CN114315253B - 一种高抗裂大体积混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高抗裂大体积混凝土。本发明在常规大体积混凝土配合比的基础上，引入体积掺量0.5‑4％的温升收缩型纤维，制备高抗裂大体积混凝土。温升收缩型纤维采用低熔点聚酯切片和改性剂作为原料，通过一定的挤出机温控程序，熔融共混挤出、牵引拉伸而成。选择有机醇与硅化物混合物作为改性剂，提高纤维的刚硬性和表面亲水性，有助于改善纤维在混凝土中的分散性和界面结合力，通过温度程序与二级牵伸工艺提高纤维的力学及热力学性能。温升收缩型纤维的热收缩温度与大体积混凝土内部水化温升温度范围相匹配，其在大体积混凝土内部受水化热激发而收缩，通过界面粘结对混凝土基体施加压应力，从而提高大体积混凝土抵抗温度应力开裂的能力。

Description

一种高抗裂大体积混凝土

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种高抗裂大体积混凝土。

背景技术

大体积混凝土由于内部水化温升引起的开裂是普遍存在和亟待解决的工程难题。大体积混凝土内部由于水化热累积，核心区温度普遍高达50℃以上，甚至最高可达80℃以上，内外温差引起体积变形不一致，加之水泥水化自收缩和干燥收缩，造成大体积混凝土的开裂风险较大。在大体积混凝土中引入纤维，是提高其抗裂性能的有效手段之一，但目前常用的纤维以及混凝土都属于热胀冷缩型材料，如聚丙烯PP纤维、聚酯PET纤维、聚乙烯醇PVA纤维等合成纤维，以及钢纤维等。混凝土温度升高膨胀时纤维随之膨胀，当混凝土温度降低收缩时纤维也收缩。以钢纤维为例，其热膨胀系数大于混凝土的热膨胀系数，随着温度的升高，钢纤维热胀伸长使界面胶凝浆体受到拉应力，导致界面区萌生微裂缝，降温阶段的冷缩效应加剧了裂缝的生长，最终在多场耦合作用下形成宏观裂缝。因此，这类热胀型纤维对大体积混凝土的控裂效果低于常温非大体积混凝土。

如果在大体积混凝土中引入一种可以随温度升高而收缩的纤维，利用大体积混凝土水化热激发该纤维收缩，利用纤维的收缩力对混凝土基体施加空间收紧的作用，不仅可以减小核心混凝土热膨胀量，而且还可以对基体施加三维的预压应力，从而提高大体积混凝土在水化温升阶段的抗裂性能。

纺织行业的有机合成纤维存在热收缩现象，原因是在纺丝加工过程中，为改善纤维的力学性能，提高纤维内分子的取向度，要经过拉伸过程，故而纤维内会残留一定的内应力。在一般情况下，纤维受玻璃态的约束，不会产生收缩现象。当纤维受热温度超过一定限度后，大分子间的约束力减弱，此时内应力得以显现并发挥作用，从而导致纤维的收缩。纺织面料中常用的收缩性纤维，由于力学性能低、易卷曲、分散性差，不适用于混凝土的制备。而且，大多合成纤维发生收缩的温度至少在80℃以上，而大体积混凝土内部水化热温度在50-80℃之间。因而，可以在大体积混凝土水化温升作用下发生热收缩、且能起到抗裂作用的纤维，目前未见有相关报道。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种高抗裂大体积混凝土及关键材料，为了提高大体积混凝土的抗裂性能，制备一种具有热收缩功能、界面粘结性能优良、分散性好的纤维，为大体积混凝土的设计及工程应用提供新思路和新材料。在大体积混凝土内部因水化热产生大量热量堆积，内部温度升高激发温升收缩型纤维发生收缩，产生泊松效应，并且该纤维在表面具有亲水基团或者硅氧基团，可以与混凝土界面形成紧密结合，纤维发生收缩产生的收缩力可以更好的传递到混凝土基体当中，从而提高大体积混凝土的抗裂性能。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种高抗裂大体积混凝土，包括占混凝土体积0.5-4％的温升收缩型纤维，所述的温升收缩型纤维的收缩温度为50-75℃。

进一步的，所述的温升收缩型纤维的收缩率≥1％。

进一步的，所述的温升收缩型纤维的制备方法包括以下步骤：

步骤1、将100重量份的低熔点聚酯切片、0.1-20重量份的改性剂混合得到原料；

步骤2、将步骤1得到的原料经真空干燥箱干燥后，投入双螺杆挤出机共混熔融挤出，然后经过二次牵引拉伸得到温升收缩型纤维；

步骤3、将步骤2得到的温升收缩型纤维切断，得到短切温升收缩型纤维。

进一步的，所述改性剂为有机醇与硅化物混合物，且有机醇与硅化物的重量比为1：2-5。

进一步的，所述的低熔点聚酯切片熔点为90-130℃，玻璃化转变温度为 50-75℃。

进一步的，挤出机主机转速40-60r/min,挤出机的温控程序设定温度范围120-170℃。

进一步的，所述的步骤2中的二次牵引拉伸的具体方法为：挤出口的初生纤维在80-90℃下进行第一次牵引拉伸，拉伸倍数为3-10倍，牵伸速率为 0.3-0.5m/s，在10-20℃温度下冷却；在110-130℃温度下进行二次牵引拉伸，拉伸倍数为0.5-2倍，牵伸速率为0.1-0.2m/s。

