CN104909624A - 一种高韧性混凝土组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高韧性混凝土组合物，包含下列重量份数的原料，水泥300-500份， 磷渣粉30-50份，粉煤灰50-150份，粗骨料1000-1100份，细骨料600-750份，减水剂5-15份，混合纤维5-15份，聚乙烯吡咯烷酮10份，水130-180份。该高韧性混凝土具有高韧性，有较大的变形能力，较高的抗拉强度和抗弯强度，有效提高结构的整体性和抗震性能，保证结构的抗渗性和耐久性。
Description
技术领域
本发明涉及一种混凝土组合物，具体而言涉及一种高韧性混凝土组合物。
背景技术
混凝土作为应用最广泛的建筑材料，其主要成分包括水泥、活性矿物掺合料、骨料和水，具有原料来源广泛、工艺简单、防火性能好等优点，但它是一种脆性材料，抗拉和抗弯强度低、变形能力小、韧性差、易开裂且开裂后裂缝宽度难以控制。混凝土的低韧性使得结构在变截面位置以及钢/混凝土混杂结构节点等部位可能由于应力集中而导致突发的灾难性破坏，在地震荷载作用下，混凝土结构也常常会因此发生保护层的过早崩裂，从而导致结构的抗震性能显著降低。在当前的经济和技术水平下，人们通常认为混凝土的开裂几乎是不可避免的，裂缝尤其是有害裂缝不仅有碍观瞻，给人们带来心理压力，更会降低结构的使用性能，当裂缝宽度达到一定程度后，会显著增加混凝土的渗透性，水、二氧化碳、氯离子会加速侵入混凝土内部，危害结构的安全，影响使用寿命，成为一些灾难性事故的隐患。我国《混凝土坝养护修理规程》(SL230-98)规定，钢筋混凝土结构在三类环境条件即水位变动区，或有侵蚀性地下水的环境下，按耐久性和防水性要求，裂缝应当小于0.1mm，在四类环境条件即海水浪溅区、潮湿并有严重侵蚀性介质环境下，按防水要求，裂缝应当小于0.05mm。依据上述规范，应当将三类环境混凝土裂缝宽度控制在0.1mm以下，将四类环境混凝土裂缝宽度控制在0.05mm以下，以有效保证钢筋混凝土结构的耐久性和抗渗性；我国《钢筋混凝土结构设计规范》(GB 50010-2002)规定，钢筋混凝土构件在使用除冰盐以及严寒、寒冷地区冬季水位变动区、滨海室外环境下，最大裂缝宽度限值为0.2mm。因此，提高混凝土的抗拉和抗弯强度，增加混凝土材料的韧性及其结构的延性，提高混凝土的裂缝控制能力，将混凝土裂缝宽度稳定地控制在0.1mm甚至是0.05mm以下，是混凝土研究中一个极其重要的目标。
实现上述目标有效可行的方法是利用纤维增强增韧。近年来，聚丙烯纤维和钢纤维等短切纤维混凝土得到了广泛的应用，并取得良好效果。常用的聚丙烯纤维混凝土，聚丙烯纤维的体积掺率通常在0.05％～0.2％，主要用于提高混凝土早期抗裂性能，但聚丙烯纤维的强度低(通常在300～600MPa)、弹模量低(3～10GPa)，对混凝土的增韧效果有限，对弯拉强度无明显增强作用，无法在混凝土出现裂缝后提供足够的桥联应力，裂缝会快速扩展。钢纤维具有较高的抗拉强度(380～1400MPa)和较高的弹性模量(150～210GPa)，所以可明显提高混凝土的抗拉和抗弯强度，相应的抗弯韧性、抗冲击及抗疲劳等性能也有明显提高，但变形能力并没有明显改善，其拉应变能力在0.01％～0.03％量级，材料在开裂后仍然无法对裂缝宽度进行有效控制。
甘蔗渣是甘蔗糖业的副产品，其含量约为甘蔗重量的12%，价格低廉，其纤维含量高达64%，且木质素含量较高，而木质素磺酸钠又是一种优良的分散剂，因而可以用甘蔗渣作为原料，生产混凝土。
发明内容
本发明提供一种高韧性混凝土组合物，发明人通过对混凝土组成材料的选择、配比的优化研究出一种具有高韧性，有较大的变形能力，较高的抗拉强度和抗弯强度的混凝土组合物，能够有效提高结构的整体性和抗震性能，保证结构的抗渗性和耐久性。
具体而言，本发明提供一种一种高韧性混凝土组合物，包含下列重量份数的原料，水泥300-500份， 磷渣粉30-50份，粉煤灰50-150份，粗骨料1000-1100份，细骨料600-750份，减水剂5-15份，混合纤维10-20份，聚乙烯吡咯烷酮5-10份，沸石10-15份，水130-180份。
优选地，所述的高韧性混凝土组合物，由下列重量份数的原料组成，水泥300-500份， 磷渣粉30-50份，粉煤灰50-150份，粗骨料1000-1100份，细骨料600-750份，减水剂5-15份，混合纤维5-15份，聚乙烯吡咯烷酮5-10份，再生橡胶粉5-15份，沸石10-15份，水130-180份。
优选地，所述的高韧性混凝土组合物，由下列重量份数的原料组成，水泥300份， 磷渣粉30份，粉煤灰90份，粗骨料1000份，细骨料600份，减水剂5份，混合纤维10份，聚乙烯吡咯烷酮10份，再生橡胶粉15份，沸石15份，水130份。
