CN116063041A - 基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土及制备方法和应用，按重量份数计该混凝土包括以下组分：改性砂浆200～300份、矿物掺合料95～120份、轻粗集料45～80份、复合外加剂30～40份及适量补足的自来水。本案通过环氧有机改性处理砂浆，提高混凝土粘附耐久性与吸附能力，实现其内部的持久锁水，能够覆盖混凝土内部裂隙，再采用膨胀剂与减水剂复合掺用，膨胀剂能够影响收缩力与抗拉强度之间的协调性，实现混凝土收缩力与抗拉强度的动态平衡，有效限制初期收缩率，可以防止混凝土外部出现开裂，使得改进后的轻集料混凝土在保持高强度性的同时，具有良好的高抗裂性。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，具体而言，尤其是一种基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土及制备方法和应用。
背景技术
轻集料混凝土具有自重轻、保温隔热和耐火性能好等特点。结构轻集料混凝土的抗压强度高可达70兆帕，与同标号的普通混凝土相比，可减轻轻集料混凝土屋顶保温施工自重20～30%以上，结构保温干拌复合轻集料混凝土是一种保温性能良好的墙体材料，其热导率为0.233～0.523瓦/（米*开），仅为普通混凝土的12～33%。轻集料混凝土的变形性能良好，弹性模量较低。在一般情况下，收缩和徐变也较大。轻集料混凝土的弹性模量与其容重和强度成正比。容重越小、强度越低，弹性模量也越低。与同标号的普通混凝土相比，轻集料混凝土的弹性模量约低25～65%。轻集料混凝土大量应用于工业与民用建筑及其他工程，可收到减轻结构自重；提高结构的抗震性能；节约材料用量；提高构件运输和吊装效率；减少地基荷载及改善建筑功能等效益。因此，在20世纪60～70年代，轻集料混凝土的生产和应用技术发展较快，主要向轻质、高强的方向发展，大量应用於高层、大跨度结构和围护结构，特别是大量用於制作墙体用的小型空心砌块；中国从50年代开始研制轻集料及轻集料混凝土，主要用于工业与民用建筑的大型外墙板和小型空心砌块，少量用于高层和桥梁建筑的承重结构和热工构筑物。
轻集料混凝土具有多类基本属性，其中收缩是轻集料混凝土的固有属性之一，是轻集料混凝土在硬化处理过程中，因其自身的物理化学反应而产生体积缩小变化，从而在轻集料混凝土内部生成了相应的收缩力（即抗压强度），当收缩力（抗压强度）增大幅度逐渐大于轻集料混凝土抗拉强度增大幅度时，轻集料混凝土就会出现开裂的情况。而且这些裂缝的存在，不仅影响建筑物的外观，还会降低建筑物的耐久性与稳定性。
现有技术中，人们通常采用添加膨胀剂的方法改善混凝土的收缩量，在膨胀剂用量正常情况下，可以补偿混凝土的收缩，但要一旦使用超量，就会造成混凝土产生较大内应力，导致其内部出现裂纹，从而使得混凝土后期强度降低。所以，有必要对现有的混凝土制备方法进行改进，以便补偿混凝土的收缩量，从而提高混凝土的综合使用性能。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土及制备方法和应用，用以避免膨胀剂使用过量造成混凝土产生较大内应力，防止其内部出现裂纹的同时保持混凝土强度。
本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土，按照重量份的原料包括200～300份改性砂浆、95～120份矿物掺合料、45～80份轻粗集料、30～40份复合外加剂及适量补足的符合国家标准的自来水。
进一步地，上述的基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土，其中：所述矿物掺合料粉为煤灰、粒化高炉矿渣、硅灰、石灰石粉、钢渣粉、磷渣粉、沸石粉及复合矿物掺合料中任意一种或几种。
进一步地，上述的基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土，其中：所述改性砂浆制备原料包括硅酸盐水泥、水洗砂、超细矿粉、环氧改性剂、聚乙烯醇胶粉、粘胶纤维、有机锡稳定剂、滑石粉、疏水剂、引气剂、增塑剂、缓凝剂及防沉剂。
