CN116462456A - 一种提高粘结性能的海水珊瑚混凝土制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高粘结性能的海水珊瑚混凝土制作方法，包括以下步骤：S1、粗骨料的制备：将珊瑚骨料置于弱酸水溶液中浸泡，再将酸处理的珊瑚骨料置于填充材料中，搅拌15～20min后取出晾干，得到改性的珊瑚粗骨料；S2、细骨料的制备：选用珊瑚砂和海砂混合制得细骨料，备用；S3、混合：先将一部分水泥、硅酸钠和环氧树脂充分混匀后加入细骨料中，再加入另一部分的水泥和粉煤灰进行搅拌混匀，随后将珊瑚粗骨料加入，最后加入减水剂和阻锈剂拌合，得海水珊瑚混凝土。该制作方法有助于提高珊瑚骨料的抗冲击性，同时也提高了珊瑚骨料表面的粘结性能，在与细骨料、水泥基材料混合时，粘结性能也越高，使最终的珊瑚混凝土具备了较高的粘结性能。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，尤其涉及一种提高粘结性能的海水珊瑚混凝土制作方法。
背景技术
海水珊瑚混凝土是以珊瑚颗粒代替碎石、卵石等作为粗骨料，以珊瑚砂或海砂为细骨料，将海水作为拌和水，且和水泥基材料、外加剂共同配置的混凝土。海岛建设是我国海洋强国战略的重要步骤，在远海岛礁建设中，缺乏传统的砂、石、淡水建筑材料，而在沿海地区分布着大量的珊瑚礁，对海岛建设提供便利条件。因此海水珊瑚混凝土应运而生，海水珊瑚混凝土可就地取材，有效解决骨料运输成本高、工期难以保证等问题。然而，在海岛建设中，珊瑚混凝土和钢筋的粘结作用是复合构件工作的前提，粘结性能的研究是构件性能研究的基础，混凝土和钢筋的利用程度主要取决于粘结作用的有效程度。粘结性能与混凝土的材料性能密切相关，尤其是混凝土的脆性和较弱的抗拉强度制约着粘结强度，目前，关于提高珊瑚混凝土粘结性能的研究较少。因此，改善混凝土脆性和提高混凝土的抗拉强度等强度性能是重要的措施。
在现有海水珊瑚混凝土的制备过程中，由于珊瑚骨料的组成和疏松多孔的结构决定了其质地较脆、强度低的特点，在与水泥基材料混合时，容易对混凝土性能造成不利的影响。而现有技术大多通过研究调整水泥的用量、水灰比和添加化学外加剂等方法来改善珊瑚混凝土性能，但是以珊瑚骨料为出发点提高混凝土性能的研究较少，常用于改善珊瑚骨料的有机械方法和化学方法，机械方法通过机械作用改善骨料的粒型，化学方法采用的是化学液(低浓度的强酸)对骨料进行浸泡处理，再使用水泥、砂子及淡水拌制的水泥砂浆进行填充。但是采用水泥浆对珊瑚骨料进行填充，在水泥浆随着凝结硬化时，体积会产生收缩，水泥浆内会产生微小的缝隙，这些裂隙会引起混凝土强度降低的现象出现。基于此，本发明以珊瑚为基本原材料，对其进行预处理改性为主要研究思路，进一步改善水泥基材料与其混合相辅，使处理过的珊瑚骨料和处理水泥基材料在应用制备混凝土时，使混凝土成品具有更优的性能，尤其增强了珊瑚混凝土的粘结性能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种提高粘结性能的海水珊瑚混凝土制作方法，具有填充减小珊瑚骨料孔隙、提高混凝土抗拉强度和提高粘接性能的作用。
本发明采用的技术手段如下：一种提高粘结性能的海水珊瑚混凝土制作方法，包括以下步骤：
