CN112279598B - 一种抗裂混凝土拌合物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及混凝土技术领域，尤其是涉及一种抗裂混凝土拌合物及其制备方法，抗裂混凝土拌合物包括如下重量份数的组分：水泥200‑300份；砂子800‑900份；细石900‑1200份；水200‑300份；硅灰200‑300份；减水剂5‑7份；石墨烯改性聚丙烯纤维30‑50份。其制备步骤包括：S1，将水泥、砂子、细石、硅粉和石墨烯改性聚丙烯纤维充分混合，形成混合物；S2，将减水剂加入水中，形成混合液；S3，将混合液加入到混合物中，持续搅拌混合，即得抗裂混凝土拌合物。本申请制备的抗裂混凝土具有良好的抗裂能力。

Description

一种抗裂混凝土拌合物及其制备方法

技术领域

本申请涉及混凝土技术领域，尤其是涉及一种抗裂混凝土拌合物及其制备方法。

背景技术

混凝土指以水泥为主要胶凝材料，与水、砂、石子，必要时掺入化学外加剂和矿物掺合料，按适当比例配合，经过均匀搅拌、密实成型及养护硬化而成的人造石材。混凝土具有原材料丰富，成本低，生产工艺简单的特点，同时，混凝土还具有良好的可塑性和较高的强度，因此混凝土的应用日益广泛。混凝土各组成材料按一定比例配合，拌制而成的尚未凝结硬化的塑性状态拌合物，称为混凝土拌合物，也称为新拌混凝土。

任何混凝土结构物主要都是用于承受荷载或抵抗各种作用力，强度是混凝土最重要的力学性能。但是，在混凝土的使用过程中，混凝土容易发生开裂的现象，严重影响正常使用。

发明内容

为了提高混凝土的抗裂能力，本申请提供一种抗裂混凝土拌合物及其制备方法。

第一方面，本申请提供的一种抗裂混凝土拌合物，采用如下的技术方案：

一种抗裂混凝土拌合物，包括如下重量份数的组分：

水泥200-300份；

砂子800-900份；

细石900-1200份；

水200-300份；

硅灰200-300份；

减水剂5-7份；

石墨烯改性聚丙烯纤维30-50份。

通过采用上述技术方案，水泥作为主要粘结剂，将砂、石等材料牢固粘接在一起，其中砂子为细骨料，细石为粗骨料。硅灰可增强混凝土的密实性和耐磨性，提高混凝土的耐磨性能力，增加混凝土的韧性，并且硅灰的尺寸较小，具有很好的填充效应，可以填充在水泥颗粒空隙之间，提高混凝土强度和耐久性，同时与水化产物生成凝胶体具有保水、防止离析的作用。加入的石墨烯改性聚丙烯纤维主要改善水泥砂浆干缩变形大、抗渗性差的缺陷，直接掺入到水泥基材料中，提高混凝土的抗裂和抗冲击性能。将聚丙烯树脂作为主要基料，利用石墨烯对其进行改性，从而增加纤维的韧性和强度等力学性能，应用到混凝土中后，分散性好，与水泥基之间的粘接强度大。

优选的，所述石墨烯改性聚丙烯纤维由如下制备步骤获得：

a，将聚丙烯树脂、石墨烯、十八烷基异氰酸酯、聚乙烯吡咯烷酮投入到球磨机中进行球磨，球磨后加入到双螺杆挤出机中，挤出、切粒得到母料；

b，采用两台螺杆挤出机对母料和聚甲醛分别进行熔融处理，然后采用复合喷丝机进行挤出喷丝，后处理，即得石墨烯改性聚丙烯纤维。

通过采用上述技术方案，在使用石墨烯对聚丙烯树脂进行改性时，加入十八烷基异氰酸酯和聚乙烯吡咯烷酮对石墨烯进行功能化改性，以改善石墨烯在聚合物基体中不易分散的缺陷，十八烷基异氰酸酯主要提高石墨烯在聚丙烯树脂中的分散性和粘结性，而聚乙烯吡咯烷酮具有高分散性和亲水性，既能提高石墨烯在聚丙烯树脂中的分散均匀性，在共混造粒后，又能提高纤维成品的亲水性，在水化反应时，优化纤维与水泥基材料的界面粘接性能。

