CN106477982A - 用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土及其制备方法。所述水泥混凝土由水泥、河砂、水、聚羧酸系高效减水剂、稻壳灰、磷灰石、绢云母、海泡石、聚丙烯酸钠高吸水性树脂、滑石粉、纳米碳酸钙、聚乙烯纤维和聚酯纤维组成。磷灰石、绢云母和海泡石矿物质组分以及两种纤维的协同作用，既可以实现增韧又能提高混凝土抗冲击和延伸能力，可有效解决湿接缝混凝土的破损以及桥面开裂问题。本发明提供的用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土具有抗压强度高、韧性好、抗冲击、抗渗透以及自流平等优点。

Description

用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，涉及桥梁水泥混凝土材料，具体涉及用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土及其制备方法。

背景技术

随着“一带一路”战略的提出和高等级公路桥梁建设的持续发展，对公路桥梁结构质量和服役性能提出了更高的要求，在建设过程中也暴露出了许多突出的问题，尤其是桥梁的建设。

在桥梁的发展和建设过程中，简支梁桥是梁式桥中发展最早、应用最广泛的一种桥型。该类桥具有构造简单、施工方便，并且可以适应地基较大沉降的优点。但其最大的问题是桥面存在伸缩缝，而且在多跨桥和大跨度桥中伸缩缝数量比较大，缝宽也会随温度、荷载、收缩等因素而变化，极大的影响行车舒适性。并且，车辆荷载的反复冲击作用也会加速伸缩缝的破坏。先简支后连续桥梁体系的出现大大减少了伸缩缝的数量，实现桥梁结构的连续。但结构体系转换前处于静定结构，当结构变成部分连续体系或全部连续体系后，作用在结构上的徐变、局部温度变化以及预应力张拉等作用将产生次内力效应。此时，湿接缝断面变成先简支后连续结构中最薄弱的部位，重复荷载降低了梁体的刚度和湿接缝的抗裂能力，使混凝土的损伤加快，极易产生伸缩缝破坏、桥头跳车、桥面开裂和胀缝等问题，造成道路运输效率降低，后期维护成本增加。所以如何解决先简支后连续桥梁桥面开裂问题对于高等级公路桥梁的发展具有重大的工程价值和社会意义。

针对以上技术现状和湿接缝的开裂断面等问题，亟需开发一种用于先简支后连续桥梁体系湿接缝处的低模量、高柔性，且具有防渗、抗裂功能的自流平混凝土。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土及其制备方法。所述混凝土为低模量高柔性的抗裂混凝土，同时能满足湿接缝对水泥混凝土承载力的要求以及抗冲击、抗渗的要求，解决桥面裂缝的问题，提高桥梁的使命寿命，减少后期的养护费用。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土，该水泥混凝土的原材料组成为：以质量分数计，水泥25％～40％，河砂25％～40％，水15％～20％，减水剂0.8％～1.2％，稻壳灰5％～10％，磷灰石4％～6％，绢云母0.6％～1.4％，海泡石1.8％～3.2％，聚丙烯酸钠吸水性树脂0.5％～1.5％，滑石粉2％～3％，纳米碳酸钙1％～4％以及混杂纤维0.8％～2％；所述混杂纤维由聚乙烯纤维和聚酯纤维组成，其中，以质量分数计，聚乙烯纤维为60％～70％，聚酯纤维为30％～40％。

所述水泥选自42.5或52.5强度等级的普通硅酸盐水泥；所述河砂的细度模数为2.3～2.8。

所述减水剂选自减水率≥18％的聚羧酸系减水剂。

所述稻壳灰的粒径≤0.075mm，密度为2.2～3.0g/cm³，SiO₂含量≥80％。

所述磷灰石选自氟磷灰石，比重为3.18～3.21，CaO含量≥56％，细度为20～40目；所述绢云母为层状结构，弹性模量为1505～2134MPa，比重为2.6～2.7，细度为40～50目；所述海泡石的密度为1～2.2g/cm³，且SiO₂和MgO含量分别为55％～60％和21～25％，细度为20～40目。

所述聚丙烯酸钠吸水性树脂的细度为80～100目，在水中的吸水率为自身重量的300～400倍。

所述滑石粉的细度为1000目，SiO₂含量为60％，比重为2.7～2.8。

所述纳米碳酸钙的粒度为0.01～0.1μm，比表面积为5～8m²/g，吸油值为60～90mL/100g。

所述聚乙烯纤维的弹性模量为90～100GPa，抗拉强度为3200～3800MPa，密度为0.92～1.00g/cm³，长度为12～16mm，长径比为500～700；聚酯纤维的弹性模量为8.0～9.0GPa，抗拉强度为500～600MPa，密度为1.3～1.5g/cm³，长度为6～8mm，长径比为300～400。

