CN113955996B - 一种相变抗裂混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种相变抗裂混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相变抗裂混凝土，各组分及其用量包括：胶凝材料350～550kg/m3，机制砂500～600kg/m3，陶砂200～330kg/m3，相变集料800～1000kg/m3，碎石0～200kg/m3，高吸水树脂1.4～2.2kg/m3，高性能减水剂7～11kg/m3，水140～160kg/m3；其中相变集料为以石蜡基相变内核、废弃物浆体和纤维为主要原料，经混合、造粒形成的核壳相变集料。本发明所得相变抗裂混凝土具备良好的力学性能和工作性能，可有效提升混凝土构件的耐久性能尤其是抗裂性能及温变适应能力；且原料来源广泛，可实现大量工业废弃物的资源化利用，具有较好的经济和环境效益。

Description

一种相变抗裂混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种相变抗裂混凝土及其制备方法。
背景技术
随着我国基础设施建设的加快，对混凝土耐久性要求越来越高，从而对混凝土抗裂性能提出了更高的新要求；混凝土易受外界环境的影响而导致混凝土微裂缝扩展，有害物质侵入造成混凝土劣化，降低混凝土耐久性，影响混凝土构筑物的使用寿命。
目前，由于混凝土塑性收缩、水化热、干缩等形成的裂缝极为普遍，为防止混凝土裂缝，主要采取掺入膨胀剂和聚丙烯纤维的双掺技术，并增加胶凝材料用量提高混凝土强度等级等措施；该技术措施虽在一定程度上改善混凝土抗裂性，但膨胀剂的膨胀率控制难度大，养护环境要求苛刻；胶凝材料用量增加将带来提高温度应力集中及化学收缩等风险，且不利于成本控制和可持续发展。
研究发现，通过再混凝土中掺入相变材料可有效提高混凝土的储热性能，但为了降低其对混凝土强度影响，涉及的相变材料掺量较小，并不能有效降低混凝土的温度敏感性。此外，内养护技术虽可有效降低混凝土开裂风险，但并不能改善混凝土的温度敏感性以减少其温度裂缝产生。因此，亟需进一步寻找和优化可有效改善混凝土抗裂性能和储热性能的方法。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种相变抗裂混凝土，它具有抗龟裂、温度变化下性能稳定等优点，可有效预防温度变化、养护不到位等导致的混凝土裂缝等问题，提高其抗裂性能；且涉及的制备方法简单，适合推广应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种相变抗裂混凝土，各组分及其用量包括：胶凝材料350～550kg/m3，机制砂500～600kg/m3，陶砂200～330kg/m3，相变集料800～1000kg/m3，碎石0～200kg/m3，高吸水树脂1.4～2.2kg/m3，高性能减水剂7～11kg/m3，水140～160kg/m3；其中相变集料为以石蜡基相变内核、废弃物浆体和纤维为主要原料，经混合、造粒形成的核壳相变集料。
上述方案中，所述相变集料的筒压强度为9-12Mpa，1h吸水率为2.5～3.5％，粒径大小为5～20mm。
上述方案中，所述废弃物浆体以废弃混凝土、活化铝灰渣、碱激发剂和为主要原料混合而成，其中各组分及其所占重量分数包括：废弃混凝土50～60份，活化铝灰渣40～50份，碱激发剂20～25份，水5～10份。
上述方案中，所述废弃混凝土中主要化学成分及其所占质量百分比包括：SiO2 14～25％，CaO 60～70％，Al2O3 4～5％，Fe2O3 4～5％；其强度等级为C30～C50；使用为利用预拌混凝土回收的废弃物进行破碎、研磨、筛分后得到固体粉料颗粒，其颗粒粒径为1～20μm。
上述方案中，所述活化铝灰渣通过将铝厂原灰渣经破碎、研磨、筛分和水洗，再与NaOH混合，依次进行微波干燥、活化、煅烧、冷切后粉碎、研磨、过筛而成；其中铝厂灰渣与NaOH的质量比为9～11:1。
上述方案中，所述铝厂原灰渣主要化学成分及其成分质量百分比包括：SiO2 10～25％，Al2O3 55～70％，Fe2O3 0～5％。
