CN107098644A - 一种抗冲击性的混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗冲击性的混凝土，以质量份数计，包括以下的原料制备而成：水泥180‑270份；矿粉85‑115份；粉煤灰80‑110份；砂720‑936份；碎石780‑1080份；水165‑195份；外加剂6.5‑9.5份；碳纤维复合材料20‑35份，可以提高混凝土的抗冲击性能。

Description

一种抗冲击性的混凝土

技术领域

本发明涉及混凝土的生产技术领域，特别是一种抗冲击性的混凝土。

背景技术

现有技术中混凝土的制备只是通过将水泥、沙子、石子、水和减水剂混合制备而成，这样的混凝土的优点是抗压强度高、取材容易、易成型、价格低廉、可与钢材结合制成各种承重构件，但是有时混凝土在浇筑后早期硬化阶段，因泌水和水分散失而引起塑性收缩和裂纹；致使混凝土的抗拉强度低、脆性大、韧性差，从而降低混凝土结构的承载能力，缩短使用寿命，成为各种灾难事故的隐患。特别是其抗冲击性能差，在冲击荷载作用下易于脆性断裂和脱落。因此，对于冲击荷载较大的桥梁、道路、堤坝等结构，设计出一种具有优异的抗冲击性能的高性能的混凝土是本领域急需解决的问题。

室内试验和工程实践证明，在混凝土中加入较低掺量水平的纤维,即可减少或防止混凝土在浇筑后早期硬化阶段，因泌水和水分散失而引起塑性收缩和微裂纹；也可以减少和防止混凝土硬化后期产生干缩裂缝及温度变化引起的微裂纹，从而改善混凝土的防渗、抗冻、抗冲磨等性能。同时由于纤维分布于混凝土中，使混凝土结构的变形能力、初裂后残余强度、韧性都有一定提高。

但是纤维不易溶于水，而且密度较小，因此在与混凝土混合过程中，纤维容易上浮而造成在混凝土中的分散不均匀，造成制备的混凝土每部分的韧性和抗冲击性能分布不均匀，进而影响混凝土整体性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种韧性大，不易裂缝，具有优异的抗冲击性能且抗冲击性能分布均匀的混凝土。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种抗冲击性的混凝土，以质量份数计，包括以下的原料制备而成：水泥180-270份；矿粉85-115份；粉煤灰80-110份；砂720-936份；碎石780-1080份；水165-195份；外加剂6.5-9.5份；碳纤维复合材料20-35份。

通过采用上述技术方案，砂和碎石在混凝土为骨料，起到骨架作用，矿粉作为混凝土掺合料，加入到混凝土中可改善混凝土流动度，降低水泥水化热，提高混凝土抗渗和抗腐蚀能力和强度，矿粉可以代替水泥使用，进而减小混凝土的成本；另外向在混凝土中加入掺量一定的碳纤维复合材料，由于碳纤维具高弹性模量，可减少或防止混凝土在浇筑后早期硬化阶段,因泌水和水分散失而引起塑性收缩和微裂纹，同时增强了混凝土的韧性,进而增强了混凝土的抗冲击能力；加入粉煤灰能降低混凝土的水化热，减少混凝土的混凝土的泌水和离析、提高耐久性。

较佳的，碳纤维复合材料是由碳纤维与三羟甲基氧化磷接枝复合而成。

通过上述技术方案，碳纤维具有高强度、高弹性模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀和抗疲劳等多种优异性能。在混凝土中掺杂少量的碳纤维，即可减少或防止混凝土在浇筑后早期硬化阶段，因泌水和水分散失而引起塑性收缩和微裂纹；也可以减少和防止混凝土硬化后期产生干缩裂缝及温度变化引起的微裂纹，从而改善混凝土的防渗、抗冻、抗冲磨等性能，另外，提高了混凝土结构的变形能力和韧性，进而增强混凝土的抗冲击；另外碳纤维不溶于水，在水泥浆的分散性不好，且易团聚，使碳纤维在混凝土的韧性和抗冲击性分布不均匀；三羟甲基氧化磷易溶于水，可以在水泥浆中均匀分散；并且一个三羟甲基氧化磷中含有三个羟基，多个碳纤维可以与三羟甲基氧化磷接枝，形成类似网状的结构，使碳纤维在混凝土中分布的更加均匀和紧凑，进一步增强了混凝土的抗冲击性能并且使得混凝土的抗冲击性分布均匀，另外三羟甲基氧化磷热稳定性好、耐水解、无毒、阻燃性能好，也是一种新型环保的阻燃剂，所以加入三羟甲基氧化磷也进一步提高了混凝土的热稳定性和阻燃的性能。

