CN112979231A - 一种高抗渗柔性混凝土组合物及其制备方法与应用 - Google Patents

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CN112979231A CN202110189130.4A CN202110189130A CN112979231A CN 112979231 A CN112979231 A CN 112979231A CN 202110189130 A CN202110189130 A CN 202110189130A CN 112979231 A CN112979231 A CN 112979231A
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Abstract

本申请涉及混凝土领域，尤其是涉及一种高抗渗柔性混凝土组合物及其制备方法与应用。一种混凝土组合物包括如下重量份数的组分：水泥：10‑23份；水：62‑85份；石灰石粉：42‑95份；膨润土：5‑10份；分散剂：膨润土重量份数的2.5‑14％；偶联剂：水泥重量份数的4‑12％；其制备方法为:将水、膨润土、水泥、石灰石粉依次加入到搅拌罐并且混合均匀；随后将分散剂、偶联剂加入到所述搅拌罐中并且混合均匀；本申请的混凝土组合物和混凝土可作为防渗材料应用。

Description

一种高抗渗柔性混凝土组合物及其制备方法与应用
技术领域
本申请涉及混凝土领域，尤其是涉及一种高抗渗柔性混凝土组合物及其制备方法与应用。
背景技术
目前全球广泛使用的城市生活垃圾无害化处理方式主要有填埋、焚烧和堆肥三种处理方式，也可以将几种技术进行有效的集成，做更加系统的综合处理。
实施最为广泛的垃圾处理技术是垃圾填埋，在垃圾与土壤之间设置防渗墙以便将垃圾与土壤分隔。相关技术中，防渗墙多采用深层水泥搅拌桩，具体来讲，利用搅拌机将水泥喷入土体并充分搅拌，使得水泥与土发生一系列物理化学反应，使软土硬结，从而在垃圾和土壤之间形成防渗墙。
然而，现有的防渗墙的渗透系数较高，垃圾中的渗漏液会渗透通过防渗墙到达土壤中，导致土壤污染，因此，现有的防渗墙存在渗漏液外漏的问题。除此之外，防渗墙由于处在垃圾填埋坑和土壤之间，因此，在垃圾填埋过程中，随着填埋量的增加，逐渐对防渗墙产生作用力，当填埋量达到一定级别时，作用力使得防渗墙发生形变。当防渗墙的形变性能不足时，会发生开裂或坍塌。因此，防渗墙的形变性能也是不容忽视的。
现有技术中防渗墙的渗透性能和形变性能尚不能满足需求，因此急需提出一种新的混凝土，从混凝土的配方出发，调整混凝土的渗透性能和形变性能，以获得一种防渗墙，使之不仅能够承受较大的变形，避免发生断裂而失效，同时防渗墙墙体的浇筑质量也能得到保障。
发明内容
为了克服现有技术存在的问题，本申请提供一种高抗渗柔性混凝土组合物及其制备方法与应用。
第一方面，本申请提供一种高抗渗柔性混凝土组合物，采用如下的技术方案：
一种高抗渗柔性混凝土组合物，包括如下重量份数的组分：
水泥：10-23份；
水泥：10-23份；
水：62-85份；
石灰石粉：42-95份；
膨润土：5-10份；
分散剂的用量为膨润土重量的2.5-14％；
偶联剂的用量为水泥重量的4-12％。
通过采用上述技术方案，石灰石粉的主要成分是碳酸钙，选用的石灰石粉的规格为石灰岩含量≥90％，颗粒级配为30-36％＜0.04，50-66％＜0.063，60-84％＜0.09，100％＜0.25。石灰石粉作为细骨料加入到混凝土中，能够起到填充的作用，使得混凝土更加致密。
膨润土的重量份数为5-10份，例如5份、5.5份、6份、6.5份、7份、7.5份、8份、8.5份、9份、9.5份、10份以及它们之间的任一值。
