CN115893940B - 一种高抗裂混凝土及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及混凝土技术领域，公开了一种高抗裂混凝土及其施工方法，该高抗裂混凝土包括以下重量份的原料：普通硅酸盐水泥25‑35份、粉煤灰6‑10份、砂22‑30份、碎石50‑65份、改性聚乙烯醇纤维0.1‑0.5份、蒙脱石负载型减缩剂2‑3.5份、聚羧酸减水剂1.5‑2份、水25‑30份；其中改性聚乙烯醇纤维是在聚乙烯醇分子链中引入羧基，再通过静电纺丝法纺丝制备；所述蒙脱土负载型减缩剂是以烯丙基聚氧乙烯醚和2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙基磺酸钠为原料进行聚合，再使用蒙脱石对其进行负载制备，将原料混合后，倒入模具中，振捣密实，洒水养护，可得高抗裂混凝土，该高抗裂混凝土力学性能优异，抗裂性能强，施工简单，有利于实际应用。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，具体涉及一种高抗裂混凝土及其施工方法。
背景技术
进入21世纪以来，城市化的进程不断加快，水泥混凝土不断出现在城市道路、桥梁、高层建筑、水坝、码头、机场等处，与人们的生活息息相关，是现代建筑中不可缺少的材料，大量现有的水泥混凝土工程结构中，混凝土的开裂现象十分普遍，裂缝较为明显，因此在大坝等建筑结构中具有极大的潜在危害，为了提高水泥混凝土的抗裂性能，一般采用在混凝土中加入纤维、膨胀剂、减缩剂等技术手段，但是纤维与混凝土基体的界面性能较差，很难均匀分散在混凝土中，只能够局部提升混凝土的抗裂性能，而膨胀剂的加入会提高混凝土建筑结构的养护要求，增加施工成本，减缩剂容易影响混凝土的早期强度，对混凝土的性能造成一定的负面作用，因此，急需一种高抗裂混凝土解决现有技术中的问题。
申请号为CN202011085321.8的中国发明专利公开了一种高强高抗裂抗冲磨混凝土及其制备方法，采用低热硅酸盐水泥、15％～25％的I级粉煤灰量、50mm～110mm的低设计坍落度、最大粒径40mm或80mm的骨料级配配制抗冲磨混凝土，并采用90d～180d的长龄期覆盖喷水养护，发挥低热硅酸盐水泥需水性低、早期水化热低、水化速度慢、后期微膨胀的特性，大幅降低混凝土用水量及胶凝材料用量、最高温度和补偿收缩变形，从根本上减少了混凝土因内外温差产生温度裂缝和胶凝材料水化产生收缩裂缝而开裂，但是这种方法养护周期太长，施工成本高，很难大规模普及，而使用添加外加剂的方式，施工难度较低，养护周期较短，更利于普及。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高抗裂混凝土及其施工方法，解决了以下技术问题：
(1)解决了常规混凝土抗裂性能较差的问题。
(2)解决了纤维在混凝土基体中难以分散，难以有效改善混凝土抗裂性能较差的问题。
(3)解决了加入减缩剂导致混凝土早期强度受到影响，对混凝土的性能造成负面影响的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种高抗裂混凝土，包括以下重量份的原料：普通硅酸盐水泥25-35份、粉煤灰6-10份、砂22-30份、碎石50-65份、改性聚乙烯醇纤维0.1-0.5份、蒙脱石负载型减缩剂2-3.5份、聚羧酸减水剂1.5-2份、水25-30份；所述改性聚乙烯醇纤维是在聚乙烯醇分子链中引入羧基，再与海藻酸钠水溶液复合，通过静电纺丝法纺丝制备；所述蒙脱土负载型减缩剂是以烯丙基聚氧乙烯醚和2-丙烯酰胺-2-甲基丙基磺酸钠为原料进行聚合，再使用蒙脱石对其进行负载制备。
进一步地，所述改性聚乙烯醇纤维的制备包括以下步骤：
