CN109626901B

CN109626901B - 一种高韧性水泥混凝土的制备方法

Info

Publication number: CN109626901B
Application number: CN201811601287.8A
Authority: CN
Inventors: 刘云鹏; 王发洲; 朱哲; 何永佳; 胡曙光
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2021-05-14
Anticipated expiration: 2038-12-26
Also published as: CN109626901A

Abstract

本发明涉及一种高韧性水泥混凝土的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：1)选料选取水、粗集料、水泥、细集料、矿物掺和料、聚羧酸高效减水剂；2)粗集料的预处理：根据集料级配曲线，按粒径大小从大到小选取粗集料总量5‑35wt％的粗集料作为预处理集料，将选取好的粗集料置于普通水泥混凝土搅拌机中，按照粗集料质量的0.1‑0.5wt％加入稀释后的水性环氧树脂改性乳化沥青，稀释后的固含量为20‑50wt％，并加入水性环氧树脂改性乳化沥青固体含量0.01‑0.05wt％消泡剂，搅拌、养护，待破乳后得乳液处理集料，并与未处理粗集料混匀；3)高韧性水泥混凝土的制备，得高韧性水泥混凝土。该方法制备的混凝土在不降低原有混凝土强度的前提下具有高韧性。

Description

一种高韧性水泥混凝土的制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种高韧性水泥混凝土的制备方法。

背景技术

水泥混凝土是目前应用最为广泛的土木工程材料，但同时也是典型的准脆性材料。脆性大是水泥混凝土的固有缺点，是造成混凝土结构开裂、引起结构失效与耐久性能劣化的主要原因之一。改善水泥混凝土的脆性、提高其韧性长期以来是学术界与工程界关注的重点与难点。

目前改善混凝土脆性的技术措施主要包括使用纤维增韧以及使用聚合物乳液改性等。纤维增韧技术通过在混凝土中短细纤维与水泥基体形成良好粘接作用，在水泥石破坏时，利用其抗拉强度与模量较高以及桥接水泥石基体的作用、延缓裂缝拓展，提高混凝土韧性。目前应用最为广泛的是钢纤维、有机纤维等，但纤维在水泥石基体中的分散性与相容性差、钢纤维存在潮湿环境下的腐蚀问题、以及经济成本等问题，限制了纤维增韧混凝土的广泛应用。

聚合物混凝土是在水泥混凝土中引入柔性聚合物组分，形成柔性聚合物薄膜网络进而提高水泥混凝土韧性的有机-无机复合材料。目前的聚合物混凝土技术大多采用简单的共混技术，将聚合物乳液直接加入到水泥浆体中，掺量过少无法柔性聚合物网络，掺量过多会影响水泥混凝土的强度与耐久性，同时会带来经济成本过高的问题。针对这一问题，有学者提出集料表面使用聚合物乳液处理集料的技术思路，通过该思路实现聚合物乳液在界面过渡区的富集，可以在较低掺量（0.6-1.0wt%）下达到与水泥石中外掺聚合物乳液（15-20wt%）相同的力学性能。这种技术思路虽然提高了混凝土的韧性，但由于聚合物薄膜过早与水泥石发生剥离破坏，因此也显著降低了混凝土的强度。

根据混凝土脆性破坏的本质，增加曲折裂缝路径进而增加断裂过程中的能量耗散是降低脆性的一种主要途径。如果界面能够进一步改性以吸收裂缝扩展早阶段的更多能量，则理论上可以进一步降低混凝土材料的脆性。据此，本发明提出混凝土中引入少量经水性环氧树脂改性乳化沥青处理的集料，乳化沥青破乳后形成的油性憎水沥青膜一方面降低了水泥石与集料的界面过渡区粘接强度，这些少量的经弱化的界面可以诱导诱导裂缝沿弱化界面扩展，同时破乳后的沥青薄膜具有良好的弹性回复率；水性环氧树脂破乳后起到增强集料与水泥石粘接作用，在裂缝被诱导至界面时，起到锚固界面的作用，充分发挥沥青薄膜的高延展特性，从而进一步降低裂缝拓展速度，提高裂缝表面积，提高混凝土的断裂能量从而达到增韧的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高韧性水泥混凝土的制备方法，该方法制备的混凝土在不降低原有混凝土强度的前提下具有高韧性。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种高韧性水泥混凝土的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

