CN110937861A - 一种高强轻集料混凝土及其制备工艺 - Google Patents

一种高强轻集料混凝土及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强轻集料混凝土及其制备工艺，一种高强轻集料混凝土包括水泥、矿物掺和料、细集料、页岩陶粒、骨架纤维、减水剂和水，其中，骨架纤维包括聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维和钢纤维，其掺入混凝土中能够提高混凝土的强度，并使混凝土在使用过程中性能更加稳定，不易裂解。本发明中的制备工艺为：包括聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维的制备，骨架纤维的制备以及各组分的混料，本发明的制备工艺能够制备混合均匀、性能稳定的聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维，并使聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维与钢纤维均匀的分散于混凝土中，提高混凝土稳定性。

Description

一种高强轻集料混凝土及其制备工艺
技术领域
本发明涉及混凝土的领域，更具体地说，它涉及一种高强轻集料混凝土及其制备工艺。
背景技术
轻集料混凝土是指用轻集料、水泥、砂、矿物掺和料、减水剂和水配制而成的轻质混凝土，具有轻质、保温隔热性能好、抗震性能好、耐火性能好、施工适应性强等特点，被广泛的应用于各种工业与民用建筑以及道路、桥梁等工程中。
轻集料混凝土虽然凭借其优越的性能成为了混凝土的重要发展方向，但是，由于轻集料的体积密度较小，且表面往往粗糙多孔，轻集料混凝土在实际的使用过程中常易出现集料上浮、混凝土分层裂解和混凝土离析等现象，这也使得轻集料混凝土的强度降低，很难保证其具有稳定的工作性能，同时，也给施工带来很大的困难。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的第一个目的在于提供一种高强轻集料混凝土，其具有轻质高强、性能稳定的优点。
本发明的第二个目的在于提供一种高强轻集料混凝土的制备工艺，其具有混料均匀、性能稳定的优点。
为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：
一种高强轻集料混凝土，所述高强轻集料混凝土包含以下重量份的组分：
Figure BDA0002336584200000011
通过采用上述技术方案，水泥作为凝胶材料使用，矿物掺和料和细集料作为骨料，能够减少水泥的用量，并增强制备混凝土的抗压强度和耐用性。
页岩陶粒是轻集料，体积大，硬度高，重量小，能够减轻混凝土的结构自重，起到提高混凝土的抗震性能和抗动荷载能力的作用。
骨架纤维散乱分布于混凝土内，配合页岩陶粒和矿物掺和料组成混凝土的骨架，能够有效的阻碍混凝土内部微小裂缝的扩展以及宏观裂缝的形成，显著改善混凝土的抗压强度，使混凝土具有轻质高强的优点。
减水剂的使用能够减少混凝土制备过程中添加的水的量，从而使混凝土固化过程中的水化热减少，进而进一步减少了水化热造成的裂纹的影响，使混凝土的性能更加稳定。
整个组分中，矿物掺和料、页岩陶粒和骨架纤维配合形成混凝土的骨架，水泥和细集料在水的作用下流动填充于骨架内，与矿物掺和料、页岩陶粒和骨架纤维相互配合，形成轻质高强、性能稳定的高强轻集料混凝土。
进一步地，所述骨架纤维包括聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维和钢纤维，所述聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维与钢纤维的重量份数比为1/5-1/1。
通过采用上述技术方案，骨架纤维包括聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维和钢纤维，相较于聚丙烯纤维，聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维内掺有氧化石墨烯，氧化石墨烯硬度高，其与聚丙烯制备成的聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维硬度提高，抗拉伸性强，能够提高混凝土的强度。钢纤维相较于聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维刚性强，能够与聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维配合提高混凝土的强度。
进一步地，所述聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维的长度为12-15mm。
进一步地，所述钢纤维的长度为6-9mm。
通过采用上述技术方案，聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维的长度控制在12-15mm之间，钢纤维的长度控制在6-9mm之间，聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维以及钢纤维掺入混凝土中的长度过短会使两者与混凝土的黏连性降低，长度过长则不易于混凝土中分散开，并且会影响混凝土中其他组分的分散。
进一步地，所述细集料为中砂，细度模数为2.5-2.8。
通过采用上述技术方案，中砂粒径大小适宜。在混凝土的制备过程中，大于2.5mm与小于0.08mm的颗粒过多会导致混凝土的和易性较差，容易引起混凝土的外观质量缺陷。
进一步地，所述水泥为普通硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥中任意一种。
通过采用上述技术方案，水泥为普通，于混凝土中充当凝胶材料。
进一步地，所述减水剂为木质素磺酸钠或密胺系减水剂中任意一种。
通过采用上述技术方案，木质素磺酸钠或密胺系减水剂能够减少混凝土制备过程中的用水量，并改善混凝土的保坍性能。
为实现上述第二个目的，本发明提供了如下技术方案：
