CN112851257A - 一种大流态环向仰拱薄壁抗裂混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大流态环向仰拱薄壁抗裂混凝土及其制备方法。该混凝土按照重量份数计，包括以下组分：220‑260份普通硅酸盐水泥、40‑50份粉煤灰、80‑100份矿粉、20‑35份硅灰、700‑800份粗骨料、300‑350份改性陶粒、600‑800份细骨料、30‑50份改性橡胶颗粒、1.5‑2.7份增稠剂、7.2‑8.9份聚羧酸减水剂、1.6‑3.1份聚丙烯纤维、3‑5份膨胀剂、水胶比0.3‑0.4。本发明提供的大流态环向仰拱薄壁抗裂混凝土，实现了竖向结构的刚度梯度变化，在环向结构中抗裂性能好，避免了仰拱脱空以及环向约束下的开裂。

Description

一种大流态环向仰拱薄壁抗裂混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于混凝土领域，具体涉及一种大流态环向仰拱薄壁抗裂混凝土及其制备方法。
背景技术
在隧道等含有拱结构的工程项目中，二衬结构常采用具有抗渗性能的现浇混凝土，通常情况下，此结构层厚度在20-40cm之间，尺寸较小，由于预制管片的约束作用以及混凝土沉降等原因，拱形结构经常出现开裂和拱顶脱空等问题。
目前普遍采用加入膨胀剂、纤维以及低热低收缩混凝土配合比等措施来防止拱顶混凝土出现上述问题，但依然无法解决环向约束条件下，不均匀收缩和多向应力状态下的混凝土开裂。原因是通常情况下，较匀质的混凝土结构硬化后刚度基本一致，而在环形结构中的约束力差异较大，导致收缩应力各处差异较大，当应力大于开裂最大应力荷载时，即导致开裂现象发生，故改变环向混凝土结构的竖向刚度并提高混凝土韧性是解决环向仰拱开裂问题的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大流态环向仰拱薄壁抗裂混凝土及其制备方法，该混凝土实现了竖向结构的刚度梯度变化，在环向结构中抗裂性能好，起到预防拱顶脱空和沉降的效果。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
提供一种大流态环向仰拱薄壁抗裂混凝土，按照重量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥，220-260份；
粉煤灰，40-50份；
矿粉，80-100份；
硅灰，20-35份；
粗骨料，700-800份；
改性陶粒，300-350份；
细骨料，600-800份；
改性橡胶颗粒，30-50份；
增稠剂，1.5-2.7份；
聚羧酸减水剂，7.2-8.9份；
聚丙烯纤维，1.6-3.1份；
膨胀剂，3-5份；
水胶比，0.3-0.4；其中：
改性陶粒通过陶粒吸水饱和后再与水泥、膨胀剂和束状聚丙烯网纤维的混合物混合均匀制备得到；
改性橡胶颗粒通过将橡胶颗粒用水性环氧树脂裹涂得到。
按上述方案，改性陶粒的制备包括以下步骤：
1)将陶粒在水中浸泡24-48h，吸水饱和；
2)将水泥、膨胀剂和束状聚丙烯网纤维混合均匀得混合物，然后将步骤1)得到的吸水饱和后的陶粒与混合物混合均匀，即得改性陶粒；其中：
水泥和膨胀剂质量比为1：0.2-0.11；
按质量百分比计，束状聚丙烯网纤维占水泥和膨胀剂总质量的0.1-0.2％；
陶粒与步骤2)中的混合物质量比为18-20：1。
优选地，改性陶粒中的水泥为42.5普通硅酸盐水泥。
优选地，改性陶粒中的陶粒级配为5-10mm，密度1600-1800kg/m3。
优选地，改性陶粒中束状聚丙烯网纤维长度18-22mm，直径16-20μm，孔径25-60cm2。
优选地，改性陶粒中膨胀剂为镁型膨胀剂和钙型膨胀剂复配混合物，二者质量比为8-10:1；更优选地，镁型膨胀剂为氧化镁膨胀剂，钙型膨胀剂为氧化钙膨胀剂。