较佳的，还包括碳纤维的长度的10-15mm。

通过上述技术方案，碳纤维是纤维状的碳材料，是由有机纤维原丝在1000以上的高温下碳化形成，在水溶液中易团聚，选择适宜的碳纤维长度即可以减少碳纤维的团聚程度，同时又不影响碳纤维增强混凝土中的抗冲击性能。

较佳的，还包括矿粉为S95级矿粉。

通过上述技术方案，矿粉可以代替水泥使用，减小混凝土的成本，并且作为优质的矿粉还可以增加粘度，并且混凝土后期的强度会有所增加。

较佳的，还包括所述粉煤灰为I级粉煤灰。

通过上述技术方案，粉煤灰起到致密的作用，I级粉煤灰含有的粒度较小且杂质相对较少，可以很好的提高混凝土的抗渗性、耐久性以及后期强度。

较佳的，外加剂包括减水剂和缓凝剂，减水剂和缓凝剂的质量份数比为5-7:1-2。

通过上述技术方案，外加剂包括减水剂和缓凝剂，外加剂的添加可以加大混凝土的强度，并且可以改善其和易性和泌水性，并且还可以调节凝结时间、改善了混凝土的凝结时间和硬化时间，可满足不同的工程。

较佳的，减水剂为聚羧酸系减水剂。

通过上述技术方案，聚羧酸系减水剂不仅能够增加混凝土的强度，还具有抗冻性和抗碳化性，进而增加了混凝土的性能。

一种如权利要求1所述的一种抗冲击性的混凝土的制备方法，包括碳纤维复合材料的制备，包括以下步骤：

步骤1，碳纤维的表面功能化：在超声波辅助分散的条件下，将1Kg碳纤维加入到盛有80L浓硫酸和浓硝酸(体积比3:1)的混酸溶液，并辅助机械搅拌，搅拌的速度为300r/min，氧化6h，然后将大量的去离子水稀释，过滤、反复洗涤至中性，放入真空干燥箱中，60℃，干燥12h，得到表面含有羧基的碳纤维；

步骤2，将含有羧基的碳纤维与三羟甲基氧化磷接枝：将氧化后的碳纤维超声分散到纯水中，然后加入三羟甲基氧化磷，碳纤维与三羟甲基氧化磷的质量比为1-3:1，浓硫酸作为催化剂，并搅拌3h，过滤、反复洗涤至中性，放入真空干燥箱中，60℃，干燥12h。

通过上述技术方案，通过浓硫酸和浓硝酸(体积比3:1)的混酸溶对碳纤维的表面表面功能化，使碳纤维表面带有羧基；带羧基的碳纤维与三羟甲基氧化磷以浓硫酸为催化剂发生酯化反应，进而实现了碳纤维与三羟甲基氧化磷接枝。

与现有技术相比，本发明具有以下的特点和技术效果：

1、本发明矿粉、砂和碎石的使用量占原料总量的比例较大，大大降低了水泥的用量，降低了生产成本；

2、本发明中掺杂了碳纤维复合材料，碳纤维可减少或防止混凝土在浇筑后早期硬化阶段,因泌水和水分散失而引起塑性收缩和微裂纹，从而增强了混凝土的韧性和抗冲击性能；

3、碳纤维与三羟甲基氧化磷接枝复合，这样可以增大碳纤维的亲水性和浸润性，提高碳纤维在混凝土中的分散性，使混凝土的抗冲击性能分布均匀；另外，三羟甲基氧化磷热稳定性好、耐水解、无毒、阻燃性能好，也是一种新型环保的阻燃剂，所以加入三羟甲基氧化磷也进一步提高了混凝土的热稳定性和阻燃的性能；

