CN104591635A

CN104591635A - 一种抗裂免蒸养超高强高韧性混凝土及其制备方法

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Publication number: CN104591635A
Application number: CN201510035402.XA
Authority: CN
Inventors: 丁庆军; 刘小清; 丁庆荣; 赵明宇; 谯理格; 胡曙光; 黄家标; 牟廷敏; 苟永刚
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2015-05-06
Anticipated expiration: 2035-01-23
Also published as: CN104591635B

Abstract

本发明公开了一种抗裂免蒸养超高强高韧性混凝土，由水泥、粉煤灰、硅灰、胶结性能矿物激发剂、碎石、河砂、钢纤维、聚合物乳液、水和减缩超分散外加剂制备而成。所述胶结性能矿物激发剂由废弃的预制混凝土水泥石晶种和脱硫石膏组成。本发明将胶结性能矿物激发剂应用于混凝土，取消了普通超高性能混凝土一般采用的高温蒸养和加压蒸养制度；并利用具有超分散水泥、减缩、降粘等功能的减缩超分散外加剂，充分发挥水泥水化活性，使混凝土在降低近10％水泥用量后强度变化不大，同时两者均可有效抑制混凝土收缩。本发明制得的混凝土具有较高的强度、韧性和抗收缩性，且涉及的成本低、制备方法简单，具有重要的实际应用价值。

Description

一种抗裂免蒸养超高强高韧性混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种抗裂免蒸养超高强高韧性混凝土及其制备方法。

背景技术

活性粉末混凝土(RPC)是一种高强度、低孔隙率的超高性能混凝土。RPC的基本配制原理是：材料含有的微裂缝和孔隙等缺陷少，即可获得由其组成材料所决定的较大承载能力，并具有特别好的耐久性。根据这个原理，RPC的制备一般采取以下措施：去除粗骨料以提高匀质性；优化颗粒级配，在凝固前和凝固期间加压，以提高拌合物的密实度；凝固后以热养护改善微结构。活化粉末混凝土由于其极其优异的力学性能和超高的耐久性能，具有广阔的应用前景，成为最具开发潜力的建筑材料之一。

然而，超高性能混凝土存在以下问题：1)原材料不易获得、价格昂贵，且混凝土一般需要在高温蒸养或者加压蒸养进行成型养护，工艺复杂，能耗大，养护成本较高；2)超高性能混凝土的水胶比低，胶凝材料用量大，水泥和硅灰掺量高，混凝土收缩大，且蒸压养护制度势必进一步增大收缩，混凝土易开裂；3)已有研究表明，混凝土中约15～30％的水泥不能得到有效分散而未能水化，只能在混凝土中作为集料，而极低水胶比的超高性能混凝土中水泥水化率必然更低；4)现代混凝土中粉煤灰和矿渣粉等矿物掺合料掺量一般较大，但其活性未能得到有效激发。这些问题限制了活性粉末混凝土在实际工程中的推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗裂免蒸养超高强高韧性混凝土及其制备方法，所述混凝土具有较高的强度、韧性和抗收缩性，且涉及的原料成本低、制备方法简单。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种抗裂免蒸养超高强高韧性混凝土，各组分及含量为：水泥440～520kg/m³，粉煤灰220～230kg/m³，硅灰150～160kg/m³，胶结性能矿物激发剂40～50kg/m³，碎石335～420kg/m³，河砂645～781kg/m³，钢纤维150～160kg/m³，聚合物乳液40～50kg/m³，水164～178kg/m³，减缩超分散外加剂22～25kg/m³。

根据上述方案，所述胶结性能矿物激发剂由废弃预制混凝土水泥石晶种和脱硫石膏组成，水泥石中C-S-H凝胶+托贝莫来石≥50wt％；脱硫石膏中CaO+SO₃≥60wt％；所述水泥石晶种和脱硫石膏的质量比为5：5～7：3，混合后磨细至比表面积≥450m²/kg。所述水泥石晶种由废弃预制混凝土经破碎筛分的方法将粗骨料与砂浆分离，分离的砂浆进行粉磨后利用风力选粉原理将细集料和水泥石分离得到；所述脱硫石膏为工业产品。

根据上述方案，所述减缩超分散外加剂的制备方法包括以下步骤：1)将甲基丙烯酸与聚乙二醇单甲醚以(1.5～2.5):1的摩尔比进行酯化反应合成聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯大单体A，将二乙二醇单丁醚与马来酸酐以(1～2):1的摩尔比在90～110℃进行缩合反应2～4h合成大单体B；2)将步骤1)合成的两种大单体加热升温至50～70℃，然后滴加甲基丙烯酸、二甲胺基乙醇和甲基丙烯磺酸钠进行共聚3～5h，各单体所占质量百分比为：大单体A 75～85％，大单体B 1～5％，甲基丙烯酸5～10％，二甲胺基乙醇1～5％，甲基丙烯磺酸钠1～5％，总和为100％，反应结束后加入NaOH溶液调节PH至中性，得所述减缩超分散外加剂。