步骤1：选取聚丙烯颗粒，用塑料粉碎机粉碎为粉料，筛分粒径小于1mm的聚丙烯粉料，用于聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维的制备；
步骤2：向粒径小于1mm的聚丙烯粉料中倒入乙醇溶液，直至乙醇溶液没过聚丙烯粉料，搅拌均匀，放入球磨机中精磨，完成精磨后，烘干备用；
步骤3：向步骤2中完成精磨的聚丙烯粉料中加入氧化石墨烯溶液和乙烯溶液，制成混合溶液，超声0.5h，超声过程中持续搅拌；
步骤4：将步骤3中完成超声操作的混合溶液沉淀24h；
步骤5：将混合溶液的上清液回收，沉降出的混合粉料烘干备用；
步骤6：将步骤5中得到的混合粉料，倒入转矩流变仪中熔融共混，挤出备用；
步骤7，将步骤6中挤出的物料，置于塑料粉碎机中粉碎；
步骤8：将步骤7中的粉料加入纺丝机中制备聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维；
步骤9：裁剪制备的聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维，控制聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维的长度处于12-15mm之间；
步骤10：于步骤9中制备而成的聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维中加入钢纤维，制备骨架纤维；
步骤11：将步骤10中制备的骨架纤维搅拌混合均匀，再向其中加入水泥、矿物掺和料、细集料、页岩陶粒组成A组分混合物，向水中加入减水剂，并均匀混合为B组分混合物，将A组分混合物缓慢加入B组分混合物中，并持续搅拌。
通过采用上述技术方案，聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维由聚丙烯和氧化石墨烯溶液制备而成，制备过程中的粉碎与精磨操作使聚丙烯粉料的粒径变小，使氧化石墨烯能够在超声过程中更均匀的包覆于聚丙烯粉料的表面，进而与聚丙烯结合的更加稳定。转矩流变仪用于高温混料，能够使未包覆于聚丙烯表面的氧化石墨烯与聚丙烯粉料形成整体，并粉碎为制备聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维的原料。混凝土制备过程中，通过搅拌使聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维、钢纤维以及其他各组分均匀混合与混凝土内部，使混凝土的结构强度提高，不易开裂，性能更加稳定。
进一步地，步骤2中所述球磨机的转速控制在50-150rad/min。
通过采用上述技术方案，由于聚丙烯粉料的粒径较大，球磨机的转速过低达不到精磨的目的，球磨机的转速过高，聚丙烯颗粒会与球磨机内的磨缸发生碰撞，有炸裂的风险。球磨机的转速控制于50-150rad/min，能够稳定的对聚丙烯粉料进行球磨，并使球磨机不易损坏。
进一步地，步骤6中转矩流变仪的设定温度为155-165℃，共混时间为5min。
通过采用上述技术方案，聚丙烯在155℃下变软，温度于155-165℃之间，可使聚丙烯与氧化石墨烯混合的更加均匀，进而制备性能优良的聚丙烯/氧化石墨烯复合材料。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
第一、由于本发明的混凝土配方中通过加入骨架纤维，提高混凝土的抗压强度，改善混凝土的使用稳定性。
第二、本发明中优选采用聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维和钢纤维为骨架纤维，相较于聚丙烯纤维，聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维内掺有氧化石墨烯，氧化石墨烯硬度高，其与聚丙烯制备成的聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维硬度提高，抗拉伸性强，能够提高混凝土的强度。钢纤维相较于聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维刚性强，能够与聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维配合提高混凝土的强度。
第三、本发明的混凝土制备过程中，通过搅拌使聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维、钢纤维以及其他各组分均匀混合与混凝土内部，使混凝土的结构强度提高，不易开裂，性能更加稳定。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维的制备例
步骤1：选取聚丙烯颗粒，用塑料粉碎机粉碎为粉料，筛分粒径小于1mm的聚丙烯粉料，收集备用；
步骤2：向粒径小于1mm的聚丙烯粉料中倒入乙醇溶液，直至乙醇溶液没过聚丙烯粉料，搅拌混合均匀后，放入球磨机中精磨8h，球磨机转速设定为100rad/min，完成精磨后，烘干备用；
步骤3：向步骤2中完成精磨的聚丙烯粉料中1:1加入氧化石墨烯溶液和乙烯溶液，制成混合溶液，超声0.5h，超声过程中通过搅拌器持续搅拌；
步骤4：将步骤3中完成超声操作的混合溶液沉淀24h；
步骤5：将混合溶液的上清液回收，沉降出的混合粉料烘干备用，烘干温度不超过78℃；
步骤6：将步骤5中得到的混合粉料，倒入转矩流变仪中熔融共混，转矩流变仪的设定温度为160℃，共混时间为5min，最后挤出，冷却备用；
步骤7，将步骤6中挤出的物料，置于塑料粉碎机中粉碎；
步骤8：将步骤7中的粉料加入纺丝机中制备聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维。
实施例1
高强轻集料混凝土包括如下重量组分：水泥80kg、矿物掺和料110kg、细集料140kg、页岩陶粒40kg、减水剂5kg、水135kg、骨架纤维15kg。
水泥为普通硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥。
矿物掺和料包括粉煤灰。
细集料为中砂，细度模数为2.5-2.8，重量为140kg。
减水剂为木质素磺酸钠或密胺系减水剂。
