CN107311493A - 一种用于提升混凝土抗裂性的功能集料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于提升混凝土抗裂性的功能集料。所述提升混凝土抗裂性的功能集料其组成包括:浸泡于硅烷偶联剂溶液中的轻集料;硅烷偶联剂溶液质量与浸泡的轻集料干质量之比不小于2。所述提升混凝土抗裂性的功能集料能够实现对混凝土内部湿度调控即降低收缩开裂驱动力同时,还能提高水泥水化程度、增强集料与水泥石界面过渡区即提高混凝土结构的自身抗力,进而达到混凝土抗裂性提升的目的。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域,具体涉及一种用于提升混凝土抗裂性的功能集料。
背景技术
混凝土结构的裂缝直接影响构筑物的服役耐久性能与使用安全,因此,其抗裂性提升一直受到广泛的研究与关注。从本质上讲,混凝土的收缩开裂是由于自身的结构抗力不能有效抵挡收缩开裂驱动力而造成的。
为提高混凝土的抗裂性能,通常采取降低收缩开裂驱动力或增加自身结构抗力的方式。
如掺加功能材料如膨胀剂以达到补偿收缩的作用,或掺加水化热调控材料来抑制温度裂缝,或通过内养护技术减少湿度裂缝,均可降低收缩开裂驱动力。
如优化配合比、掺加矿物掺合料、增加如掺加纤维可增加混凝土自身结构抗力。
然而,混凝土结构自身抗力与收缩开裂驱动力往往是相互关联彼此矛盾的统一整体,采取通常的技术措施来提高或降低二者其中之一,另外一种力也随时提高或降低,混凝土开裂的风险依然存在。
但仅只调控收缩开裂驱动力或者自身结构抗力的措施都不能很好的降低混凝土开裂风险,不能完全应对混凝土开裂问题。
发明内容
本发明针对现有技术中不能同时调控收缩开裂驱动力或者自身结构抗力的问题,提供了一种用于提升混凝土抗裂性的功能集料,所述提升混凝土抗裂性的功能集料能够实现对混凝土内部湿度调控即降低收缩开裂驱动力同时,还能提高水泥水化程度、增强集料与水泥石界面过渡区即提高混凝土结构的自身抗力,进而达到混凝土抗裂性提升的目的。
本发明所述提升混凝土抗裂性的功能集料其组成包括:浸泡于硅烷偶联剂溶液中的轻集料;硅烷偶联剂溶液质量与浸泡的轻集料干质量之比不小于2;
所述硅烷偶联剂溶液的pH值为4.0,其溶剂为水和乙醇的混合溶剂,水与乙醇的体积比为90~95:10~5;
所述硅烷偶联剂选自氨炔基类硅烷偶联剂、环氧炔基类硅烷偶联剂、甲基丙烯类硅烷偶联剂;所述硅烷偶联剂溶液的质量浓度为0.02%~0.15%;
所用轻集料的干表观密度为1000~1800kg/m2,24h吸水率在5%~25%。
所述氨炔基类硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷KH550。
所述环氧炔基类硅烷偶联剂为γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷KH560。
所述甲基丙烯类硅烷偶联剂为γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷KH570。
所述提升混凝土抗裂性的功能集料的制备方法为:
(1)制备硅烷偶联剂溶液:将自来水和乙醇溶液以90~95:10~5的体积混合,制备得到溶剂,通过缓慢滴加乙酸,调节溶剂的pH值至4.0,之后缓慢滴加硅烷偶联剂,搅拌至溶液均匀透明,制备得到偶联剂溶液。
(2)将所述轻集料浸泡于硅烷偶联剂溶液中,温度为20~40℃,浸泡时间为12~24h,继续在20℃-60环境温度下静置8-24h得到具有提升混凝土抗裂性的功能集料。
静置的环境温度是20-60℃,如静置温度较高,则可缩短静置时间,如静置温度较低,则可增长静止时间。
应用方法:该功能集料的用量体积相比混凝土的体积,所述功能集料的体积掺量为5%~15%。