按上述方案，所述改性橡胶颗粒中，水性环氧树脂膜厚0.5-1mm，橡胶颗粒密度1400-1600kg/m3，粒径3-5mm。
按上述方案，增稠剂为羟丙基甲基纤维素醚，10-20万黏度。
按上述方案，膨胀剂为镁型膨胀剂和钙型膨胀剂复配混合物，二者质量比为3-5:1。优选地，镁型膨胀剂为氧化镁膨胀剂，钙型膨胀剂为氧化钙膨胀剂。
按上述方案，聚丙烯纤维为丝状纤维，直径10-12μm，长度为10-14mm。
按上述方案，普通硅酸盐水泥为强度等级为42.5普通硅酸盐水泥；硅灰为比表面积为≥23000m2/kg，SiO2含量为90-95％，平均粒径4.8-5.6μm；矿粉为S95级；粉煤灰为Ⅰ级；细骨料为中砂；粗骨料为5-20mm级配碎石；聚羧酸减水剂，减水率为27-28％。
一种上述大流态环向仰拱薄壁抗裂混凝土的制备方法，具体步骤如下：
(1)将220-260份普通硅酸盐水泥、40-50份粉煤灰、80-100份矿粉、20-35份硅灰、700-800份粗骨料、600-800份细骨料、1.5-2.7份增稠剂、3-5份膨胀剂、1.6-3.1份聚丙烯纤维混合搅拌1-2min；
(2)7.2-8.9份聚羧酸减水剂、0.3-0.4水胶比对应的水加入(1)中混合搅拌2-3min；
(3)向(2)中混合物加入300-350份改性陶粒、30-50份改性橡胶颗粒并搅拌1-2min后成型养护到规定龄期。
本发明提供的大流态环向仰拱薄壁抗裂混凝土，通过引入不同弹性模量的骨料以及调整混凝土状态使骨料呈现特定的空间位置，来改变混凝土竖向刚度，加之水泥石内部和骨料周围的膨胀剂和纤维的双重作用下，来提高整体结构的抗裂性能。
改性陶粒通过陶粒吸水饱和后再与膨胀剂、水泥和纤维进行混合，以上物质会在陶粒颗粒表面粘附。将改性陶粒掺入混凝土后，膨胀剂和水泥粉料会在后期硬化过程中逐渐水化膨胀，同时黏附在颗粒表面的纤维，会增加颗粒与水泥石的粘结力，提高混凝土的抗裂能力。改性橡胶颗粒，通过水性环氧树脂对橡胶颗粒进行裹涂，所得光滑的涂层表面增加了混凝土拌合物流动性，后期自由水的渗入，又会增加橡胶颗粒与水泥石的胶结作用。改性陶粒和改性橡胶颗粒的密度与硬化后的水泥石不同，弹性模量也与水泥石不同，且二者弹性模量较水泥石小，在调整混凝土至坍落度250mm及以上大流态时，由于两种骨料的容重较水泥浆体低，此两种骨料会主要集中在中上层，显然混凝土结构上层的弹性模量会较下部小，当混凝土整体水化硬化时，靠近拱顶部位的环向长度更大、约束面也较大，而混凝土本身呈现上小下大的刚度梯度分布，上部允许变形较大，下部允许变形较小，因此应力差降低，开裂风险降低，从而达到提高抗裂性能的目的。
羟丙基甲基纤维素醚和聚羧酸减水剂以及粉料构成的浆料体系既保证混凝土大流态又保证混凝土具有一定的粘聚性，而改性陶粒和改性橡胶颗粒两种骨料与水泥浆体容重的差异使得各骨料在竖向空间上具有一定的层次，即骨料与浆体有分层，且主要存在于浇筑混凝土的上层，但又不至于发生浆骨分离的现象。
本发明的技术方案的有益效果是：
1.本发明提供的大流态环向仰拱薄壁抗裂混凝土中，改性陶粒和改性橡胶颗粒改变了混凝土结构的竖向刚度分布，在环向约束状态下改变了结构的应力状态，以及骨料周围的纤维和膨胀剂在后期水化作用中起到一定的粘结和补强作用，形成了一种环向结构的完备抗裂体系，使得结构应力和材料物化反应引起的内力得到较好的释放，综合抗裂效果好。
2.本发明提供的大流态环向仰拱薄壁抗裂混凝土制备方法简单，利用了大量的废弃橡胶颗粒，减少了资源的浪费，产生了一定的经济和环保效益。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明进一步说明，以利于本领域技术人员能更加清楚地了解。
实施例1
提供一种大流态环向仰拱薄壁抗裂混凝土，按照重量份数计，包括以下原材料：
普通硅酸盐水泥，220份；
粉煤灰，40份；
矿粉，80份；
硅灰，20份；
粗骨料，700份；
改性陶粒，300份；
细骨料，600份；