上述用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土的制备方法，包括以下步骤：

1)按上述原材料的质量配比分别称量各原材料；

2)将所述减水剂溶解在称量的水中得溶液A；

3)将所述水泥、河砂、稻壳灰、磷灰石、绢云母、海泡石、聚丙烯酸钠吸水性树脂和纳米碳酸钙搅拌混合均匀，得到混合料A；

4)将所述混杂纤维加入混合料A中后搅拌混合均匀，得到混合料B；

5)将所述滑石粉、溶液A以及混合料B搅拌混合均匀，即得到用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土。

所述步骤3)、步骤4)以及步骤5)中，搅拌的时间为1～3min。

本发明的有益效果体现在：

本发明针对桥梁湿接缝的特点及现有用于桥梁湿接缝水泥混凝土的缺点，采用混杂纤维、稻壳灰、海泡石、纳米碳酸钙以及吸水树脂等材料设计并制备出了一种经济型、低模量、高柔性的高性能水泥混凝土，具有抗压强度高、韧性好、抗冲击、抗渗透以及自流平等优点。

本发明中，稻壳灰和纳米碳酸钙的掺入能产生复合叠加功能效应，调节水化过程，有效提高了水泥混凝土的火山灰反应，使混凝土更加致密，起到协同增强作用；磷灰石、绢云母和海泡石的颗粒级配特征和多孔结构能产生协同作用，提高混凝土对水分的约束和牵制，产生钙矾石和轻钙石膨胀源以及大量纤维状晶体的交错生长，并且干扰基体中氢氧化钙晶体的取向性，增大容积扩大效应，因此大幅度提高水泥混凝土抗渗、抗氯离子腐蚀的能力，减小体积收缩，并能改善水泥基体的韧性，减少了基体脆性开裂的倾向，延长桥梁接缝处的使用寿命；在混凝土中掺入滑石粉既能提高其抗渗能力，又可以实现混凝土的自流平，提高水泥混凝土的工作性；本发明中还掺入了聚丙烯酸钠吸水性树脂，该物质有较强的蓄水作用，可以为水泥、稻壳灰和纳米碳酸钙的多级水化提供自由水，减少水泥混凝土的前期水化热，提高水泥的水化程度，从而有利于混凝土强度的发展。

本发明提供的用于桥梁湿接缝的水泥混凝土因聚乙烯和聚酯混杂纤维的掺入而具有较低的模量和较高的韧性，在保证混凝土强度的基础上，大幅度提高了其韧性，改变了普通混凝土原有的脆性破坏模式，实现了湿接缝混凝土的强韧化，并且其抗渗性能优良，一定程度上解决了先简支后连续桥梁桥面开裂问题。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明，需要说明的是本发明并不局限于以下实施例。

本发明给出的用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土，以质量分数计，包含以下原材料：水泥25％～40％；河砂25％～40％；水15％～20％；减水剂0.8％～1.2％；稻壳灰5％～10％；磷灰石4％～6％；绢云母0.6％～1.4％；海泡石1.8％～3.2％；聚丙烯酸钠高吸水性树脂0.5％～1.5％；滑石粉2％～3％；纳米碳酸钙1％～4％；混杂纤维0.8％～2％。原材料的质量分数之和为100％。

其中，原材料规格如下：

所述的水泥为P.O42.5R水泥，表观密度3.0～3.25g/cm³，安定性检测合格。

所述的河砂粒径为0～4.75mm，产自渭河，细度模数2.3～2.8，含泥量<1％。

所述的水为普通饮用自来水。

所述的减水剂选用聚羧酸系高效减水剂，减水率25％，固含量20％，购自山西黄腾化工有限公司。

所述的稻壳灰是将稻壳在500～600℃高温煅烧1小时后且经球磨机研磨处理所得，粒径≤0.075mm，密度为2.28g/cm³，SiO₂质量含量≥80％。

所述的磷灰石为氟磷灰石，颜色为浅绿色，比重3.18～3.21，主要成分CaO质量含量≥56％，细度为20目。

所述的绢云母是层状结构的硅酸盐，弹性模量为1505～2134MPa，比重2.6～2.7，在水和有机溶剂中有良好的悬浮性，且抗磨性和耐磨性良好，细度为40目。

所述的海泡石是含水的白色层状富镁硅酸盐黏土矿物，主要成分为硅和镁，密度为1～2.2g/cm³，且SiO₂和MgO质量含量分别在55％～60％和21～25％之间，细度为20目。掺入海泡石不仅能提高混凝土拌合物的均质性和粘聚性，改善其与混凝土箱梁的粘结，并且能大幅提高硬化混凝土的密实性和抗渗性能，减小其硬化收缩。

