CN116003067A - 一种基于改性水泥的高强抗冻混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于改性水泥的高强抗冻混凝土及其制备方法，其由包括以下重量份的原料配制而成：改性水泥361‑415份，所述改性水泥由水泥和改性剂按照重量份数比350‑410:2‑11混合得到，所述改性剂由氧化钇粉和氧化铜粉按照重量份数比0‑11:0‑11混合得到；凝灰岩粉0‑60份；石英砂640‑670份；粗骨料720‑750份；减水剂11‑14份；金属丝20‑50份；水130‑160份。本发明提供的混凝土，其抗冻性能优异，并保证了优良的力学性能，能够解决低温地区混凝土强度不够、不抗冻、容易开裂破坏的问题。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土材料技术领域，具体涉及一种基于改性水泥的高强抗冻混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土作为一种特殊的准脆性材料，由级配骨料、水泥、砂浆及孔隙等组成，其内部结构复杂，具有多尺度性和独特的物理、力学性质。随着工程建设的长期发展，混凝土结构的耐久性已成为当今工程结构领域研究的热点问题。混凝土结构破坏原因按重要性排列有钢筋腐蚀、冻融破坏及侵蚀环境的物理化学作用等。由此可见，在中国严寒地区，冻融循环作用往往是导致混凝土破坏的主要因素之一，现有的混凝土在冬季容易出现收缩造成开裂破坏。为了提高混凝土的抗冻性能，通常采用加入引气剂的方式，但是加入引气剂会造成混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度降低，需要一种同时提高抗冻性能，并保证优良的力学性能的混凝土。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，为解决低温地区混凝土开裂破坏、强度降低的问题，提供一种基于改性水泥的高强抗冻混凝土。
本发明为了实现其目的，采用的技术方案是：
一种基于改性水泥的高强抗冻混凝土，其由包括以下重量份的原料配制而成：
改性水泥361-415份，所述改性水泥由水泥和改性剂按照重量份数比350-410:2-11混合得到，所述改性剂由氧化钇粉和氧化铜粉按照重量份数比0-11:0-11混合得到；
凝灰岩粉0-60份；
石英砂640-670份；
粗骨料720-750份；
减水剂11-14份；
金属丝20-50份；
水130-160份。
在上述技术方案中，
所述改性水泥由水泥和改性剂按照重量份数比350-410:5-11混合得到，所述改性剂由氧化钇粉和氧化铜粉按照重量份数比2-5:3-6混合得到；
凝灰岩粉的重量份数为30-60份。
优选地，上述的高强抗冻混凝土，其由包括以下重量份的原料配制而成：
改性水泥361-397份，所述改性水泥由水泥、氧化钇粉和氧化铜粉按照重量份数比350-390:3-5:4-6混合得到；
凝灰岩粉40-60份；
石英砂650-670份；
粗骨料720-740份；
减水剂11-13份；
金属丝30-50份，优选所述金属丝为铜丝、铝丝的混合物；
水140-160份。
优选地，上述的高强抗冻混凝土，其由包括以下重量份的原料配制而成：
改性水泥379-397份，所述改性水泥由水泥、氧化钇粉和氧化铜粉按照重量份数比370-390:3-4:4-5混合得到；
凝灰岩粉40-50份；
石英砂650-660份；
粗骨料730-740份；
减水剂12-13份；
金属丝30-40份，优选所述金属丝为铜丝、铝丝的混合物；
水140-150份。
上述任一项所述的高强抗冻混凝土，
所述粗骨料为碎石，所述碎石为选自玄武岩碎石、石灰岩碎石、花岗岩碎石中的任一种或多种，碎石的粒径为5-20mm连续级配；优选所述碎石采用石灰岩碎石；