膨润土具有吸水膨胀的性能，吸水后的膨润土填充在混凝土的空隙中，降低了水分从混凝土的空隙渗出的可能性，从而减小了混凝土的渗透系数。同时，膨润土的添加使得混凝土的弹性模量明显降低，提高了混凝土在受到外界载荷时的变形能力；但是混凝土的抗压强度也降低。膨润土还会影响混凝土浆液的粘度，膨润土的重量份数越大，混凝土浆液的粘度越大。
分散剂选用工业用碳酸钠，分散剂的用量为膨润土重量的4.5-14％，例如4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.28％、7.5％、8％、8.5％、9％、9.5％、10％、10.5％、11％、11.5％、12％、12.5％、13％、13.5％、14％以及它们之间的任一值。
碳酸钠具有提高混凝土抗压强度的作用，具体原理为：水泥水化的产物之一是氢氧化钙，碳酸钠与氢氧化钙反应生成碳酸钙和氢氧化钠，碱可以促进水泥水化，形成碳酸钙可以填充在混凝土浆液的空隙中，从而提高了混凝土的抗压强度。碳酸钠还会增加混凝土浆液的粘度，碳酸钠添加越多，混凝土浆液的粘度越大。
偶联剂的用量为水泥重量的4-12％，例如4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％、9.5％、10％、10.5％、11％、11.5％、12％以及它们之间的任一值。
偶联剂同时拥有亲无机官能团和亲有机官能团，是一种常见的颗粒级性改性材料，可以改善离子的界面状态。当碳酸钠与氢氧化钙反应生成碳酸钙和氢氧化钠，使得混凝土浆液呈碱性状态，此时偶联剂可在碱性条件下发生偶联发应，生成聚合物；聚合物既可以通过化学键将水泥与石灰石粉紧密连接，也可以填充在混凝土的空隙中，提高了混凝土的密实度，改善了混凝土的内部结构，从而提高了混凝土的抗压强度。与膨润土和分散剂不同的是，偶联剂能够减小混凝土浆液的粘度，偶联剂的添加量越多，混凝土浆液的粘度越小。
综上所述，膨润土与混凝土的抗渗系数和弹性模量相关，膨润土、分散剂和偶联剂三者均与混凝土的抗压强度相关，膨润土、分散剂和偶联剂三者均与混凝土浆液的粘度相关。
将上述材料通过试验制得混凝土浆液，检测混凝土浆液的粘度，混凝土浆液的粘度用维勃稠度表示；待混凝土浆液成型之后得到混凝土试块，对混凝土试块进行渗透系数、弹性模量和抗压强度的试验，由试验数据可得：当各个组分采用上述重量份数时，制得的混凝土浆液的维勃稠度，混凝土的渗透系数、弹性模量和抗压强度更优。
优选的，包括如下重量份数的组分：
水泥：14-20份；
水：68-75份；
石灰石粉：54-82份；
膨润土：6-9份；
分散剂的用量为膨润土重量的4.5-10％；
偶联剂的用量为水泥重量的6-9％。
通过采用上述技术方案，将上述材料通过试验制得混凝土，并且对混凝土浆液进行维勃稠度、混凝土试块进行渗透系数、弹性模量和抗压强度的试验，由试验数据可得：当各个组分采用上述重量份数时，制得的混凝土浆液的维勃稠度，混凝土的渗透系数、弹性模量和抗压强度更优。
优选的，偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷和/或γ-丙基三甲氧基硅烷,优选为γ-丙基三甲氧基硅烷。
通过采用上述技术方案，γ-氨丙基三乙氧基硅烷容易产生自聚，也就是硅醇之间相互缩合，使得硅烷界面的偶联活性降低；γ-丙基三甲氧基硅烷不容易发生自聚，从而使得γ-丙基三甲氧基硅烷中的硅氧基与混凝土的结合会更加紧密，故偶联剂优选γ-丙基三甲氧基硅烷。
膨润土为一级钠土和/或二级钠土，优选为一级钠土。
一级钠土选用细度200目过筛率≥95％，PH值8-9，膨胀倍数为25-30，二级钠土选用细度200目过筛率≥90％，PH值8-9，膨胀倍数为8-15，在混凝土中分别添加相同重量份数的一级钠土和二级钠土，一级钠土由于膨胀系数较大，添加一级钠土的混凝土的渗透系数比添加二级钠土的混凝土的渗透系数，故膨润土优选一级钠土。
第二方面，本申请提供一种混凝土。
混凝土的渗透系数、弹性常数和抗压强度均为在标准养护室养护28天后，所得的混凝土试块测得的数据。
混凝土的渗透系数＜8×10-8cm/s，优选为5.2-7.9×10-8cm/s，更优选为5.2-6.5×10-8cm/s，最优选为5.2×10-8cm/s。
混凝土的弹性模量为1250-1500MPa，优选为1250-1350MPa，最优选为1250MPa。
混凝土的抗压强度为0.8-1.2MPa，优选为1-1.2MPa，最优选为1.2MPa。
第三方面，本申请提供一种混凝土的制备方法，采用如下技术方案：
一种混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将水、膨润土、水泥、石灰石粉依次加入到搅拌罐并且混合均匀；
步骤二、将分散剂、偶联剂加入到所述搅拌罐中并且混合均匀，得到混凝土浆液；
步骤三、对混凝土浆液进行成型以及养护。
通过采用上述技术方案，该操作过程简单，效率高，石灰石粉作为细骨料进入混凝土空隙进行填充。膨润土具有吸水膨胀性，能够在提高混凝土渗透系数的同时降低混凝土的弹性模量，但是膨润土的添加使得混凝土的抗压强度明显降低，从而影响墙体的浇筑质量，混凝土浆液的维勃稠度也随着膨润土的添加而增大；此时需要添加其他增强混凝土抗压强度的物质，分散剂能够与混凝土的水化产物发生反应，形成的碳酸钙可以填充在混凝土的空隙中，提高了混凝土的抗压强度，与膨润土相同的是，分散剂也会增加混凝土浆液的维勃稠度；于是通过添加偶联剂，在提高混凝土抗压强度的同时，降低混凝土浆液的维勃稠度。
第四方面，本申请提供一种混凝土在制备防渗材料中的应用。
根据本发明的一些实施方式，所述应用包括以下步骤：
按照垃圾填埋场所需防渗墙的要求，垃圾填埋防渗墙的施工过程如下，利用振动锤将专用的“H”型钢垂直振入地下至设计深度后，在缓慢提升“H”型钢的同时，通过安装于“H”型钢侧壁的注浆管和“H”型钢底部的喷嘴，灌注预先配置的混凝土浆液注入地下直至拔出“H”型钢。钻机移位至下一个槽段，将“H”型钢一端沿着前一个槽段的翼缘振入，形成槽与槽的搭接，如此反复，即形成完整的防渗墙。
在施工过程中，由于混凝土浆液粘度大，造成注浆管堵塞，因此需要控制混凝土浆液的粘度，使得混凝土浆液具有良好的流动性。同时，混凝土浆液的粘度必须保证能够凝固成型。所以，混凝土浆液的维勃稠度的性能指标为40-60s。
在施工过程中喷嘴的注浆流量和注浆压力可根据现场施工环境进行调节，保证不堵塞注浆管和喷嘴。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1.由于本申请采用膨润土，膨润土遇水能够发生膨胀，膨胀后的膨润土填充在混凝土的空隙之中，能够减少水分从空隙穿过的可能性，提高了混凝土的抗渗能力。
2.由于本申请采用分散剂，分散剂选用碳酸钠，碳酸钠与水泥水化产物反应生成碳酸钙，碳酸钙填充在混凝土的空隙之中，能够提高混凝土的抗压强度。
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。
本申请各个实施例和对比例所需要的化学原料的规格和厂家如下表1：
表1中各实施例以及对比例涉及的原料规格和厂家
Figure BDA0002944621080000051
将一定重量份数的水、膨润土、水泥、石灰石粉依次加入到搅拌罐中并且混合均匀，随后将一定重量份数的分散剂和偶联剂加入到搅拌罐中并且混合均匀制得混凝土浆液，对混凝土浆液的维勃稠度进行测试；将混凝土浆液倒入模具中成型，成型后的混凝土试块静止24h后拆模，随后将混凝土试块放入标准水养池养护28天，再取出送往试验室，检测混凝土试块的渗透系数、弹性模量和抗压强度。
