CN113896483A - 一种抗裂混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种抗裂混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种抗裂混凝土及其制备方法，属于混凝土技术领域，包括以下重量份的组分：水100‑150份、水泥200‑400份、环氧树脂改性聚丙烯纤维30‑50份、增强纤维10‑20份、减水剂9‑14份、膨胀剂7‑10份、粉煤灰30‑70份、粗骨料30‑70份、细骨料20‑50份、二辛基琥珀酸磺酸钠0.1‑0.3份。本发明抗裂混凝土中，改性聚丙烯纤维均匀分布在混凝土基质中，通过形成纤维网结构，提高水化反应速度，从而显著提高了混凝土的抗裂性和抗渗性，增加了混凝土强度。

Description

一种抗裂混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，具体涉及一种抗裂混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土是一种建筑材料，随着社会发展，混凝土的使用量越来越大，应用领域也越来越广，为满足各种不同应用场景的性能需求，混凝土的种类也越来越多，其中，透水高强沥青混凝土就常用于需要防水、阻水的场合中。
普通的混凝土由于其结构特性，会存在大量的毛细孔和细小裂缝，并非完全致密的结构，因此普通的混凝土容易渗水，抗渗性能不佳，为了减少毛细孔，通常会在混凝土中加入膨胀剂，混凝土膨胀剂加入到混凝土中，拌水后生成大量膨胀性结晶水化物，使其产生适度的膨胀，在钢筋和邻位的约束下，产生的膨胀能转为压应力，这一应力可抵消砼在硬化中的收缩拉应力，因而减少了裂缝。
在混凝土中添加膨胀剂越多，减少裂缝，使得抗渗性能提高，但是有研究表明在混凝土中加入膨胀剂，混凝土的抗压强度会有较为明显的下降，导致透水高强沥青混凝土的抗压强度普遍不高，难以满足特殊工程所需，因此还有改善空间。
发明内容
本发明的目的在于提出一种抗裂混凝土及其制备方法，将改性聚丙烯纤维均匀分布在混凝土基质中，通过形成纤维网结构，提高水化反应速度，从而显著提高了混凝土的抗裂性和抗渗性，增加了混凝土强度。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供一种抗裂混凝土，包括以下重量份的组分：水100-150份、水泥200-400份、环氧树脂改性聚丙烯纤维30-50份、增强纤维10-20份、减水剂9-14份、膨胀剂7-10份、粉煤灰30-70份、粗骨料30-70份、细骨料20-50份、二辛基琥珀酸磺酸钠0.1-0.3份。
作为本发明的进一步改进，所述环氧树脂改性聚丙烯纤维由以下方法制备而成：
S1.将聚丙烯纤维加入含有硅烷偶联剂的乙醇溶液中，加热至70-90℃，反应1-2h，过滤，干燥，得到改性聚丙烯纤维；
S2.将改性聚丙烯纤维和环氧树脂加热熔融共混，反应2-3h后，冷却，得到环氧树脂改性聚丙烯纤维。
作为本发明的进一步改进，所述硅烷偶联剂为含有氨基的硅烷偶联剂，选自γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
作为本发明的进一步改进，所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三甲氧基硅烷和二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷的复配混合物，质量比为2：(1-4)，优选地，为2：(2-3)。
作为本发明的进一步改进，所述含有硅烷偶联剂的乙醇溶液中硅烷偶联剂的含量为2-5wt％；所述熔融温度为180-200℃。
作为本发明的进一步改进，所述改性聚丙烯纤维和环氧树脂的质量比为10：(3-5)。
作为本发明的进一步改进，所述减水剂选自聚羧酸减水剂、萘系减水剂、木质素磺酸钙减水剂、三聚氰胺减水剂、密胺系减水剂中的至少一种；所述膨胀剂选自铝酸钙膨胀剂、氧化钙膨胀剂、明矾石膨胀剂、硫铝酸盐膨胀剂中的至少一种；所述水泥为硅酸盐水泥。
作为本发明的进一步改进，所述粗骨料为直径为10-20mm的碎石，所述细骨料为直径小于5mm的天然砂。
作为本发明的进一步改进，所述增强纤维为聚乙烯醇纤维、聚丙烯短纤维的混合物，质量比为3：(3-5)。
本发明进一步保护一种上述抗裂混凝土的制备方法，包括以下步骤：向搅拌机中投入粗骨料、细骨料和20％的水，搅拌10-20s，加入水泥、二辛基琥珀酸磺酸钠和减水剂，继续搅拌90-120s后，加入环氧树脂改性聚丙烯纤维、粉煤灰和增强纤维，搅拌70-100s后，加入膨胀剂和剩余的水，再搅拌100-150s后，出料，倒入模具中成型，脱模，养护，得到抗裂混凝土。