所述水泥为硅酸盐水泥，
所述减水剂为聚羧酸减水剂；
所述氧化钇粉和氧化铜粉为纳米级，优选纳米氧化钇平均粒径为20-30nm，纳米氧化铜平均粒径为40-60nm；
所述凝灰岩粉的粒径为30-35μm；
所述石英砂粒径为0.125-0.85mm；
所述金属丝选自铜丝、铝丝、铁丝、不锈钢丝中的任一种或多种；金属丝的长度为3-65mm或者3-55mm或者4-45mm或者4-35mm，金属丝的横截面直径为0.2-3.0mm或者0.2-2.5mm或者0.25-2.3mm或者0.3-1.8mm或者0.5-1.5mm或者0.5-1.0mm。
优选地，所述金属丝选自铜丝、铝丝，铜丝、铝丝按任意重量份数比混合，优选等质量混合；
优选所述金属丝为废弃电线线芯；
所述金属丝剪断为长度4-8mm的短丝和/或者长度25-35mm的长丝，
优选所述短丝弯曲为波浪形，长丝绕成圆圈。
本发明还提供了一种上述任一项所述的高强抗冻混凝土的制备方法，包括如下步骤：
先采用改性剂与水泥混合搅拌均匀得到改性水泥，然后将改性水泥与其余原料加入搅拌机中，进行搅拌即得，优选搅拌20-90min或25-50min。
本发明还提供了另一种上述任一项所述的高强抗冻混凝土的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、制备改性水泥：将改性剂与水泥混合，搅拌混合均匀；
步骤二、制备次级拌合物：将石英砂、粗骨料、金属丝倒入搅拌机，搅拌均匀得到次级拌合物；
步骤三、制备混凝土外加剂：将减水剂与凝灰岩粉混合搅拌均匀得到混凝土外加剂；
步骤四、制备混凝土：将所得改性水泥、次级拌合物和混凝土外加剂倒入搅拌机，加水，搅拌均匀，搅拌结束后放入模具养护即得到高强抗冻混凝土。
优选地，所述步骤一中，先将氧化钇粉与硅水泥混合，分散、搅拌均匀得到初级拌合物，再将初级拌合物与氧化铜粉混合搅拌均匀得到改性水泥。
优选地，上述制备方法包括如下步骤：
步骤一、制备改性水泥：将氧化钇粉与水泥混合，微波分散并同时搅拌3-7分钟得到初级拌合物，再将初级拌合物与氧化铜粉混合搅拌8-12分钟得到改性水泥；
步骤二、制备次级拌合物：将石英砂、粗骨料、金属丝倒入搅拌机，搅拌5-10分钟得到次级拌合物；
步骤三、制备混凝土外加剂：将聚羧酸减水剂与凝灰岩粉混合搅拌2-4分钟得到混凝土外加剂；
步骤四、制备混凝土：将所得改性水泥、次级拌合物和混凝土外加剂倒入搅拌机，分多次等量加水，每次搅拌6-9分钟，搅拌结束后放入模具养护即得到高强抗冻混凝土。
本发明的有益效果是：
1、本发明中掺入磨细凝灰岩粉作为矿物外掺料可以达到达到减少水泥用量、促进废物利用和改善浆体流动性的目的，同时有利于混凝土养护后抗压强度与劈裂抗拉强度的发展。
2、本发明采用普通水泥、氧化钇粉和氧化铜粉配制出改性水泥，此改性水泥的水化反应充分，氧化钇粉能诱导产生C-S-H凝胶，使C-S-H凝胶向柱状方向生长，优化了混凝土内部孔隙结构，细化了小孔径有害孔，尤其对混凝土界面过渡区附近的改善效果更加明显，消减了缺陷，优化了结晶取向，提高了界面过渡区附近的强度和密实度；而掺氧化铜粉使水泥水化反应中生成较多的钙矾石，形貌粗大，呈棒状，主要的原因是氧化铜粉能促进二次水化反应，消耗中间产物氢氧钙，在混凝土中形成网络交织状骨架结构，提高混凝土抗压强度等力学性能，抑制冻融环境下水分进入混凝土内部从而提高其抗冻性能。