随后进行多组试验，多组试验均以上述试验步骤进行，变量为水泥的重量份数，其他物质的重量份数保持一定。通过检测多个混凝土试块的渗透系数、弹性模量和抗压强度得出以下结论：水泥重量份数的改变并不能有效的降低混凝土试块的渗透系数、弹性模量，混凝土试块的抗压强度也没有明显改变。
随后，重复上述试验，只是将变量分别设置为水、石灰石粉。通过对混凝土试块进行渗透系数、弹性模量和抗压强度的检测得出以下结论：水、石灰石粉重量份数的改变并不能有效的降低混凝土试块的渗透系数、弹性模量，混凝土试块的抗压强度也没有明显改变。
通过上述试验得出混凝土组合物中水泥、水和石灰石粉的重量份数如下：水泥的重量份数为10-23份，优选为14-20份；水的重量份数为62-85份，优选为68-75份；石灰石粉的重量份数42-107份，优选为54-82份。
实施例
实施例1
一种混凝土的配比，所需原料如下：水70kg，膨润土7kg，水泥16kg，石灰石粉68kg，分散剂0.51kg，偶联剂1.2kg，其中，偶联剂选用γ-丙基三甲氧基硅烷，膨润土选用一级钠土。
本申请实施例还提供一种上述混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将水、膨润土、水泥、石灰石粉依次加入到搅拌罐并且混合均匀；
步骤二、将分散剂、偶联剂加入到所述搅拌罐中并且混合均匀，得到混凝土浆液；
步骤三、将混凝土浆液倒入模具中，将混凝土浆液将成型后试件静置24h后拆模，放入标准养护室养护28天，即获得混凝土试块。
实施例2～5
实施例2～5中的膨润土的用量与实施例1中的用量有所不同，其余均与实施例1中相同，具体见表2所示。
表2实施例1～5中膨润土的用量(kg)
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
膨润土 7 5 6 9 10
实施例6～9
实施例6～9中的分散剂的用量与实施例1中的用量有所不同，其余均与实施例1中相同，具体见表3所示。
表3实施例1、实施例6～9中分散剂的用量(kg)以及分散剂与膨润土的百分比
分散剂(kg) 分散剂/膨润土(％)
实施例1 0.51 7.28
实施例6 0.175 2.5
实施例7 0.315 4.5
实施例8 0.7 10
实施例9 0.98 14
实施例10～13
实施例10～13中的偶联剂的用量与实施例1中的用量有所不同，其余均与实施例1中相同，具体见表4所示。
表4实施例1、实施例10～13中偶联剂的用量(kg)以及偶联剂与水泥的百分比
偶联剂(kg) 偶联剂/水泥(％)
实施例1 1.2 7.5
实施例10 0.64 4
实施例11 0.96 6
实施例12 1.44 9
实施例13 1.92 12
实施例14
实施例14与实施例1的不同之处在于：偶联剂选用γ-氨丙基三乙氧基硅烷，其余均与实施例1中相同。
实施例15
实施例15与实施例1的不同之处在于：偶联剂选用γ-氨丙基三乙氧基硅烷和γ-丙基三甲氧基硅烷，γ-氨丙基三乙氧基硅烷的用量为0.6kg，γ-丙基三甲氧基硅烷的用量为0.6kg，其余均与实施例1相同。
实施例16
实施例16与实施例1的不同之处在于：膨润土选用二级钠土，其余均与实施例1中相同。
实施例17
实施例17与实施例1的不同之处在于：膨润土选用一级钠土和二级钠土，一级钠土的用量为3.5kg，二级钠土的用量为3.5kg，其余均与实施例1相同。
对比例
对比例1～3
对比例1～3中的膨润土、分散剂和偶联剂的用量与实施例1中的用量有所不同，其余均与实施例1中相同，具体见表5所示。
表5实施例1和对比例1～3中膨润土、分散剂和偶联剂的用量(kg)