优选地，所述的高韧性混凝土组合物，由下列重量份数的原料组成，水泥500份， 磷渣粉50份，粉煤灰150份，粗骨料1100份，细骨料750份，减水剂15份，混合纤维20份，聚乙烯吡咯烷酮10份，再生橡胶粉15份，沸石10份，水180份。
本发明中所述的混合纤维由碳纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、和甘蔗渣粉碎物组成；优选地，其中碳纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、和甘蔗渣粉碎物的重量配比为1-5:3-5:3-5:5-10。更优选地，其中碳纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、和甘蔗渣粉碎物的重量配比为1:2:2:5。本发明采用的碳纤维、聚丙烯纤维具有较好的分散性、较高的抗拉强度、弹性模量和极限伸长率，与水泥基基体粘结良好，在水泥基基体中具有耐久性。甘蔗渣是甘蔗糖业的副产品，其含量约为甘蔗重量的12%，价格低廉，其纤维含量高达64%，且木质素含量较高，而木质素磺酸钠又是一种优良的分散剂。
本发明中减水剂由木质素磺酸钠、三聚氰胺、三聚磷酸钠组成；优选地，其中木质素磺酸钠、三聚氰胺、三聚磷酸钠的配比为2:2:1。
在普通混凝土的水泥浆中，由于水泥水化后仍剩余许多水分及空气，于是产生许多孔隙，使混凝土的强度及耐久性降低。因此，要混凝土达到高性能，首先要选择合适的水泥。优选地，所述水泥的白度大于87，初凝时间大于45分钟，终凝时间小于10小时，确保混凝土的强度、流动性、保水性。
粗骨料为粒径大于 5mm 的骨料，普通混凝土常用的粗骨料有天然的卵石(有时称为砾或砾石)和人工的碎石(包括碎卵石)两类。混凝土中粗骨料的最大粒径选用，要受建筑物结构断面大小、钢筋净距和施工条件的限制。太大的最大骨料粒径，使骨料与水泥砂浆的粘结面积减小、造成混凝土的不连续性等缺点。本发明中粗骨料最大粒径不大于 25mm，针片状颗粒含量不大于 5%，含泥量不大于 1%。
细骨料通常按来源分为天然砂和人工砂。细骨料应选择质地均匀坚固、级配良好、吸水率低的中粗河砂或人工砂，一般其细度模数应大于 2.6，含泥量应小于 1.5%。
在混凝土中掺加粉煤灰，一方面，可以减少水泥用量，降低成本：另一方面，粉煤灰可以改善砂子的级配，填充一部分砂粒之间的微小空隙，间接地降低混凝土的水灰比，使密实度和抗渗性有一定提高；能提高混凝土的和易性，减少混凝土外表气泡，标准见《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB1596-91）。优选地，所述的高韧性混凝土组合物中，粉煤灰的孔隙率大于70%。
磷渣粉是一种具有活性的掺合料，可显著改善和提高混凝土的工作性、力学性能和耐久性能。其来源于生产黄磷的废弃物-磷渣，利用磷渣潜在的活性，变废为宝，具有显著的经济效益与社会效益。
沸石具有提高强度的作用，更为重要的是沸石的格架状多孔结构，内部表面积大，吸附性强，可以使在混凝土中分散均匀，易于快速、充分发挥外加剂的作用，沸石空隙中原来填充的水分，对混凝土具有保水作用，不离析，不泌水，可减小坍落度损失，使混凝土具有良好的工作性能。
高性能清水混凝土的拌合用水应符合《混凝土用水标准》（JGJ63）的要求。拌合用水不得采用海水，应采用不含有害物质的洁净水。
本发明的另一个目的是提供高韧性混凝土组合物的应用，其特征在于，应用于桥梁、建筑物外墙、混凝土路面。
本发明的有益效果在于：本发明选择磷渣粉和粉煤灰配合使用，选择木质素磺酸钠、三聚氰胺、三聚磷酸钠组合作为减水剂，并且以碳纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、和甘蔗渣粉碎物组成混合纤维，得到一种具有高韧性，有较大的变形能力，较高的抗拉强度和抗弯强度的混凝土组合物，能够有效提高结构的整体性和抗震性能，保证结构的抗渗性和耐久性。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的描述说明。
实施例1：磷渣粉和粉煤灰对抗压强度的影响
表1：配方1-2以及对比例1-4的配方组成
| 组分(重量份) | 配方1 | 配方2 | 对比1 | 对比2 | 对比3 | 对比4 |
| 水泥 | 300 | 500 | 300 | 300 | 500 | 500 |
| 磷渣粉 | 30 | 50 | —— | 120 | 50 | 30 |
| 粉煤灰 | 90 | 150 | 120 | —— | 90 | 120 |
| 细骨料 | 1000 | 1100 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 |
| 粗骨料 | 600 | 750 | 600 | 600 | 600 | 600 |
