CN115677300A - 一种高强度环保混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种高强度环保混凝土及其制备方法 Download PDF

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刘万丰
吴啟钧
丁曼
何达明
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Abstract

本发明属于混凝土技术领域。本发明提供了一种高强度环保混凝土，包括如下质量份的组分：铝酸盐水泥40～60份、矿粉35～50份、偏高岭土0.5～2份、外加剂2～5份、纤维材料3～8份、增强剂2～4份、砂石55～65份、纳米碳化硅5～10份、水30～50份。本发明还提供了一种高强度环保混凝土的制备方法。本发明通过合理选择外加剂、纤维材料、增强剂和塑化剂，合理控制砂石的级配，显著提高了混凝土的耐久性和强度；本发明的各组分相互作用，共同提高了混凝土的抗压强度、抗折强度、韧性、抗渗性，混凝土具有优异的耐久性和高温稳定性。

Description

一种高强度环保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，尤其涉及一种高强度环保混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土是指由胶凝材料将集料胶结成整体的工程复合材料，混凝土通常是指用水泥作胶凝材料，砂、石作集料，与水按一定比例配合，经搅拌、成型、养护而得的水泥混凝土。
随着城市化进程及建筑业的快速发展，建筑垃圾的产生量日益增多，传统粗放简易的填埋方法不仅浪费了大量可利用的资源，而且吞占了大量宝贵的耕地，带来了一系列的环境问题。人们的环保意识逐渐增强，绿色环保混凝土越来越受到关注。而且，各种大规模建筑、地下工程、跨海工程的建造，对于混凝土的性能要求也越来越高，沿江、沿海的建筑物，比如，沿江观景亭等常年与潮水接触，处于潮湿、被腐蚀的环境，所用的混凝土需要具备优异的耐久性、抗腐蚀性能和力学性能。然而，传统的混凝土耐久性不足，脆性大，长时间使用或高温环境下工作易出现断裂、坍塌、腐蚀等问题。
因此，研究得到一种提高强度、抗渗性、高温稳定性和韧性，延长使用寿命的绿色环保混凝土，具有重要的价值和意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足提供一种高强度环保混凝土及其制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种高强度环保混凝土，包括如下质量份的组分：
铝酸盐水泥40～60份、矿粉35～50份、偏高岭土0.5～2份、外加剂2～5份、纤维材料3～8份、增强剂2～4份、砂石55～65份、纳米碳化硅5～10份、水30～50份。
作为优选，所述外加剂包含聚氨酯乳液、聚羧酸减水剂和碳酸钠，所述聚氨酯乳液、聚羧酸减水剂和碳酸钠的质量比为2～4：1～2：3～5。
作为优选，所述纤维材料包含短切碳纤维、芳纶纤维和钢纤维；短切碳纤维、芳纶纤维和钢纤维的质量比为2～4：1～3：1～3。
作为优选，所述增强剂包含纤维素醚和脂肪醇聚氧乙烯醚，所述纤维素醚和脂肪醇聚氧乙烯醚的质量比为2～4：1～3。
作为优选，所述砂石包含细砂、中砂和粗砂，细砂、中砂和粗砂的质量比为1～3：3～5：2～4。
作为优选，细砂的粒度为50～150μm，中砂的粒度为300～500μm，粗砂的粒度为650～800μm。
