CN109384427B - 高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高性能混凝土，按重量份数计，其原料包括，硅酸盐水泥462～498份、硅灰65～75份、砂700～740份、5‑10mm粒径碎石856～944份、N‑羟乙基‑2‑吡咯烷酮13.2～19.8份、1‑苯基‑2‑吡咯烷酮11.6～17.4份、聚羧酸减水剂6.8～9.8份、助溶剂51～79份、偶氮二异丁腈1.2～1.8份、偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐1.8～2.2份、过氧化氢0.6～1份、水140～160份。该种混凝土具有流动性损失小，强度高，不分层，不离析，不泌水，粘聚性良好等特点。

Description

高性能混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及高性能混凝土领域，更具体的说，它涉及一种高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土通常是以水泥作为凝胶材料，砂、石作集料，与水以及外加剂按一定比例配合，经机械搅拌而得。混凝土具有易成型、能耗低、耐久性好、价格便宜以及与钢材结合可制成各种承重机构的优点，是当代应用最广泛的建筑材料，对人类社会的发展起着十分重要的作用。
目前，为了保证混凝土结构件的强度，在实际工程中所用的胶水比基本超过0.27，水泥用量增加后，为了保证混凝土拌合物的使用性能，混凝土体系中需要增加粗骨料以及细骨料，以保证混凝土拌合物具有良好的流动性能。混凝土体系中的骨料使用量增加，混凝土不可避免地出现浮浆、泌水等问题。
混凝土经过浇注和捣实后，在初凝过程中，混凝土泥浆体系在骨料的重力挤压作用下，流动性较好的水泥泥浆和水上浮，部分水分向外蒸发上浮至混凝土浆体表面，产生泌水，同时出现浮浆层。水分在上浮的过程中，在混凝土中留下泌水通道，同时水分上浮至粗骨料的下方或者侧面时，产生内分层。
当混凝土出现泌水严重的情况时，不仅会在混凝土表面产生砂线、砂斑、麻面、起粉，而且会导致混凝土结构表面塑形开裂，在石子的底部或者侧面形成孔隙，并形成泌水通道，影响整个混凝土结构件的力学性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能混凝土，该混凝土保证具有良好流动度以及抗压强度的情况下，混凝土的粘度增加，泌水率降低。
本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：一种高性能混凝土，按重量份数计，其原料包括：硅酸盐水泥462～498份、硅灰65～75份、砂700～740份、5-10mm粒径碎石856～944份、N-羟乙基-2-吡咯烷酮13.2～19.8份、1-苯基-2-吡咯烷酮11.6～17.4份、聚羧酸减水剂6.8～9.8份、助溶剂51～79份、偶氮二异丁腈1.2～1.8份、偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐1.8～2.2份、过氧化氢0.6～1份、水140～160份。
通过采用上述技术方案，N-羟乙基-2-吡咯烷酮与1-苯基-2-吡咯烷酮在偶氮二异丁腈、偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐以及过氧化氢的引发作用下发生聚合，其中，N-羟乙基-2-吡咯烷酮中的羟基与N-羟乙基-2-吡咯烷酮与1-苯基-2-吡咯烷酮中的碳氧双键发生聚合反应，形成大分子链。随着反应的进行，混凝土体系中的大分子链的数量逐渐增长，而逐渐粘稠。
浇筑后的混凝土在初凝过程中，混凝土体系中的骨料下降，水上浮。水在拌和好的混凝土泥浆中上浮过程中，混凝土内部产生大量由底部向顶部延伸的毛细管通道网。N-羟乙基-2-吡咯烷酮与1-苯基-2-吡咯烷酮在混凝土内部发生聚合反应，产生的大分子团聚物及时将水分产生的泌水通道封堵。泌水通道封堵后，进一步阻止了泌水通道的继续扩散，同时生成的大分子团聚物将水分包裹，防止水分进一步的向上浮动，混凝土的泌水情况降低。
