CN110304878A - 一种高导热高韧性大体积混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高导热高韧性大体积混凝土及其制备方法，该大体积混凝土各组分及其所占质量份数为：水泥140‑160份、矿粉260‑290份、粗集料900‑1000份、细集料800‑900份、纳米材料改性植物纤维3‑5份、减水剂6‑8份、缓凝剂1‑2份、水145‑180份。其制备为：将粗集料、细集料、水泥和矿粉拌和均匀，然后加入纳米材料改性植物纤维拌和均匀，再加入减水剂、缓凝剂和水拌和均匀，拌合1‑3min即可得到高导热高韧性大体积混凝土。本发明生产工艺简单价格低廉，有效利用生物材料，对环境无污染且生态友好，制备得到的大体积混凝土同时具有高韧性和优异的导热性能，可以从根本上防治裂缝的产生，适用于复杂的服役环境，具有良好的社会经济价值。

Description

一种高导热高韧性大体积混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，特别涉及一种高导热高韧性大体积混凝土及其制备方法。
背景技术
最初的大体积混凝土大多都是水坝，随着科技水平在不断的进步，建筑物体型不断改变，大体积砼所应用的领域也愈发广泛，服役环境也更加复杂。《大体积混凝土施工规范》GB5049—2012定义：混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土，称之为大体积混凝土。其中，大体积混凝土水泥的产生的水化热易引起局部温差过大进而导致裂缝。此外，降温过程中易发生收缩作用，同样也会产生裂缝。目前，有效避免裂缝的产生，是大体积混凝土生产过程中亟待解决的问题。
研究表明避免混凝土裂缝产生的措施主要有控温和增韧。控温主要是通过控制入模温度、布置散热装置(如散热管道)等方式防止核心温度过高；增韧主要是通过添加钢纤维、聚酯纤维等。但这些方法仅仅只能在一定程度上缓解温差变化或者增强韧性，却无法在保有大体积混凝土原有整体性的基础上从根本上防止裂缝的产生。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种高导热高韧性大体积混凝土及其制备方法，该大体积混凝土同时具有高韧性和优异的导热性能，可以从根本上防治裂缝的产生。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高导热高韧性大体积混凝土，按质量份数计，包含以下原料：水泥140-160份、矿粉260-290份、粗集料900-1000份、细集料800-900份、纳米材料改性植物纤维3-5份、减水剂6-8份、缓凝剂1-2份、水145-180份。
优选的，上述高导热高韧性大体积混凝土中，按质量份数计，包含以下原料：水泥145-150份、矿粉270-280份、粗集料925-950份、细集料820-880份、纳米材料改性植物纤维4-5份、减水剂6.5-7.5份、缓凝剂1.2-1.8份、水165-170份。
按上述方案，纳米材料改性植物纤维为纳米金属氧化物和石墨烯混合物改性的植物纤维，纳米金属氧化物和石墨烯均匀分散在植物纤维表面和内部空腔壁上。
按上述方案，纳米金属氧化物和石墨烯的平均粒径均为300-500nm，其中纳米金属氧化物和石墨烯的质量比为(5-10)：1。
按上述方案，纳米金属氧化物为纳米氧化镁、纳米三氧化二铝、纳米氧化锌中的至少一种。
按上述方案，纳米金属氧化物为纳米氧化镁和纳米三氧化二铝，其中纳米氧化镁、纳米三氧化二铝、石墨烯质量比为5：4：1。
按上述方案，植物纤维为破碎到10mm-50mm的长纤维和粒状纤维，细胞腔尺寸为1-100um。