4、本发明中采用聚羧酸系减水剂，不仅能够增加混凝土的强度，还具有抗冻性和抗碳化性，进而能够增加了混凝土的性能。

具体实施方式

本发明中选用从天津程锦公司购得的S95级的矿粉，天津北疆环保建材有限公司购得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；江苏顺聚碳纤维制品有限公司购买碳纤维；湖北华麦利斯科技有限公司购得三羟甲基氧化磷；山西黄藤化工购得聚羧酸减水剂。

实施例：碳纤维复合材料的合成以及亲水性能的测试

碳纤维复合材料的合成步骤：

步骤1，碳纤维的表面功能化：

在超声波辅助分散的条件下，将1Kg碳纤维加入到盛有80L浓硫酸和浓硝酸(体积比为3:1)的混酸溶液，并辅助机械搅拌，搅拌的速度为300r/min，氧化6h，然后将大量的去离子水稀释，过滤、反复洗涤至中性，放入真空干燥箱中，60℃，干燥12h，得到表面含有羧基的碳纤维；

步骤2，将含有羧基的碳纤维与三羟甲基氧化磷接枝：将氧化后的碳纤维超声分散到纯水中，然后加入三羟甲基氧化磷，碳纤维与三羟甲基氧化磷的质量比为1-3:1，浓硫酸作为催化剂，并搅拌3h，过滤、反复洗涤至中性，放入真空干燥箱中，60℃，干燥12h。

并且根据碳纤维与三羟甲基氧化磷的质量比不同分别取1:1、2:1、3:1，制备出碳纤维复合材料A、碳纤维复合材料B和碳纤维复合材料C，对碳纤维复合材料A、碳纤维复合材料B、碳纤维复合材料C做亲水性能的测试实验，结果见表1中实施例1-实施例3。

随后又做了对比试验，结果见表1，对比例与实施例不同的是，对比例1中只加入了表面功能化的碳纤维，而没有加入三羟甲基氧化磷；对比例2中只加入了未处理的碳纤维，而没有加入三羟甲基氧化磷。

碳纤维复合材料亲水性能的测试实验步骤

步骤1，将一定量的碳纤维复合材料放入带盖的玻璃瓶中；

步骤2，向玻璃瓶中加入适量的纯水并超声分散20min，取出玻璃瓶放置在防震台上，观察碳纤维复合材料在水中不同时间(0s、2min、20min、2h、12h)的分散情况。

表1是碳纤维复合材料合成组分及亲水性能的测试

从实施例中可以看出，碳纤维复合材料A和碳纤维复合材料B在纯水中可以较好的分散12h以上，这表明碳纤维复合材料A和碳纤维复合材料B具有很好的亲水性能，而碳纤维复合材料C的亲水性能较碳纤维复合材料A和碳纤维复合材料B较差，这是因为碳纤维与三羟甲基氧化磷以质量比为3:1反应时，由于位阻效应，碳纤维没有与三羟甲基氧化磷上的三个羟基均发生酯化反应，所以在制备的碳纤维复合材料C中含有未参加反应的碳纤维，进而减弱了碳纤维复合材料C的亲水性能。

