CN109095835B - 一种抗冻裂混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抗冻裂混凝土及其制备方法，混凝土包括以下组分及重量份含量：水泥330‑380份、水160‑190份、膨胀剂25‑35份、细集料700‑750份、粗集料950‑1100份、减水剂2.5‑3.5份、增强纤维2.5‑3份及抗冻剂5.5‑6份，增强纤维的截面呈X型；制备方法为：1)分别将水泥、膨胀剂、细集料、粗集料、抗冻剂加入至搅拌机中，并搅拌均匀；2)将减水剂加入至水中，搅拌均匀后得到混合溶液，之后将混合溶液加入至搅拌机中，并搅拌1‑2min；(3)将增强纤维均匀撒入搅拌机中，并搅拌4‑6分钟，后经浇注成型、养护即可。与现有技术相比，本发明制备得到的混凝土的抗冻裂性能比普通抗冻裂混凝土有了较大改善，同时避免了一般抗冻钢纤维混凝土易产生锈蚀、搅拌易结团、不易施工和耐酸碱性差等问题。

Description

一种抗冻裂混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于混凝土技术领域，涉及一种抗冻裂混凝土及其制备方法。

背景技术

在我国北部严寒地区，已建成或将要建成的水工建筑、路桥隧等工程构筑物常常会遭受冰冻灾害的侵袭，混凝土长期耐久性及工程质量面临着严峻的考验。低温混凝土开裂主要有两种破坏原因：一种是气温骤降造成的混凝土材料受冷收缩，在受约束条件下混凝土结构内部产生的温度应力超过了其抗拉强度时，混凝土材料产生开裂；另一种是混凝土面层经过长时间的温度循环，随着温度疲劳效应的累积，应力松弛性能的下降，当温度应力小于疲劳后抗拉强度时便产生开裂。根据全国水工建筑物耐久性调查资料，在32座大型混凝土大坝工程和40余座中小型工程中，22％的大坝和21％的中小型水工建筑物存在冻裂破坏问题，其中大坝混凝土的冻裂破坏主要集中在严寒或寒冷的东北、华北及西北地区。此外，严寒地区隧道衬砌混凝土冻胀开裂破坏的案例也较多，如大准铁路鸡鸣驿隧道和青藏铁路昆仑山隧道都出现了较严重的衬砌混凝土冻裂，影响了隧道的正常运营。由此可见，普通不抗冻裂混凝土已无法满足严寒地区混凝土结构耐久性和使用寿命要求，而抗冻裂混凝土具有长期抵抗低温冻裂破坏的能力，对减少严寒地区工程结构的修复和重建工作具有重大的社会和经济意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可改善混凝土抗冻裂性能以满足工程需要，并适应高寒区混凝土长期耐久性及抗冻裂性能的混凝土及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种抗冻裂混凝土，该混凝土包括以下组分及重量份含量：水泥330-380份、水160-190份、膨胀剂25-35份、细集料700-750份、粗集料950-1100份、减水剂2.5-3.5份、增强纤维2.5-3份及抗冻剂5.5-6份，所述的增强纤维的截面呈X型。

进一步地，该混凝土包括以下组分及重量份含量：水泥356份、水175份、膨胀剂31份、细集料726份、粗集料1013份、减水剂3.0份、增强纤维2.73份及抗冻剂5.805份。

进一步地，每1立方米混凝土包括以下组分：水泥356kg、水175kg、膨胀剂31kg、细集料726kg、粗集料1013kg、减水剂3.0kg、增强纤维2.73kg及抗冻剂5.805kg。

进一步地，所述的水泥为42.5R普通硅酸盐水泥，所述的膨胀剂为HT-U型混凝土膨胀剂。HT-U型混凝土膨胀剂可补偿混凝土干缩并密实混凝土，提高混凝土粘结力，减少混凝土内部孔隙和混凝土硬化收缩产生的裂纹，进而降低内部孔隙水和裂缝水在寒冷季节结冰时对混凝土胶结体施加的冻涨压力，使混凝土免遭冻涨开裂破坏，进一步提高混凝土抗冻裂性能。

