CN115108775A - 一种高强度混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及混凝土的技术领域，具体公开了一种高强度混凝土及其制备方法。本申请的高强度混凝土，制备所用原料包括水泥、粗骨料、细骨料、无机填料、纤维填料、改性胶粉、减水剂和水；所述改性胶粉的制备方法包括以下步骤：a，将二苯甲酮溶于乙醇后，加入EVA乳胶粉中混合均匀，加热除去乙醇，得到预混料；b，将预混料和邻苯二甲酸二烯丙酯混合后辐照处理，冷却后研磨过筛，得到预改性乳胶粉；c，将预改性乳胶粉与纳米二氧化硅混合后搅拌，即得改性胶粉。本申请的高强度混凝土具有较高的抗压强度和抗折强度，可有效提高建筑的安全性能。

Description

一种高强度混凝土及其制备方法
技术领域
本申请涉及混凝土的技术领域，更具体地说，它涉及一种高强度混凝土。
背景技术
混凝土，简称为“砼”，是指以水泥为主要胶凝材料，与水、砂子、细石，必要时掺入化学外加剂和矿物掺合料，按适当比例配合，经过均匀搅拌、密实成型及养护硬化而成的人造石材。混凝土是当代最主要的土木工程材料之一，其具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单的特点，因而使其用量越来越大。
目前，相关技术中，存在一种建筑用高强混凝土，其由水泥360-390kg/m3、矿渣微粉70-80kg/m3、硅粉30-45kg/m3、细骨料620-690kg/m3、粗骨料1000-1150kg/m3、水160-190kg/m3、减水剂5-8kg/m3、混合纤维1-3kg/m3制备而成，所述混合纤维包括钢纤维、高弹聚乙烯纤维中的一种或两种。该高强混凝土的抗压强度为55.2-79.1MPa。但是，近年来，随着对建筑安全要求的不断升高，已有的混凝土抗压强度已逐渐不满足安全的需要，因此，生产出一种具有更高的抗压强度的混凝土具有十分重要的意义。
发明内容
为了提高混凝土的抗压强度，本申请提供一种高强度混凝土及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种高强度混凝土，采用如下的技术方案：
一种高强度混凝土，制备所述高强度混凝土的原料包括水泥、粗骨料、细骨料、无机填料、纤维填料、改性胶粉、减水剂和水；
所述改性胶粉的制备方法包括以下步骤：
a，将二苯甲酮溶于乙醇后，加入EVA乳胶粉中混合均匀，加热除去乙醇，得到预混料；
b，将预混料和邻苯二甲酸二烯丙酯混合后辐照处理，冷却后研磨过筛，得到预改性乳胶粉；
c，将预改性乳胶粉与纳米二氧化硅混合后搅拌，即得改性胶粉。
通过采用上述技术方案，胶粉本身具有较低的弹性模量，在水泥水化时胶粉形成空间连续网状薄膜与水泥水化物相互缠绕，交织在一起，在混凝土受外荷载作用时，能有效吸收外荷载引起砂浆内部的部分应力，从而大幅度提高砂浆的变形性能。在本申请中，先采用邻苯二甲酸二烯丙酯对EVA乳胶粉进行交联接枝预改性，接枝在EVA乳胶粉表面的邻苯二甲酸二烯丙酯支链能起到较好的增塑作用，从而促进EVA乳胶粉与其他组分物质之间形成较为紧密的交联网络结构，并且可有效改善EVA乳胶粉的流动性和柔韧性。此外，再通过纳米二氧化硅对预改性乳胶粉表面进行物理改性，形成聚合物胶体-粉体-水化水泥基体互穿基质的混合体，提高了EVA乳胶粉的强度和分散性，提高混凝土的强度。
此外，本申请混凝土原料中的纤维填料与改性胶粉之间还有较好的配合作用，纤维填料与改性胶粉之间可以较好的贴附在一起，从而有效填充混凝土内部的缝隙，有效抑制了大面积裂缝的出现，并且可减轻微裂缝的应力集中，从而提高了混凝土的抗压、抗破坏的能力。