当使用较低吸水倍率的轻集料制备的功能集料,可采取较高的体积掺量,否则会达不到理想的湿度调控降低收缩驱动力的目的,当使用较高吸水倍率的轻集料制备的功能集料,可采取较低的体积掺量,否则会达不到理想的提高强度即提高结构抗力的目的。
本发明的有益效果:
(1)本发明提供的一种用于提升混凝土抗裂性的功能集料制备及使用方法简单,硅烷偶联剂溶液可重复使用,综合抗裂成本低;
(2)基于本发明制备的功能集料实现了内养护减缩与界面增强提高结构抗力的统一,有效提高了混凝土的抗裂性,显著降低开裂风险。
附图说明
图1实施例1的自收缩测试结果。
图2实施例1的干燥收缩测试结果。
图3实施例2的自收缩测试结果。
图4实施例2的干燥收缩测试结果。
图5实施例3的自收缩测试结果。
图6实施例3的干燥收缩测试结果。
图7实施例4的自收缩测试结果。
图8实施例4的干燥收缩测试结果。
图9为对比例1的自收缩测试结果。
图10为对比例1的干燥收缩测试结果
图11为实施例1~4和对比例1的扫描电镜图片。
具体实施方式
为了更好地理解本发明,下面结合实施例进一步阐明本发明内容,但本发明不仅仅局限于下面的实例。
实施例1:
将自来水和乙醇溶液以95:5的体积混合,制备得到20kg溶剂,通过缓慢滴加乙酸,调节溶剂的pH值至4.0左右,之后缓慢滴加20g KH570,搅拌至溶液均匀透明,制备得到质量浓度为0.1%的偶联剂溶液。选取粒径为0~5mm的页岩轻细集料,其干表观密度为1410kg/m3,24h吸水倍率为11.9%。称取8kg该轻集料置于硅烷偶联剂溶液中,于20℃下浸泡24h后滤,继续再20℃环境下静置24h得到具有提升混凝土抗裂性的功能集料。
根据表1所示混凝土配合比制备混凝土,其中实验组功能集料体积掺量为10%,等体积替代砂,根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2002测试混凝土的抗压、劈裂抗拉强度,同时根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009测试混凝土自收缩及干燥收缩变形。
表1混凝土配合比(kg/m3)
配比 | 水泥 | 粉煤灰 | 砂 | 石 | 水 | 减水剂 | 功能集料 | 体积掺量/% |
基准组 | 250 | 120 | 760 | 1049 | 148 | 3 | 0 | 0 |
实验组-1 | 250 | 120 | 500 | 1049 | 148 | 3 | 158 | 10 |
混凝土抗压及劈拉强度测试结果如表2所示,结果表明,掺加功能集料后,混凝土不同龄期的抗压及劈裂抗拉强度提升在8~12%左右,且由于内养护及界面增强作用后期强度提升明显,即提高了混凝土结构自身抗力。
表2混凝土力学性能测试结果
混凝土自收缩及干燥收缩分别如图1、2所示,结果表明,掺加功能集料完全消除了混凝土自收缩,且28d膨胀值达到180με,与此同时,掺加功能集料试件28d干燥收缩与基准相比降低15%,即降低了混凝土的收缩开裂驱动力。以上测试结果表明,掺加抗裂功能集料可提高混凝土结构自身抗力,同时降低混凝土收缩开裂驱动力,因而降低了混凝土的开裂风险。
图1和图2证明:掺加实施例1制备的功能集料完全消除了混凝土自收缩,可完全消除自收缩并能够有效降低干燥收缩,因而能够显著降低混凝土的收缩开裂驱动力,提高了混凝土的抗裂性能。
实施例2:
将自来水和乙醇溶液以90:10的体积混合,制备得到20kg溶剂,通过缓慢滴加乙酸,调节溶剂的pH值至4.0左右,之后缓慢滴加4g KH570,搅拌至溶液均匀透明,制备得到质量浓度为0.02%的偶联剂溶液。选取粒径为0~5mm的页岩轻细集料,其干表观密度为1150kg/m3,24h吸水倍率为22.7%。称取8kg该轻集料置于硅烷偶联剂溶液中,于30℃下浸泡18h后滤,继续再30℃环境下静置18h得到具有提升混凝土抗裂性的功能集料。