S1、粗骨料的制备：将珊瑚骨料置于质量分数为1～2％的弱酸水溶液中浸泡80～90min，再将酸处理的珊瑚骨料置于粘度为352.7～380.2mPa·s的填充材料中，搅拌15～20min后取出晾干，得到改性的珊瑚粗骨料；所述填充材料包括以下重量配比的原料：水泥25～32％、环氧树脂5～8％、羧甲基纤维素3～5％、硅酸钠10～20％、剩余部分为水；弱酸采用乙酸水溶液进行浸泡。
S2、细骨料的制备：选用珊瑚砂和海砂混合制得粒径为0.8～1.5mm的细骨料，备用；
S3、混合：先将一部分水泥、硅酸钠和环氧树脂充分混匀后加入细骨料中，再加入另一部分的水泥和粉煤灰进行搅拌混匀，随后将珊瑚粗骨料加入，最后加入减水剂和阻锈剂拌合混匀，直至具有合适的和易性，得海水珊瑚混凝土；
按照重量份数计，加入的原料为：水泥90～150份、硅酸钠3～5份、环氧树脂1～3份、细骨料60～75份、粉煤灰8～13份、减水剂1～1.5份、阻锈剂1～2份、改性珊瑚粗骨料105～130份。利用硅酸钠和环氧树脂填充包裹住珊瑚砂，使珊瑚砂和海砂的粘性提高，快速结合水泥材料，增加了强度，再与粉煤灰和珊瑚粗骨料混合提高整个混凝土的抗拉抗压等强度。
进一步地，所述填充材料和珊瑚骨料的重量比为1:1.5～2.2。
进一步地，所述填充材料包括以下重量配比的原料：水泥28％、环氧树脂10％、硅酸钠15％、羧甲基纤维素5％、水42％。
进一步地，所述填充材料在低速下进行搅拌，搅拌速率为30～50r/min。
进一步地，所述珊瑚砂和海砂的重量比为1：3～4.5。
进一步地，所述减水剂为树脂系、木质素系、聚羧酸系的一种或多种。
进一步地，首先将细骨料和海水预混合浸泡1～2h，再将水泥分为两部分，一部分和硅酸钠和环氧树脂充分混匀后加入细骨料中，再加入另一部分的水泥和粉煤灰进行搅拌混匀，随后将珊瑚粗骨料少量多次加入混匀，最后再加入减水剂和阻锈剂拌合混匀，直至具有合适的和易性，得海水珊瑚混凝土。
采用本发明所提供的一种提高粘结性能的海水珊瑚混凝土制作方法，具有以下有益效果：
本发明先采用乙酸弱酸对珊瑚骨料表面进行预处理，而不采用柠檬酸作为预处理，原因是工业上的柠檬酸不易储存，其粉体与空气接触时可形成爆炸性混合物，遇到明火、高热或与氧化剂接触，有引起燃烧爆炸的危险。而乙酸能清理孔隙中的杂质，轻微腐蚀珊瑚骨料的表面糙度，疏通珊瑚骨料外部孔隙，使后续的填充材料更容易粘附固定。环氧树脂、羧甲基纤维素、硅酸钠与水泥快速结合，以高流动性的填充材料填充包裹进珊瑚粗骨料内外部连通孔，充分填充珊瑚骨料的孔隙，减少水泥硬化后出现的裂缝，且环氧树脂、羧甲基纤维素和硅酸钠结合形成相互联系的网络状结构，使填充材料强度更高、粘性也提高，能流动至珊瑚骨料深处的孔隙中并与珊瑚骨料牢固结合，共同承担荷载，有助于提高珊瑚骨料的抗冲击性，同时也提高了珊瑚骨料表面的粘结性能，而珊瑚混凝土具有比普通河砂混凝土更大的收缩性，在与细骨料、水泥基材料混合时，减少之间的混合缝隙，优化了珊瑚混凝土的界面过渡区，使珊瑚混凝土具备了较高的粘结性能。加入的粉煤灰也能进一步减少珊瑚混凝土的干燥收缩，提高抗拉强度，甚至降低了氯离子的渗透率。而减水剂、阻锈剂等外加剂可以调节混凝土的稠度、降低了钢筋构件的腐蚀性，优化了原料的配比，增大了珊瑚混凝土或和钢筋构件的粘结性。
具体实施方式
以下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
一种提高粘结性能的海水珊瑚混凝土制作方法，包括以下步骤：
