CN112694299A - 一种高原环境用高抗裂混凝土及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高原环境用高抗裂混凝土及制备方法，以有效改善混凝土的抗裂性与抗冻性，而且强度高、工作性良好，能适应高原环境下轨道结构或其余高抗裂要求混凝土建筑结构的需要。其按重量份的组分为：水泥300‑350份；矿物掺合料40～90份；细骨料600‑800份；粗骨料1000～1200份；膨胀剂10‑25份；内养护剂0.05‑0.15份；橡胶粒10‑15份；乳化石蜡5‑10份；抗裂纤维0.5‑1.5份；引气剂0.005‑0.01份；缓凝剂0.05份；减水剂2～5份；水130份。

Description

一种高原环境用高抗裂混凝土及制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种高原环境用高抗裂混凝土及制备方法。

背景技术

高原地区具有低温、低气压、大温差、多风、日照辐射强、区域差异与垂直变化大等环境特点，使得高原地区的现浇轨道结构早期开裂严重。一旦初始裂缝产生，在列车荷载与高原环境作用下，轨道板裂缝极易扩展，这使得混凝土保护层对钢筋保护的失效进程加速，环境中空气、水分以及有害离子可以超预期地渗透至钢筋表面，进而引发钢筋锈蚀，最终影响到轨道结构的耐久性和使用寿命，危及行车安全。因此，如何根据高原环境特性选择合适的混凝土原材料与抗裂提升技术，配制高抗裂且工作性良好、强度高以及高耐久性的混凝土是目前急需解决的的问题。

在申请号为201910556447.X的发明专利申请说明书公开中了一种高原抗渗混凝土材料及其制备方法，采用石蜡、烷基醇聚醚硫酸盐KS-360、羧甲基纤维素钙及卡拉胶配制了一种抗渗乳液，使得高原混凝土抗渗透性能大大增加，但其抗裂效果未知。在申请号为201810713501.2的发明专利申请说明书公开中了一种低成本替代资源高抗裂混凝土及其配制方法，采用机制砂、尾矿砂和钙质矿物掺合料，在解决天然河砂匮乏的前提下有效地提升了混凝土的抗裂性、粘聚性与保水性，但该发明主要针对普通环境下的混凝土，对高原环境混凝土的抗裂性能提升效果未知。在申请号为201410594471.X的发明专利申请说明书公开中了一种适用于严酷环境的高抗裂混凝土及其施工方法，采用高吸水树脂、纤维素醚和无机减缩剂组成的内养护剂与喷涂快速成膜型外养护剂控制混凝土的开裂，但其复杂的“之”型施工工艺难以在实际工程中得到满足，采用圆环法评估其制备混凝土的抗裂性欠妥，且缺乏混凝土其余耐久性数据，难以推广应用。此外，在申请号为202010204092.0、201810976616.0、201810524314.X和201210593947.9的发明专利申请说明书公开中了一种抗裂混凝土及其制备方法，采用添加具有保湿作用的内养护成分与增强纤维提升混凝土的强度与抗裂性，但该发明主要针对普通环境下的混凝土，对高原环境混凝土的抗裂性能提升效果未知，且缺乏工作性能与其余耐久性数据，难以应用于高原环境。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高原环境用高抗裂混凝土，以有效改善混凝土的抗裂性与抗冻性，而且强度高、工作性良好，能适应高原环境下轨道结构或其余高抗裂要求混凝土建筑结构的需要。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

本发明的一种高原环境用高抗裂混凝土，由水泥、矿物掺和料、细骨料、粗骨料、膨胀剂、内养护剂、橡胶粒、乳化石蜡、抗裂纤维、外养护剂、引气剂、缓凝剂、减水剂和水组成，其按重量份的组分为：

