CN112979232A - 一种海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土及其制备方法，属于纤维混凝土领域。本发明提供的高延性混凝土包括以下质量份的组分，水泥90～150份；粉煤灰200～350份；石英砂120～180份；海绵焦15～20份；减压渣油2～6份；聚乙烯醇纤维10～20份；减水剂0.2～0.4份；水80～135份。本发明使用海绵焦和减压渣油作为混凝土的外加剂，二者具有协同作用，可以有效降低聚乙烯醇纤维与水泥水化产物之间的化学粘结能，降低聚乙烯醇纤维被拔断的几率，从而改善高延性混凝土材料的拉伸变形能力，提高高延性混凝土的极限拉伸强度和拉伸应变。

Description

一种海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及纤维混凝土技术领域，特别涉及一种海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土及其制备方法。
背景技术
作为最常见的一种建筑材料，水泥混凝土在拉伸或弯曲荷载作用下表现出了一种脆性特性。为了改善混凝土材料的脆性，通常会在混凝土材料内添加一定量的短切纤维，制成纤维混凝土。
高延性混凝土材料(engineered cementitious composites,简称ECC)是一种特殊的纤维增强水泥基材料。它是基于微观力学与断裂力学设计理论，通过对水泥基体、纤维、纤维/基体界面性能的系统设计与优化而成，通常其纤维掺量为2％左右。不同于普通混凝土或纤维混凝土的脆性破坏模式，在直接拉伸荷载下，ECC表现出了超高的延性与韧性，其拉伸应变可为3～8％，约为普通混凝土的300～800倍；在受拉过程中，ECC试件表面呈多缝开裂现象，且裂缝宽度可控制在100μm以下。ECC所表现出的高延性与极好的裂缝宽度控制能力，使其在作为建筑结构构件时可大幅度提高建筑物的安全性与耐久性。
在高延性混凝土材料的制备过程中，最常用的纤维是一种亲水基的聚乙烯醇(PVA)纤维。由于PVA纤维表面存在的羟基，会使其与原料中的水化产物产生较强的化学粘结能。较大的化学粘结能使得PVA纤维在受拉的过程中被拉断，这限制了高延性混凝土材料的拉伸性能的提升。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土及其制备方法。本发明提供的高延性混凝土具有高极限拉伸强度和高拉伸应变。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土，包括以下质量份数的组分：
Figure BDA0002943696270000021
优选的，包括以下质量份数的组分：
Figure BDA0002943696270000022
优选的，所述海绵焦采用延迟焦化法制备得到，所述海绵焦的粒径≤1mm。
优选的，所述减压渣油的粘度为400～600mm2/s，沸点≥550℃，所述减压渣油中的胶质含量为46～50％。
优选的，所述粉煤灰的粒径为1～100μm，所述石英砂的粒径为0.5～2mm。
优选的，所述聚乙烯醇纤维的直径为14～26μm，长度为6～12mm。
优选的，所述减水剂为木质素磺酸盐类减水剂和/或聚羧酸类减水剂。
本发明提供了上述海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将减压渣油与海绵焦加热混合，得到外加剂混合物；
(2)将水、水泥、粉煤灰、石英砂和减水剂搅拌混合，得到预混合液；
(3)将所述预混合液与所述外加剂混合物、聚乙烯醇纤维搅拌混合，得到海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土；
所述步骤(1)和(2)之间没有时间顺序的限制。
优选的，所述步骤(1)中加热混合的温度为140～160℃。
优选的，所述步骤(2)中预混合液的流动扩展度≥230mm。
本发明提供了一种海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土，包括以下质量份的组分，水泥90～150份；粉煤灰200～350份；石英砂120～180份；海绵焦15～20份；减压渣油2～6份；聚乙烯醇纤维10～20份；减水剂0.2～0.4份；水80～135份。本发明使用海绵焦和减压渣油作为混凝土的外加剂，二者具有协同作用，能够增加水泥水化反应的程度，有效降低聚乙烯醇纤维与水泥水化产物之间的化学粘结能，降低聚乙烯醇纤维被拔断的几率，从而改善高延性混凝土材料的拉伸变形能力，提高高延性混凝土的极限拉伸强度和拉伸应变。同时，海绵焦具有疏松多孔结构，在降低混凝土密度的同时能够大幅度提高混凝土的断裂韧度。在本发明中，粉煤灰具有低粒度，能够通过降低混凝土孔隙的方式来提高混凝土的强度；石英砂具有高硬度和磨光值，不易被磨耗，能够提高混凝土的耐磨性能。实施例结果表明，本发明提供的高延性混凝土期限拉伸强度为9.32～9.88MPa，拉伸应变为6.12～6.17％。
