CN109336492A - 一种高抗渗混凝土 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高抗渗混凝土，其技术方案要点是包括水泥、水、碎石、中砂、粉煤灰、矿粉、硅灰、减水剂、复合膨胀剂和增强纤维；复合膨胀剂采用如下方法制备：①将磨细镁渣粉、高钙粉煤灰、高铝细粉料和磷石膏粉，搅拌均匀，得到混合物；②将硬脂酸、三乙醇胺溶于乙醇溶液中，然后加入混合物，研磨后烘干水分，得到复合膨胀剂。本发明中复合膨胀剂的膨胀速率可以与混凝土的收缩速率很好的匹配，多种膨胀源的复合膨胀剂可以实现稳定而持续的膨胀，填充混凝土开裂的缝隙，抑制水泥水化后期混凝土的收缩，使混凝土具有高抗渗性能；通过增强纤维的配合可以提高混凝土的力学强度以及抗冻性，从而提高混凝土的耐久性。

Description

一种高抗渗混凝土
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，更具体的说，它涉及一种高抗渗混凝土。
背景技术
普通的混凝土是指用水泥作胶凝材料，以砂、石作骨料，与水按一定比例配合，经搅拌而得的水泥混凝土；由于普通的混凝土在固化后的孔隙较多，在大坝、矿井、水渠等需要长期浸水的环境中，普通的混凝土的渗水性大，导致其耐久性差，为了使混凝土适应多种环境的使用，通常会在混凝土中添加外加剂以及掺合料，以提高混凝土的抗渗性能；现有的抗渗混凝土在配方设计方面多采用添加膨胀剂(例如硫铝酸钙类膨胀剂)，膨胀剂的加入可以减少混凝土的收缩，提高混凝土的体积稳定性；并且当混凝土在因体积收缩而发生开裂时，膨胀剂的膨胀作用可以填充混凝土的缝隙中，起到补偿收缩的作用；同时膨胀剂生成的自应力也可以降低混凝土开裂的现象，以实现抗渗的目的。
现有技术可参考申请公布号为CN108249855A的专利申请文件，该发明公开了一种抗渗混凝土拌合物及其施工方法，其技术方案要点是一种抗渗混凝士拌合物，包括有以下原料，各原料及各原料的质量份数如下：硅酸盐水泥250-420份，粉煤灰65-80份，砂650-850份，碎石1000-1080份，减水剂5-10份，硫铝酸钙类膨胀剂13-29份，其他助剂1-3份，水160-90份。
现有的膨胀剂主要有钙矾石类膨胀剂、氧化钙类膨胀剂以及氧化镁类膨胀剂，其中钙矾石类膨胀剂，存在膨胀能低、膨胀速率与混凝土的水化反应速率不匹配的问题，并且该类膨胀剂的碱含量高，会降低混凝土的强度；氧化钙类膨胀剂存在膨胀速率过快、膨胀时间较短、膨胀速率与混凝土的收缩速率不协调的问题；氧化镁类膨胀剂存在膨胀速率过慢、膨胀开始时间远低于混凝土的收缩开始时间，导致膨胀剂的膨胀的体积难以与裂缝的体积相匹配；因此单一膨胀源的膨胀剂的对混凝土的抗渗性能的提高有限，因此如何能提高混凝土的抗裂性能是一个需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高抗渗混凝土，其通过原料中的复合膨胀剂能提高混凝土的抗渗性能，复合膨胀剂的膨胀速率可以与混凝土的收缩速率很好的匹配，多种膨胀源的复合膨胀剂可以实现稳定而持续的膨胀，填充混凝土开裂的缝隙，抑制水泥水化后期混凝土的收缩，使混凝土具有高抗渗性能；通过增强纤维的配合可以提高混凝土的力学强度以及抗冻性，从而提高混凝土的耐久性。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种高抗渗混凝土，以重量份数计，包括以下组分：水泥230-240份、水160-170份、碎石1020-1030份、中砂750-760份、粉煤灰40-50份、矿粉60-70份、硅灰30-40份、减水剂6-8份、复合膨胀剂30-40份和增强纤维4-5份；