1）选料：按质量比为：水：粗集料：水泥：细集料：矿物掺和料=1：（5.50-7.50）：（1.50-3.00）：（3.50-6.00）：（0.75-2.00）,选取水、粗集料、水泥、细集料、矿物掺和料；按聚羧酸高效减水剂的加入量为水泥用量0.4-1.0wt%，选取聚羧酸高效减水剂；

2）粗集料的预处理：根据集料级配曲线，按粒径从大到小选取粗集料总量5-35wt%的粗集料作为预处理集料，将选取好的粗集料置于普通水泥混凝土搅拌机中，按照粗集料质量的0.1-0.5wt%加入稀释后的水性环氧树脂改性乳化沥青，稀释后的固含量为20-50wt%，并加入水性环氧树脂改性乳化沥青固体含量0.01-0.05wt%消泡剂，均匀搅拌5-10分钟后，将粗集料捞出在相对湿度30-70%，温度20-35^oC下养护1-2天，待破乳后得乳液处理集料，并与未处理粗集料混匀，得到预处理后的粗集料，备用；

3）高韧性水泥混凝土的制备：在搅拌机中先加入预处理后的粗集料，搅拌30-60s，再加入细集料、矿物掺和料、水泥干拌30-60s，然后再加水、聚羧酸高效减水剂搅拌均匀，得高韧性水泥混凝土。

所述水性环氧树脂改性乳化沥青的制备为：按阳离子乳化沥青：水性环氧树脂：固化剂：稳定剂＝100 :10 ～20 :5 ～10 :5 ～15，选取水性环氧树脂、阳离子乳化沥青、固化剂和稳定剂，混合得到水性环氧树脂改性乳化沥青；其中水性环氧树脂改性乳化沥青的蒸发残留物主要指标为：固体含量为50～65%，5^oC延度25～30cm。

所述的水性环氧树脂选自牌号DDR331、GEM02、GEM03、AB-EP-44、AB-EP-47 和AB-EP-51的水性环氧乳液中的一种或任意比例的多种。

所述固化剂选自牌号GCA01、GCA02、AB-HGA或AB-HGT的水性环氧固化剂中的一种。

所述的稳定剂为乙烯基硅橡胶、丙烯酰基异硫氰酸酯或氨基磺酸钠中的一种。

所述的水泥为强度等级42.5或52.5的普通硅酸盐水泥。

所述的聚羧酸高效减水剂，减水率为20-40%。

所述的粗集料为石灰石、玄武岩中的一种，粒径4.75-31.5mm、表观密度2500-3000kg /m³堆积密度1500-1800kg /m³。

所述的细集料为河砂或机制砂，细度模数为2.6-3.1。

所述矿物掺合料为矿渣、粉煤灰中的任意一种或二种混合，二种混合时为任意配比。

本发明的有益效果是：通过水性环氧树脂改性乳化沥青处理大粒径的集料，使大粒径集料表面部分或完全附着一层兼具增强界面与弱化界面的聚合物薄膜 (得乳液处理粗集料)，在粗集料表面形成膜状结构，破乳后与剩余集料混匀组成连续级配集料，进一步采用由水泥、矿物掺合料、聚羧酸高效减水剂和水按一定比例配制的再处理浆体，在不降低水泥混凝土强度的前提下制备出高韧性混凝土（在不显著降低水泥混凝土力学强度的情况下具有较高的韧性），并且增韧所需的聚合物乳液用量较以往聚合物乳液加入到水泥石增韧的方式显著减少。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

混凝土的轴心抗压强度、弹性模量、根据《GB/T 50081-2002》规范测得。断裂破坏能根据混凝土轴心应力应变全曲线初裂点到屈服点间的面积积分而得。

实施例1:

高韧性混凝土的制备方法，它包括如下步骤：

（1）原材料准备

粗集料：粒径5-31.5mm、表观密度2500-3000kg/m³、堆积密度1500-1800 kg/m³石灰石；

乳化沥青：湖北国创高新材料股份有限公司生产的阳离子乳化沥青，固含量为60wt%；

水性环氧树脂：上海绿嘉水性涂料有限公司生产的水性环氧乳液GEM02；

固化剂：海绿嘉水性涂料有限公司生产的水性环氧固化剂 GCA01；

稳定剂：氨基磺酸钠；

水泥：P.O 42. 5普通硅酸盐水泥；

减水剂：聚羧酸高效减水剂，减水率为20%;