改性橡胶颗粒，30份；
增稠剂，1.5份；
聚羧酸减水剂，7.2份；
聚丙烯纤维，1.6份；
膨胀剂，3份；
水胶比，0.4；
上述配方中，各组分参数指标为：
改性陶粒的制备为：首先在水中浸泡24h，然后在质量比1：0.11的42.5普通硅酸盐水泥和膨胀剂以及二者质量分数0.1％束状聚丙烯网纤维的混合物中混合均匀即可，陶粒与水泥、膨胀剂、网状纤维三者总质量的质量比为18:1；其中：陶粒级配为5-10mm，密度1600kg/m3；束状聚丙烯网纤维长度18mm，直径16，孔径25cm2；膨胀剂为氧化镁膨胀剂和氧化钙膨胀剂复配混合物，二者质量比为8:1。
改性橡胶颗粒通过用水性环氧树脂裹涂，自然晾干制备得到，其中水性环氧树脂膜厚0.5-1mm，橡胶颗粒密度1400kg/m3，粒径3-5mm。
增稠剂为羟丙基甲基纤维素醚，10万黏度；
膨胀剂为氧化镁膨胀剂和氧化钙膨胀剂复配混合物，二者质量比为3:1。
聚丙烯纤维为丝状纤维，直径10μm，长度为10mm。
硅酸盐水泥为强度等级为42.5普通硅酸盐水泥。
硅灰为比表面积为≥23000m2/kg，SiO2含量为95％平均粒径5.6μm。
矿粉为S95级；粉煤灰为Ⅰ级。
细骨料为中砂；粗骨料为5-20级配碎石。
聚羧酸减水剂，减水率为27％。
本实施例得到的大流态环向仰拱薄壁抗裂混凝土扩展度700mm，坍落度260mm，改性橡胶颗粒和改性陶粒主要处于浆体中上部。
一种上述大流态环向仰拱薄壁抗裂混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将220份普通硅酸盐水泥、40份粉煤灰、80份矿粉、20份硅灰、700份粗骨料、600份细骨料、1.5份增稠剂、3份膨胀剂、1.6份聚丙烯纤维混合搅拌2min；
(2)7.2份聚羧酸减水剂、0.4水胶比对应的自来水加入(1)中混合搅拌2min；
(3)向(2)中混合物加入300份改性陶粒、30份改性橡胶颗粒并搅拌2min后成型养护到规定龄期。
实施例2
提供一种大流态环向仰拱薄壁抗裂混凝土，按照重量份数计，包括以下原材料：
普通硅酸盐水泥，240份；
粉煤灰，45份；
矿粉，90份；
硅灰，26份；
粗骨料，750份；
改性陶粒，330份；
细骨料，700份；
改性橡胶颗粒，40份；
增稠剂，2.1份；
聚羧酸减水剂，8.1份；
聚丙烯纤维，2.5份；
膨胀剂，4份；
水胶比，0.35；
上述配方中，各组分参数指标为：
改性陶粒的制备为：首先在水中浸泡24h，然后在质量比1：0.15的42.5普通硅酸盐水泥和膨胀剂以及二者质量分数0.15％束状聚丙烯网纤维的混合物中混合均匀即可，陶粒与水泥、膨胀剂、网状纤维三者质量比为19:1；其中陶粒级配为5-10mm，密度1700kg/m3；束状聚丙烯网纤维长度20mm，直径18μm，孔径50cm2；膨胀剂为氧化镁膨胀剂和氧化钙膨胀剂复配混合物，二者质量比为9:1。
改性橡胶颗粒通过用水性环氧树脂裹涂，自然晾干制备得到，其中水性环氧树脂膜厚0.5-1mm，橡胶颗粒密度1500kg/m3，粒径3-5mm。
增稠剂为羟丙基甲基纤维素醚，15万黏度；
膨胀剂为氧化镁膨胀剂和氧化钙膨胀剂复配混合物，二者质量比为4:1。
聚丙烯纤维为丝状纤维，直径12μm，长度为12mm。
硅酸盐水泥为强度等级为42.5普通硅酸盐水泥。
硅灰为比表面积为≥23000m2/kg，SiO2含量为90％平均粒径5.2μm。
矿粉为S95级；粉煤灰为Ⅰ级。
细骨料为中砂；粗骨料为5-20级配碎石。
聚羧酸减水剂，减水率为27％。
本实施例得到的大流态环向仰拱薄壁抗裂混凝土扩展度680mm，坍落度250mm，改性橡胶颗粒和改性陶粒主要处于浆体中上部；
一种上述大流态环向仰拱薄壁抗裂混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将240份普通硅酸盐水泥、45份粉煤灰、900份矿粉、26份硅灰、750份粗骨料、700份细骨料、2.1份增稠剂、4份膨胀剂、2.5份聚丙烯纤维混合搅拌2min；