本发明具有如下有益效果：本发明制备了一种环氧树脂改性聚丙烯纤维，提高了聚丙烯纤维表面的粘合性，增强了聚丙烯纤维与水泥的粘结作用，聚丙烯纤维在水泥水化时形成纤维薄膜，提高混凝土的韧性和强度。另外，由于聚丙烯纤维在混凝土内部形成了分布均匀，形成了遍布混凝土基体的纤维网结构，有效的改善了混凝土的力学性能和耐久性，同时提高混凝土的抗渗性能和抗裂性能。
本发明另外添加了增强纤维，增强纤维成本低，加入混凝土基质中能明显提高混凝土的力学性能，与环氧树脂改性聚丙烯纤维、粗骨料、细骨料等共同作用，增大环氧树脂改性聚丙烯纤维的比表面积，增大水化反应接触面积，提高水化反应速度，提高混凝土的和易性，使得改性聚丙烯纤维均匀分布在混凝土中，提高混凝土的抗裂性。
本发明另外添加的有机纤维为聚乙烯醇纤维、聚乙烯醇的混合物。聚丙烯短纤维与聚丙烯腈纤维基碳纤维配合，可在延长水泥水化的同时减少水泥的收缩率，整体减少了混凝土的内部应力，降低了混凝土开裂的风险，提高混凝土的力学性能；聚乙烯醇纤维。聚乙烯醇纤维的主要特点是强度高、模量高、耐磨、抗酸碱、耐候性好，与水泥、石膏等基材有良好的亲和力和结合性；聚乙烯醇纤维埋入混凝土中长时间不发霉、不腐烂、不虫蛀，可以为自修复剂提供稳定的网架支撑。两者的添加具有协同增效的作用。
本发明抗裂混凝土中，改性聚丙烯纤维均匀分布在混凝土基质中，通过形成纤维网结构，提高水化反应速度，从而显著提高了混凝土的抗裂性和抗渗性，增加了混凝土强度。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
原料组成(重量份)：水100份、硅酸盐水泥200份、环氧树脂改性聚丙烯纤维30份、增强纤维10份、木质素磺酸钙减水剂9份、铝酸钙膨胀剂7份、粉煤灰30份、粗骨料30份、细骨料20份、二辛基琥珀酸磺酸钠0.1份。粗骨料为直径为10-20mm的碎石；细骨料为直径小于5mm的天然砂。所述增强纤维为聚乙烯醇纤维、聚丙烯短纤维的混合物，质量比为3：3。
环氧树脂改性聚丙烯纤维由以下方法制备而成：
S1.将聚丙烯纤维加入含有2wt％硅烷偶联剂的乙醇溶液中，加热至70℃，反应1h，过滤，干燥，得到改性聚丙烯纤维；
所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三甲氧基硅烷和二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷的复配混合物，质量比为1：1。
S2.将100g改性聚丙烯纤维和30g环氧树脂加热至180℃，熔融共混，反应2h后，冷却，得到环氧树脂改性聚丙烯纤维。
抗裂混凝土的制备方法，包括以下步骤：向搅拌机中投入粗骨料、细骨料和20％的水，搅拌10s，加入硅酸盐水泥、二辛基琥珀酸磺酸钠和木质素磺酸钙减水剂，继续搅拌90s后，加入环氧树脂改性聚丙烯纤维、粉煤灰和增强纤维，搅拌70s后，加入铝酸钙膨胀剂和剩余的水，再搅拌100s后，出料，倒入模具中成型，脱模，养护，得到抗裂混凝土。
实施例2
原料组成(重量份)：水150份、硅酸盐水泥400份、环氧树脂改性聚丙烯纤维50份、增强纤维20份、萘系减水剂14份、硫铝酸盐膨胀剂10份、粉煤灰70份、粗骨料70份、细骨料50份、二辛基琥珀酸磺酸钠0.3份。粗骨料为直径为10-20mm的碎石；细骨料为直径小于5mm的天然砂。所述增强纤维为聚乙烯醇纤维、聚丙烯短纤维的混合物，质量比为3：5。
环氧树脂改性聚丙烯纤维由以下方法制备而成：
S1.将聚丙烯纤维加入含有5wt％硅烷偶联剂的乙醇溶液中，加热至90℃，反应2h，过滤，干燥，得到改性聚丙烯纤维；
所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三甲氧基硅烷和二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷的复配混合物，质量比为2：3。
S2.将100g改性聚丙烯纤维和30-50g环氧树脂加热至200℃，熔融共混，反应3h后，冷却，得到环氧树脂改性聚丙烯纤维。
抗裂混凝土的制备方法，包括以下步骤：向搅拌机中投入粗骨料、细骨料和20％的水，搅拌20s，加入硅酸盐水泥、二辛基琥珀酸磺酸钠和萘系减水剂，继续搅拌120s后，加入环氧树脂改性聚丙烯纤维、粉煤灰和增强纤维，搅拌100s后，加入硫铝酸盐膨胀剂和剩余的水，再搅拌150s后，出料，倒入模具中成型，脱模，养护，得到抗裂混凝土。