细集料：河砂，细度模数为2.6-3.1;

矿物掺合料：为I级粉煤灰，需水量(wt)≤105%。

按质量比为：水：粗集料：水泥：细集料：粉煤灰=1：6.5：1.5：5.5：0.75，按胶凝材料（水泥）用量0.8 wt%加入聚羧酸高效减水剂；

（2）粗骨料的预处理

a) 加入清洁自来水稀释水性环氧树脂改性乳化沥青至固含量20 wt%；b）根据级配曲线，由大到小筛取粗集料总量20%的粗集料清洗晒干称量后倒入规格卧式搅拌机；c）倒入粗集料0.3wt%固含量为20wt%的水性环氧树脂改性乳化沥青；该水性环氧树脂改性乳化沥青的组成为：乳化沥青：水性环氧树脂：固化剂：稳定剂＝100 :10 :5 :5 ；加入水性环氧树脂乳化沥青固体质量0.05%消泡剂，均匀搅拌5-10分钟后；d）将粗集料捞出在相对湿度30-70%，温度20-35^oC下养护2天，待乳液破乳后得乳液处理粗集料，与剩余粗集料混匀；得到预处理后的粗集料（乳液处理粗集料与剩余粗集料混匀）。

（3）高韧性水泥混凝土的制备

在搅拌机中先加入预处理后的粗集料（乳液处理粗集料与剩余粗集料混匀），搅拌60s，再加入细集料、矿物掺和料、水泥干拌60s，然后再加水、聚羧酸减水剂搅拌均匀，得高韧性水泥混凝土，其100mm×100mm×300mm试件的轴心抗压强度为38.0MPa，弹性模量为33.80GPa，断裂破坏能为303.2J。相同条件下使用普通集料的空白组混凝土轴心抗压强度为39.8MPa，弹性模量为34.23GPa，断裂破坏能为182.5J。

实施例2:

高韧性混凝土的制备方法，它包括如下步骤：

（1）原材料准备

粗集料：粒径5-19mm、表观密度2500-3000kg /m³、堆积密度1500-1800 kg /m³石灰石；

水性环氧树脂：上海绿嘉水性涂料有限公司生产的水性环氧乳液GEM03；

固化剂：海绿嘉水性涂料有限公司生产的水性环氧固化剂 GCA02；

水泥：P.O 42. 5普通硅酸盐水泥；

减水剂：聚羧酸高效减水剂，减水率为20%；

细集料：河砂，细度模数为2.6-3.1；

矿物掺合料：S95矿渣。

按质量比为：水：粗集料：水泥：细集料：S95矿渣（矿物掺和料）=1：7.5（即后续的乳液处理粗集料0.75+普通粗集料6.75）：2.55：4.5：0.75，按胶凝材料用量0.8wt%加入聚羧酸高效减水剂；

（2）粗骨料的预处理

a) 加入清洁自来水稀释水性环氧树脂乳化沥青至固含量40 wt%；b）根据级配曲线，由大到小筛取粗集料总量10%的粗集料清洗晒干称量后倒入规格卧式搅拌机；将粗集料清洗晒干称量后倒入规格卧式搅拌机；c）倒入粗集料0.1 wt%固含量为40wt%的水性环氧树脂改性乳化沥青；加入水性环氧树脂改性乳化沥青固体质量0.05%消泡剂，均匀搅拌5-10分钟后；d）将粗集料捞出在相对湿度30-70%，温度20-35^oC下养护2天，待乳液破乳后得乳液处理粗集料，与剩余粗集料混匀；得到预处理后的粗集料（乳液处理粗集料与剩余粗集料混匀）。

所述水性环氧树脂改性乳化沥青的制备为：按阳离子乳化沥青：水性环氧树脂：固化剂：稳定剂＝100 :20 :10 :15，选取水性环氧树脂、阳离子乳化沥青、固化剂和稳定剂，混合得到水性环氧树脂改性乳化沥青；其中水性环氧树脂改性乳化沥青的蒸发残留物主要指标为：固体含量为50～65%，5^oC延度25～30cm。