| 减水剂 | 5 | 15 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| 混合纤维 | 10 | 20 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| 聚乙烯吡咯烷酮 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| 再生橡胶 | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 |
| 沸石 | 5 | 10 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| 水 | 130 | 180 | 130 | 130 | 130 | 130 |
试验方法：
按照表1的配方制备各个样品；配方1-2和对比1-4中的原材料水泥、磷渣粉、粉煤灰、细骨料、粗骨料、减水剂、混合纤维、聚乙烯吡咯烷酮、再生橡胶、沸石和水均采用同种规格、标准或者成分。
将混凝土坍落度调整为160±20mm，用强制式搅拌机搅拌时间为180秒。抗压强度按 GB/T50081标准实施。养护条件为温度20℃、相对湿度95％以上。测试其各龄期的抗压强度。
实验结果：
从表2中可以得出，选择磷渣粉和粉煤灰二者相互配合使用，可以增加清水混凝土的抗压强度，尤其是当磷渣粉和粉煤灰为1:3时，抗压强度最高；而当仅仅使用磷渣粉或者粉煤灰时，抗压强度都会下降。
表2：配方1-2以及对比1-4的清水混凝土抗压强度实验结果
实施例2：不同减水剂对坍落度、抗压强度的影响
试验方法：按照表3的配方制备各个样品；配方3-4和对比5-10中的原材料水泥、磷渣粉、粉煤灰、细骨料、粗骨料、减水剂、混合纤维、聚乙烯吡咯烷酮、再生橡胶、沸石和水均采用同种规格、标准或者成分。
坍落度是历史最久、最为普遍的测定混合料流动性的方法。坍落度测试参照标准 JTG E30－2005，坍落扩展度值的测试是在坍落度试验的基础上，同时测定拌合物在水平方向上的扩展值，再测量两垂直方向上的扩展值，取平均值，即为坍落扩展度值。
实验结果：
从表4中可以得出，选择木质素磺酸钠、三聚氰胺、三聚磷酸钠作为减水剂能够提高混凝土的流动性，降低坍落度损失，并且能够提高清水混凝土的抗压强度，尤其是当木质素磺酸钠、三聚氰胺、三聚磷酸钠的配比为2:2:1时，效果最好。
表3：配方3-4以及对比5-10的配方组成（重量份）
| 组分(重量份) | 配方3 | 配方4 | 对比5 | 对比6 | 对比7 | 对比8 | 对比9 | 对比10 |
| 水泥 | 300 | 500 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 |
| 磷渣粉 | 30 | 50 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 |
| 粉煤灰 | 90 | 150 | 90 | 90 | 90 | 90 | 90 | 90 |
| 细骨料 | 1000 | 1100 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 |
| 粗骨料 | 600 | 750 | 600 | 600 | 600 | 600 | 600 | 600 |
| 木质素磺酸钠 | 2 | 6 | —— | 4 | 5 | —— | 3 | 1 |
| 三聚氰胺 | 2 | 6 | 4 | —— | —— | 5 | 1 | 3 |
| 三聚磷酸钠 | 1 | 3 | 1 | 1 | —— | —— | 1 | 1 |
| 混合纤维 | 10 | 20 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| 聚乙烯吡咯烷酮 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| 再生橡胶粉 | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 |
| 沸石 | 15 | 10 | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 |
| 水 | 130 | 180 | 130 | 130 | 130 | 130 | 130 | 130 |
表4：配方3-4以及对比5-10的清水混凝土抗压强度实验结果
实施例3：
本发明所述的高韧性混凝土组合物的组成及其重量份数如下：
水泥 300份
磷渣粉 30份
粉煤灰 90份
细骨料 1000份
粗骨料 600份
减水剂 5份
混合纤维 10份
聚乙烯吡咯烷酮 10份
再生橡胶粉 15份
沸石 15份
水 130份；