实施例3
原料组成(重量份)：水125份、硅酸盐水泥300份、环氧树脂改性聚丙烯纤维40份、增强纤维15份、聚羧酸减水剂12份、明矾石膨胀剂9份、粉煤灰50份、粗骨料50份、细骨料35份、二辛基琥珀酸磺酸钠0.2份。粗骨料为直径为10-20mm的碎石；细骨料为直径小于5mm的天然砂。所述增强纤维为聚乙烯醇纤维、聚丙烯短纤维的混合物，质量比为3：4。
环氧树脂改性聚丙烯纤维由以下方法制备而成：
S1.将聚丙烯纤维加入含有3.5wt％硅烷偶联剂的乙醇溶液中，加热至80℃，反应1.5h，过滤，干燥，得到改性聚丙烯纤维；
所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三甲氧基硅烷和二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷的复配混合物，质量比为2：2.5。
S2.将100g改性聚丙烯纤维和40g环氧树脂加热至190℃，熔融共混，反应2.5h后，冷却，得到环氧树脂改性聚丙烯纤维。
抗裂混凝土的制备方法，包括以下步骤：向搅拌机中投入粗骨料、细骨料和20％的水，搅拌15s，加入硅酸盐水泥、二辛基琥珀酸磺酸钠和聚羧酸减水剂，继续搅拌100s后，加入环氧树脂改性聚丙烯纤维、粉煤灰和增强纤维，搅拌85s后，加入明矾石膨胀剂和剩余的水，再搅拌125s后，出料，倒入模具中成型，脱模，养护，得到抗裂混凝土。
实施例4
与实施例3相比，硅烷偶联剂为γ-氨丙基三甲氧基硅烷，其他条件均不改变。
实施例5
与实施例3相比，硅烷偶联剂为二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷，其他条件均不改变。
对比例1
与实施例3相比，由等量的聚丙烯纤维替代环氧树脂改性聚丙烯纤维，其他条件均不改变。
对比例2
与实施例3相比，未添加环氧树脂改性聚丙烯纤维，其他条件均不改变。
原料组成(重量份)：水125份、硅酸盐水泥300份、增强纤维55份、聚羧酸减水剂12份、明矾石膨胀剂9份、粉煤灰50份、粗骨料50份、细骨料35份、二辛基琥珀酸磺酸钠0.2份。
对比例3
与实施例3相比，未添加增强纤维，其他条件均不改变。
原料组成(重量份)：水125份、硅酸盐水泥300份、环氧树脂改性聚丙烯纤维55份、聚羧酸减水剂12份、明矾石膨胀剂9份、粉煤灰50份、粗骨料50份、细骨料35份、二辛基琥珀酸磺酸钠0.2份。
测试例1抗裂性能测试
将本发明实施例1-5和对比例1-3制得的抗裂混凝土进行抗裂性能测试，结果见表1。
1、抗压强度和抗折强度：按照GB/T50107-2010《混凝土强度检验评定标准》进行检测；
2、劈裂强度：按照JTGE30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行测试；
3、抗弯拉强度和抗弯拉模量：按照JTGE30-2003《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行测试。
表1
Figure BDA0003355905860000081
测试例2抗渗性能测试
抗渗性能：按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试，渗透压力为3.5MPa，加压时间为48h。
将本发明实施例1-5和对比例1-3制得的抗裂混凝土进行抗渗性能测试，结果见表2。
表2
组别 28d渗水高度/mm 抗渗等级
实施例1 1.02 大于P12
实施例2 0.95 大于P12
实施例3 0.90 大于P12
实施例4 1.05 大于P12
实施例5 1.07 大于P12
对比例1 1.57 P12
对比例2 2.25 P12
对比例3 1.05 大于P12
测试例3
将本发明实施例1-5和对比例1-3制得的抗裂混凝土进行性能测试，结果见表3。
28d干缩试验：按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试。
坍落度：按照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验标准》进行测试。
表3
Figure BDA0003355905860000091
由上表可知，本发明制得的抗裂混凝土坍落度大，且坍落度损失率较小，28天抗压强度、28天抗折强度、劈裂强度等均较好，渗水高度小、28天干缩试验少，说明实施例1-3制得的抗裂混凝土具有较强的抗裂性能和抗渗性能。
