CN107043236A

CN107043236A - 一种轻骨料混凝土及其制备方法

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Publication number: CN107043236A
Application number: CN201710240657.9A
Authority: CN
Inventors: 刘磊; 魏鹏; 陈军亮; 吴秀静
Original assignee: Tianjin Jinyu Concrete Co Ltd
Current assignee: Tianjin Jinyu Concrete Co Ltd
Priority date: 2017-04-13
Filing date: 2017-04-13
Publication date: 2017-08-15
Anticipated expiration: 2037-04-13
Also published as: CN107043236B

Abstract

本发明公开了一种轻骨料混凝土及其制备方法，按重量份数计，包括水泥360‑400份，矿粉55‑75份，砂730‑760，轻骨料460‑500，水180‑195，粉煤灰75‑80份，外加剂6.8‑11.08份，外加剂包括碳纤维、减水剂以及分散剂，其中碳纤维0.8‑2.88份，减水剂5‑6份，分散剂1‑2.2份，可以提高轻骨料混凝土的强度。

Description

一种轻骨料混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土领域，特别涉及一种轻骨料混凝土及其制备方法。

背景技术

混凝土时当今土木建筑工程中最重要的建筑材料，也是用途最广用量最大的建筑材料。它不仅可以广泛地应用于工业与民用建筑、水工建筑和城市建设，而且还可以用于海洋开发用的各种建筑物，也可以制成轨枕、电杆、压力管、地下工程等。

但是随着现代土木工程日益向着高耸、大跨、重载的方向发展以及建造各种新型特种结构物需求的不断增加，普通混凝土材料自重大、比强度低、保温隔热性能差等缺点也日趋明显，限制了混凝土结构在高层建筑、大跨度桥梁、海洋浮式采油平台等结构物中的应用。对于这些结构物，恒载占载荷总量的比例越来越大。自重过大无论从技术上还是经济上来讲都是不利的，因为这些结构物中不得不采用建造和维护成本相对较高的其他结构形式，如钢结构等。为此，人们急需一种轻质高强的混凝土材料。

轻骨料混凝土应运而生，轻骨料混凝土虽然具有轻质、保温隔热性能好、抗震性优良等一系列优点，但是目前大多数轻骨料混凝土的抗压强度、抗折强度以及抗拉强度均较低，致使轻骨料混凝土的应用范围受到较大的限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种轻骨料混凝土及其制备方法，可以提高轻骨料混凝土的强度。

一种轻骨料混凝土，按重量份数计，按重量份数计，包括水泥340-380份，矿粉90-120份，砂705-735，轻骨料425-465，水165-177粉煤灰57-69份，外加剂6.8-11.08份。

通过采用上述技术方案，矿粉是优质的混凝土掺合料，加入到混凝土中可以有效提高混凝土的抗压强度，降低混凝土的成本，同时可以抑制碱骨料反应，降低水化热，减少混凝土结构早期温度裂缝，提高混凝土密实度，提高抗渗和抗侵蚀能力有明显效果，在满足强度的要求下，可以节约30—60%的水泥，同时提高了施工可操作性；砂可以填充轻骨料的空隙，提高混凝土的粘度，也使得混凝土更加密实，此外，砂和水泥浆组成水泥砂浆可以提高混凝土的和易性和流动性；轻骨料具有轻质高强的特点，配合水泥、粉煤灰和矿粉等可以降低建筑物的自重，外加剂的加入有助于提高轻骨料混凝土的性能。

较佳的，外加剂包括碳纤维0.8-2.88份，减水剂5-6份，分散剂 1-2.2份。

通过采用上述技术方案，碳纤维是一种高强度的新型纤维材料，重量轻，强度较高，并且碳纤维表面粗糙，有利于其与水泥的结合，所以碳纤维的加入可以进一步提高轻骨料混凝土的强度；但是碳纤维的表面较稳定，所以不易分散在混凝土中，分散剂的加入可以提高碳纤维的分散度，从而有助于提高混凝土的强度，减水剂的加入对水泥颗粒可以提高混凝土的流动性，降低轻骨料混凝土的絮凝。

较佳的，分散剂为羟丙基甲基纤维素。

通过采用上述技术方案，羟丙基甲基纤维素再分子单元结构中均含有亲水基团羟基和憎水基团羟基，并具有较多的极性基团，极性基团如羟基或羰基与极性水分子形成氢键,同时在液体表面和内部形成单分子膜和球状胶束,以降低水和空气间的面积,使溶液的表面张力急剧降低,从而增大了碳纤维的亲水性和浸润性,提高其分散性,形成类胶体分散体系;同时由于羟丙基甲基纤维素的支链较长，单分子分子量大，所以对碳纤维的分散效果好。

