CN112830729A - 一种高强度混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及混凝土领域，具体公开了一种高强度混凝土及其制备方法，其包括以下重量份的原料：硅酸盐水泥340～410份；粉煤灰30～100份；河沙625～685份；碎石852～1452份；水135～195份；减水剂4～10份；相变材料胶囊3～12份；相变材料胶囊包括囊芯和囊壁，所述囊芯为固液相变材料，所述囊壁由吸水树脂制成；其制备方法为：S1、制备聚丙烯酸‑丙烯酰胺吸水树脂溶液和石蜡乳液；S2、制备相变材料胶囊；S3、将制得的相变材料胶囊和硅酸盐水泥、粉煤灰、河沙、碎石、减水剂、水混合并搅拌均匀，得到混凝土。本申请的高强度混凝土具有减少裂缝的产生，填补裂缝的优点。

Description

一种高强度混凝土及其制备方法

技术领域

本申请涉及混凝土的领域，更具体地说，它涉及一种高强度混凝土及其制备方法。

背景技术

目前，混凝土开裂可以说是“常发病”和“多发病”，经常困扰着工程人员。如道路、地面、楼板、墙面、沥青路面、桥梁等凡是用到混凝土的地方，都会出现混凝土裂缝的问题，其成因既有外界环境等客观因素，也有施工技术、工艺操作不当等主观因素。现代建筑中时常涉及到大体积混凝土施工，如高层楼房基础、大型设备基础、水利大坝等。

研究发现，大体积混凝土浇筑初期，水泥水化反应易释放出大量水化热，并迅速积聚在混凝土内，使混凝土温度上升，混凝土体积膨胀变大；随着热量释放到外界环境中，混凝土温度降低则使混凝土体积产生收缩，混凝土内部易产生裂缝，导致大体积混凝土强度下降。

发明内容

为了减少混凝土裂缝的产生，以提高大体积混凝土的强度，本申请提供一种高强度混凝土及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种高强度混凝土，采用如下的技术方案：

一种高强度混凝土，包括以下重量份的原料：硅酸盐水泥340～410份；粉煤灰30～100份；河沙625～685份；碎石852～1452份；水135～195份；减水剂4～10份；相变材料胶囊3～12份；所述相变材料胶囊包括囊芯和囊壁，所述囊芯为固液相变材料，所述囊壁由吸水树脂制成。

通过采用上述技术方案，当混凝土中的水泥与水作用产生很高的水化热时，水化热使混凝土内部温度升高，且热量通过囊壁传递至囊芯处，囊芯内的固液相变材料熔化变成液体，吸收部分热量从而降低了混凝土内部的温度变化，从而减少了混凝土裂缝的产生，从而实现提高混凝土的强度。

当混凝土产生裂缝时雨水沿裂缝流动至吸水树脂处，吸水树脂便会吸收大量的水分，变成水凝胶，且吸水树脂因吸收大量水分体积变大，从而堵住混凝土的裂缝，限制雨水继续进入裂缝深处，使裂缝不能继续延伸扩大；而固液相变材料吸热之后变成液体，具有流动性，因而在重力作用下，流动性的固液相变材料带动相变材料胶囊向下移动，从而对水凝胶下端的小裂缝进行填补堵塞，最终实现整个裂缝的填补堵塞，从而进一步实现增强混凝土的强度。

上述相变材料胶囊中的囊芯可以选用石蜡、月桂酸等固液相变材料，囊壁可以选用聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂或淀粉-丙烯腈吸水树脂。

优选的，所述相变材料胶囊还包括可降解的薄膜纤维，所述薄膜纤维包覆在吸水树脂外表面，所述固液相变材料、吸水树脂与薄膜纤维的重量份数比为(3～4):2:1。

通过采用上述技术方案，混凝土与水的拌合初期，吸水树脂吸收大量的水分占据了混凝土内部的一些空间，并导致混凝土体积变大，而混凝土成型后，随着水分流失，原本水分占据的空间形成空隙，导致混凝土的密实度减小。由于在相变材料胶囊外层还包覆一层可降解的薄膜纤维，可以有效阻止混凝土与水的拌和初期吸水树脂先吸水而导致上述结果，在混凝土成型后，可降解的薄膜纤维随着时间慢慢降解，将吸水树脂暴露在混凝土中，吸水树脂再逐渐发挥作用，可以更有效地减少混凝土裂缝的产生。