进一步地，所述的细集料为细度模数2.5的天然或人工中粗砂。

进一步地，所述的粗集料包括小石子、中石子及大石子，所述的小石子的粒径为5-20mm，所述的中石子的粒径为20-40mm，所述的大石子的粒径为40-80mm，并且所述的小石子、中石子、大石子的质量比为3.8-4.2:4.5-5.5:1，优选为4:5:1；粗集料具有良好的级配。细集料为细度模数2.5的天然或人工中粗砂，粗集料选用级配良好的小石子、中石子和大石子(一般普通混凝土常选用的粗骨料为大石子、中石子或小石子中的一种)，通过搭配良好的骨料大小颗粒，使混凝土的孔隙率减小，填充空隙的浆体就越少，进而降低混凝土收缩开裂的可能性；内部孔隙和收缩裂纹小，其抗冻裂性能也越好。

进一步地，所述的减水剂为HT-HPC聚羧酸高性能减水剂，所述的抗冻剂为TL-4抗冻剂。HT-HPC聚羧酸高性能减水剂可显著提高混凝土和易性，减少混凝土用水量，降低混凝土收缩产生的裂纹(裂纹充水在寒冷季节结冰时对混凝土胶结体施加的冻涨压力也减小)，从而提高混凝土抗冻裂性能。TL-4抗冻剂由高效减水组分、早强组分、防冻组分、引气组分等多种成分复合而成，具有高减水、早强、防冻、抗冻、降低冰点、促进低温水化等特征，可明显改善混凝土和易性、防冻性和耐久性，降低混凝土中液相冰点、提高混凝土抗冻能力，具有溶解冰晶和阻止冰晶长大的作用，减小混凝土中水分结冰时对混凝土胶结体施加的冻涨压力，使混凝土免遭冻涨开裂破坏，从而提高混凝土抗冻裂性能。

进一步地，所述的增强纤维为聚丙烯增强纤维。聚丙烯增强纤维外形呈粗棒状，截面呈X型，表面呈凹凸状，在表面积增大的同时，实现了与混凝土胶结体之间卓越的咬合力，可减少和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，从而改善混凝土的抗裂和防渗性，提高混凝土抗冻裂性能。凹凸状聚丙烯增强纤维还具有优异的耐热耐碱性及高抗拉强度，在混凝土中易分散均匀，且具有永久不生锈的特点。

进一步地，所述的聚丙烯增强纤维的截面积为0.3-0.4mm²，长度为30-50mm，密度为0.85-0.95g/cm³，抗拉强度≥500MPa。

作为优选的技术方案，所述的聚丙烯增强纤维的截面积为0.363mm²，长度为40mm，密度为0.91g/cm³，抗拉强度≥500MPa。

本申请中，由于膨胀剂可补偿混凝土干缩并密实混凝土，提高混凝土粘结力，减少混凝土内部孔隙，这样可大大增强混凝土胶结体与凹凸状X型聚丙烯增强纤维之间的咬合力，减少混凝土内部孔隙和混凝土硬化收缩产生的裂纹。HT-HPC聚羧酸高性能减水剂和TL-4抗冻剂可显著提高混凝土和易性，降低混凝土用水量，这样可促进混凝土胶结体与凹凸状X型聚丙烯增强纤维之间的良好咬合，减少和防止混凝土早期硬化阶段，因泌水和水分散失而引起的塑性收缩和微裂纹，也可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，从而提高混凝土抗冻裂性能。

一种抗冻裂混凝土的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)分别将水泥、膨胀剂、细集料、粗集料、抗冻剂加入至搅拌机中，并搅拌均匀；

2)将减水剂加入至水中，搅拌均匀后得到混合溶液，之后将混合溶液加入至搅拌机中，并搅拌1-2min；

3)将增强纤维均匀撒入搅拌机中，并搅拌4-6分钟，后经浇注成型、养护，即得到所述的抗冻裂混凝土。

与现有技术相比，本发明制备的抗冻裂混凝土中，除采用普通抗冻剂以外，还添加了膨胀剂、减水剂以及凹凸状聚丙烯增强纤维，该纤维外形独特，与混凝土之间咬合力好，且低温抗冻裂性能好，使最终制备得到的混凝土的抗冻裂性能比普通抗冻裂混凝土有了较大改善，同时避免了一般抗冻钢纤维混凝土易产生锈蚀、搅拌易结团、不易施工和耐酸碱性差等问题。

附图说明

图1是实施例1中制备得到的抗冻裂混凝土的7d冻裂发展情况图；

图2是实施例1中制备得到的抗冻裂混凝土的14d冻裂发展情况图；

图3是实施例2中制备得到的不含增强纤维的抗冻裂混凝土的7d冻裂发展情况图；

图4是实施例2中制备得到的不含增强纤维的抗冻裂混凝土的14d冻裂发展情况图；

图5是实施例3中制备得到的抗冻裂混凝土的7d冻裂发展情况图；

图6是实施例3中制备得到的抗冻裂混凝土的14d冻裂发展情况图；

图7是实施例4中制备得到的不含增强纤维的抗冻裂混凝土的7d冻裂发展情况图；

图8是实施例4中制备得到的不含增强纤维的抗冻裂混凝土的14d冻裂发展情况图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1-4中采用的原材料及制备方法如下：