水泥300-350份；

矿物掺合料40～90份；

细骨料600-800份；

粗骨料1000～1200份；

膨胀剂10-25份；

内养护剂0.05-0.15份；

橡胶粒10-15份；

乳化石蜡5-10份；

抗裂纤维0.5-1.5份；

引气剂0.005-0.01份；

缓凝剂0.05份；

减水剂2～5份；

水130份。

进一步地，所述水泥为普通硅酸盐水泥或低热水泥；所述矿物掺合料为粉煤灰、矿粉；所述矿粉为S105型和S95型中的一种；所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，45μm方孔筛筛余的细度不大于12％，需水量比不大于95％。

进一步地，所述细骨料为河沙或机制砂，其细度模数为2.0～3.0，粒径不大于5mm；当所述砂为河砂时，其含泥量不大于5％；当所述砂为机制砂时，所述机制砂中的石粉含量在12％以内；所述粗骨料为粒径5-20mm的连续级配碎石，石子种类为石灰岩或玄武岩，其中10～16mm粒径部分不少于20％，含泥量不大于2％。

进一步地，所述膨胀剂为硫铝酸钙型混凝土膨胀剂；所述内养护剂为高分子吸水树脂。

进一步地，所述橡胶粒为废旧轮胎橡胶粒，细度为40目，密度为1.116g/cm³；所述抗裂纤维为玄武岩纤维和聚丙烯纤维。

进一步地，所述乳化石蜡为普通石蜡经超声乳化制得，固含量：40％；PH值：7-9；粘附系数降低率大于50％。

进一步地，所述引气剂为松香树脂类、烷基类、脂肪醇磺酸盐类的一种或其混合物，含气量％≥3％，减水率≥6％。

进一步地，所述缓凝剂为葡萄糖酸钠、蔗糖、柠檬酸一种或其混合物。

进一步地，所述减水剂采用聚羧酸高效减水剂，其减水率≥30％，固含量≥20％，坍落度保持时间≥2小时。

本发明所要解决的另一技术问题是提供上述一种高原环境用高抗裂混凝土的制备方法，该该当包括如下步骤：

S01、将所述内养护剂与部分水先混合，使内养护剂吸饱水，配制成混合液A；

S02、将所述引气剂、减水剂、乳化石蜡与剩余水充分混合，配制成混合液B；

S03、将所述水泥、矿物掺和料、细骨料、粗骨料、膨胀剂、橡胶粒、与抗裂纤维加入强制式搅拌机，搅拌1分钟，混合均匀；

S04、加入步骤S01、S02中制备的混合液A和B，搅拌2min制得高抗裂混凝土。

本发明具有以下有益效果主要体现在如下方面：

一、保湿减缩。硫铝酸钙型膨胀剂与水混合后在混凝土中能产生适度的体积膨胀，抵消混凝土的干缩、化学减缩产生的拉应力，补偿体积收缩。同时生成的钙矾石结晶体不断生长，填充混凝土胶体结合处的毛细孔隙，改善混凝土内部孔结构，提高混凝土的密实度，使外界的介质不易侵蚀到内部，提高混凝土的抗渗性能。掺入预吸水高分子吸水树脂会在混凝土中引入一种自膨胀变形，从而大幅抵消了化学减缩,有时甚至出现自膨胀现象；在混凝土内部相对湿度下降阶段,加入高分子吸水树脂可以显著延缓混凝土内部相对湿度的降低，从而减缓了临界孔径的下降趋势,大大减小同龄期混凝土内部毛细孔负压与收缩应力值，从源头上减小自收缩产生的驱动力；

二、纤维增韧。增韧纤维的使用大大提升了混凝土的抗拉强度，进而提升其抗裂性能，但试验表明纤维掺入对混凝土工作性能具有不利影响。但本发明采用的高效减水剂与引气剂的复配使用可弥补纤维对混凝土工作性能的削弱。普通缓凝剂与内养护剂复配使用的工艺最大限度地提升混凝土的工作性；混凝土硬化过程中，高吸水性树脂包裹的葡萄糖、葡萄糖酸钠、蔗糖、柠檬酸等缓凝剂得以缓慢释放，延长了混凝土的初凝时间，大大提升混凝土的保坍性。减水剂与引气剂先复配后掺入的工艺可减小水泥、粉煤灰等微集料对其的吸附作用。