本发明提供了上述海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土的制备方法，本发明采用搅拌混合的方式制备高延性混凝土，操作简单，成本低廉，适用于工业化大批量生产。
具体实施方式
本发明提供了一种海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土，包括以下质量份数的组分：
Figure BDA0002943696270000031
Figure BDA0002943696270000041
以质量份数计，本发明提供的海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土包括90～150份的水泥，优选为100～120份，更优选为105～115份。本发明对所述水泥的种类、来源没有特殊的要求，使用本领域常规市售的水泥即可。
以所述水泥的质量份数为基准，本发明提供的海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土包括200～350份的粉煤灰，优选为250～300份，更优选为260～280份。在本发明中，所述粉煤灰的粒径优选为1～100μm，更优选为10～70μm，进一步优选为30～60μm。本发明对所述粉煤灰的来源没有特殊的要求，使用市售的粉煤灰即可。在本发明中，所述粉煤灰具有低粒度，能够通过降低混凝土孔隙的方式来提高混凝土的强度，还能够起到润滑的作用。
以所述水泥的质量份数为基准，本发明提供的海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土包括120～180份的石英砂，优选为140～160份，更优选为150份。在本发明中，所述石英砂的粒径优选为0.5～2mm，更优选为1～1.5mm。本发明对所述石英砂的来源没有特殊的要求，使用本领域市售的石英砂即可。在本发明中，石英砂具有高硬度和磨光值，能够从骨料角度提高混凝土的耐磨性能。
以所述水泥的质量份数为基准，本发明提供的海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土包括15～20份的海绵焦，优选为16～18份。在本发明中，所述海绵焦优选为延迟焦化法制备得到的海绵焦，所述海绵焦的粒径≤1mm，更优选为0.5～1mm。在本发明中，所述海绵焦优选为低硫焦，形态为粉焦态，灰分为1.5％。
以所述水泥的质量份数为基准，本发明提供的海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土包括2～6份的减压渣油，更优选为4～5份。在本发明中，所述减压渣油的粘度优选为400～600mm2/s，更优选为450～550mm2/s；所述减压渣油的沸点优选≥550℃，更优选为550～600℃；所述减压渣油中的胶质含量优选为46～50％，更优选为48～49％。在本发明中，海绵焦和减压渣油具有协同作用，可以有效降低聚乙烯醇纤维与水泥水化产物之间的化学粘结能，降低聚乙烯醇纤维被拔断的几率，从而改善高延性混凝土材料的拉伸变形能力，提高高延性混凝土的极限拉伸强度和拉伸应变。同时，在本发明中，海绵焦和减压渣油的工业附加值低，本发明使用海绵焦和减压渣油作为外加剂，能够减小其对环境的污染，提高经济效益，在一定程度上为海绵焦和减压渣油的处理提供了一种解决方式。
以所述水泥的质量份数为基准，本发明提供的海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土包括10～20份的聚乙烯醇纤维，优选为12～16份，更优选为13～15份。在本发明中，所述聚乙烯醇纤维的直径优选为14～26μm，更优选为18～22μm，长度优选为6～12mm，更优选为8～10mm。本发明对所述聚乙烯醇纤维的来源没有特殊的要求，使用本领域常规市售的聚乙烯醇纤维即可。
以所述水泥的质量份数为基准，本发明提供的海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土包括0.2～0.4份的减水剂，优选为0.3份。在本发明中，所述减水剂优选为木质素磺酸盐类减水剂和/或聚羧酸类减水剂，更优选为木质素磺酸钠减水剂。
以所述水泥的质量份数为基准，本发明提供的海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土包括80～135份的水，优选为90～120份，更优选为100～110份。