根据上述方案，所述水泥为P.O 42.5或P.O 52.5普通硅酸盐水泥。

根据上述方案，所述粉煤灰为I级粉煤灰。

根据上述方案，硅灰比表面积≥16000m²/kg，SiO₂含量≥85％。

根据上述方案，所述碎石为玄武岩碎石，粒径为4.75～9.5mm，细度模数≤2.3。

根据上述方案，所述钢纤维为表面镀铜平直钢纤维或多锚点钢纤维等。

根据上述方案，所述聚合物乳液为水性环氧树脂，可为阳离子型、阴离子型或非离子型等水性环氧树脂。

根据上述方案，所述水为普通自来水。

上述一种抗裂免蒸养超高强高韧性混凝土的制备方法，其原料配比为：水泥440～520kg/m³，粉煤灰220～230kg/m³，硅灰150～160kg/m³，胶结性能矿物激发剂40～50kg/m³，碎石335～420kg/m³，河砂645～781kg/m³，钢纤维150～160kg/m³，聚合物乳液40～50kg/m³，水164～178kg/m³，减缩超分散外加剂22～25kg/m³。其制备方法包括以下步骤：将水泥、粉煤灰、硅灰、胶结性能矿物激发剂、碎石、河砂和钢纤维倒入混凝土搅拌机中干拌2min以上，再加入水、减缩超分散外加剂、聚合物乳液，继续搅拌5min以上；进行振捣、成型后表面覆盖不透水的薄膜，1d后拆模进行标准养护，得所述抗裂免蒸养超高强高韧性混凝土。

本发明采用的原理为：

1)在混凝土中掺入矿物掺合料，胶凝材料中的SO₃会被稀释，矿物掺合料掺量越大，SO₃就越不足，不仅导致激发作用不足，混凝土早期强度低，收缩大，而且会造成混凝土拌合物坍落度损失大，工作性能不足。经高温蒸养或加压蒸养制度养护的废弃预制混凝土水化反应较充分，水化产物结晶程度好，将其分离得到的水泥石磨细制成晶种，能显著降低成核势垒，使水泥水化速度加快，提高水泥早期强度，同时促进矿物掺合料的水化反应；烟气脱硫工艺的废弃物脱硫石膏的特点是纯度高、成分稳定、粒度小，含有较多的Na⁺、Mg²⁺、Cl^-、F^-等水溶性离子，脱硫石膏为体系提供得SO₃能起到硫酸盐和碱性激发的双重作用，促进粉煤灰等矿物掺合料水化反应。脱硫石膏生成的钙矾石还能产生一定的膨胀，补偿水泥石晶种促进水泥水化导致的收缩增大，二者起到协同作用。

2)减缩超分散多功能外加剂在聚羧酸减水剂聚丙烯酸主链上引入醇胺基团、磺酸基团和聚氧乙烯醚类长侧链，以及具有减缩功能的二乙二醇单丁醚类基团，对原来相互黏结的水泥颗粒发挥超分散作用，充分激发每一个单位水泥组分的胶结作用，促进水泥水化，同时还可以降低拌合物粘度；二乙二醇单丁醚类基团通过降低混凝土毛细孔溶液的表面张力，减少水分蒸发过程的收缩力，从而降低混凝土收缩。

3)利用30～40wt％的玄武岩碎石取代部分河砂，降低了混凝土收缩性和黏度，提高了混凝土流动性能；聚合物乳液能起到桥接作用，改善了纤维与基体之间的紧密度，提高材料断裂时纤维的拔出功，进而吸收更多的能量，显著提高混凝土韧性。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)采用废弃预制混凝土水泥石晶种与脱硫石膏进行复配制备所述胶结性能矿物激发剂，对胶凝材料发挥活性激发作用，取消了普通超高强高韧性混凝土一般采用的高温蒸养和加压蒸养制度，节省养护成本，实现了工业废渣的有效再利用。

2)采用具有超分散水泥、减缩、降粘等功能的减缩超分散外加剂充分发挥胶凝材料的水化活性，使制得的混凝土在降低水泥用量10％的情况下强度变化不大，节约资源能源，符合国家可持续发展战略。