进一步的，冷却装置为强冷吹风机且设置在第一级牵伸纤维左右两侧，风速范围1-3m/s。

进一步的，所述的温升收缩型纤维的直径为0.1-2mm，长度为9-20mm。

本发明的有益效果为：

1、本发明首次采用温升收缩型纤维制备大体积混凝土，温升收缩型纤维的热收缩激发温度为50-75℃，与大体积混凝土内部水化温升范围相匹配。

2、本发明提供了用于配制大体积混凝土的温升收缩型纤维的制备方法，首先以低熔点聚酯切片与改性剂为原料，经真空干燥箱干燥后，经双螺杆挤出机共混熔融挤出，经二次牵引拉伸制备而成。采用二次牵伸的方法，在第一次牵引拉伸过程中，使用高速率牵伸，然后迅速低温冷却，这样牵伸纤维会极大程度在纤维内部产生与牵伸方向相反的内应力，低温冷却下纤维从高弹态变为玻璃态可以极大地保留这种内应力。第二次牵伸过程采用低速、比第一次牵伸高的温度牵伸，这个过程主要是增加纤维取向度，使纤维具有优异的力学性能。当纤维受热温度超过一定限度后，大分子间的约束力减弱，此时内应力得以显现并发挥作用，从而导致纤维的收缩。

3、本发明的温升收缩型纤维的制备方法，采用有机醇与硅化物对低熔点聚酯进行改性。有机醇的加入给予纤维亲水基团，提高了纤维亲水性；硅化物会使纤维表面出现硅氧基团，且当大体积混凝土发生水化反应内部温度升高时，硅氧基团更容易与混凝土形成分子间作用力。两种改性剂的加入增强了纤维与混凝土的结合力，更有利于纤维热缩力传递到混凝土基体。

4、本发明大体积混凝土中温升收缩型纤维的抗裂机理为：大体积混凝土水化产生热量→热量传递到纤维→纤维发生轴向收缩→纤维轴向收缩应力传递到混凝土基体→基体受到纤维施加的压应力→混凝土基体收紧→抑制裂缝产生。

5、本发明的温升收缩型纤维在收缩过程中，由于泊松效应，纤维轴向收缩的同时直径增大，可以为纤维在混凝土中提供锚定作用，提高了纤维与混凝土基体的界面剪切应力，有利于使纤维收缩应力传递到混凝土基体。

附图说明

图1为C45大体积混凝土温度随时间发展历程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1-6中大体积混凝土强度等级为C45，混凝土配合比列于表1，绝热温升达到79℃。该配合比混凝土已应用于某实际工程大体积部位，现场实测混凝土及环境温度随时间发展历程如图1所示。因此，实施例1-6通过水浴加热模拟图1中“内部最高温度”变化规律，对混凝土试块进行养护，具体养护方法：将混凝土试块装入密封塑料袋，防止试块与外界交换水分，将密封好的试块置于水浴箱中，通过控制水温来模拟大体积混凝土内部水化温升状态。养护过程中选取1、3、7、28d试块测试抗压强度，和28d的劈裂抗拉强度。

表1实施例1-6大体积混凝土配合比kg/m³

强度等级

水泥

粉煤灰

矿粉

砂

石子

水

减水剂

绝热温升

C45

287

74

133

662

1081

153

10

79℃

实施例1-3

首先按照以下步骤制备温升收缩型纤维A：

(1)切片改性：

①低熔点聚酯切片放入60℃的干燥箱中干燥12h；

②将从①获得的低熔点切片与占切片加入量3％的乙二醇和占切片加入量的10％的稀土偶联剂分别投入加料口1转速62.00r/min，加料口2转速 20r/min的挤出机。

(2)熔融共混温控程序：

温控一区设定温度133(±2)℃，温控二区设定温度134(±2)℃，温控三区设定温度135(±2)℃，温控四区设定温度135(±2)℃，温控五区设定温度135(±2)℃。从步骤(1)得到的浆料，在上述温控程序下熔融共混挤出。