上述方案中，水泥为P·O42.5普硅水泥；矿粉为S95级矿粉。
上述方案中，粗集料为级配良好、质地坚硬、粒径范围5-20mm的连续级配碎石；细集料为颗粒坚硬、级配良好的中砂，要求粒径小于4.75mm的天然洁净中砂，细度模数2.6-2.8，含泥量不大于2％。
上述方案中，减水剂为聚羧酸系减水剂，其20℃比重1.20-1.24；缓凝剂为石膏缓凝剂，其20℃比重1.10-1.14，粘度(cps.)≤200。
一种上述高导热高韧性大体积混凝土的制备方法，包括如下步骤：
1)按质量份数，依次将粗集料900-1000份、细集料800-900份、水泥140-160份、矿粉260-290份加入搅拌机中拌合均匀；
2)按质量份数，将纳米材料改性植物纤维3-5份加入搅拌机中拌合均匀；
3)按质量份数，将减水剂6-8份、缓凝剂1-2份、水145-180份混合后加入搅拌机中拌合均匀；
4)在搅拌机中拌合1-3min即可得到高导热高韧性大体积混凝土。
按上述方案，纳米材料改性植物纤维为纳米金属氧化物和石墨烯混合物改性的植物纤维，纳米金属氧化物和石墨烯均匀分散在植物纤维表面和内部空腔壁上。
按上述方案，纳米材料改性植物纤维的制备包括以下步骤：
1)将纳米材料分散到乙醇溶液中，超声分散均匀；
2)将植物纤维浸泡在步骤1)得到的纳米材料的乙醇分散液中，超声后取出，自然风干即得纳米材料改性植物纤维。
按上述方案，步骤1)中纳米材料为金属氧化物和石墨烯的混合物，纳米材料与乙醇溶液的质量体积比为：1-2g:200mL；步骤2)中植物纤维与步骤1)中的纳米材料的乙醇分散液的质量体积比为：1-2kg:100mL。
按上述方案，步骤2)中植物纤维是指破碎到10mm-50mm的长纤维和粒状纤维，细胞腔尺寸为1-100um。
按上述方案，步骤1)中超声时间为0.5-1h，步骤2)中超声时间为0.5-1h。
本发明得到的高导热高韧性大体积混凝土可从根本上防治裂缝的产生。大体积混凝土中加入植物纤维可调节混凝土内部应力状态避免应力集中，从而提高大体积混凝土的韧性，但植物纤维本身的保温效应会导致混凝土导热性能下降。加入纳米导热材料虽然可以提升混凝土的导热性能，但因纳米材料本身易发生团聚现象影响其分散性能，且纳米材料本身的小尺寸也会限制热量传输距离，这些都会限制纳米材料的导热效率。本发明通过纳米材料改性植物纤维，不仅使得纳米材料分散更均匀，同时纳米材料还可以利用植物纤维内部的空腔结构构筑导热通道，有效扩大热量在纳米材料中的传输距离，解除纳米材料的尺寸限制，将混凝土内部的热量更好地扩散到表面降低温差，增强大体积混凝土的导热能力。因此大体积混凝土中加入纳米材料改性植物纤维不仅可以改善大体积混凝土的韧性，还进一步改善了植物纤维本身导热不良的缺陷，增强了大体积混凝土的导热性能，从而从根本上防治了裂缝的产生。
本发明的有益效果为：
1.本发明提供的高导热高韧性大体积混凝土通过加入纳米材料改性植物纤维，纳米材料在植物纤维上均匀分散，不仅增强了大体积混凝土的韧性，同时纳米材料利用植物纤维内部的空腔结构构筑导热通道从而增强了大体积混凝土的导热性能，在保有大体积混凝土原有整体性的基础上从根本上防治了裂缝的产生。
2.本发明制备高导热高韧性大体积混凝土的方法简单，可操作性强，本发明中价格昂贵的纳米材料加入量极小，生产成本低，且有效地利用植物纤维这类生物材料，对环境无污染、生态友好。该制备方法得到的大体积混凝土同时具有高韧性、良好的导热性能、高结构完整性以及环境友好等特点，满足大体积混凝土服役、施工和环保的要求。
附图说明
图1为本发明实施例1制备纳米材料改性植物纤维的工艺流程示意图。
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。
下述具体实施例中，使用的原料性能指标为：