其中所述的混合纤维为碳纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、和甘蔗渣粉碎物，其中碳纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、和甘蔗渣粉碎物的重量配比为1:2:2:5。
实施例3所得混凝土的基本力学性能测试结果如下：
(1) 抗弯强度
试件尺寸：400mm×100mm×15mm
测试方法：四点弯曲，三分点加载，测试跨度为300mm
抗弯强度：25.5 MPa
(2) 抗压强度
试件尺寸：40mm×40mm×160mm
测试方法：棱柱体单轴压缩
抗压强度：75.0MPa
(3) 拉伸强度
试件尺寸：350mm×50mm×15mm
测试方法：单轴拉伸
抗拉强度：11.7MPa
测试结果表明，本发明所制得的高韧性混凝土具有良好的应变硬化或变形硬化特征可应用于高铁高架桥、大跨度跨海和跨江大桥的桥面，以及地铁等各类型隧道拱墙等领域。
实施例4：
本发明所述的高韧性混凝土组合物的组成及其重量份数如下：
水泥 500份
磷渣粉 50份
粉煤灰 150份
细骨料 1100份
粗骨料 750份
减水剂 15份
混合纤维 20份
聚乙烯吡咯烷酮 10份
再生橡胶粉 15份
沸石 15份
水 180份；
其中所述的混合纤维为碳纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、和甘蔗渣粉碎物，其中碳纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、和甘蔗渣粉碎物的重量配比为1:2:2:5。
实施例4所得混凝土的基本力学性能测试结果如下：
(1) 抗弯强度
试件尺寸：400mm×100mm×15mm
测试方法：四点弯曲，三分点加载，测试跨度为300mm
抗弯强度：26.3 MPa
(2) 抗压强度
试件尺寸：40mm×40mm×160mm
测试方法：棱柱体单轴压缩
抗压强度：75.5MPa
(3) 拉伸强度
试件尺寸：350mm×50mm×15mm
测试方法：单轴拉伸
抗拉强度：12.3MPa
测试结果表明，本发明所制得的高韧性混凝土具有良好的应变硬化或变形硬化特征可应用于高铁高架桥、大跨度跨海和跨江大桥的桥面，以及地铁等各类型隧道拱墙等领域。
需要说明的是，以上较佳实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，所作出各种变换或变型，均属于本发明的范畴。
Claims (9)
1.一种高韧性混凝土组合物，包含下列重量份数的原料，水泥300-500份， 磷渣粉30-50份，粉煤灰50-150份，粗骨料1000-1100份，细骨料600-750份，减水剂5-15份，混合纤维10-20份，聚乙烯吡咯烷酮5-10份，沸石10-15份，水130-180份。
2.根据权利要求1所述的高韧性混凝土组合物，由下列重量份数的原料组成，水泥300-500份， 磷渣粉30-50份，粉煤灰50-150份，粗骨料1000-1100份，细骨料600-750份，减水剂5-15份，混合纤维5-15份，聚乙烯吡咯烷酮5-10份，再生橡胶粉5-15份，沸石10-15份，水130-180份。
3.根据权利要求1所述的高韧性混凝土组合物，由下列重量份数的原料组成，水泥300份， 磷渣粉30份，粉煤灰90份，粗骨料1000份，细骨料600份，减水剂5份，混合纤维10份，聚乙烯吡咯烷酮10份，再生橡胶粉15份，沸石15份，水130份。
4.根据权利要求1所述的高韧性混凝土组合物，由下列重量份数的原料组成，水泥500份， 磷渣粉50份，粉煤灰150份，粗骨料1100份，细骨料750份，减水剂15份，混合纤维20份，聚乙烯吡咯烷酮10份，再生橡胶粉15份，沸石10份，水180份。
5.根据权利要求1所述的高韧性混凝土组合物，其中纤维由碳纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、和甘蔗渣粉碎物组成。
6.根据权利要求2所述的高韧性混凝土组合物，其中碳纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、和甘蔗渣粉碎物的重量配比为1-5:3-5:3-5:5-10。
7.根据权利要求3所述的高韧性混凝土组合物，其中碳纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、和甘蔗渣粉碎物的重量配比为1:2:2:5。
8.根据权利要求1所述的高韧性混凝土组合物，其中减水剂由木质素磺酸钠、三聚氰胺、三聚磷酸钠组成。
9.根据权利要求5所述的高韧性混凝土组合物，其中木质素磺酸钠、三聚氰胺、三聚磷酸钠的配比为2:2:1。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |