CN115611582B - 一种低收缩快凝早强混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种低收缩快凝早强混凝土及其制备方法，混凝土由混凝土拌合料制备而成，混凝土拌合料包括以下重量份数的组分：水130‑150份、水泥680‑720份、矿渣90‑110份、中砂540‑580份、碎石860‑900份、减水剂11‑13份、补强填料50‑70份、混合纤维10‑20份、聚乙烯醇40‑60份、有机酸10‑15份；其中，补强填料包括碳化钼、钾长石、膨胀珍珠岩、铝酸钙中的两种或多种；混合纤维包括椰子纤维、甲壳素纤维和聚丙烯短纤维中的两种或多种；有机酸包括聚甲基丙烯酸、羟基乙酸、柠檬酸中的一种或多种。本申请具有降低早强混凝土的干燥收缩，提升早强混凝土的抗裂性能的效果。

Description

一种低收缩快凝早强混凝土及其制备方法

技术领域

本申请涉及混凝土领域，尤其是涉及一种低收缩快凝早强混凝土及其制备方法。

背景技术

早强混凝土早期强度增长较快，后期的强度性能也较高，且具有较高的渗透力和抗冻性能，故而经常应用于紧急抢救的一些低温施工工程和强度不够的施工工程。

在早强混凝土的制备过程中，往往会添加一些早强剂来提升混凝土的早期性能，无机盐类早强剂是常用的早强剂，但是在早期无机盐类早强剂对水化的促进作用，使水泥浆体有较大的水化物表面积，产生一定的膨胀，整个混凝土体积会增加5％-10％；早期的水化物结构不够致密，严重影响了混凝土内部的孔隙，这样在后期就会造成一定干缩，增大混凝土的干燥收缩，进而使早强混凝土容易产生开裂的问题，影响早强混凝土的耐久性。

针对上述问题，发明人认为现有的早强混凝土存在干燥收缩较大，抗裂性能较差的缺陷。

发明内容

为了降低早强混凝土的干燥收缩，提升早强混凝土的抗裂性能，本申请提供一种低收缩快凝早强混凝士及其制备方法。

第一方面，本申请提供的一种低收缩快凝早强混凝土采用如下的技术方案：

一种低收缩快凝早强混凝土，由混凝土拌合料制备而成，所述混凝土拌合料包括以下重量份数的组分：

水130-150份、水泥680-720份、矿渣90-110份、中砂540-580份、碎石860-900份、减水剂11-13份、补强填料50-70份、混合纤维10-20份、聚乙烯醇40-60份、有机酸10-15份；

其中，所述补强填料包括碳化钼、钾长石、膨胀珍珠岩、铝酸钙中的两种或多种；所述混合纤维包括椰子纤维、甲壳素纤维、聚丙烯短纤维和玄武岩纤维中的两种或多种；所述有机酸包括聚甲基丙烯酸、羟基乙酸、柠檬酸中的一种或多种。

通过采用上述技术方案，在混凝土拌合料中加入含有无机矿物的补强填料以及混合纤维、聚乙烯醇、有机酸等组分，这些组分之间能够协同配合，一方面进一步促进水泥水化，加速混凝土凝结，实现混凝土的快凝早强；另一方面上述组分之间能够相互配合，形成具有较高活性的掺合料，填充到混凝土内部的空隙中，提升混凝土密实度的同时增强混凝土骨料、胶料之间的粘结性，抵抗混凝土的干缩，减缓混凝土的开裂；进一步的，上述组分能够使混凝土表面更加耐磨，阻隔外界对混凝土的侵蚀，起到对混凝土表面的防护作用，进一步提升混凝土的耐磨性和耐久性。

优选的，所述补强填料中碳化钼、钾长石、膨胀珍珠岩和铝酸钙的质量比为(1-1.5):(1-2):(0.5-1.0):0.5。

通过采用上述技术方案，补强填料选用上述几种物质，能够优势互补，具有良好的活性和填充效应，能够充分混杂，填充在混凝土内部的空隙中，改善混凝土的孔隙结构，增加早期水化物结构的致密性，使混凝土密实，具有较好的力学性能和耐久性。