较佳的，减水剂为FDN高效减水剂。

通过采用上述技术方案，FDN高效减水剂为高分子表面活性剂，减水剂的加入可以拆开浆体中胶结料颗粒间阻碍流动的粘滞结构,加强了胶结料絮凝体的运动能力及凝聚体粒子与纤维间的相互扩散能力,配合分散剂的使用，使胶结料粒子在水-纤维体系中充分分散,从而使润胀的纤维束细纤维化,进而实现了整个纤维、水-胶结料粒子体系的匀化。

较佳的，碳纤维的长度为3-6mm。

通过采用上述技术方案，碳纤维的长度过短时强度较低，而过长则碳纤维之间的聚集会增加从而影响碳纤维的分散，所以碳纤维的长度选择在3mm-6mm，既可以保证碳纤维的强度，又可以保证碳纤维的分散效果。

较佳的，碳纤维的截面为C型。

通过采用上述技术方案，C型碳纤维的抱合力强，有助于增加碳纤维与水泥之间的吸附力，进而增加分散效果；并且C型的碳纤维表面积大，碳纤维于水泥之间有更多的接触点，此外，C形碳纤维的浸润性好，抗弯强度高，这除了有助于碳纤维分散，还进一步增加了轻骨料混凝土的抗弯强度。

一种制备轻骨料混凝土制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：对轻骨料进行预处理；

步骤二：在索氏提取器中用1:1的乙醇丙酮溶液和环己酮分

别回流洗涤碳纤维各10h，取出碳纤维于80℃烘干至恒重备用，在装有回流管的通风厨中用16molL^-1的浓硝酸加热恒温来氧化碳纤维，每20min摇动一次溶液代替搅拌，在90-100℃的情况下氧化2h,取出碳纤维，用过蒸馏水洗涤5次，于80℃烘干至恒重备用；

步骤三：将1/2的水倒入反应器中，将羟丙基甲基纤维素放入水搅拌0.5min使其均匀溶解，制成羟丙基甲基纤维素溶液；再将步骤二中氧化结束的碳纤维加入羟丙基甲基纤维素溶液中，继续搅拌1min，使得碳纤维在羟丙基甲基纤维素溶液中呈单丝状分布；

步骤四：将称取结束的水泥、砂、矿粉以及粉煤灰混合物倒入搅拌机中，先干搅0.5min，将步骤三制得的溶液倒入，同时加入剩余的水以及FDN高效减水剂，搅拌0.5min至均匀。

通过采用上述技术方案，轻骨料的预处理对轻骨料混凝土的性能具有较重要的作用；利用浓硝酸氧化碳纤维，可以增加碳纤维表面的活性基团，碳纤维表面的活性基团，配合分散剂以及减水剂的分散作用，进一步增加了碳纤维的分散作用；碳纤维的表面会具有一些杂质和灰尘，为了避免杂质的氧化产物吸附在碳纤维表面而影响碳纤维的质量，所以在氧化碳纤维之前，利用乙醇丙酮溶液和环己酮对碳纤维进行清洗，清洗效果较好，在100℃的温度下清洗2h，可以保证碳纤维表面因氧化产生的基团的数量，并降低硝酸对碳纤维表面刻蚀的前度，保证碳纤维的力学性能不产生明显的损失；先将碳纤维与羟丙基甲基纤维素混合均匀，从而使得碳纤维先较好的分散在水中，然后再加入水泥、矿粉、粉煤灰与FDN高效减水剂，配合减水剂使用有助于进一步提高碳纤维在水泥中的分散性，以这样步骤制取的混凝土，有助于提高碳纤维在水中以及水泥中的分散的程度，进而提高轻骨料混凝土的强度。

较佳的，步骤一中的预处理包括将轻骨料放入水中进行预湿，同时将瓜尔豆胶和硼酸溶于一部分水中溶解均匀，然后倒入轻骨料中。

通过采用上述技术方案，将轻骨料倒入水中进行浸湿，轻骨料内部预先饱和的水分可以降低自收缩和塑性收缩，提高混凝土早期抗塑裂性以及增加混凝土的后期强度；向轻骨料内加入瓜尔豆胶和硼酸后，等在加入水泥、减水剂等物质时，瓜尔豆胶和硼酸可以在体系中形成凝胶，形成了一种三维网络结构，进一步提高轻骨料混凝土的强度，并且在碱性条件下瓜尔豆胶和硼酸交联的效果较好。

