CN111018471A - 一种绿色高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种绿色高性能混凝土及其制备方法，涉及混凝土技术领域，按照质量份数计，具体包括如下组分：水泥240～300份、砂子800～860份、碎石1050～1100份、矿物掺合料150～230份、减水剂6～8份、增粘剂5～7份、水140～180份、钢纤维40～50份以及聚丙烯纤维70～75份，聚丙烯纤维制备步骤如下：1）预处理：将废弃的聚丙烯清理干净并粉碎成颗粒；2）纺丝：然后将粉碎的聚丙烯加入到螺杆挤出机中熔融、纺丝，纺丝温度控制在110～120℃；3）拉伸：经过步骤2）纺丝的聚丙烯纤维在120～140℃条件下拉伸；4）定型：定型温度控制在120～130℃；5）剪切：剪切聚丙烯纤维，长度控制在15～25mm。本发明通过将废弃的聚丙烯改性后加以利用，具有废弃资源合理再利用的效果。

Description

一种绿色高性能混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土的技术领域，尤其是涉及一种绿色高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土一直是建筑行业的核心材料，应用范围广泛、力学性能较好，随着城市的发展，混凝土使用量越来越多，这给环境带来了很多负面影响，为了解决这一问题，绿色高性能混凝土应运而生。绿色高性能混凝土是指从混凝土的配制、使用到废弃这一完整的流程中能够降低环境的负担，与普通混凝土相比，绿色高性能混凝土具备更强的工作性能和更多的功能性，最为关键的是它能够有效的节约资源和能源、改善生态环境，为城市建设提供更多的选择。
绿色高性能混凝土在高性能混凝土的基础上增加了三个含义：(1)节约资源、能源；(2)不破坏环境，更有利于环境；(3)可持续发展，既要满足当代人的需求，又不危害后代人满足其需要的能力，大力开展绿色高性能混凝土的研究和应用，绿色高性能混凝土具有普通混凝土无法比拟的优良性能，对混凝土的发展将起重要作用。
在当今的废弃塑料中，聚丙烯是一种废弃量大且难以处理的资源，聚丙烯常见于瓶盖、吸管、微波食物盒等，瓶盖、吸管、微波食物盒一般为一次性产品，因此导致聚丙烯塑料废弃量大，聚丙烯丢弃后不易降解，还会对环境产生污染。将废弃的聚丙烯塑料进行改性后，应用于高性能混凝土的制备，能够实现废弃资源合理再生利用的效果。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的之一是提供一种绿色高性能混凝土，通过将废弃的聚丙烯改性后加以利用，具有废弃资源合理再利用的效果；本发明的目的之二是提供一种绿色高性能混凝土的制备方法，具有制备工艺简单的效果。
本发明的上述发明目的一是通过以下技术方案得以实现的：一种绿色高性能混凝土，按照质量份数计，具体包括如下组分：水泥240～300份、砂子800～860份、碎石1050～1100份、矿物掺合料150～230份、减水剂6～8份、增粘剂5～7份、水140～180份、钢纤维40～50份以及聚丙烯纤维70～75份，所述聚丙烯纤维的制备步骤如下：1)预处理：将废弃的聚丙烯清理干净并粉碎成颗粒；2)纺丝：然后将粉碎的聚丙烯加入到螺杆挤出机中熔融、纺丝，纺丝温度控制在110～120℃；3)拉伸：经过步骤2)纺丝的聚丙烯纤维在120～140℃条件下拉伸；4)定型：定型温度控制在120～130℃；5)剪切：剪切聚丙烯纤维，长度控制在15～25mm。