优选的，所述补强填料中碳化钼为1000-1200目、钾长石为400-600目、膨胀珍珠岩为600-800目、铝酸钙为200-400目。

通过采用上述技术方案，每种矿物都限定特定的粒径范围，使得各组分之间能够形成良好的级配，进而达到良好的填充效果，补强填料能够与混凝土中骨料和胶料之间形成更好的配合，进而提升混凝土内部的致密性以及骨料胶料之间的连接性，进而有助于提升混凝土的力学性能。

优选的，所述补强填料中碳化钼、钾长石、膨胀珍珠岩和铝酸钙的质量比为1.2:1.5:0.8:0.5。

通过采用上述技术方案，在特定的粒径范围下再进一步限定合适的配比，有助于进一步提升补强填料的填充效果，搭配较好的补强填料还能更充分的与混合纤维、聚乙烯醇、有机酸等组分混合，协同配合下进一步提升混凝土的性能。

优选的，所述混合纤维由椰子纤维、甲壳素纤维和聚丙烯短纤维按照质量比为(0.3-0.5):(0.5-0.7):(1-1.4)混合制得。

通过采用上述技术方案，当外界水渗入混凝土内，其与混凝土中水泥颗粒发生水化，水泥水化使得毛细孔可能被这些多余的水化产物填充，造成混凝土的绝对体积增大，但当混凝土的密实度高、渗透性低时，水汽很难渗透到混凝土內部，混凝土内部仍然会发生自干燥和自收缩现象，混凝土外部膨胀与内部收缩的极端情况会加速混凝土产生裂缝并可能导致破坏。而椰子纤维、甲壳素纤维具有较好的吸水保湿特性，掺杂在混凝土中的椰子纤维、甲壳素纤维能够持续为混凝土内部提供水分，进而减缓混凝土内部的自干燥和自收缩问题，进而减缓混凝土的开裂；再配合稳定性和抗拉性较高的聚丙烯短纤维，三种纤维在特定比例的相互配合下有利于提升混凝土的稳定性和抗裂性。

优选的，所述有机酸包括75-80％wt的聚甲基丙烯酸和20-25％wt的羟基乙酸通过采用上述技术方案，聚甲基丙烯酸和羟基乙酸二者配合使用，加入到混凝土中能够促进水泥的水化，起到较好的早强效果，并能够促进补强填料和水化产物之间的连接，进一步提升混凝土的密实性，减少混凝土干缩。