所述复合膨胀剂采用如下方法制备：①将10-20份磨细镁渣粉、4-8份高钙粉煤灰、30-40份高铝细粉料和25-35份磷石膏粉，以300-500r/min的速度搅拌均匀，得到混合物；②将0.08-0.1份硬脂酸、0.02-0.03份三乙醇胺溶于8-10份乙醇溶液中，然后加入混合物，研磨30-35min，再在80-90℃的温度下，加热20-25min，烘干水分，得到复合膨胀剂。
通过采用上述技术方案，通过碎石、中砂、粉煤灰、矿粉以及硅灰与水泥的相互作用，可以减少水泥中的孔隙，提高混凝土的致密性，并且可以降低水泥的用量，降低水泥的水化热，减少水泥因热收缩而产生开裂的现象；减水剂的加入可以降低需水量，提高混凝土拌合物的和易性。
复合膨胀剂中的镁渣属于工业废渣，主要矿物为C2S、游离的氧化钙以及游离的氧化镁，磷石膏是生产磷酸时的固体废渣，其主要成分为硫酸钙，二者属于废料的再利用，不仅可以降低生产成本，而且也可以实现资源的再利用，降低废弃的镁渣以及磷石膏对环境的污染；通过镁渣粉与磷石膏粉、高钙粉煤灰、高铝细粉料配制的混合物，再通过硬脂酸以及三乙醇胺对混合物的表面改性，可以得到多种膨胀源的复合膨胀剂，使膨胀剂具有很好与混凝土收缩速率相适配的膨胀速率，并且还能具有很好的膨胀性能，其反应生产的钙矾石以及氢氧化钙可以提高早期膨胀，氢氧化镁提高后期膨胀，从而保证了稳定而持续的膨胀，填充混凝土开裂的缝隙，抑制水泥水化后期混凝土的收缩，使混凝土具有高抗渗性能，可以提高混凝土的早期强度和后期强度。
增强纤维用于混凝土中可以提高混凝土的抗压强度，提高混凝土的强度，提高混凝土的密实度，增强其与其他原料之间的粘结力，切断混凝土中连通的孔道，降低水分的迁移性，从而改善混凝土的抗渗能力。
本发明进一步设置为：所述增强纤维由下述方法制备：
①分散处理：将聚丙烯纤维在乙醇溶液中浸泡50-60min，然后在超声波清洗器中清洗20-30min，在真空烘箱中烘干2-3h；
②辐射接枝：将步骤①的聚丙烯纤维丙烯酸溶液中浸泡4-5h之后，在惰性氛围、压力为45Pa的条件下进行等离子体处理，处理时间为20-30min；
③后处理：将步骤②的聚丙烯纤维进行用二氯甲烷洗涤3-5次，干燥2-3h；
④混合：向步骤③中处理后聚丙烯纤维中加入与其等质量的纤维素纤维，超声波震荡混合1-2h后，得到增强纤维。
通过采用上述技术方案，聚丙烯纤维是常用的混凝土增强纤维，其能对膨胀产生很大的内部限制，使混凝土更加密实，可以抑制水泥硬化期间的收缩裂纹，增强混凝土的弯曲韧性，但是聚丙烯纤维属于合成纤维，其与混凝土的粘结强度交底，在混凝土中的分散性能不好，因此需要对其进行改性处理，以增加聚丙烯纤维与混凝土的粘结强度；由于纤维素纤维与混凝土的粘结强度比较大，其形成的三维网络结构可以改善混凝土的孔隙，提高混凝土的抗裂强度，并且纤维素纤维还具有比聚丙烯纤维性能更加优异的抗冻性能，经过震荡处理后的纤维素纤维与聚丙烯纤维有很好的分散性能，提高增强纤维与混凝土拌合物的和易性。
本发明进一步设置为：所述碎石的粒径为5-25mm连续级配，含泥量<1％。
通过采用上述技术方案，碎石为5-25mm连续级配，不同粒径的碎石可以堆积形成密实填充的搭接骨架，减少混凝土的孔隙率，提高混凝土的强度，从而提高混凝土的抗渗性能。
本发明进一步设置为：所述中砂为Ⅱ区中砂，表观密度为2660kg/m3，细度模数为2.5，含泥量<1.0％。
通过采用上述技术方案，Ⅱ区中砂的级配较好，颗粒比较圆润、光滑、粒形良好，其与混凝土拌合物的和易性较好，其能填充到水泥与粗骨料之间的缝隙中，提高混凝土的强度以及抗渗性能。
本发明进一步设置为：所述粉煤灰为F类Ⅱ级粉煤灰，粉煤灰的细度(45μm方孔筛筛余)8％，烧失量<4.5％，需水量比<96％，含水量<0.2％。
通过采用上述技术方案，粉煤灰具有火山活性成分，粉煤灰的添加可以减少水泥的用量，降低水泥的水化热，降低混凝土的收缩开裂的情况；粉煤灰可以填充混凝土中的缝隙，提高混凝土的致密性，提高混凝土的抗渗性能；并且粉煤灰的颗粒中大部分为无定型的球形玻璃体，可以提高混凝土拌合物的和易性，改善因添加增强纤维与降低混凝土拌合物和易性的缺陷。
