CN111003998A - 不发火自密实混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不发火自密实混凝土的制备方法，生产原料包括水泥，矿物掺合料，水，聚丙烯腈基碳纤维，减水剂，白云石粗集料，白云石细集料；其中，所述白云石粗集料的单方掺量为756～810kg，白云石细集料的单方掺量为835～859kg。其优点是：显著提高不发火混凝土材料的自密实性，并进一步提高材料的不发火性。

Description

不发火自密实混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种混凝土生产技术，尤其是一种不发火混凝土的生产方法。

背景技术

随着经济社会的发展，人们对健康和安全问题愈加重视，而诸如存有易燃物的石油气站、含有粉尘纤维的厂房、堆存干燥易燃品的仓库等是生活和工作常见建筑，如其采用普通混凝土材料，在遭遇撞击和摩擦作用的情况下可能产生火花，造成严重的火灾、爆炸隐患，是威胁公众安全的重要因素，因此对于有火灾爆炸隐患地点的建筑物，需要采用不发火混凝土进行施工。

不发火性是指当所用材料与金属或石块等坚硬物发生摩擦、冲击或冲擦等机械作用时，不发生火花(或火星)，致使易燃物引发火或爆炸的危险。因此，不发火混凝土需要控制的方向包括两个方面，其一改变配比组分或对原料进行控制，减少混凝土机械撞击、摩擦产生的静电总量。其二是减少静电的集中，这是因为当静电聚集到达到一定能量时，将会产生火花，且当外部存在易燃气体、液体等时，则有可能成为引起燃烧、爆炸的点火源因素。

然而，混凝土的质量不仅仅需考虑强度、耐久、不发火性，工作性能是影响施工效率、质量以及硬化后混凝土品质的重要因素。如混凝土拌合物可主要靠自重，不需要振捣即可充满模型和在地面铺开，不仅仅可降低施工的人力成本，也可加快施工进度，提高施工质量，因此制备具有自密实性能的不发火混凝土具有较好的应用价值。

自密实性是指混凝土拌合物具有良好的施工性能和填充性能，可靠自重、不需要振捣即可充满模型和铺展开。混凝土的自密实性能不仅仅取决于拌合物的流动性，若提高混凝土拌合物的流动性，则需较低的浆体粘度和较多的浆体数量。此时混凝土拌合物低的粘度和富裕的浆体，使得集料在混凝土的流动阻力减少，产生离析，反而影响混凝土的工作性能。因此，自密实混凝土的难点在于协调流动性和稳定性之间的矛盾。

由于不发火混凝土的特殊成分与配比，目前其普遍存在在自密实性能方面有所欠缺。本发明的目的即是在于提供一种兼具不发火性能和优异的自密实性能的不发火自密实混凝土及其制备方法，其既具备不发火混凝土的撞击后不发火特性，也具有自密实混凝土的高工作性能，是一种具有高应用价值的特种混凝土。

发明内容

为解决现有技术中不发火混凝土自密实性不良的技术问题，本发明提供了一种不发火自密实混凝土的制备方法。

本发明所采用的技术方案是：不发火自密实混凝土的制备方法，生产原料包括水泥，矿物掺合料，水，聚丙烯腈基碳纤维，减水剂，白云石粗集料，白云石细集料。本发明中所述的“单方掺量”指的是：每生产一方混凝土拌合物的原料掺加量，例如白云石粗集料的单方掺量为756～810kg即表示每生产一方混凝土拌合物白云石粗集料的掺加量为756～810kg。

尽管现有技术中不发火混凝土普遍存在自密实性能不良的问题，但经发明人试验研究发现，当选用白云石作为不发火混凝土粗集料、细集料且控制粗、细集料所占比例，即白云石粗集料的单方掺量为756～810kg、白云石细集料的单方掺量为835～859kg时，拌合物中浆体较为富裕，集料在混凝土内的流动阻力减少，且既有充足的砂浆量填充、包裹和润滑粗骨料，也有足够的水泥浆包裹细集料表面，减少集料之间的摩擦，使混凝土拌合物获得较好的自密实性能。

作为本发明的进一步改进，所述白云石粗集料为连续级配，且最大粒径不大于20mm。选用连续级配的粗集料，使集料之间的空隙减少，多余的水泥浆在集料之间形成水泥浆层，使浆体流动性更优。控制集料最大粒径低于20mm可降低集料在浆体内移动的屈服剪应力，利于混凝土拌合物的流动性。同时，较小的颗粒粒径降低了粗集料在浆体内的沉降速度，也有利于保持混凝土的稳定性。