S1、粗骨料的制备：将珊瑚骨料置于质量分数为1％的弱酸水溶液中浸泡90min，再将酸处理的珊瑚骨料置于粘度为352.7mPa·s的填充材料中，所述填充材料和珊瑚骨料的重量比为1:1.5，在搅拌速率为30r/min下搅拌15min后取出晾干，得到改性的珊瑚粗骨料；所述填充材料包括以下重量配比的原料：水泥30、环氧树脂8％、羧甲基纤维素5％、硅酸钠15％、剩余部分为水42％；
S2、细骨料的制备：选用重量比为1：3珊瑚砂和海砂混合制得细骨料，细骨料的粒径为0.8mm，备用；
S3、混合：首先将细骨料和海水预混合浸泡1h，再将水泥分为两部分，先将一部分水泥、硅酸钠和环氧树脂充分混匀后加入细骨料中，再加入另一部分的水泥和粉煤灰进行搅拌混匀，随后减水剂和阻锈剂拌合混匀，最后，将珊瑚粗骨料少量多次加入混匀直至具有合适的和易性，得海水珊瑚混凝土。
按照重量份数计，加入的原料为：水泥90份、硅酸钠3份、环氧树脂1份、细骨料60份、粉煤灰8份、减水剂1份、阻锈剂1份、改性珊瑚粗骨料105份。所述减水剂为聚羧酸系。
实施例2
一种提高粘结性能的海水珊瑚混凝土制作方法，包括以下步骤：
S1、粗骨料的制备：将珊瑚骨料置于质量分数为2％的弱酸水溶液中浸泡80min，再将酸处理的珊瑚骨料置于粘度为380.2mPa·s的填充材料中，所述填充材料和珊瑚骨料的重量比为1:2.2，在搅拌速率为50r/min下搅拌20min后取出晾干，得到改性的珊瑚粗骨料；所述填充材料包括以下重量配比的原料：水泥30％、环氧树脂5％、羧甲基纤维素5％、硅酸钠18％、剩余部分为水42％；
S2、细骨料的制备：选用重量比为1：4.5珊瑚砂和海砂混合制得细骨料，细骨料的粒径为1.5mm，备用；
S3、混合：首先将细骨料和海水预混合浸泡2h，再将水泥分为两部分，先将一部分水泥、硅酸钠和环氧树脂充分混匀后加入细骨料中，再加入另一部分的水泥和粉煤灰进行搅拌混匀，随后减水剂和阻锈剂拌合混匀，最后，将珊瑚粗骨料少量多次加入混匀直至具有合适的和易性，得海水珊瑚混凝土。
按照重量份数计，加入的原料为：水泥150份、硅酸钠5份、环氧树脂3份、细骨料75份、粉煤灰13份、减水剂1.5份、阻锈剂2份、改性珊瑚粗骨料130份。所述减水剂为树脂系、聚羧酸系。
实施例3
一种提高粘结性能的海水珊瑚混凝土制作方法，包括以下步骤：
S1、粗骨料的制备：将珊瑚骨料置于质量分数为1.5％的弱酸水溶液中浸泡86min，再将酸处理的珊瑚骨料置于粘度为367.2mPa·s的填充材料中，所述填充材料和珊瑚骨料的重量比为1:2.0，在搅拌速率为45r/min下搅拌20min后取出晾干，得到改性的珊瑚粗骨料；所述填充材料包括以下重量配比的原料：水泥28％、环氧树脂10％、羧甲基纤维素5％、硅酸钠15％、剩余部分为水42％；
S2、细骨料的制备：选用重量比为1：4珊瑚砂和海砂混合制得细骨料，细骨料的粒径为1.5mm，备用；
S3、混合：首先将细骨料和海水预混合浸泡2h，再将水泥分为两部分，先将一部分水泥、硅酸钠和环氧树脂充分混匀后加入细骨料中，再加入另一部分的水泥和粉煤灰进行搅拌混匀，随后减水剂和阻锈剂拌合混匀，最后，将珊瑚粗骨料少量多次加入混匀直至具有合适的和易性，得海水珊瑚混凝土。
按照重量份数计，加入的原料为：水泥120份、硅酸钠4份、环氧树脂2份、细骨料72份、粉煤灰10份、减水剂1.5份、阻锈剂1份、改性珊瑚粗骨料120份。所述减水剂为聚羧酸系。
水泥采用PO42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰采用F类I级粉煤灰。
