CN110156397A - 一种高强高韧自流平轻骨料混凝土及其配制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强高韧自流平轻骨料混凝土及其配制方法，轻骨料混凝土由胶凝材料、流平剂、增韧材料、砂、粗骨料和水拌和而成，其中胶凝材料为普通硅酸盐水泥、玻璃微珠和纳米微硅粉，流平剂为保坍型减水剂和缔合型增稠流平剂，增韧材料为乙烯‑醋酸乙烯共聚物乳液、环氧改性丙烯酸乳液和聚乙烯醇纤维，砂为中砂，粗骨料为页岩碎石陶粒。配制时先将乙烯‑醋酸乙烯共聚物乳液、环氧改性丙烯酸乳液、纳米微硅粉和页岩碎石陶粒搅拌均匀，搅拌时间为1分钟，静置3分钟，再加入砂、水泥、玻璃微珠、水、聚乙烯醇纤维和缔合型增稠流平剂，再搅拌3分钟。依照本发明制备的轻骨料混凝土具有轻质高强、轻骨料不上浮、流动性好、韧性高、收缩小的特性，此材料可用于大跨度桥梁及其附属结构，也可适用于工业与民用高层建筑。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强高韧自流平轻骨料混凝土，该材料适用于大跨度桥梁及其附属结构，也可适用于工业与民用高层建筑，该材料属于水泥基复合材料技术领域。
背景技术
随着我国社会和经济的快速发展，基础设施建设蓬勃发展，土地资源越来越稀缺，为了满足使用环境和现场条件的需要，建筑结构逐渐向着大跨、高耸方向发展。混凝土是一种耐久性优异且经济性良好的工程材料，在土木工程结构中得到了大规模应用，然而，混凝土密度较大，普通混凝土密度为2400kg/m3，随着高层建筑和大跨度桥梁的兴建，混凝土结构的设计断面尺寸也逐渐加大，混凝土自重已经成为影响主体结构承载力的主要因素，尤其对于大跨度钢管拱混凝土。轻骨料混凝土是采用绿色轻骨料（如天然的浮石、火山渣、多孔凝灰石、人造黏土陶粒、页岩陶粒以及膨胀珍珠岩等）替代天然集料配制的混凝土，既可以降低混凝土的容重，又能达到变废为宝的目的，轻骨料混凝土的密度通常小于1950kg/m3，另外，轻骨料混凝土还具有保温、耐火、隔声、抗震性能好等特点，具有普通混凝土无法比拟的性能，具有良好的社会效益、经济效益和环境效益，有望突破传统混凝土由于自重大导致的高耸、大跨度的技术瓶颈。然而，随着轻骨料混凝土强度的提高，轻骨料混凝土的脆性也越来越大，并且随着混凝土流动性的增加，轻骨料上浮概率越大，容易造成混凝土离析，对于大跨、高层建筑泵送混凝土容易堵管，更难适用于钢管拱混凝土。传统的方式为添加纤维素醚、高分子聚合物或者纤维，这些方法虽然能够提高轻骨料混凝土的韧性，降低骨料上浮速率，但是会降低混凝土抗压强度，且对混凝土的流动性影响很大，因此，传统技术难以配制出LC55以上的高强自流平轻骨料混凝土。
为此，本发明针对目前轻骨料混凝土存在的问题，提出了一种高强高韧自流平轻骨料混凝土及其配制方法，从原材料组成和搅拌工艺两方面入手，解决了混凝土流动性，轻骨料易上浮、脆性大的问题。本发明配制的轻骨料混凝土具有密度适中，轻骨料无上浮、自流平、高抗压强度、高韧性且收缩小等优点，适用于大跨、高耸的建筑结构，能够满足泵送混凝土施工的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够自流平、抗压强度高、韧性好且密度适中的轻骨料混凝土，能够降低结构自重，提高主体结构的抗震性，该材料可用于大跨度桥梁及其附属结构，也可适用于工业与民用建筑的高层结构。
为满足大跨度桥梁及高层建筑泵送混凝土的需要，实现轻骨料混凝土的高流动性、高稳定性、高强度和高韧性，本发明人系统研究了轻骨料混凝土的原材料及配比，并研究了轻骨料混凝土搅拌工艺对轻骨料混凝土性能的影响。
研究结果表明，仅从原材料和配比角度难以解决本发明的技术难题，而通过原材料组成设计和搅拌工艺设计能够解决这一技术难题，本发明的主要技术特点如下：
轻骨料表面增强增韧：通常轻骨料为多孔材料，强度相对较低，本发明采用乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液、环氧改性丙烯酸乳液和纳米微硅粉复合后，与轻骨料一起搅拌，在乳液的作用下纳米微硅粉包裹在轻骨料的表面，乳液破乳后纳米微硅粉渗入轻骨料孔隙中，形成坚硬的壳，起到了表面增强的作用，大幅提高了轻骨料的强度，乳液渗透并分散在轻骨料界面，较好地改善了轻骨料混凝土的脆性，表现为折压比提高，两种乳液复合使用时效果更佳，并且这种先表面包裹再分次搅拌的技术对骨料的增强增韧效果较为显著，并且轻骨料与乳液、纳米微硅粉搅拌之后静置3分钟效果更佳。另外，轻骨料表面被纳米微硅粉和乳液包裹后，避免了轻骨料对水和减水剂的吸附，能够减少轻骨料吸水导致的混凝土流动性损失大的问题，从而使得工作性能得到有效保持。