上述方案中，所述水洗步骤水洗至所得浆体的含水率为5～10％；微波干燥采用的功率为3～5kw，活化时间为30～50min；煅烧温度为600～800℃，时间为1～2h；所述活化铝灰渣目数为20～60目。
上述方案中，所述碱激发剂为水玻璃，其模数为1.0～1.5。
上述方案中，所述石蜡基相变内核由液态石蜡和凹凸棒土混合后在负压条件下静置30～40min，所述负压条件为-100～-300Kpa。
上述方案中，所述液态石蜡的用量占凹凸棒土质量的5～8％。
上述方案中，所述相变集料的制备方法具体包括如下：
1)将液态石蜡和凹凸棒土混合，然后在负压条件下静置，得石蜡基相变内核；
2)将称取的废弃混凝土、活化铝灰渣、碱激发剂和水混合均匀，得废弃物浆体；
3)将步骤2)所得废弃物浆体快速与石蜡基相变内核混合，置于成球造粒设备中，搅拌造粒，然后加入纤维，进行搅拌处理，再经养护，得所述相变集料。
上述方案中，所述养护条件为室温，湿度90％以上。
上述方案中，所述液态石蜡为相变温度在混凝土长期服役温度区间的相变石蜡，优选为10～30℃相变温度相变石蜡。
上述方案中，所述凹凸棒土的孔隙率为10～20％，比表面积800～900m2/kg，中值粒径8～10um。
上述方案中，所述搅拌造粒采用常规成球造粒设备，成球时间一般为8～10min；所述纤维加入方式为成球后投料使其附着于壳层表面。
上述方案中，所述废弃物浆体、石蜡基相变内核和纤维的质量比为1:(1～2):(0.1～0.2)。
上述方案中，所述纤维可选用聚丙烯纤维等；其长度15～20mm，产品形状为束状网，弹性模量>3500Mpa，不吸水，抗拉强度≥560Mpa。
上述方案中，所述胶凝材料包括水泥和辅助胶凝材料；其中水泥可选用P O42.5硅酸盐水泥；辅助胶凝材料为粉煤灰、矿粉中的一种或二者混合物，所述辅助胶凝材料为水泥用量的25～45％。
上述方案中，所述粉煤灰为II级灰或I级粉煤灰，0.045mm负压筛余≤25％，烧失量≤8.0％，需水量比≤105％；所述矿粉为S95矿粉，表观密度≥2.8g/cm3，比表面积为≥400m2/kg，流动度比≥95％。
上述方案中，所述机制砂MB≤1.4，细度模数为2.6～3.0，石粉含量5～8wt％。
上述方案中，所述陶砂为0～5mm级配页岩陶砂，饱和吸水率10～15％，堆积密度930～980kg/m3。
上述方案中，所述高吸水树脂为预吸水处理后的高吸水树脂，在水中浸泡使其吸收水形成粒径为5～10mm的颗粒；所述高吸水树脂颗粒为聚丙烯酸钠系SAP颗粒，干燥状态下呈白色颗粒，粒径1～2mm，吸水后粒径可达5～10mm，吸水倍率控制在15～20倍。
上述方案中，所述高性能减水剂为聚羧酸高效减水剂，其固含量为15～20％，减水率为20～25％。
上述方案中，所述碎石为5～20mm连续级配京山普通碎石，压碎值8～10％。
上述一种掺相变材料抗裂混凝土的制备方法，包括以下步骤：
1)按上述组分称取各原料，各组分及其含量包括：胶凝材料350～550kg/m3，机制砂500～600kg/m3，预湿饱和陶砂200～330kg/m3，普通碎石0～200kg/m3，功能相变集料800-1000kg/m3，预吸水高吸水树脂1.4～2.2kg/m3，高性能减水剂7～11kg/m3，水140～160kg/m3；
2)将称取的相变集料、胶凝材料加入搅拌机预拌均匀，加入机制砂、碎石、预湿饱和陶砂继续干拌均匀，随后倒入高性能减水剂、水搅拌均匀，然后将预吸水高吸水树脂投入搅拌均匀，最后进行装模、振捣、成型后，表面覆盖不透水薄膜进行薄膜养护后拆模，进行标准养护或蒸汽养护，即得所述掺相变材料抗裂混凝土。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明采用凹凸棒土作为载体吸附相变材料，并通过碱激发工业废弃物胶凝材料体系作为壳结构，并进一步裹附适量纤维制备性能稳定的功能性相变集料，控制相变集料占比，其对混凝土抗压强度影响在可控范围，同时能有效减缓混凝土水化放热速率，起到延缓放热效果，防止温差裂缝产生，有效兼顾混凝土的力学性能和抗裂性能；
2)本发明所得相变集料可有效控制纤维掺入比例，掺入纤维能均匀分散于混凝土内部，有效提升混凝土的抗裂性能和体积稳定性，另外掺入预湿饱和陶砂及高吸水树脂能提供混凝土内部后期养护用水，利用“微泵效果”可优化混凝土的孔结构，降低因养护不足导致混凝土收缩问题，从而进一步改善混凝土的抗裂性能；
3)本发明所述功能相变集料可大量消耗工业废渣铝废渣及废弃混凝土，具有绿色环保功能；尤其是铝废渣中存在铝硅质材料活性成份，其残留的未聚合反应成分能有效结合混凝土后期析出水化产物氢氧化钙进一步产生碱激发反应，形成更密实结晶体，促进混凝土内部密实程度，强化混凝土抗裂耐久性能；
4)本发明提供的相变抗裂混凝土具备良好的力学性能，且原料来源广泛，不受地域限制，可有效提升混凝土构件的耐久性能尤其是抗裂性能及温变适应能力，适合推广应用。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
以下实施例中，采用水泥为亚东P·O 42.5硅酸盐水泥；粉煤灰为阳逻电厂Ⅱ级粉煤灰，0.045mm负压筛余15％，烧失量3.5％，需水量比100％；矿粉为鑫缘S95，矿粉表观密度2.87g/cm3，比表面积为410m2/kg，流动度比99％。
机制砂为鼎红商贸船运机制砂，MB为1.0，细度模数为2.8，石粉含量5.5wt％。陶砂为0～5mm级配的中扬页岩陶砂，饱和吸水率13％，堆积密度950kg/m3。
碎石为京山碎石，压碎值10％，级配5～20mm连续级配。
相变材料为上海某蜡业有限公司提供市售石蜡相变材料，相变温度25℃。
采用的纤维为聚丙烯纤维，长度15-20mm，产品形状为束状网，弹性模量>3500Mpa，不吸水，抗拉强度≥560Mpa。
采用的废弃混凝土中主要化学成分及其所占质量百分比包括：SiO2 20％，CaO65％，Al2O3 5％，Fe2O3 5％；其强度等级为C40；使用为利用预拌混凝土回收的废弃物进行破碎、研磨、筛分后得到固体粉料颗粒，其颗粒粒径为1～20μm。
采用的铝厂原灰渣由黄石铝厂提供，将铝厂原灰渣经破碎、研磨、筛分和水洗，再与NaOH混合，依次进行微波干燥、活化、煅烧、冷切后粉碎、研磨、过筛而成；其中铝厂灰渣与NaOH的质量比为10:1；所述铝厂原灰渣主要化学成分及其成分质量百分比包括：SiO2占21％，Al2O3占56％，Fe2O3占4％。
采用的凹凸棒土由甘肃某矿业开采公司市售，其孔隙率为15％，比表面积860m2/kg，中值粒径8.6um。
其以下实施例中，采用的功能相变集料的制备方法如下：
1)石蜡基相变内核的制备：预先控温使8份石蜡处于液态，将其与100份凹凸棒土混合，在-200kpa的负压条件下，负压混合时间35min；该过程中利用负压吸附方式吸附于凹凸棒土内，即得所述石蜡基相变内核；
2)废弃物浆体的制备：按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数包括：
废弃混凝土颗粒50份，活化铝灰渣50份，碱激发剂水玻璃22份，水8份；将称取的各原料混合均匀，即得所述废弃物浆体；
3)功能相变集料的制备：
将100重量份所得废弃物浆体快速与100份石蜡基相变内核混合，置于成球设备中，在20～30r/min的速率下搅拌造粒10min；然后加入10份聚丙烯纤维，继续在20～30r/min的速率下搅拌处理5min，最后进行标准养护或蒸汽养护，即得所述相变集料，最后筛选选取粒径5-20mm粒径功能性相变集料；其指标如下：筒压强度11.2Mpa，1h吸水率2.6％，粒径范围5～20mm。
采用的陶砂由宜昌朗天建材公司提供，其级配为0～5mm，饱和吸水率11.2％，堆积密度960kg/m3。
采用的高吸水树脂由上海复禾新材料科技有限公司提供，其粒径控制1～2mm，吸水后粒径5～8mm，吸水倍率控制在20倍。
采用的高性能减水剂由湖北新材料公司制备提供，其减水率为23％，固含量15％。
实施例1
一种相变抗裂混凝土，其制备方法包括以下步骤：