本发明进一步设置为：所述矿粉为S95级矿渣粉，密度为2.8g/cm3，比表面积为420m2/kg，活性指数(7d)为82％，活性指数(28d)为94％，流动度比为96％，含水量为0.2％。
通过采用上述技术方案，矿粉有很好的化学活性，矿粉的加入可以降低用水量，矿粉与水混合后可以填充到混凝土中的水泥与细骨料之间的缝隙中，提高混凝土的致密性，提高混凝土的抗渗性能。
本发明进一步设置为：所述硅灰为SF93，硅灰中的二氧化硅含量≥86％，平均粒径0.1-0.2μm，含水率<3％，烧失量<5％，火山灰活性指数>92％，比表面积≥15000m2/kg。
通过采用上述技术方案，
本发明进一步设置为：所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂。
通过采用上述技术方案，减水剂的主要成分是表面活性剂，对水泥有很好的塑化减水的作用，具有吸附分散、润湿以及润滑的作用，聚羧酸系高性能减水剂加入到混凝土中后，可以降低混凝土的需水量，改善混凝土拌合物的和易性，使混凝土中的孔隙减少，提高混凝土的致密性，提高混凝土的抗渗性能。
综上所述，本发明相比于现有技术具有以下有益效果：
1.复合膨胀剂能提高混凝土的抗渗性能，复合膨胀剂的膨胀速率可以与混凝土的收缩速率很好的匹配，多种膨胀源的复合膨胀剂可以实现稳定而持续的膨胀，填充混凝土开裂的缝隙，抑制水泥水化后期混凝土的收缩，使混凝土具有高抗渗性能；
2.增强纤维能提高混凝土的弯曲韧性以及抗压强度，通过将改性后的聚丙烯纤维与纤维素纤维的配合，不仅可以提高混凝土的力学强度，还能提高混凝土的抗冻性以及抗渗性，改善混凝土拌合料的和易性。
具体实施方式
以下对本发明作进一步详细说明。
一、复合膨胀剂的制备例1-3
制备例1：①将10kg磨细镁渣粉、4kg高钙粉煤灰、30kg高铝细粉料和25kg磷石膏粉，以300r/min的速度搅拌均匀，得到混合物；②将0.08kg硬脂酸、0.02kg三乙醇胺溶于8kg、体积分数为50％的乙醇溶液中，然后加入混合物，研磨30min，再在80℃的温度下，加热20min，烘干水分，得到复合膨胀剂。
制备例2：①将15kg磨细镁渣粉、6kg高钙粉煤灰、35kg高铝细粉料和30kg磷石膏粉，以400r/min的速度搅拌均匀，得到混合物；②将0.09kg硬脂酸、0.025kg三乙醇胺溶于9kg、体积分数为50％的乙醇溶液中，然后加入混合物，研磨32min，再在85℃的温度下，加热22min，烘干水分，得到复合膨胀剂。
制备例3：①将20kg磨细镁渣粉、8kg高钙粉煤灰、40kg高铝细粉料和35kg磷石膏粉，以500r/min的速度搅拌均匀，得到混合物；②将0.1kg硬脂酸、0.03kg三乙醇胺溶于10kg、体积分数为50％的乙醇溶液中，然后加入混合物，研磨35min，再在90℃的温度下，加热25min，烘干水分，得到复合膨胀剂。
二、增强纤维的制备例4-6：
制备例4：①分散处理：将聚丙烯纤维在体积分数为50％的乙醇溶液中浸泡50min，然后在超声波清洗器中清洗20min，在真空烘箱中烘干2h；
②辐射接枝：将步骤①的聚丙烯纤维丙烯酸溶液中浸泡4h之后，在惰性氛围、压力为45Pa的条件下进行等离子体处理，处理时间为20min；
③后处理：将步骤②的聚丙烯纤维进行用二氯甲烷洗涤3次，干燥2h；
④混合：向步骤③中处理后聚丙烯纤维中加入与其等质量的纤维素纤维，超声波震荡混合1h后，得到增强纤维。
制备例5：①分散处理：将聚丙烯纤维在体积分数为50％的乙醇溶液中浸泡55min，然后在超声波清洗器中清洗25min，在真空烘箱中烘干2.5h；
②辐射接枝：将步骤①的聚丙烯纤维丙烯酸溶液中浸泡4.5h之后，在惰性氛围、压力为45Pa的条件下进行等离子体处理，处理时间为25min；
