CN113563026A - 一种抗冻混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及混凝土领域，具体公开了一种抗冻混凝土及其制备方法，抗冻混凝土由包含以下重量份的原料制成：水泥190‑210份；矿粉50‑70份；粉煤灰25‑35份；石粉55‑65份；机制砂600‑610份；河砂270‑290份；碎石950‑1050份；泵送剂8‑10份；改性钢纤维20‑40份；水160‑180份；所述改性钢纤维是指表面包覆有聚丙烯层的钢纤维。本申请通过加入改性钢纤维，具有提高混凝土的抗冻性能和抗压强度的效果。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土领域，尤其是涉及一种抗冻混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土是指用水泥作胶凝材料，砂、石作集料，与水(可含外加剂和掺合料)按一定比例配合，经搅拌而得的水泥混凝土。当混凝土应用于北方寒冷地区时，混凝土不仅需要长期耐受低温，而且还要经受反复冻融的考验。为了满足这方面的需求，抗冻混凝土应运而生，抗冻混凝土具有长期抵抗冻融循环的耐久性能。
相关技术中公开了一种抗冻融混凝土，包括如下重量份的原料组分：水泥320-400份、粗骨料1100-1350份、粉煤灰漂珠15-35份、外加剂8-15份、水120-165份和钢纤维5-15份。相关技术中还公开了一种抗冻融混凝土，包括如下重量份的原料组分：水泥320-400份、粗骨料1100-1350份、粉煤灰漂珠15-35份、外加剂8-15份、水120-165份和聚丙烯纤维15-35份。
针对上述中的相关技术，发明人认为第一种方案通过在素混凝土中加入钢纤维，提高混凝土的抗冻性能，但是，钢纤维的密度大，施工时容易下沉到混凝土底部，导致钢纤维分布不均匀，混凝土的抗冻性能有待提升；第二种方案通过在素混凝土中加入聚丙烯纤维，增强混凝土的抗冻效果，但是，聚丙烯纤维属于柔性材料，在搅拌时容易成团，分散性较差，混凝土的抗冻性能有待提升。
发明内容
为了提高混凝土的抗冻性能，本申请提供一种抗冻混凝土及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种抗冻混凝土，采用如下的技术方案：
一种抗冻混凝土，所述抗冻混凝土由包含以下重量份的原料制成：
水泥190-210份；
矿粉50-70份；
粉煤灰25-35份；
石粉55-65份；
机制砂600-610份；
河砂270-290份；
碎石950-1050份；
泵送剂8-10份；
改性钢纤维20-40份；
水160-180份；
所述改性钢纤维是指表面包覆有聚丙烯层的钢纤维。
通过采用上述技术方案，钢纤维对于混凝土具有增韧、抗裂的作用，混凝土中的裂缝在受到外力向外扩张时被钢纤维限制，从而提高了混凝土的抗冻性能，但是，单独掺入钢纤维存在以下缺点：由于钢纤维的密度较大，在施工时容易下沉至混凝土的底部，导致钢纤维分布不均匀，不能充分发挥原有的抗冻性能；聚丙烯纤维质量轻，尺寸小，在混凝土中数量多，形成乱向分布的纤维网，可以抑制裂缝发展，从而增强抗冻效果，但是，单独掺入聚丙烯纤维时也存在以下缺点：聚丙烯纤维较柔软，在搅拌时容易团聚，导致其分散性较差，难以在混凝土中分布均匀，难以充分发挥其抗冻效果；申请人经过研究发现，将钢纤维和聚丙烯纤维一起加入混凝土中，虽然抗冻效果优于单掺钢纤维或聚丙烯纤维，但是仍然不够理想；申请人经过进一步研究，在钢纤维的表面包覆聚丙烯材料，由于聚丙烯材料密度小，使得改性钢纤维的密度小于钢纤维的密度，从而改善了钢纤维下沉的缺陷，同时，聚丙烯材料包覆钢纤维后，改性钢纤维的硬度高于聚丙烯纤维，克服了聚丙烯纤维容易团聚的缺陷，使得改性钢纤维在混凝土中分布更加均匀，因此，得到的混凝土的抗冻性能大幅提升，由于改性钢纤维的加入，也提高了混凝土的抗压强度。