3、本发明在混凝土里加入金属丝，金属丝可以采用废弃电线线芯，实现了废弃材料的循环再利用，绿色环保。同时由于普通混凝土在冻融循环过程中内部水分受冻结冰后体积膨胀，产生应力，由于反复作用或内应力超过混凝土抗拉强度导致其破坏，加入金属丝可以通过其与混凝土内部结构的拉附作用，起到对混凝土基体的增强效果，抑制裂缝的出现，提高混凝土的抗裂能力；弯曲的金属丝(例如圆形)主要用来延缓裂缝的扩展，传递并承担裂缝处的剪力，缓解应力，进一步提升混凝土的承载能力和变形能力。金属丝的掺入极大提高了混凝土的劈裂抗拉强度和抗冻性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明中的技术方案进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下述实施例中的实验方法，如无特别说明，均为常规方法；所用材料如无特别说明，均为本领域常规材料，均可通过商购获得。
实施例1
本发明实施例中采用的主要原料如下：
硅酸盐水泥：采用P·O 42.5R普通硅酸盐水泥(早强型)，相对密度为3.12g/cm3，比表面积为321m2/kg，安定性良好；
纳米氧化钇：平均粒径为20-30nm，比表面积为61m2/g，体积密度为0.2g/cm3，晶型为球形，颜色为白色；
纳米氧化铜：平均粒径为50nm，比表面积为120m2/g，体积密度为0.34g/cm3，晶型为球形，颜色为黑色；
磨细凝灰岩粉粒径在30-35μm之间，密度为2.1g/cm3，比表面积为437m2/kg；
石英砂粒径为0.125-0.85mm，比重为2.66g/cm3；
碎石采用石灰岩碎石，粒径为5-20mm连续级配，压碎指数为4.8％；
减水剂选用聚羧酸高性能减水剂，来改善混凝土的和易性，减少水的用量，增强混凝土的抗压强度；
水为普通自来水；
金属丝采用废弃电线线芯混合物，是由收集的大量电线里的细铜丝与细铝丝按等质量比例组成。
本发明的高强抗冻混凝土的制备方法，按照以下步骤操作：
步骤一、制备改性水泥：将纳米氧化钇与硅酸盐水泥混合，微波分散并同时搅拌3-7分钟得到初级拌合物，再将初级拌合物与纳米氧化铜混合搅拌8-12分钟得到改性水泥；
步骤二、制备次级拌合物：将石英砂、碎石、废弃电线线芯倒入搅拌机，搅拌5-10分钟得到次级拌合物；
步骤三、制备混凝土外加剂：将聚羧酸高性能减水剂与磨细凝灰岩混合搅拌2-4分钟得到混凝土外加剂；
步骤四、制备混凝土：将所得改性水泥、次级拌合物和混凝土外加剂倒入搅拌机，分三次等量加水，每次搅拌6-9分钟，搅拌结束后放入模具养护即可得到所需高强抗冻混凝土。
采用上述方法制备表1中的实验组1-12的混凝土材料。实验组12的配方与实验组1相同，但是其制备方法采用普通制备方法：即将改性水泥和其余原料一次性加入搅拌机中，然后加全部水搅拌25-41min。
实验组2中的金属丝为：铜丝剪断为长度4-8mm的短丝、铝丝剪断为长度25-35mm的长丝，均不弯曲。
实验组1、3-12中的金属丝为：铜丝剪断为长度4-8mm的短丝并弯曲为波浪形，铝丝剪断为长度25-35mm的长丝并绕成圆形。
具体配方如表1中所示：
表1
对表1的混凝土材料进行性能检测：
抗压强度与劈裂抗拉强度：参照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》制作标准试块，测量标准试块养护7d和28d的抗压强度与劈裂抗拉强度；
抗冻性能测试：参照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》制作标准试块，采用快冻法测试，通过最大冻融循次数对抗冻性能进行评价。
检测结果如表2所示：
表2
从表1、2实验结果看出，除了实验组7、11的混凝土其抗压强度、劈裂抗拉强度和抗冻性能达不到高强抗冻混凝土的性能要求外，其余实验组的混凝土均达到了高强抗冻混凝土的性能要求，均能够用于实际工程应用中，有很好的应用前景。其中，以实验组2、3的混凝土效果尤为突出，实验组3的混凝土性能最优。实验组1-4的基于改性水泥的高强抗冻混凝土的7d劈裂抗拉强度、28d劈裂抗拉强度、7d抗压强度、28d抗压强度和最大冻融次数都优于实验组5-12对应的性能。