作为本发明的进一步改进，生产原料还包括羟乙基纤维素，所述羟乙基纤维素的单方掺量为0.5～0.7kg。

目前的不发火混凝土制备中广泛使用聚丙烯腈基碳纤维，目的是为减少混凝土撞击之后产生静电聚集，当静电聚集到达到一定能量时，将会产生火花，且外部存在易燃气体、液体等时，则有可能成为引起燃烧、爆炸的点火源因素。为避免静电集中，不发火混凝土中需掺入导电介质，在混凝土内部形成导电网，当不发火混凝土遭遇撞击时，其所形成的导电网络将撞击点集中的电荷疏导开，避免电荷集中产生火花，从而导致爆炸、火灾等严重危害安全的事故。

但该方案存在一很大缺陷，即聚丙烯腈基碳纤维很容易成束结团，不仅降低了混凝土的工作性能，也导致其未能在混凝土中分散形成导电网络，导致不发火性能不合格。为解决这一问题，本发明进一步增加原料羟乙基纤维素，单方掺量为0.5～0.7kg。实验表明，该方案可以显著改善聚丙烯腈基碳纤维在混凝土浆料中的结团现象，不仅能够进一步提高材料的不发火性，还能提高材料的自密实性。

作为本发明的进一步改进，所述矿物掺合料包括粉煤灰与矿粉，其中，粉煤灰的单方掺量为86～102kg，矿粉的单方掺量为129～178kg。

实验表明，虽然在上述方案中加入羟乙基纤维素能够明显改善聚丙烯腈基碳纤维在混凝土浆料中的结团现象，但是其又带来了新的问题，即羟乙基纤维素的加入导致液相粘度增大，使得所拌和浆体的粘度过大，难以流开。为解决这个问题，在利用羟乙基纤维素的同时，采用较高掺量的矿物掺合料，包括粉煤灰与矿粉，其中，粉煤灰的单方掺量为86～102kg，矿粉的单方掺量为129～178kg，实验表明该方案可有效控制浆体的粘度，避免液相粘度增大。

作为本发明的进一步改进，生产原料包括如下单方掺量的各组分：水泥210～257kg，粉煤灰86～102kg，矿粉129～178kg，水190～230kg，聚丙烯腈基碳纤维4.5～5.5kg，羟乙基纤维素0.5～0.7kg，减水剂7.7～9.2kg，白云石粗集料756～810kg，白云石细集料835～859kg。

作为本发明的进一步改进，所述水泥、粉煤灰和矿粉的单方总掺量为431～509kg。

作为本发明的进一步改进，所述白云石细集料为白云石破碎后得到的机制砂，细度模数为2.5～2.8。选用白云石破碎后得到机制砂为细集料是因为普通机制砂由于其硬度和含金属杂质难以满足混凝土的不发火性能要求，故选取硬度较低和杂质较低的白云石机制砂。另外，白云石砂表面光滑，对水的吸附小，且细度模数为2.5～2.8，颗粒粒径较小，在混凝土拌合物中减少粗集料之间的摩擦，利于混凝土的自密实性能。

作为本发明的进一步改进，所述粉煤灰需水量比不大于95％，比表面积大于400m²/kg，所述矿粉比表面积大于400m²/kg，流动度比大于95％。

作为本发明的进一步改进，所述减水剂为聚羧酸减水剂，所述聚羧酸减水剂的含固量为20％，减水率在25％以上。

作为本发明的进一步改进，本发明的不发火自密实混凝土的制备方法具体包括如下步骤：

S1：按权利要求5的各原料掺加量称取原料；

S2：对白云石粗集料和白云石细集料进行磁选去除其中铁质并进行不发火测试，测试合格后将水泥、粉煤灰、矿粉、白云石细集料、白云石粗集料放入搅拌机中；

S3：取所量取重量一半的水，然后将减水剂溶解于水中，得到减水剂水溶液；

S4：取另一半重量的水放到容器中，再将聚丙烯腈基碳纤维投入水中，采用200～400W超声波对纤维进行预分散1min，然后加入羟乙基纤维素继续超声分散至少2min，得到分散后的聚丙烯腈基碳纤维水溶液；