优选的，所述聚丙烯树脂、石墨烯、十八烷基异氰酸酯和聚乙烯吡咯烷酮的重量比为1:(0.01-0.05):(5-10):(0.02-0.1)。

通过采用上述技术方案，使聚丙烯树脂、石墨烯、十八烷基异氰酸酯和聚乙烯吡咯烷酮的重量比为最优配比，使石墨烯改性聚丙烯纤维的效果达到最好。

优选的，所述球磨机转速为280-350rpm，球磨时间为2-4h，螺杆转速为30-35rpm。

通过采用上述技术方案，在熔融共挤出之前，先对聚丙烯和石墨烯进行球磨处理，并采用上述球磨转速和球磨时间，得到的复合材料分散均匀性好，得到的改性聚丙烯纤维的抗拉强度等性能优异。

优选的，所述石墨烯改性聚丙烯纤维的成品直径为1-1.5mm。

通过采用上述技术方案，将成品纤维的直径控制在1-1.5mm之间，一方面利用聚丙烯纤维各组分原料的不同性能，使其作用互补，得到的纤维使用效果好，另一方面可提高聚丙烯纤维在混凝土中的分散性和粘结性能。

优选的，所述砂子采用Ⅱ区天然中砂，细度模数为2.5，含泥量＜1.0％，所述细石采用粒径为5-20mm连续级配的碎石。

通过采用上述技术方案，砂子为Ⅱ区天然中砂，细石为5-20mm连续级配，不同粒径的砂子和碎石可以堆积形成密实填充的搭接骨架，减少混凝土的孔隙率，提高混凝土的强度，从而提高混凝土的抗渗性能。同时，增强混凝土的和易性。

优选的，所述减水剂由包括马来海松酸酐和马来酸酐型羧酸减水剂按照重量比1:1组成。

通过采用上述技术方案，该减水剂中含有大量的羧基，对水泥有很好的分散作用，水泥在水中分散更加均匀，减少水的用量。

第二方面，本申请提供上述抗裂混凝土拌合物的制备方法，包括以下步骤：

S1，将水泥、砂子、细石、硅粉和石墨烯改性聚丙烯纤维充分混合，形成混合物；

S2，将减水剂加入水中，形成混合液；

S3，将混合液加入到混合物中，持续搅拌混合，即得抗裂混凝土拌合物。

通过采用上述技术方案，分多个步骤混合原料，有助于提高各个原料在抗裂混凝土中的分散性，提高混凝土的抗裂性能。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.本申请通过加入石墨烯改性聚丙烯纤维，改善了水泥砂浆干缩变形大、抗渗性差的缺陷，直接掺入到水泥基材料中，提高混凝土的抗裂性能、抗冲击性能；

2.本申请通过石墨烯对聚丙烯树脂进行改性，加入的十八烷基异氰酸酯提高了石墨烯在聚丙烯树脂中的分散性和粘结性，而聚乙烯吡咯烷酮具有高分散性和亲水性，提高了石墨烯在聚丙烯树脂中的分散均匀性，在共混造粒后，又能提高纤维成品的亲水性，在水化反应时，优化纤维与水泥基材料的界面粘接性能；

3.本申请通过将聚丙烯树脂、石墨烯、十八烷基异氰酸酯和聚乙烯吡咯烷酮的重量比控制在 1:(0.01-0.05):(5-10):(0.02-0.1)，提高了石墨烯改性后的聚丙烯纤维的韧性 和强度等力学特性，同时，在应用到混凝土中后，分散性好，与水泥基之间的粘结强度大。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例中水泥均采用普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5；

砂子均采用II区天然中砂，细度模数为2.5，含泥量＜1.0％，作为细骨料；

细石均采用粒径为5-20mm连续级配的碎石，作为粗骨料；

减水剂均由马来海松酸酐和马来酸酐型羧酸减水剂按照重量比1:1组成；

实施例

实施例1：一种抗裂混凝土拌合物，各组分及其相应的重量份数如表1所示，并通过如下步骤制备获得：

S1，将水泥、砂子、细石、硅粉和石墨烯改性聚丙烯纤维充分混合，形成混合物；

S2，将减水剂加入水中，形成混合液；

S3，将混合液加入到混合物中，持续搅拌混合，即得抗裂混凝土拌合物。

其中石墨烯改性聚丙烯纤维采用如下步骤制备获得：

a，将聚丙烯树脂、石墨烯、十八烷基异氰酸酯、聚乙烯吡咯烷酮按照1:0.01:5:0.02的重量比投入到球磨机中，在280rpm的转速下，进行球磨2h，球磨后加入到双螺杆挤出机中，从加料口到机头的5段温度依次设定为160℃，175℃，180℃，180℃，180℃，螺杆转速为 200rpm，喂料转速恒定为40rpm，挤出、切粒得到母料；