第二方面，本申请提供的一种低收缩快凝早强混凝士的制备方法采用如下的技术方案：

一种低收缩快凝早强混凝士的制备方法，包括以下步骤：

S1，将聚乙烯醇、补强填料、混合纤维、有机酸和三分之一的水混合，搅拌均匀，得到早强掺合料；

S2，将水泥、矿渣、一半的早强掺合料和剩余的水混合，搅拌均匀，得到水泥浆液；

S3，将中砂、碎石和剩余的早强掺合料加入水泥浆液中混合，搅拌均匀，获得混凝土拌合料；

S4，将混凝土拌合料静置养护后得到低收缩快凝早强混凝土。

步骤S1中，先将聚乙烯醇和水在45-50℃下混合均匀，再加入补强填料和混合纤维，混合均匀，降温至常温后加入有机酸，得到早强拌合料。

通过采用上述技术方案，分两步将早强拌合料添加到混凝土中，有助于早强拌合料在混凝土拌合料中同骨料、胶料之间的充分混合填充，使得早强拌合料中组分充分发挥协同配合作用，进而赋予混凝土快凝早强的性能和耐磨耐久的性能。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.本申请在混凝土拌合料中加入含有无机矿物的补强填料以及混合纤维、聚乙烯醇、有机酸等组分，这些组分之间能够协同配合，一方面进一步促进水泥水化，加速混凝土凝结，实现混凝土的快凝早强；另一方面这些组分之间能够相互配合，形成具有较高活性的掺合料，填充到混凝土内部的空隙中，提升混凝土密实度的同时，增强混凝土骨料、胶料之间的粘结性，抵抗混凝土的干缩，减缓混凝土的开裂；还能够使混凝土表面更加耐磨，阻隔外界对混凝土的侵蚀，起到对混凝土表面的防护作用，进一步提升混凝土的耐磨性和耐久性；2.本申请中限定了补强填料中各组分的粒径范围，并进一步限定了各组分之间的配比；有助于进一步提升补强填料的填充效果，改善混凝土的孔隙结构，增加早期水化物结构的致密性，使混凝土密实；还能更充分的与混合纤维、聚乙烯醇、有机酸等组分混合，协同配合下进一步提升混凝土的力学性能和耐久性；

3.本申请中混合纤维由椰子纤维、甲壳素纤维和聚丙烯短纤维按照特定质量比混合制得，掺杂在混凝土中的椰子纤维、甲壳素纤维能够持续为混凝土内部提供水分，进而减缓混凝土内部的自干燥和自收缩问题，减缓混凝土的开裂；再配合稳定性和抗拉性较高的聚丙烯短纤维，三种纤维在特定比例的相互配合下有利于提升混凝土的稳定性和抗裂性。

具体实施方式

以下结合实施例和对比例对本申请作进一步详细说明。

制备例

制备例1

本制备例公开了一种补强填料，由1200目的碳化钼、600目的钾长石、800目的膨胀珍珠岩和400目的铝酸钙按照质量比为1:1:0.5:0.5混合制得。

制备例2

本制备例公开了一种补强填料，由1000目的碳化钼、400目的钾长石、600目的膨胀珍珠岩和200目的铝酸钙按照质量比为1.5:2:1:0.5混合制得。

制备例3

本制备例公开了一种补强填料，由1200目的碳化钼、600目的钾长石、600目的膨胀珍珠岩和400目的铝酸钙按照质量比为1.2:1.5:0.8:0.5混合制得。

制备例4

本制备例公开了一种补强填料，由1200目的碳化钼、600目的钾长石、600目的膨胀珍珠岩和400目的铝酸钙按照质量比为1:1:1:1混合制得。

制备例5

本制备例公开了一种补强填料，由200目的碳化钼、200目的钾长石、200目的膨胀珍珠岩和200目的铝酸钙按照质量比为1:1:1:1混合制得。

制备例6

本制备例公开了一种补强填料，由1000目的碳化钼、400目的钾长石和600目的膨胀珍珠岩按照质量比为1.2:1.5:0.8混合制得。

制备例7

本制备例公开了一种补强填料，由1200目的碳化钼和600目的钾长石按照质量比为1.2:1.5混合制得。

制备例8

本制备例公开一种混合纤维，由椰子纤维、甲壳素纤维和聚丙烯短纤维按照质量比为0.3:0.5:1混合制得。

制备例9

本制备例公开一种混合纤维，由椰子纤维、甲壳素纤维和聚丙烯短纤维按照质量比为0.5:0.7:1.4混合制得。

制备例10

本制备例公开一种混合纤维，由椰子纤维、甲壳素纤维和聚丙烯短纤维按照质量比为1:1:1混合制得。

制备例11

本制备例公开一种混合纤维，由椰子纤维和甲壳素纤维按照质量比为1:1混合制得。

制备例12

本制备例公开一种混合纤维，由聚丙烯短纤维和甲壳素纤维按照质量比为1:1混合制得。

实施例

实施例1-3

实施例1-3公开了一种低收缩快凝早强混凝土，由混凝土拌合料制备而成，包括以下质量份的组分：

水130-150份、水泥680-720份、矿渣90-110份、中砂540-580份、碎石860-900份、聚羧酸减水剂11-13份、补强填料50-70份、混合纤维10-20份、聚乙烯醇40-60份、有机酸10-15份；