骨架纤维包括聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维和钢纤维，具体的聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维为5kg、钢纤维为10kg。
骨架纤维的制备过程：裁剪制备的聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维，使聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维的长度为12-15mm之间，筛选长度为6-9mm的钢纤维，并向聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维中加入钢纤维；按比例配置好聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维和钢纤维后，搅拌混合均匀，即制得骨架纤维。
高强轻集料混凝土的制备过程：将水泥、矿物掺和料、细集料、页岩陶粒和骨架纤维按比例混合，组成A组分混合物备用；向水中加入减水剂，并均匀混合为B组分混合物备用；将A组分混合物缓慢加入B组分混合物中，并通过搅拌机搅拌5min混合均匀，出料。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于混凝土组分的含量不同，高强混凝土制备工艺的参数不同。
组分参见表一和表二。
骨架纤维的制备过程：裁剪制备的聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维，使聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维的长度为12-15mm之间，筛选长度为6-9mm的钢纤维，并向聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维中加入钢纤维；按比例配置好聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维和钢纤维后，搅拌混合均匀，即制得骨架纤维。
高强轻集料混凝土的制备过程：将水泥、矿物掺和料、细集料、页岩陶粒和骨架纤维按比例混合，组成A组分混合物备用；向水中加入减水剂，并均匀混合为B组分混合物备用；将A组分混合物缓慢加入B组分混合物中，并通过搅拌机搅拌7min混合均匀，出料。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于混凝土组分的含量不同，高强混凝土的制备工艺的参数不同。
组分参见表一和表二。
裁剪制备的聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维，使聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维的长度为12-15mm之间，筛选长度为6-9mm的钢纤维，并向聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维中加入钢纤维；按比例配置好聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维和钢纤维后，搅拌混合均匀，即制得骨架纤维。
高强轻集料混凝土的制备过程：将水泥、矿物掺和料、细集料、页岩陶粒和骨架纤维按比例混合，组成A组分混合物备用；向水中加入减水剂，并均匀混合为B组分混合物备用；将A组分混合物缓慢加入B组分混合物中，并通过搅拌机搅拌12min混合均匀，出料。
实施例4
实施例4与实施例1的区别在于混凝土组分的含量不同，高强混凝土的制备工艺的参数不同。
组分参见表一和表二。
裁剪制备的聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维，使聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维的长度为12-15mm之间，筛选长度为6-9mm的钢纤维，并向聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维中加入钢纤维；按比例配置好聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维和钢纤维后，搅拌混合均匀，即制得骨架纤维。
高强轻集料混凝土的制备过程：将水泥、矿物掺和料、细集料、页岩陶粒和骨架纤维按比例混合，组成A组分混合物备用；向水中加入减水剂，并均匀混合为B组分混合物备用；将A组分混合物缓慢加入B组分混合物中，并通过搅拌机搅拌15min混合均匀，出料。
实施例5
实施例5与实施例1的区别在于混凝土组分的含量不同，高强混凝土的制备工艺的参数不同。
组分参见表一和表二。
裁剪制备的聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维，使聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维的长度为12-15mm之间，筛选长度为6-9mm的钢纤维，并向聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维中加入钢纤维；按比例配置好聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维和钢纤维后，搅拌混合均匀，即制得骨架纤维。
高强轻集料混凝土的制备过程：将水泥、矿物掺和料、细集料、页岩陶粒和骨架纤维按比例混合，组成A组分混合物备用；向水中加入减水剂，并均匀混合为B组分混合物备用；将A组分混合物缓慢加入B组分混合物中，并通过搅拌机搅拌18min混合均匀，出料。
表一为实施例1-5的混凝土的各组分含量。
Figure BDA0002336584200000071
表二为实施例1-5的骨架纤维的含量。
Figure BDA0002336584200000072
实施例6
实施例6与实施例4的区别在于骨架纤维为30kg，其中，聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维为5kg，钢纤维为25kg，其他组分均相同。