通过采用上述技术方案，水泥与水形成水泥浆，水泥浆包裹在砂子、碎石表面并填充它们之间的间隙，水泥浆在混凝土凝结硬化前起润滑作用，使得混凝土拌合物具有适于施工的工作性，硬化后水泥使得混凝土具有所需要的强度。砂子和碎石比水泥便宜的多，作为廉价的填充材料，降低混凝土的成本，另外砂子和碎石的加入能够提高混凝土的耐久性，减少水泥浆的发热、干缩等不良现象。矿物掺合料能够改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土的密实性、抗渗性及耐化学腐蚀性等。
减水剂在维持混凝土塌落度基本不变的条件下，能减少拌合用水量，加入减水剂后，对水泥颗粒有分散作用，能改善其工作性，减少单位用水量，改善混凝土拌合物的流动性。
钢纤维和聚丙烯纤维在搅拌过程中均匀分布在混凝土中，相互缠绕形成众多乱向分布的纤维骨架支撑体系，这种体系能够减少混凝土泌水，防止加入的碎石、矿物掺合料下沉，减少混凝土的原始缺陷，从而提高混凝土的均质性，降低混凝土内部应力梯度，防止混凝土凝固后早期裂缝的形成。另外掺杂了钢纤维的混凝土具有更好的热传导性，减小混凝土内部的温度梯度，降低温度应力；聚丙烯纤维具有质量轻、强度高、弹性好、耐磨、耐腐蚀的特点，能够提高混凝土的物理机械性能，废旧的聚丙烯塑料通过纺丝制备成聚丙烯纤维加入到混凝土中，实现聚丙烯废弃塑料的再利用。
通过将废弃的聚丙烯塑料清洗粉碎，熔融后再进行纺丝，纺丝温度高于聚丙烯熔点100℃，能够使熔体具有流动性，保证顺利纺丝，经过热定型的聚丙烯纤维，能够提高其结晶度。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述矿物掺合料至少包括粉煤灰、矿渣粉、硅灰中的一种。
通过采用上述技术方案，粉煤灰可以等量取代水泥，减少水泥用量，减少用水量，节约成本，抑制新拌合混凝土的泌水，改善混凝土的工作性，减少水化热，进而增加抗渗透能力。
矿渣粉在水泥水化前期，包裹在水泥颗粒的表面，延缓水化产物的搭接作用，进而改善了混凝土的工作性，矿渣粉与水泥水化产物氢氧化钙发生二次水化反应，生成水化硅酸钙凝胶，在水泥水化过程中激发、诱增水泥的水化程度，从而显著提高的混凝土的强度和耐久性。
硅灰是在冶炼硅铁合金或金属硅时，从烟气净化装置中回收的烟尘，硅灰具有粒径较小、比表面积大、活性高的特点，配合加入的减水剂可以保证混凝土的和易性，硅灰能够加快水泥的水化程度，改善混凝土的界面结构，使混凝土更加密实，减少大孔隙数量，有效抑制有害水和有害离子的渗入，从而显著提高混凝土的强度、抗渗性、抗冻性以及抗腐蚀性。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述减水剂为聚羧酸类或木质素磺酸盐类。
通过采用上述技术方案，聚羧酸类减水剂通过主链吸附在水泥颗粒上，羧基等离子基团吸附在水泥颗粒上起锚固作用，聚氧乙烯基侧链悬挂于溶液中，并盘绕在一起，吸附量增大，其分散能力越大，水泥浆流动性越大。
木质素磺酸盐是一种天然高分子聚合物，具有很强的分散能力，木质素磺酸盐加入到水溶液中，能够降低水的表面张力和界面张力。木质素磺酸盐存在憎水基团和亲水基团，憎水基团定向吸附于水泥颗粒的表面，亲水基团指向水溶液，组成了单分子或多分子的吸附膜，使水泥颗粒因表面相同电荷相互排斥而被分散，从颗粒间释放出多余的水分，以达到减水的目的。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述增粘剂至少包括纤维素醚、膨润土、聚丙烯酰胺中的一种。
通过采用上述技术方案，纤维素醚使聚合物分子相互缠绕，减少了各组分颗粒自由活动的空间，提高了混凝土体系的粘度，从而使得混凝土表观浓度上升。膨润土是一种层状硅酸盐，吸水后膨胀形成絮状物质，具有良好的悬浮性和分散性，与适量的水结合形成胶状体，在水中能释放出带点微粒，增大混凝土体系的粘度。聚丙烯酰胺加入到水溶液中，能够提高水溶液的粘性，因为聚丙烯酰能够吸附周围的水分子，这种对拌合水分子的吸附和固定促进了大分子的扩展，从而增加了拌合水的粘度和混凝土的粘度。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述钢纤维与所述聚丙烯纤维的质量比为1：1.8。