三、相变材料控温。石蜡属于良好的相变材料，通过乳化减小固体颗粒直径，并使其能够稳定均匀地分散于混凝土内部。高原地区昼夜温差大，石蜡在白天强烈的日照下大量吸热，由固态转为熔融态，避免混凝土产生过大的温度梯度，防止温度裂缝的产生；且熔融态的石蜡还能封笔内部毛细管通道，起到很好的抗渗透作用；当环境温度降低时，石蜡则释放大量热量，由熔融态转为固态，防止混凝土因大温差导致的收缩裂缝。

四、孔径分布调控。混凝土引气剂可引入20μm的小气泡，这对混凝土的抗冻融性能的提升非常明显，而且气泡可减小混凝土的各组分间粘附力，类似于微集料的滚珠效应，可提升混凝土的工作性能。橡胶颗粒作为有机弹性体，其填充效应可以增加混凝土的密实度，但当混凝土内部产生因环境因素引起的体积变形时，其又可以充当“缓冲阀”缓冲内应力，限制内应力产生以及微小裂缝的扩展和延伸，从而改善混凝土的抗裂性与抗冻性。

附图说明

图1是实施例1中室外足尺试验轨道板混凝土28d的裂纹发展情况；

图2是实施例2中室外足尺试验轨道板混凝土28d的裂纹发展情况；

图3是实施例3中室外足尺试验轨道板混凝土28d的裂纹发展情况；

图4是实施例4中室外足尺试验轨道板混凝土28d的裂纹发展情况；

图5是对比例1中室外足尺试验轨道板混凝土28d的裂纹发展情况；

图6是对比例2中室外足尺试验轨道板混凝土28d的裂纹发展情况；

图7是对比例3中室外足尺试验轨道板混凝土28d的裂纹发展情况；

图8是对比例4中室外足尺试验轨道板混凝土28d的裂纹发展情况。

具体实施方式

以下结合实施例进一步阐述本发明的内容，但本发明的内容不仅仅限于以下实施例。

本发明的一种高原环境用高抗裂混凝土，由水泥、矿物掺和料、细骨料、粗骨料、膨胀剂、内养护剂、橡胶粒、乳化石蜡、抗裂纤维、外养护剂、引气剂、缓凝剂、减水剂和水组成，其按重量份的组分为：

水泥300-350份；

矿物掺合料40～90份；

细骨料600-800份；

粗骨料1000～1200份；

膨胀剂10-25份；

内养护剂0.05-0.15份；

橡胶粒10-15份；

乳化石蜡5-10份；

抗裂纤维0.5-1.5份；

引气剂0.005-0.01份；

缓凝剂0.05份；

减水剂2～5份；

水130份。

实施例：本发明一种高原环境用高抗裂混凝土及制备方法如下:

(1)原材料：

所述水泥为“高争”PO42.5普通硅酸盐水泥与“嘉华”PLH42.5低热硅酸盐水泥；

所述矿物掺合料为粉煤灰与矿粉。粉煤灰采用宁夏新汇德工贸有限公司，F类Ⅱ级及以上产品，矿粉采用甘肃立之林建材有限公司生产的火山岩质矿物掺和料。利用矿物掺合料的微集料效应、活性效应与形态效应，改善界面过渡区，提高混凝土的体积稳定性与抗裂性，抑制碱-集料反应与钢筋锈蚀，提高混凝土的耐久性。

所述细骨料为河沙或机制砂，其细度模数为2.0～3.0，连续级配，粒径不大于5mm，产自山南坚阿河砂石场。

所述粗骨料为粒径5-20mm的连续级配碎石，石子种类为石灰岩或玄武岩，产自山南坚阿河砂石场。

所述膨胀剂为山西黄恒科技有限公司生产的硫铝酸钙系列膨胀剂。膨胀剂具有补偿混凝土干缩和密实混凝土、提高混凝土抗渗性的作用，且不含钠盐，不会引起混凝土碱骨料反应，耐久性良好，膨胀性能稳定，强度持续上升。