低密度高强度：本发明采用轻骨料和中空玻璃微珠双重因素复合降低混凝土的密度，从而实现了低密度高强度的目的，仅采用轻骨料难以达到低密度高强度的效果；同时加入中空玻璃微珠对流动性也有较好的改善。
复合增韧：采用乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液、环氧改性丙烯酸乳液和纳米微硅粉增韧轻骨料界面，采用聚乙烯醇纤维增韧砂浆本体，二者形成复合增韧的效果。
预防轻骨料上浮：本发明采用加入聚乙烯醇纤维的方式防止轻骨料上浮，短棒状聚乙烯醇纤维相互交错分散在水泥基浆体中有效地拉扯和支撑轻骨料，利用缔合型增稠流平剂进行水泥浆体增稠，提高了轻骨料混凝土各组分的稳定性，有效预防轻骨料的上浮。
自流平和防离析：本发明采用保坍型减水剂和缔合型增稠流平剂复合起到了自流平的同时又防止了轻骨料混凝土离析，保坍型减水剂主要起减水流平作用，缔合型增稠流平剂主要起增稠作用防止骨料离析。
通过上述技术的综合运用有效实现了轻骨料混凝土的高强、高韧、轻骨料无上浮和自流平的性能。
本发明提供了一种高强高韧自流平轻骨料混凝土及其配制方法，轻骨料混凝土的特征在于：胶凝材料为普通硅酸盐水泥、玻璃微珠和纳米微硅粉，流平剂为保坍型减水剂和缔合型增稠流平剂，增韧材料为乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液、环氧改性丙烯酸乳液和聚乙烯醇纤维，砂为中砂，粗骨料为页岩碎石陶粒，其中，每方混凝土中胶凝材料用量为500kg~550kg，砂用量为600kg~700 kg，页岩碎石陶粒用量为450kg~600kg，用水量为130kg~150kg，乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液用量为20kg~30kg，环氧改性丙烯酸乳液用量为10kg~20kg，聚乙烯醇纤维用量为1kg~3kg；配制方法为先将乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液、环氧改性丙烯酸乳液、纳米微硅粉和页岩碎石陶粒搅拌均匀，搅拌时间为1分钟，静置时间3分钟，再加入砂、水泥、玻璃微珠、水、聚乙烯醇纤维和流平剂，再搅拌3分钟。
本发明所述的胶凝材料由水泥、玻璃微珠和纳米微硅粉组成，其中，水泥为P.O42.5水泥，水泥用量为350kg/m3~410kg/m3；玻璃微珠为中空高强玻璃微珠，材质为高铝硼硅酸盐，堆积密度为450kg/m3，平均粒径为15微米，玻璃微珠用量为100kg/m3~150kg/m3；纳米微硅粉平均粒径为0.2微米，纳米微硅粉中二氧化硅含量为98%，纳米微硅粉用量为30kg/m3~50kg/m3。
本发明所述的乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液的固含量为60%，乙烯基含量16%，能够增加界面过渡区的韧性。
本发明所述的环氧改性丙烯酸乳液的固含量为55%，环氧树脂质量分数为20%，主要起粘结作用。
本发明所述的缔合型增稠流平剂为非离子型疏水改性乙氧基聚氨酯水溶性聚合物，掺量为胶凝材料重量的0.2%~0.5%，防止轻骨料混凝土离析，增大流平性。
本发明所述的聚乙烯醇纤维为棉絮状纤维，纤维长度为3mm，主要用于防止轻骨料上浮，提高轻骨料混凝土的韧性。
本发明所述的页岩碎石陶粒堆积密度为700kg/m3，陶粒筒压强度为8.5MPa，颗粒直径为5~20mm连续级配。
本发明所述的保坍减水剂为聚羧酸型大分子减水剂，减水剂的固含量为20%，减水剂用量为胶凝材料用量的1%~2%。
本发明制备的轻骨料混凝土能够实现自流平，轻骨料无上浮，具有较高的抗压强度、较高的韧性和适中的密度，体积收缩小的特点，能够满足高耸和大跨度结构的需要，其特征在于混凝土出机扩展度为550mm~650mm，坍落度≥200mm，混凝土干密度≤1800kg/m3，28d混凝土抗压强度≥55MPa，28d混凝土抗折强度≥15MPa，56d混凝土收缩率≤400×10-6，且轻骨料无上浮。