可选的，所述改性钢纤维的制备方法包括以下步骤：将钢纤维清洗干净后，晾干备用；将聚丙烯材料加热熔融；将清洗干净的钢纤维加入到熔融的聚丙烯材料中，充分浸渍后，取出钢纤维，冷却，得到改性钢纤维。
通过采用上述技术方案，清洗钢纤维可以减少杂质对浸渍的影响，钢纤维浸渍在熔融的聚丙烯中，聚丙烯可以全面包裹钢纤维，取出冷却后得到符合要求的改性钢纤维。
可选的，所述钢纤维的清洗步骤如下：将钢纤维在质量分数为10-15％的氢氧化钠溶液中浸泡1-3min，同时进行超声波处理，将钢纤维取出后用去离子水冲洗，再进行干燥，备用。
通过采用上述技术方案，由于钢纤维表面可能残留有油污、杂质，利用超声波使氢氧化钠溶液产生大量的小气泡，小气泡在生长及破裂时会产生强大的机械力，使钢纤维表面的油污剥离，油污在浮力和氢氧化钠的作用下浮出液面，完成脱脂去污，提高聚丙烯与钢纤维的结合力，从而提高混凝土的抗冻性能和抗压强度。
可选的，所述钢纤维在干燥后还进行喷砂处理，将喷砂后的钢纤维清洗后，干燥备用，钢纤维喷砂后的表面粗糙度为Ra3.2-6.3。
通过采用上述技术方案，喷砂处理可以提高钢纤维表面的粗糙度，进一步提高聚丙烯与钢纤维的结合力，降低聚丙烯与钢纤维分离的可能性，从而提高混凝土的抗冻性能和抗压强度。
可选的，所述聚丙烯材料加热熔融后恒温在230-260℃，钢纤维在浸渍前预热至180-210℃。
通过采用上述技术方案，常温的钢纤维浸渍在熔融的聚丙烯中时，钢纤维因膨胀会增加聚丙烯层的应力，导致聚丙烯层开裂；钢纤维进行预热后，降低了钢纤维与聚丙烯材料的温度差，既可以消除钢纤维表面的潮气，增强钢纤维与聚丙烯层的结合力，还可以降低钢纤维膨胀带来的应力，使得钢纤维表面的聚丙烯层更加完整，从而提高混凝土的抗冻性能和抗压强度。
可选的，所述钢纤维的直径为0.1-0.2mm，长度为20-40mm。
通过采用上述技术方案，采用上述尺寸的钢纤维浸渍聚丙烯，既方便聚丙烯附着在钢纤维表面，也可以改善钢纤维下沉的缺陷，提高混凝土的抗冻性能和抗压强度。
可选的，所述聚丙烯层的厚度为20-50μm。
通过采用上述技术方案，聚丙烯层的厚度太薄，对改性钢纤维的密度影响太小，聚丙烯层的厚度太厚，对混凝土的抗冻性能没有明显提升。
第二方面，本申请提供一种抗冻混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：
一种抗冻混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将机制砂、河砂、碎石、改性钢纤维混合搅拌均匀，得到骨料混合物；
步骤二，将水泥、矿粉、粉煤灰、石粉混合搅拌均匀，得到胶凝混合物；
步骤三，将骨料混合物和胶凝混合物混合，再加入泵送剂和水，搅拌均匀，得到抗冻混凝土。