所述内养护剂产自北京中金凯技术有限公司，为高分子吸水树脂，含水率≤7％，吸水量≥450g/g。在混凝土内部相对湿度下降阶段,加入高分子吸水树脂可以显著延缓混凝土内部相对湿度的降低，从而减缓了临界孔径的下降趋势,大大减小同龄期混凝土内部毛细孔负压与收缩应力值。

所述橡胶粒为山东临沂启泰橡胶有限公司生产的废旧轮胎橡胶粉，细度为60-100目，密度为1.116g/cm3。橡胶颗粒作为有机弹性体可以充当“缓冲阀”缓冲内应力，限制内应力产生以及微小裂缝的扩展和延伸，从而改善混凝土的抗裂性与抗冻性。

所述乳化石蜡为30％市售普通石蜡、5％市售吐温60型乳化剂与65％去离子水经超声分散所制得，固含量：30％。石蜡属于良好的相变材料，高原地区昼夜温差大，石蜡可避免混凝土产生过大的温度梯度，防止温度裂缝的产生；且熔融态的石蜡还能封笔内部毛细管通道，起到很好的抗渗透作用。

所述抗裂纤维为玄武岩纤维、聚丙烯纤维中的一种或多种。聚丙烯纤维产自四川佳邦汇新材料科技有限公司，抗拉强度450MPa-450MPa，弹性模量3-3.5GPa，延伸率6-12％。玄武岩纤维产自四川炬原玄武岩纤维科技有限公司，抗拉强度3000-3500MPa，弹性模量90-110GPa，延伸率3.2％。玄武岩纤维与聚丙烯纤维经过特殊的纤维生产工艺和纤维表面处理工艺，与水泥基材料结合力强。纤维的乱向性，在混凝土体内形成三维支撑体系,阻止了骨料的下沉,提高混凝土的匀质性，减少水分散失与体积收缩变形量。由于自身抗拉强度较高因此在微裂纹发展过程纤维的拔出会消耗掉一部分能量，抑制了裂缝的进一步发展，提高了混凝土的抗裂性能。

所述引气剂为松香树脂类、烷基类、脂肪醇磺酸盐类的一种或其混合物，产自山西黄恒科技有限公司，含气量％≥3％，减水率≥6％。引气剂在混凝土拌和过程中可引入大量微小气泡，大大提升混凝土的抗冻性能，且对抗裂性能与工作性能的提升也有帮助。

所述缓凝剂为葡萄糖酸钠、蔗糖、柠檬酸一种或其混合物，产自山西黄恒科技有限公司。高原混凝土含气量损失较快，导致混凝土坍落度损失较快，掺入缓凝剂可大大提升混凝土的工作性能。

所述减水剂采用四川昊龙高科轨道交通新材料科技股份有限公司市售聚羧酸减水剂产品，其减水率≥30％，固含量≥20％，坍落度保持时间≥2小时。

所述拌和用水取自雅江水。

(2)制备方法

包括如下步骤：

S01、将所述内养护剂与部分水先混合，使内养护剂吸饱水，配制成混合液A；

S02、将所述引气剂、减水剂、乳化石蜡与剩余水充分混合，配制成混合液B；

S03、将所述水泥、矿物掺和料、细骨料、粗骨料、膨胀剂、橡胶粒、与抗裂纤维加入强制式搅拌机，搅拌1分钟，混合均匀；

S04、加入步骤S01、S02中制备的混合液A和B，搅拌2min制得高抗裂混凝土。

实施例1：

本实施例所述的一种高原环境用高抗裂混凝土由水泥、矿物掺和料、细骨料、粗骨料、膨胀剂、内养护剂、橡胶粉、乳化石蜡、玄武岩纤维、引气剂、缓凝剂、减水剂和水组成。各组分的重量份为：普通水泥300份，矿物掺合料85份，细骨料680份，粗骨料1100份，膨胀剂15份，内养护剂0.05份，橡胶粉10份，乳化石蜡5份，玄武岩纤维0.5份，引气剂：0.005份，缓凝剂0.05份，减水剂3份，水130份。