优选的，步骤a中，二苯甲酮与EVA乳胶粉的混合重量比为(0.006～0.01):1。
通过采用上述技术方案，二苯甲酮作为EVA乳胶粉改性的引发剂，其添加量对EVA乳胶粉的改性效果具有一定的影响，经试验表明，当二苯甲酮与EVA乳胶粉的混合重量比处于上述范围时，所得的改性胶粉可明显提高混凝土的力学性能。
优选的，步骤b中，预混料与邻苯二甲酸二烯丙酯的混合重量比为1:(0.02～0.04)。
通过采用上述技术方案，在预改性时，当邻苯二甲酸二烯丙酯的添加量为预混料重量的2～4％时，所得的改性胶粉可明显提高最终所得混凝土的抗压强度等力学性能。
优选的，步骤c中，预改性乳胶粉与纳米二氧化硅的混合重量比为1:(5～7)。
通过采用上述技术方案，在使用纳米二氧化硅对预改性乳胶粉进行表面改性时，若纳米二氧化硅的使用量过少，纳米二氧化硅对预改性乳胶粉的改性不彻底，从而影响改性胶粉的性能；当纳米二氧化硅的使用量过多时，会有部分纳米二氧化硅发生粉体团聚现象，也不利于改性的顺利进行。经大量试验表明，当预改性乳胶粉与纳米二氧化硅的混合比例处于上述范围时，所得改性胶粉可明显提高混凝土的抗压强度等力学性能。
优选的，所述纤维填料为聚丙烯纤维、钢纤维和碳纤维中的一种或多种。
通过采用上述技术方案，聚丙烯纤维、钢纤维和碳纤维均可对混凝土的力学性能产生促进作用，且与改性胶粉之间可以起到较好的配合作用，有助于提高最终所得混凝土的力学强度。
优选的，所述纤维填料为改性聚丙烯纤维，所述改性聚丙烯纤维的制备方法包括以下步骤：
i，将聚丙烯纤维置于丙酮中浸泡，浸泡结束后烘干，得到预处理纤维；
ii，将马来酸酐、4-甲基二苯甲酮和二甲苯混合后，加入预处理纤维，辐照处理，冷却后洗涤烘干，得到改性聚丙烯纤维。
通过采用上述技术方案，步骤i中先使用丙酮对聚丙烯纤维进行浸泡脱脂处理，然后步骤ii中通过马来酸酐、4-甲基二苯甲酮和二甲苯的混合溶液对脱脂后的聚丙烯纤维进行改性，进一步提高了聚丙烯纤维的强度和韧性，继而提高了混凝土的力学性能。
优选的，步骤i中，所述聚丙烯纤维包括直径为0.02～0.04mm的聚丙烯纤维和直径为0.1～0.3mm的聚丙烯纤维。
通过采用上述技术方案，上述两种不同规格的纤维之间具有互补填充作用，小直径的纤维穿插填充在大直径的纤维网络之间，进一步减少了混凝土内部缝隙的产生，提高了混凝土的抗压、抗折强度等力学性能。
优选的，步骤ii中，马来酸酐、4-甲基二苯甲酮和二甲苯的混合重量比为1:(0.01～0.03):(0.01～0.03)。
通过采用上述技术方案，当改性溶液由马来酸酐、4-甲基二苯甲酮和二甲苯按上述比例混合时，对聚丙烯纤维的改性效果最好，有助于提高混凝土的力学强度。
优选的，步骤ii中，预处理纤维与马来酸酐、4-甲基二苯甲酮、二甲苯混合液的重量比为1:(0.2～0.4)。
通过采用上述技术方案，当马来酸酐、4-甲基二苯甲酮和二甲苯组成的改性溶液添加量较少时，无法对预处理纤维进行有效改性，不利于混凝土力学强度的提高；当改性溶液的添加量超出上述范围时，对纤维的改性程度提升不再明显，甚至会有轻微的降低。因此，当预处理纤维与改性溶液二者比例为1:(0.2～0.4)时，对纤维的改性效果相对较佳，有助于提高混凝土的抗压、抗折性能。
第二方面，本申请提供一种高强度混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：
一种高强度混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1，将纤维填料和改性胶粉混合，得到混合料A；
S2，将粗骨料、细骨料、无机填料混合后，得到混合料B；
S3，将水泥、水、减水剂混合后，加入混合料A和混合料B，搅拌均匀，即得高强度混凝土。