(1)原材料：

水泥：大同冀东水泥有限责任公司生产的42.5R普通硅酸盐水泥；

膨胀剂：采用山西黄腾化工有限公司生产的HT-U型混凝土膨胀剂；

细集料：人工中粗砂，细度模数为2.5，产地内蒙古乌兰察布市；

粗集料：小石子粒径为5mm～20mm，中石子粒径为20mm～40mm，大石子粒径为40mm～80mm，连续级配，产地内蒙古乌兰察布市；

减水剂：HT-HPC聚羧酸高性能减水剂；

增强纤维：凹凸状日产聚丙烯增强纤维，纤维截面积为0.363mm²，长度为40m，密度为0.91g/cm³，抗拉强度为500MPa以上，具有优异的耐热耐碱性及高抗拉强度，且纤维在混凝土中易分散均匀，具有永久不生锈的特点；

抗冻剂：北京奥泰立新技术有限公司生产的TL-4防冻剂；

水：自来水。

(2)制备方法：

先按配比称取水泥、膨胀剂、细集料、粗集料、抗冻剂、放入湿润后的搅拌机中，开动搅拌机1分钟，使上述混凝土材料拌合均匀；然后按配比称取水和减水剂，将减水剂加入水中，搅拌均匀，再次开动搅拌机，将水和减水剂混合溶液倒入搅拌机，搅拌1-2分钟(对于实施例1及实施例3，之后还要按配比称取增强纤维，将其均匀撒入搅拌机中搅拌5分钟)；浇注成型、养护后即得产品。

实施例1：

制备抗冻裂混凝土，每立方米混凝土包括以下组分：水泥356kg、水175kg、膨胀剂31kg、砂726kg、大碎石405.2kg、中碎石506.5kg、小碎石101.3kg、减水剂3.0kg、增强纤维2.73kg、抗冻剂5.805kg。

按上述制备方法，得到混凝土试件；试件成型后，放入环境温度为-5℃的低温养护室中进行养护，采用裂缝观测仪和刻度尺测得混凝土试件的裂缝宽度和长度，根据裂缝(纹)宽度对应的权重值分级见表1，根据表1确定每一条裂缝的权重值；然后将每一条裂缝(纹)的长度乘以其相对应的权重值，再将乘积相加起来得到混凝土试件的冻裂指数，即计算公式为：W＝∑(A_i·l_i)(式中，W——冻裂指数，单位为mm；A_i——权重值；l_i——裂缝长度，单位为mm)。

表1

裂缝宽度d/mm	权重值A
		d≥3	3
3＞d≥2	2
		2＞d≥1	1
1＞d≥0.5	0.5
		d＜0.5	0.25

根据冻裂指数计算公式计算得到混凝土试件7d和14d的冻裂指数分别为97.5mm、236.3mm，具体试验结果见表2，混凝土试件7d冻裂发展情况见图1，14d冻裂发展情况见图2。

实施例2：

本实施例作为实施例1的对比例。

制备不含增强纤维的抗冻裂混凝土，每立方米混凝土包括以下组分：水泥356kg、水175kg、膨胀剂31kg、砂726kg、大碎石405.2kg、中碎石506.5kg、小碎石101.3kg、减水剂3.0kg、抗冻剂5.805kg。

按上述制备方法，得到混凝土试件；试件成型后，放入环境温度为-5℃的低温养护室中进行养护，采用裂缝观测仪和刻度尺测得混凝土试件的裂缝宽度和长度，按照实施例1同样的计算方法得到混凝土试件7d和14d的冻裂指数分别为210mm、287.5mm，具体试验结果见表2，混凝土试件7d冻裂发展情况见图3，14d冻裂发展情况见图4。

实施例3：

制备抗冻裂混凝土，每立方米混凝土包括以下组分：水泥356kg、水175kg、膨胀剂31kg、砂726kg、大碎石405.2kg、中碎石506.5kg、小碎石101.3kg、减水剂3.0kg、增强纤维2.73kg、抗冻剂5.805kg。

