CN113831053A - 一种受弯变形小的梯度混凝土材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种受弯变形小的梯度混凝土材料及其制备方法。在制备时除所需的常规水泥混凝土原料外，还包括二氧化钛纳米管、纳米二氧化硅、钴/碳纳米纤维复合材料、纳米碳纤维、氯丁橡胶、聚酰亚胺树脂、二甲基乙酰胺、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇、甲基丙烯酸十八烷基酯、甲基纤维素等性能调节材料。采用梯度分层制备的形式，即受拉层、过渡层和受压层分层制备。通过在各层混凝土材料中加入不同的性能调节材料，可以极大限度的减小长期荷载作用时材料的受弯变形，降低受弯变形对工程的危害，具有重要的实际应用价值。

Description

一种受弯变形小的梯度混凝土材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及水泥基材料领域，具体涉及一种受弯变形小的梯度混凝土材料及其制备方法。
背景技术
混凝土梁是最常用受弯构件，在持续压应力作用下会产生受弯变形、出现挠度连续增加的现象，影响工程结构耐久性能和安全性能。为此，《混凝土结构设计规范》GB50010-2010对混凝土挠度限值进行了相应规定。由于受弯挠度受水泥基材料组成、微观结构等的影响显著，因此从纳微米层面提升混凝土材料抵抗受弯变形的能力具有重要意义。
当前，在大跨度结构上广泛应用的混凝土材料的受弯变形能力的改善方式主要为增大构件截面积、提升混凝土强度等级等。但是上述方法存在以下问题：1)随着梁构件横截面积的增加，其自重会显著提升，很大程度上增加了结构的承重压力，特别是对于一些限重的大跨结构影响巨大；2)目前提升混凝土材料强度的技术手段主要是使用较低的水胶比或者添加大量的活性胶凝材料，但是这会显著增加收缩开裂风险、提高工程造价，同时胶凝材料的增加也会显著增加碳排放量；3)没有对水泥基材料宏观性能起决定作用的微观层面进行解决，没有针对材料在受弯变形时不同部位所起的作用充分发挥各部位的性能。
为解决上述问题，本发明提供了一种受弯变形小的梯度混凝土材料及其制备方法。经此法制备的混凝土梁在具有优异的力学性能的同时，可以显著降低梁的受弯变形，提高混凝土材料的耐久性能和安全性能，且该方法实施简便、成本较低，具有重要的工程实际推广价值。
发明内容
本发明旨在提供一种可以在实际工程应用中显著降低混凝土梁受弯变形的材料设计和制备方法。为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种受弯变形小的梯度混凝土材料及其制备方法。材料组成包括常规水泥混凝土材料和性能调节材料，性能调节材料的组成及掺量(按每m3常规水泥混凝土材料和性能调节材料混合物中的含量计算)为：二氧化钛纳米管0.8～1.4kg/m3，钴/碳纳米纤维复合材料0.5～0.8kg/m3，纳米碳纤维0.4～0.8kg/m3，纳米二氧化硅2～4kg/m3，氯丁橡胶2～5kg/m3，聚丙烯酸钠6～9kg/m3，聚酰亚胺树脂4～6kg/m3，聚乙烯醇5～7kg/m3，二甲基乙酰胺0.4～0.6kg/m3，甲基丙烯酸十八烷基酯0.2～0.4kg/m3，甲基纤维素0.3～0.5kg/m3。
二氧化钛纳米管直径为10nm～30nm，长度为0.8～2μm；纳米二氧化硅粒径为20～40nm，含量≥99.5％；钴/碳纳米纤维复合材料中的碳纳米纤维直径为25～50nm，长度为10～20μm，是以细菌纤维素为碳源，利用其表面丰富的含氧官能团吸附Co2+，再经冷冻干燥与一步碳热还原制备而成；纳米碳纤维直径为150～200nm，长度为10～20μm。
所述氯丁橡胶和聚丙烯酸钠为二氧化钛纳米管、纳米二氧化硅与水泥基材料的粘结剂；所述聚酰亚胺树脂和二甲基乙酰胺为钴/碳纳米纤维复合材料与水泥基材料的粘结剂；所述聚乙烯醇和甲基丙烯酸十八烷基酯为纳米碳纤维与水泥基材料的粘结剂。所述甲基纤维素用于分散钴/碳纳米纤维复合材料和纳米碳纤维。