S1：向二甲基亚砜中加入聚乙烯醇，升高温度至60-70℃，搅拌至完全溶解，加入偏苯三酸酐和催化剂，混匀后，反应4-12h，反应结束后，抽滤取固体样品，洗涤，真空干燥，得多羧基聚乙烯醇；
S2；分别配置质量浓度为5-10％的多羧基聚乙烯醇水溶液和质量浓度为1-3％的海藻酸钠水溶液，进行混合，机械搅拌至形成均匀的复合纺丝溶液后，倒入静电纺丝设备中，进行静电纺丝，产物干燥后，将其剪裁成长度为15-20mm的均匀样品，得改性聚乙烯醇纤维。
进一步地，步骤S1中，所述催化剂为三氟化硼乙醚络合物，加入的质量为聚乙烯醇和偏苯三酸酐总质量的4-5％。
进一步地，步骤S2中，所述复合纺丝溶液中，多羧基聚乙烯醇水溶液与海藻酸钠水溶液的体积比为1:0.4-0.8。
进一步地，步骤S2中，所述静电纺丝时，设置纺丝电压为15-20kV、纺丝速率为16-24uL/min、接收距离为10-20cm。
通过上述技术方案，由于偏苯三酸酐分子结构中的酸酐基团活性较高，在催化剂三氟化硼乙醚络合物的作用下，聚乙烯醇分子链中的羟基可以与偏苯三酸酐结构中的酸酐基团发生开环酯化缩合反应，不仅能够引入偏苯三酸酐本身的羧基，还能引入因开环酯化反应产生的羧基，得到多羧基聚乙烯醇，将其配置成纺丝溶液，再与海藻酸钠水溶液进行复合，形成复合型纺丝溶液，再通过静电纺丝法，将其纺织成纤维，制得改性聚乙烯醇纤维。
进一步地，所述蒙脱石负载型减缩剂的制备包括以下步骤：
SS1：将烯丙基聚氧乙烯醚和2-丙烯酰胺-2-甲基丙基磺酸钠加去离子水溶解，加入过氧化苯甲酰，机械搅拌均匀，置于反应釜中，通氮气除去氧气，在60-90℃下反应2-6h，反应结束后过滤出固体样品，洗涤，真空干燥，得功能化聚氧乙烯醚减缩剂；
SS2：将步骤SS1中制备的功能化聚氧乙烯醚减缩剂配置成质量浓度为20-40％的水溶液，并向其中加入蒙脱石粉，超声2-6h，在20-35℃下密封保存24-48h，得蒙脱石负载型减缩剂。
进一步地，步骤SS1中，所述烯丙基聚氧乙烯醚的分子量为1000-2400。
进一步地，步骤SS2中，所述功能化聚氧乙烯醚减缩剂水溶液与蒙脱石粉的固液比为2-6:1。
通过上述技术方案，以过氧化苯甲酰为引发剂，引发烯丙基聚氧乙烯醚和2-丙烯酰胺-2-甲基丙基磺酸钠进行自由基聚合反应，从而在聚氧乙烯醚结构中引入酰胺基团和磺酸基团，制得功能化聚氧乙烯醚减缩剂，将其溶解在去离子水中，配置成水溶液，并与蒙脱石粉混合，在超声条件下，功能化聚氧乙烯醚减缩剂会流入蒙脱石的层间结构中，并在蒙脱石层间结构中沉积，形成蒙脱土负载聚氧乙烯醚减缩剂。
一种高抗裂混凝土的施工方法包括以下步骤：
SSS1：将普通硅酸盐水泥、粉煤灰、砂、碎石、改性聚乙烯醇纤维、蒙脱石负载型减缩剂倒入搅拌机中，设置搅拌速率为1000-1000r/min，搅拌5-10min，得预混料；
SSS2：向步骤SSS1中制备的预混料中加入聚羧酸减水剂和水，继续搅拌5-10min，得高抗裂混凝土；
SSS3：使用高压风将模具清理干净，倒入步骤SSS2制备的高抗裂混凝土，采用高频振捣器，将高抗裂混凝土振捣密实，控制环境温度为20-25℃，待混凝土初凝后，拆除模具，洒水养护即可。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用偏苯三酸酐对聚乙烯醇进行改性，使得经静电纺丝法制备的改性聚乙烯醇纤维结构中大量的羧基，由于水泥粒子的水化初期，表面带有正电荷Ca2+，可以与聚乙烯醇纤维中大量的羧基负离子产生静电吸附，使得改性聚乙烯醇纤维在搅拌分散后保持分散状态，同时，使用海藻酸钠与改性后的聚乙烯醇进行复合，可以结合聚乙烯醇与海藻酸钠的优势，使得改性聚乙烯醇纤维的力学性能更加优异，不会轻易发生断裂，有利于维持混凝土结构的稳定性，此外，在静电作用下，改性聚乙烯醇纤维能够与水泥粒子产生优异的结合力，在改性聚乙烯醇纤维的约束作用下，混凝土内部结构更加密实，大大减少了混凝土发生内部开裂的几率。
