脂分布位置的控制，在混凝土内部填充高吸水树脂作为内模，即在设定的部位布置一个或多个同一形状或不同形状的内模，即填充高吸水树脂，从而控制内模的体积、数量及内模之间的间距，高吸水树脂在混凝土硬化后逐渐释放其中的水分，自身萎缩，从而在混凝土内部形成定点定量定间距的空腔分布可调的结构。

在此，仅以在混凝土内部制造若干间距为50mm的边长为40mm的方形空腔结构为例进行说明（如附图4所示），选用干燥粒径为9mm的方形高吸水树脂，经过浸泡处理后直径为40mm，在混凝土中填充高吸水树脂（不规则形状，粒径吸水前为）作为内模，内模的间距为50mm，形状为边长为40mm的方形，数量若干，图4中数量为4。

实施例5：

一种基于内模的混凝土孔结构设计与调控方法，控制混凝土的内部形成一个球形空腔结构，包括如下步骤：

（1）高吸水树脂进行预吸水：干燥球形高吸水树脂预先进行浸泡处理，达到粒径要求后捞出并沥干多余水分，待用；

（2）内模布置：根据需要合理布置其在混凝土内部的位置。

以在混凝土内部制造一个球形空腔为例进行说明，选用干燥粒径为12mm的球形高吸水树脂，球形高吸水树脂经过浸泡处理后直径为50mm，填充在混凝土内部，制造一个直径为50mm的封闭规则球形空腔（如附图5所示）。

实施例6：

实施例6与实施例5基本相同，不同之处在于所用高吸水树脂为方形，浸泡处理前尺寸为10mm，浸泡处理后为45mm，可在混凝土内部制造一个边长为45mm的独立方形空腔（如附图6所示）。

实施例7：

一种基于内模的混凝土孔结构设计与调控方法，制造一个具有薄壁结构的构件，包括如下步骤：

（1）高吸水树脂进行预吸水：干燥球形或方形高吸水树脂预先进行浸泡处理，达到粒径要求后捞出并沥干多余水分，待用；

（2）浆体包裹吸水后的树脂：将拌合好的水泥基浆体均匀涂覆在吸水后的树脂表面，壁厚可通过浆体厚度控制。高吸水树脂在浆体硬化后逐渐释放其中的水分，自身萎缩，从而形成薄壁结构。

在此，仅以制作一个尺寸为45mm的方形空腔薄壁结构为例进行说明（如图7所示），选用方形高吸水树脂，浸泡处理前尺寸为10mm，浸泡处理后为45mm，将拌合好的水泥基浆体均匀涂覆在吸水后的树脂表面，制造一个直径为45mm的方形空腔薄壁结构。

所用原材料如下：

高吸水树脂(SAP)：方形，干燥尺寸10mm，浸泡处理后尺寸45mm。

水泥：普通硅酸盐水泥（PC），比表面积318m²/kg，强度等级42.5；硫铝酸盐水泥（SAC），比表面积279 m²/kg，强度等级42.5。

环氧树脂：A液为环氧树脂基液，型号E44；B液为固化剂，低分子650聚酰胺树脂。

丙酮：稀释剂

浆体配合比（kg/m³）如表7所示。

Claims (9)

1. 一种基于内模的混凝土孔结构设计与调控方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）高吸水树脂进行预吸水：将高吸水树脂浸泡在水中达到设定粒径或直至饱和状态，捞出待用；

（2）以吸水后的高吸水树脂作为内模，通过设定内模的形状、尺寸、用量和排布方式，高吸水树脂在混凝土浇筑后逐渐释放其中的水分，自身萎缩，在混凝土内部形成设定几何特征及空间分布规律的封闭孔隙或空腔结构。

2. 根据权利要求1所述的一种基于内模的混凝土孔结构设计与调控方法，其特征在于所述高吸水树脂的吸水倍率范围为20~300倍。

3. 根据权利要求1所述的一种基于内模的混凝土孔结构设计与调控方法，其特征在于所述的封闭孔隙或空腔结构的形状为球形、方形、三角形、多边形、不规则形中的一种或几种。

4. 根据权利要求1所述的一种基于内模的混凝土孔结构设计与调控方法，其特征在于所述的封闭孔隙或空腔结构的数量大于等于1个。

5. 根据权利要求1所述的一种基于内模的混凝土孔结构设计与调控方法，其特征在于所述的高吸水树脂吸水前的尺寸为不超过12mm，浸泡处理后尺寸2~50mm。

6. 根据权利要求1所述的一种基于内模的混凝土孔结构设计与调控方法，其特征在于所述排布方式是均匀分布或者设定位置分布。

7. 根据权利要求1所述的一种基于内模的混凝土孔结构设计与调控方法，其特征在于所述均匀分布是通过内模与混凝土原料一起进行拌合实现的。

8. 根据权利要求1所述的一种基于内模的混凝土孔结构设计与调控方法，其特征在于所述设定位置分布是指在混凝土中设定的位置填充内模。

9. 根据权利要求1所述的一种基于内模的混凝土孔结构设计与调控方法，其特征在于所述空间分布规律是指封闭孔隙或空腔结构的相互位置关系。

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