其中，补强填料和混合纤维分别为制备例1-11制得；有机酸包括聚甲基丙烯酸和羟基乙酸。

实施例1-3还公开了上述低收缩快凝早强混凝土的制备方法，包括以下步骤：

S1，将聚乙烯醇和三分之一的水混合，在45-50℃下、转速为50r/min的条件下搅拌10min，再加入补强填料和混合纤维，继续搅拌10min，降温至常温后加入有机酸，继续搅拌3min，得到早强掺合料；

S2，将P·O42.5级水泥、矿渣、聚羧酸减水剂、一半的早强掺合料和剩余的水混合倒入搅拌机中，在常温下、转速为70r/min的条件下搅拌5min，获得水泥浆液；

S3，将中砂、碎石和剩余的早强掺合料加入水泥浆液中混合，在常温下、转速为70r/min的条件下搅拌10min，获得混凝土拌合料；

S4，将混凝土拌合料放入标准养护室中进行28d养护，得到低收缩快凝早强混凝土。

实施例1-3的各原料组分用量(单位：kg)和步骤S1中的搅拌温度(单位：℃)详见表1。

表1

实施例4-7

实施例4-7公开了一种低收缩快凝早强混凝土，与实施例1的不同之处在于：补强填料分别对应选用制备例4-7制得的补强填料。

实施例8-10

实施例-12公开了一种低收缩快凝早强混凝土，与实施例1的不同之处在于：混合纤维分别对应选用制备例10-12制得的混合纤维。

实施例11

实施例11公开了一种低收缩快凝早强混凝土，与实施例1的不同之处在于：10kg有机酸全部由聚甲基丙烯酸组成。

实施例12

实施例12公开了一种低收缩快凝早强混凝土，与实施例1的不同之处在于：10kg有机酸由5kg羟基乙酸和5kg柠檬酸组成。

实施例13

实施例13公开了一种低收缩快凝早强混凝土，与实施例1的不同之处在于：10kg有机酸由3.34kg聚甲基丙烯酸、3.33kg羟基乙酸和3.33kg柠檬酸组成。

对比例

对比例1

一种低收缩快凝早强混凝土，与实施例1的不同之处在于：补强填料由1000目、600目、800目、400目的硅灰石粉末按照质量比为1.2:1.5:0.8:0.5混合制得。

对比例2

一种低收缩快凝早强混凝土，与实施例1的不同之处在于：将混合纤维替换为等量的聚丙烯纤维。

对比例3

一种低收缩快凝早强混凝土，与实施例1的不同之处在于：将聚乙烯醇替换为等量的E1级脲醛树脂胶粉。

对比例4

一种低收缩快凝早强混凝土，与实施例1的不同之处在于：将有机酸替换为等量的碎石。

对照例

一种早强混凝土，由混凝土拌合料制备而成，混凝土拌合料中包括：水150kg、水泥720kg、矿渣110kg、中砂580kg、碎石900kg、聚羧酸减水剂13kg、甲酸钙早强剂22kg。

性能检测试验

1、凝结时间检测：按照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中凝结时间试验进行检测，测得本申请实施例和对比例制得的混凝土的初凝和终凝时间。

2、抗压强度检测：根据GB/T50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》中抗压强度试验方法，对本申请实施例和对比例制得的混凝土进行6h、1d、28d的抗压强度检测。

3、干缩试验：根据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中非接触试验方法，对本申请实施例和对比例制得的混凝土进行检测,测得28d干缩值(10^-6)。

4、早期抗裂试验：根据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的试验方法，对本申请实施例和对比例制得的混凝土进行早期抗裂性能检测，记录单位面积上的总开裂面积(mm²/m²)。