综上所述，本发明具有以下有益效果：1、碳纤维的加入提高了混凝土的强度，分散剂的加入提高了碳纤维在水中的分散性，FDN高效减水剂的使用与分散剂配合，可以提高纤维、水-胶结料粒子体系的匀化程度；2、利用浓硝酸对碳纤维进行氧化，增加了碳纤维表面的活性基团数量，这些活性基团与羟丙基甲基纤维素上的活性基团相配合，进一步提高了碳纤维的分散效果；3、在润湿轻骨料时，加入豆瓜尔胶和硼酸，等加入水泥以及减水剂后，豆瓜尔胶和硼酸可以在体系中形成凝胶，形成一种三维网络结构，进一步提高了混凝土的强度。

具体实施方式

实施例：本发明中选用从天津中冶天管环保资源开发有限公司购得的S95级的矿粉；天津北疆环保建材有限公司F类Ⅰ级粉煤灰；从天津振兴水泥有限公司购得的P·O42.5的水泥；河北遵化的河砂；

外加剂6.8-12.08份，其中包括碳纤维0.8-2.88份，减水剂5-6份，分散剂 1-2.2份。减水剂为FDN高效减水剂并从江苏省海安石油化工厂购得；分散剂为羟丙基甲基纤维素并从戈麦斯化工（中国）有限公司购得，浓硝酸从深圳市一顺化工贸易有限公司购得，用水直接采用自来水。

轻骨料选择宜昌光大陶粒制品有限公司生产的800级页岩陶瓷，粒径范围4.75~20mm，1h吸水率4.5%，饱和吸水率8.7%表观密度1590kg/m³。

辽宁鞍山产沥青基碳纤维，平均长度6mm，抗拉强度 500~600MPa，弹性模量0.7GPa，密度1.5~1.6g/cm³。

参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)、《水工混凝土试验规程》（SL352-2006），根据现有试模尺寸，试验分别制作了 150 mm×150 mm×150mm 的立方体试件和150 mm×150 mm×300 mm 的棱柱体试件。具体试件用途、规格、数量等参数见表 1。

表1试件设计列表：

试件用途	试件尺寸	试件组数（组）
			立方体抗压强度	150 mm×150 mm×150mm	8
轴心抗压强度、弹性模量	150 mm×150 mm×300mm	4
			抗折强度	100 mm×100 mm×400 mm	4

试件制作步骤如下：

步骤一：对轻骨料进行预处理，预处理过程为：将轻骨料放入水中进行预湿，同时将瓜尔豆胶和硼酸溶于一部分水中溶解均匀，水分的加入量可以满足瓜尔豆胶和硼酸溶解即可，然后倒入轻骨料中；

步骤二：在索氏提取器中用1:1的乙醇丙酮溶液和环己酮分别回流洗涤碳纤维各10h，取出碳纤维于80℃烘干至恒重备用，在装有回流管的通风厨中用16molL^-1的浓硝酸加热恒温来氧化碳纤维，每20min摇动一次溶液代替搅拌，在90-100℃的情况下氧化2h,取出碳纤维，用过蒸馏水洗涤5次，于80℃烘干至恒重备用；

试件制作后养护：将拌合物置入标准模具中，在1m×1m的振动台上振捣成型，24小时后拆模，随后将试件置于湿度大于 95%，温度为 20 ±2℃的标准养护室养护，至规定龄期开展相关性能的试验。

具体试验如下：《轻骨料混凝土技术规程》（JGJ51-2002）中，干表观密度试验方法可采用破碎试件烘干法进行测试，测试结果记录在表2中。

力学性能的测试：轻骨料混凝土的力学性能试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）中的规定进行，数据记录在表2中。