该轻骨料混凝土具有流动性好、稳定性高、轻质高强、高韧性且抗裂性好的特点。能够保证结构物承载力的同时，降低结构的自重，适用于高层建筑或者大跨度桥梁等结构，也可以适用于钢管拱混凝土。
附图说明
图1为高强高韧自流平轻骨料混凝土的配制方法。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明的实施方案。但是本发明并不仅限于这些实施例，还应包括在本发明所要求的权利范围内其他任何公知的改变。
实施例1
具体实施例1如表1所示。
表1 具体实施例1
按照图1的配制方法进行分次搅拌，具体实施例1的实施效果见表2。
表2 根据具体实施例1生产的轻骨料混凝土的性能
| 序号 | 试验项目 | 实施效果 |
| 1 | 出机扩展度（mm） | 580 |
| 2 | 30min扩展度（mm） | 550 |
| 3 | 混凝土干密度（kg/m<sup>3</sup>） | 1790 |
| 4 | 28d抗压强度（MPa） | 62.4 |
| 5 | 28d抗折强度（MPa） | 17.5 |
| 6 | 28d弹性模量（GPa） | 25.6 |
| 7 | 折压比 | 0.28 |
| 8 | 56d混凝土收缩率（×10<sup>-6</sup>） | 379 |
| 9 | 轻骨料上浮情况 | 无轻骨料上浮 |
实施例2
具体实施例2如表3所示。
表3 具体实施例2
按照图1的配制方法进行分次搅拌，具体实施例2的实施效果见表4。
表4 根据具体实施例2生产的轻骨料混凝土的性能
| 序号 | 试验项目 | 实施效果 |
| 1 | 出机扩展度（mm） | 590 |
| 2 | 30min扩展度（mm） | 556 |
| 3 | 混凝土干密度（kg/m<sup>3</sup>） | 1795 |
| 4 | 28d抗压强度（MPa） | 64.8 |
| 5 | 28d抗折强度（MPa） | 19.6 |
| 6 | 28d弹性模量（GPa） | 25.4 |
| 7 | 折压比 | 0.30 |
| 8 | 56d混凝土收缩率（×10<sup>-6</sup>） | 365 |
| 9 | 轻骨料上浮情况 | 无轻骨料上浮 |
实施例3
具体实施例3如表5所示。
表5 具体实施例3
按照图1的配制方法进行分次搅拌，具体实施例3的实施效果见表6。
表6 根据具体实施例3生产的轻骨料混凝土的性能
| 序号 | 试验项目 | 实施效果 |
| 1 | 出机扩展度（mm） | 620 |
| 2 | 30min扩展度（mm） | 580 |
| 3 | 混凝土干密度（kg/m<sup>3</sup>） | 1755 |
| 4 | 28d抗压强度（MPa） | 65.2 |
| 5 | 28d抗折强度（MPa） | 19.8 |
| 6 | 28d弹性模量（GPa） | 24.9 |
| 7 | 折压比 | 0.30 |
| 8 | 56d混凝土收缩率（×10<sup>-6</sup>） | 358 |
| 9 | 轻骨料上浮情况 | 无轻骨料上浮 |
实施例4
具体实施例4如表7所示。
表7 具体实施例4
按照图1的配制方法进行分次搅拌，具体实施例4的实施效果见表8。
表8 根据具体实施例4生产的轻骨料混凝土的性能
| 序号 | 试验项目 | 实施效果 |
| 1 | 出机扩展度（mm） | 630 |
| 2 | 30min扩展度（mm） | 585 |
| 3 | 混凝土干密度（kg/m<sup>3</sup>） | 1760 |
| 4 | 28d抗压强度（MPa） | 69.8 |
| 5 | 28d抗折强度（MPa） | 23.1 |
| 6 | 28d弹性模量（GPa） | 24.3 |
| 7 | 折压比 | 0.33 |
| 8 | 56d混凝土收缩率（×10<sup>-6</sup>） | 369 |
| 9 | 轻骨料上浮情况 | 无轻骨料上浮 |
实施例5
具体实施例5如表9所示。
表9 具体实施例4
按照图1的配制方法进行分次搅拌，具体实施例5的实施效果见表10。