1)按上述组分称取各原料，各组分及其含量包括：水泥250kg/m3，粉煤灰80kg/m3，矿粉80kg/m3，机制砂500kg/m3，陶砂330kg/m3，普通碎石0kg/m3，功能相变集料1000kg/m3，高吸水树脂颗粒1.5kg/m3，高性能减水剂9kg/m3，水150kg/m3；
2)将称取的功能相变集料、胶凝材料加入搅拌机预拌均匀，加入机制砂、碎石、预湿饱和陶砂继续干拌均匀，随后倒入高性能减水剂、水搅拌均匀，然后投入预处理高吸水树脂搅拌均匀，最后进行装模、振捣、成型后，表面覆盖不透水薄膜进行薄膜养护后拆模，进行标准养护或蒸汽养护，即得所述掺相变材料抗裂混凝土。
实施例2
一种相变抗裂混凝土，其制备方法包括以下步骤：
1)按上述组分称取各原料，各组分及其含量包括：水泥250kg/m3，粉煤灰100kg/m3，矿粉80kg/m3，机制砂500kg/m3，陶砂330kg/m3，普通碎石200kg/m3，功能相变集料800kg/m3，高吸水树脂颗粒1.5kg/m3，高性能减水剂9kg/m3，水150kg/m3；
2)将称取的相变集料、胶凝材料加入搅拌机预拌均匀，加入机制砂、碎石、预湿饱和陶砂继续干拌均匀，随后倒入高性能减水剂、水搅拌均匀，然后投入预处理高吸水树脂搅拌均匀，最后进行装模、振捣、成型后，表面覆盖不透水薄膜进行薄膜养护后拆模，进行标准养护或蒸汽养护，即得所述掺相变材料抗裂混凝土。
实施例3
一种相变抗裂混凝土，其制备方法包括以下步骤：
1)按上述组分称取各原料，各组分及其含量包括：水泥250kg/m3，粉煤灰80kg/m3，矿粉80kg/m3，机制砂600kg/m3，陶砂200kg/m3，碎石100kg/m3，功能相变集料900kg/m3，高吸水树脂颗粒2.0kg/m3，高性能减水剂9kg/m3，水150kg/m3；
2)将称取的相变集料、胶凝材料加入搅拌机预拌均匀，加入机制砂、碎石、预湿饱和陶砂继续干拌均匀，随后倒入高性能减水剂、水搅拌均匀，然后投入预处理高吸水树脂搅拌均匀，最后进行装模、振捣、成型后，表面覆盖不透水薄膜进行薄膜养护后拆模，进行标准养护或蒸汽养护，即得所述掺相变材料抗裂混凝土。
对比例1
一种抗裂混凝土，其制备方法包括以下步骤：
称取水泥250kg/m3，粉煤灰80kg/m3，矿粉80kg/m3，机制砂800kg/m3，普通碎石1000kg/m3，高性能减水剂9kg/m3，水150kg/m3；搅拌均匀后进行装模、振捣、成型。
对比例2
一种抗裂混凝土，其制备方法包括以下步骤：
称取水泥250kg/m3，粉煤灰80kg/m3，矿粉80kg/m3，机制砂800kg/m3，普通碎石1000kg/m3，聚丙烯纤维4.2kg/m3，高性能减水剂9.3kg/m3，水150kg/m3，搅拌均匀后进行装模、振捣、成型。
对比例3
一种抗裂混凝土，其制备方法包括以下步骤：
称取水泥250kg/m3，粉煤灰100kg/m3、，矿粉80kg/m3，机制砂500kg/m3，陶砂300kg/m3，普通碎石1000kg/m3，高吸水树脂颗粒1.5kg/m3，高性能减水剂9kg/m3，水150kg/m3，搅拌均匀后进行装模、振捣、成型。
将实施例1～3和对比例1～3所得混凝土分别进行力学系性能和抗裂性能等测试，结果见表1。其中平板开裂试验采用GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中早期开裂试验，湿度控制在60％，温度为温度变化形式，即初始温度10℃恒温10h，后以5℃/h速率升温至40℃，保温10h，检测平板开裂面积。
表1实施例1～3和对比例1～3所得混凝土的性能测试结果
Figure BDA0003369322220000061
Figure BDA0003369322220000071