从对比例中，未处理过的碳纤维不具备亲水性能，表面功能化的碳纤维具有较弱的亲水性，这是因为表面处理过的碳纤维表面带有羧基，使碳纤维具有的亲水性。

通过实施例和对比例可以看出，碳纤维与三羟甲基氧化磷的复合材料增强了碳纤维的亲水性，并且碳纤维复合材料A和碳纤维复合材料B的亲水性能较好。

混凝土成分的组分及其性能测试

实施例1

水泥180Kg；矿粉85Kg；粉煤灰80Kg；砂720Kg；碎石780Kg；减水剂5.2Kg；缓凝剂1.3Kg；水165Kg；碳纤维复合材料A20Kg。

实施例2

水泥210Kg；矿粉95Kg；粉煤灰90Kg；砂792Kg；碎石880Kg；减水剂6.0Kg；缓凝剂1.5Kg；水175Kg；碳纤维复合材料A25Kg。

实施例3

水泥240Kg；矿粉105Kg；粉煤灰100Kg；砂864Kg；碎石980Kg；减水剂6.8Kg；缓凝剂1.7Kg；水185Kg；碳纤维复合材料A30Kg。

实施例4

水泥270Kg；矿粉115Kg；粉煤灰110Kg；砂936Kg；碎石1080Kg；减水剂7.6Kg；缓凝剂1.9Kg；水195Kg；碳纤维复合材料A35Kg。

实施例5

水泥180Kg；矿粉85Kg；粉煤灰80Kg；砂720Kg；碎石780Kg；减水剂5.2Kg；缓凝剂1.3Kg；水165Kg；碳纤维复合材料B 20Kg。

实施例6

水泥210Kg；矿粉95Kg；粉煤灰90Kg；砂792Kg；碎石880Kg；减水剂6.0Kg；缓凝剂1.5Kg；水175Kg；碳纤维复合材料B 25Kg。

实施例7

水泥240Kg；矿粉105Kg；粉煤灰100Kg；砂864Kg；碎石980Kg；减水剂6.8Kg；缓凝剂1.7Kg；水185Kg；碳纤维复合材料B 30Kg。

实施例8

水泥270Kg；矿粉115Kg；粉煤灰110Kg；砂936Kg；碎石1080Kg；减水剂7.6Kg；缓凝剂1.9Kg；水195Kg；碳纤维复合材料B 35Kg。

实施例9

水泥180Kg；矿粉85Kg；粉煤灰80Kg；砂720Kg；碎石780Kg；减水剂5.2Kg；缓凝剂1.3Kg；水165Kg；碳纤维复合材料C 20Kg。

实施例10

水泥210Kg；矿粉95Kg；粉煤灰90Kg；砂792Kg；碎石880Kg；减水剂6.0Kg；缓凝剂1.5Kg；水175Kg；碳纤维复合材料C 25Kg。

实施例11

水泥240Kg；矿粉105Kg；粉煤灰100Kg；砂864Kg；碎石980Kg；减水剂6.8Kg；缓凝剂1.7Kg；水185Kg；碳纤维复合材料C 30Kg。

实施例12

水泥270Kg；矿粉115Kg；粉煤灰110Kg；砂936Kg；碎石1080Kg；减水剂7.6Kg；缓凝剂1.9Kg；水195Kg；碳纤维复合材料A35Kg。

混凝土加工工艺：

1、首先称量足够份数的水泥、矿粉、粉煤灰、砂、碎石、减少剂、缓凝剂、水、碳纤维复合材料；

2、将水泥、矿粉、粉煤灰、砂、碎石倒入搅拌机进行搅拌1.5min；

3、向搅拌机加入减水剂和缓凝剂进行搅拌1.5min；

4、将碳纤维复合材料溶于水中并超声或搅拌使碳纤维复合材料分散与水中，然后将其注入搅拌机中的干骨料中再次搅拌2min。

对比例1：

水泥240Kg；矿粉105Kg；粉煤灰100Kg；砂864Kg；碎石980Kg；减水剂6.8Kg；缓凝剂1.7Kg；水185Kg，碳纤维复合材料0Kg。

对比例2：

水泥240Kg；矿粉105Kg；粉煤灰100Kg；砂864Kg；碎石980Kg；减水剂6.8Kg；缓凝剂1.7Kg；水185Kg；碳纤维复合材料0Kg；未处理的碳纤维30Kg。

对比例3：

水泥240Kg；矿粉105Kg；粉煤灰100Kg；砂864Kg；碎石980Kg；减水剂6.8Kg；缓凝剂1.7Kg；水185Kg；碳纤维复合材料0Kg；表面功能化的碳纤维30Kg。

测试方法：

对以上实施例和对比例中的混凝土凝固28后，在相同的条件下对其进行抗压强度，劈裂强度，抗冲击性以及抗冲击性的分布均匀度进行测试，测试结果见表2。

混凝土的力学性能测试参照《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。

冲击性能分布均匀度测试：在凝固28后的混凝土上随机取30个不同位置上的点测试抗冲击性能，然后30个数据求标准差，标准差>0.5为冲击性能分布不均匀；标准差≤0.5为冲击性能分布均匀。