(3)模头喷丝：初始压力控制在10MPa，经喷丝模头挤出，得到初生纤维，挤出速度为3m/min。

(4)二级牵伸工艺：

①对步骤(3)得到的初生纤维，在挤出口温度80℃下进行第一级牵伸，拉伸倍数3-8倍；

②对①得到的纤维进冷却，侧吹风冷却条件：风温18-20℃、风速范围 10-50米/分钟；

③对②得到的纤维进行第二级牵伸，温度在110-150℃范围内，拉伸倍数为1-1.5倍。

(5)切短：将纤维放入纤维切断器，切成10mm左右的短纤维，得到温升收缩型纤维A，直径为0.2mm。该纤维在温度达到60℃时开始收缩，收缩率10％，收缩回复应力35MPa，纤维的密度为1190kg/m³。

为研究温升收缩纤维及其掺量对大体积混凝土力学性能的影响，设计了实施例1-3。将上述制备得到的温升收缩型纤维A掺入表1中配合比的大体积混凝土，实施例1-3中温升收缩型纤维A的掺量见表2所示。成型实验试块，采用水浴养护，依照图1的内部最高温度-时间变化曲线控制水浴温度变化，来模拟实际工程中大体积内部混凝土的温度环境，到指定龄期时测试混凝土的强度和收缩率。

实施例4-6

首先，通过选取不同熔点的低熔点聚酯和改性剂作为原料，通过一定的挤出机温控程序，熔融共混挤出，采用二次牵引拉伸，制备得到不同性能的三种温升收缩型纤维(B、C、D)，性能见表2。分别采用纤维B、C、D配制混凝土，并采用图1的内部最高温度曲线对混凝土试块进行养护，并测试指定龄期的强度和收缩率。

对比例1

对比例1的混凝土配合比与实施例1的混凝土配合比相同，区别在于对比例1不采用热养护，成型后即置于标准养护环境至指定龄期。

对比例2

为了对比温升收缩型纤维和普通纤维对大体积混凝土力学性能的影响，特设计了对比例2，其混凝土配合比和纤维掺量与实施例1相同，区别在于对比例2中掺加的是不收缩的普通聚酯纤维(密度为1360kg/m³)。

对比例3

本对比例中制备了不掺任何纤维的素混凝土，配合比见表1，养护条件与实施例1相同。

表2温升收缩型纤维性能及掺量

表3模拟大体积混凝土水化温升环境养护的混凝土强度

由上述实施例及对比例可知，在大体积混凝土中掺入温升收缩型纤维可以显著提高混凝土的强度。与素混凝土和掺有普通合成纤维的混凝土相比，掺加温升收缩型纤维的混凝土，其抗压强度、劈裂抗拉强度和体积稳定性均得到提升。原因是温升收缩型纤维在大体积混凝土内部水化温升的作用下发生收缩，并通过界面粘结作用将纤维的收缩力传递给大体积混凝土基体，从而对混凝土基体均匀施加收紧的作用效果，不仅可以提高混凝土致密度和强度，而且能够减小大体积混凝土内部体积膨胀，使混凝土的体积更加稳定，降低温度应力造成的开裂风险。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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。以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (6)

1.一种高抗裂大体积混凝土，其特征在于，包括占混凝土体积0.5-4%的温升收缩型纤维，所述的温升收缩型纤维的收缩温度为50-75℃；

所述的温升收缩型纤维的制备方法包括以下步骤：

步骤1、将100重量份的低熔点聚酯切片、0.1-20重量份的改性剂混合得到原料；所述改性剂为有机醇与硅化物混合物，且有机醇与硅化物的重量比为1：2-5;

步骤2、将步骤1得到的原料经真空干燥箱干燥后，投入双螺杆挤出机共混熔融挤出，然后经过二次牵引拉伸得到温升收缩型纤维；

所述的步骤2中的二次牵引拉伸的具体方法为：挤出口的初生纤维在80-90℃下进行第一次牵引拉伸，拉伸倍数为3-10倍，牵伸速率为0.3-0.5m/s，在10-20℃温度下冷却；在110-130℃温度下进行二次牵引拉伸，拉伸倍数为0.5-2倍，牵伸速率为0.1-0.2m/s；步骤3、将步骤2得到的温升收缩型纤维切断，得到短切温升收缩型纤维。

2.根据权利要求1所述的高抗裂大体积混凝土，其特征在于，所述的温升收缩型纤维的收缩率≥1%。

3.根据权利要求1所述的高抗裂大体积混凝土，其特征在于：所述的低熔点聚酯切片熔点为90-130℃，玻璃化转变温度为50-75℃。

4.根据权利要求1所述的高抗裂大体积混凝土，其特征在于，挤出机主机转速40-60r/min ,挤出机的温控程序设定温度范围120-170℃。

5.根据权利要求1所述的高抗裂大体积混凝土，其特征在于，冷却装置为强冷吹风机且设置在第一级牵伸纤维左右两侧，风速范围1-3m/s。

6.根据权利要求1所述的高抗裂大体积混凝土，其特征在于，所述的温升收缩型纤维的直径为0.1-2mm，长度为9-20mm。

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