CN116573898B - 一种高速铁路高耐久性混凝土 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速铁路高耐久性混凝土，混凝土由包含以下重量份的原料制成：粗骨料650～750份、细骨料600～720份、水泥350～500份、掺合料130～260份、减水剂5～7份、偶氮二甲酰胺2～3份、乙烯‑醋酸乙烯共聚物3～5份、三聚磷酸钠1～2份、抗裂纤维10～22份、羟丙基甲基纤维素醚0.5～1份、水150～200份。通过优化混凝土中各原料含量和配比，适宜配比的掺合料粉煤灰、石粉和矿渣粉；加入的减水剂；偶氮二甲酰胺、乙烯‑醋酸乙烯共聚物、三聚磷酸钠起到补偿收缩的效果；以及不同单丝长度混合的抗裂纤维，共同复合使用制备混凝土，提升了混凝土的抗压能力、抗渗能力和耐磨等耐久性能，整体提高混凝土组织结构致密性，提高了混凝土体积稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，尤其涉及一种高速铁路高耐久性混凝土。
背景技术
高速公路在建设完成以后，会承载着很多的车辆的挤压，这样就会导致混凝土路面受到很大的损耗，高速公路在使用的过程中要经历风吹日晒，以及温度和湿度的变化，都是会给混凝土路面带来很大的影响，因此在进行混凝土路面铺设的时候也要对施工的材料进行严格的要求，尤其是对混凝土进行严格的要求，使其在抗裂性能、抗渗性能、抗压性和耐磨性等方面具有高的耐久性，这样才能更好的保证施工的质量。
在混凝土铺设凝结硬化时，混凝土体积内会发生自缩、气泡等各种缺陷，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，其耐久性能降低。随着城市建设的快速发展，以粉煤灰、矿渣粉和硅粉为主的掺合料已成为高性能混凝土不可或缺的组分，掺合料的需求量也逐渐加大，掺合料能改善混凝土的力学性能，提高混凝土的强度，提高混凝土的耐久性，硅粉具有早期后期强度发展较快的特点，但是硅粉资源少、价格高，当高细度硅粉掺量过大时混凝土的流动性差，在其铺设高速公路时造成施工不便；而矿渣前期强度好，后期强度增长稍差，但泌水现象严重，对混凝土抗裂等性能影响较大；粉煤灰早期强度较低，但是后期强度良好，和水泥碱集料快速反应，但当其掺入量过多时，抗碳化性能降低。关于掺合料单掺对高性能的混凝土研究较多，但关于掺合料复掺对混凝土的影响研究需进一步完善，且不同的复掺比例对混凝土耐久性能侧重指标影响不同。基于此，研究合适的掺合料原料及其掺入配比量为本发明的主要研究思路，进一步改善和水泥、骨料、减水剂反应进行制备混凝土，对解决实际工程问题具有重大的意义，使混凝土成品具有更优的性能，尤其增强了混凝土的抗水性、抗裂性和耐磨性等耐久性能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高速铁路高耐久性混凝土，解决上述问题。
本发明采用的技术手段如下：一种高速铁路高耐久性混凝土，所述混凝土由包含以下重量份的原料制成：粗骨料650～750份、细骨料600～720份、水泥350～500份、掺合料130～260份、减水剂5～7份、偶氮二甲酰胺2～3份、乙烯-醋酸乙烯共聚物3～5份、三聚磷酸钠1～2份、抗裂纤维10～22份、羟丙基甲基纤维素醚0.5～1份、水150～200份；
所述掺合料包括粉煤灰、石粉、矿渣粉，其重量配比为2.0～3：2.5～3.5：1；
所述抗裂纤维包括木质纤维、聚丙烯纤维，其重量配比为2：3～3.5。
优选的，所述掺合料包括粉煤灰、石粉、矿渣粉，其重量配比为2.5：3：1。
优选的，所述木质纤维和聚丙烯纤维的单丝长度分别为2.5～3.0mm、2.0～2.2mm。
优选的，所述粗骨料为粒径为10～20mm的碎石；所述细骨料为细度模数为2～2.4的河砂。
优选的，所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；所述石粉为火成岩、花岗岩、玄武岩和石灰石的一种或多种；所述矿渣粉为S105矿渣粉。