作为优选，所述混凝土还包含4～8份塑化剂，所述塑化剂包含质量比为2～4：1～3的海藻酸钠和羟丙基甲基纤维素。
本发明还提供了一种所述的高强度环保混凝土的制备方法，包含如下步骤：
1)将铝酸盐水泥、矿粉、砂石和纳米碳化硅混合，得到混合料；
2)将混合料、偏高岭土、外加剂和水混合，得到混合砂浆；
3)将混合砂浆和剩余组分混合后进行养护，得到高强度环保混凝土。
作为优选，所述养护包含蒸压养护和常温养护，蒸压养护的压力为2～3MPa，蒸压养护的时间为12～48h，蒸压养护的温度为80～110℃，常温养护的时间为7～28d。
本发明的有益效果包括：
本发明通过合理选择外加剂、纤维材料、增强剂和塑化剂，合理控制砂石的级配，显著提高了混凝土的耐久性和强度；本发明的各组分相互作用，共同提高了混凝土的抗压强度、抗折强度、韧性、抗渗性，混凝土具有优异的耐久性和高温稳定性；本发明的混凝土使用大量的矿粉作为原料，充分利用工业废渣，减少资源消耗和环境污染，节约能源，具有良好的经济效益，对于环境保护具有重要意义。
具体实施方式
本发明提供了一种高强度环保混凝土，包括如下质量份的组分：
铝酸盐水泥40～60份、矿粉35～50份、偏高岭土0.5～2份、外加剂2～5份、纤维材料3～8份、增强剂2～4份、砂石55～65份、纳米碳化硅5～10份、水30～50份。
本发明的混凝土包含40～60份铝酸盐水泥，优选为45～55份，进一步优选为48～52份，更优选为50份。
本发明的铝酸盐水泥凝结硬化速度快，拌合需水量少，早期强度高，抗渗性好、抗冻性好。
本发明的混凝土包含35～50份矿粉，优选为38～46份，进一步优选为40～43份，更优选为42份。
本发明的混凝土包含0.5～2份偏高岭土，优选为0.8～1.7份，进一步优选为1～1.5份。
本发明中，偏高岭土能够提高混凝土的早期强度和长期抗压强度、抗弯曲强度，偏高岭土对钾、钠和氯离子具有强吸附作用，能够改善水化产物，有效提高了抗硫酸盐腐蚀能力。
本发明的混凝土包含2～5份外加剂，优选为2.5～4.5份，进一步优选为3～4份。
本发明中，所述外加剂优选包含聚氨酯乳液、聚羧酸减水剂和碳酸钠，所述聚氨酯乳液、聚羧酸减水剂和碳酸钠的质量比优选为2～4：1～2：3～5，进一步优选为3：1.5：4。
碳酸钠作为活性分子溶于水，随水进入混凝土的间隙中，在混凝土的微孔和毛细管中形成不溶结晶，与混凝土结合成为整体，聚氨酯乳液自交联固化形成空间网状结构的高性能复合材料体系，起到抗渗和耐腐蚀的作用，碳酸钠与聚氨酯乳液、聚羧酸减水剂结合，三者相互促进，显著降低了混凝土的吸水性，进而提高混凝土的耐久性和抗压强度。
本发明的混凝土包含3～8份纤维材料，优选为4～7份，进一步优选为5～6份。
本发明所述纤维材料优选包含短切碳纤维、芳纶纤维和钢纤维；短切碳纤维、芳纶纤维和钢纤维的质量比优选为2～4：1～3：1～3，进一步优选为3：2：2。
本发明中，纤维材料能够提高混凝土的抗拉强度、抗弯强度和冲击韧性，加入短切碳纤维后能改善混凝土内部结构，起到阻裂、增强和增韧的作用。芳纶纤维表面光滑，随聚氨酯乳液粘附在水泥、矿粉和砂石上，提高其光滑度，提高混凝土浆体的流动性及和易性。本发明通过外加剂和纤维材料的选择以及用量的控制，显著提升了混凝土的强度和耐久性。
本发明的混凝土包含2～4份增强剂，优选为2.5～3.5份，进一步优选为3份。
本发明所述增强剂优选包含纤维素醚和脂肪醇聚氧乙烯醚，所述纤维素醚和脂肪醇聚氧乙烯醚的质量比优选为2～4：1～3，进一步优选为3：2。