本发明提供了上述海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将减压渣油与海绵焦加热混合，得到外加剂混合物；
(2)将水、水泥、粉煤灰、石英砂和减水剂搅拌混合，得到预混合液；
(3)将所述预混合液与外加剂混合物、聚乙烯醇纤维搅拌混合，得到海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土；
所述步骤(1)、(2)没有时间顺序的限制。
本发明将减压渣油与海绵焦加热混合，得到外加剂混合物。在本发明中，所述加热混合的温度优选为140～160℃，更优选为145～155℃。本发明优选先加热减压渣油，再向热减压渣油中加入海绵焦混合。在本发明中，所述混合的方式优选为搅拌混合，本发明对所述搅拌的速率、时间没有特殊的要求，将上述成分搅拌均匀即可。
本发明将水、水泥、粉煤灰、石英砂和减水剂搅拌混合，得到预混合液。在本发明中，所述搅拌混合的方式优选为：先将水泥、粉煤灰和石英砂进行搅拌混合，得到固体混合料，再将水和减水剂进行搅拌混合，得到液体混合料，最后将所述固体混合料和液体混合料搅拌混合，得到预混合液。本发明对所述搅拌的速率、时间没有特殊的要求，将上述成分搅拌均匀即可。在本发明中，所述预混合液的流动扩展度优选≥230mm，更优选为230～260mm。
得到所述外加剂混合物和预混合液后，本发明将所述预混合液与外加剂混合物、聚乙烯醇纤维搅拌混合，得到海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土。本发明对所述搅拌的速率、时间没有特殊的要求，将上述成分搅拌均匀即可。
在本发明中，所述海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土的养护方法优选为在标准条件(20±2℃，湿度不低于95％)下养护。
下面结合实施例对本发明提供的海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土，由以下质量份的原料制备得到：
Figure BDA0002943696270000061
其中，粉煤灰的粒径为1～100μm，石英砂的粒径为0.5～2mm，海绵焦的粒径≤1mm；聚乙烯醇纤维的直径为14～26μm，长度为6～12mm。
减压渣油的粘度为400mm2/s，沸点为550℃，所述减压渣油中的胶质含量为46％。
制备方法如下：
(1)加入90份水泥、200份粉煤灰、120份石英砂到搅拌锅中，搅拌均匀；
(2)将0.2份减水剂融入到80份水中，搅拌均匀；
(3)将步骤(2)中的液体加入到搅拌锅中继续搅拌，直至浆体流动扩展度达到230mm，得到预混合液；
(4)将2份减压渣油加热至140℃，然后加入15份海绵焦，搅拌均匀得到外加剂混合物；
(5)将步骤(4)得到的外加剂混合物加入步骤(3)得到的预混合液中继续搅拌，直至搅拌均匀；
(6)再加入10份聚乙烯醇纤维至搅拌锅中，继续搅拌，直至聚乙烯醇纤维分散均匀，得到海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土。
实施例2
一种海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土，由以下质量份的原料制备得到：
Figure BDA0002943696270000071
其中，粉煤灰的粒径为1～100μm，石英砂的粒径为0.5～2mm，海绵焦的粒径≤1mm；聚乙烯醇纤维的直径为14～26μm，长度为6～12mm。
减压渣油的粘度为450mm2/s，沸点为550℃，所述减压渣油中的胶质含量为48％。
制备方法如下：
(1)加入110份水泥、260份粉煤灰、150份石英砂到搅拌锅中，搅拌均匀；
(2)将0.3份减水剂融入到100份水中，搅拌均匀；
(3)将步骤(2)中的液体加入到搅拌锅中继续搅拌，直至浆体流动扩展度达到230mm；
(4)将4份减压渣油加热至150℃以提高其流动性和粘度，然后加入18份海绵焦，搅拌均匀；
(5)将步骤(4)得到的液体加入搅拌锅中继续搅拌，直至搅拌均匀；
(6)加入15份聚乙烯醇纤维至搅拌锅中，继续搅拌，直至聚乙烯醇纤维分散均匀，得到海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土。
实施例3
一种海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土，由以下质量份的原料制备得到：
Figure BDA0002943696270000081
其中，粉煤灰的粒径为1～100μm，石英砂的粒径为0.5～2mm，海绵焦的粒径≤1mm；聚乙烯醇纤维的直径为14～26μm，长度为6～12mm。
减压渣油的粘度为500mm2/s，沸点为550℃，所述减压渣油中的胶质含量为47％。