水泥为P·O42.5普硅水泥。
矿粉为S95级矿粉。
粗集料为级配良好、质地坚硬、粒径范围5-20mm的连续级配碎石。
细集料为颗粒坚硬、级配良好的中砂，要求粒径小于4.75mm的天然洁净中砂，细度模数2.6-2.8，含泥量不大于2％。
减水剂为聚羧酸系减水剂，其20℃比重1.20-1.24。
缓凝剂为石膏缓凝剂，其20℃比重1.10-1.14，粘度(cps.)≤200。
实施例1
一种纳米材料改性植物纤维的制备，具体步骤为：
纳米氧化镁、纳米三氧化二铝、石墨烯分散到浓度为99.9％的乙醇溶液中，超声(360w)分散半小时，每5g纳米材料使用1000ml乙醇液体，可浸泡约10kg植物纤维；将破碎的植物纤维浸泡在带有纳米材料的乙醇分散液中，超声半小时后取出；自然风干即可。
其中，纳米氧化镁、纳米三氧化二铝、石墨烯，粒径约300-500nm，纳米氧化镁、纳米三氧化二铝、石墨烯质量比为5：4：1；所使用的植物纤维为秸秆：破碎到10mm-50mm的长纤维和粒状纤维，细胞腔尺寸为1-100um。
实施例2-6
一种高导热高韧性大体积混凝土，其组分及各组分的质量份数参考表1，具体制备步骤为：
(1)按质量份数依次将粗集料、细集料、水泥、矿粉加入搅拌机中使其拌合均匀；
(2)按质量份数将实施例1制备得到的纳米材料改性植物纤维加入搅拌机中使其拌合均匀；
(3)按质量份数将减水剂、缓凝剂、水混合后加入搅拌机中使其拌合均匀；
(4)在搅拌机中拌合1min即可得到高导热高韧性大体积混凝土。
具体性能测试结果见表2。
对比例1
一种大体积混凝土，其组分及各组分的质量份数参考表1，具体制备步骤为：
(1)按质量份数依次将粗集料、细集料、水泥、矿粉加入搅拌机中使其拌合均匀；
(2)然后按质量份数将减水剂、缓凝剂、水混合后加入搅拌机中使其拌合均匀；
(3)最后在搅拌机中拌合1min即可得到大体积混凝土。
具体性能测试结果见表2。
对比例2
一种大体积混凝土，具体制备步骤为：
(1)按质量份数依次将粗集料、细集料、水泥、矿粉加入搅拌机中使其拌合均匀；
(2)然后按质量份数将植物纤维加入搅拌机中使其拌合均匀；
(3)接着按质量份数将减水剂、缓凝剂、水混合后加入搅拌机中使其拌合均匀；
(4)最后在搅拌机中拌合1min即可得到大体积混凝土。
其中所使用的植物纤维为秸秆：破碎到10mm-50mm的长纤维和粒状纤维，细胞腔尺寸约为1-100um。
具体测试结果见表2。
表1实施例2-6和对比例1-2的大体积混凝土中各组分及其质量份数
表2实施例2-6和对比例1-2所得大体积混凝土的性能测试
具体的性能测试试验参照标准如下：
28d/56d抗压强度采用GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》。
28d抗弯拉强度采用CECS13:2009《纤维混凝土试验方法标准》。
坍落度采用GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》。
测温点的布置采用GB50496-2009《大体积混凝土施工规范》。
由表2可以看出，对比例2和对比例1相比，虽然28天抗弯拉强度有明显提升，但是24h核心温度却上升明显，说明植物纤维的加入，虽然可以提升大体积混凝土的韧性，但是植物纤维本身的保温效应使得大体积混凝土的导热性下降明显。而实施例2-6的24h核心温度相对于对比例1下降明显，且28天抗弯拉强度提升明显，说明纳米材料改性植物纤维的加入在提升大体积混凝土的韧性强度的同时还进一步提升了其导热性能。说明植物纤维经过纳米材料的改性，不仅保留了其对大体积混凝土韧性的提升作用，也最大程度发挥了纳米材料的导热性能。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高导热高韧性大体积混凝土，其特征在于，按质量份数计，包含以下原料：水泥140-160份、矿粉260-290份、粗集料900-1000份、细集料800-900份、纳米材料改性植物纤维3-5份、减水剂6-8份、缓凝剂1-2份、水145-180份。