通过采用上述技术方案，本申请的方法步骤简单，对制备的工艺参数条件要求较低，可进行大规模批量化生产。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、由于本申请采用邻苯二甲酸二烯丙酯和纳米二氧化硅对EVA乳胶粉进行改性，对EVA乳胶粉进行化学和物理双重改性处理，不仅可对EVA乳胶粉起到较好的增塑作用，还促进EVA乳胶粉与其他组分物质之间形成较为紧密的交联网络结构，有效改善了EVA乳胶粉的流动性和柔韧性，此外，形成的聚合物胶体-粉体-水化水泥基体互穿基质的混合体，还提高了EVA乳胶粉的强度和分散性，继而提高了混凝土的抗压、抗折等力学强度；
2、本申请的纤维填料与改性胶粉之间还有较好的配合作用，有效抑制了混凝土内部大面积裂缝的出现，提高了混凝土的抗压、抗破坏能力；
3、本申请通过对聚丙烯纤维进行改性，进一步提高了聚丙烯纤维的强度和韧性，继而提高了混凝土的抗压强度、抗折强度等力学性能。
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。
本申请的各制备例、实施例及对比例中所用的原料，除进行特殊说明的之外，其他均为市售。
本申请实施例及对比例中混凝土的抗压强度和抗折强度测试，按照GB/T 50081-2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》中规定的方法进行。
改性胶粉的制备例A1-A7
制备例A1
一种改性胶粉，其制备步骤为：
a，将6g二苯甲酮溶于200mL乙醇后，通过喷雾的方式加入1kg EVA乳胶粉(瓦克，5044N)中，在60r/min的转速下搅拌混合12h，结束后加热除去乙醇，得到预混料；
b，取800g步骤a所得的预混料，与16g邻苯二甲酸二烯丙酯混合后，置于紫外光下辐照处理12min，处理结束后冷却后研磨过200目筛，得到预改性乳胶粉；
c，取500g步骤b所得的预改性乳胶粉与2.5kg纳米二氧化硅(嵩山硼业，60-100nm)混合后，于60℃、120r/min的条件下搅拌混合6h，即得改性胶粉。
制备例A2
一种改性胶粉，其制备步骤与制备例A1的不同之处在于：步骤a中，二苯甲酮的使用量为8g。
制备例A3
一种改性胶粉，其制备步骤与制备例A1的不同之处在于：步骤a中，二苯甲酮的使用量为10g。
制备例A4
一种改性胶粉，其制备步骤与制备例A2的不同之处在于：步骤b中，邻苯二甲酸二烯丙酯的使用量为24g。
制备例A5
一种改性胶粉，其制备步骤与制备例A2的不同之处在于：步骤b中，邻苯二甲酸二烯丙酯的使用量为32g。
制备例A6
一种改性胶粉，其制备步骤与制备例A4的不同之处在于：步骤c中，纳米二氧化硅的使用量为3kg。
制备例A7
一种改性胶粉，其制备步骤与制备例A4的不同之处在于：步骤c中，纳米二氧化硅的使用量为3.5kg。
改性聚丙烯纤维的制备例B1-B7
制备例B1
一种改性聚丙烯纤维，其制备步骤为：
i，将2kg聚丙烯纤维(天怡工程纤维，聚丙烯单丝纤维)置于2L丙酮中浸泡18h，浸泡结束后于60℃下烘干，得到预处理纤维；
ii，将1kg马来酸酐、0.01kg 4-甲基二苯甲酮和0.01kg二甲苯混合得到改性溶液，取1kg步骤i所得的预处理纤维，向预处理纤维中加入0.2kg改性溶液，静置30min后，置于紫外光下辐照处理20min，静置30min后取出，将纤维用丙酮洗涤，于60℃下烘干，即得改性聚丙烯纤维。
其中，步骤i中的聚丙烯纤维均为直径范围在0.02～0.04mm、长度为10～12mm的聚丙烯纤维。
制备例B2
一种改性聚丙烯纤维，其制备步骤与制备例B1的不同之处在于：步骤ii中，将1kg马来酸酐、0.02kg 4-甲基二苯甲酮和0.02kg二甲苯混合得到改性溶液。