设置对比例1与实施例3的区别在于，将珊瑚骨料置于质量分数为1％的柠檬酸弱酸水溶液中浸泡40min，再将酸处理的珊瑚骨料置于填充材料中，搅拌15～20min后取出晾干，得到改性的珊瑚粗骨料。
设置对比例2与实施例3的区别在于，所述填充材料包括以下重量配比的原料：水泥43％、海砂15％、剩余部分为水。
设置对比例3与实施例3的区别在于，所述填充材料包括以下重量配比的原料：水泥32％、环氧树脂10％、硅酸钠16％、剩余部分为水。
设置对比例4与实施例3的区别在于，首先将细骨料和海水预混合浸泡1～2h，再将水泥加入细骨料中，加入粉煤灰进行搅拌混匀，随后将珊瑚粗骨料少量多次加入混匀最后，减水剂和阻锈剂拌合混匀直至具有合适的和易性，得海水珊瑚混凝土。按照重量份数计，加入的原料为：水泥50份、细骨料72份、粉煤灰10份、减水剂1.5份、阻锈剂1份、改性珊瑚粗骨料120份。
一、试验设置：取实施例1～3处理后的珊瑚粗骨料和对比例1～3处理后的珊瑚粗骨料，并设置未处理的珊瑚粗骨料为对照组，按照《轻集料及试验方法第2部分：轻集料试验方法》(GB/T17431.2-2010)对珊瑚粗骨料进行相关物理性能参数进行测定，试验结果如下表1所示：
| 组别 | 吸水率/％ | 孔隙率/％ | 筒压强度/Mpa | 表观密度/(kg/m3) |
| 实施例1 | 11.2 | 24.8 | 4.2 | 1833 |
| 实施例2 | 10.7 | 24.0 | 4.5 | 1869 |
| 实施例3 | 10.1 | 23.5 | 4.6 | 1884 |
| 对照组 | 19 | 35.2 | 1.54 | 1663 |
| 对比例1 | 13.4 | 26.2 | 3.77 | 1793 |
| 对比例2 | 15.4 | 28.2 | 3.56 | 1693 |
| 对比例3 | 14.5 | 26.8 | 3.62 | 1739 |
由上表可知，本发明采用的填充材料物理性能较对比例的物理性能好，更容易填充到珊瑚骨料内部的孔隙中，降低孔隙率，并改善珊瑚骨料表面密度及内部的孔隙结构促使硬化后的填充材料和珊瑚骨料更加密实，提高了筒压强度，本实施例通过酸微腐蚀后采用填充材料进行填充，其技术工艺改善了骨料自身的物理性质，且效果较为明显。
二、按照规范《混凝土结构试验方法标准》(GB/T50152-2012)和《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2019)，浇筑150mm×150mm×150mm及100mm×100mm×400mm的试件以测定混凝土28天的强度和变形等力学性能，对照组为：水泥、珊瑚骨料、珊瑚砂和外加剂按照现有的比例混合制备的海水珊瑚混凝土。各组试验结果如下表2：
| 组别 | 抗压强度/MPa | 抗折强度/MPa | 劈裂抗拉强度/MPa | 坍落度/mm |
| 对照组 | 28.85 | 3.28 | 2.87 | 105 |
| 实施例1 | 36.77 | 5.86 | 3.46 | 156 |
| 实施例2 | 36.82 | 5.94 | 3.39 | 163 |
| 实施例3 | 37.46 | 6.01 | 3.73 | 169 |