3)通过碎石的掺入、脱硫石膏的膨胀作用和减缩超分散外加剂的减缩功能，可有效降低混凝土的收缩性，解决超高性能混凝土易产生收缩裂缝的问题。

4)本发明制得的抗裂免蒸养超高强高韧性混凝土标准养护至28d抗压强度＞120MPa，抗折强度＞25MPa，弯曲韧性指数I₃₀＞17，抗裂等级V级，具有较好的强度、韧性和抗收缩性，且涉及的原料成本低、制备方法简单，具有重要的实际应用价值。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下实施例中，水泥采用华新P.O 42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为320m²/kg；粉煤灰采用武汉阳逻电厂I级粉煤灰；硅灰由武汉浩源化学建材有限公司提供，比表面积18000m²/kg，SiO₂含量90wt％；碎石为玄武岩碎石，粒径4.75～9.5mm；河砂为巴河细砂，细度模数2.1；钢纤维为武汉新途工程纤维有限公司生产的表面镀铜平直钢纤维，直径0.18mm，长度13mm，抗拉强度1800MPa；聚合物乳液采用上海汉中环氧有限公司生产的H123非离子型水性环氧树脂；水为普通自来水；对比例中采用的普通聚羧酸减水剂为武汉浩源JCY-1型普通聚羧酸减水剂(减水率30％)。

所述胶结性能矿物激发剂由废弃预制混凝土水泥石晶种和脱硫石膏组成，其中脱硫石膏CaO含量为31.5wt％，SO₃含量为42.4wt％；所述废弃预制混凝土水泥石晶种中C-S-H凝胶占40～50wt％，托贝莫来石占10～20wt％；将脱硫石膏和废弃预制混凝土水泥石晶种混合后磨细至500m²/kg得所述胶结性能矿物激发剂；所述减缩超分散外加剂的制备方法包括以下步骤：1)将甲基丙烯酸与聚乙二醇单甲醚以2:1的摩尔比在100℃条件下进行酯化反应3h合成聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯大单体A，将二乙二醇单丁醚与马来酸酐以1:1的摩尔比在100℃条件下进行缩合反应3h合成具有减缩功能的大单体B；2)将步骤1)合成的两种大单体(82wt％大单体A、3wt％大单体B)加热升温至60℃后滴加甲基丙烯酸、二甲胺基乙醇和甲基丙烯磺酸钠(6wt％甲基丙烯酸、5wt％二甲胺基乙醇和4wt％甲基丙烯磺酸钠)进行共聚4h，各单体总和为100％，反应结束后加入NaOH溶液调节PH至中性，得所述减缩超分散外加剂。

实施例1～3

抗裂免蒸养超高强高韧性混凝土，以水泥、粉煤灰、硅灰、胶结性能增强剂、河砂、碎石、钢纤维、聚合物乳液、水、减缩超分散外加剂为原材料制得而成，制备方法包括以下步骤：按配比称取各原料，将水泥、粉煤灰、硅灰、胶结性能矿物激发剂、碎石、河砂和钢纤维倒入混凝土搅拌机中干拌2min以上，再加入水、减缩超分散外加剂、聚合物乳液，继续搅拌5min以上；对拌合物进行振捣、成型后表面覆盖不透水的薄膜以防止水分散失，1d后拆模进行标准养护，即得所述超高强高韧性混凝土。

实施例1～3制得的超高强高韧性混凝土的原料配比见表1，性能测试结果见表2。

表1实例1～3制得的超高强高韧性混凝土的原料配比(kg/m³)

表2实例1～3制得的超高强高韧性混凝土的性能测试结果

注：实施例1和2中胶结性能矿物激发剂中废弃预制混凝土水泥石晶种和脱硫石膏的质量比为5:5，实施例3中为7:3。

表1、表2结果表明，本发明制得的抗裂免蒸养超高强高韧性混凝土标准养护至28d抗压强度＞120MPa，抗折强度＞25MPa，弯曲韧性指数I₃₀＞17，60d收缩率＜400×10^-6，抗裂等级为V，具有较高的强度、韧性、抗收缩性和抗裂性，且流动性好，方便施工。

对比例

对比例1～3

对比例1～3中采用普通聚羧酸减水剂(减水率30％)作为减水剂，所述混凝土的制备方法与实施例1～3所述方法类似，原料配比及采用的养护制度见表3，性能测试结果见表4。

表3对比例1～3中所述混凝土配合比(kg/m³)

注：对比例3中胶结性能矿物激发剂中废弃预制混凝土水泥石晶种和脱硫石膏的质量比为5:5。

表4对比例1～3中所述混凝土的性能测试结果

将对比例1和2进行对比，结果表明：与标准养护相比，将混凝土进行80℃蒸汽养护3d后，其力学性能显著增强，但混凝土收缩(尤其是早期收缩值)同样增长较大，抗裂性能较差，有开裂的风险；将本发明所述胶结性能矿物激发剂部分替代粉煤灰应用于制备混凝土，可使制得的混凝土(对比例3)在标准养护的条件下，表现出与80℃蒸汽养护3d的水平接近甚至更好的力学性能，且混凝土收缩值显著降低，可有效提高混凝土抗裂性能。