S5：将水泥、粉煤灰、矿粉、白云石细集料、白云石粗集料在搅拌机中干拌至少1min，然后边搅拌边加入所述减水剂水溶液，然后再加入所述分散后的聚丙烯腈基碳纤维水溶液，继续搅拌至少2min，即得。

本方案S4中采用了先掺法，将聚丙烯腈基碳纤维放入水先超声分散，再加上分散剂结合超声分散，能有效提高碳纤维的分散性。

S5中，先将水泥、粉煤灰、矿粉、白云石细集料、白云石粗集料先干拌混合，将原料均匀混合。先加入聚丙烯腈基碳纤维和部分水，然后再加入聚羧酸减水剂水溶液，这是由于聚丙烯腈基碳纤维表面含有极性羰基、羧基基团，若将减水剂与聚丙烯腈基碳纤维同时加入，碳纤维表面会吸附聚羧酸减水剂，导致作用于水泥颗粒的聚羧酸减水剂分子减少。故先将部分聚羧酸外加剂溶解于水中混合，再与混凝土拌和搅拌1min，与水泥作用后，再掺入聚丙烯腈基碳纤维和水的分散液，再与混凝土拌和，既可使碳纤维混合更加均匀，又可减少聚羧酸减水剂被碳纤维吸附而导致减水剂的作用效果减弱的现象，保证了混凝土拌合物浆体的自密实性能。

更佳的，所述聚丙烯腈基碳纤维为6mm长度的短切纤维，单丝粒径为7.3μm，线密度为0.79g·m^-1，拉伸模量为231GPa。

更佳的，所述水泥为普通硅酸盐水泥。

本发明还公开了一种不发火自密实混凝土，其即是由本发明的不发火自密实混凝土的制备方法所制得。

本发明的有益效果是：1)通过采用白云石粗集料的单方掺量为756～810kg，白云石细集料的单方掺量为835～859kg的技术方案显著提高不发火混凝土拌合物的自密实性；2)通过使用最大粒径不大于20mm的连续级配白云石粗集料使材料的自密实性进一步提高；3)通过使用羟乙基纤维素显著改善聚丙烯腈基碳纤维在混凝土浆料中的结团现象，不仅能够进一步提高材料的不发火性，还能提高材料的自密实性；4)采用较高掺量的粉煤灰与矿粉，其中，粉煤灰的单方掺量为86～102kg，矿粉的单方掺量为129～178kg，有效控制浆体的粘度，避免液相粘度增大。5)采取先将部分水和减水剂与胶凝材料和集料混凝土混合搅拌，再将水和已在水中分散好的聚丙烯腈基碳纤维与拌和的方法，可有效提高碳纤维的分散性，减少了其对混凝土拌合物自密实性能的负面影响。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

实施例一：

(1)按照如下单方掺量比例量取各原料：

其中，所述水泥为P.OⅡ42.5R普通硅酸盐水泥，其比表面积为373m²/kg，初凝时间170min，终凝时间256min，三天抗压强度31.2MPa，28d抗压强度为50.1MPa。

所述白云石粗集料为天然白云石，CaCO₃含量96.7％，粒径为5～20mm连续级配。

所述细集料为天然白云石破碎后得到的机制砂，石粉含量8％，细度模数为2.67。

所述粉煤灰为F类I级粉煤灰，需水量比95％，比表面积430m²/kg，矿粉为S95级矿粉，比表面积435m²/kg。

所述聚丙烯腈基碳纤维为6mm长度的短切纤维，单丝粒径为7.3μm，线密度为0.79g·m^-1，拉伸模量为231GPa。

所述聚羧酸减水剂为常春藤SSJS标准型高性能减水剂，含固量为20％，减水率为25％以上。

(2)对白云石粗集料和白云石细集料进行磁选去除其中铁质并进行不发火测试，测试合格后将水泥、粉煤灰、矿粉、白云石细集料、白云石粗集料放入搅拌机中；

(3)取所量取重量一半的水，然后将聚羧酸减水剂溶解于水中，得到减水剂水溶液；

(4)取另一半重量的水放到容器中，再将聚丙烯腈基碳纤维投入水中，采用300W超声波对纤维进行预分散1min，然后加入羟乙基纤维素继续超声分散2min，得到分散后的聚丙烯腈基碳纤维水溶液；