硅灰代替一部分水泥的使用，硅灰在降低水泥水化热的同时，硅灰使凝胶材料的细度降低，比表面积增大，混凝土体系中细颗粒含量较多，早期水泥水化量增加，水化产物增多从而封堵混凝土中的毛细孔，阻止内部水分的自下而上的运动，混凝土泌水情况减少。
同时，聚羧酸减水剂中的疏水基团附着于水泥颗粒表面，封闭包裹住水泥粒子，而亲水基团伸向水溶液，既产生静电排斥力的基团，又有产生立体排斥力的基团，从而将水泥颗粒分散。1-苯基-2-吡咯烷酮中含苯环，空间位阻增强，促进了水泥颗粒的分散。
优选的，所述N-羟乙基-2-吡咯烷酮与1-苯基-2-吡咯烷酮的重量比为3.3:2.9。
通过采用上述技术方案，N-羟乙基-2-吡咯烷酮与1-苯基-2-吡咯烷酮的配合使用，混凝土体系中形成的团聚体恰好将混凝土体系中形成的泌水通道封堵。
优选的，所述偶氮二异丁腈与偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐的重量比为3:4。
通过采用上述技术方案，偶氮二异丁腈为油性引发剂，偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐为水性引发剂，偶氮二异丁腈与偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐配合使用，促进N-羟乙基-2-吡咯烷酮与1-苯基-2-吡咯烷酮的聚合反应。
优选的，所述聚羧酸减水剂为季铵盐聚羧酸减水剂与丙烯酰胺聚羧酸减水剂的混合物。
通过采用上述技术方案，混凝土体系中引入阳离子基团，季铵盐聚羧酸减水剂与丙烯酰胺聚羧酸减水剂能同时吸附水泥体系中的带带负面的水泥矿物表面，更加充分地分散水泥颗粒。
优选的，所述助溶剂为乙醇、异丙醇、乙酸乙酯中的一种或多种。
通过采用上述技术方案，助溶剂乙醇、异丙醇、乙酸乙酯可以将N-羟乙基-2-吡咯烷酮与1-苯基-2-吡咯烷酮溶解，以及偶氮二异丁腈与偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐溶解，促进反应的进行。
优选的，所述5-10mm碎石的表观密度为2900kg/m3，松散堆积密度为1790kg/m3，松散堆积空隙率为55％，压碎值为9％，含泥量为0.3％，14天的碱集料反应膨胀率为0.06％。
优选的，所述砂为连续级配，其中粒径大于5.0mm占砂的重量百分数为6％，粒径在2.5mm-5.0mm之间占砂的重量百分数为11％，粒径在1.1mm-2.5mm之间占砂的重量百分数为18％，粒径在0.4mm-1.1mm之间占砂的重量百分数为27％，粒径在0.2mm-0.4mm之间占砂的重量百分数为22％，粒径在0.11mm-0.2mm之间占砂的重量百分数为13％，粒径小于0.11mm占砂的重量百分数为3％。
通过采用上述技术方案，混凝土体系中加入的砂为细骨料，碎石为粗骨料，砂与碎石的加入保证了混凝土体系的流动度。同时，砂为连续级配，且粒径较细的砂含量的比例较大，其在混凝土体系中保证了骨料的均匀性，降低了混凝土的泌水情况。
本发明的另一目的在于提供上述所述高性能混凝土的制备方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的，一种高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1：取N-羟乙基-2-吡咯烷酮、1-苯基-2-吡咯烷酮、助溶剂、偶氮二异丁腈、偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐、过氧化氢加入机械搅拌反应器中水浴加热，水浴温度为70～75℃，反应时间为85～90min，停止反应，得到混合物；
S2：取砂、5-10mm碎石加入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为12-17s，得到混合物；
S3：取硅酸盐水泥、硅灰加入S2中得到的混合物中，搅拌时间为13-15s，得到混合物；
S4：取S1得到的混合物、聚羧酸减水剂、水加入S3得到的混合物中，搅拌时间为90-98s，搅拌完毕后出料，制备得到高性能混凝土。