优选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
优选的，所述混凝土的制备方法包括以下步骤：
S1首先将粗骨料、细骨料、一部分水泥、掺合料加入搅拌机干搅拌；
S2向搅拌机内加入水进行搅拌混匀，随后加入偶氮二甲酰胺、乙烯-醋酸乙烯共聚物、三聚磷酸钠搅拌；
S3另一部分水泥、抗裂纤维、羟丙基甲基纤维素醚加水搅拌后加入步骤S2中，最后加入减水剂快速搅拌混匀，直至具有合适的和易性，得高耐久性混凝土。
优选的，所述搅拌机搅拌速度为300～400r/min，每次搅拌时间为5～10min，最后加入减水剂的搅拌速度为500～600r/min。
本发明所提供的一种高速铁路高耐久性混凝土，具有以下有益效果：
1、通过掺加适宜比例的掺合料，解决了粉煤灰的早期强度较低、强度发展较慢的问题、以及解决了混凝土中或界面过渡区会出现游离态的石粉，不利于骨料和水泥混合的问题，和解决了矿渣粉早期强度低，凝结时间长，粘聚性低的问题。在混凝土中加入适宜比例的粉煤灰、石粉、矿渣粉掺合料，降低早期和后期水泥的高水化放热量，从而减少了因混凝土内外温差较大造成混凝土产生裂缝的可能性，使混凝土早期和后期的强度强，改善混凝土拌合料的流动性、粘聚性和保水性，其水化作用提高了密实度，使结构得到改善，耐磨性也得到提高；偶氮二甲酰胺、乙烯-醋酸乙烯共聚物、三聚磷酸钠和其掺合料混合后能够补偿混凝土的收缩，改善了混凝土硬化过程中的应力应变状态，适应高速公路大体积混凝土收缩，减少收缩裂缝的产生，增加了混凝土的密实度。加入的减水剂调整混凝土的施工性及其用水量，使混凝土具有适宜的和易性，增加密实度和光洁度等高性能的作用。而抗裂纤维在水泥的胶体系中会形成网状结构，不同单丝长度的抗裂纤维添加，和骨料的粘结性紧密，提高了混凝土韧性，增加混凝土之间的抗拉强度，防止裂缝出现；羟丙基甲基纤维素醚能够增加混凝土的粘聚性和粘结力，减少原料组分的分离率，减少混凝土的泌水性能，并提高了硬化的性能。
2、在应用于大体积的高速公路混凝土时，通过优化混凝土中各原料含量和配比，石粉的掺入降低了利用硅粉产生的成本，且石粉能平合粉煤灰前期强度低和矿渣粉后期强度低的特点，可以显著提高抗冻性能，能降低早期水化放热量，降低干燥收缩，提高强度。其特定配比掺合料在和偶氮二甲酰胺、乙烯-醋酸乙烯共聚物、三聚磷酸钠反应时，减少大体积混凝土早期的水化温升，使水化各阶段的反应速率均降低，有效补偿混凝土的沉降收缩，且三者原料掺入时能起到缓凝的效果，减缓水泥和掺合料混合产生的水化膨胀，偶氮二甲酰胺、乙烯-醋酸乙烯共聚物、三聚磷酸钠和掺入的抗裂纤维反应时，具有保水作用，能将各原料联接在一起，降低收缩变形，有效预防裂缝产生，提升力学强度。减水剂和羟丙基甲基纤维素醚的加入，共同制备性能良好的混凝土，使制备得的混凝土具有良好的力学强度和耐久性能，整体提高混凝土组织结构致密性，提高了混凝土体积稳定性，易于施工操作。
3、混凝土在进行工艺制备时，先进行干搅拌，提高原料之间的分布均匀性，在和水混匀时，减少前期水化放热量，使反应速率更稳定，随后加入偶氮二甲酰胺、乙烯-醋酸乙烯共聚物、三聚磷酸钠搅拌最大程度填充进水泥凝胶体系中形成致密性结构，补偿了前期的沉降收缩。另一部分水泥、抗裂纤维、羟丙基甲基纤维素醚加水搅拌增强水泥和抗裂纤维的粘合，使其形成稳定致密的结构，最后加入减水剂快速搅拌混匀，防止粘结成团，搅拌直至具有合适的和易性，更利于高速公路大体积混凝土的施工。
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
一种高速铁路高耐久性混凝土，所述混凝土由包含以下重量的原料制成：粗骨料670kg、细骨料600kg、水泥360kg、掺合料160kg、减水剂5.5kg、偶氮二甲酰胺2kg、乙烯-醋酸乙烯共聚物3kg、三聚磷酸钠1kg、抗裂纤维10kg、羟丙基甲基纤维素醚0.6kg、水150kg；