对比例4

将所述减缩超分散外加剂与普通聚羧酸减水剂的性能进行对比，对比例4中所述混凝土的原料配比见表5，性能测试结果见表6。

表5对比例4所述混凝土配合比(kg/m³)

表6对比例4所述混凝土的性能测试结果

由表5、表6可以看出，随着减缩超分散多功能外加剂的加入，在降低水泥用量近10％的情况下，混凝土力学性能变化不大，且混凝土黏度降低，工作性能显著提升，混凝土7d和60d的收缩值显著减小，混凝土抗裂性能增强，达到V级。

综上所述，本发明制得的低水泥用量的高抗裂免蒸养超高强高韧性混凝土具有较好的强度、韧性和抗收缩性，且流动性好，方便施工。并且可根据强度设计要求，通过适当增减水泥或胶凝材料用量，调控所得混凝土的强度等级符合不同施工要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种抗裂免蒸养超高强高韧性混凝土，各组分及含量为：水泥440～520kg/m³，粉煤灰220～230kg/m³，硅灰150～160kg/m³，胶结性能矿物激发剂40～50kg/m³，碎石335～420kg/m³，河砂645～781kg/m³，钢纤维150～160kg/m³，聚合物乳液40～50kg/m³，水164～178kg/m³，减缩超分散外加剂22～25kg/m³。

2.根据权利要求1所述的抗裂免蒸养超高强高韧性混凝土，其特征在于，所述胶结性能矿物激发剂由废弃预制混凝土水泥石晶种和脱硫石膏组成，水泥石晶种中C-S-H凝胶+托贝莫来石≥50wt％；脱硫石膏中CaO+SO₃≥60wt％；所述水泥石晶种和脱硫石膏的质量比为5:5～7:3，混合后磨细至比表面积≥450m²/kg。

3.根据权利要求1所述的抗裂免蒸养超高强高韧性混凝土，其特征在于，所述减缩超分散外加剂的制备方法包括以下步骤：1)将甲基丙烯酸与聚乙二醇单甲醚以(1.5～2.5):1的摩尔比进行酯化反应合成聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯大单体A，将二乙二醇单丁醚与马来酸酐以(1～2):1的摩尔比在90～110℃进行缩合反应2～4h合成大单体B；2)将步骤1)合成的两种大单体加热升温至50～70℃，然后滴加甲基丙烯酸、二甲胺基乙醇和甲基丙烯磺酸钠进行共聚3～5h，各单体所占质量百分比为：大单体A 75～85％，大单体B 1～5％，甲基丙烯酸5～10％，二甲胺基乙醇1～5％，甲基丙烯磺酸钠1～5％，总和为100％，反应结束后加入NaOH溶液调节PH至中性，得所述减缩超分散外加剂。

4.根据权利要求1所述的抗裂免蒸养超高强高韧性混凝土，其特征在于，所述水泥为P.O42.5或P.O 52.5普通硅酸盐水泥。

5.根据权利要求1所述的抗裂免蒸养超高强高韧性混凝土，其特征在于，硅灰比表面积≥16000m²/kg，SiO₂含量≥85％。

6.根据权利要求1所述的抗裂免蒸养超高强高韧性混凝土，其特征在于，所述碎石为玄武岩碎石，粒径为4.75～9.5mm，细度模数≤2.3。

7.根据权利要求1所述的抗裂免蒸养超高强高韧性混凝土，其特征在于，所述聚合物乳液为水性环氧树脂。

8.根据权利要求1～7任一项所述的抗裂免蒸养超高强高韧性混凝土的制备方法，其特征在于，其原料配比为：水泥440～520kg/m³，粉煤灰220～230kg/m³，硅灰150～160kg/m³，胶结性能矿物激发剂40～50kg/m³，碎石335～420kg/m³，河砂645～781kg/m³，钢纤维150～160kg/m³，聚合物乳液40～50kg/m³，水164～178kg/m³，减缩超分散外加剂22～25kg/m³，其制备方法包括以下步骤：将水泥、粉煤灰、硅灰、胶结性能矿物激发剂、碎石、河砂和钢纤维倒入混凝土搅拌机中干拌2min以上，再加入水、减缩超分散外加剂、聚合物乳液，继续搅拌5min以上；进行振捣、成型后表面覆盖不透水的薄膜，1d后拆模进行标准养护，得所述抗裂免蒸养超高强高韧性混凝土。