由上表可知，本发明海水珊瑚混凝土相比较于现有的海水混凝土具有较强的力学性能强度，本发明通过改进弱酸预处理珊瑚骨料的方法，研究适宜的填充材料及其配比，不仅填充骨料的孔隙，提高填充材料和珊瑚孔内壁的粘结性，还防止了填充出现的缝隙，增加了珊瑚骨料的强度。再通过硅酸钠和环氧树脂增加了细骨料的粘结性和强度，使制备得的混凝土的坍落度适宜，具有良好的粘聚性和流动性性能，易于施工操作。
三、通过中心粘结试件的拉拔试验分析与钢筋之间的粘结性能
拉拔试验加载装置主要有拉压万能试验机和增设荷载传感器的反力架，该装置承载力极限为1000kN，试件的钢筋由试验机的下夹头夹持。为使混凝土表面和钢筋充分接触，正式加载前先施加1kN荷载，卸载后再正式加载，位移及荷载由TDS-530数据采集仪采集，采集频率为0.5次/s。按照规范《混凝土结构试验方法标准》(GB/T50152-2012)和《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2019)，浇筑150mm×150mm×150mm及100mm×100mm×400mm的试件以测定混凝土28天的粘结性能。设计立方体单端拉拔的中心拔出试验，采用的变形钢筋的粘结长度(la)＝80mm、钢筋直径(d)＝16mm，相同的情况下，其中Fu、τu、su、fcu分别为极限粘结荷载、极限粘结强度、τu对应的钢筋滑移量、立方体抗压强度，将实施例1～3和对比例1～3的海水珊瑚混凝土以及对照组(将珊瑚粗骨料、珊瑚砂细骨料、海水、水泥、粉煤灰、减水剂和阻锈剂拌合混匀)和钢筋的拉拔试验平均结果如下表3：
| 组别 | Fu/kN | τu/MPa | su/mm | fcu/MPa | 破坏模式 |
| 对照组 | 75.63 | 20.39 | 1.83 | 32.45 | 钢筋拔出破坏 |
| 实施例1 | 87.57 | 24.96 | 0.40 | 44.92 | 钢筋拔出破坏 |
| 实施例2 | 87.62 | 24.81 | 0.41 | 43.87 | 钢筋拔出破坏 |
| 实施例3 | 87.63 | 25.98 | 0.36 | 45.85 | 钢筋拔出破坏 |
| 对比例1 | 77.81 | 21.17 | 1.38 | 37.21 | 钢筋拔出破坏 |
| 对比例2 | 75.83 | 20.60 | 1.64 | 35.64 | 钢筋劈裂破坏 |
| 对比例3 | 79.58 | 21.63 | 1.42 | 36.85 | 钢筋劈裂破坏 |
| 对比例4 | 75.79 | 20.84 | 1.59 | 35.71 | 钢筋劈裂破坏 |
由上表可知，本发明相较于对比例的极限粘结强度较强，且实施例3具有较高的极限粘结强度。本发明采用的环氧树脂、羧甲基纤维素、硅酸钠与水泥混合，形成相互联系的网络状结构，充分快速填充珊瑚骨料的孔隙，使填充材料强度更高、粘性也得到提高，有助于提高珊瑚骨料表面的粘结性能，快速与细骨料、水泥基材料粘合，能够在裂缝中传递荷载，减小裂缝的应力集中，不仅改善了混凝土内部的薄弱环节，提高混凝土的强度和韧性，提高了珊瑚混凝土和钢筋的粘结强度。
综上所述，采用本发明所提供的一种提高粘结性能的海水珊瑚混凝土制作方法，乙酸轻微腐蚀珊瑚骨料的表面糙度，使后续的填充材料更容易粘附固定。而环氧树脂、羧甲基纤维素、硅酸钠与水泥混合，能充分快速结合并填充珊瑚骨料的孔隙，形成相互联系的网络状结构，使填充材料强度更高、粘性也得到提高，共同承担荷载，有助于提高珊瑚骨料的抗冲击性，同时也提高了珊瑚骨料表面的粘结性能，在与细骨料、水泥基材料混合时，粘结性能也越高，使最终的珊瑚混凝土具备了较高的强度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (7)