通过采用上述技术方案，钢纤维与聚丙烯纤维在该比例下配合使用的效果最好。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述砂子的细度模数在2.8～3.2。
通过采用上述技术方案，砂子的细度模数大于3.2，砂子为粗砂，会降低混凝土的密实性；细度模数小于2.8，砂子过细，会影响混凝土凝结后的强度，若需要达到同样混凝土强度条件下会使水泥用量增加，从而增大混凝土的成本。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述碎石的粒径在5～31.5mm。
通过采用上述技术方案，碎石粒径过大，搅拌时碎石容易沉降，不易在混凝土中搅拌均匀，导致混凝土质量不均，影响混凝土性能；碎石粒径小于5mm，会降低混凝土的强度。
本发明的上述发明目的二是通过以下技术方案得以实现的：一种绿色高性能混凝土的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、按照配方量称取各物质，将水泥、砂子、碎石、矿物掺合料、增粘剂和配方量一半的水混合均匀；
步骤2、将钢纤维、聚丙烯纤维、减水剂和剩余的水混合后，搅拌10～15min，再超声20～30min，超声结束加入到步骤1中继续搅拌均匀，即得混凝土。
通过采用上述技术方案，钢纤维和聚丙烯纤维的长径比均较大，同时分子间又具有较强的范德华力，因此极易相互缠绕在一起，将钢纤维、聚丙烯纤维、减水剂和水经过机械搅拌再超声处理后，钢纤维和聚丙烯纤维在混凝土中能够均匀分散，保证混凝土的性能。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
1.钢纤维和聚丙烯纤维在搅拌过程中均匀分布在混凝土中，相互缠绕形成众多乱向分布的纤维骨架支撑体系，这种体系能够减少混凝土泌水，防止加入的碎石、矿物掺合料下沉，减少混凝土的原始缺陷，从而提高混凝土的均质性，降低混凝土内部应力梯度，防止混凝土凝固后早期裂缝的形成。另外掺杂了钢纤维的混凝土具有更好的热传导性，减小混凝土内部的温度梯度，降低温度应力；聚丙烯纤维具有质量轻、强度高、弹性好、耐磨、耐腐蚀的特点，能够提高混凝土的物理机械性能，废旧的聚丙烯塑料通过纺丝制备成聚丙烯纤维加入到混凝土中，实现聚丙烯废弃塑料的再利用；
2.矿物掺合料能够改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土的密实性、抗渗性及耐化学腐蚀性等；
3.钢纤维和聚丙烯纤维的长径比均较大，同时分子间又具有较强的范德华力，因此极易相互缠绕在一起，将钢纤维、聚丙烯纤维、减水剂和水经过机械搅拌再超声处理后，钢纤维和聚丙烯纤维在混凝土中能够均匀分散，保证混凝土的性能。
附图说明
图1是本发明的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步详细说明。
实施例1
表1为实施例1一种绿色高性能混凝土的各组分及质量
Figure BDA0002319876110000041
Figure BDA0002319876110000051
其中砂子的细度模数在2.8，碎石的粒径在5～10mm，其中聚丙烯纤维的制备步骤如下：1)预处理：将废弃的聚丙烯清理干净并粉碎成颗粒；2)纺丝：然后将粉碎的聚丙烯加入到螺杆挤出机中熔融、纺丝，纺丝温度控制在110℃；3)拉伸：经过步骤2)纺丝的聚丙烯纤维在120℃下拉伸；4)定型：定型温度控制在120℃；5)剪切：剪切聚丙烯纤维，长度控制在15mm。
该绿色高性能混凝土的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、按照配方量称取各物质，将水泥、砂子、碎石、矿物掺合料、增粘剂和配方量一半的水混合均匀；