所述掺合料包括粉煤灰、石粉、矿渣粉，其重量配比为2：2.5：1；
所述抗裂纤维包括木质纤维、聚丙烯纤维，其重量配比为2：3。所述木质纤维和聚丙烯纤维的单丝长度分别为2.5mm、2.0mm。
所述粗骨料为粒径为10～20mm的碎石；所述细骨料为细度模数为2～2.4的河砂。所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；所述石粉为火成岩、花岗岩、玄武岩和石灰石的一种或多种；所述矿渣粉为S105矿渣粉。所述减水剂为聚羧酸减水剂。
所述混凝土的制备方法包括以下步骤：
S1首先将粗骨料、细骨料、一部分水泥、掺合料加入搅拌机干搅拌；
S2向搅拌机内加入水进行搅拌混匀，随后加入偶氮二甲酰胺、乙烯-醋酸乙烯共聚物、三聚磷酸钠搅拌；
S3另一部分水泥、抗裂纤维、羟丙基甲基纤维素醚加水搅拌后加入步骤S2中，最后加入减水剂在500r/min速度下快速搅拌混匀，直至具有合适的和易性，得高耐久性混凝土。
所述搅拌机搅拌速度为300r/min，每次搅拌时间为10min。
实施例2
一种高速铁路高耐久性混凝土，所述混凝土由包含以下重量的原料制成：粗骨料750kg、细骨料720kg、水泥500kg、掺合料255kg、减水剂7kg、偶氮二甲酰胺3kg、乙烯-醋酸乙烯共聚物5kg、三聚磷酸钠2kg、抗裂纤维22kg、羟丙基甲基纤维素醚1kg、水200kg；
所述掺合料包括粉煤灰、石粉、矿渣粉，其重量配比为3：3.5：1；
所述抗裂纤维包括木质纤维、聚丙烯纤维，其重量配比为2：3.5。所述木质纤维和聚丙烯纤维的单丝长度分别为3.0mm、2.2mm。
所述粗骨料为粒径为10～20mm的碎石；所述细骨料为细度模数为2～2.4的河砂。所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；所述石粉为火成岩、花岗岩、玄武岩和石灰石的一种或多种；所述矿渣粉为S105矿渣粉。所述减水剂为聚羧酸减水剂。
所述混凝土的制备方法包括以下步骤：
S1首先将粗骨料、细骨料、一部分水泥、掺合料加入搅拌机干搅拌；
S2向搅拌机内加入水进行搅拌混匀，随后加入偶氮二甲酰胺、乙烯-醋酸乙烯共聚物、三聚磷酸钠搅拌；
S3另一部分水泥、抗裂纤维、羟丙基甲基纤维素醚加水搅拌后加入步骤S2中，最后加入减水剂在600r/min速度下快速搅拌混匀，直至具有合适的和易性，得高耐久性混凝土。
所述搅拌机搅拌速度为400r/min，每次搅拌时间为5min。
实施例3
一种高速铁路高耐久性混凝土，所述混凝土由包含以下重量的原料制成：粗骨料700kg、细骨料650kg、水泥420kg、掺合料195kg、减水剂6kg、偶氮二甲酰胺2.5kg、乙烯-醋酸乙烯共聚物4kg、三聚磷酸钠1.5kg、抗裂纤维15kg、羟丙基甲基纤维素醚0.8kg、水180kg；
所述掺合料包括粉煤灰、石粉、矿渣粉，其重量配比为2.5：3：1；
所述抗裂纤维包括木质纤维、聚丙烯纤维，其重量配比为2：3。所述木质纤维和聚丙烯纤维的单丝长度分别为2.5～3.0mm、2.0～2.2mm。
所述粗骨料为粒径为10～20mm的碎石；所述细骨料为细度模数为2～2.4的河砂。所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；所述石粉为火成岩、花岗岩、玄武岩和石灰石的一种或多种；所述矿渣粉为S105矿渣粉。所述减水剂为聚羧酸减水剂。水泥采用PO 52.5普通的硅酸盐水泥，各项技术指标符合GB175-1999《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》标准要求。
所述混凝土的制备方法包括以下步骤：
S1首先将粗骨料、细骨料、一部分水泥、掺合料加入搅拌机干搅拌；
S2向搅拌机内加入水进行搅拌混匀，随后加入偶氮二甲酰胺、乙烯-醋酸乙烯共聚物、三聚磷酸钠搅拌；