优选的，所述吸水树脂为聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂，所述聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂通过溶液聚合法制得。

通过采用上述技术方案，由于采用聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂，利用聚丙烯酸-丙烯酰胺很强的吸水性和保水性，使得聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水后膨胀变成水凝胶，来堵住裂缝。水凝胶不会轻易将水分分离出来，从而使膨胀后的水凝胶体积不会变小，实现水凝胶持续堵塞裂缝。

优选的，所述固液相变材料选用石蜡。

通过采用上述技术方案，由于采用石蜡作为固液相变材料，水泥和水作用产生的水化热，达到石蜡的熔点，使石蜡熔化，借助石蜡的固液转化时吸热的特性，降低混凝土内部的热量，从而降低混凝土内部体积膨胀的概率，减少裂缝的产生；除此之外，石蜡的化学性质稳定，通常情况下，不会与混凝土中的其他成分发生反应。

优选的，所述可降解的薄膜纤维为纤维素纤维。

通过采用上述技术方案，由于采用可降解的纤维素纤维制成薄膜纤维，在混凝土拌合初期包覆囊壁，使聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂接触不到水，而随着混凝土的硬化，纤维素纤维被混凝土中的微生物慢慢降解。

优选的，所述硅酸盐水泥360～400份；粉煤灰50～80份；河沙645～680份；碎石990～1252份；水150～175份；减水剂4～6份；相变材料胶囊6～9份。

通过采用上述技术方案，根据实施例中的数据，可看出当混凝土中的各组分数量在上述范围中时，混凝土的抗压强度最好，不易产生裂缝，且对产生的裂缝具有很好的填补作用。

第二方面，本申请提供一种高强度混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：

一种高强度混凝土的制备方法，至少包括以下步骤：

S1、制备聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂和石蜡乳液；

S2、在制得的聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂中加去离子水，形成水溶液，加热至70℃，边搅拌边加入石蜡乳液，调节pH呈酸性，升温至80℃，反应至完全，抽滤，真空干燥，得到相变材料胶囊；

S3、将制得的相变材料胶囊和硅酸盐水泥、粉煤灰、河沙、碎石、减水剂、水混合并搅拌均匀，得到混凝土。

通过采用上述技术方案，在制备相变材料胶囊前，将囊壁和囊芯各自处理，再将囊壁和囊芯混合，经乳液聚合法得到相变材料胶囊，使用时，把相变材料胶囊与其他混凝土原料中混合便可。

优选的，一种高强度混凝土的制备方法，至少包括以下步骤：

S1、制备聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂和石蜡乳液；

S2、在制得的聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂中加去离子水，形成水溶液，加热至70℃，边搅拌边加入石蜡乳液，调节pH呈酸性，升温至80℃，反应至完全，抽滤，真空干燥，得到相变材料颗粒。

S3、配置浓度为1％的纳米纤维素纤维水溶液，将相变材料颗粒加入到纤维素纤维水溶液中，搅拌加热至50℃，经界面聚合包覆法，得到相变材料胶囊；

S4、将制得的相变材料胶囊和硅酸盐水泥、粉煤灰、河沙、碎石、减水剂、水混合并搅拌均匀，得到混凝土。

通过采用上述技术方案，在制备相变材料胶囊前，将囊壁和囊芯各自处理，再将囊壁和囊芯混合，经乳液聚合法得到相变材料颗粒，再在相变材料颗粒表层包覆一层薄膜纤维，这样便完成了相变材料胶囊前的制备，使用时，把相变材料胶囊混入混凝土中便可。这样的方式，不仅不会影响混凝土原有的特性，且包覆的薄膜纤维可以有效保护相变材料颗粒，使相变材料颗粒不会在使用前期就遇水发生反应。