Figure BDA0002944621080000071
Figure BDA0002944621080000081
对比例4～7
对比例4～7中的分散剂、偶联剂的用量与实施例1中的用量有所不同，其余均与实施例1中相同，具体见表6所示。
表6实施例1和对比例1～7中分散剂和偶联剂的用量(kg)、分散剂与膨润土的百分比以及偶联剂与水泥的百分比
Figure BDA0002944621080000082
性能检测试验将实施例1～20以及对比例1～4的混凝土分别倒入Φ70*100mm的PVC管制作试块，要求试块体积为Φ70*70mm，静止24小时后拆除模型，将试块放入水养池养护28天，水养池的温度控制在22℃左右、湿度控制在70％以上。养护28天后将试块取出送试验室，根据以下实验方法对混凝土试块进行检测。同一个实施例以及对比例均制作3个试块，每例中3个试块的检测数据取平均值，具体结果见表7、表8和表9所示。
检测方法
选取实施例1～17及对比例1～7的混凝土试块，采用如下检测方法对混凝土进行性能测试，具体结果见表7、表8和表9所示。
(一)渗透系数
为了检测试块的渗透系数，依照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)规定进行渗透系数测试，结果列于表7、表8和表9中。
(二)抗压强度
为了检测试块的抗压强度，按照《砼结构工程施工质量验收规范》(GB50204-2002)规定进行抗压强度性能测试，结果列于表7、表8和表9中。
(三)弹性模量
为了检测试块的弹性模量，按照《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)规定进行弹性模量性能测试，结果列于表7、表8和表9中。
(四)维勃稠度
为了检测混凝土浆液的维勃稠度，按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080-2002)规定进行维勃稠度性能测试，结果列于表7、表8和表9中。
表7实施例1～13混凝土的渗透系数、弹性模量、抗压强度和混凝土浆液的维勃稠度的检测结果
Figure BDA0002944621080000091
表8实施例1、实施例14～17混凝土的渗透系数、弹性模量、抗压强度和混凝土浆液的维勃稠度的检测结果
Figure BDA0002944621080000092
Figure BDA0002944621080000101
表9实施例1、对比例1～7混凝土的渗透系数、弹性模量、抗压强度和混凝土浆液的维勃稠度的检测结果
Figure BDA0002944621080000102
结合对比例2和对比例1并结合表9可以看出，当对比例2加入膨润土后，混凝土的渗透系数、弹性模量和抗压强度明显降低，混凝土浆液的维勃稠度提高。因此可以推测，膨润土的加入能够降低混凝土的渗透系数、弹性模量和抗压强度，同时提高混凝土浆液的维勃稠度。
结合对比例3和对比例2并结合表9可以看出，当对比例3加入分散剂后，混凝土的抗压强度和混凝土浆液的维勃稠度都明显提高，但是混凝土的渗透系数和弹性模量没有明显变化。因此可以推测，分散剂的加入对混凝土的渗透系数和弹性模量没有明显的影响，但是能提高混凝土的抗压强度和混凝土浆液的维勃稠度。
结合实施例1和对比例3并结合表9可以看出，当实施例1加入偶联剂后，混凝土的抗压强度明显提高，但是混凝土浆液的维勃稠度明显降低，除此之外混凝土的渗透系数和弹性模量没有明显变化。因此可以推测，偶联剂的加入对混凝土的渗透系数和弹性模量没有明显的影响，但是能提高混凝土的抗压强度，同时降低混凝土浆液的维勃稠度。