制备例B3
一种改性聚丙烯纤维，其制备步骤与制备例B1的不同之处在于：步骤ii中，将1kg马来酸酐、0.03kg 4-甲基二苯甲酮和0.03kg二甲苯混合得到改性溶液。
制备例B4
一种改性聚丙烯纤维，其制备步骤与制备例B2的不同之处在于：步骤ii中，向预处理纤维中加入0.3kg改性溶液。
制备例B5
一种改性聚丙烯纤维，其制备步骤与制备例B2的不同之处在于：步骤ii中，向预处理纤维中加入0.4kg改性溶液。
制备例B6
一种改性聚丙烯纤维，其制备步骤与制备例B4的不同之处在于：步骤i中的聚丙烯纤维均为直径范围在0.1～0.3mm、长度为10～12mm的聚丙烯纤维。
制备例B7
一种改性聚丙烯纤维，其制备步骤与制备例B4的不同之处在于：步骤i中的聚丙烯纤维由直径范围在0.1～0.3mm、长度为10～12mm的聚丙烯纤维和直径范围在0.02～0.03mm、长度为10～12mm的聚丙烯纤维按重量比1:2混合组成。
高强度混凝土实施例及对比例
实施例1
一种高强度混凝土，各组分及其相应的重量如表1所示，并通过如下步骤制备获得：
S1，将纤维填料(碳纤维，直径0.01～0.02mm，长度3～6mm，采自天怡工程纤维)和改性胶粉(制备例A1制备获得)在120r/min的转速下搅拌混合6h，得到混合料A；
S2，将粗骨料(5-20mm连续级配的碎石)、细骨料(Ⅱ区天然中砂，细度模数为2.32)、无机填料(硅粉，325目，产地河北省灵寿县)在80r/min的转速下搅拌混合4h，得到混合料B；
S3，将水泥(PO42.5普通硅酸盐水泥)、水、减水剂(聚羧酸高效减水泥，采自浩天化工)混合后，加入混合料A和混合料B，在60℃、120r/min的转速下搅拌混合12h，即得高强度混凝土。
实施例2-3
一种高强度混凝土，与实施例1的不同之处在于，各组分及其相应的重量如表1所示。
对比例1-3
一种混凝土，与实施例1的不同之处在于，各组分及其相应的重量如表1所示。
Figure BDA0003659798540000061
Figure BDA0003659798540000071
表1对上述实施例1-3及对比例1-3进行抗压强度和抗折强度测试，测试结果记入下表2：
Figure BDA0003659798540000072
表2
由上表数据可知，本申请实施例1-3所得高强度混凝土的抗压强度可达83.6-84.3MPa，抗折强度可达14.7-15.2MPa，明显高于对比例1-3中的相关数值。对比例1相比于实施例1的区别在于，制备原料中未添加纤维填料，由此导致了抗压强度和抗折强度的下降；对比例2相比于实施例1的区别在于，制备原料中未添加改性胶粉，相比于对比例1，对比例2抗压强度和抗折强度的下降更为明显；对比例3与对比例1的区别在于，制备原料中均未含有纤维填料和改性胶粉，其最终所得混凝土抗压强度仅为65.5MPa，相比于实施例1降低了22.3％，抗折强度仅为10.2MPa，相比于实施例1降低了32.9％。
进一步的，通过将对比例1、2、3的数据进行对比，可知，在制备混凝土时，仅使用改性胶粉或仅使用纤维填料，对混凝土最终的抗压强度和抗折强度的提升不明显，比如对比例1相比于对比例3，抗压强度仅提高了9.6％，抗折强度仅提高了11.8％；对比例2相比于对比例3，抗压强度仅提高了5.6％，抗折强度仅提高了8.8％。而同时使用改性胶粉和纤维填料的实施例1，其相比于对比例3而言，抗压强度提高了28.5％，抗折强度提高了49.0％。因此，本申请使用的纤维填料和改性胶粉，在提高混凝土抗压强度和抗折强度方面就有较好的协同促进作用。
此外，发明人还进行了下述对比试验：
对比例4