5、耐磨性检测：根据JTG E30-2005《水泥混凝土耐磨性试验方法》中的试验方法，对本申请实施例和对比例制得的混凝土进行耐磨性检测，计算单位面积磨损量(kg/㎡)。

实验1-5的具体检测数据详见表2。

表2

根据表2中实施例1-3和对照例的性能检测数据对比可得：本申请实施例1-3制得的混凝土凝结时间较短，实施例1-3制得混凝土早强抗压强度和后期强度均高于对照例普通早强混凝土的抗压强度、干缩值和总开裂面积以及磨损量均明显降低，进而反映出本申请实施例1-3制得的混凝土具有低收缩、快凝早强的特性，并且还具有较高的抗裂耐磨性能。

发明人分析：本申请在混凝土中加入了补强填料、混合纤维、聚乙烯醇和有机酸，上述组分之间协同配合，能够极大的促进水泥水化，并起到相较于普通早强剂对混凝土的早强效果，并且，相较于普通早强混凝土，上述组分组合还能够改善混凝土的孔隙结构，在混凝土体积膨胀后及时填补膨胀空隙，增加混凝土的密实度，进而减缓混凝土的干缩现象，不仅克服了现有早强混凝土干缩大、抗裂性较差的缺陷，还进一步提升混凝土的抗压强度和耐磨性，提升了混凝土的整体耐久性。

实施例4-7中分别使用了制备例4-7制得的补强填料，本申请实施例1-3中补强填料由一定粒径的碳化钼、钾长石、膨胀珍珠岩和铝酸钙按照质量比为(1-1.5):(1-2):(0.5-1.0):0.5混合制得，实施例4-7中补强填料中矿物的粒径和配比均发生了改变，改变了粒径和配比的补强填料中各组分之间难以达到实施例1-3中准确适宜的协同配合效果，进而影响了补强填料的填充效果，使得实施例4-7制得混凝土的抗压强度和耐磨性下降。对比例1中将补强填料中各组分均替换为相同粒径的硅灰石粉末，虽然粒径级配相同，但是单一的硅灰石粉末难以形成多种填料之间的协同配合和优势互补效果，且失去了补强填料的活性，使得补强填料与混凝土中其他组分之间难以产生反应配合，进而使得对比例制得的混凝土整体性能较差。

发明人分析：本申请采用特定粒径的多种矿物进行特定比例的搭配组合，使得组成的补强填料能够配合本申请的混合纤维、聚乙烯醇、有机酸等组分，对混凝土早强膨胀产生的松散结构进行填充密实，并强化混凝土骨料、胶料、掺合料之间的联系，打破本申请对补强填料中矿物粒径和配比的限定，会使补强填料填充效果受到干扰，进而补强效果下降。

实施例8-10中分别采用制备例11-12制得的混合纤维，对比例2中将混合纤维替换为等量的聚丙烯纤维，本申请实施例1-3中混合纤维由椰子纤维、甲壳素纤维和聚丙烯短纤维按照质量比为(0.3-0.5):(0.5-0.7):(1-1.4)混合制得，实施例8-10和对比例2中改变了本申请混合纤维的配比组成，三种纤维之间的配合被打破，使得实施例8-10和对比例2制得混凝土不仅凝结时间延长，且增大了混凝土收缩值，更容易产生开裂。

发明人分析：本申请混合纤维中椰子纤维、甲壳素纤维二者能在密实混凝土的增益效果下为混凝土内部继续水化提供条件，并且配以聚丙性纤维的稳定抗拉性，进而极大地减少了混凝土内部收缩，减缓了混凝土开裂，掺杂在补强填料中的混合纤维还有助于形成粘结锚固作用，配合补强填料提升混凝土的力学性能，纤维配比的改变不仅影响了纤维与补强填料的混杂，造成对混凝土填充的影响，还难以形成纤维之间的协同配合，降低了混合纤维的保水稳定性，进而影响到混凝土的抗裂性。