更进一步地，上述的基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土，其中：所述改性砂浆制备过程为：维持常温20～24℃，在反应容器中加入水、硅酸盐水泥、水洗砂及超细矿粉，持续搅拌均匀后得到预制混合物，依次向反应容器中的预制混合物添加聚乙烯醇胶粉、粘胶纤维、有机锡稳定剂、滑石粉、疏水剂、引气剂、增塑剂、缓凝剂及防沉剂，再次充分搅拌形成水泥砂浆混合物，最后采用环氧有机改性处理水泥砂浆混合物后，升温至40～75℃，并加入催化剂持续0.5～1h，进行高温固化转化反应得到改性砂浆。
更进一步地，上述的基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土，其中：所述复合外加剂由聚合物乳液、膨胀剂与减水剂复合掺用制成，所述聚合物乳液、膨胀剂与减水剂的质量比为1：（0.1-0.2）：（0.5-0.9），所述减水剂为减缩型聚羧酸减水剂，所述膨胀剂为SMAC高效低碱膨胀剂，所述聚合物乳液包括有以下重量百分比的原料：醋酸乙烯均聚物35～60％、邻苯三甲酸二丁酯15～25％、烷基苯磺酸钠5～8％和水15～25％，通过聚合物乳液有效调节膨胀剂与减水剂的。
另外，本发明提供了一种基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土的制备方法，其特点是该制备方法包括以下步骤：
（1）取所需份数的改性砂浆、矿物掺合料、轻粗集料、复合外加剂及水，对轻粗集料进行预湿处理。
（2）采用折叠配合比设计，按水灰比法则的要求进行改性砂浆的配制后，按照配比混合改性砂浆、矿物掺合料、轻粗集料、复合外加剂及水，所有材料用量的计算使用假定容重法或绝对体积法。
（3）采用分级搅拌的方式处理混凝土浆料，完成搅拌的同时，通过搅拌装置的循环排放气结构保持混凝土浆料的呼吸。
（4）采用混凝土泵与混凝土搅拌运输车配套使用，通过混凝土搅拌运输车对混凝土浆料进行地面输送，并由混凝土泵沿管道输送混凝土浆料，能一次连续完成混凝土浆料的水平运输和垂直运输，配以布料杆再进行浇筑或灌注处理。
（5）利用存储罐对混凝土进行后期养护保存，每日定期对混凝土进行搅拌与加湿处理，用以延长混凝土的使用寿命。
进一步地，上述的基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土的制备方法，其中：在步骤（4）中，加入矿物掺合料后搅拌混合的搅拌速率为350～650r/min，优选搅拌速率为450～550r/min，加入复合外加剂时搅拌混合的搅拌速率为500～900r/min，优选搅拌速率为700～800r/min。
进一步地，上述的基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土的制备方法，其中：在步骤（5）中，存储罐的养护保存时在8～25℃的潮湿环境下进行保存。
最后，本发明还提出了一种基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土长期在-52.3℃～48.9℃温差变化的恶劣环境中制作装配式砼结构的应用。
再进一步地，上述的基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土的应用，其特点是所述基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土用于制作装配式砼结构的具体方法为：在方体模具中分层浇筑混凝土，通过冷却、定型及脱模后得到混凝土层，所述砼结构的基础由3～5层所述混凝土层构成，其中各混凝土层中均匀植入若干根钢筋，且利用机械接头、卡板和套箍对砼结构进行焊接连接，从而完成砼结构之间的装配。
如此，采用本发明技术方案，采用膨胀剂与减水剂复合掺用，膨胀剂能够影响收缩力与抗拉强度之间的协调性，有效限制初期收缩率，可以防止混凝土外部出现开裂；与此同时，再采用环氧有机改性处理砂浆，从而提高集料的粘附耐久性与吸附能力，实现其内部的持久锁水，能够覆盖混凝土内部裂隙，达到很好的防内裂效果。
与现有技术相比，采用本发明技术方案之后，通过掺合使用外加剂的最佳配比值，使得减水剂与膨胀剂对混凝土的掺合达到平衡，增强用料之间的粘附性与耐久性，从而拉长外加剂的掺合平衡点，再通过改性砂浆提高内应力，实现混凝土收缩力与抗拉强度的动态平衡，抵消二者相对强度增幅差，保证收缩力与混凝土抗压强度协同工作，使得改进后的轻集料混凝土在保持高强度性的同时，具有良好的高抗裂性。
附图说明
图1为本发明的制备方法流程图；
图2为本发明基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土应用下的砼结构示意图。