b，采用两台螺杆挤出机对母料和聚甲醛分别进行熔融处理，螺杆转速为30rpm，然后采用复合喷丝机进行挤出喷丝，熔体丝条经冷却、上油、牵伸、定型、卷绕后，冷却温度设定为 20℃，牵引温度设定为80℃，定型温度设定为120℃，牵伸倍数为6.2倍，卷绕速度为260rpm，即得石墨烯改性聚丙烯纤维，所得石墨烯改性聚丙烯纤维的成品直径为1-1.5mm。

实施例2-6：一种抗裂混凝土拌合物，与实施例1的不同之处在于，各组分及其相应的重量份数如表1所示。

表1实施例1-6中各组分及其重量(kg)

实施例7：一种抗裂混凝土拌合物，与实施例4的不同之处在于，制备石墨烯改性聚丙烯纤维时，聚丙烯树脂、石墨烯、十八烷基异氰酸酯和聚乙烯吡咯烷酮的重量比控制在1:0.05:10:0.1。

实施例8：一种抗裂混凝土拌合物，与实施例4的不同之处在于，球磨机转速设定为350rpm，球磨时间设定为4h。

实施例9：一种抗裂混凝土拌合物，与实施例4的不同之处在于，双螺杆挤出机从加料口到机头的5段温度依次设定为180℃，195℃，200℃，200℃，200℃，螺杆转速为 600rpm。

实施例10：一种抗裂混凝土拌合物，与实施例4的不同之处在于，螺杆转速为35rpm。

对比例

对比例1：一种抗裂混凝土拌合物，与实施例4的不同之处在于，不加入石墨烯改性聚丙烯纤维。

对比例2：一种抗裂混凝土拌合物，与实施例4的不同之处在于，加入石墨烯改性聚丙烯纤维为20kg。

对比例3：一种抗裂混凝土拌合物，与实施例4的不同之处在于，加入石墨烯改性聚丙烯纤维为60kg。

对比例4：一种抗裂混凝土拌合物，与实施例4的不同之处在于，制备石墨烯改性聚丙烯纤维时，没有加入十八烷基异氰酸酯。

对比例5：一种抗裂混凝土拌合物，与实施例4的不同之处在于，制备石墨烯改性聚丙烯纤维时，没有加入聚乙烯吡咯烷酮。

对比例6：一种抗裂混凝土拌合物，与实施例4的不同之处在于，制备石墨烯改性聚丙烯纤维时，十八烷基异氰酸酯和聚乙烯吡咯烷酮均没有加入。

对比例7：一种抗裂混凝土拌合物，与实施例4的不同之处在于，制备石墨烯改性聚丙烯纤维时，聚丙烯树脂、石墨烯、十八烷基异氰酸酯和聚乙烯吡咯烷酮的重量比控制在1:0.07:12:0.15。

对比例8：一种抗裂混凝土拌合物，与实施例4的不同之处在于，制备石墨烯改性聚丙烯纤维时，聚丙烯树脂、石墨烯、十八烷基异氰酸酯和聚乙烯吡咯烷酮的重量比控制在1:0.008:4:0.015。

性能测试

分别取实施例1-10和对比例1-8制得的混凝土作为测试对象，测试其抗压强度，劈裂抗拉强度以及观察每组样品是否产生裂缝，并记录裂缝的长度。其中，抗压强度按照GB/T50081-2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，测试样品选用规格为150 ×150×150mm的立方体标准试件，每个实施例或对比例制得的抗裂混凝土均取三个试件进行抗压强度测试。

测试前，试件应在温度为20±2℃、湿度为95％以上的标准养护室内养护，养护到28d龄期，测量试件的抗压强度。

所用仪器设备为压力试验机(或万能试验机)、钢直尺(精确至1mm)。

具体测试步骤如下：

取样：试件到达试验龄期时，从养护地点取出后，及时进行试验；

擦拭：试件放置试验机前，将试件上、下承压板面擦拭干净；

摆放：以试件成型时的侧面为承压面，将试件安放在试验机的下压板或垫板上，试件的中心应与试验机下压板中心对准；

测试：启动试验机，试件表面上、下承压板或钢垫板应均匀接触，试验过程中应匀速加荷，加荷速度取0.3MPa/s-1.0MPa/s，当试件接近破坏而开始迅速变形时，停止调整试验机油门，直至破坏，记录破坏载荷P。