所述的聚丙烯酸钠高吸水性树脂细度为80目，密度为0.759g/mL，在自来水中的吸水率为自身重量的300倍，具有良好的保水性。聚丙烯酸钠高吸水性树脂具有内养护功效，可以有效保证混凝土后期强度的发展。

所述的滑石粉为无臭无味无砂性的白色粉末，主要成分为硅酸镁，细度为1000目，SiO₂质量含量为60％，比重2.7～2.8。

所述的纳米碳酸钙的粒度为0.01～0.1μm，比表面积5m²/g，吸油值60～90mL/100g，具有良好的分散性。

所述的混杂纤维由聚乙烯纤维和聚酯纤维组合而成；其中，以质量分数计，聚乙烯纤维为60％～70％，聚酯纤维为30％～40％，两者质量分数之和为100％。所述的聚乙烯纤维弹性模量为93GPa，抗拉强度3200MPa，密度为0.96g/cm³，长度12mm，长径比为571.4；聚酯纤维弹性模量为8.2GPa，抗拉强度580MPa，密度为1.38g/cm³，长度6mm，长径比为300。聚乙烯纤维和聚酯纤维可以及时阻止和延缓混凝土裂纹的开展，两种纤维的协同作用可以实现既增韧又能提高混凝土抗冲击和延伸能力，可有效解决湿接缝混凝土的破损以及桥面开裂问题。

在以下的实施实例中，采用了普通水泥混凝土和本发明进行对比试验。

对比例1：普通水泥混凝土

本对比例给出的普通水泥混凝土以重量百分数计，由以下原料组成：水泥30％，河砂21.9％，粗集料40％，水8％，减水剂0.1％。

实施例1：用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土

本实施例给出的用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土，以重量百分数计，由以下原材料组成：水泥35％；河砂27％；水16％；减水剂1％；稻壳灰7％；磷灰石5％；绢云母0.8％；海泡石2.2％；聚丙烯酸钠高吸水性树脂0.8％；滑石粉2％；纳米碳酸钙2％；混杂纤维1.2％。原材料的重量百分数之和为100％。

其中混杂纤维中聚乙烯纤维和聚酯纤维的重量比为65:35。

上述用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土的制备方法，按照以下步骤执行：

步骤一、按原材料的质量配比分别称取上述各原材料，备用；

步骤二、将减水剂溶解在称量好的洁净自来水中，得溶液，备用；

步骤三、将称量好的水泥、河砂、稻壳灰、磷灰石、绢云母、海泡石、聚丙烯酸钠高吸水性树脂和纳米碳酸钙依次加入到搅拌锅中进行干拌，搅拌1min，得到混合料A；

步骤四、将混杂纤维缓慢加入混合料A中，搅拌2min，得到混合料B；

步骤五、将滑石粉、步骤二制得的溶液以及混合料B依次加入到搅拌锅中，搅拌3min，即得到用于桥梁湿接缝的水泥混凝土。

实施例2：用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土

本实施例与上述实施例1的差别仅在于各原材料的配比不同。所述的水泥混凝土，以重量百分数计，由以下原材料组成：水泥25％；河砂25％；水19％；减水剂1％；稻壳灰10％；磷灰石6％；绢云母1.3％；海泡石3.2％；聚丙烯酸钠高吸水性树脂0.5％；滑石粉3％；纳米碳酸钙4％；混杂纤维2％。原材料的重量百分数之和为100％。

其中混杂纤维中聚乙烯纤维和聚酯纤维的重量比为60:40。

实施例3：用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土

本实施例与上述实施例1的差别仅在于各原材料的配比不同。所述的水泥混凝土，以重量百分数计，由以下原材料组成：水泥40％；河砂25％；水17％；减水剂0.8％；稻壳灰5％；磷灰石4％；绢云母0.6％；海泡石1.8％；聚丙烯酸钠高吸水性树脂1.5％；滑石粉2.5％；纳米碳酸钙1％；混杂纤维0.8％。原材料的重量百分数之和为100％。

其中混杂纤维中聚乙烯纤维和聚酯纤维的重量比为70:30。

实施例4：用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土

本实施例与上述实施例1的差别仅在于各原材料的配比不同。所述的水泥混凝土，以重量百分数计，由以下原材料组成：水泥25％；河砂40％；水15.5％；减水剂1.2％；稻壳灰6％；磷灰石4％；绢云母1.4％；海泡石2.0％；聚丙烯酸钠高吸水性树脂0.9％；滑石粉2％；纳米碳酸钙1％；混杂纤维1％。原材料的重量百分数之和为100％。

其中混杂纤维中聚乙烯纤维和聚酯纤维的重量比为65:35。

分别对上述对比例1和实施例1～4的水泥混凝土进行抗压、弯曲韧性和抗渗性能试验，具体试验方法参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)和《纤维混凝土试验方法标准》(CECS13:2009)执行，成型后放入温度为20±2℃、相对湿度在90％以上的标准养护箱内养护至28d龄期。