图中各附图标记的含义为：1-混凝土层，2-钢筋。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明技术方案，以使其更易于理解和掌握。以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明，并且，以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。其中，以下实施例所用原料均为市售或自制。
实施例1
（1）室内温度20℃时，在反应容器中加入水、硅酸盐水泥、水洗砂及超细矿粉，其中按水灰比法则的要求选择水与硅酸盐水泥的配比为0.4:1，持续搅拌均匀后得到预制混合物，依次向反应容器中的预制混合物添加聚乙烯醇胶粉、粘胶纤维、有机锡稳定剂、滑石粉、疏水剂、引气剂、增塑剂、缓凝剂及防沉剂，再次充分搅拌形成水泥砂浆混合物，最后采用环氧有机改性处理水泥砂浆混合物后，升温至45℃，并加入催化剂持续0.5h，进行高温固化转化反应得到改性砂浆。
（2）复合外加剂由聚合物乳液、膨胀剂与减水剂复合掺用制成，选择聚合物乳液、膨胀剂与减水剂的质量比为1：0.1：0.5，所述减水剂为减缩型聚羧酸减水剂，所述膨胀剂为SMAC高效低碱膨胀剂，所述聚合物乳液包括有以下重量百分比的原料：35％醋酸乙烯均聚物、15％邻苯三甲酸二丁酯、5％烷基苯磺酸钠和15％水。
（3）取所需份数的改性砂浆、矿物掺合料、轻粗集料、复合外加剂及水，对轻粗集料进行预湿处理，提前12h对轻粗集料进行淋水、预湿润,然后滤干水分进行投料。
（4）采用折叠配合比设计，按照配比混合200份改性砂浆、95份矿物掺合料、45份轻粗集料及30份复合外加剂，再补足适量的符合国家标准的自来水，所有材料用量的计算使用假定容重法或绝对体积法，制得混凝土浆料。
（5）采用分级搅拌的方式处理混凝土浆料，完成搅拌的同时，通过搅拌装置的循环排放气结构保持混凝土浆料的呼吸，有助于调节混凝土浆料内部的导热系数，减少能量需求。
（6）采用混凝土泵与混凝土搅拌运输车配套使用，通过混凝土搅拌运输车对混凝土浆料进行地面输送，并由混凝土泵沿管道输送混凝土浆料，能一次连续完成混凝土浆料的水平运输和垂直运输，配以布料杆再进行浇筑或灌注处理，即可利用存储罐对混凝土浆料进行后期养护保存，每日定期对混凝土浆料进行搅拌与加湿处理。
实施例2
（1）常温22℃下，在反应容器中加入水、硅酸盐水泥、水洗砂及超细矿粉，持续搅拌均匀后得到预制混合物，依次向反应容器中的预制混合物添加聚乙烯醇胶粉、粘胶纤维、有机锡稳定剂、滑石粉、疏水剂、引气剂、增塑剂、缓凝剂及防沉剂，再次充分搅拌形成水泥砂浆混合物，最后采用环氧有机改性处理水泥砂浆混合物后，升温至55℃，并加入催化剂持续0.8h，进行高温固化转化反应得到改性砂浆。
（2）复合外加剂由聚合物乳液、膨胀剂与减水剂复合掺用制成，所述聚合物乳液、膨胀剂与减水剂的质量比为1：0.2：0.7，所述减水剂为减缩型聚羧酸减水剂，所述膨胀剂为SMAC高效低碱膨胀剂，所述聚合物乳液包括有以下重量百分比的原料：醋酸乙烯均聚物40％、邻苯三甲酸二丁酯20％、烷基苯磺酸钠6％和水22％。
（3）取所需份数的改性砂浆、矿物掺合料、轻粗集料、复合外加剂及水，对轻粗集料进行预湿处理，提前14h对轻粗集料进行淋水、预湿润,然后滤干水分进行投料。
（4）采用折叠配合比设计，按水灰比法则的要求进行改性砂浆的配制后，按照配比混合改性砂浆、矿物掺合料、轻粗集料、复合外加剂及水，所有材料用量的计算使用假定容重法或绝对体积法。
（5）采用分级搅拌的方式处理混凝土浆料，完成搅拌的同时，通过搅拌装置的循环排放气结构保持混凝土浆料的呼吸。
（6）采用混凝土泵与混凝土搅拌运输车配套使用，通过混凝土搅拌运输车对混凝土浆料进行地面输送，并由混凝土泵沿管道输送混凝土浆料，能一次连续完成混凝土浆料的水平运输和垂直运输，配以布料杆再进行浇筑或灌注处理，利用存储罐对混凝土进行后期养护保存，定期对混凝土进行搅拌与冷却、加湿处理。
实施例3
（1）常温24℃下，在反应容器中加入水、硅酸盐水泥、水洗砂及超细矿粉，持续搅拌均匀后得到预制混合物，依次向反应容器中的预制混合物添加聚乙烯醇胶粉、粘胶纤维、有机锡稳定剂、滑石粉、疏水剂、引气剂、增塑剂、缓凝剂及防沉剂，再次充分搅拌形成水泥砂浆混合物，最后采用环氧有机改性处理水泥砂浆混合物后，升温至75℃，并加入催化剂持续1h，进行高温固化转化反应得到改性砂浆。