通过采用上述技术方案，钢纤维的表面包覆聚丙烯材料，使得改性钢纤维的密度小于钢纤维的密度，从而改善了钢纤维下沉的缺陷，同时，聚丙烯材料包覆钢纤维后，改性钢纤维的硬度高于聚丙烯纤维，克服了聚丙烯纤维容易团聚的缺陷，使得改性钢纤维在混凝土中分布更加均匀，因此，得到的混凝土的抗冻性能大幅提升，由于改性钢纤维的加入，也提高了混凝土的抗压强度。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、由于本申请在钢纤维的表面包覆聚丙烯材料，聚丙烯材料密度小，使得改性钢纤维的密度小于钢纤维的密度，从而改善了钢纤维下沉的缺陷，同时，聚丙烯材料包覆钢纤维后，改性钢纤维的硬度高于聚丙烯纤维，克服了聚丙烯纤维容易团聚的缺陷，使得改性钢纤维在混凝土中分布更加均匀，因此，得到的混凝土的抗冻性能大幅提升，由于改性钢纤维的加入，也提高了混凝土的抗压强度；
2、本申请在钢纤维浸渍前进行脱脂去污，可以提高聚丙烯与钢纤维的结合力，在脱脂后进行喷砂处理，可以提高钢纤维表面的粗糙度，进一步提高聚丙烯与钢纤维的结合力，降低聚丙烯与钢纤维分离的可能性，提高了混凝土的抗冻性能和抗压强度；
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。
原料的制备例
制备例1
改性钢纤维，其制备方法包括以下步骤：将钢纤维用去离子水清洗干净后，晾干备用，钢纤维是平直形钢纤维，钢纤维的直径为0.3mm，长度为15mm；将聚丙烯材料加热熔融，恒温在225℃；将清洗干净的钢纤维加入到熔融的聚丙烯材料中，聚丙烯是市售的无规共聚聚丙烯，浸渍10min，取出钢纤维，冷却至常温，得到改性钢纤维，聚丙烯层的厚度为10μm。
制备例2
改性钢纤维，与制备例1的不同之处在于，钢纤维的长度为20mm。
制备例3
改性钢纤维，与制备例1的不同之处在于，钢纤维的长度为30mm。
制备例4
改性钢纤维，与制备例1的不同之处在于，钢纤维的长度为40mm。
制备例5
改性钢纤维，与制备例1的不同之处在于，钢纤维的长度为50mm。
制备例6
改性钢纤维，与制备例3的不同之处在于，钢纤维的直径为0.2mm。
制备例7
改性钢纤维，与制备例3的不同之处在于，钢纤维的直径为0.18mm。
制备例8
改性钢纤维，与制备例3的不同之处在于，钢纤维的直径为0.1mm。
制备例9
改性钢纤维，与制备例3的不同之处在于，钢纤维的直径为0.08mm。
制备例10
改性钢纤维，与制备例7的不同之处在于，聚丙烯层的厚度为20μm。
制备例11
改性钢纤维，与制备例7的不同之处在于，聚丙烯层的厚度为40μm。
制备例12
改性钢纤维，与制备例7的不同之处在于，聚丙烯层的厚度为50μm。
制备例13
改性钢纤维，与制备例7的不同之处在于，聚丙烯层的厚度为70μm。
制备例14
改性钢纤维，与制备例11的不同之处在于，其制备方法包括以下步骤：将钢纤维在质量分数为12％的氢氧化钠溶液中浸泡2min，同时进行超声波处理，超声波频率为15kHz，将钢纤维取出后用去离子水冲洗，晾干备用，钢纤维是平直形钢纤维，钢纤维的直径为0.3mm，长度为15mm；将聚丙烯材料加热熔融，恒温在225℃；将清洗干净的钢纤维加入到熔融的聚丙烯材料中，浸渍10min，取出钢纤维，冷却至常温，得到改性钢纤维，聚丙烯层的厚度为10μm。
制备例15