根据表3所示混凝土配合比制备混凝土,其中实验组功能集料体积掺量为5%,等体积替代砂,根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2002测试混凝土的抗压、劈裂抗拉强度,同时根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009测试混凝土自收缩及干燥收缩变形。
表3混凝土配合比(kg/m3)
配比 | 水泥 | 粉煤灰 | 砂 | 石 | 水 | 减水剂 | 功能集料 | 体积掺量/% |
基准组 | 250 | 120 | 760 | 1049 | 148 | 3 | 0 | 0 |
实验组-2 | 250 | 120 | 630 | 1049 | 148 | 3 | 71 | 5 |
混凝土抗压及劈裂抗拉强度测试结果如表2所示,结果表明,掺加功能集料后,混凝土不同龄期的抗压及劈裂抗拉强度提升在13~19%左右,且内养护及界面增强作用后期强度提升明显,即提高了混凝土结构自身抗力。
表4混凝土力学性能测试结果
混凝土自收缩及干燥收缩分别如图3、4所示,结果表明,掺加功能集料完全消除了混凝土自收缩,且28d膨胀值达到112με,与此同时,掺加功能集料试件28d干燥收缩与基准相比降低10%,即降低了混凝土收缩开裂驱动力。以上测试结果表明,掺加功能集料可提高混凝土结构自身抗力,同时降低混凝土收缩开裂驱动力,因而降低了混凝土的开裂风险。
实施例3:
将自来水和乙醇溶液以95:5的体积混合,制备得到50kg溶剂,通过缓慢滴加乙酸,调节溶剂的pH值至4.0左右,之后缓慢滴加75g KH560,搅拌至溶液均匀透明,制备得到质量浓度为0.15%的偶联剂溶液。选取粒径为5~20mm的页岩轻细集料,其干表观密度为1860kg/m3,24h吸水倍率为5.0%。称取15kg该轻集料置于硅烷偶联剂溶液中,于40℃下浸泡12h后滤,继续在40℃环境下静置12h得到具有提升混凝土抗裂性的功能集料。
根据表5所示混凝土配合比制备混凝土,其中实验组功能集料体积掺量为15%,等体积替代碎石,根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2002测试混凝土的抗压、劈裂抗拉强度,同时根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009测试混凝土自收缩及干燥收缩变形。
表5混凝土配合比(kg/m3)
配比 | 水泥 | 粉煤灰 | 矿粉 | 砂 | 石 | 水 | 减水剂 | 功能集料 | 体积掺量/% |
基准组 | 189 | 105 | 126 | 743 | 1070 | 147 | 4.4 | 0 | 0 |
实验组-3 | 189 | 105 | 126 | 743 | 676 | 147 | 4.4 | 293 | 15 |
混凝土抗压及劈裂抗拉强度测试结果如表6所示,结果表明,掺加功能集料后,混凝土不同龄期的抗压及劈裂抗拉强度提升在6-10%左右,且内养护及界面增强作用后期强度提升明显,即提高了混凝土结构自身抗力。
表6混凝土力学性能测试结果
混凝土自收缩及干燥收缩分别如图5、6所示,结果表明,掺加功能集料完全消除了混凝土自收缩,且28d膨胀值达到210με,与此同时,掺加功能集料试件28d干燥收缩与基准相比降低11%,即降低了混凝土收缩开裂驱动力。以上测试结果表明,掺加功能集料可提高混凝土结构自身抗力,同时降低混凝土收缩开裂驱动力,因而降低了混凝土的开裂风险。
实施例4:
将自来水和乙醇溶液以93:7的体积混合,制备得到50kg溶剂,通过缓慢滴加乙酸,调节溶剂的pH值至4.0左右,之后缓慢滴加50g KH570,搅拌至溶液均匀透明,制备得到质量浓度为0.1%的偶联剂溶液。选取粒径为5~20mm的页岩轻细集料,其干表观密度为1655kg/m3,24h吸水倍率为13%。称取12kg该轻集料置于硅烷偶联剂溶液中,于30℃下浸泡16h后滤,继续再60℃环境下静置8h得到具有提升混凝土抗裂性的功能集料。