通过上述技术方案，N-羟乙基-2-吡咯烷酮与1-苯基-2-吡咯烷酮首先在偶氮二异丁腈、偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐以及过氧化氢的作用下发生聚合。待生成一定量的大分子团聚物时，加入混凝土体系中。混凝土在初凝过程中，首先生成的大分子团聚物增加混凝土体系的粘度，防止混凝土中的骨料发生下沉现象。之后，N-羟乙基-2-吡咯烷酮与1-苯基-2-吡咯烷酮继续聚合，填补水上浮产生的泌水通道，从而制备得到的混凝土在保证流动度以及抗压强度的同时，混凝土的泌水情况降低。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、利用N-羟乙基-2-吡咯烷酮与1-苯基-2-吡咯烷酮在混凝土体系中的聚合作用，将混凝土在初凝过程中产生的泌水通道填补，泌水通道封堵后，进一步阻止了泌水通道的扩散，同时生成的大分子团聚物将水分包裹，防止水分进一步的向上浮动，混凝土的泌水情况降低。
2、该种混凝土具有流动性损失小，强度高，不分层，不离析，不泌水，粘聚性良好等特点。
具体实施方式
本发明实施例中所涉及的所有物质均为市售。
各实施例中所用到样品的规格如表1所示。
表1以下各实施例中所用到样品的规格
组分 规格 厂家
硅酸盐水泥 P.O42.5 飞雁水泥有限公司机械加工厂
硅灰 SD-93 汉江科技有限公司
砂 Ⅱ区中砂 卢龙河砂
碎石 5-10mm连续粒级 三河
N-羟乙基-2-吡咯烷酮 工业级 麦克林生化科技有限公司
1-苯基-2-吡咯烷酮 工业级 源叶生物科技有限公司
季铵盐聚羧酸减水剂 工业级 普和化工有限公司
丙烯酰胺聚羧酸减水剂 工业级 普和化工有限公司
乙醇 工业级 研峰科技有限公司
异丙醇 工业级 倍卓生物科技有限公司
乙酸乙酯 工业级 宏泉钛业有限公司
偶氮二异丁腈 工业级 玉雕化学技术有限公司
偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐 工业级 玉雕化学技术有限公司
过氧化氢 工业级 迈瑞尔化学技术有限公司
各实施例中所用的原料配比如表2所示。
表2各实施例中的组分含量
Figure BDA0001373342640000041
以上各实施例中的混凝土的制备方法如下：
S1：取N-羟乙基-2-吡咯烷酮、1-苯基-2-吡咯烷酮、助溶剂、偶氮二异丁腈、偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐、过氧化氢加入机械搅拌反应器中水浴加热，水浴温度为T1，反应时间为t1，停止反应，得到混合物；
S2：取砂、5-10mm碎石加入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为t2，得到混合物；
S3：取硅酸盐水泥、硅灰加入S2中得到的混合物中，搅拌时间为t3，得到混合物；
S4：取S1得到的混合物、聚羧酸减水剂、水加入S3得到的混合物中，搅拌时间为t4，搅拌完毕后出料，制备得到高性能混凝土。
各实施例中所用的工艺参数如表3所示。
表3各实施例中的工艺参数
Figure BDA0001373342640000051
以上各实施例制备的高性能混凝土所采用的评价指标及检测方法如下：
抗压强度：按照GB/T 50010《混凝土结构设计规范》中制成标准试块，在第7天、第14天、第28天时测得的具有95％保证率的抗压强度。
泌水率：将制备得到的混凝土拌和物一次装入5L容器中，在振动台上振动20s。用抹刀将表面轻轻抹平，自抹面开始计算时间，在前60min，每隔10min用吸液管吸出泌水一次，之后每隔20min吸水一次，直至连续三次无泌水为止，之后测量每次吸出的水量以及总水量，计算泌水率。
坍落度和坍落度经时损失：按照GB/T 50080《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中的规范测量各实施例中制备得到的高性能混凝土出机时以及放置1h后的坍落度。
粘度：利用旋转粘度计对制备得到的混凝土的粘度进行检测。