③后处理：将步骤②的聚丙烯纤维进行用二氯甲烷洗涤4次，干燥2.5h；
④混合：向步骤③中处理后聚丙烯纤维中加入与其等质量的纤维素纤维，超声波震荡混合1-2h后，得到增强纤维。
制备例6：①分散处理：将聚丙烯纤维在体积分数为50％的乙醇溶液中浸泡60min，然后在超声波清洗器中清洗30min，在真空烘箱中烘干3h；
②辐射接枝：将步骤①的聚丙烯纤维丙烯酸溶液中浸泡5h之后，在惰性氛围、压力为45Pa的条件下进行等离子体处理，处理时间为30min；
③后处理：将步骤②的聚丙烯纤维进行用二氯甲烷洗涤5次，干燥3h；
④混合：向步骤③中处理后聚丙烯纤维中加入与其等质量的纤维素纤维，超声波震荡混合2h后，得到增强纤维。
三、实施例1-6中高抗渗混凝土的组分示于表1。
表1实施例1-6中高抗渗混凝土组分表(单位：kg)
其中，水泥为P.O.42.5的普通硅酸盐水泥；碎石的粒径为5-25mm连续级配，含泥量<1％；中砂为Ⅱ区中砂，表观密度为2660kg/m3，细度模数为2.5，含泥量<1.0％；粉煤灰为F类Ⅱ级粉煤灰，粉煤灰的细度(45μm方孔筛筛余)8％，烧失量<4.5％，需水量比<96％，含水量<0.2％；矿粉为S95级矿渣粉，密度为2.8g/cm3，比表面积为420m2/kg，活性指数(7d)为82％，活性指数(28d)为94％，流动度比为96％，含水量为0.2％；硅灰为SF93，硅灰中的二氧化硅含量≥86％，平均粒径0.1-0.2μm，含水率<3％，烧失量<5％，火山灰活性指数>92％，比表面积≥15000m2/kg；减水剂采用北京产生的AN4000聚羧酸系高性能减水剂，密度为1.049g/cm3，pH值为5.8，减水率为32％，含气量为4.0％，含固量为22.16％，坍塌度1h经时变化10mm。
四、对比例1-5
对比例1：采用申请公布号为CN108249855A的专利申请文件，该发明公开了一种抗渗混凝土拌合物及其施工方法，其技术方案要点是一种抗渗混凝士拌合物，包括有以下原料，各原料及各原料的质量份数如下:硅酸盐水泥250-420份，粉煤灰65-80份，砂650-850份，碎石1000-1080份，减水剂5-10份，硫铝酸钙类膨胀剂13-29份，其他助剂1-3份，水160-90份。
对比例2：对比例2与实施例1的不同之处在于用氧化钙类膨胀剂替换复合膨胀剂。
对比例3：对比例3与实施例1的不同之处在于用氧化镁类膨胀剂替换复合膨胀剂。
对比例4：对比例4与实施例1的不同之处在于用普通聚丙烯纤维替换增强纤维。
对比例5：对比例5与实施例1的不同之处在于增强纤维中未添加纤维素纤维。
五、将实施例1-6以及对比例1-5制备的混凝土的性能采用如下方法进行测试，将测试结果示于表2。
①抗氯离子渗透性能：按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中快速氯离子迁移系数法测试标准试块的氯离子渗透深度。
②抗水渗透性能:按照GB/T50082-2009《普通混凝士长期性能和耐久性能试验方法标准》中的逐级加压法测试标准试块的渗水深度。
③抗渗压力：按照GB/T50082-2009《普通混凝士长期性能和耐久性能试验方法标准》测试标准试块的抗渗压力。
④抗冻性能：按照GB/T50082-2009《普通混凝士长期性能和耐久性能试验方法标准》中的测定其抗冻性能，并且采用抗冻等级进行表征，以相对动弹性模量下降至初始值的60％或者质量损失率达5％的最大冻融循环次数作为混凝土抗冻等级，用符号F表示，抗冻等级≥F50的混凝土称为抗冻混凝土。
⑤抗折强度：按照GB/T50081-2016《普通混凝士力学性能试验方法标准》制作标准试块，并测量标准试块养护1d、7d以及28d的抗折强度。
⑥抗压强度：按照GB/T50081-2016《普通混凝士力学性能试验方法标准》制作标准试块，并测量标准试块养护1d、7d以及28d的抗压强度。