2.根据权利要求1所述的高导热高韧性大体积混凝土，其特征在于，所述纳米材料改性植物纤维为纳米金属氧化物和石墨烯的混合物改性的植物纤维，所述纳米金属氧化物和所述石墨烯均匀分散在所述植物纤维表面和内部空腔壁上。
3.根据权利要求2所述的高导热高韧性大体积混凝土，其特征在于，所述纳米金属氧化物和所述石墨烯的平均粒径均为300-500nm，其中所述纳米金属氧化物和所述石墨烯的质量比为(5-10)：1。
4.根据权利要求2所述的高导热高韧性大体积混凝土，其特征在于，所述纳米金属氧化物为纳米氧化镁、纳米三氧化二铝、纳米氧化锌中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的高导热高韧性大体积混凝土，其特征在于，所述纳米金属氧化物为纳米氧化镁和纳米三氧化二铝，其中所述纳米氧化镁、所述纳米三氧化二铝、所述石墨烯质量比为5：4：1。
6.根据权利要求2所述的高导热高韧性大体积混凝土，其特征在于，所述植物纤维为破碎到10mm-50mm的长纤维和粒状纤维，细胞腔尺寸为1-100um。
7.根据权利要求1所述的高导热高韧性大体积混凝土，其特征在于，按质量份数计，包含以下原料：水泥145-150份、矿粉270-280份、粗集料925-950份、细集料820-880份、纳米材料改性植物纤维4-5份、减水剂6.5-7.5份、缓凝剂1.2-1.8份、水165-170份。
8.根据权利要求1所述的高导热高韧性大体积混凝土，其特征在于，所述水泥为P·O42.5普硅水泥；所述矿粉为S95级矿粉；所述粗集料为级配良好、质地坚硬、粒径范围5-20mm的连续级配碎石；所述细集料为颗粒坚硬、级配良好的中砂，要求粒径小于4.75mm的天然洁净中砂，细度模数2.6-2.8，含泥量不大于2％；所述减水剂为聚羧酸系减水剂，其20℃比重1.20-1.24；所述缓凝剂为石膏缓凝剂，其20℃比重1.10-1.14，粘度(cps.)≤200。
9.一种权利要求1所述的高导热高韧性大体积混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)按质量份数，依次将粗集料900-1000份、细集料800-900份、水泥140-160份、矿粉260-290份加入搅拌机中拌合均匀；
2)按质量份数，将纳米材料改性植物纤维3-5份加入搅拌机中拌合均匀；
3)按质量份数，将减水剂6-8份、缓凝剂1-2份、水145-180份混合后加入搅拌机中拌合均匀；
4)在搅拌机中拌合1-3min即可得到高导热高韧性大体积混凝土。
10.根据权利要求9所述的高导热高韧性大体积混凝土的制备方法，其特征在于，所述纳米材料改性植物纤维的制备包括以下步骤：
1)将纳米材料分散到乙醇溶液中，超声分散0.5-1h得纳米材料的乙醇分散液，其中所述纳米材料为纳米金属氧化物和石墨烯的混合物，所述纳米材料与所述乙醇溶液的质量体积比为：(1-2)g:200mL；
2)将植物纤维浸泡在步骤1)得到的纳米材料的乙醇分散液中，超声0.5-1h后取出，自然风干即得纳米材料改性植物纤维，其中所述植物纤维与所述纳米材料的乙醇分散液的质量体积比为：(1-2)kg:100mL，所述植物纤维为破碎到10mm-50mm的长纤维和粒状纤维，细胞腔尺寸为1-100um。
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