（3）高韧性水泥混凝土的制备

在搅拌机中先加入预处理后的粗集料（即乳液处理粗集料与剩余粗集料混匀），搅拌60s，再加入细集料、矿物掺和料、水泥干拌60s，然后再加水、聚羧酸减水剂搅拌均匀，得高韧性水泥混凝土，其100mm×100mm×300mm试件的轴心抗压强度为68.21MPa，弹性模量为35.09GPa，断裂能为1863J。相同条件下使用普通集料的空白组混凝土轴心抗压强度为72.33MPa，弹性模量为36.23GPa，断裂破坏能为930J。

实施例3:

高韧性混凝土的制备方法，它包括如下步骤：

（1）原材料准备

粗集料：粒径5-31.5mm、表观密度2500-3000kg /m³、堆积密度1500-1800 kg /m³石灰石；

稳定剂：氨基磺酸钠；

水泥：P.O 42. 5普通硅酸盐水泥；

减水剂：聚羧酸高效减水剂，减水率为20%；

细集料：河砂，细度模数为2.6-3.1；

矿物掺合料：I级粉煤灰，需水量(wt)≤105%。

按质量比为：水：粗集料（即后续的乳液处理粗集料2.4+普通粗集料4.8）：水泥：细集料：粉煤灰=1：7.2：2.3：5.2：0.75，按胶凝材料用量0.8 wt%加入聚羧酸高效减水剂；

（2）粗骨料的预处理

a) 加入清洁自来水稀释水性环氧树脂改性乳化沥青至固含量20 wt%；b）根据级配曲线，由大到小筛取粗集料总量33%的粗集料清洗晒干称量后倒入规格卧式搅拌机；c）倒入粗集料0.1 wt%固含量为20wt%的水性环氧树脂改性乳化沥青；该水性环氧树脂改性乳化沥青的组成为：乳化沥青：水性环氧树脂：固化剂：稳定剂＝100 :10 :5 :5 ；加入水性环氧树脂乳化沥青固体质量0.05%消泡剂，均匀搅拌5-10分钟后；d）将粗集料捞出在相对湿度30-70%，温度20-35^oC下养护2天，待乳液破乳后得乳液处理粗集料，与剩余粗集料混匀，得到预处理后的粗集料（即乳液处理粗集料与剩余粗集料混匀）。

（3）高韧性水泥混凝土的制备

在搅拌机中先加入预处理后的粗集料（即乳液处理粗集料与剩余粗集料混匀），搅拌60s，再加入细集料、矿物掺和料、水泥干拌60s，然后再加水、聚羧酸减水剂搅拌均匀，得高韧性水泥混凝土，其100mm×100mm×300mm试件的轴心抗压强度为42.3MPa，弹性模量为34.52GPa，断裂破坏能为495J。相同条件下使用普通集料的空白组混凝土轴心抗压强度为44.8MPa，弹性模量为35.74GPa，断裂破坏能为278.7J。

实施例4:

高韧性混凝土的制备方法，它包括如下步骤：

（1）原材料准备

稳定剂：氨基磺酸钠；

水泥：P.O 42. 5普通硅酸盐水泥；

减水剂：聚羧酸高效减水剂，减水率为20%；

细集料：河砂，细度模数为2.6-3.1；

矿物掺合料：I级粉煤灰，需水量(wt)≤105%。

按质量比为：水：粗集料（即后续的乳液处理粗集料1.5+普通粗集料6.0）：水泥：细集料：粉煤灰=1：7.5：2.8：4.7：0.75，按胶凝材料用量0.8 wt%加入聚羧酸高效减水剂；

（2）粗骨料的预处理

a) 加入清洁自来水稀释水性环氧树脂改性乳化沥青至固含量20 wt%；b）根据级配曲线，由大到小筛取粗集料总量20%的粗集料清洗晒干称量后倒入规格卧式搅拌机；c）倒入粗集料0.1 wt%固含量为20wt%的水性环氧树脂改性乳化沥青；该水性环氧树脂改性乳化沥青的组成为：乳化沥青：水性环氧树脂：固化剂：稳定剂＝100 :10 :5 :5；加入水性环氧树脂乳化沥青固体质量0.05%消泡剂，均匀搅拌5-10分钟后；d）将粗集料捞出在相对湿度30-70%，温度20-35^oC下养护2天，待乳液破乳后得乳液处理粗集料，与剩余粗集料混匀，得到预处理后的粗集料（即乳液处理粗集料与剩余粗集料混匀）。