上述结果表明：实施例1、2、3掺相变材料所得混凝土的抗裂性能、强度性能均明显优于对比组1、2、3；将对比例2与对比例1相比，额外加入的聚丙烯纤维对抗裂性能有一定增益效果，但其强度略有损失，主要是纤维的分散性较差导致。对比例3与对比例1相比，单纯的引入内养护材料陶砂和高吸水树脂，其抗裂性能稍有提升，但较掺本发明所述相变材料所得混凝土抗裂性能仍然存在差距，且其抗收缩能力也低，主要是内养护材料在混凝土早期的抗裂能力并不显著，因此对于初期混凝土的抗裂性能不能提供太大增益。本发明所述功能相变集料的加入能很好提升混凝土的抗温度变化能力，其相变特性及纤维的均匀分布形式均能增益混凝土抗裂能力，且内养护材料的加入改善混凝土的收缩，尤其内养护材料引入能补偿混凝土散失水分，同时陶砂与高吸水树脂颗粒表面形成“微泵”效果，产生一定膨胀应力，弥补混凝土收缩。功能相变集料与陶砂、高吸水树脂的协同作用，能有效提升混凝土的耐久性。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种相变抗裂混凝土，其特征在于，各组分及其用量包括：胶凝材料 350~550kg/m3，机制砂500~600 kg/m3，陶砂 200~330kg/m3，相变集料 800~1000kg/m3，碎石0~200kg/m3，高吸水树脂 1.4~2.2 kg/m3，高性能减水剂7~11kg/m3，水140~160kg/m3；其中相变集料为以石蜡基相变内核、废弃物浆体和纤维为主要原料，经混合、造粒形成的核壳相变集料；
所述废弃物浆体以废弃混凝土、活化铝灰渣、碱激发剂和水为主要原料混合而成，其中各组分及其所占重量份数 包括：废弃混凝土50~60份，活化铝灰渣40-50份，碱激发剂 20-25份，水 5~10份；
所述相变集料的筒压强度为9-12Mpa，1h吸水率为2.5~3.5%，粒径大小为5~20mm；
所述铝厂原灰渣通过将铝厂原灰渣经破碎、研磨、筛分和水洗，再与NaOH混合，依次进行微波活化、煅烧、冷切后粉碎、研磨、过筛而成；其中铝厂原灰渣与NaOH的质量比为9~11:1；
微波活化采用的功率为3~5kw，时间为20~50min；
所述相变集料的制备方法具体包括如下：
1）将液态石蜡和凹凸棒土混合，然后在负压条件下静置，得石蜡基相变内核；
2）将称取的废弃混凝土、活化铝灰渣、碱激发剂和水混合均匀；得废弃物浆体；
3）将步骤2）所得废弃物浆体快速与石蜡基相变内核混合，置于成球设备中，搅拌造粒，然后加入纤维，进行搅拌处理，再经养护，得所述相变集料；
所述废弃物浆体、石蜡基相变内核和纤维的质量比为1:(1~2):(0.1~0.2)。
2.根据权利要求1所述的相变抗裂混凝土，其特征在于，所述铝厂原灰渣主要化学成分及其成分质量百分比包括：SiO2 10~25%，Al2O3 55~70%，Fe2O3 0~5%。
3.根据权利要求1所述的相变抗裂混凝土，其特征在于，所述水洗步骤为水洗至所得浆体的含水率为5~10%；微波活化采用的功率为3~5kw，时间为20~50min；煅烧温度为600~800℃，时间为1~2h；所述活化铝灰渣过筛后目数为20~60目。
4.根据权利要求1所述的相变抗裂混凝土，其特征在于，所述成球设备中的成球时间8~10min。
5.根据权利要求1所述的相变抗裂混凝土，其特征在于，所述胶凝材料包括水泥和辅助胶凝材料。
6.根据权利要求1所述的相变抗裂混凝土，其特征在于，所述机制砂MB≤1.4，细度模数为2.6~3.0，石粉含量5~8wt%；陶砂为0~5mm级配页岩陶砂，饱和吸水率10~15%，堆积密度930~980kg/m3；高吸水树脂为饱水处理后的高吸水树脂；所述碎石为5~20mm连续级配碎石。
7.权利要求1~6任一项所述相变抗裂混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）按上述组分称取各原料，各组分及其含量包括：胶凝材料350~550kg/m3，机制砂500~600 kg/m3，陶砂200~330 kg/m3，碎石0~200 kg/m3，相变集料800-1000 kg/m3，高吸水树脂1.4~2.2kg/m3，高性能减水剂7~11kg/m3，水140~160 kg/m3；
2）将称取的相变集料、胶凝材料加入搅拌机预拌均匀，加入机制砂、碎石、陶砂继续干拌均匀，随后倒入高性能减水剂、水搅拌均匀，然后投入预处理高吸水树脂搅拌均匀，最后进行装模、振捣、成型后，表面覆盖不透水薄膜进行薄膜养护后拆模，进行标准养护或蒸汽养护，即得所述相变抗裂混凝土。
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