表2为混凝土实施例和对比例的力学性能测试数据

从对比例1和实施例1-12对比可以看出，加入碳纤维复合材料时，混凝土抗压强度、劈拉强度和抗冲击强度均有所加强，特别是抗冲击的能力，增加了2倍多，这说明碳纤维复合材料加强了混凝土的抗压强度、抗冲击强度以及劈裂强度，这是由于碳纤维具高弹性模量，可减少或防止混凝土在浇筑后早期硬化阶段因泌水和水分散失而引起塑性收缩和微裂纹，同时增强了混凝土的韧性，进而增强了混凝土的抗冲击能力。

对比例2和实施例1-12对比可以看出，用未处理的碳纤维代替碳纤维复合材料，也能一定程度上增强混凝土抗压强度、劈拉强度和抗冲击强度，但是对其性能的增强强度低于碳纤维复合材料的增强强度，而且抗冲击性能分布不均匀，这是由于碳纤维是高分子材料，在混凝土的泥浆中不易分散，使得碳纤维在混凝土中的分散不均匀，使得混凝土抗压强度、劈拉强度和抗冲击强度分布不均匀，导致增强混凝土的抗压强度、劈拉强度和抗冲击强度的程度不高。

对比例3和实施例1-12对比可以看出，用表面功能化的碳纤维代替碳纤维复合材料，一定程度上增强了混凝土的抗压强度、抗冲击强度以及劈裂强度，但是低于碳纤维复合材料的增强强度，这时由于表面氧化过的碳纤维亲水性较低，在混凝土中的分散不均匀所致。

对比实施例1-4、实施例5-8和实施例9-12，可以看出向混凝土中加入碳纤维复合材料B和碳纤维复合材料C比加入碳纤维复合材料A的抗冲击性能都有所增强，这表明多个碳纤维与三羟甲基氧化磷接枝后，使得碳纤维在混凝土中的分布的更加致密，进而进一步增强了混凝土的抗冲击性能，但是对于碳纤维复合材料C中含有没有反应的碳纤维，其亲水性能略低，在混凝土中的分散性弱，使其抗冲击性能分布不均匀。

Claims (8)

1.一种抗冲击性的混凝土，其特征在于，以质量份数计，包括以下的原料制备而成：水泥180-270份；矿粉85-115份；粉煤灰80-110份；砂720-936份；碎石780-1080份；水165-195份；外加剂6.5-9.5份；碳纤维复合材料20-35份。

2.根据权利要求1所述的一种抗冲击性的混凝土，其特征在于，所述碳纤维复合材料是由碳纤维与三羟甲基氧化磷接枝复合而成。

3.根据权利要求2所述的一种抗冲击性的混凝土，其特征在于，所述碳纤维的长度的10-15mm。

4.根据权利要求1所述的一种抗冲击性的混凝土，其特征在于，所述矿粉为S95级矿粉。

5.根据权利要求1所述的一种抗冲击性的混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为I级粉煤灰。

6.根据权利要求1所述的一种抗冲击性的混凝土，其特征在于，所述外加剂包括减水剂和缓凝剂，所述减水剂和缓凝剂的质量份数比为5-7:1-2。

7.根据权利要求6所述的一种抗冲击性的混凝土，其特征在于，所述减水剂为高效萘系减水剂。

8.一种如权利要求1所述的一种抗冲击性的混凝土的制备方法，其特征在于，包括碳纤维复合材料的制备，包括以下步骤：

步骤1，碳纤维的表面功能化：在超声波辅助分散的条件下，将1Kg碳纤维加入到盛有80L浓硫酸和浓硝酸(体积比3:1)的混酸溶液，并辅助机械搅拌，搅拌的速度为300r/min，氧化6h，然后将大量的去离子水稀释，过滤、反复洗涤至中性，放入真空干燥箱中，60℃，干燥12h，得到表面含有羧基的碳纤维；

步骤2，将含有羧基的碳纤维与三羟甲基氧化磷接枝：将氧化后的碳纤维超声分散到纯水中，然后加入三羟甲基氧化磷，碳纤维与三羟甲基氧化磷的质量比为1-3:1，浓硫酸作为催化剂，并搅拌3h，过滤、反复洗涤至中性，放入真空干燥箱中，60℃，干燥12h。