1.一种提高粘结性能的海水珊瑚混凝土制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、粗骨料的制备：将珊瑚骨料置于质量分数为1～2％的弱酸水溶液中浸泡80～90min，再将酸处理的珊瑚骨料置于粘度为352.7～380.2mPa·s的填充材料中，搅拌15～20min后取出晾干，得到改性的珊瑚粗骨料；所述填充材料包括以下重量配比的原料：水泥25～32％、环氧树脂5～8％、羧甲基纤维素3～5％、硅酸钠10～20％、剩余部分为水；
S2、细骨料的制备：选用珊瑚砂和海砂混合制得粒径为0.8～1.5mm的细骨料，备用；
S3、混合：先将一部分水泥、硅酸钠和环氧树脂充分混匀后加入细骨料中，再加入另一部分的水泥和粉煤灰进行搅拌混匀，随后将珊瑚粗骨料加入，最后加入减水剂和阻锈剂拌合混匀，直至具有合适的和易性，得海水珊瑚混凝土；
按照重量份数计，加入的原料为：水泥90～150份、硅酸钠3～5份、环氧树脂1～3份、细骨料60～75份、粉煤灰8～13份、减水剂1～1.5份、阻锈剂1～2份、改性珊瑚粗骨料105～130份。
2.根据权利要求1所述的一种提高粘结性能的海水珊瑚混凝土制作方法，其特征在于，所述填充材料和珊瑚骨料的重量比为1:1.5～2.2。
3.根据权利要求1所述的一种提高粘结性能的海水珊瑚混凝土制作方法，其特征在于，所述填充材料包括以下重量配比的原料：水泥28％、环氧树脂10％、硅酸钠15％、羧甲基纤维素5％、水42％。
4.根据权利要求1所述的一种提高粘结性能的海水珊瑚混凝土制作方法，其特征在于，所述填充材料在低速下进行搅拌，搅拌速率为30～50r/min。
5.根据权利要求1所述的一种提高粘结性能的海水珊瑚混凝土制作方法，其特征在于，所述珊瑚砂和海砂的重量比为1：3～4.5。
6.根据权利要求1所述的一种提高粘结性能的海水珊瑚混凝土制作方法，其特征在于，所述减水剂为树脂系、木质素系、聚羧酸系的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种提高粘结性能的海水珊瑚混凝土制作方法，其特征在于，首先将细骨料和海水预混合浸泡1～2h，再将水泥分为两部分，一部分和硅酸钠和环氧树脂充分混匀后加入细骨料中，再加入另一部分的水泥和粉煤灰进行搅拌混匀，随后将珊瑚粗骨料少量多次加入混匀，最后再加入减水剂和阻锈剂拌合混匀，直至具有合适的和易性，得海水珊瑚混凝土。
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| CN111943546A (zh) * | 2020-08-24 | 2020-11-17 | 中国人民解放军军事科学院国防工程研究院 | 一种珊瑚骨料及其低成本改性方法 |
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| CN113185168A (zh) * | 2021-05-14 | 2021-07-30 | 安徽建筑大学 | 一种改性珊瑚骨料及碱式硫酸镁水泥梯度复合珊瑚骨料混凝土的制备方法 |
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