(5)将水泥、粉煤灰、矿粉、白云石细集料、白云石粗集料在搅拌机中干拌1min，然后边搅拌边加入所述减水剂水溶液，1min后再加入所述分散后的聚丙烯腈基碳纤维水溶液，继续搅拌2min，即得。

实施例二：

按照与实施例一相同的条件设计，其区别仅在于：按照如下单方掺量比例量取各原料：

实施例三：

按照与实施例一相同的条件设计，其区别仅在于：按照如下单方掺量比例量取各原料：

实施例四：

按照与实施例一相同的条件设计，其区别仅在于：按照如下单方掺量比例量取各原料：

实施例五：

按照与实施例一相同的条件设计，其区别仅在于：按照如下单方掺量比例量取各原料：

实施例六：

按照与实施例一相同的条件设计，其区别仅在于：按照如下单方掺量比例量取各原料：

实施例七：

按照与实施例一相同的条件设计，其区别仅在于：按照如下单方掺量比例量取各原料：

实施例八：

按照与实施例一相同的条件设计，其区别仅在于：按照如下单方掺量比例量取各原料：

对比例一：

该对比例为实施例二的对照实验，按照与实施例二相同的条件设计，其区别仅在于：白云石粗集料的单方掺量为876kg，白云石细集料的单方掺量为739kg。

对比例二：

该对比例为实施例二的对照实验，按照与实施例二相同的条件设计，其区别仅在于：白云石粗集料的单方掺量为735kg，白云石细集料的单方掺量为880kg。

对比例三：

该对比例为实施例二的对照实验，按照与实施例二相同的条件设计，其区别仅在于：粗集料的最大颗粒粒径上升至30mm。

对比例四：

该对比例为实施例二的对照实验，按照与实施例二相同的条件设计，其区别仅在于：未使用羟乙基纤维素。

对比例五：

该对比例为实施例二的对照实验，按照与实施例二相同的条件设计，其区别仅在于：水泥、粉煤灰、矿粉的单方掺量分别为391kg、34kg、63kg。

对比例六：

该对比例为实施例二的对照实验，按照与实施例二相同的条件设计，其区别仅在于：水泥、粉煤灰、矿粉的单方掺量分别为130kg、183kg、209kg。

检测方法

对各实施例和对比例的混凝土拌合物进行自密实性能测试，然后装模100mm×100mm×100mm模具中，静置于室温环境1天后，脱模放置标准养护箱养护至28天龄期，对试块不发火性能测试。

自密实性能检测主要包括坍落扩展度、拓展时间、J环差，具体测试方法参照JGJT283-2012《自密实混凝土应用技术规程》执行。

不发火性能测试方法如下：用砂轮进行材料不发火花的测定，首先确认试验用砂轮是否合格，在完全黑暗的房间内对砂轮进行摩擦检查，控制砂轮的转速在1000r/min，摩擦时加20N的压力，使用石英岩进行摩擦，如果发生清晰的火花，则认为砂轮是合格的，可以用于不发火性试验。从白云石集料中选取质量在50～250g之间，具有不同表面、不同颜色、不同结晶体、不同硬度试样10个，在完全黑暗的房间进行粗集料不发火性试验。在骨料与砂轮摩擦时，仔细观察试件与砂轮摩擦的地方有无火花发生，试验需持续到每个试件被磨掉不小于20g后才能停止，记录试验过程中有无发现火花，如在试验过程中没有发现任何瞬时的火花，可以判定该材料为不发火材料。混凝土材料使用100mm×100mm×100mm试件进行测试。各实施例及对比例测试结果见表1。

表1：混凝土材料自密性及不发火性能测试结果表

由表1可以看出，实施例一至实施例八所配制的混凝土材料均大于660mm坍落拓展度，达到SF2等级以上。由J环差测试可知，所配制混凝土拌和物透过钢筋能力良好。由3d、7d、28d抗压强度测试可知，所配制的不发火自密实混凝土的强度均达到C30以上。综上所述，所配置不发火自密实混凝土不发火性能优异，自密实性能良好。

由表1的对比例一和对比例二还可以看出，当本发明的白云石粗集料和白云石细集料的单方掺量发生改变，导致数值范围未落在本发明的数值范围内时，材料的坍落扩展度由725分别降低至630和675，说明本发明的具有显著的提高不发火混凝土自密实性的技术效果。

