CN108892448A - 一种降低混凝土热膨胀系数的制备方法 - Google Patents

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陈波
杨挺
万易冬
曹思宇
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Abstract

本发明提出了一种降低混凝土热膨胀系数的方法，公开了一种新的而且效果良好的可降低混凝土热膨胀系数的制备方法，同时该制备方法又能满足混凝土的强度要求。其技术方案是往混凝土中添加一种具有热缩冷胀性质的负热膨胀材料从而能够有效的抵消或者部分抵消混凝土由于受热而产生的膨胀变形，进而达到降低混凝土热膨胀系数的目的；其制备方法就是往混凝土中掺入适量的具有负热膨胀性能的钨酸锆（ZrWO2）。这为解决大体积混凝土结构施工中，时常因为温度应力不利而发生混凝土早期开裂问题提供了新的温控研究思路。

Description

一种降低混凝土热膨胀系数的制备方法
技术领域
本发明涉及到建筑结构材料，特别是大体积混凝土结构施工过程中的抗裂性研究，具体为一种可降低混凝土热膨胀系数的制备方法。
背景技术
目前在大体积混凝土结构施工中，时常因为混凝土受到不利温度荷载的影响(自身的水泥水化热，外界温度、施工因素等导致)而产生较大的温度应力，进而使结构的某些部位产生早期开裂现象，这会导致混凝土的裂缝在后期其它荷载作用下继续延伸，甚至发展成为贯穿性裂缝，也会使内部钢筋发生锈蚀，这将严重影响建筑结构的使用安全和使用寿命。因而在大体积混凝土中温度变形是一个十分重要的不得不考虑的问题。
在大体积混凝土抗裂性研究中，广受关注的一个热学性能参数就是混凝土的热膨胀系数。混凝土的热膨胀系数(单位长度或单位体积的混凝土在单位温度变化下长度或体积的变化量)不受外界因素干扰，只受自身属性影响，它是材料的主要物理特征参数之一，也是体积稳定性的重要表征参数。在大体积混凝土施工控制中，混凝土的热膨胀系数是计算温度变形和温度应力的必须参数，通常简单的采用恒定的热膨胀系数或成熟混凝土的热膨胀系数。在无约束条件下，混凝土温差Δt所引起的温差收缩应变是Δt与热膨胀系数α的乘积，即εT＝α*Δt，由此可以看出热膨胀系数是温度应力的决定性因素。那么如果能够设法降低混凝土自身的热膨胀系数，也就意味着在同样的温差下可产生较小的温度应变，这可有效降低大体积混凝土结构内部由于温度梯度而产生的温度应力，从而减少温度变形对结构造成的危害。
目前为了防止温度裂缝的产生，在工程施工中提出了大量的温控措施、结构分缝等手段，如果能降低混凝土的热膨胀系数，那么将为大体积混凝土结构设计和温控优化设计提供更多的选择余地，并能省去大量的繁琐的温控施工程序(如控制骨料入仓温度、浇筑温度、冷却水管、表面保温、结构分缝接缝等)和节约因为温控措施所产生的额外投资。
经过申请人对国内外混凝土热膨胀系数研究现状的检索，发现现有研究表明，混凝土早龄期热膨胀系数并非定值，它受混凝土配合比、骨料、外加剂、龄期和含水率的影响。然而根据热膨胀系数具有可加性，混凝土是一种热胀冷缩材料，试想往混凝土中添加一种具有热缩冷胀性质的负热膨胀材料，那么就能够有效降低混凝土本身的热膨胀系数，同时要满足掺入这种负热膨胀材料后的混凝土的宏观力学性能。
发明内容
本发明的目的在于改善大体积混凝土结构施工中由于温度变形导致的混凝土早期开裂问题。因而提供了一种可降低混凝土热膨胀系数的方法，这对大体积混凝土结构设计和温控优化设计提供了更多的选择余地，往混凝土中添加一种具有热缩冷胀性质的负热膨胀材料从而能够有效的抵消或者部分抵消混凝土由于受热而产生的膨胀变形，进而达到降低混凝土热膨胀系数的目的。
本发明公开了一种新的而且效果良好的可降低混凝土热膨胀系数的制备方法。其特征在于，该混凝土含水、水泥、砂子、钨酸锆。
上述制备方法中，水泥使用普通硅酸盐水泥，其初凝时间不小于45min，终凝时间不大于600min；砂子采用中国ISO标准砂；钨酸锆，一种性能十分优异的负热膨胀材料，在温度区间0.3-1050.0K(-272.85℃～776.85℃)的范围内都具有负热膨胀性能。
上述制备方法中，几种材料的质量比例为，水:水泥:标准砂＝1:1.5-3:5-8；进一步优选为1:2:6。
上述制备方法中，掺入酸锆的质量以占水泥质量的百分比来定量，其最佳掺量为水泥质量的20％～30％。
该方法的制备步骤如下：
第一步，先按比例称取各种材料的质量；
第二部，先往搅拌锅里面加水，而后同时加入水泥和钨酸锆并低速搅拌均匀；
第三部，均匀加入标准砂后高速搅拌。
第四部，取出混凝土，填入响应的模具内并振捣成型；
第五步，进行混凝土的养护。
上述制备方法中，钨酸锆的最佳掺量范围的选取必须以满足相应的工程强度为前提。钨酸锆的最佳掺量20％～30％，是通过后期试验中，混凝土试件的热膨胀系数降低效益和满足宏观力学性能要求后得出的。
本发明中，混凝土的热膨胀系数会随着钨酸锆含量的增加而明显降低，这极有利的改善了混凝土受早期不利温度的影响，但相应的宏观力学性能(抗压、抗折强度)也有所降低，但能满足相应的强度要求即可。
本发明只是为有效降低混凝土热膨胀系数的研究提供了新的思路和方法，通过具体的制备实验也证明了其可行性和有效性，但要开发出更多、价格可观、性能更好的负热膨胀材料还需进一步研究。
附图说明
图1 28d龄期下钨酸锆的不同掺量对试件的热膨胀性能的影响。
图2钨酸锆的不同掺量对试件抗折强度的影响。
图3钨酸锆的不同掺量对试件抗折强度的影响。
具体实施方式
下面我们结合具体的实施例来对本发明及实验结果做进一步阐述和论证。
本实例的制备按照《水泥胶砂强度检测法(ISO法)》的实验规程，再结合本发明中要添加的材料和配制方法，制备了7组(每组3个，共21个)40mm×40mm×16mm标准试件，所有试件都是同一批次制备。实验所用材料见下表。
实验材料用量表
实验组号 水泥(g) 标准砂(g) 水(ml) 钨酸锆(g)
1 450 1350 225 0
2 450 1350 225 45
3 450 1350 225 90
4 450 1350 225 135
5 450 1350 225 180
6 450 1350 225 225
7 450 1350 225 270
制备过程采用行星式搅拌机，先往搅拌锅加水225ml，在加水泥450g和相应的质量的钨酸锆，按放搅拌锅后打开启动按钮，先低速搅拌30s，在第二个30s开始后，打开放有标准砂的漏斗开关，使其均匀的添加到搅拌锅内，再高速搅拌30s，停拌90s，最后高速搅拌60s，在各个搅拌阶段内，时间误差必须控制在±1s内。之后取出搅拌锅，将混凝土浇筑到已经安装在振捣台上的三联试模中进行振捣成型。振实后放入恒温恒湿养护箱中进行带模养护，本实例中，试验养护温度为20℃，22小时后，进行脱模(脱膜后将试件贴上标签，标签上写明钨酸锆的质量分数和试件序号，如30％—01，30％—02，30％—03)养护至设计龄期28天。达到设计龄期之后，取出试件，进行实验和结果分析。
本实例的实验以掺入钨酸锆的水泥砂浆混凝土试件作为研究对象，参照空白组(未掺入钨酸锆材料的普通试件)，研究钨酸锆的不同掺量对试件的早期热膨胀系数和宏观力学性能(抗折、抗压强度)的影响。实验过程处理及结果：
(1)钨酸锆的不同掺量对试件的早期热膨胀系数的影响分析根据εT＝α*Δt，利用应力应变仪和恒温恒湿加热箱进行试验，确定一组固定的温度梯度，本实例中取Δt＝100℃-T0，测出试验之前的初始温度T0，然后将贴有应变片的试件连接到应力应变仪后放入到恒温箱中加热到100℃，记录此时的应变值εT100，利用上式即可计算出相应的热膨胀系数α。最终实验结果取每组试件(3个)的平均值(按照实验规范，当某个值超过该组平均值的±10％时予以剔除，再取剩余几组的平均值)。测试结果如下：
表1 28d龄期下钨酸锆掺量对砂浆热膨胀性能影响
钨酸锆掺量/％ 0 10 20 30 40 50 60
热膨胀系数/10-6/℃ 8.64 6.52 5.48 4.05 2.32 1.22 0.51
如表1及图1所示，在温升至100℃时，随着钨酸锆含量的增加，试件的热膨胀系数明显呈现降低趋势，在钨酸锆的含量增加至60％时，试件接近微膨胀或零膨胀。论证了在混凝土中加入钨酸锆这种材料确实可有效降低混凝土的热膨胀系数，对混凝土的热膨胀性能影响十分良好。
(2)宏观力学性能测试采用双杠式电动试验机和YAW-300全自动标准水泥压力试验机分别进行抗折和抗压试验(先抗折后抗压)，实验结果采用每组三个试件的抗压抗折均值(按照实验规范，当某个值超过该组平均值的±10％时予以剔除，再取剩余几组的平均值)。测试结果如下：
通过图2和3可以看出，随着钨酸锆含量的增加，试件的抗折抗压强度有所降低，但降低幅度较小，那么钨酸锆的最佳掺量是要取决于相应的强度要求的，如此便可以制备出既能降低混凝土的热膨胀系数又能满足相应强度要求的混凝土。