表10 根据具体实施例5生产的轻骨料混凝土的性能
| 序号 | 试验项目 | 实施效果 |
| 1 | 出机扩展度（mm） | 600 |
| 2 | 30min扩展度（mm） | 580 |
| 3 | 混凝土干密度（kg/m<sup>3</sup>） | 1770 |
| 4 | 28d抗压强度（MPa） | 67.2 |
| 5 | 28d抗折强度（MPa） | 16.1 |
| 6 | 28d弹性模量（GPa） | 27.6 |
| 7 | 折压比 | 0.24 |
| 8 | 56d混凝土收缩率（×10<sup>-6</sup>） | 389 |
| 9 | 轻骨料上浮情况 | 无轻骨料上浮 |
通过以上实施例可以看出，在本发明中，通过先将纳米微硅粉、页岩轻骨料、乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液和环氧改性丙烯酸乳液拌和均匀，再加入P.O42.5水泥、玻璃微珠、聚乙烯醇纤维、保坍减水剂、水和缔合型增稠流平剂拌和均匀后形成的轻骨料混凝土具有良好的流动性、轻骨料不上浮、高强高韧、体积收缩小的特点。因此，本发明中所得到的高强高韧自流平轻骨料混凝土能够较好地适用于大跨度桥梁及其附属结构、也可适用于工业与民用建筑的高层结构。
Claims (9)
1.一种高强高韧自流平轻骨料混凝土及其配制方法，轻骨料混凝土的特征在于：胶凝材料为普通硅酸盐水泥、玻璃微珠和纳米微硅粉，流平剂为保坍型减水剂和缔合型增稠流平剂，增韧材料为乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液、环氧改性丙烯酸乳液和聚乙烯醇纤维，砂为中砂，粗骨料为页岩碎石陶粒，其中，单方混凝土中胶凝材料用量为500kg~550kg，砂用量为600kg~700kg，页岩碎石陶粒用量为450kg~600kg，用水量为130kg~150kg，乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液用量为20kg~30kg，环氧改性丙烯酸乳液用量为10kg~20kg，聚乙烯醇纤维用量为1kg~3kg；配制方法为先将乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液、环氧改性丙烯酸乳液、纳米微硅粉和页岩碎石陶粒搅拌均匀，搅拌时间为1分钟，静置3分钟，再加入砂、水泥、玻璃微珠、水、聚乙烯醇纤维和流平剂，再搅拌3分钟。
2.如权利要求1所述的轻骨料混凝土，胶凝材料中水泥为P.O42.5水泥，水泥用量为350kg/m3~410kgkg/m3；玻璃微珠为中空高强玻璃微珠，材质为高铝硼硅酸盐，堆积密度为450kg/m3，平均粒径为15微米，玻璃微珠用量为100kg/m3~150kg/m3；纳米微硅粉平均粒径为0.2微米，纳米微硅粉用量为30kg/m3~50kg/m3。
3.如权利要求1所述的轻骨料混凝土，乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液的固含量为60%，乙烯含量16%。
4.如权利要求1所述的轻骨料混凝土，环氧改性丙烯酸乳液的固含量为55%，环氧树脂质量分数为20%。
5.如权利要求1所述的轻骨料混凝土，缔合型增稠流平剂为非离子型疏水改性乙氧基聚氨酯水溶性聚合物，掺量为胶凝材料重量的0.2%~0.5%。
6.如权利要求1所述的轻骨料混凝土，聚乙烯醇纤维为棉絮状纤维，纤维长度为3mm。
7.如权利要求1所述的轻骨料混凝土，页岩碎石陶粒堆积密度为700kg/m3，陶粒筒压强度为8.5MPa，颗粒直径为5~20mm连续级配。
8.如权利要求1所述的轻骨料混凝土，保坍减水剂为聚羧酸型大分子减水剂，减水剂的固含量为20%，减水剂用量为胶凝材料用量的1%~2%。
9.一种由权利要求1~8任一项所述的高强高韧自流平轻骨料混凝土，其特征在于混凝土中无轻骨料上浮，出机扩展度为550mm~650mm，坍落度≥200mm，混凝土干密度≤1800kg/m3，28d混凝土抗压强度≥55MPa，28d混凝土抗折强度≥15MPa，56d混凝土收缩率≤400×10-6。
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