（3）高韧性水泥混凝土的制备

在搅拌机中先加入预处理后的粗集料（即乳液处理粗集料与剩余粗集料混匀），搅拌60s，再加入细集料、矿物掺和料、水泥干拌60s，然后再加水、聚羧酸减水剂搅拌均匀，得高韧性水泥混凝土，其100mm×100mm×300mm试件的轴心抗压强度为58.3MPa，弹性模量为35.32GPa，断裂破坏能为1487J。相同条件下使用普通集料的空白组混凝土轴心抗压强度为65.8MPa，弹性模量为37.04GPa，断裂破坏能为792J。

本发明所列举的各原料的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

Claims

1.一种高韧性水泥混凝土的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

1)选料：按质量比为：水：粗集料：水泥：细集料：矿物掺和料＝1：(5.50-7.50)：(1.50-3.00)：(3.50-6.00)：(0.75-2.00),选取水、粗集料、水泥、细集料、矿物掺和料；按聚羧酸高效减水剂的加入量为水泥用量0.4-1.0wt％，选取聚羧酸高效减水剂；

2)粗集料的预处理：根据集料级配曲线，按粒径大小从大到小选取粗集料总量5-35wt％的粗集料作为预处理集料，将选取好的粗集料置于搅拌机中，按照粗集料质量的0.1-0.5wt％加入稀释后的水性环氧树脂改性乳化沥青，稀释后的固含量为20-50wt％，并加入水性环氧树脂改性乳化沥青固体含量0.01-0.05wt％消泡剂，均匀搅拌5-10分钟后，将粗集料捞出在相对湿度30-70％，温度20-35℃下养护1-2天，待破乳后得乳液处理集料，并与未处理粗集料混匀，得到预处理后的粗集料，备用；

3)高韧性水泥混凝土的制备：在搅拌机中先加入预处理后的粗集料，搅拌30-60s，再加入细集料、矿物掺和料、水泥干拌30-60s，然后再加水、聚羧酸高效减水剂搅拌均匀，得高韧性水泥混凝土。

2.根据权利要求1所述的一种高韧性水泥混凝土的制备方法，其特征是：所述水性环氧树脂改性乳化沥青的制备为：按阳离子乳化沥青：水性环氧树脂：固化剂：稳定剂＝100:10～20:5～10:5～15，选取水性环氧树脂、阳离子乳化沥青、固化剂和稳定剂，混合得到水性环氧树脂改性乳化沥青。

3.根据权利要求2所述的一种高韧性水泥混凝土的制备方法，其特征是：所述的水性环氧树脂选自牌号DDR331、GEM02、GEM03、AB-EP-44、AB-EP-47和AB-EP-51的水性环氧乳液中的一种或任意比例的多种。

4.根据权利要求2所述的一种高韧性水泥混凝土的制备方法，其特征是：所述固化剂选自牌号GCA01、GCA02、AB-HGA或AB-HGT的水性环氧固化剂中的一种。

5.根据权利要求2所述的一种高韧性水泥混凝土的制备方法，其特征是：所述的稳定剂为乙烯基硅橡胶、丙烯酰基异硫氰酸酯或氨基磺酸钠中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种高韧性水泥混凝土的制备方法，其特征是：所述的水泥为强度等级42.5或52.5的普通硅酸盐水泥。

7.根据权利要求1所述的一种高韧性水泥混凝土的制备方法，其特征是：所述的聚羧酸高效减水剂，减水率为20-40％。

8.根据权利要求1所述的一种高韧性水泥混凝土的制备方法，其特征是：所述的粗集料为石灰石、玄武岩中的一种，粒径4.75-31.5mm、表观密度2500-3000kg/m³。

9.根据权利要求1所述的一种高韧性水泥混凝土的制备方法，其特征是：所述的细集料为河砂或机制砂，细度模数为2.6-3.1。

10.根据权利要求1所述的一种高韧性水泥混凝土的制备方法，其特征是：所述矿物掺合料为矿渣、粉煤灰中的任意一种或二种混合，二种混合时为任意配比。