本发明中，纤维素醚能够增加混凝土的内聚力，同时具有增粘保水的作用，减少混凝土在硬化过程中的微观裂缝，进而提高混凝土的强度，脂肪醇聚氧乙烯醚能够增强混凝土中各组分之间的相容性，使得各组分相互配合，提高混凝土的强度。
本发明的混凝土包含55～65份砂石，优选为58～62份，进一步优选为60份。
本发明所述砂石优选包含细砂、中砂和粗砂，细砂、中砂和粗砂的质量比优选为1～3：3～5：2～4，进一步优选为2：4：3。
本发明中，细砂的粒度优选为50～150μm，进一步优选为70～120μm，更优选为90～100μm；中砂的粒度优选为300～500μm，进一步优选为350～450μm，更优选为400μm；粗砂的粒度优选为650～800μm，进一步优选为680～750μm，更优选为700～720μm。
本发明中，不同粒径的砂石可形成相互搭接的骨架结构，粒径较小的细砂能填充到粒径较大的粗砂所形成的孔隙内，形成骨架。粗砂过多，砂石粒度大，和易性变差，细砂过多，粒径较小，细粉较多，需水量增大，混凝土强度降低。本发明的砂石级配能提高混凝土的密实度和强度，降低混凝土的孔隙率，提高混凝土的抗压强度。
本发明的混凝土包含5～10份纳米碳化硅，优选为6～9份，进一步优选为7～8份。
纳米碳化硅的粒径小、分布均匀、比表面积大、表面活性高，能够增强混凝土的密实度，提高混凝土的抗腐蚀能力、强度和抗渗性。
芳纶纤维表面光滑，纳米碳化硅颗粒较小，在聚氨酯乳液的粘接作用下，芳纶纤维和纳米碳化硅能填充在水泥和矿粉内，提高水泥和矿粉表面的光滑性，提高混凝土浆体的流动性，且芳纶纤维能互相搭接在各原料内，形成相互连接的网络结构，减少或阻止裂纹的产生和发展，提高混凝土的抗裂性和抗腐蚀性能。
本发明的混凝土包含30～50份水，优选为35～45份，进一步优选为40份。
本发明的混凝土优选还包含塑化剂，所述塑化剂优选为4～8份，进一步优选为5～7份，更优选为6份；所述塑化剂优选包含海藻酸钠和羟丙基甲基纤维素，海藻酸钠和羟丙基甲基纤维素的质量比优选为2～4：1～3，进一步优选为3：2。
本发明的塑化剂能够增强混凝土的抗压强度和韧性，海藻酸钠粘性较高，具有羧基，是一种高聚糖醛酸，能够与混凝土的其他组分起到较好的协同作用，增强混凝土内部的作用力。羟丙基甲基纤维素能够改善混凝土的脆性，提高耐久性和抗疲劳能力，同时在混凝土中形成网络结构，起到一种支撑的作用。海藻酸钠和羟丙基甲基纤维素具有吸水性，能够吸收混凝土中的水分，保持混凝土内部的湿度，防止产生干燥收缩。
本发明还提供了一种所述的高强度环保混凝土的制备方法，包含如下步骤：
1)将铝酸盐水泥、矿粉、砂石和纳米碳化硅混合，得到混合料；
2)将混合料、偏高岭土、外加剂和水混合，得到混合砂浆；
3)将混合砂浆和剩余组分混合后进行养护，得到高强度环保混凝土。
本发明中，所述养护优选包含蒸压养护和常温养护，蒸压养护的压力优选为2～3MPa，进一步优选为1.5～2.5MPa，更优选为2MPa；蒸压养护的时间优选为12～48h，进一步优选为15～40h，更优选为20～30h；蒸压养护的温度优选为80～110℃，进一步优选为85～105℃，更优选为90～100℃；常温养护的时间优选为7～28d。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将质量份为42份铝酸盐水泥、35份矿粉、55份砂石(粒度为60μm的细砂、粒度为350μm的中砂、粒度为750μm的粗砂的质量比为1：3：2)和6份纳米碳化硅混合均匀，得到混合料。将混合料、0.8份偏高岭土、2.5份外加剂(聚氨酯乳液、聚羧酸减水剂和碳酸钠的质量比为2：1：3)和33份水混合均匀，得到混合砂浆。将混合砂浆、1.6份短切碳纤维、0.8份芳纶纤维、0.8份钢纤维、1.6份纤维素醚和0.8份脂肪醇聚氧乙烯醚混合均匀，得到混合物。混合物在2MPa、85℃下蒸压养护45h，然后在常温下分别养护7d、28d，得到高强度环保混凝土。