根据表7所示混凝土配合比制备混凝土,其中实验组功能集料体积掺量为10%,等体积替代碎石,根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2002测试混凝土的抗压、劈裂抗拉强度,同时根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009测试混凝土自收缩及干燥收缩变形。
表7混凝土配合比(kg/m3)
配比 | 水泥 | 粉煤灰 | 矿粉 | 砂 | 石 | 水 | 减水剂 | 功能集料 | 体积掺量/% |
基准组 | 189 | 105 | 126 | 743 | 1070 | 147 | 4.4 | 0 | 0 |
实验组-4 | 189 | 105 | 126 | 743 | 807 | 147 | 4.4 | 187 | 10 |
混凝土抗压及劈裂抗拉强度测试结果如表8所示,结果表明,掺加功能集料后,混凝土不同龄期的抗压及劈裂抗拉强度提升在7-13%左右,且内养护及界面增强作用后期强度提升明显,即提高了混凝土结构自身抗力。
表8混凝土力学性能测试结果
混凝土自收缩及干燥收缩分别如图7、8所示,结果表明,掺加功能集料完全消除了混凝土自收缩,且28d膨胀值达到266με,与此同时,掺加功能集料试件28d干燥收缩与基准相比降低14%,即降低了混凝土收缩开裂驱动力。以上测试结果表明,掺加功能可提高混凝土结构自身抗力,同时降低混凝土收缩开裂驱动力,因而降低了混凝土的开裂风险。
对比例1:
为进一步说明本发明制备的功能集料的优越性,设置对比例1,其配比与实验组-4一致,所不同之处在于,采用与拌合水来源相同的水替带0.1%浓度的硅烷偶联剂溶液处理轻集料,在配制混凝土时,在拌合水中直接加入硅烷偶联剂,使得拌合水中硅烷偶联剂浓度为0.1%。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2002测试混凝土的抗压、劈裂抗拉强度,同时根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009测试混凝土自收缩及干燥收缩变形。
混凝土抗压及劈裂抗拉强度测试结果如表9所示,结果表明,采用对比例1的方式处理轻集料后,混凝土不同龄期的抗压基本不受影响,但抗拉强度明显降低约7%~10%,抗拉强度的降低表明混凝土的抗裂能力受到降低,即降低了混凝土的结构自身抗力,增大了开裂风险。
表9混凝土力学性能测试结果
混凝土自收缩及干燥收缩分别如图9、10所示,结果表明,采用对比例1的方式处理轻集料后,混凝土在5d前产生较小的膨胀,随后开始收缩,28d混凝土收缩13με,且还在持续收缩,而实验组-4试样则产生了266με,且还在持续膨胀。与此同时,对比例1试件干燥收缩早期与基准相当,28d比基准增大了7%,力学及收缩结果表明,以直接加入硅烷偶联剂的形式则会降低混凝土结构自身抗力,且在一定会增加收缩开裂驱动力,这无疑增加了混凝土的开裂风险。
图9和图10显示:以对比例1的方法即直接加入硅烷偶联剂溶液的形式无法有效改善混凝土的体积稳定性,且降低了混凝土结构自身抗力,对混凝土的抗裂性不利。
为进一步说明本发明制备的用于提升混凝土抗裂性的功能集料的作用,对基准组及实施例1~5的混凝土试件进行切割打磨抛光,通过扫描电镜拍摄功能集料与水泥石之间的界面过渡区背散射电子像,左边为水泥石基体,右边为普通集料或功能集料,结果如图11所示。其中,a为基准组试件,b~f依次为实施例1~5试件。在水泥石浆体的背散射电子像中,从亮到暗依次为未水化水泥数量、氢氧化钙、水化硅酸钙凝胶以及水化硫铝酸盐、孔及裂缝。
图11.a所示的基准组试件中,普通集料与水泥石之间的界面过渡区疏松多孔,且存在大面积未水化水泥颗粒;