按上述制备方法，得到混凝土试件；试件成型后，放入环境温度为-10℃的低温养护室中进行养护，采用裂缝观测仪和刻度尺测得混凝土试件的裂缝宽度和长度，按照实施例1同样的计算方法得到混凝土试件7d和14d的冻裂指数分别为61.5mm、83.5mm，具体试验结果见表2，混凝土试件7d冻裂发展情况见图5，14d冻裂发展情况见图6。

实施例4：

本实施例作为实施例3的对比例。

制备不含增强纤维的抗冻裂混凝土，每立方米混凝土包括以下组分：水泥356kg、水175kg、膨胀剂31kg、砂726kg、大碎石405.2kg、中碎石506.5kg、小碎石101.3kg、减水剂3.0kg、抗冻剂5.805kg。

按上述制备方法，得到混凝土试件；试件成型后，放入环境温度为-10℃的低温养护室中进行养护，采用裂缝观测仪和刻度尺测得混凝土试件的裂缝宽度和长度，按照实施例1同样的计算方法得到混凝土试件7d和14d的冻裂指数分别为420mm、497.5mm，具体试验结果见表2，混凝土试件7d冻裂发展情况见图7，14d冻裂发展情况见图8。

表2

由实施例1-4可以看出：

由实施例1和实施例2可知，在环境温度为-5℃条件下，掺加凹凸状X型聚丙烯增强纤维的抗冻裂混凝土与不掺杂凹凸状X型聚丙烯增强纤维的抗冻裂混凝土相比，7天混凝土抗冻裂指数提高54％，14天混凝土抗冻裂指数提高18％。

由实施例3和实施例4可知，在环境温度为-10℃条件下，掺加凹凸状X型聚丙烯增强纤维的抗冻裂混凝土与不掺杂凹凸状X型聚丙烯增强纤维的抗冻裂混凝土相比，7天混凝土抗冻裂指数提高85％，14天混凝土抗冻裂指数提高83％。

由实施例1-4可知，环境温度越低，掺加凹凸状X型聚丙烯增强纤维的抗冻裂混凝土与不掺杂凹凸状X型聚丙烯增强纤维的抗冻裂混凝土相比，抗冻裂指数提高越大，抗冻裂性能增加越显著。

实施例5：

一种抗冻裂混凝土，包括以下组分及重量份含量：水泥330份、水190份、膨胀剂25份、细集料750份、粗集料950-1100份、减水剂3.5份、增强纤维2.5份及抗冻剂6份，增强纤维的截面呈X型。

其中，水泥为42.5R普通硅酸盐水泥；膨胀剂为HT-U型混凝土膨胀剂；细集料为细度模数2.5的天然或人工中粗砂；粗集料包括小石子、中石子及大石子，小石子的粒径为5-20mm，中石子的粒径为20-40mm，大石子的粒径为40-80mm，并且所述的小石子、中石子、大石子的质量比为3.8:5.5:1；减水剂为HT-HPC聚羧酸高性能减水剂；抗冻剂为TL-4抗冻剂；增强纤维为聚丙烯增强纤维，聚丙烯增强纤维的截面积为0.3mm²，长度为50mm，密度为0.85g/cm³，抗拉强度≥500MPa。

该抗冻裂混凝土的制备方法包括以下步骤：

1)分别将水泥、膨胀剂、细集料、粗集料、抗冻剂加入至搅拌机中，并搅拌均匀；

2)将减水剂加入至水中，搅拌均匀后得到混合溶液，之后将混合溶液加入至搅拌机中，并搅拌1.5min；

(3)将增强纤维均匀撒入搅拌机中，并搅拌5分钟，后经浇注成型、养护，即得到所述的抗冻裂混凝土。

实施例6：

一种抗冻裂混凝土，包括以下组分及重量份含量：水泥380份、水160份、膨胀剂35份、细集料700份、粗集料1100份、减水剂2.5份、增强纤维3份及抗冻剂5.5份，增强纤维的截面呈X型。

其中，水泥为42.5R普通硅酸盐水泥；膨胀剂为HT-U型混凝土膨胀剂；细集料为细度模数2.5的天然或人工中粗砂；粗集料包括小石子、中石子及大石子，小石子的粒径为5-20mm，中石子的粒径为20-40mm，大石子的粒径为40-80mm，并且所述的小石子、中石子、大石子的质量比为4.2:4.5:1；减水剂为HT-HPC聚羧酸高性能减水剂；抗冻剂为TL-4抗冻剂；增强纤维为聚丙烯增强纤维，聚丙烯增强纤维的截面积为0.4mm²，长度为30mm，密度为0.95g/cm³，抗拉强度≥500MPa。