实施例4和实施例5与实施例3相比，硅烷偶联剂为单一的γ-氨丙基三甲氧基硅烷或二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷，使得环氧树脂在与改性聚丙烯纤维的键连较少，制得的环氧树脂改性聚丙烯纤维与水泥的粘结作用下降，从而降低了混凝土的韧性和强度。
对比例1与实施例3相比，由等量的聚丙烯纤维替代环氧树脂改性聚丙烯纤维，其力学性能和抗渗性能下降，聚丙烯纤维虽然也在混凝土中形成了网络结构，但与水泥的粘结作用下降，在混凝土内部分布不均匀，从而使得混凝土力学性能和耐久性能下降，因而混凝土的抗渗性能和抗裂性能下降。
对比例2和对比例3与实施例3相比，分别未添加环氧树脂改性聚丙烯纤维或增强纤维，制得的混凝土力学性能和抗渗性能明显下降，环氧树脂改性聚丙烯纤维，提高了聚丙烯纤维表面的粘合性，增强了聚丙烯纤维与水泥的粘结作用，聚丙烯纤维在水泥水化时形成纤维薄膜，提高混凝土的韧性和强度。另外，由于聚丙烯纤维在混凝土内部形成了分布均匀，形成了遍布混凝土基体的纤维网结构，有效的改善了混凝土的力学性能和耐久性，同时提高混凝土的抗渗性能和抗裂性能，增强纤维加入混凝土基质中能明显提高混凝土的力学性能，与环氧树脂改性聚丙烯纤维、粗骨料、细骨料等共同作用，增大环氧树脂改性聚丙烯纤维的比表面积，增大水化反应接触面积，提高水化反应速度，提高混凝土的和易性，使得改性聚丙烯纤维均匀分布在混凝土中，提高混凝土的抗裂性，增强纤维和环氧树脂改性聚丙烯纤维的添加具有协同增效的作用。
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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抗裂混凝土，其特征在于，包括以下重量份的组分：水100-150份、水泥200-400份、环氧树脂改性聚丙烯纤维30-50份、增强纤维10-20份、减水剂9-14份、膨胀剂7-10份、粉煤灰30-70份、粗骨料30-70份、细骨料20-50份、二辛基琥珀酸磺酸钠0.1-0.3份。
2.根据权利要求1所述抗裂混凝土，其特征在于，其特征在于，所述环氧树脂改性聚丙烯纤维由以下方法制备而成：
S1.将聚丙烯纤维加入含有硅烷偶联剂的乙醇溶液中，加热至70-90℃，反应1-2h，过滤，干燥，得到改性聚丙烯纤维；
S2.将改性聚丙烯纤维和环氧树脂加热熔融共混，反应2-3h后，冷却，得到环氧树脂改性聚丙烯纤维。
3.根据权利要求2所述抗裂混凝土，其特征在于，所述硅烷偶联剂为含有氨基的硅烷偶联剂，选自γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
4.根据权利要求3所述抗裂混凝土，其特征在于，所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三甲氧基硅烷和二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷的复配混合物，质量比为2：(1-4)，优选地，为2：(2-3)。
5.根据权利要求2所述抗裂混凝土，其特征在于，所述含有硅烷偶联剂的乙醇溶液中硅烷偶联剂的含量为2-5wt％；所述熔融温度为180-200℃。
6.根据权利要求2所述抗裂混凝土，其特征在于，所述改性聚丙烯纤维和环氧树脂的质量比为10：(3-5)。
7.根据权利要求1所述抗裂混凝土，其特征在于，所述减水剂选自聚羧酸减水剂、萘系减水剂、木质素磺酸钙减水剂、三聚氰胺减水剂、密胺系减水剂中的至少一种；所述膨胀剂选自铝酸钙膨胀剂、氧化钙膨胀剂、明矾石膨胀剂、硫铝酸盐膨胀剂中的至少一种；所述水泥为硅酸盐水泥。
8.根据权利要求1所述抗裂混凝土，其特征在于，所述粗骨料为直径为10-20mm的碎石；所述细骨料为直径小于5mm的天然砂。
9.根据权利要求1所述抗裂混凝土，其特征在于，所述增强纤维为聚乙烯醇纤维、聚丙烯短纤维的混合物，质量比为3：(3-5)。
10.一种如权利要求1-9任一项所述抗裂混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：向搅拌机中投入粗骨料、细骨料和20％的水，搅拌10-20s，加入水泥、二辛基琥珀酸磺酸钠和减水剂，继续搅拌90-120s后，加入环氧树脂改性聚丙烯纤维、粉煤灰和增强纤维，搅拌70-100s后，加入膨胀剂和剩余的水，再搅拌100-150s后，出料，倒入模具中成型，脱模，养护，得到抗裂混凝土。
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