表2，实施例1至实施例6混凝土拌合物的力学性能的数据记录,其中选用碳纤维的长度为6mm，截面积为C型：

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6
							水泥/kg	340	350	360	370	375	380
矿粉/kg	90	95	100	110	115	120
							砂/kg	705	710	715	720	728	735
轻骨料/kg	425	435	440	450	455	460
							水/kg	165	168	170	172	175	177
粉煤灰/kg	57	60	62	64	66	69
							碳纤维/kg	0.8	1.2	1.6	1.9	2.49	2.88
减水剂/kg	5	5.2	5.4	5.6	5.8	6
							分散剂/kg	1	1.2	1.45	1.65	1.85	2.2
28d立方体抗压强度（Mpa）	48.0	48.3	48.5	48.9	49.4	49.8
							28d抗折强度(Mpa)	4.70	4.75	4.72	4.76	4.82	4.87
劈拉强度（Mpa）	2.79	2.91	2.95	3.01	3.07	3.13
							干表观密度（kg/m³）	1890	1860	1830	1790	1770	1760

6组轻骨料混凝土均在1750 kg/m³~1900 kg/m³的范围内，我国对于轻骨料混凝土干表观密度 1950kg/m³上限的要求，按我国《轻骨料混凝土技术规程》（JGJ51-2002）规定，本试验的6组浮石轻骨料混凝土密度等级在 1700～1900 之间。

随着碳纤维的增加，混凝土的抗压强度有了一定的提高；混凝土的劈裂强度也不断提高，说明碳纤维的掺入对混凝土的劈拉强度影响较为明显，另一方面表面了碳纤维混凝土的脆性有所降低，韧性得以提高。

表3：对比例1至对比例8的数据记录表，其中对比例1至对比例6以及对比例8加入的均为经浓硝酸氧化的碳纤维，对比例7加入的为未利用浓硝酸氧化的碳纤维；与实施例6不同的分别是：对比例1至对比例6体现的分别为未加入碳纤维、单独加入碳纤维、加入碳纤维和减水剂组合、加入碳纤维和分散剂组合以及加入分散剂、减水剂和碳纤维组合、分散剂加入量、以及碳纤维加入量对轻骨料混凝土强度的影响；对比例8与实施例6不同的是：轻骨料未经预处理。

	对比例1	对比例2	对比例3	对比例4	对比例5	对比例6	对比例7	对比例8
									水泥/kg	410	410	410	410	410	410	410	410
矿粉/kg	69	69	69	69	69	69	69	69
									砂/kg	735	735	735	735	735	735	735	735
轻骨料/kg	465	465	465	465	465	465	465	465（未预处理）
									水/kg	176	176	176	176	176	176	176	176
粉煤灰/kg	69	69	69	69	69	69	69	69
									碳纤维/kg	0	2.88	2.88	2.88	2.88	2.93	2.88（未氧化）	2.88
减水剂/kg	6	0	6	0	6	6	6	6
									分散剂/kg	2.2	0	0	2.2	2.4	2.2	2.2	2.2
28d立方体抗压强度（Mpa）	46.6	47.0	47.4	47.6	49.6	49.5	48.8	47.9
									28d抗折强度(Mpa)	4.15	4.20	4.40	4.45	4.85	4.84	4.75	4.69
劈拉强度（Mpa）	2.36	2.39	2.46	2.50	2.45	2.43	2.95	2.91

从对比例中可以得出，未加入碳纤维时，轻骨料混凝土的立方体抗压强度、抗折强度以及劈裂强度均有所下降，这说明碳纤维的加入对轻骨料混凝土的抗压强度、抗折强度以及劈裂强度均有所帮助；将对比例2、对比例3以及对比例4进行对比，可以看出，对比例4中的抗压强度、抗折强度、劈裂强度大于对比例3中，这说明分散剂与碳纤维混合使用，混凝土的抗压强度、抗折强度、劈裂强度均有所提高，但是相对于减水剂与碳纤维混合使用时，分散剂与碳纤维混合使用对混凝土的强度影响更大。

将对比例2、对比例3和对比例4同实施例6进行对比，可以看出，同时加入碳纤维、减水剂以及分散剂时，混凝土的抗压强度、抗折强度、劈裂强度效果最好；一方面是因为碳纤维经过氧化处理后，表面具有较多的活性基团，提高了碳纤维的亲水性，羟丙基甲基纤维素具有羟基或者羰基等极性基团，有助于碳纤维分散在水中；同时羟甲基纤维素内的极性基团会在液体表面和内部形成单分子膜和球状胶束以降低水和空气间的面积，使得溶液的表面张力急剧降低，从而增大了碳纤维的亲水性和润湿性；另一方面，FDN高效减水剂是一种阴离子表面活性剂，其中含有的极性亲水基团定向吸附于水泥颗粒表面，使得水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂化膜，这层膜起到了立体保护作用，阻止了水泥颗粒间的直接接触，并在颗粒间起到润滑作用，FDN高效减水剂的加入可以拆开浆体中胶结料颗粒间阻碍流动的粘滞结构,加强了胶结料絮凝体的运动能力及凝聚体粒子与纤维间的相互扩散能力,使胶结料粒子在水-纤维体系中充分分散,从而使润胀的纤维束细纤维化,进而实现了整个纤维、水-胶结料粒子体系的匀化。