具体参数如表1所示。从表1可以看出本发明所得水泥混凝土的力学性能较对比例1有显著的提升，变形能力得以大幅改善，最大挠度变形δ均在0.40mm以上，很好的体现了增韧抗冲击作用，韧性指数较对比例1提高了10倍左右，韧性指数I₁₀可达到10。同时，本发明的抗渗性能也明显优于如对比例1的普通混凝土。并且，实施例1～4中的水泥混凝土28d立方体抗压强度均值在50MPa以上，抗压弹性模量都在20GPa以下，说明其不仅具有足够的承载力，而且变形性能良好，可以承受交通荷载的反复作用。综合来看，本发明的混凝土提高了普通混凝土的抗压、抗冲击和抗渗性能，在成型试件的过程中观察发现，本发明的混凝土保水性和坍落度良好，在免振捣时也可以实现自密实，即自流平，实现了混凝土的高性能化，强化了桥梁湿接缝，提高了其承受荷载及复杂环境的能力，大幅减少后期的维护费用，提高行车舒适度和桥梁的耐久性，对解决先简支后连续桥梁体系的接缝病害有较强的技术和经济优势。

表1样品的各项性能测试结果

总之，本发明既达到了湿接缝混凝土高承载、抗冲击、抗渗和自流平的功能，又有效提高了先简支后连续桥梁体系的柔韧性，减少了桥面裂缝的产生，提高了桥梁的耐久性，减少了桥头跳车等现象的发生，有效提高了行车效率，经济实用，具有重要的现实意义和工程应用价值。

Claims (10)

1.用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土，其特征在于：该水泥混凝土的原材料组成为：以质量分数计，水泥25％～40％，河砂25％～40％，水15％～20％，减水剂0.8％～1.2％，稻壳灰5％～10％，磷灰石4％～6％，绢云母0.6％～1.4％，海泡石1.8％～3.2％，聚丙烯酸钠吸水性树脂0.5％～1.5％，滑石粉2％～3％，纳米碳酸钙1％～4％以及混杂纤维0.8％～2％；所述混杂纤维由聚乙烯纤维和聚酯纤维组成，其中，以质量分数计，聚乙烯纤维为60％～70％，聚酯纤维为30％～40％。

2.根据权利要求1所述用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土，其特征在于：所述水泥选自42.5或52.5强度等级的普通硅酸盐水泥；所述河砂的细度模数为2.3～2.8。

3.根据权利要求1所述用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土，其特征在于：所述减水剂选自减水率≥18％的聚羧酸系减水剂。

4.根据权利要求1所述用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土，其特征在于：所述稻壳灰的粒径≤0.075mm，密度为2.2～3.0g/cm³，SiO₂含量≥80％。

5.根据权利要求1所述用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土，其特征在于：所述磷灰石选自氟磷灰石，比重为3.18～3.21，CaO含量≥56％，细度为20～40目；所述绢云母为层状结构，弹性模量为1505～2134MPa，比重为2.6～2.7，细度为40～50目；所述海泡石的密度为1～2.2g/cm³，且SiO₂和MgO含量分别为55％～60％和21～25％，细度为20～40目。

6.根据权利要求1所述用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土，其特征在于：所述聚丙烯酸钠吸水性树脂的细度为80～100目，在水中的吸水率为自身重量的300～400倍。

7.根据权利要求1所述用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土，其特征在于：所述滑石粉的细度为1000目，SiO₂含量为60％，比重为2.7～2.8；所述纳米碳酸钙的粒度为0.01～0.1μm，比表面积为5～8m²/g，吸油值为60～90mL/100g。

8.根据权利要求1所述用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土，其特征在于：所述聚乙烯纤维的弹性模量为90～100GPa，抗拉强度为3200～3800MPa，密度为0.92～1.00g/cm³，长度为12～16mm，长径比为500～700；聚酯纤维的弹性模量为8.0～9.0GPa，抗拉强度为500～600MPa，密度为1.3～1.5g/cm³，长度为6～8mm，长径比为300～400。

9.一种制备如权利要求1所述用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)按所述原材料的质量配比分别称量各原材料；

2)将所述减水剂溶解在称量的水中得溶液A；

3)将所述水泥、河砂、稻壳灰、磷灰石、绢云母、海泡石、聚丙烯酸钠吸水性树脂和纳米碳酸钙搅拌混合均匀，得到混合料A；

4)将所述混杂纤维加入混合料A中后搅拌混合均匀，得到混合料B；

5)将所述滑石粉、溶液A以及混合料B搅拌混合均匀，即得到用于先简支后连续桥梁湿接缝的水泥混凝土。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述步骤3)、步骤4)以及步骤5)中，搅拌的时间为1～3min。