本申请实施例1-3中采用75-80％wt的聚甲基丙烯酸和20-25％wt的羟基乙酸混合得到的有机酸，而实施例11-13中分别对有机酸的组成配比进行了不同的调整，替换后的组合难以实现对混凝土早强抗裂的增益作用，还拖慢了混凝土的凝结时间，进而使得实施例11-13制得混凝土的性能下降；对比例3中将有机酸替换为等量碎石后，对比例3制得的混凝土无论是力学性能还是干缩抗裂、耐磨性也都下降。

发明人分析：有机酸中聚甲基丙烯酸、羟基乙酸和柠檬酸这三种成分的加入对于混凝土早强具有一定的增益作用，但是也会起到一定的缓凝作用，而将聚甲基丙烯酸和羟基乙酸二者以特定配比组合使用，不仅能和补强填料、混合纤维、聚乙烯醇等组分形成协同配合，放大对混凝土的早强效果，还能缓解其对混凝土的缓凝影响，并进一步提升混凝土内部结构的连接性和致密性，进而提升混凝土的性能。

对比例4中将聚乙烯醇替换为等量的E1级脲醛树脂胶粉，聚乙烯醇在本申请混凝土的制备过程中能够实现对补强填料、混合纤维、有机酸等物质的混杂连接效果，提升上述组分制得的早强掺合料对混凝土骨料、胶料的粘结性和对混凝土内部空隙的改善填充效果，还可能发生溶胀、成膜等反应变化，进一步促进对混凝土内部的改善和表面的防护，提升混凝土的耐磨性；替换后的树脂胶粉不仅自身干缩大，脆性大，还难以与混凝土其他组分实现较好的协同配合，使得对比例4制得混凝土的性能下降。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种低收缩快凝早强混凝土，其特征在于：由混凝土拌合料制备而成，所述混凝土拌合料包括以下重量份数的组分：

水130-150份、水泥680-720份、矿渣90-110份、中砂540-580份、碎石860-900份、减水剂11-13份、补强填料50-70份、混合纤维10-20份、聚乙烯醇40-60份、有机酸10-15份；

其中，所述补强填料包括碳化钼、钾长石、膨胀珍珠岩、铝酸钙，碳化钼、钾长石、膨胀珍珠岩和铝酸钙的质量比为（1-1.5）:（1-2）:（0.5-1.0）:0.5，碳化钼为1000-1200目、钾长石为400-600目、膨胀珍珠岩为600-800目、铝酸钙为200-400目；所述混合纤维由椰子纤维、甲壳素纤维和聚丙烯短纤维按照质量比为（0.3-0.5）:（0.5-0.7）:（1-1.4）混合制得；所述有机酸包括75-80%wt的聚甲基丙烯酸和20-25%wt的羟基乙酸。

2.根据权利要求1所述的一种低收缩快凝早强混凝土，其特征在于：所述补强填料中碳化钼、钾长石、膨胀珍珠岩和铝酸钙的质量比为1.2:1.5:0.8:0.5。

3.一种如权利要求1-2任一所述的低收缩快凝早强混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将聚乙烯醇、补强填料、混合纤维、有机酸和三分之一的水混合，搅拌均匀，得到早强掺合料；

S2，将水泥、矿渣、减水剂、一半的早强掺合料和剩余的水混合，搅拌均匀，得到水泥浆液；

S3，将中砂、碎石和剩余的早强掺合料加入水泥浆液中混合，搅拌均匀，获得混凝土拌合料；

S4，将混凝土拌合料静置养护后得到低收缩快凝早强混凝土。

4.根据权利要求3所述的一种低收缩快凝早强混凝土的制备方法，其特征在于：步骤S1中，先将聚乙烯醇和水在45-50℃下混合均匀，再加入补强填料和混合纤维，混合均匀，降温至常温后加入有机酸，得到早强掺合料。