将对比例5与实施例6进行对比，分散剂的用量超过实施例6中的用量，混凝土的抗压强度、抗折强度、劈裂强度反而降低，这说明分散剂的添加量不是越多越好，原因是，羟甲基纤维素加入量过多，使得混凝土的粘度增大，降低了胶结粒子的分散能力，进而降低了碳纤维在胶结粒子中的分散能力；此外，羟丙基甲基纤维素的加入，加剧了胶结料粒子的絮聚，使胶结料粒子不能在分散良好的纤维-分散剂溶液中均匀分散,结果出现纤维聚束,粒子成团而最终导致纤维-水-胶结料粒子分散体系宏观上的不均匀，而FDN减水剂的加入正好弥补了上述缺陷。

对比例6与实施例6进行对比，碳纤维的用量超过实施例6中的用量，轻骨料混凝土的抗压强度、抗折强度、劈裂强度也降低，这是因为碳纤维加入的量超出合适的范围后，较多的碳纤维导致碳纤维成团，影响其均匀分布要求；此外，碳纤维与砂浆的粘结性情况对混凝土性能也很重要，大量的碳纤维的掺入将增加碳纤维的表面积，但是水泥浆体质量不变，从而造成水泥浆对纤维包裹不足，影响其粘结效果。

将对比例7与实施例6进行对比，由于加入了未经浓硝酸氧化的碳纤维，导致轻骨料混凝土的抗压强度、抗折强度、劈裂强度较低，这是因为碳纤维较稳定，未经硝酸氧化的碳纤维表面活性基团少，从而导致碳纤维与分散剂以及减水剂配合使用时，碳纤维发挥作用的程度有限，导致碳纤维不易分散在水中。

将对比例8与实施例6进行对比，可以看出未加入硼酸以及豆瓜尔胶，轻骨料混凝土的抗压强度、抗折强度以及劈拉强度均有所降低，但是抗压强度降低的最多，说明硼酸以及豆瓜尔胶对轻骨料混凝土的强度具有增强效果。

表4，为实施例7至实施例8以及对比例9的各项数据，体现碳纤维长度对混凝土强度的影响，其中各个物质的添加量与实施例6相同；

	实施例7	实施例8	对比例9
				碳纤维的长度	3mm	5mm	7mm
28d立方体抗压强度（Mpa）	43.2	43.6	43.4
				28d抗折强度(Mpa)	6.82	6.85	6.83
劈拉强度（Mpa）	3.06	3.09	3.07

从表4可以看出，在一定范围内，碳纤维的长度增加有助于提高混凝土的强度，但是碳纤维的长度较长时，反而会影响混凝土的强度，这是因为碳纤维的长度较长时，不易增大了分散的难度，所以影响了碳纤维的均匀分布。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims

1.一种轻骨料混凝土，其特征在于：按重量份数计，包括水泥340-380份，矿粉90-120份，砂705-735，轻骨料425-465，水165-177，粉煤灰57-69份，外加剂6.8-11.08份。

2.根据权利要求1所述的轻骨料混凝土，其特征在于:外加剂包括碳纤维0.8-2.88份，减水剂5-6份，分散剂 1-2.2份。

3.根据权利要求2所述的轻骨料混凝土，其特征在于:分散剂为羟丙基甲基纤维素。

4.根据权利要求3所述的轻骨料混凝土，其特征在于:减水剂为FDN高效减水剂。

5.根据权利要求4所述的轻骨料混凝土，其特征在于:碳纤维的长度为3-6mm。

6.根据权利要求5所述的轻骨料混凝土，其特征在于:碳纤维的截面为C型。

7.一种制备如权利要求6所述的轻骨料混凝土制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：对轻骨料进行预处理；

8.根据权利要求7所述的轻骨料混凝土制备方法，其特征在于:步骤一中的预处理包括将轻骨料放入水中进行预湿，同时将瓜尔豆胶和硼酸溶于一部分水中溶解均匀，然后倒入轻骨料中。