一种混凝土，与实施例1的不同之处在于，使用等重量的未改性EVA乳胶粉替换改性胶粉。
经抗压强度和抗折强度检测可知，对比例4所得混凝土的抗压强度仅为67.2MPa，抗折强度仅为10.4MPa，与对比例3相比提升不明显，由此可知，若未对EVA乳胶粉进行改性，其对混凝土抗压强度、抗折强度的提升有限。
针对不同制备例所得的改性胶粉，发明人还进行了下述实施例4-9，以此研究改性胶粉制备方法对混凝土抗压强度和抗折强度的影响。
实施例4-9
一种高强度混凝土，与实施例1的不同之处在于，改性胶粉的使用情况如表3所示。
组别 改性胶粉 组别 改性胶粉
实施例1 制备例A1 实施例7 制备例A5
实施例4 制备例A2 实施例8 制备例A6
实施例5 制备例A3 实施例9 制备例A7
实施例6 制备例A4
表3对上述实施例4-9进行抗压和抗折强度测试，测试结果记入下表4：
Figure BDA0003659798540000091
表4
由表4数据可知，实施例4-9所得高强度混凝土的抗压强度和抗折强度均高于实施例1中的相关数值。通过分析实施例1、4、5可知，三组实施例的区别在于，制备改性胶粉时，二苯甲酮的使用量不同，进一步分析结果数据可知，实施例4和实施例5相比于实施例1而言，提升均较为明显，但实施例5和实施例4所得混凝土的性能相差不大。通过分析实施例4、6、7可知，三组实施例的区别在于邻苯二甲酸二烯丙酯的使用量不同，进一步分析结果数据可知，实施例4、6、7的变化规律与实施例1、4、5相似。通过分析实施例6、8、9可知，三组实施例的区别在于，制备改性胶粉时，纳米二氧化硅的使用量不同，进一步分析结果数据可知，实施例8和实施例9相比于实施例6而言，提升较为明显，但实施例9相比于实施例8来说，反而有所下降，由此可知，纳米二氧化硅的添加量并不是越多越好，分析其原因可能是由于纳米二氧化硅含量过多可能会存在部分粉体团聚现象，而影响混凝土的最终性能。
此外，发明人还针对改性胶粉的制备方法做了其他的相关试验，比如二苯甲酮与EVA乳胶粉的混合重量比在(0.006～0.01):1范围之外的实例；预混料与邻苯二甲酸二烯丙酯的混合重量比在1:(0.02～0.04)范围之外的实例；预改性乳胶粉与纳米二氧化硅的混合重量比在1:(5～7)范围之外的实例。试验结果表明，在上述范围之外制备改性胶粉，最终所得混凝土的抗压强度和抗折强度会存在不同程度的降低，或者随着原料用量的增多而性能得不到明显提升。因此，在上述范围内制备所得的改性胶粉，可明显提高混凝土的力学性能。
针对纤维填料的不同选择，发明人还进行了下述实施例10-17，以此研究纤维填料的不同选择对混凝土抗压强度和抗折强度的影响。
实施例10
一种高强度混凝土，与实施例8的不同之处在于，纤维填料为直径范围在0.1～0.3mm、长度为10～12mm的聚丙烯纤维。
经抗压强度和抗折强度检测可知，实施例10所得高强度混凝土的抗压强度为88.7MPa，抗折强度为16.6MPa，与实施例8相比具有相当的抗压强度和抗折强度。
此外，发明人还是用了玻璃纤维、钢纤维等其他纤维或纤维的混合物来制备混凝土，其中，当使用聚丙烯纤维、钢纤维和碳纤维中的一种或多种制备混凝土时，所得混凝土的性能相对较优。
实施例11-17
一种高强度混凝土，与实施例10的不同之处在于，纤维填料的使用情况如表5所示。
组别 纤维填料 组别 纤维填料
实施例10 未改性聚丙烯纤维 实施例14 制备例B4
实施例11 制备例B1 实施例15 制备例B5
实施例12 制备例B2 实施例16 制备例B6
实施例13 制备例B3 实施例17 制备例B7
表5对上述实施例11-17进行抗压和抗折强度测试，测试结果记入下表6：
Figure BDA0003659798540000101