优选的，S2中的pH为2.5～3.0。

通过采用上述技术方案，当pH控制在这个范围时，制得的相变材料颗粒最稳定，有助于提高混凝土的抗压强度，且对填充裂缝具有很好的效果。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、由于本申请采用在混凝土中加入囊芯为固液相变材料，囊壁为吸水树脂的相变材料胶囊，由于囊芯内的固液相变材料在混凝土成型初期水化热的作用下，熔化变成液体，吸收部分热量从而降低了混凝土内部的温度，减小了混凝土内部和外部的温差，从而减少了混凝土裂缝的产生。在裂缝产生初期，吸水树脂会吸收大量的水分，变成水凝胶，体积变大后堵住混凝土的裂缝，而固液相变材料吸热之后变成液体，具有流动性，因而在重力作用下，流动性的固液相变材料带动胶囊向下移动，从而对水凝胶下端的小裂缝进行填补堵塞，最终实现整个裂缝的填补堵塞。

2、本申请中优选采用在相变材料胶囊外层还包覆一层可降解的薄膜纤维，由于薄膜纤维会随着时间慢慢降解降解，因此，在混凝土成型后产生裂缝时，吸水树脂暴露在混凝中，使吸水树脂得以接触到水分，而吸水膨胀。

3、本申请中优选采用石蜡作为固液相变材料，使得石蜡在水泥和水作用产生的水化热条件下熔化，从而吸收混凝土内部的热量，降低混凝土内部体积膨胀，达到了减少裂缝的产生。

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。

本申请各个实施例所需要的各原料的来源表：

表1原料来源

原料	来源
		丙烯酸	天津市光复精细化工研究所
丙烯酰胺	天津市科密欧化学试剂有限公司
		CaCO3粉末	济南祥丰伟业化工有限公司
N,N＇-亚甲基双丙烯酰胺交联剂	济南坤名化工科技有限公司
		过硫酸铵	天津科密欧化学试剂有限责任公司
十二烷基磺酸钠	天津科密欧化学试剂有限责任公司
		石蜡	济南祥丰伟业化工有限公司
纤维素纤维	山东瑞宁环境科技有限公司

此外，河沙、碎石等其他混凝土原料均采购于市场，纤维素纤维的分子量n＝70000，河沙的平均粒径为0.5～0.25mm，细度模数为3.0～2.3；碎石的平均粒径为10～40mm。

中间体的制备例

制备例1

聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂的制备

量取1L丙烯酸单体溶液于相应容器中，加800mL水稀释，再量取同等体积的丙烯酰胺单体溶液，加400mL水稀释后倒入稀释后的丙烯酸单体溶液中，加入20gCaCO₃粉末、50gN,N＇-亚甲基双丙烯酰胺交联剂，超声分散15min，在容器中加入40mL环己烷，18g过硫酸铵引发剂，在50℃下边通N₂边搅拌，升温至55℃，反应3h后终止反应，得到白色透明的水凝胶，用去离子水洗涤后备用。

制备例2

石蜡乳液的制备以十二烷基磺酸钠为乳化剂，以100：1的比例配制成5％的水溶液，在反应容器中加入300mL5％乳化剂、8kg石蜡与5L蒸馏水，在3000r/min转速下搅拌，下乳化30min，得到石蜡乳液。

实施例

实施例1

本实施例的相变材料胶囊的制作方法包括以下步骤：

S1、制备聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂溶液和石蜡乳液；

S2、在制得的聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂溶液加去离子水，形成水溶液，加热至70℃，边搅拌边加入石蜡乳液，调节pH为2.5，升温至80℃，保温反应3h，将所得产物用乙醇洗涤后抽滤，真空60℃干燥，得到相变材料颗粒；

S3、配置浓度为1％的纳米纤维素纤维水溶液，将相变材料颗粒加入到纤维素纤维水溶液中，搅拌加热至50℃，经界面聚合包覆法，得到相变材料胶囊；

S4、将制得的相变材料颗粒混入混凝土原料中，搅拌均匀。

实施例1～5中各组份的用量和制备相变材料颗粒的反应条件如下表：

表2各组份的用量及制备条件(单位：kg)