S3另一部分水泥、抗裂纤维、羟丙基甲基纤维素醚加水搅拌后加入步骤S2中，最后加入减水剂在550r/min速度下快速搅拌混匀，直至具有合适的和易性，得高耐久性混凝土。
所述搅拌机搅拌速度为350r/min，每次搅拌时间为8min。
设置对比例1与实施例3的区别在于，所述掺合料为粉煤灰、石粉，且重量比为3：4。
设置对比例2与实施例3的区别在于，所述混凝土未包含乙烯-醋酸乙烯共聚物4kg重量的原料。
设置对比例3与实施例3的区别在于，偶氮二甲酰胺2kg、乙烯-醋酸乙烯共聚物2kg、三聚磷酸钠2kg。
设置对比例4与实施例3的区别在于，抗裂纤维仅为聚丙烯纤维，掺入量为15kg，单丝长度为2.0mm。
设置对比例5与实施例3的区别在于，采用其它纤维素醚类，羟乙基纤维素醚0.8kg。
一、试验设置：取实施例1～3制得的混凝土和对比例1～4制得的混凝土的性能采用如下方法进行测试，检测结果见下表1。坍落度、抗压强度、抗弯拉强度、抗冻性能(慢冻法循环60次)、耐磨性、抗渗性能、抗氯离子渗透试验和碳化试验，按照标准JTG 3420-2020《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行28d的测试，其测试方法参考了GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》等规定进行测试性能：
表1：
由上表数据可知，本申请制备的混凝土的耐磨性、抗渗性能、抗氯离子渗透试验和碳化试验等耐久性能明显优于对比例1～5制备混凝土的耐久性能，且本申请的力学性能也明显优于对比例，说明了本申请通过特定的配比组合的原料进行制备的混凝土具有很好的力学强度和耐久性。
和对比例1比较，掺合料的原料只为粉煤灰和石粉，重量比为3:4，相对于实施例3其力学强度和长期的耐久性较差，其掺合料和其余原料共同制备，才能得到其良好性能的混凝土。本申请混凝土中加入适宜比例的粉煤灰、石粉、矿渣粉掺合料，降低早期后期水泥的高水化放热量，从而减少了因混凝土内外温差较大造成混凝土产生裂缝的可能性，使混凝土早期后期强度强，改善混凝土拌合料的流动性、粘聚性和保水性，其水化作用提高了密实度，使结构得到改善，耐磨性也得到提高。
和对比例2比较，混凝土由未包含乙烯-醋酸乙烯共聚物原料，通过研究可知高速公路混凝土铺设时，由于大面积铺设，其应力状态常常受到影响，通过偶氮二甲酰胺、乙烯-醋酸乙烯共聚物、三聚磷酸钠和其掺合料混合后能够补偿混凝土的收缩，改善了混凝土硬化过程中的应力应变状态，适应高速公路大体积混凝土收缩，减少收缩裂缝的产生，增加了混凝土的密实度。
和对比例3比较，偶氮二甲酰胺2kg、乙烯-醋酸乙烯共聚物2kg、三聚磷酸钠2kg。特定比例之间的组合存在一定的协和性，共同作用能大大改善混凝土内部的密实度，提高整体的耐久性能，表明了其掺入量具有良好的技术效果。
和对比例4比较，抗裂纤维仅为聚丙烯纤维，单一掺入量为15kg，单丝长度为2.0mm。其聚丙烯纤维单掺入料，形成的网状结构在和骨料进行粘结时，其粘结度不密实，原料之间的粘结度减弱，其抗压强度等变弱。
和对比例5比较，采用其它纤维素醚类，羟乙基纤维素醚0.8kg。在和本申请的其它原料进行混合时，混凝土的粘聚性和粘结力变弱，易出现混凝土的泌水，降低了混凝土的硬化性能。
二、研究粉煤灰、石粉、矿渣粉掺合料的不同配比对混凝土耐久性能的影响，所述混凝土的其余原料均和实施例3原料相同，制备步骤也相同，部分试验数据如下表2所示：
表2：
| 粉煤灰 | 石粉 | 矿渣粉 | 28d强度/MPa | 磨耗值/kg/m2 |
| 2 | 2 | 1 | 43.6 | 0.84 |
| 2.5 | 4 | 1 | 38.4 | 1.01 |
| 3.5 | 3.5 | 1 | 38.7 | 0.94 |
| 3.5 | 2 | 1 | 36.3 | 0.96 |
| 2.5 | 3 | 2 | 37.7 | 0.89 |
| 4 | 3 | 0 | 30.7 | 0.89 |
| 4 | 0 | 2 | 31.6 | 1.03 |