受弯变形小的梯度混凝土材料及其制备方法如下：
按照梁的厚度和受力方向由下至上分受拉层、过渡层和受压层三层浇筑，各层厚度比分别为2：1：2。受拉层的制备：根据混凝土用量按比例称取性能调节材料，首先将纳米碳纤维倒入质量浓度为2％～4％的甲基纤维素水溶液中进行分散，随后加入起粘结作用的聚乙烯醇和甲基丙烯酸十八烷基酯混合物，搅拌均匀后水浴加热60min，控制水浴温度40～45℃，冷却至环境温度后静置30min并倒入混凝土中充分搅拌，待搅拌均匀后倒入模具并使用振动棒震荡均匀。
过渡层的制备：根据混凝土用量按比例称取性能调节材料，首先将钴/碳纳米纤维复合材料倒入甲基纤维素水溶液进行分散，待分散完全后加入起增强粘结作用的聚酰亚胺树脂与二甲基乙酰胺的基液中，搅拌均匀后40～45℃水浴15min，随即静置20min。最后倒入混凝土中充分搅拌，待搅拌均匀后倒入模具并使用振动棒震荡均匀。
受压层的制备：根据混凝土用量按比例称取性能调节材料，首先将氯丁橡胶和聚丙烯酸钠混合并搅拌均匀制成粘结剂，加入到制备试样所需的水中，然后将二氧化钛纳米管和纳米二氧化硅倒入粘结剂中并充分搅拌分散均匀并静置15～20min，随后水浴加热45min，控制水浴温度35～40℃，冷却静置30min后倒入混凝土中充分搅拌，待搅拌均匀后倒入模具并使用振动棒震荡均匀。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)针对受弯材料在实际工程中的变形主要为压弯变形。将受弯材料按照高度划分为三层，上部2/5记为受压层，中部1/5记为过渡层，下部2/5记为受拉层，创造性的采用梯度式制备方法，既保证了材料的整体稳定性，也充分发挥受压区、过渡区和受拉区的工作性能，最大限度的降低长期变形。
2)在材料的受拉层，使用韧性极大、力学性能极佳的纳米碳纤维作为内部的增强网，从微观结构上将原本只是由凝胶简单粘结的水泥基材料各物相通过纳米碳纤维建立一个更致密的整体。并且使用聚乙烯醇和甲基丙烯酸十八烷基酯制成的粘结剂对纳米碳纤维和骨料等物相进行粘结强化。
显著提升了拉区抵抗拉伸变形的能力。
3)在过渡层的制备时加入钴/碳纳米纤维复合材料，可以使过渡层的水泥基材料的柔韧性增加，充分发挥过渡部位的缓冲作用。同时，加入聚酰亚胺树脂和二甲基乙酰胺，可以使钴/碳纳米纤维复合材料与水泥基材料充分粘结，提升整体性。
4)在受弯材料的受压层，使用粒径小但承压性能较好的二氧化钛纳米管和纳米二氧化硅作为抗挤压变形的填充稳定材料。通过氯丁橡胶和聚丙烯酸钠形成的粘结剂将二氧化钛纳米管和纳米二氧化硅充分粘结于材料的微观孔隙处。随着活性非常高的纳米二氧化硅的持续发生水化反应，会进一步增加二氧化钛纳米管与周围材料的整体粘结程度。
5)本发明提供的一种小变形多梯度水泥基材料及其制备方法，使用的材料经济且绿色环保，制备过程易于操作实现。可以极大限度的提升水泥基材料抵抗受弯变形的能力，具有实际工程广泛推广的价值。
附图说明
图1C30混凝土梁60天挠度变化关系曲线。
图2C50混凝土梁60天挠度变化关系曲线。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一：
首先，制作长度为1200mm，宽度为120mm，高度为250mm的C30强度的混凝土梁两组，第一组为不含性能调节材料的梁，记为A1组。另一组为按照本发明提出的方法制备的，记为B1组。所需材料的用量为，A1组：依据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ552011进行选取；B1组：除常规原材料依据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ552011进行选取外，性能调节材料分别取直径范围为10～20nm，长度0.8～2μm的二氧化钛纳米管0.036kg，粒径范围为20～30nm的纳米二氧化硅颗粒0.1kg，直径25～40nm，长度为10～20μm的钴/碳纳米纤维复合材料0.0324kg，直径150～200nm，长度为10～15μm的纳米碳纤维0.019kg，氯丁橡胶0.112kg，聚丙烯酸钠0.24kg，聚酰亚胺树脂0.18kg，甲基纤维素0.0144kg，聚乙烯醇0.216kg，甲基丙烯酸十八烷基酯0.01kg，二甲基乙酰胺0.018kg。