结合实施例1、对比例4和对比例5并结合表9可以看出，当分散剂的用量为膨润土重量的15％、2％时，对比例4和对比例5的抗压强度小于0.8MPa，不满足抗压强度的性能指标，对比例4和对比例5的维勃稠度也不满足维勃稠度的性能指标；同时，对比例4和对比例5的渗透系数和弹性模量比实施例1的渗透系数和弹性模量高。因此可以推测，分散剂与膨润土的重量百分比影响混凝土的渗透系数、弹性模量、抗压强度和混凝土浆液的维勃稠度。
结合实施例1、对比例6和对比例7并结合表9可以看出，当偶联剂的用量为水泥重量的13％、3％时，对比例6和对比例7的抗压强度小于0.8MPa，不满足抗压强度的性能指标，对比例6和对比例7的维勃稠度也不满足维勃稠度的性能指标。因此可以推测，偶联剂与水泥的重量百分比影响混凝土的抗压强度和混凝土浆液的维勃稠度。
结合实施例14和实施例1并结合表8可以看出，实施例1中混凝土的弹性模量比实施例14中混凝土的弹性模量低，实施例1中混凝土的抗压强度比实施例14中混凝土的抗压强度高，渗透系数和维勃稠度并没有明显的差异；结合实施例15和实施例1并结合表6可以看出，实施例1中混凝土的弹性模量比实施例15中混凝土的弹性模量低，实施例1中混凝土的抗压强度比实施例15中混凝土的抗压强度高，渗透系数和维勃稠度并没有明显的差异。因此，偶联剂优选γ-丙基三甲氧基硅烷。
结合实施例16、实施例17和实施例1并结合表8可以看出，实施例16、实施例17与实施例1相比，渗透系数和弹性模量都增大，抗压强度减小，维勃稠度变化不明显。因此，膨润土优选一级钠土。
结合实施例1、实施例2、实施例6与实施例10并结合表6进行比较，实施例1为最佳技术方案，实施例1中的渗透系数、弹性模量、抗压强度以及维勃稠度等性能远优于性能指标，使得本申请中的混凝土适用于制作防渗材料。
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 (10)

1.一种高抗渗柔性混凝土组合物，其特征在于，包括如下重量份数的组分：
水泥：10-23份；
水：62-85份；
石灰石粉：42-95份；
膨润土：5-10份；
分散剂的用量为膨润土重量的2.5-14％；
偶联剂的用量为水泥重量的4-12％。
2.根据权利要求1所述的混凝土组合物，其特征在于，包括如下重量份数的组分：
水泥：14-20份；
水：68-75份；
石灰石粉：54-82份；
膨润土：6-9份；
分散剂的用量为膨润土重量的4.5-10％；
偶联剂的用量为水泥重量的的6-9％。
3.根据权利要求1所述的混凝土组合物，其特征在于：偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷和/或γ-丙基三甲氧基硅烷,优选为γ-丙基三甲氧基硅烷。
4.根据权利要求1所述的混凝土组合物，其特征在于：膨润土为一级钠土和/或二级钠土，优选为一级钠土。
5.一种混凝土，采用权利要求1-4中任一所述的混凝土组合物制成。
6.根据权利要求5所述的混凝土，其特征在于：所述混凝土的渗透系数＜8×10-8。
7.根据权利要求5所述的混凝土，其特征在于：所述混凝土的弹性模量为1250-1500MPa。
8.根据权利要求5所述的混凝土，其特征在于：所述混凝土的抗压强度为0.8-1.2MPa。
9.权利要求5-8任一所述的混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将水、膨润土、水泥、石灰石粉依次加入到搅拌罐并且混合均匀；
步骤二、将分散剂、偶联剂加入到所述搅拌罐中并且混合均匀，得到混凝土浆液；
步骤三、对混凝土浆液进行成型以及养护。
10.根据权利要求1-4中任意一项所述的混凝土组合物或根据权利要求5-8中任意一项所述的混凝土在制备防渗材料中的应用。
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