实施例2：

本实施例所述的一种高原环境用高抗裂混凝土由水泥、矿物掺和料、细骨料、粗骨料、膨胀剂、内养护剂、橡胶粉、乳化石蜡、玄武岩纤维、引气剂、缓凝剂、减水剂和水组成。各组分的重量份为：低热水泥320份，矿物掺合料60份，细骨料770份，粗骨料1000份，膨胀剂20份，内养护剂0.1份，橡胶粉15份，乳化石蜡8份，玄武岩纤维1份，引气剂：0.005份，缓凝剂0.05份，减水剂3份，水130份。

实施例3：

本实施例所述的一种高原环境用高抗裂混凝土由水泥、矿物掺和料、细骨料、粗骨料、膨胀剂、内养护剂、橡胶粉、乳化石蜡、聚丙烯纤维、引气剂、缓凝剂、减水剂和水组成。各组分的重量份为：水泥350份，矿物掺合料40份，细骨料780份，粗骨料1000份，膨胀剂10份，内养护剂0.05份，橡胶粉10份，乳化石蜡10份，聚丙烯纤维1.5份，引气剂：0.005份，缓凝剂0.05份，减水剂5份，水130份。

实施例4：

本实施例所述的一种高原环境用高抗裂混凝土由水泥、矿物掺和料、细骨料、粗骨料、膨胀剂、内养护剂、橡胶粉、乳化石蜡、聚丙烯纤维、引气剂、缓凝剂、减水剂和水组成。各组分的重量份为：水泥300份，矿物掺合料750份，细骨料570份，粗骨料1200份，膨胀剂25份，内养护剂0.1份，橡胶粉15份，乳化石蜡5份，聚丙烯纤维1份，引气剂：0.005份，缓凝剂0.05份，减水剂5份，水130份。

对比例1：与实施例1的不同之处在于，未加入膨胀剂、内养护剂、乳化石蜡、抗裂纤维；

对比例2：与实施例1的不同之处在于，未加入乳化石蜡与抗裂纤维；

对比例3：与实施例1的不同之处在于，未加入膨胀剂与内养护剂；

对比例4：与实施例1的不同之处在于，未加入缓凝剂与引气剂性能测试：

(1)室内混凝土性能测试

室内混凝土性能测试包括：工作性能测试、力学性能测试、抗裂性能测试、抗冻性能与抗氯离子渗透测试。混凝土强度等级为C40，工作性能测试参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准GBT/50080-2016》对本实施例中成型的混凝土试件进行坍落度试验。力学性能测试参照《普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T50081-2016》进行抗压强度试验。抗裂性能测试、抗冻性能与抗氯离子渗透测试参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法GB/T50082-2009》。

(2)室外足尺轨道浇筑试验

为测试本发明所述高抗裂混凝土在高原环境下的抗裂性能，于西藏藏族自治区山南市桑日县一铁路段开展了高抗裂混凝土的现场浇筑试验，轨道板采用本发明所述混凝土，其余部分采用普通混凝土，试验步骤同铁路轨道现场施工，包括座钢筋绑扎、底座混凝土浇筑、道床板钢筋绑扎、混凝土轨道浇筑、轨排安装与粗调、轨道板混凝土浇筑与养护等。