步骤2、将钢纤维、聚丙烯纤维、减水剂和剩余的水混合后，搅拌10min，再超声20min，超声结束加入到步骤1中继续搅拌均匀，即得混凝土。
实施例2
表2为实施例2一种绿色高性能混凝土的各组分及质量
组分 质量(kg) 组分 质量(kg)
水泥 280 膨润土 6
砂子 800 水 180
碎石 1050 钢纤维 45
矿渣粉 200 聚丙烯纤维 75
木质素磺酸钠 7
其中砂子的细度模数在3.2，碎石的粒径在20～31.5mm，其中聚丙烯纤维的制备步骤如下：1)预处理：将废弃的聚丙烯清理干净并粉碎成颗粒；2)纺丝：然后将粉碎的聚丙烯加入到螺杆挤出机中熔融、纺丝，纺丝温度控制在120℃；3)拉伸：经过步骤2)纺丝的聚丙烯纤维在140℃下拉伸；4)定型：定型温度控制在130℃；5)剪切：剪切聚丙烯纤维，长度控制在25mm。
该绿色高性能混凝土的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、按照配方量称取各物质，将水泥、砂子、碎石、矿物掺合料、增粘剂和配方量一半的水混合均匀；
步骤2、将钢纤维、聚丙烯纤维、减水剂和剩余的水混合后，搅拌15min，再超声30min，超声结束加入到步骤1中继续搅拌均匀，即得混凝土。
实施例3
表3为实施例3一种绿色高性能混凝土的各组分及质量
组分 质量(kg) 组分 质量(kg)
水泥 300 聚丙烯酰胺 7
砂子 860 水 160
碎石 1075 钢纤维 50
硅灰 230 聚丙烯纤维 72
聚羧酸类减水剂 8
其中砂子的细度模数在3.0，碎石的粒径在10～20mm，其中聚丙烯纤维的制备步骤如下：1)预处理：将废弃的聚丙烯清理干净并粉碎成颗粒；2)纺丝：然后将粉碎的聚丙烯加入到螺杆挤出机中熔融、纺丝，纺丝温度控制在120℃；3)拉伸：经过步骤2)纺丝的聚丙烯纤维在130℃下拉伸；4)定型：定型温度控制在130℃；5)剪切：剪切聚丙烯纤维，长度控制在20mm。
实施例4
表4为实施例4一种绿色高性能混凝土的各组分及质量
组分 质量(kg) 组分 质量(kg)
水泥 260 纤维素醚 4
砂子 850 膨润土 3
碎石 1060 水 150
粉煤灰 100 钢纤维 50
矿渣粉 100 聚丙烯纤维 71
木质素磺酸钠 6
其中砂子的细度模数在3.0，碎石的粒径在10～20mm，其中聚丙烯纤维的制备步骤同实施例3。
该绿色高性能混凝土的制备方法，同实施例2。
实施例5
表5为实施例5一种绿色高性能混凝土的各组分及质量
组分 质量(kg) 组分 质量(kg)
水泥 250 纤维素醚 1
砂子 840 膨润土 2
碎石 1070 聚丙烯酰胺 3
粉煤灰 50 水 170
矿渣粉 60 钢纤维 40
硅灰 90 聚丙烯纤维 74
聚羧酸类减水剂 8
其中砂子的细度模数在3.0，碎石的粒径在10～20mm，该聚丙烯纤维的制备步骤同实施例3。
该绿色高性能混凝土的制备方法，同实施例2。
实施例6
表6为实施例6一种绿色高性能混凝土的各组分及质量
组分 质量(kg) 组分 质量(kg)
水泥 270 纤维素醚 2
砂子 835 膨润土 3
碎石 1080 聚丙烯酰胺 2
粉煤灰 80 水 160
矿渣粉 70 钢纤维 45
硅灰 60 聚丙烯纤维 73
聚羧酸类减水剂 7
其中砂子的细度模数在3.0，碎石的粒径在10～20mm，该聚丙烯纤维的制备步骤同实施例3。
该绿色高性能混凝土的制备方法，同实施例2。
对比例1
一种绿色高性能混凝土，与实施例6的区别在于，不包括钢纤维，其它同实施例6。
对比例2
一种绿色高性能混凝土，与实施例6的区别在于，不包括聚丙烯纤维，其它同实施例6。
对比例3
一种绿色高性能混凝土，与实施例6的区别在于，不包括钢纤维和聚丙烯纤维，其它同实施例6。