随后进行混凝土受弯梁的制备。A1组混凝土梁按常规方法整体拌制浇筑制备。B1组按照梁的厚度和受力方向由下至上分受拉层、过渡层和受压层三层浇筑，各层厚度比分别为2：1：2。首先是受拉层的制备：根据混凝土用量按比例称取性能调节材料，首先将纳米碳纤维倒入质量浓度为2.4％的甲基纤维素水溶液中进行分散，随后加入起粘结作用的聚乙烯醇和甲基丙烯酸十八烷基酯混合物，搅拌均匀后水浴加热60min，控制水浴温度40℃，冷却至环境温度后静置30min并倒入混凝土中充分搅拌，待搅拌均匀后倒入模具并使用振动棒震荡均匀。其次是过渡层的制备：根据混凝土用量按比例称取性能调节材料，首先将钴/碳纳米纤维复合材料倒入甲基纤维素水溶液进行分散，待分散完全后加入起增强粘结作用的聚酰亚胺树脂与二甲基乙酰胺的基液中，搅拌均匀后40℃水浴15min，随即静置20min。最后倒入混凝土中充分搅拌，待搅拌均匀后倒入模具并使用振动棒震荡均匀。随后是受压层的制备：根据混凝土用量按比例称取性能调节材料，首先将氯丁橡胶和聚丙烯酸钠混合并搅拌均匀制成粘结剂，加入到制备试样所需的水中，然后将二氧化钛纳米管和纳米二氧化硅倒入粘结剂中并充分搅拌分散均匀并静置15min，随后水浴加热45min，控制水浴温度35℃，冷却静置30min后倒入混凝土中充分搅拌，待搅拌均匀后倒入模具并使用振动棒震荡均匀。最后将标准养护完毕的两组梁进行上部放置同等重量的配重块进行为期60天的挠度测试，以对比两组梁的受弯挠度发展情况，结果如图1所示。可以看到采用本发明制备的混凝土的受弯挠度变化显著小于常规方法制备的混凝土，同时期挠度减小率在36.6％～44.8％之间。
实施例二：
首先，制作长度为1600mm，宽度为150mm，高度为300mm的C50强度的混凝土梁两组，第一组为不含性能调节材料的梁，记为A2组。另一组按照本发明提出的方法制备的，记为B2组。所需材料的用量为，A2组：依据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ552011进行选取；B2组：除常规原材料依据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ552011进行选取外，取直径范围为10～20nm，长度0.8～2μm的二氧化钛纳米管0.072kg，粒径范围为20～30nm的纳米二氧化硅颗粒0.216kg，直径25～40nm，长度为10～20μm的钴/碳纳米纤维复合材料0.068kg，直径150～200nm，长度为10～15μm的纳米碳纤维0.043kg，氯丁橡胶0.252kg，聚丙烯酸钠0.52kg，聚酰亚胺树脂0.36kg，甲基纤维素0.028kg，聚乙烯醇0.432kg，甲基丙烯酸十八烷基酯0.022kg，二甲基乙酰胺0.0375kg。