结果分析如以下表1所示：

表1混凝土工作性能、抗裂性能与耐久性试验结果

由实施例1-4可知，本发明所述高抗裂混凝土具有优异的抗裂性能，即使在平板抗裂实验中也几乎不开裂，实施例3轻微开裂的原因可能是由于膨胀剂掺量较少所致。由实施例1与对比例1、2、3可知，膨胀剂、内养护剂、乳化石蜡、抗裂纤维等材料是提高混凝土抗裂性能与抗冻性的重要材料。由实施例1与对比例4可知，缓凝剂与引气剂对高原混凝土的保坍性与抗冻性能至关重要。结合表1数据还可以发现，本发明所述高抗裂混凝土在满足强度要求前提下相比于普通混凝土还具有优异的保坍性，抗冻性与抗氯离子渗透性能。室外足尺实验选择在高原地区，昼夜温差大、风速大、大气湿度低，从图1-8可以看出，本发明所述高抗裂混凝土在浇筑28d后几乎没有裂纹产生，而对照组均产生大量裂纹。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高原环境用高抗裂混凝土，由水泥、矿物掺和料、细骨料、粗骨料、膨胀剂、内养护剂、橡胶粒、乳化石蜡、抗裂纤维、外养护剂、引气剂、缓凝剂、减水剂和水组成，其按重量份的组分为：

水泥300-350份；

矿物掺合料40～90份；

细骨料600-800份；

粗骨料1000～1200份；

膨胀剂10-25份；

内养护剂0.05-0.15份；

橡胶粒10-15份；

乳化石蜡5-10份；

抗裂纤维0.5-1.5份；

引气剂0.005-0.01份；

缓凝剂0.05份；

减水剂2～5份；

水130份。

2.如权利要求1所述一种高原环境用高抗裂混凝土，其特征是：所述水泥为普通硅酸盐水泥或低热水泥；所述矿物掺合料为粉煤灰、矿粉；所述矿粉为S105型和S95型中的一种；所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，45μm方孔筛筛余的细度不大于12％，需水量比不大于95％。

3.如权利要求1所述一种高原环境用高抗裂混凝土，其特征是：所述细骨料为河沙或机制砂，其细度模数为2.0～3.0，粒径不大于5mm；当所述砂为河砂时，其含泥量不大于5％；当所述砂为机制砂时，所述机制砂中的石粉含量在12％以内；所述粗骨料为粒径5-20mm的连续级配碎石，石子种类为石灰岩或玄武岩，其中10～16mm粒径部分不少于20％，含泥量不大于2％。

4.如权利要求1所述一种高原环境用高抗裂混凝土，其特征是：所述膨胀剂为硫铝酸钙型混凝土膨胀剂；所述内养护剂为高分子吸水树脂。

5.如权利要求1所述一种高原环境用高抗裂混凝土，其特征是：所述橡胶粒为废旧轮胎橡胶粒，细度为40目，密度为1.116g/cm ³；所述抗裂纤维为玄武岩纤维和聚丙烯纤维。

6.如权利要求1所述一种高原环境用高抗裂混凝土，其特征是：所述乳化石蜡为普通石蜡经超声乳化制得，固含量：40％；PH值：7-9；粘附系数降低率大于50％。

7.如权利要求1所述一种高原环境用高抗裂混凝土，其特征是：所述引气剂为松香树脂类、烷基类、脂肪醇磺酸盐类的一种或其混合物，含气量％≥3％，减水率≥6％。

8.如权利要求1所述一种高原环境用高抗裂混凝土，其特征是：所述缓凝剂为葡萄糖酸钠、蔗糖、柠檬酸一种或其混合物。

9.如权利要求1所述一种高原环境用高抗裂混凝土，其特征是：所述减水剂采用聚羧酸高效减水剂，其减水率≥30％，固含量≥20％，坍落度保持时间≥2小时。

10.如权利要求1至9任意一项所述一种高原环境用高抗裂混凝土的配制方法，包括如下步骤：

S01、将所述内养护剂与部分水先混合，使内养护剂吸饱水，配制成混合液A；

S02、将所述引气剂、减水剂、乳化石蜡与剩余水充分混合，配制成混合液B；

S03、将所述水泥、矿物掺和料、细骨料、粗骨料、膨胀剂、橡胶粒、与抗裂纤维加入强制式搅拌机，搅拌1分钟，混合均匀；

S04、加入步骤S01、S02中制备的混合液A和B，搅拌2min制得高抗裂混凝土。

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