该抗冻裂混凝土的制备方法包括以下步骤：

1)分别将水泥、膨胀剂、细集料、粗集料、抗冻剂加入至搅拌机中，并搅拌均匀；

2)将减水剂加入至水中，搅拌均匀后得到混合溶液，之后将混合溶液加入至搅拌机中，并搅拌2min；

(3)将增强纤维均匀撒入搅拌机中，并搅拌6分钟，后经浇注成型、养护，即得到抗冻裂混凝土。

实施例7：

一种抗冻裂混凝土，包括以下组分及重量份含量：水泥356份、水175份、膨胀剂31份、细集料726份、粗集料1013份、减水剂3.0份、增强纤维2.73份及抗冻剂5.805份，增强纤维的截面呈X型。

其中，水泥为42.5R普通硅酸盐水泥；膨胀剂为HT-U型混凝土膨胀剂；细集料为细度模数2.5的天然或人工中粗砂；粗集料包括小石子、中石子及大石子，小石子的粒径为5-20mm，中石子的粒径为20-40mm，大石子的粒径为40-80mm，并且所述的小石子、中石子、大石子的质量比为4:5:1；减水剂为HT-HPC聚羧酸高性能减水剂；抗冻剂为TL-4抗冻剂；增强纤维为聚丙烯增强纤维，聚丙烯增强纤维的截面积为0.363mm²，长度为40mm，密度为0.91g/cm³，抗拉强度≥500MPa。

该抗冻裂混凝土的制备方法包括以下步骤：

1)分别将水泥、膨胀剂、细集料、粗集料、抗冻剂加入至搅拌机中，并搅拌均匀；

2)将减水剂加入至水中，搅拌均匀后得到混合溶液，之后将混合溶液加入至搅拌机中，并搅拌1min；

(3)将增强纤维均匀撒入搅拌机中，并搅拌4分钟，后经浇注成型、养护，即得到抗冻裂混凝土。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种抗冻裂混凝土，其特征在于，该混凝土包括以下组分及重量份含量：水泥330-380份、水160-190份、膨胀剂25-35份、细集料700-750份、粗集料950-1100份、减水剂2.5-3.5份、增强纤维2.5-3份及抗冻剂5.5-6份，所述的增强纤维的截面呈X型；

所述的膨胀剂为HT-U型混凝土膨胀剂；

所述的细集料为细度模数2.5的天然或人工中粗砂；

所述的粗集料包括小石子、中石子及大石子，所述的小石子的粒径为5-20mm，所述的中石子的粒径为20-40mm，所述的大石子的粒径为40-80mm，并且所述的小石子、中石子、大石子的质量比为3.8-4.2:4.5-5.5:1；

所述的减水剂为HT-HPC聚羧酸高性能减水剂，所述的抗冻剂为TL-4抗冻剂；

所述的增强纤维为聚丙烯增强纤维。

2.根据权利要求1所述的一种抗冻裂混凝土，其特征在于，该混凝土包括以下组分及重量份含量：水泥356份、水175份、膨胀剂31份、细集料726份、粗集料1013份、减水剂3.0份、增强纤维2.73份及抗冻剂5.805份。

3.根据权利要求2所述的一种抗冻裂混凝土，其特征在于，每1立方米混凝土包括以下组分：水泥356kg、水175kg、膨胀剂31kg、细集料726kg、粗集料1013kg、减水剂3.0kg、增强纤维2.73kg及抗冻剂5.805kg。

4.根据权利要求1所述的一种抗冻裂混凝土，其特征在于，所述的水泥为42.5R普通硅酸盐水泥。

5.根据权利要求1所述的一种抗冻裂混凝土，其特征在于，所述的聚丙烯增强纤维的截面积为0.3-0.4mm²，长度为30-50mm，密度为0.85-0.95g/cm³，抗拉强度≥500MPa。

6.一种如权利要求1至5任一项所述的抗冻裂混凝土的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)分别将水泥、膨胀剂、细集料、粗集料、抗冻剂加入至搅拌机中，并搅拌均匀；

2)将减水剂加入至水中，搅拌均匀后得到混合溶液，之后将混合溶液加入至搅拌机中，并搅拌1-2min；

3)将增强纤维均匀撒入搅拌机中，并搅拌4-6分钟，后经浇注成型、养护，即得到所述的抗冻裂混凝土。

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