分层度：利用砂浆分层度测定仪检测混凝土的分层度。
保水率：利用砂浆保水率测定仪检测混凝土的保水率。
以上各实施例的性能指标如表4所示。
表4各实施例制备的高性能混凝土的性能测试结果
Figure BDA0001373342640000052
Figure BDA0001373342640000061
从上述表中可以看出，本发明中的高性能混凝土具有良好的流动性以及抗压强度，并且该种混凝土具有流动性损失小，不分层，不离析，不泌水，粘聚性良好、保水性能好的特点，满足高性能混凝土的施工规范要求。
各对比例中所用的原料配比如表5所示。
表5各对比例中的组分含量
Figure BDA0001373342640000062
对比例6中，砂的参数为：粒径大于5.0mm占砂的重量百分数为10％，粒径在2.5mm-5.0mm之间占砂的重量百分数为15％，粒径在1.1mm-2.5mm之间占砂的重量百分数为25％，粒径在0.4mm-1.1mm之间占砂的重量百分数为24％，粒径在0.2mm-0.4mm之间占砂的重量百分数为13％，粒径在0.11mm-0.2mm之间占砂的重量百分数为13％。
以上对比例1至对比例6中混凝土的制备方法、工艺参数与实施例1的制备方法、工艺参数一致。
对比例7的制备方法与实施例1的区别在于：取消了N-羟乙基-2-吡咯烷酮与1-苯基-2-吡咯烷酮的前期聚合反应，将N-羟乙基-2-吡咯烷酮、1-苯基-2-吡咯烷酮、助溶剂、偶氮二异丁腈、偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐、过氧化氢与聚羧酸减水剂直接加入混合后的砂、5-10mm碎石、硅酸盐水泥、硅灰体系中。
以上各对比例的性能指标如表6所示。
表6各对比例制备的混凝土的性能测试结果
性能测试结果 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
第28天抗压强度/MPa 56.70 59.23 58.85 59.21 59.56 63.34 60.34
泌水率/％ 32 29 29 25 27 23 25
坍落度/mm 590 610 620 610 590 540 590
1h坍落度损失值/mm 40 50 40 45 40 40 45
粘度/Pa·S 0.14 0.16 0.20 0.17 0.19 0.20 0.18
分层度/mm 40 30 30 35 30 30 35
保水率/％ 78 82 88 82 87 78 82
从上表中可以看出，对比例1中不加入N-羟乙基-2-吡咯烷酮与1-苯基-2-吡咯烷酮，水泥颗粒只通过聚羧酸减水剂的作用分散，浇筑后的混凝土在初凝过程中，骨料下沉以及水上浮，混凝土出现泌水现象，同时导致在混凝土内部产生的泌水通道无法进行填补，混凝土内部出现泌水通道，致使对比例1制备的混凝土的抗压强度下降。对比2中不加入1-苯基-2-吡咯烷酮，混凝土体系可以通过N-羟乙基-2-吡咯烷酮的聚合物将混凝土内部产生的泌水通道填补，但是反应体系中不引入带有苯环的1-苯基-2-吡咯烷酮，混凝土的减水作用下降，同时填补泌水通道的团聚物的分子量会有所减小，不能完全将泌水通道填补。
对比例3中不加入偶氮二异丁腈、偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐、过氧化氢，N-羟乙基-2-吡咯烷酮与1-苯基-2-吡咯烷酮的聚合反应缓慢。即使经过前期的聚合反应，形成的团聚物在混凝土初凝前期不能及时将混凝土内部形成的泌水通道填充。对比例4与对比例5分别不加入偶氮二异丁腈与偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐，N-羟乙基-2-吡咯烷酮与1-苯基-2-吡咯烷酮的聚合反应减弱，出现泌水情况。
对比例6中添加的砂不是连续级配，同时粒径较细的砂含量的比例减小，混凝土体系中的骨料不能保证均质性，混凝土出现泌水现象。对比例7中取消了N-羟乙基-2-吡咯烷酮与1-苯基-2-吡咯烷酮的前期聚合反应，而是直接将N-羟乙基-2-吡咯烷酮与1-苯基-2-吡咯烷酮加入混凝土中进行反应。混凝土在初凝过程中生成泌水通道的速率远远大于团聚物的生成速率，混凝土出现泌水现象。