（2）复合外加剂由聚合物乳液、膨胀剂与减水剂复合掺用制成，所述聚合物乳液、膨胀剂与减水剂的质量比为1：0.2：0.9，所述减水剂为减缩型聚羧酸减水剂，所述膨胀剂为SMAC高效低碱膨胀剂，所述聚合物乳液包括有以下重量百分比的原料：醋酸乙烯均聚物60％、邻苯三甲酸二丁酯25％、烷基苯磺酸钠8％和水25％。
（3）取所需份数的改性砂浆、矿物掺合料、轻粗集料、复合外加剂及水，对轻粗集料进行预湿处理，提前16h对轻粗集料进行淋水、预湿润,然后滤干水分进行投料。
（4）采用折叠配合比设计，按水灰比法则的要求进行改性砂浆的配制后，按照配比混合改性砂浆、矿物掺合料、轻粗集料、复合外加剂及水，所有材料用量的计算使用假定容重法或绝对体积法。
（5）采用分级搅拌的方式处理混凝土浆料，完成搅拌的同时，通过搅拌装置的循环排放气结构保持混凝土浆料的呼吸。
（6）采用混凝土泵与混凝土搅拌运输车配套使用，通过混凝土搅拌运输车对混凝土浆料进行地面输送，并由混凝土泵沿管道输送混凝土浆料，能一次连续完成混凝土浆料的水平运输和垂直运输，配以布料杆再进行浇筑或灌注处理，利用存储罐对混凝土进行后期养护保存，定期对混凝土进行搅拌与加湿处理。
对比例1
100号的C8混凝土（市售购买）
对比例2
150号的C13混凝土（市售购买）
对比例3
200号的C18混凝土（市售购买）
混凝土抗裂性能检测方法是通过考察受约束混凝土圆环试件在规定的养护条件下的开裂趋势来判定混凝土的抗裂性（按《普通混凝土力学性能试验方法标准》（gb/t50081-2002）中规定，严格按照被检测的混凝土配合比拌制被检混凝土拌和物），具体试验操作如下：
将具体实施例1～3和对比例1～3的混凝土依次放置在周边的 L 形钢筋网提供约束，试模的内部底面均铺设一层塑料薄膜以减少对混凝土的约束，试件浇筑完成后，利用太阳灯和电风扇模拟实际工作环境，混凝土时间放置24h后，测定裂缝的宽度和长度，其中具体实施例1～3和对比例1～3的平均长度为287.35mm，测定裂缝宽度数据如下表1所示：
表1： 实施例 1～3及对比例 1～3 裂缝开裂测定表
由表1可知：利用图像分析技术表征裂缝的参数（长度、宽度与面积）可以得出：实施例1～3的裂缝宽度均小于对比例 1～3，实施例1～3的抗裂性能均优于对比例 1～3，采用本发明配方可以在维持原有的混凝土性能基础上，可以进一步提高其抗裂性效果。
根据本发明技术方案，如图2所示，组成装配式砼结构的具体方法为：所述砼结构的基础由3～5层所述混凝土层1构成，其中各混凝土层1中均匀植入若干根钢筋2，且利用机械接头、卡板和套箍对砼结构进行焊接连接，从而构成装配式砼结构，利用装配式砼结构可在-52.3℃～48.9℃温差变化的恶劣环境中建筑使用，不易开裂，稳定牢固。
本发明技术方案当中，对混凝土原有的材料预处理、折叠配合比设计、搅拌处理、输送与灌筑以及后期养护保存加以制备方法改进，其中水泥砂浆的改性处理、膨胀剂与减水剂的掺合平衡点复配添加剂，这两方面的改进均是本案的技术关键，对于矿物掺合料与轻粗集料，本领域普通技术人员根据现有技术进行常规选择即可，本案对其材料选择及配制使用等方面并无特殊要求。
如此，采用本发明技术方案，采用环氧有机改性处理砂浆，从而提高集料的粘附耐久性与吸附能力，实现其内部的持久锁水，能够覆盖混凝土内部裂隙，达到很好的防内裂效果；与此同时，再采用膨胀剂与减水剂复合掺用，膨胀剂能够影响收缩力与抗拉强度之间的协调性，有效限制初期收缩率，可以防止混凝土外部出现开裂。
通过以上描述可以发现，与现有技术相比，采用本发明技术方案之后，通过掺合使用外加剂中的减水剂与膨胀剂最佳配比值，使得减水剂与膨胀剂对混凝土的掺合达到平衡数值，从而增强了用料之间的粘附性与耐久性，进而有效拉长外加剂的掺合平衡点，再通过改性砂浆提高混凝土的内应力，实现混凝土收缩力（抗压强度）与抗拉强度的动态平衡，抵消二者相对强度增幅差，保证收缩力（抗拉强度）与混凝土抗压强度协同工作，使得改进后的轻集料混凝土在保持高强度性的同时，具有良好的高抗裂性，以便延长混凝土的使用寿命。
以上对本发明的技术方案、工作过程和实施效果进行了详细描述，需要说明的是，所描述的只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土，其特征在于，所述基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土按照重量份的原料包括：