混凝土立方体试件抗压强度按下式计算：

f_cc＝F/A

式中：f_cc——混凝土立方体样品抗压强度(MPa)，计算结果应精确至0.1MPa；

F——试件破坏载荷(N)；

A——试件承压面积(mm²)。

立方体试件抗压强度值的确定应符合下列规定：

(1)取3个试件测值的算术平均值作为该组试件的强度值，应精确至0.1Mpa；

(2)当3个测值中的最大值或最小值中有一个与中间值的差值超过中间值的15％时，则应把最大及最小值剔除，取中间值作为该组试件的抗压强度值；

(3)当最大值和最小值与中间值的差值均超过中间值的15％时，该组试件的试验结果无效。

测试结果计入下列表2中。

由表2中测试数据可以看出：

实施例1-10制得的抗裂混凝土在养护28天后的各组试件均无裂缝产生，抗压强度均高于 44.6MPa，劈裂抗拉强度均高于3.66Mpa，其中实施例7和实施例9为最优实施例；

对比例1中由于未加入石墨烯改性聚丙烯纤维，测试后出现长度为4.8cm裂缝；

对比例2和对比例3中加入的石墨烯改性聚丙烯纤维分别为20份和60份，虽无裂缝出现，但是强度具有轻微下降；

对比例4中在制备石墨烯改性聚丙烯纤维时未加入十八烷基异氰酸酯，使石墨烯在聚丙烯树脂中的分散性较弱，测试后出现长度为3.0cm裂缝；

对比例5中在制备石墨烯改性聚丙烯纤维时未加入聚乙烯吡咯烷酮，测试后出现长度为 3.1cm裂缝；

对比例6中在制备石墨烯改性聚丙烯纤维时十八烷基异氰酸酯和聚乙烯吡咯烷酮均未加入，测试后出现长度为4.1cm裂缝；

对比例7和对比例8中在制备制备石墨烯改性聚丙烯纤维时，聚丙烯树脂、石墨烯、十八烷基异氰酸酯和聚乙烯吡咯烷酮的重量比分别控制在1:0.07:12:0.15和1:0.008:4:0.015，虽无裂缝出现，但是强度具有轻微下降。

表2性能测试结果

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种抗裂混凝土拌合物，其特征在于，包括如下重量份数的组分：

水泥 200-300份；

砂子 800-900份；

细石 900-1200份；

水 200-300份；

硅灰 200-300份；

减水剂 5-7份；

石墨烯改性聚丙烯纤维 30-50份；

所述石墨烯改性聚丙烯纤维由如下制备步骤获得：

a，将聚丙烯树脂、石墨烯、十八烷基异氰酸酯、聚乙烯吡咯烷酮投入到球磨机中进行球磨，球磨后加入到双螺杆挤出机中，挤出、切粒得到母料；

b，采用两台螺杆挤出机对母料和聚甲醛分别进行熔融处理，然后采用复合喷丝机进行挤出喷丝，后处理，即得石墨烯改性聚丙烯纤维；

所述聚丙烯树脂、石墨烯、十八烷基异氰酸酯和聚乙烯吡咯烷酮的重量比为1:(0.01-0.05):(5-10):(0.02-0.1)。

2.根据权利要求1所述的抗裂混凝土拌合物，其特征在于，所述球磨机转速为280-350rpm，球磨时间为2-4h，螺杆转速为30-35rpm。

3.根据权利要求1所述的抗裂混凝土拌合物，其特征在于，所述石墨烯改性聚丙烯纤维的成品直径为1-1.5mm。

4.根据权利要求1所述的抗裂混凝土拌合物，其特征在于，所述砂子采用Ⅱ区天然中砂，细度模数为2.5，含泥量＜1.0%，所述细石采用粒径为5-20mm连续级配的碎石。

5.根据权利要求1所述的抗裂混凝土拌合物，其特征在于，所述减水剂由包括马来海松酸酐和马来酸酐型羧酸减水剂按照重量比1:1组成。

6.权利要求1-5任一所述的抗裂混凝土拌合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将水泥、砂子、细石、硅粉和石墨烯改性聚丙烯纤维充分混合，形成混合物；

S2，将减水剂加入水中，形成混合液；

S3，将混合液加入到混合物中，持续搅拌混合，即得抗裂混凝土拌合物。