(2)8.1份聚羧酸减水剂、0.35水胶比对应的自来水加入(1)中混合搅拌2min；
(3)向(2)中混合物加入330份改性陶粒、40份改性橡胶颗粒并搅拌2min后成型养护到规定龄期。
实施例3
本发明提供一种大流态环向仰拱薄壁抗裂混凝土，按照重量份数计，包括以下原材料：
普通硅酸盐水泥，260份；
粉煤灰，50份；
矿粉，100份；
硅灰，35份；
粗骨料，800份；
改性陶粒，350份；
细骨料，800份；
改性橡胶颗粒，50份；
增稠剂，2.7份；
聚羧酸减水剂，8.9份；
聚丙烯纤维，3.1份；
膨胀剂，5份；
水胶比，0.3；
上述配方中，各组分参数指标为：
改性陶粒制备为：首先在水中浸泡48h，然后在质量比1：0.2的42.5普通硅酸盐水泥和膨胀剂以及二者质量分数0.2％束状聚丙烯网纤维的混合物中混合均匀，陶粒与水泥、膨胀剂、网状纤维三者质量比为20:1；其中陶粒级配为5-10mm，密度1800kg/m3；束状聚丙烯网纤维长度22mm，直径20，孔径60cm2；膨胀剂为氧化镁膨胀剂和氧化钙膨胀剂复配混合物，二者质量比为10:1。
改性橡胶颗粒通过用水性环氧树脂裹涂，自然晾干制备得到；其中水性环氧树脂膜厚0.5-1mm，橡胶颗粒密度1600kg/m3，粒径3-5mm。
增稠剂为羟丙基甲基纤维素醚，20万黏度；
膨胀剂为氧化镁膨胀剂和氧化钙膨胀剂复配混合物，二者质量比为5:1。
聚丙烯纤维为丝状纤维，直径12μm，长度为14mm。
硅酸盐水泥为强度等级为42.5普通硅酸盐水泥。
硅灰为比表面积为≥23000m2/kg，SiO2含量为95％，平均粒径5.6μm。
矿粉为S95级；粉煤灰为Ⅰ级。
细骨料为中砂；粗骨料为5-20级配碎石。
聚羧酸减水剂，减水率为28％。
本实施例得到的大流态环向仰拱薄壁抗裂混凝土扩展度650mm，坍落度250mm，改性橡胶颗粒和改性陶粒主要处于浆体中上部。
一种上述大流态环向仰拱薄壁抗裂混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将260份通用硅酸盐水泥、50份粉煤灰、100份矿粉、35份硅灰、800份粗骨料、800份细骨料、2.7份增稠剂、5份膨胀剂、3.1份聚丙烯纤维混合搅拌2min；
(2)8.9份聚羧酸减水剂、0.3水胶比对应的自来水加入(1)中混合搅拌3min；
(3)向(2)中混合物加入350份改性陶粒、50份改性橡胶颗粒并搅拌2min后成型养护到规定龄期。
将实施例1-3得到的抗裂混凝土，放在50cm高料筒中静置0.5h，然后分别取上1/3部分和下1/3部分混凝土称取容重，同时制作收缩、弹性模量试件，收缩率按照GB50082-2009T普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法测定，弹性模量按GB/T50081-2019方法测定，具体结果如表1所示。
表1实施例1-3的抗裂混凝土性能测试表
编号 容重(kg/m<sup>3</sup>) 90d收缩率(×10<sup>-6</sup>) 弹性模量(GPa)
实施例1(上部) 2350 76 31.3
实施例1(下部) 2410 124 31.4
实施例2(上部) 2310 112 33.6
实施例2(下部) 2400 178 33.8
实施例3(上部) 2280 135 35.4
实施例3(下部) 2390 191 36.7
表1结果显示，各实施例中上下部分存在收缩率、弹性模量、容重上小下大的指标变化，表明混凝土中骨料确实存在一定的分层现象，同时刚度在竖向上出现了上小下大的差异性变化，而收缩率也由上而下逐渐增大，这对于环向结构而言，大大有利于结构抵抗变形。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (9)