Figure BDA0003659798540000111
表6
由表6数据可知，实施例11-17所得的高强度混凝土的抗压强度和抗折强度均高于实施例10的相关数值，由此可知，通过对聚丙烯纤维进行改性处理，可明显提高混凝土的力学强度。
除此之外，发明人还针对改性聚丙烯纤维的制备方法做了其他的相关试验，比如马来酸酐、4-甲基二苯甲酮和二甲苯的混合重量比在1:(0.01～0.03):(0.01～0.03)范围之外的实例；预处理纤维与马来酸酐、4-甲基二苯甲酮、二甲苯混合液的重量比在1:(0.2～0.4)范围之外的实例。试验结果表明，在上述范围之外制备改性聚丙烯纤维，使最终所得混凝土的抗压强度和抗折强度有不同程度的下降。由此表明了，在制备改性聚丙烯纤维时，当步骤ii中，马来酸酐、4-甲基二苯甲酮和二甲苯的混合重量比为1:(0.01～0.03):(0.01～0.03)；预处理纤维与马来酸酐、4-甲基二苯甲酮、二甲苯混合液的重量比为1:(0.2～0.4)时，可明显提高混凝土的力学强度。
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 (10)

1.一种高强度混凝土，其特征在于，制备所述高强度混凝土的原料包括水泥、粗骨料、细骨料、无机填料、纤维填料、改性胶粉、减水剂和水；
所述改性胶粉的制备方法包括以下步骤：
a，将二苯甲酮溶于乙醇后，加入EVA乳胶粉中混合均匀，加热除去乙醇，得到预混料；
b，将预混料和邻苯二甲酸二烯丙酯混合后辐照处理，冷却后研磨过筛，得到预改性乳胶粉；
c，将预改性乳胶粉与纳米二氧化硅混合后搅拌，即得改性胶粉。
2.根据权利要求1所述的高强度混凝土，其特征在于，步骤a中，二苯甲酮与EVA乳胶粉的混合重量比为（0.006～0.01）:1。
3.根据权利要求1所述的高强度混凝土，其特征在于，步骤b中，预混料与邻苯二甲酸二烯丙酯的混合重量比为1:（0.02～0.04）。
4.根据权利要求1所述的高强度混凝土，其特征在于，步骤c中，预改性乳胶粉与纳米二氧化硅的混合重量比为1:（5～7）。
5.根据权利要求1所述的高强度混凝土，其特征在于，所述纤维填料为聚丙烯纤维、钢纤维和碳纤维中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的高强度混凝土，其特征在于，所述纤维填料为改性聚丙烯纤维，所述改性聚丙烯纤维的制备方法包括以下步骤：
i，将聚丙烯纤维置于丙酮中浸泡，浸泡结束后烘干，得到预处理纤维；
ii，将马来酸酐、4-甲基二苯甲酮和二甲苯混合后，加入预处理纤维，辐照处理，冷却后洗涤烘干，得到改性聚丙烯纤维。
7.根据权利要求6所述的高强度混凝土，其特征在于，步骤i中，所述聚丙烯纤维包括直径为0.02～0.04mm的聚丙烯纤维和直径为0.1～0.3mm的聚丙烯纤维。
8.根据权利要求6所述的高强度混凝土，其特征在于，步骤ii中，马来酸酐、4-甲基二苯甲酮和二甲苯的混合重量比为1:（0.01～0.03）:（0.01～0.03）。
9.根据权利要求6所述的高强度混凝土，其特征在于，步骤ii中，预处理纤维与马来酸酐、4-甲基二苯甲酮、二甲苯混合液的重量比为1:（0.2～0.4）。
10.权利要求1-9任一所述高强度混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将纤维填料和改性胶粉混合，得到混合料A；
S2，将粗骨料、细骨料、无机填料混合后，得到混合料B；
S3，将水泥、水、减水剂混合后，加入混合料A和混合料B，搅拌均匀，即得高强度混凝土。
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