(2)本发明采用烯丙基聚氧乙烯醚和2-丙烯酰胺-2-甲基丙基磺酸钠进行自由基聚合，制备出结构中含有酰胺基团和磺酸基团的功能化聚氧乙烯醚减缩剂，功能化聚氧乙烯醚减缩剂的表面能较低，可以降低混凝土空结构中的空压，使水泥孔道的毛细管张力减小，从而降低了混凝土的收缩开裂风险，结合改性聚乙烯醇纤维对混凝土内部结构的紧实，彼此之间形成的协同作用使得混凝土不仅内部收缩应力小，还具有明显的减缩效应，因此最终制备的混凝土抗裂性能优异。
(3)本发明采用蒙脱石对其进行负载，在混凝土的干燥过程中，内部压力逐渐减小，聚氧乙烯醚减缩剂在压力作用下缓慢从蒙脱石中脱出，因此对混凝土早强性能的负面影响较小，此外，聚氧乙烯醚结构中含有的酰胺基团和磺酸基团可以与水泥浆体中的氢氧化钙反应，使得C3S的水化速率加快，进而导致早期水泥块中针状钙矾石的数量大大提高，从而抵消了聚氧乙烯醚减缩剂对混凝土早起性能的负面影响，甚至能够增强混凝土的早期强度。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中多羧基聚乙烯醇的合成原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一、改性聚乙烯醇纤维的制备
S1：向二甲基亚砜中加入5g聚乙烯醇，升高温度至65℃，搅拌至完全溶解，再将0.4g偏苯三酸酐和0.25g三氟化硼乙醚络合物，混匀后，反应8h，反应结束后，抽滤取固体样品，洗涤，真空干燥，得多羧基聚乙烯醇，图1为多羧基聚乙烯醇的合成原理示意图，取0.5g多羧基聚乙烯醇，加入30mL吡啶，混匀，加入0.3mL酚酞指示剂，滴入00.02mol/L的碳酸钠-乙醇标准滴定溶液，滴至溶液呈蓝色位置，记录消耗的标准滴定溶液体积，放置10min，同时做空白实验，滴定30mL吡啶所需的碳酸钠-乙醇标准滴定溶液体积，经计算，多羧基聚乙烯醇结构中羧基含量为0.38mmol/L，证实聚乙烯醇结构中成功引入羧基官能团；
S2；分别配置质量浓度为8％的多羧基聚乙烯醇水溶液和质量浓度为2％的海藻酸钠水溶液，按1:0.6的体积比进行混合，机械搅拌至形成均匀的复合纺丝溶液后，倒入静电纺丝设备中，设置纺丝电压为20kV、纺丝速率为20uL/min、接收距离为15cm，进行静电纺丝，产物干燥后，将其剪裁成长度为20mm的均匀样品，得改性聚乙烯醇纤维，使用HY-1080拉伸断裂强度试验机测试改性聚乙烯醇纤维的断裂强度，经测试，改性聚乙烯醇纤维的断裂强力为26.15cN，具有优异的力学性能。
二、蒙脱石负载型减缩剂的制备
SS1：将10g烯丙基聚氧乙烯醚2400和2g的2-丙烯酰胺-2-甲基丙基磺酸钠加去离子水溶解，加入0.1g过氧化苯甲酰，机械搅拌均匀，置于反应釜中，通氮气除去氧气，在70℃下反应4h，反应结束后过滤出固体样品，洗涤，真空干燥，得功能化聚氧乙烯醚减缩剂，使用TQ-3型元素分析仪测试功能化聚氧乙烯醚减缩剂结构中C、N、S元素的含量，测试结果见下表:
从表格可以看出，功能化聚氧乙烯醚减缩剂结构中含有氮元素和硫元素，而烯丙基聚氧乙烯醚2400结构中并没有氮元素和硫元素侧存在，因此可以证实功能化聚氧乙烯醚减缩剂的成功合成；
SS2：将步骤SS1中制备的功能化聚氧乙烯醚减缩剂配置成5mL质量浓度为30％的水溶液，并向其中加入1g蒙脱石粉，超声6h，在25℃下密封保存48h，得蒙脱石负载型减缩剂。
三、高抗裂混凝土的制备
SSS1：将25份普通硅酸盐水泥、6份粉煤灰、22份砂、50份碎石、0.1份改性聚乙烯醇纤维、2份蒙脱石负载型减缩剂倒入搅拌机中，设置搅拌速率为1000r/min，搅拌5min，得预混料；