对比例4
一种绿色高性能混凝土，与实施例6的区别在于，钢纤维的加入量为35kg，其它同实施例6。
对比例5
一种绿色高性能混凝土，与实施例6的区别在于，钢纤维的加入量为55kg，其它同实施例6。
对比例6
一种绿色高性能混凝土，与实施例6的区别在于，聚丙烯纤维的加入量为65kg，其它同实施例6。
对比例7
一种绿色高性能混凝土，与实施例6的区别在于，聚丙烯纤维的加入量为80kg，其它同实施例6。
性能测试：实施例与对比例制备的绿色高性能混凝土参照JGJ/T221-2010《纤维混凝土应用技术规程》、GB/T50081-2012《普通混凝土力学性能试验方法标准》制备混凝土试件并进行测试，混凝土试件尺寸为100mm×100mm×100mm。
表7为实施例和对比例的性能测试结果
Figure BDA0002319876110000081
根据实施例6和对比例1～对比例3比较说明，加入钢纤维和聚丙烯纤维对混凝土的抗压强度和抗折强度均有提高，钢纤维与聚丙烯纤维在配合使用时的效果优于单独使用。实施例6与对比例4～对比例7比较说明，随着钢纤维和聚丙烯纤维加入量的增多，混凝土力学性能先增大然后降低，加入量过多导致钢纤维和聚丙烯纤维缠绕在混凝土中不易分散均匀。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，并非对本发明的限制，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 (8)

1.一种绿色高性能混凝土，其特征在于：按照质量份数计，具体包括如下组分：水泥240～300份、砂子800～860份、碎石1050～1100份、矿物掺合料150～230份、减水剂6～8份、增粘剂5～7份、水140～180份、钢纤维40～50份以及聚丙烯纤维70～75份，所述聚丙烯纤维的制备步骤如下：1）预处理：将废弃的聚丙烯清理干净并粉碎成颗粒；2）纺丝：然后将粉碎的聚丙烯加入到螺杆挤出机中熔融、纺丝，纺丝温度控制在110～120℃；3）拉伸：经过步骤2）纺丝的聚丙烯纤维在120～140℃条件下拉伸；4）定型：定型温度控制在120～130℃；5）剪切：剪切聚丙烯纤维，长度控制在15～25mm。
2.根据权利要求1所述的一种绿色高性能混凝土，其特征在于：所述矿物掺合料至少包括粉煤灰、矿渣粉、硅灰中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种绿色高性能混凝土，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸类或木质素磺酸盐类。
4.根据权利要求1所述的一种绿色高性能混凝土，其特征在于：所述增粘剂至少包括纤维素醚、膨润土、聚丙烯酰胺中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种绿色高性能混凝土，其特征在于：所述钢纤维与所述聚丙烯纤维的质量比为1：1.8。
6.根据权利要求1所述的一种绿色高性能混凝土，其特征在于：所述砂子的细度模数在2.8～3.2。
7.根据权利要求1所述的一种绿色高性能混凝土，其特征在于：所述碎石的粒径在5～31.5mm。
8.一种根据权利要求1～7任一项所述的绿色高性能混凝土及其制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1、按照配方量称取各物质，将水泥、砂子、碎石、矿物掺合料、增粘剂和配方量一半的水混合均匀；
步骤2、将钢纤维、聚丙烯纤维、减水剂和剩余的水混合后，搅拌10～15min，再超声20～30min，超声结束加入到步骤1中继续搅拌均匀，即得混凝土。
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