改性钢纤维，与制备例14的不同之处在于，其制备方法包括以下步骤：将钢纤维在质量分数为12％的氢氧化钠溶液中浸泡2min，同时进行超声波处理，超声波频率为15kHz，将钢纤维取出后用去离子水冲洗，钢纤维晾干后进行喷砂处理，将喷砂后的钢纤维清洗后，干燥备用，钢纤维喷砂后的表面粗糙度为Ra3.2，钢纤维是平直形钢纤维，钢纤维的直径为0.3mm，长度为15mm；将聚丙烯材料加热熔融，恒温在225℃；将清洗干净的钢纤维加入到熔融的聚丙烯材料中，浸渍10min，取出钢纤维，冷却至常温，得到改性钢纤维，聚丙烯层的厚度为10μm。
制备例16
改性钢纤维，与制备例15的不同之处在于，钢纤维喷砂后的表面粗糙度为Ra6.3。
制备例17
改性钢纤维，与制备例15的不同之处在于，聚丙烯材料加热熔融后恒温在230℃，钢纤维在浸渍前预热至180℃。
制备例18
改性钢纤维，与制备例15的不同之处在于，聚丙烯材料加热熔融后恒温在250℃，钢纤维在浸渍前预热至200℃。
制备例19
改性钢纤维，与制备例15的不同之处在于，聚丙烯材料加热熔融后恒温在260℃，钢纤维在浸渍前预热至210℃。
实施例
实施例1
一种抗冻混凝土，抗冻混凝土由包含以下重量份的原料制成：
水泥190kg；
矿粉70kg；
粉煤灰25kg；
石粉65kg；
机制砂600kg；
河砂270kg；
碎石1050kg；
泵送剂8kg；
改性钢纤维30kg；
水160kg；
其中，改性钢纤维由制备例18制得，水泥是PO42.5水泥，矿粉是S95矿粉，粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，碎石是粒径为5-20mm的碎石，泵送剂是购自重庆市高新技术产业开发区高和建筑材料厂的GH混凝土泵送剂。
抗冻混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将机制砂、河砂、碎石、改性钢纤维混合搅拌均匀，得到骨料混合物；
步骤二，将水泥、矿粉、粉煤灰、石粉混合搅拌均匀，得到胶凝混合物；
步骤三，将骨料混合物和胶凝混合物混合，再加入泵送剂和水，搅拌均匀，得到抗冻混凝土。
实施例2
一种抗冻混凝土，与实施例1的不同之处在于，抗冻混凝土由包含以下重量份的原料制成：
水泥210kg；
矿粉50kg；
粉煤灰35kg；
石粉55kg；
机制砂610kg；
河砂290kg；
碎石950kg；
泵送剂10kg；
改性钢纤维40kg；
水180k
实施例3
一种抗冻混凝土，与实施例1的不同之处在于，抗冻混凝土由包含以下重量份的原料制成：
水泥200kg；
矿粉60kg；
粉煤灰30kg；
石粉60kg；
机制砂605kg；
河砂280kg；
碎石1000kg；
泵送剂9kg；
改性钢纤维20kg；
水170kg。
实施例4
一种抗冻混凝土，与实施例1的不同之处在于，抗冻混凝土由包含以下重量份的原料制成：
水泥200kg；
矿粉60kg；
粉煤灰30kg；
石粉60kg；
机制砂605kg；
河砂280kg；
碎石1000kg；
泵送剂9kg；
改性钢纤维40kg；
水170kg；
改性钢纤维由制备例1制得。
实施例5-22
一种抗冻混凝土，与实施例4的不同之处在于，改性钢纤维分别由制备例2-19制得。
实施例23
一种抗冻混凝土，与实施例4的不同之处在于，改性钢纤维的重量为20kg。
实施例24
一种抗冻混凝土，与实施例4的不同之处在于，改性钢纤维的重量为30kg。
对比例
对比例1
一种抗冻混凝土，与实施例4的不同之处在于，抗冻混凝土由包含以下重量份的原料制成：
水泥200kg；
矿粉60kg；
粉煤灰30kg；
石粉60kg；
机制砂605kg；
河砂280kg；
碎石1000kg；
泵送剂9kg；