随后进行混凝土受弯梁的制备。A2组混凝土梁按常规方法整体拌制浇筑制备。B2组按照梁的厚度和受力方向由下至上分受拉层、过渡层和受压层三层浇筑，各层厚度比分别为2：1：2。首先是受拉层的制备：根据混凝土用量按比例称取性能调节材料，首先将纳米碳纤维倒入质量浓度为3％的甲基纤维素水溶液中进行分散，随后加入起粘结作用的聚乙烯醇和甲基丙烯酸十八烷基酯混合物，搅拌均匀后水浴加热60min，控制水浴温度45℃，冷却至环境温度后静置30min并倒入混凝土中充分搅拌，待搅拌均匀后倒入模具并使用振动棒震荡均匀。其次是过渡层的制备：根据混凝土用量按比例称取性能调节材料，首先将钴/碳纳米纤维复合材料倒入甲基纤维素水溶液进行分散，待分散完全后加入起增强粘结作用的聚酰亚胺树脂与二甲基乙酰胺的基液中，搅拌均匀后45℃水浴15min，随即静置20min。最后倒入混凝土中充分搅拌，待搅拌均匀后倒入模具并使用振动棒震荡均匀。随后是受压层的制备：根据混凝土用量按比例称取性能调节材料，首先将氯丁橡胶和聚丙烯酸钠混合并搅拌均匀制成粘结剂，加入到制备试样所需的水中，然后将二氧化钛纳米管和纳米二氧化硅倒入粘结剂中并充分搅拌分散均匀并静置20min，随后水浴加热45min，控制水浴温度40℃，冷却静置30min后倒入混凝土中充分搅拌，待搅拌均匀后倒入模具并使用振动棒震荡均匀。最后将标准养护完毕的两组梁进行上部放置同等重量的配重块进行为期60天的挠度测试，以对比两组梁的受弯挠度发展情况，结果如图2所示。可以看到采用本发明制备的混凝土的受弯挠度变化显著小于常规方法制备的混凝土，同时期挠度减小率在31.8％～41.4％之间。
上述实施例充分验证了本发明实用效果的优越性。但是上述实施例仅是为了清楚说明所做的实例，而并非是对试验的限制。对于实际工程操作中，在上述说明的基础上可以做出其他不同形式的变动，这里无需也无法对所有实施形式进行枚举。

Claims (3)

1.一种受弯变形小的梯度混凝土材料，其特征在于：材料组成包括水泥混凝土材料和性能调节材料，按占每m3水泥混凝土材料和性能调节材料的混合物中的含量计算，性能调节材料的组成及掺量为：二氧化钛纳米管0.8～1.4kg/m3，钴/碳纳米纤维复合材料0.5～0.8kg/m3，纳米碳纤维0.4～0.8kg/m3，纳米二氧化硅2～4kg/m3，氯丁橡胶2～5kg/m3，聚丙烯酸钠6～9kg/m3，聚酰亚胺树脂4～6kg/m3，聚乙烯醇5～7kg/m3，二甲基乙酰胺0.4～0.6kg/m3，甲基丙烯酸十八烷基酯0.2～0.4kg/m3，甲基纤维素0.3～0.5kg/m3。
2.权利要求1所述的一种受弯变形小的梯度混凝土材料，其特征在于：二氧化钛纳米管直径为10nm～30nm，长度为0.8～2μm；纳米二氧化硅粒径为20～40nm，含量≥99.5％；钴/碳纳米纤维复合材料中的碳纳米纤维直径为25～50nm，长度为10～20μm；纳米碳纤维直径为150～200nm，长度为10～20μm。
3.制备如权利要求1所述的一种受弯变形小的梯度混凝土材料的方法，其特征在于步骤如下：
1)按照梁的厚度和受力方向由下至上分受拉层、过渡层和受压层三层浇筑，各层厚度比分别为2：1：2；
2)受拉层的制备：根据混凝土用量按比例称取性能调节材料，首先将纳米碳纤维倒入质量浓度为2％～4％的甲基纤维素水溶液中进行分散，随后加入起粘结作用的聚乙烯醇和甲基丙烯酸十八烷基酯混合物，搅拌均匀后水浴加热60min，控制水浴温度40～45℃，冷却至环境温度后静置30min并倒入混凝土中充分搅拌，待搅拌均匀后倒入模具并使用振动棒震荡均匀；
3)过渡层的制备：根据混凝土用量按比例称取性能调节材料，首先将钴/碳纳米纤维复合材料倒入甲基纤维素水溶液进行分散，待分散完全后加入起增强粘结作用的聚酰亚胺树脂与二甲基乙酰胺的基液中，搅拌均匀后40～45℃水浴15min，随即静置20min；最后倒入混凝土中充分搅拌，待搅拌均匀后倒入模具并使用振动棒震荡均匀；
4)受压层的制备：根据混凝土用量按比例称取性能调节材料，首先将氯丁橡胶和聚丙烯酸钠混合并搅拌均匀制成粘结剂，加入到制备试样所需的水中，然后将二氧化钛纳米管和纳米二氧化硅倒入粘结剂中并充分搅拌分散均匀并静置15～20min，随后水浴加热45min，控制水浴温度35～40℃，冷却静置30min后倒入混凝土中充分搅拌，待搅拌均匀后倒入模具并使用振动棒震荡均匀。
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