SSS2：向步骤SSS1中制备的预混料中加入1.5份聚羧酸减水剂和25份水，继续搅拌5min，得高抗裂混凝土；
SSS3：使用高压风将模具清理干净，倒入步骤SSS2制备的高抗裂混凝土，采用高频振捣器，将高抗裂混凝土振捣密实，控制环境温度为20℃，待混凝土初凝后，拆除模具，洒水养护即可。
实施例2
高抗裂混凝土的制备
SSS1：将30份普通硅酸盐水泥、8份粉煤灰、25份砂、60份碎石、0.4份改性聚乙烯醇纤维、3份蒙脱石负载型减缩剂倒入搅拌机中，设置搅拌速率为1500r/min，搅拌10min，得预混料；
SSS2：向步骤SSS1中制备的预混料中加入1.8份聚羧酸减水剂和28份水，继续搅拌8min，得高抗裂混凝土；
SSS3：使用高压风将模具清理干净，倒入步骤SSS2制备的高抗裂混凝土，采用高频振捣器，将高抗裂混凝土振捣密实，控制模具内外温差≤25℃，待混凝土初凝后，拆除模具，洒水养护即可。
改性聚乙烯醇纤维与蒙脱石负载型减缩剂的制备方法与实施例1相同。
实施例3
高抗裂混凝土的制备
SSS1：将35份普通硅酸盐水泥、10份粉煤灰、30份砂、65份碎石、0.5份改性聚乙烯醇纤维、3.5份蒙脱石负载型减缩剂倒入搅拌机中，设置搅拌速率为2000r/min，搅拌10min，得预混料；
SSS2：向步骤SSS1中制备的预混料中加入2份聚羧酸减水剂和30份水，继续搅拌10min，得高抗裂混凝土；
SSS3：使用高压风将模具清理干净，倒入步骤SSS2制备的高抗裂混凝土，采用高频振捣器，将高抗裂混凝土振捣密实，控制环境温度为25℃，待混凝土初凝后，拆除模具，洒水养护即可。
改性聚乙烯醇纤维与蒙脱石负载型减缩剂的制备方法与实施例1相同。
对比例1
高抗裂混凝土的制备
SSS1：将30份普通硅酸盐水泥、8份粉煤灰、25份砂、60份碎石、0.4份改性聚乙烯醇纤维和3份烯丙基聚氧乙烯醚2400倒入搅拌机中，设置搅拌速率为1500r/min，搅拌8min，得预混料；
SSS2：向步骤SSS1中制备的预混料中加入1.8份聚羧酸减水剂和28份水，继续搅拌8min，得高抗裂混凝土；
SSS3：使用高压风将模具清理干净，倒入步骤SSS2制备的高抗裂混凝土，采用高频振捣器，将高抗裂混凝土振捣密实，控制环境温度为25℃，待混凝土初凝后，拆除模具，洒水养护即可。
改性聚乙烯醇纤维的制备方法与实施例1相同。
对比例2
高抗裂混凝土的制备
SSS1：将30份普通硅酸盐水泥、8份粉煤灰、25份砂、60份碎石、0.4份改性聚丙烯纤维(购买自武汉普洛夫生物科技有限公司)、3份蒙脱石负载型减缩剂倒入搅拌机中，设置搅拌速率为1500r/min，搅拌10min，得预混料；
SSS2：向步骤SSS1中制备的预混料中加入1.8份聚羧酸减水剂和28份水，继续搅拌8min，得高抗裂混凝土；
SSS3：使用高压风将模具清理干净，倒入步骤SSS2制备的高抗裂混凝土，采用高频振捣器，将高抗裂混凝土振捣密实，控制环境温度为25℃，待混凝土初凝后，拆除模具，洒水养护即可。
蒙脱石负载型减缩剂的制备方法与实施例1相同。
性能检测：
将实施例1-实施例3制备以及对比例1-对比例2制备的高抗裂混凝土洒水养护3d、28d、60d，参考GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，分别测试混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度，参考GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试混凝土洒水养护3d、28d、60d的收缩率，测试结果见下表：