水170kg。
对比例2
一种抗冻混凝土，与实施例4的不同之处在于，改性钢纤维的加入量为10kg。
对比例3
一种抗冻混凝土，与实施例4的不同之处在于，改性钢纤维的加入量为60kg。
对比例4
一种抗冻混凝土，与实施例4的不同之处在于，将40kg改性钢纤维替换为40kg市售的普通钢纤维。
对比例5
一种抗冻混凝土，与实施例4的不同之处在于，将40kg改性钢纤维替换为4kg聚丙烯纤维，聚丙烯纤维是购自深圳市恒悦达建筑材料有限公司的KLW-02JBX聚丙烯纤维。
对比例6
一种抗冻混凝土，与实施例4的不同之处在于，将40kg改性钢纤维替换为0.65kg聚丙烯纤维与39.35kg市售的普通钢纤维的混合纤维，聚丙烯纤维是购自深圳市恒悦达建筑材料有限公司的KLW-02JBX聚丙烯纤维。
性能检测试验
试验方法
(1)采用GB/T50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准的中的快速冻融循环实验方法，对实施例1-22和对比例1-6中的混凝土进行测试，冻融循环300次，记录质量损失率。
(2)采用GB-T50081-2019普通混凝土力学性能试验方法标准中的抗压强度试验方法，测试实施例1-22和对比例1-6中混凝土的28d抗压强度。
表1实施例1-22和对比例1-6的测试结果
结合实施例1-4和对比例1-6并结合表1可以看出，对比例4在对比例1的基础上加入普通钢纤维后，混凝土的抗压强度有所提升，质量损失率降低，抗冻性能提升，对比例5在对比例1的基础上加入适量聚丙烯纤维后，混凝土的抗压强度有所提升，质量损失率降低，抗冻性能提升，对比例6同时加入普通钢纤维和聚丙烯纤维时，混凝土的抗压强度进一步提升，质量损失率进一步降低，抗冻性能进一步提升，说明普通钢纤维和聚丙烯纤维均可以提高混凝土抗压强度和抗冻性能。
实施例4在对比例4的基础上对钢纤维进行改性后，混凝土的抗压强度大幅提升，质量损失率大幅降低，抗冻性能提升，说明在钢纤维表面包覆聚丙烯层后，能够提高混凝土的抗压强度和抗冻性能；而且实施例4的抗压强度提升幅度和质量损失率降低幅度均大于对比例6，说明对钢纤维进行改性的方案优于混合纤维的方案。
结合实施例4、实施例23-24和对比例2-3可知，对比例2加入10kg改性钢纤维，混凝土的抗压强度低于实施例4、实施例23-24，质量损失率大于实施例4、实施例23-24，对比例6加入60kg改性钢纤维，虽然抗压强度提升，质量损失率降低，但是与实施例4相比，提升幅度不大，在综合考虑成本因素后，改性钢纤维的加入量在20-40kg时较好。
结合实施例4-8可知，实施例4的钢纤维长度为15mm时，抗压强度低于实施例5-7，质量损失率高于实施例5-7；实施例8的钢纤维长度为50mm时，抗压强度低于实施例5-7，质量损失率高于实施例5-7，说明钢纤维的长度优选为20-40mm。
结合实施例4、9-12可知，实施例4的钢纤维直径为0.3mm时，抗压强度低于实施例9-11，质量损失率高于实施例9-11；实施例12的钢纤维直径为0.08mm时，抗压强度略高于实施例9-11，质量损失率略低于实施例9-11，虽然实施例8的效果较好，但是0.08mm的钢纤维制造成本很高，综合考虑，钢纤维的直径优选为0.1-0.2mm。
结合实施例4、13-16可知，实施例4的聚丙烯层厚度为10μm时，抗压强度低于实施例13-15，质量损失率高于实施例13-15；实施例16的聚丙烯层厚度为70μm时，抗压强度低于实施例13-15，质量损失率高于实施例13-15，说明聚丙烯层厚度优选为20-50μm。