制备方法如下：
(1)加入130份水泥、320份粉煤灰、180份石英砂到搅拌锅中，搅拌均匀；
(2)将0.4份减水剂融入到130份水中，搅拌均匀；
(3)将步骤(2)中的液体加入到搅拌锅中继续搅拌，直至浆体流动扩展度达到230mm；
(4)将6份减压渣油加热至150℃以提高其流动性和粘度，然后加入20份海绵焦，搅拌均匀；
(5)将步骤(4)得到的液体加入搅拌锅中继续搅拌，直至搅拌均匀；
(6)加入20份聚乙烯醇纤维至搅拌锅中，继续搅拌，直至聚乙烯醇纤维分散均匀，得到海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土。
对比例1
对比例1与实施例2的区别在于，未加入海绵焦和减压渣油，其余操作均相同，得到对比高延性混凝土，记为编号1。
对比例2
对比例2与实施例2的区别在于，未加入减压渣油，其余操作均相同，得到对比高延性混凝土，记为编号2。
对比例3
对比例3与实施例2的区别在于，未加入海绵焦，其余操作均相同，得到对比高延性混凝土，记为编号3。
性能测试
对实施例1～3和对比例1～3所得高延性混凝土进行养护，养护条件为20±2℃，湿度不低于95％。
对上述养护后的混凝土进行拉伸测试，测试方法为：按照《公路水泥混凝土试验规程》中T0560-2005规定的水泥混凝土立方体劈裂抗拉强度试验方法。
所得高延性混凝土的拉伸实验测试结果如表1所示。
表1 实施例1～3和对比例1～3所得高延性混凝土的性能测试结果
Figure BDA0002943696270000091
Figure BDA0002943696270000101
由表1可以看出，较传统的高延性混凝土材料(对比例1)，本发明提供的海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土表现出了较高的拉伸应变(即变形能力更大)，同时保持拉伸应力不变。因此本发明提供的将海绵焦和减压渣油作为外加剂掺入高延性混凝土材料浆体中，有效的提高了高延性混凝土材料的拉伸变形能力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土，包括以下质量份数的组分：
Figure FDA0002943696260000011
2.根据权利要求1所述的海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土，其特征在于，包括以下质量份数的组分：
Figure FDA0002943696260000012
3.根据权利要求1或2所述的海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土，其特征在于，所述海绵焦采用延迟焦化法制备得到，所述海绵焦的粒径≤1mm。
4.根据权利要求1或2所述的海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土，其特征在于，所述减压渣油的粘度为400～600mm2/s，沸点≥550℃，所述减压渣油中的胶质含量为46～50％。
5.根据权利要求1或2所述的海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土，其特征在于，所述粉煤灰的粒径为1～100μm，所述石英砂的粒径为0.5～2mm。
6.根据权利要求1或2所述的海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土，其特征在于，所述聚乙烯醇纤维的直径为14～26μm，长度为6～12mm。
7.根据权利要求1或2所述的海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土，其特征在于，所述减水剂为木质素磺酸盐类减水剂和/或聚羧酸类减水剂。
8.权利要求1～7任意一项所述海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将减压渣油与海绵焦加热混合，得到外加剂混合物；
(2)将水、水泥、粉煤灰、石英砂和减水剂搅拌混合，得到预混合液；
(3)将所述预混合液与所述外加剂混合物、聚乙烯醇纤维搅拌混合，得到海绵焦和减压渣油改性的高延性混凝土；
所述步骤(1)和(2)之间没有时间顺序的限制。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中加热混合的温度为140～160℃。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中预混合液的流动扩展度≥230mm。
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