实施例2
将质量份为58份铝酸盐水泥、47份矿粉、62份砂石(粒度为130μm的细砂、粒度为470μm的中砂、粒度为680μm的粗砂的质量比为3：5：4)和9份纳米碳化硅混合均匀，得到混合料。将混合料、1.6份偏高岭土、4.5份外加剂(聚氨酯乳液、聚羧酸减水剂和碳酸钠的质量比为4：2：5)和48份水混合均匀，得到混合砂浆。将混合砂浆、2.8份短切碳纤维、2.1份芳纶纤维、2.1份钢纤维、2份纤维素醚、1.6份脂肪醇聚氧乙烯醚、2份海藻酸钠和2份羟丙基甲基纤维素混合均匀，得到混合物。混合物在2.8MPa、105℃下蒸压养护15h，然后在常温下分别养护7d、28d，得到高强度环保混凝土。
实施例3
将质量份为50份铝酸盐水泥、43份矿粉、60份砂石(粒度为100μm的细砂、粒度为400μm的中砂、粒度为720μm的粗砂的质量比为2：4：3)和8份纳米碳化硅混合均匀，得到混合料。将混合料、1.2份偏高岭土、3.5份外加剂(聚氨酯乳液、聚羧酸减水剂和碳酸钠的质量比为3：1.5：4)和40份水混合均匀，得到混合砂浆。将混合砂浆、2.4份短切碳纤维、1.6份芳纶纤维、1.6份钢纤维、1.8份纤维素醚、1.2份脂肪醇聚氧乙烯醚、3.6份海藻酸钠和2.4份羟丙基甲基纤维素混合均匀，得到混合物。混合物在2.5MPa、95℃下蒸压养护30h，然后在常温下分别养护7d、28d，得到高强度环保混凝土。
对比例1
省去实施例3的纳米碳化硅、纤维素醚，将铝酸盐水泥改为等质量份的硅酸盐水泥，砂石全部为中砂，其他条件和实施例3相同。
对比例2
省去实施例3的外加剂中的碳酸钠，将聚羧酸减水剂改为木质素磺酸钠减水剂，将细砂、中砂、粗砂的质量比改为3：2：1，短切碳纤维和钢纤维替换为等质量份的玻璃纤维，蒸压养护的压力改为1MPa，温度改为130℃，其他条件和实施例3相同。
对实施例1～3和对比例1～2的混凝土进行抗压强度、渗水性能、耐腐蚀性能、耐高温性能测试，抗压强度按照GB/T50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法》进行检测；渗水性能按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行检测，每个实施例和对比例取5个相同规格的立方体试块，各个试块在室温下养护28d，待试块表面晾干后进行密封，再进行渗水高度试验，测试结果取5个试块的平均值；耐腐蚀性能中的非稳态氯离子迁移系数按照GB/T 50082-2009快速氯离子迁移系数法进行检测；耐高温性能的测试方法为：将混凝土置于高温炉中升温至950℃，并保温28d，观察混凝土样品的变化。
实施例1的混凝土的7d抗压强度为135MPa，28d抗压强度为165MPa，渗水高度为8.0mm，高温下28d混凝土样品表面无裂纹，混凝土的非稳态氯离子迁移系数为0.79×10- 12m2/s，混凝土具有优异的耐氯离子、硫酸盐等侵蚀能力和耐高温性能，耐久性和抗裂能力良好。
实施例2的混凝土的7d抗压强度为143MPa，28d抗压强度为169MPa，渗水高度为7.6mm，混凝土的非稳态氯离子迁移系数为0.81×10-12m2/s，混凝土具有优异的耐氯离子、硫酸盐等侵蚀能力和耐高温性能，耐久性和抗裂能力良好。