骨架纤维各组分参见表三。
实施例7
实施例7与实施例4的区别在于骨架纤维为30kg，其中，聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维为15kg，钢纤维为15kg，其他组分均相同。
骨架纤维各组分参见表三。
表三为实施例6与7中骨架纤维的含量。
实施例6 实施例7
骨架纤维/kg 30 30
聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维/kg 5 15
钢纤维/kg 25 15
对比例1
对比例1与实施例4的区别在于对比例1中未添加骨架纤维，其他均与实施例4保持一致。
对比例2
对比例2与实施例4的区别在于对比例2中添加有聚丙烯纤维，聚丙烯纤维为30kg，其他均与实施例4保持一致。
对比例3
对比例3与实施例4的区别在于对比例3中添加有钢纤维，钢纤维为30kg，其他均与实施例4保持一致。
实验检测
1、根据GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能实验方法标准》测试混凝土的力学性能。
2、用环形约束实验检测混凝土抗裂性：开裂时间<1h的是很差的水泥，开裂时间>15h的为优。
表四实施例1-7及对比例1-3的混凝土力学性能的实验检测结果。
Figure BDA0002336584200000081
由表四中实施例1-7的实验结果能够得到，实施例1-7中制备的混凝土的力学性能是符合使用要求的；并且，按照本申请中的组分含量配比出来的混凝土的抗裂性能优良。
对比实施例1-7与对比例1的实验结果，添加有骨架纤维的混凝土抗压强度和抗裂能力均有提高。
对比实施例1-7与对比例2的实验结果，相较于只添加聚丙烯纤维的混凝土，添加有聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维和钢纤维的混凝土在不影响抗裂性能的前提下，抗压强度提高。
对比实施例1-7与对比例3的实验结果，相较于只添加钢纤维，添加有骨架纤维的混凝土抗压强度未受影响，抗裂性能明显提高。
对比实施例1-7的实验结果，可知骨架纤维于混凝土中的含量以及聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维和钢纤维的相对含量均会对混凝土的抗压强度产生影响。
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 (10)

1.一种高强轻集料混凝土，其特征在于，
所述高强轻集料混凝土包含以下重量份的组分：
水泥 80-100份
矿物掺和料 90-110份
细集料 120-140份
页岩陶粒 40-60份
骨架纤维 15-35份
减水剂 5份
水 115-135份。
2.根据权利要求1所述的高强轻集料混凝土，其特征在于，所述骨架纤维包括聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维和钢纤维，所述聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维与钢纤维的重量份数比为1/5-1/1。
3.根据权利要求2所述的高强轻集料混凝土，其特征在于，所述聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维的长度为12-15mm。
4.根据权利要求2所述的高强轻集料混凝土，其特征在于，所述钢纤维的长度为6-9mm。
5.根据权利要求1所述的高强轻集料混凝土，其特征在于，所述细集料为中砂，细度模数为2.5-2.8。
6.根据权利要求1所述的高强轻集料混凝土，其特征在于，所述水泥为普通硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥中任意一种。
7.根据权利要求1所述的高强轻集料混凝土，其特征在于，所述减水剂为木质素磺酸钠或密胺系减水剂中任意一种。
8.权利要求1-7任一所述的高强轻集料混凝土的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选取聚丙烯颗粒，用塑料粉碎机粉碎为粉料，筛分粒径小于1mm的聚丙烯粉料，用于聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维的制备；
步骤2：向粒径小于1mm的聚丙烯粉料中倒入乙醇溶液，直至乙醇溶液没过聚丙烯粉料，搅拌均匀，放入球磨机中精磨，完成精磨后，烘干备用；
步骤3：向步骤2中完成精磨的聚丙烯粉料中加入氧化石墨烯溶液和乙烯溶液，制成混合溶液，超声0.5h，超声过程中持续搅拌；
步骤4：将步骤3中完成超声操作的混合溶液沉淀24h；
步骤5：将混合溶液的上清液回收，沉降出的混合粉料烘干备用；
步骤6：将步骤5中得到的混合粉料，倒入转矩流变仪中熔融共混，挤出备用；
步骤7，将步骤6中挤出的物料，置于塑料粉碎机中粉碎；
步骤8：将步骤7中的粉料加入纺丝机中制备聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维；
步骤9：裁剪制备的聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维，控制聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维的长度处于12-15mm之间；
步骤10：于步骤9中制备而成的聚丙烯/氧化石墨烯复合材料纤维中加入钢纤维，制备骨架纤维；
步骤11：将步骤10中制备的骨架纤维搅拌混合均匀，再向其中加入水泥、矿物掺和料、细集料、页岩陶粒组成A组分混合物，向水中加入减水剂，并均匀混合为B组分混合物，将A组分混合物缓慢加入B组分混合物中，并持续搅拌。
9.根据权利要求8所述的高强轻集料混凝土，其特征在于，步骤2中所述球磨机的转速控制在50-150rad/min。
10.根据权利要求8所述的高强轻集料混凝土，其特征在于，步骤6中转矩流变仪的设定温度为155-165℃，共混时间为5min。
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