结合实施例4、17-19可知，实施例17在对钢纤维进行超声波脱脂后，抗压强度高于实施例4，质量损失率低于实施例4，说明超声波脱脂去污，可以提高聚丙烯与钢纤维的结合力，从而提高混凝土的抗压强度和抗冻性能。实施例18-19在进行喷砂处理后，抗压强度高于实施例17，质量损失率低于实施例17，说明喷砂处理可以提高钢纤维表面的粗糙度，进一步提高聚丙烯与钢纤维的结合力，降低聚丙烯与钢纤维分离的可能性，从而提高混凝土的抗压强度和抗冻性能。
结合实施例4、20-22可知，实施例20-22在对钢纤维进行预热处理后，抗压强度高于实施例4，质量损失率低于实施例4，说明预热处理增强钢纤维与聚丙烯层的结合力，从而提高混凝土的抗压强度和抗冻性能，且聚丙烯材料加热熔融后恒温在250℃，钢纤维在浸渍前预热至200℃时，效果最好。
综上所述，本申请在钢纤维的表面包覆聚丙烯材料，聚丙烯材料密度小，改善了钢纤维下沉的缺陷，克服了聚丙烯纤维容易团聚的缺陷，使得改性钢纤维在混凝土中分布更加均匀，得到的混凝土的抗冻性能大幅提升，同时也提高了混凝土的抗压强度。
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 (8)
1.一种抗冻混凝土，其特征在于：所述抗冻混凝土由包含以下重量份的原料制成：
水泥190-210份；
矿粉50-70份；
粉煤灰25-35份；
石粉55-65份；
机制砂600-610份；
河砂270-290份；
碎石950-1050份；
泵送剂8-10份；
改性钢纤维20-40份；
水160-180份；
所述改性钢纤维是指表面包覆有聚丙烯层的钢纤维。
2.根据权利要求1所述的一种抗冻混凝土，其特征在于：所述改性钢纤维的制备方法包括以下步骤：将钢纤维清洗干净后，晾干备用；将聚丙烯材料加热熔融；将清洗干净的钢纤维加入到熔融的聚丙烯材料中，充分浸渍后，取出钢纤维，冷却，得到改性钢纤维。
3.根据权利要求2所述的一种抗冻混凝土，其特征在于：所述钢纤维的清洗步骤如下：将钢纤维在质量分数为10-15%的氢氧化钠溶液中浸泡1-3min，同时进行超声波处理，将钢纤维取出后用去离子水冲洗，再进行干燥，备用。
4.根据权利要求3所述的一种抗冻混凝土，其特征在于：所述钢纤维在干燥后还进行喷砂处理，将喷砂后的钢纤维清洗后，干燥备用，钢纤维喷砂后的表面粗糙度为Ra3.2-6.3。
5.根据权利要求2所述的一种抗冻混凝土，其特征在于：所述聚丙烯材料加热熔融后恒温在230-260℃，钢纤维在浸渍前预热至180-210℃。
6.根据权利要求1所述的一种抗冻混凝土，其特征在于：所述钢纤维的直径为0.1-0.2mm，长度为20-40mm。
7.根据权利要求6所述的一种抗冻混凝土，其特征在于：所述聚丙烯层的厚度为20-50μm。
8.权利要求1-7任一项所述的一种抗冻混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，将机制砂、河砂、碎石、改性钢纤维混合搅拌均匀，得到骨料混合物；
步骤二，将水泥、矿粉、粉煤灰、石粉混合搅拌均匀，得到胶凝混合物；
步骤三，将骨料混合物和胶凝混合物混合，再加入泵送剂和水，搅拌均匀，得到抗冻混凝土。
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