实施例3的混凝土的7d抗压强度为148MPa，28d抗压强度为176MPa，渗水高度为7.0mm，高温下28d混凝土样品表面无裂纹，混凝土的非稳态氯离子迁移系数为0.78×10- 12m2/s，混凝土具有优异的耐氯离子、硫酸盐等侵蚀能力和耐高温性能，耐久性和抗裂能力良好。
对比例1的混凝土的7d抗压强度为110MPa，28d抗压强度为137MPa，渗水高度为10.9mm，高温下28d混凝土样品表面有轻微裂纹，混凝土的非稳态氯离子迁移系数为1.58×10-12m2/s，混凝土的耐氯离子、硫酸盐等侵蚀能力较差，耐高温性能一般。
对比例2的混凝土的7d抗压强度为105MPa，28d抗压强度为142MPa，渗水高度为11.7mm，高温下28d混凝土样品表面有较明显裂纹，混凝土的非稳态氯离子迁移系数为1.62×10-12m2/s，混凝土的耐氯离子、硫酸盐等侵蚀能力较差，耐高温性能较差。
由实施例和对比例可知，本发明的组分及其比例、制备工艺相互配合，共同提高了混凝土的抗压强度、抗侵蚀能力、抗裂能力和耐久性，改变本发明的组分及其比例、工艺参数，均会导致混凝土的性能下降。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高强度环保混凝土，其特征在于，包括如下质量份的组分：
铝酸盐水泥40～60份、矿粉35～50份、偏高岭土0.5～2份、外加剂2～5份、纤维材料3～8份、增强剂2～4份、砂石55～65份、纳米碳化硅5～10份、水30～50份。
2.根据权利要求1所述的高强度环保混凝土，其特征在于，所述外加剂包含聚氨酯乳液、聚羧酸减水剂和碳酸钠，所述聚氨酯乳液、聚羧酸减水剂和碳酸钠的质量比为2～4：1～2：3～5。
3.根据权利要求1或2所述的高强度环保混凝土，其特征在于，所述纤维材料包含短切碳纤维、芳纶纤维和钢纤维；短切碳纤维、芳纶纤维和钢纤维的质量比为2～4：1～3：1～3。
4.根据权利要求3所述的高强度环保混凝土，其特征在于，所述增强剂包含纤维素醚和脂肪醇聚氧乙烯醚，所述纤维素醚和脂肪醇聚氧乙烯醚的质量比为2～4：1～3。
5.根据权利要求4所述的高强度环保混凝土，其特征在于，所述砂石包含细砂、中砂和粗砂，细砂、中砂和粗砂的质量比为1～3：3～5：2～4。
6.根据权利要求5所述的高强度环保混凝土，其特征在于，细砂的粒度为50～150μm，中砂的粒度为300～500μm，粗砂的粒度为650～800μm。
7.根据权利要求4～6任意一项所述的高强度环保混凝土，其特征在于，所述混凝土还包含4～8份塑化剂，所述塑化剂包含质量比为2～4：1～3的海藻酸钠和羟丙基甲基纤维素。
8.权利要求1～7任意一项所述的高强度环保混凝土的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
1)将铝酸盐水泥、矿粉、砂石和纳米碳化硅混合，得到混合料；
2)将混合料、偏高岭土、外加剂和水混合，得到混合砂浆；
3)将混合砂浆和剩余组分混合后进行养护，得到高强度环保混凝土。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述养护包含蒸压养护和常温养护，蒸压养护的压力为2～3MPa，蒸压养护的时间为12～48h，蒸压养护的温度为80～110℃，常温养护的时间为7～28d。
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