混凝土的抗压强度越大，抗压能力越强，混凝土的收缩率越小，混凝土的收缩程度越小，表示混凝土的抗裂性能越好，因此使用收缩率来评价混凝土的抗裂性能，从上表中的数据可以得出，本发明实施例1-实施例3制备的高抗裂混凝土具有较高的抗压强度和较小的收缩率，代表制备的高抗裂混凝土具有良好的抗压强度和抗裂性能，而且在3d时也能具有较高的抗压强度，表示制备的高抗裂混凝土具有良好的早强性能，对比例1使用烯丙基聚氧乙烯醚2400为减缩剂，导致制备的混凝土早期强度较低，对比例2使用常规聚丙烯纤维作为添加剂，制备的混凝土抗压性能和抗裂性能一般，推测是聚丙烯纤维与混凝土的相容性较差，难以有效增强混凝土的抗压性能和抗裂性能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种高抗裂混凝土，其特征在于，包括以下重量份的原料：普通硅酸盐水泥25-35份、粉煤灰6-10份、砂22-30份、碎石50-65份、改性聚乙烯醇纤维0.1-0.5份、蒙脱石负载型减缩剂2-3.5份、聚羧酸减水剂1.5-2份、水25-30份；所述改性聚乙烯醇纤维是在聚乙烯醇分子链中引入羧基，再与海藻酸钠水溶液复合，通过静电纺丝法纺丝制备；所述蒙脱石负载型减缩剂是以烯丙基聚氧乙烯醚和2-丙烯酰胺-2-甲基丙基磺酸钠为原料进行聚合，再使用蒙脱石对其进行负载制备；
所述改性聚乙烯醇纤维的制备包括以下步骤：
S1：向二甲基亚砜中加入聚乙烯醇，升高温度至60-70℃，搅拌至完全溶解，加入偏苯三酸酐和催化剂，混匀后，反应4-12h，反应结束后，抽滤取固体样品，洗涤，真空干燥，得多羧基聚乙烯醇；
S2；分别配置质量浓度为5-10％的多羧基聚乙烯醇水溶液和质量浓度为1-3％的海藻酸钠水溶液，进行混合，机械搅拌至形成均匀的复合纺丝溶液后，倒入静电纺丝设备中，进行静电纺丝，产物干燥后，将其剪裁成长度为15-20mm的均匀样品，得改性聚乙烯醇纤维；
所述催化剂为三氟化硼乙醚络合物，加入的质量为聚乙烯醇和偏苯三酸酐总质量的4-5％；
所述复合纺丝溶液中，多羧基聚乙烯醇水溶液与海藻酸钠水溶液的体积比为1:0.4-0.8；
所述蒙脱石负载型减缩剂的制备包括以下步骤：
SS1：将烯丙基聚氧乙烯醚和2-丙烯酰胺-2-甲基丙基磺酸钠加去离子水溶解，加入过氧化苯甲酰，机械搅拌均匀，置于反应釜中，通氮气除去氧气，在60-90℃下反应2-6h，反应结束后过滤出固体样品，洗涤，真空干燥，得功能化聚氧乙烯醚减缩剂；
SS2：将步骤SS1中制备的功能化聚氧乙烯醚减缩剂配置成质量浓度为20-40％的水溶液，并向其中加入蒙脱石粉，超声2-6h，在20-35℃下密封保存24-48h，得蒙脱石负载型减缩剂；
所述功能化聚氧乙烯醚减缩剂水溶液与蒙脱石粉的液固比为2-6:1。
2.根据权利要求1所述的一种高抗裂混凝土，其特征在于，步骤S2中，所述静电纺丝时，设置纺丝电压为15-20kV、纺丝速率为16-24uL/min、接收距离为10-20cm。
3.根据权利要求1所述的一种高抗裂混凝土，其特征在于，步骤SS1中，所述烯丙基聚氧乙烯醚的分子量为1000-2400。
4.一种如权利要求1-3任意一项所述的高抗裂混凝土的施工方法，其特征在于，所述施工方法包括以下步骤：
SSS1：将普通硅酸盐水泥、粉煤灰、砂、碎石、改性聚乙烯醇纤维、蒙脱石负载型减缩剂倒入搅拌机中，设置搅拌速率为1000-2000r/min，搅拌5-10min，得预混料；
SSS2：向步骤SSS1中制备的预混料中加入聚羧酸减水剂和水，继续搅拌5-10min，得高抗裂混凝土；
SSS3：使用高压风将模具清理干净，倒入步骤SSS2制备的高抗裂混凝土，采用高频振捣器，将高抗裂混凝土振捣密实，控制环境温度为20-25℃，待混凝土初凝后，拆除模具，洒水养护即可。
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