Claims (7)

1.一种降低混凝土热膨胀系数的制备方法，其特征在于，在混凝土配方中添加钨酸锆，所述的钨酸锆的化学式为ZrWO2。
2.权利要求1所述的降低混凝土热膨胀系数的制备方法，其特征在于，所述的钨酸锆的添加量为混凝土原料质量的20-30%。
3.权利要求1所述的降低混凝土热膨胀系数的制备方法，其特征在于，将水、水泥、钨酸锆混合后在50-100r/min搅拌1-2h，再加入砂后在500-1000 r/min搅拌30min-1h，取出混料物料后，填入模具中振捣成型，进行混凝土常规养护后即完成制备。
4.权利要求3所述的降低混凝土热膨胀系数的制备方法，其特征在于，水:水泥:标准砂的质量比为1:1.5-3:5-8。
5.权利要求3所述的降低混凝土热膨胀系数的制备方法，其特征在于，水:水泥:标准砂的质量比为1:2:6。
6.权利要求1所述的降低混凝土热膨胀系数的制备方法，其特征在于，所述的水泥为普通硅酸盐水泥，其初凝时间不小于45min，终凝时间不大于600min。
7.权利要求1所述的降低混凝土热膨胀系数的制备方法，其特征在于，所述的钨酸锆ZrWO2的温度区间0.3-1050.0K。
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