改性砂浆：200～300份；
矿物掺合料：95～120份；
轻粗集料：45～80份；
复合外加剂：30～40份；
符合国家标准的自来水：适量补足。
2.根据权利要求1所述的基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土，其特征在于：所述改性砂浆制备原料包括硅酸盐水泥、水洗砂、超细矿粉、环氧改性剂、聚乙烯醇胶粉、粘胶纤维、有机锡稳定剂、滑石粉、疏水剂、引气剂、增塑剂、缓凝剂及防沉剂。
3.根据权利要求2所述的基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土，其特征在于，所述改性砂浆制备过程为：维持常温20～24℃，在反应容器中加入水、硅酸盐水泥、水洗砂及超细矿粉，持续搅拌均匀后得到预制混合物，依次向反应容器中的预制混合物添加聚乙烯醇胶粉、粘胶纤维、有机锡稳定剂、滑石粉、疏水剂、引气剂、增塑剂、缓凝剂及防沉剂，再次充分搅拌形成水泥砂浆混合物，最后采用环氧有机改性处理水泥砂浆混合物后，升温至40～75℃，并加入催化剂持续0.5～1h，进行高温固化转化反应得到改性砂浆。
4.根据权利要求1所述的基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土，其特征在于：所述复合外加剂由聚合物乳液、膨胀剂与减水剂复合掺用制成，所述聚合物乳液、膨胀剂与减水剂的质量比为1：（0.1-0.2）：（0.5-0.9），所述减水剂为减缩型聚羧酸减水剂，所述膨胀剂为SMAC高效低碱膨胀剂，所述聚合物乳液包括有以下重量百分比的原料：醋酸乙烯均聚物35～60％、邻苯三甲酸二丁酯15～25％、烷基苯磺酸钠5～8％和水15～25％。
5.根据权利要求1所述的基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土，其特征在于：所述矿物掺合料粉为煤灰、粒化高炉矿渣、硅灰、石灰石粉、钢渣粉、磷渣粉、沸石粉及复合矿物掺合料中任意一种或几种。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
步骤S1：取所需份数的改性砂浆、矿物掺合料、轻粗集料、复合外加剂及水，对轻粗集料进行预湿处理；
步骤S2：采用折叠配合比设计，按水灰比法则的要求进行改性砂浆的配制后，按照配比混合改性砂浆、矿物掺合料、轻粗集料、复合外加剂及水；
步骤S3：采用分级搅拌的方式处理混凝土浆料，完成搅拌的同时，通过搅拌装置的循环排放气结构保持混凝土浆料的呼吸；
步骤S4：采用混凝土泵与混凝土搅拌运输车配套使用，通过混凝土搅拌运输车对混凝土浆料进行地面输送，并由混凝土泵沿管道输送混凝土浆料，能一次连续完成混凝土浆料的水平运输和垂直运输，配以布料杆再进行浇筑或灌注处理；
步骤S5：利用存储罐对混凝土浆料进行后期养护保存，每日定期对混凝土浆料进行搅拌与加湿处理。
7.根据权利要求6所述的基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土的制备方法，其特征在于步骤S4中：加入矿物掺合料后搅拌混合的搅拌速率为350～650r/min，加入复合外加剂时搅拌混合的搅拌速率为500～900r/min。
8.根据权利要求6所述的基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土的制备方法，其特征在于步骤S5中：存储罐的养护保存时在8～25℃的潮湿环境下进行保存。
9.权利要求1所述的基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土长期在-52.3℃～48.9℃温差变化的恶劣环境中制作装配式砼结构的应用。
10.根据权利要求9所述的基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土的应用，其特征在于所述基于改性砂浆的高抗拉性轻集料混凝土用于制作装配式砼结构的具体方法为：在方体模具中分层浇筑混凝土，通过冷却、定型及脱模后得到混凝土层，所述砼结构的基础由3～5层所述混凝土层构成，其中各混凝土层中均匀植入若干根钢筋，且利用机械接头、卡板和套箍对砼结构进行焊接连接，从而完成砼结构之间的装配。
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