图11.b所示的实验组-1试件中,功能集料与水泥石之间的界面过渡区未水化水泥颗粒明显减少,水化程度提高,且较为密实,
验证了本发明制备的功能集料在利用内养护减缩降低收缩开裂驱动力的时候,也提高了界面粘结质量,提高了混凝土力学性能,尤其是抗拉强度,提高了混凝土结构自身抗力,因而会大幅提高混凝土的抗裂性能。
图11.c所示的实验组-2试件中,功能集料与水泥石界面过渡区水化程度进一步提高,孔洞明显减少,界面过渡区质量得到明显提升,这充分肯定了本发明制备的功能集料具有提升抗裂性的作用;
图11.d所示的实验组-3试件中,功能集料与水泥石之间的界面过渡区较为密实,当然也存在单独较大颗粒为水化的水泥颗粒,但其界面过渡区整体质量优于基准试件;
图11.e所示的实验组-4试件中,功能集料与水泥石之间的界面过渡区结构密实,未水化水泥颗粒较少,界面过渡区质量比基准试件得到大幅提升;
图11.f所示的对比例1试件中,轻集料与水泥石之间的界面过渡区疏松多孔,且存在大量较大未水化颗粒,界面过渡区质量劣化,这无疑会降低混凝土结构自身抗力,这也从混凝土抗拉强度的降低得到印证,如此同时,采用直接加入硅烷偶联剂的形式还会影响轻集料的内养护减缩作用,这从混凝土自收缩及干燥收缩测试结果中得到印证。
扫描电镜试验结果表明,利用本发明制备功能集料,可优化集料与混凝土界面过渡区,提高界面过渡区水化程度及结构密实程度,进而可提高混凝土结构自身抗力。与此同时,利用功能集料的内养护作用,在降低混凝土收缩开裂驱动力的同时还会提高基体水化程度进而提高结构自身抗力。因此,利用本发明制备的功能集料,实现了在降低收缩开裂驱动力的同时提高了结构自身抗力,进而能有效提高混凝土的抗裂性能。
Claims (6)
1.一种提升混凝土抗裂性的功能集料,其特征在于,其组成包括:浸泡于硅烷偶联剂溶液中的轻集料;硅烷偶联剂溶液质量与浸泡的轻集料干质量之比不小于2;
所述硅烷偶联剂溶液的pH值为4.0,其溶剂为水和乙醇的混合溶剂,水与乙醇的体积比为90~95:10~5;
所述硅烷偶联剂溶液的质量浓度为0.02%~0.15%;
所述硅烷偶联剂选自氨炔基类硅烷偶联剂、环氧炔基类硅烷偶联剂、甲基丙烯类硅烷偶联剂;
所用轻集料干表观密度为1000~1800 kg/m2,24 h吸水率在5%~25%。
2.根据权利要求1所述提升混凝土抗裂性的功能集料,其特征在于,所述氨炔基类硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷KH550。
3.根据权利要求1所述提升混凝土抗裂性的功能集料,其特征在于,所述环氧炔基类硅烷偶联剂为γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷KH560。
4.根据权利要求1所述提升混凝土抗裂性的功能集料,其特征在于,所述甲基丙烯类硅烷偶联剂为γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷KH570。
5.权利要求1-4中的任一项所述提升混凝土抗裂性的功能集料的制备方法,其特征在于,由下述步骤组成:
(1)制备硅烷偶联剂溶液:将自来水和乙醇溶液以90~95:10~5的体积混合,制备得到溶剂,通过缓慢滴加乙酸,调节溶剂的pH值至4.0,之后缓慢滴加硅烷偶联剂,搅拌至溶液均匀透明,制备得到偶联剂溶液;
(2)将所述轻集料浸泡于硅烷偶联剂溶液中,温度为20~40℃,浸泡时间为12~24 h,继续在20℃~60℃环境下静置8-24 h得到具有提升混凝土抗裂性的功能集料。
6.权利要求1-4中的任一项所述提升混凝土抗裂性的功能集料的应用方法:其特征在于,功能集料的用量体积相比混凝土的体积,所述功能集料的体积掺量为5%~15%。
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