⑦早期抗裂性能：按照GB/T50081-2016《普通混凝士力学性能试验方法标准》制作标准试块，计算混凝土浇注24h后测量得到单位面积的裂缝数目以及单位面积上的总开裂面积。
表2实施例1-6以及对比例1-5制备的混凝土的性能测试表
由以上数据可以看出，本发明制备的混凝土的抗氯离子渗透性能、抗渗水性能、抗渗压力以及早期抗裂性能均明显优于传统的混凝土，说明本发明制备的混凝土具有高抗渗性能；此外还具有很好的抗冻性能，说明本发明制备的混凝土的耐久性优良；并且本发明制备的混凝土在抗折强度以及抗压强度上也明显优于传统的混凝土，说明本发明的混凝土具有很好的力学强度；对比例2以及对比例3中的抗氯离子渗透性能、抗渗水性能、抗渗压力以及早期抗裂性能均低于实施例1，说明本发明制备的复合膨胀剂可以明显提高混凝土的抗渗性能；对比例4以及对比例5中的抗折强度以及抗压强度明显低于实施例1，说明本发明制备的增强纤维可以明显提高混凝土的力学性能；对比例5中的抗冻性能明显低于实施例1，说明纤维素纤维有利于提高混凝土的抗冻性能。
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 (8)

1.一种高抗渗混凝土，其特征在于：以重量份数计，包括以下组分：
水泥230-240份、水160-170份、碎石1020-1030份、中砂750-760份、粉煤灰40-50份、矿粉60-70份、硅灰30-40份、减水剂6-8份、复合膨胀剂30-40份和增强纤维4-5份；
所述复合膨胀剂采用如下方法制备：①将10-20份磨细镁渣粉、4-8份高钙粉煤灰、30-40份高铝细粉料和25-35份磷石膏粉，以300-500r/min的速度搅拌均匀，得到混合物；②将0.08-0.1份硬脂酸、0.02-0.03份三乙醇胺溶于8-10份乙醇溶液中，然后加入混合物，研磨30-35min，再在80-90℃的温度下，加热20-25min，烘干水分，得到复合膨胀剂。
2.根据权利要求1所述的一种高抗渗混凝土，其特征在于：所述增强纤维由下述方法制备：
①分散处理：将聚丙烯纤维在乙醇溶液中浸泡50-60min，然后在超声波清洗器中清洗20-30min，在真空烘箱中烘干2-3h；
②辐射接枝：将步骤①的聚丙烯纤维丙烯酸溶液中浸泡4-5h之后，在惰性氛围、压力为45Pa的条件下进行等离子体处理，处理时间为20-30min；
③后处理：将步骤②的聚丙烯纤维进行用二氯甲烷洗涤3-5次，干燥2-3h；
④混合：向步骤③中处理后聚丙烯纤维中加入与其等质量的纤维素纤维，超声波震荡混合1-2h后，得到增强纤维。
3.根据权利要求1所述的一种高抗渗混凝土，其特征在于：所述碎石的粒径为5-25mm连续级配，含泥量<1％。
4.根据权利要求1所述的一种高抗渗混凝土，其特征在于：所述中砂为Ⅱ区中砂，表观密度为2660 kg/m3，细度模数为2.5，含泥量<1.0%。
5.根据权利要求1所述的一种高抗渗混凝土，其特征在于：所述粉煤灰为F类Ⅱ级粉煤灰，粉煤灰的细度（45μm方孔筛筛余）8%，烧失量<4.5%，需水量比<96%，含水量<0.2%。
6.根据权利要求1所述的一种高抗渗混凝土，其特征在于：所述矿粉为S95级矿渣粉，密度为2.8g/cm3，比表面积为420m2/kg，活性指数（7d）为82%，活性指数（28d）为94%，流动度比为96%，含水量为0.2%。
7.根据权利要求1所述的一种高抗渗混凝土，其特征在于：所述硅灰为SF93，硅灰中的二氧化硅含量≥86％，平均粒径0.1-0.2μm，含水率<3％，烧失量<5％，火山灰活性指数>92％，比表面积≥15000m2/kg。
8.根据权利要求1所述的一种高抗渗混凝土，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂。
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