1.一种大流态环向仰拱薄壁抗裂混凝土，其特征在于，按照重量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥，220-260份；
粉煤灰，40-50份；
矿粉，80-100份；
硅灰，20-35份；
粗骨料，700-800份；
改性陶粒，300-350份；
细骨料，600-800份；
改性橡胶颗粒，30-50份；
增稠剂，1.5-2.7份；
聚羧酸减水剂，7.2-8.9份；
聚丙烯纤维，1.6-3.1份；
膨胀剂，3-5份；
水胶比，0.3-0.4；其中：
改性陶粒通过陶粒吸水饱和后再与水泥、膨胀剂和束状聚丙烯网纤维的混合物混合均匀制备得到；
改性橡胶颗粒通过将橡胶颗粒用水性环氧树脂裹涂得到。
2.根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于，所述改性陶粒的制备包括以下步骤：
1)将陶粒在水中浸泡24-48h，吸水饱和；
2)将水泥、膨胀剂和束状聚丙烯网纤维混合均匀得混合物，然后将步骤1)得到的吸水饱和后的陶粒与混合物混合均匀，即得改性陶粒；其中：
水泥和膨胀剂质量比为1：0.2-0.11；
按质量百分比计，束状聚丙烯网纤维占水泥和膨胀剂总质量的0.1-0.2％；
陶粒与步骤2)中的混合物质量比为18-20：1。
3.根据权利要求2所述的混凝土，其特征在于，所述改性陶粒的制备过程中：陶粒级配为5-10mm，密度1600-1800kg/m3；水泥为42.5普通硅酸盐水泥；束状聚丙烯网纤维长度18-22mm，直径16-20μm，孔径25-60cm2；膨胀剂为镁型膨胀剂和钙型膨胀剂复配混合物，二者质量比为8-10:1。
4.根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于，所述的改性橡胶颗粒中，水性环氧树脂膜厚0.5-1mm，橡胶颗粒密度1400-1600kg/m3，粒径3-5mm。
5.根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于，增稠剂为羟丙基甲基纤维素醚，10-20万黏度；聚丙烯纤维为丝状纤维，直径10-12μm，长度为10-14mm。
6.根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于，抗裂混凝土中组分膨胀剂为镁型膨胀剂和钙型膨胀剂复配混合物，二者质量比为3-5:1。
7.根据权利要求6所述的混凝土，其特征在于，所述镁型膨胀剂为氧化镁膨胀剂，所述钙型膨胀剂为氧化钙膨胀剂。
8.根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于，普通硅酸盐水泥为强度等级为42.5普通硅酸盐水泥；硅灰为比表面积为≥23000m2/kg，SiO2含量为90-95％，平均粒径4.8-5.6μm；矿粉为S95级；粉煤灰为Ⅰ级；细骨料为中砂；粗骨料为5-20mm级配碎石；聚羧酸减水剂，减水率为27-28％。
9.一种权利要求1所述的大流态环向仰拱薄壁抗裂混凝土的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将220-260份普通硅酸盐水泥、40-50份粉煤灰、80-100份矿粉、20-35份硅灰、700-800份粗骨料、600-800份细骨料、1.5-2.7份增稠剂、3-5份膨胀剂、1.6-3.1份聚丙烯纤维混合搅拌1-2min；
(2)7.2-8.9份聚羧酸减水剂、0.3-0.4水胶比对应的水加入(1)中混合搅拌2-3min；
(3)向(2)中混合物加入300-350份改性陶粒、30-50份改性橡胶颗粒并搅拌1-2min后成型养护到规定龄期。
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