由上表可知，上表设定的具体配比制备的混凝土相比较于实施例3的抗压强度和磨耗值较差，本申请通过研究其掺合料粉煤灰、石粉和矿渣粉三者之间的重量配比，为2.0～3：2.5～3.5：1，综合各因素在其特定范围内性能较优良。在应用于大体积的高速公路混凝土时，各原料相互之间紧密联合，石粉的掺入减少了利用硅粉产生的成本，且石粉能平合粉煤灰前期强度低和矿渣粉后期强度低的特点，可以显著提高抗冻性能，能降低早期水化放热量，降低干燥收缩，提高了强度。其特定配比掺合料在和偶氮二甲酰胺、乙烯-醋酸乙烯共聚物、三聚磷酸钠反应时，减少大体积混凝土早期的水化温升，使水化各阶段的反应速率均降低，有效补偿混凝土的沉降收缩，且三者原料掺入时能起到缓凝的效果，减缓水泥和掺合料混合产生的膨胀效果，和掺入的抗裂纤维反应时，具有保水作用，有效预防裂缝产生。减水剂和羟丙基甲基纤维素醚的加入，共同制备性能良好的混凝土，使制备得的混凝土的坍落度适宜，具有良好的力学强度和耐久性能，易于施工操作。
综上所述，采用本发明所提供的一种高速铁路高耐久性混凝土，通过优化混凝土中各原料含量和配比，适宜配比的粉煤灰、石粉和矿渣粉；加入的减水剂；偶氮二甲酰胺、乙烯-醋酸乙烯共聚物、三聚磷酸钠起到补偿收缩的效果；以及不同单丝长度混合的抗裂纤维，共同复合使用制备混凝土，在硬化早期，降低了混凝土的水化热情况，收缩变形降低，改善抗渗混凝土产生裂缝的情况，提升了混凝土的抗压能力、抗渗能力、抗裂能力和耐磨等耐久性能，整体提高混凝土组织结构致密性，提高了混凝土体积稳定性。
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)
1.一种高速铁路高耐久性混凝土，其特征在于，所述混凝土由包含以下重量份的原料制成：粗骨料650～750份、细骨料600～720份、水泥350～500份、掺合料130～260份、减水剂5～7份、偶氮二甲酰胺2～3份、乙烯-醋酸乙烯共聚物3～5份、三聚磷酸钠1～2份、抗裂纤维10～22份、羟丙基甲基纤维素醚0.5～1份、水150～200份；
所述掺合料包括粉煤灰、石粉、矿渣粉，其重量配比为2.0～3：2.5～3.5：1；
所述抗裂纤维包括木质纤维、聚丙烯纤维，其重量配比为2：3～3.5；
所述混凝土的制备方法包括以下步骤：
S1首先将粗骨料、细骨料、一部分水泥、掺合料加入搅拌机干搅拌；
S2向搅拌机内加入水进行搅拌混匀，随后加入偶氮二甲酰胺、乙烯-醋酸乙烯共聚物、三聚磷酸钠搅拌；
S3另一部分水泥、抗裂纤维、羟丙基甲基纤维素醚加水搅拌后加入步骤S2中，最后加入减水剂快速搅拌混匀，直至具有合适的和易性，得高耐久性混凝土。
2.根据权利要求1所述的一种高速铁路高耐久性混凝土，其特征在于，所述掺合料包括粉煤灰、石粉、矿渣粉，其重量配比为2.5：3：1。
3.根据权利要求1所述的一种高速铁路高耐久性混凝土，其特征在于，所述木质纤维和聚丙烯纤维的单丝长度分别为2.5～3.0mm、2.0～2.2mm。
4.根据权利要求1所述的一种高速铁路高耐久性混凝土，其特征在于，所述粗骨料为粒径为10～20mm的碎石；所述细骨料为细度模数为2～2.4的河砂。
5.根据权利要求1所述的一种高速铁路高耐久性混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；所述石粉为火成岩、花岗岩、玄武岩和石灰石的一种或多种；所述矿渣粉为S105矿渣粉。
6.根据权利要求1所述的一种高速铁路高耐久性混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
7.根据权利要求1所述的一种高速铁路高耐久性混凝土，其特征在于，所述搅拌机搅拌速度为300～400r/min，每次搅拌时间为5～10min，最后加入减水剂的搅拌速度为500～600r/min。
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