由表1的对比例三还可以看出，较大的粗集料粒径将导致其在浆体内移动困难，并且易于沉降，混凝土拌合物的自密实性能下降。

由表1的对比例四还可以看出，使用羟乙基纤维素可显著改善聚丙烯腈基碳纤维在混凝土浆料中的结团现象，不仅能够进一步提高材料的不发火性，还能保证材料的自密实性。

由表1的对比例五可以看出，当低于本发明的矿物掺合料使用量时，材料的自密实性明显下降，其原因是原料中含有羟乙基纤维素，羟乙基纤维素的加入导致液相粘度增大，使得所拌和浆体的粘度过大，难以流开所致。而本发明所提供的矿物掺合料使用量可有效控制浆体的粘度，避免液相粘度增大，从而提高材料的自密实性。

由表1的对比例六可以看出，当超出本发明的矿物掺合料使用量时，胶凝材料中水泥含量较低，导致混凝土的3d、7d、28d的强度偏低，难以满足C30混凝土的强度要求。

Claims (11)

1.不发火自密实混凝土的制备方法，生产原料包括水泥，矿物掺合料，水，聚丙烯腈基碳纤维，减水剂，白云石粗集料，白云石细集料；其中，所述白云石粗集料的单方掺量为756～810kg，白云石细集料的单方掺量为835～859kg。

2.根据权利要求1所述的不发火自密实混凝土的制备方法，其特征在于：所述白云石粗集料为连续级配，且最大粒径不大于20mm。

3.根据权利要求1或2所述的不发火自密实混凝土的制备方法，其特征在于：生产原料还包括羟乙基纤维素，所述羟乙基纤维素的单方掺量为0.5～0.7kg。

4.根据权利要求3所述的不发火自密实混凝土的制备方法，其特征在于：所述矿物掺合料包括粉煤灰与矿粉，其中，粉煤灰的单方掺量为86～102kg，矿粉的单方掺量为129～178kg。

5.根据权利要求1、2、4中任一权利要求所述的不发火自密实混凝土的制备方法，其特征在于：生产原料包括如下单方掺量的各组分：水泥210～257kg，粉煤灰86～102kg，矿粉129～178kg，水190～230kg，聚丙烯腈基碳纤维4.5～5.5kg，羟乙基纤维素0.5～0.7kg，减水剂7.7～9.2kg，白云石粗集料756～810kg，白云石细集料835～859kg。

6.根据权利要求5所述的不发火自密实混凝土的制备方法，其特征在于：所述水泥、粉煤灰和矿粉的单方总掺量为431～509kg。

7.根据权利要求5所述的不发火自密实混凝土的制备方法，其特征在于：所述白云石细集料为白云石破碎后得到的机制砂，细度模数为2.5～2.8。

8.根据权利要求5所述的不发火自密实混凝土的制备方法，其特征在于：所述粉煤灰需水量比不大于95％，比表面积大于400m²/kg，所述矿粉比表面积大于400m²/kg，流动度比大于95％。

9.根据权利要求5所述的不发火自密实混凝土的制备方法，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸减水剂，所述聚羧酸减水剂的含固量为20％，减水率在25％以上。

10.根据权利要求5所述的不发火自密实混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：按权利要求5的各原料掺加量称取原料；

S2：对白云石粗集料和白云石细集料进行磁选去除其中铁质并进行不发火测试，测试合格后将水泥、粉煤灰、矿粉、白云石细集料、白云石粗集料放入搅拌机中；

S3：取所量取重量一半的水，然后将减水剂溶解于水中，得到减水剂水溶液；

S4：取另一半重量的水放到容器中，再将聚丙烯腈基碳纤维投入水中，采用200～400W超声波对纤维进行预分散1min，然后加入羟乙基纤维素继续超声分散至少2min，得到分散后的聚丙烯腈基碳纤维水溶液；

S5：将水泥、粉煤灰、矿粉、白云石细集料、白云石粗集料在搅拌机中干拌至少1min，然后边搅拌边加入所述减水剂水溶液，然后再加入所述分散后的聚丙烯腈基碳纤维水溶液，继续搅拌至少2min，即得。

11.由权利要求1～10所述的不发火自密实混凝土的制备方法制得的不发火自密实混凝土。