实施例6

本实施例与实施例5的区别在于，本实施例的吸水树脂为淀粉-丙烯腈吸水树脂。

实施例7

本实施例与实施例5的区别在于，本实施例的固液相变材料为月桂酸。

实施例8

本实施例与实施例5的区别在于，本实施例中的相变材料胶囊中不加薄膜纤维包覆吸水树脂。

实施例9

本实施例与实施例5的区别在于，本实施例中的薄膜纤维为碳纤维。

实施例10

本实施例与实施例5的区别在于，本实施例中相变材料胶囊的制作方法步骤S3中调节pH为5，升温至80℃后保温反应4h，最终得到相变材料颗粒。

对比例

对比例1

本对比例与实施例5的区别在于，混凝土中不加相变材料胶囊。

对比例2

本对比例与实施例5的区别在于，混凝土中加入石蜡颗粒，所加入的石蜡未经任何包覆处理。

对比例3

本对比例与实施例5的区别在于，混凝土中未加入石蜡颗粒。

对比例4

本对比例与实施例5的区别在于，相变材料胶囊中囊壁为聚丙烯酰胺吸水树脂。

对比例5

本对比例与实施例5的区别在于，相变材料胶囊中囊壁为聚丙烯酸吸水树脂。

性能检测试验

本系列试验的试件制作、试验方法主要依据《水工混凝土试验规程-SL2006》、《纤维混凝土试验规程》和《超声法检测砼缺陷技术规程》等试验规范，主要检测混凝土的抗压试验和裂缝检测试验。

试验设备主要为拉力试验机(山东万辰试验机有限公司)和HC-F800混凝土裂缝缺陷综合测试仪。

检测方法/试验方法

(1)试件制备

根据上述实施例和对比例中的各组分按实际：试验＝10:1的比例，在搅拌工具中依次放入，硅酸盐水泥、粉煤灰、河沙、碎石、水、减水剂和相变材料胶囊，搅拌10min，然后在振动台上分次振捣，振捣时间为60s。最后倒入尺寸大小为200mm×200mm×200mm的模具中，试件成型后立即放入标准养护室养护。试件养护龄期为28天，试件成型后24h拆模，用钢丝刷刷净两端面水泥浆膜。

本实施例中混凝土试件分为两组，第一组混凝土试件用于抗压试验的检测，第二组混凝土试件成型后用于裂缝的检测试验。每个测量样均取3个平行样，最终数据取平均值。

第一组混凝土试件分别在养护期3天、养护期7天和养护期28天进行抗压试验检测，其中，养护龄期为3天时，控制加载速度在0.3～0.5MPa/s；养护龄期为7天时，控制加载速度在0.5～0.8MPa/s；养护龄期为28天时，控制加载速度在0.5～10MPa/s。

第二组混凝土试件在浇筑成型时，预先插入厚度为2mm、长度为30mm的薄片，预制混凝土裂缝，待混凝土试件成型后将薄片拔出，此时，混凝土试件上的裂缝宽度为2mm，深度为30mm。

(2)混凝土抗压试验方法

1)试件从养护地点取出后应及时进行试验，将试件表面与上下承压板面擦干净。

2)将平整的钢垫板置于试验机下压板上对正，立方体成型侧面做承压面并使其与试验机压板轴心对齐，安放上钢垫板，开动试验机，当上压板与试件或钢垫板接近时，调整球座，使接触均衡。

3)在试验过程中应连续均匀地加荷，当试件接近破坏开始急剧变形时，停止调整试验机油门，直至试件破坏，然后记录破坏时压力机数值。

(3)混凝土裂缝检测方法

将成型后的第二组混凝土试件放置在箱式淋雨鼓风环境模拟试验箱三个月，使混凝土试件经受风吹雨淋，三个月后，观察混凝土试件上裂缝的变化，利用超声波发检测混凝土试件的宽度和深度并记录数值。

表3混凝土试件检测结果

结合实施例1～5和对比例1可以看出，在混凝土试件中加入相变材料胶囊，混凝土试件的抗压强度明显增强，裂缝的填充效果明显改进，其原因可能在于，混凝土中加入相变材料胶囊后，囊芯内的石蜡在水化热的作用下熔化成液体时吸热，从而减少混凝土试件内部体积的收缩，减少了裂缝的产生。此外，预制有裂缝的混凝土试件在室外放置三个月后，加有相变材料胶囊的试件裂缝的宽度和深度明显减小，即裂缝有被填充的趋势，而未加有相变材料胶囊的试件裂缝的宽度和深度明显增大，这说明相变材料胶囊表层的薄膜纤维在经风吹日晒见降解后，囊壁聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂吸收雨水后变成水凝胶，将裂缝慢慢堵塞，且在重力作用下，熔化的石蜡向下流动，使裂缝不再继续延伸。