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)

1.一种高性能混凝土，其特征是，按重量份数计，其原料包括：硅酸盐水泥462～498份、硅灰65～75份、砂700～740份、5-10mm粒径碎石856～944份、N-羟乙基-2-吡咯烷酮13.2～19.8份、1-苯基-2-吡咯烷酮11.6～17.4份、聚羧酸减水剂6.8～9.8份、助溶剂51～79份、偶氮二异丁腈1.2～1.8份、偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐1.8～2.2份、过氧化氢0.6～1份、水140～160份；
包括以下步骤：
S1：取N-羟乙基-2-吡咯烷酮、1-苯基-2-吡咯烷酮、助溶剂、偶氮二异丁腈、偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐、过氧化氢加入机械搅拌反应器中水浴加热，水浴温度为70～75℃，反应时间为85～90min，停止反应，得到混合物；
S2：取砂、5-10mm碎石加入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为12-17s，得到混合物；
S3：取硅酸盐水泥、硅灰加入S2中得到的混合物中，搅拌时间为13-15s，得到混合物；
S4：取S1得到的混合物、聚羧酸减水剂、水加入S3得到的混合物中，搅拌时间为90-98s，搅拌完毕后出料，制备得到高性能混凝土。
2.根据权利要求1所述的高性能混凝土，其特征是，所述N-羟乙基-2-吡咯烷酮与1-苯基-2-吡咯烷酮的重量比为3.3:2.9。
3.根据权利要求1所述的高性能混凝土，其特征是，所述偶氮二异丁腈与偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐的重量比为3:4。
4.根据权利要求1所述的高性能混凝土，其特征是，所述聚羧酸减水剂为季铵盐聚羧酸减水剂与丙烯酰胺聚羧酸减水剂的混合物。
5.根据权利要求1所述的高性能混凝土，其特征是，所述助溶剂为乙醇、异丙醇、乙酸乙酯中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的高性能混凝土，其特征是，所述5-10mm碎石的表观密度为2900kg/m3，松散堆积密度为1790kg/m3，松散堆积空隙率为55%，压碎值为9%，含泥量为0.3%，14天的碱集料反应膨胀率为0.06%。
7.根据权利要求1所述的高性能混凝土，其特征是，所述砂为连续级配，其中粒径大于5.0mm占砂的重量百分数为6%，粒径在2.5mm-5.0mm之间占砂的重量百分数为11%，粒径在1.1mm-2.5mm之间占砂的重量百分数为18%，粒径在0.4mm-1.1mm之间占砂的重量百分数为27%，粒径在0.2mm-0.4mm之间占砂的重量百分数为22%，粒径在0.11mm-0.2mm之间占砂的重量百分数为13%，粒径小于0.11mm占砂的重量百分数为3%。
8.一种制备如权利要求1所述的高性能混凝土的方法，其特征是，包括以下步骤：
S1：取N-羟乙基-2-吡咯烷酮、1-苯基-2-吡咯烷酮、助溶剂、偶氮二异丁腈、偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐、过氧化氢加入机械搅拌反应器中水浴加热，水浴温度为70～75℃，反应时间为85～90min，停止反应，得到混合物；
S2：取砂、5-10mm碎石加入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为12-17s，得到混合物；
S3：取硅酸盐水泥、硅灰加入S2中得到的混合物中，搅拌时间为13-15s，得到混合物；
S4：取S1得到的混合物、聚羧酸减水剂、水加入S3得到的混合物中，搅拌时间为90-98s，搅拌完毕后出料，制备得到高性能混凝土。
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