结合实施例5、对比例2和对比例3可看出，在混凝土试件中只加入石蜡或聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂，试件的测试效果均比两者同时加入效果低，即抗压强度明显降低，裂缝的宽度和深度明显扩张，说明石蜡或聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂制成相变材料胶囊后，具有协同作用，可增强试件的抗压强度，减少裂缝的产生，且能有效抑制裂缝扩张。

结合实施例5和实施例6可看出，将相变材料胶囊中的聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂替换成淀粉-丙烯腈吸水树脂，虽然能够增强混凝土试件的抗压强度，填补裂缝，但效果次于聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂。

结合实施例5和实施例7可看出，将相变材料胶囊中的石蜡替换成月桂酸，也能够增强混凝土试件的抗压强度，填补裂缝，但效果次于石蜡，这可能是由于月桂酸由固体熔化成液体时，所吸收的热量比石蜡吸收的热量少，致使混凝土温度上升，体积膨胀变大，在降温后产生了一定的拉应力。

结合实施例5、实施例8和实施例9可看出，相变材料胶囊表层不包覆薄膜纤维时，混凝土试件的抗压强度明显降低，且裂缝的填补程度并不高，这可能是没有薄膜纤维包覆的相变材料胶囊在混凝土拌合初期，暴露在外的聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂已经吸水饱和，无法在后期再次吸水膨胀填充裂缝。而将纤维素纤维替换成碳纤维，效果明显比不加纤维的好，但混凝土试件的抗压强度低，且填补缝隙的程度也不高；这可能是碳纤维的降解时间比纤维素纤维的降解时间要长很多，还没等全部降解完，混凝土试件已经产生了裂缝。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，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，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种高强度混凝土，其特征在于，包括以下重量份的原料：

硅酸盐水泥340～410份；

粉煤灰30～100份；

河沙625～685份；

碎石852～1452份；

水135～195份；

减水剂4～10份；

相变材料胶囊3～12份；

所述相变材料胶囊包括囊芯和囊壁，所述囊芯为固液相变材料，所述囊壁由吸水树脂制成。

2.根据权利要求1所述的一种高强度混凝土，其特征在于，所述相变材料胶囊还包括可降解的薄膜纤维，所述薄膜纤维包覆在吸水树脂外表面，所述固液相变材料、吸水树脂与薄膜纤维的重量份数比为（3～4）:2:1。

3.根据权利要求1所述的一种高强度混凝土，其特征在于，所述吸水树脂为聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂，所述聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂通过溶液聚合法制得。

4.根据权利要求1所述的一种高强度混凝土，其特征在于，所述固液相变材料选用石蜡。

5.根据权利要求2所述的一种高强度混凝土，其特征在于，所述可降解的薄膜纤维为纤维素纤维。

6.根据权利要求1所述的一种高强度混凝土，其特征在于，包括以下重量份的原料：所述硅酸盐水泥360～400份；粉煤灰50～80份；河沙645～680份；碎石990～1252份；水150～175份；减水剂4～6份；相变材料胶囊6～9份。

7.权利要求1所述的一种高强度混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、制备聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂和石蜡乳液；

S2、在制得的聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂中加去离子水，形成水溶液，加热至70℃，边搅拌边加入石蜡乳液，调节pH呈酸性，升温至80℃，反应至完全，抽滤，真空干燥，得到相变材料胶囊；

S3、将制得的相变材料胶囊和硅酸盐水泥、粉煤灰、河沙、碎石、减水剂、水混合并搅拌均匀，得到混凝土。

8.权利要求2-6任意一项所述的一种高强度混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、制备聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂和石蜡乳液；

S2、在制得的聚丙烯酸-丙烯酰胺吸水树脂中加去离子水，形成水溶液，加热至70℃，边搅拌边加入石蜡乳液，调节pH呈酸性，升温至80℃，反应至完全，抽滤，真空干燥，得到相变材料颗粒；

S3、配置浓度为1%的纳米纤维素纤维水溶液，将相变材料颗粒加入到纤维素纤维水溶液中，搅拌加热至50℃，经界面聚合包覆法，得到相变材料胶囊；

S4、将制得的相变材料胶囊和硅酸盐水泥、粉煤灰、河沙、碎石、减水剂、水混合并搅拌均匀，得到混凝土。

9.根据权利要求7或8所述的一种高强度混凝土的制备方法，其特征在于，S2中的pH为2.5～3.0。