实验组5中改性水泥成分去除纳米氧化铜，实验组6中改性水泥成分去除纳米氧化钇，与实验组1相比，水泥改性效果表现较差，强度与抗冻性能均有所下降；实验组7中水泥未改性，与实验组1相比，水泥水化反应不充分，所生成C-S-H凝胶与棒状钙矾石数量急剧减少，导致混凝土内部结构密实度下降，抗压强度、劈裂抗拉强度和最大冻融循环次数都有较大幅度的降低。
实验组8的原材料中不添加磨细凝灰岩粉，混凝土在拌合时的和易性下降，与实验组1相比，力学性能和耐久性都有所降低；实验组9中只有细铜丝，实验组10中只有细铝丝，与实验组1相比，当只有一种金属丝时表现出较差的抗压、劈裂抗拉强度和抗冻性能；实验组11的原材料中去除废弃电线线芯混合物，在实验组9和实验组8的基础上，混凝土强度与最大冻融循环次数进一步降低，说明混合电线线芯通过散乱分布在混凝土中，与内部结构互相拉附从而提高其冻融环境下的抗裂性能；实验组12的制备方法中除了改性水泥的制备与实验组1相同外，其余采用普通制备方法，将改性水泥和其余材料一次性加入搅拌机中，加全部水搅拌，与实验组1相比，混凝土原材料混合不够均匀，水化反应不够充分，力学性能与抗冻性能都有所下降。
Claims (10)
1.一种基于改性水泥的高强抗冻混凝土，其特征在于，其由包括以下重量份的原料配制而成：
改性水泥361-415份，所述改性水泥由水泥和改性剂按照重量份数比350-410:2-11混合得到，所述改性剂由氧化钇粉和氧化铜粉按照重量份数比0-11:0-11混合得到；
凝灰岩粉0-60份；
石英砂640-670份；
粗骨料720-750份；
减水剂11-14份；
金属丝20-50份；
水130-160份。
2.根据权利要求1所述的高强抗冻混凝土，其特征在于：其中，
所述改性水泥由水泥和改性剂按照重量份数比350-410:5-11混合得到，所述改性剂由氧化钇粉和氧化铜粉按照重量份数比2-5:3-6混合得到；
凝灰岩粉的重量份数为30-60份。
3.根据权利要求1所述的高强抗冻混凝土，其特征在于：其由包括以下重量份的原料配制而成：
改性水泥361-397份，所述改性水泥由水泥、氧化钇粉和氧化铜粉按照重量份数比350-390:3-5:4-6混合得到；
凝灰岩粉40-60份；
石英砂650-670份；
粗骨料720-740份；
减水剂11-13份；
金属丝30-50份，优选所述金属丝为铜丝、铝丝的混合物；
水140-160份。
4.根据权利要求1所述的高强抗冻混凝土，其特征在于：其由包括以下重量份的原料配制而成：
改性水泥379-397份，所述改性水泥由水泥、氧化钇粉和氧化铜粉按照重量份数比370-390:3-4:4-5混合得到；
凝灰岩粉40-50份；
石英砂650-660份；
粗骨料730-740份；
减水剂12-13份；
金属丝30-40份，优选所述金属丝为铜丝、铝丝的混合物；
水140-150份。
5.根据权利要求1至4任一项所述的高强抗冻混凝土，其特征在于：
所述粗骨料为碎石，所述碎石为选自玄武岩碎石、石灰岩碎石、花岗岩碎石中的任一种或多种，碎石的粒径为5-20mm连续级配；优选所述碎石采用石灰岩碎石；
所述水泥为硅酸盐水泥，
所述减水剂为聚羧酸减水剂；
所述氧化钇粉和氧化铜粉为纳米级，优选纳米氧化钇平均粒径为20-30nm，纳米氧化铜平均粒径为40-60nm；
所述凝灰岩粉的粒径为30-35μm；
所述石英砂粒径为0.125-0.85mm；
所述金属丝选自铜丝、铝丝、铁丝、不锈钢丝中的任一种或多种；金属丝的长度为3-65mm或者3-55mm或者4-45mm或者4-35mm，金属丝的横截面直径为0.2-3.0mm或者0.2-2.5mm或者0.25-2.3mm或者0.3-1.8mm或者0.5-1.5mm或者0.5-1.0mm。
6.根据权利要求5所述的高强抗冻混凝土，其特征在于：
所述金属丝选自铜丝、铝丝，铜丝、铝丝按任意重量份数比混合，优选等质量混合；
优选所述金属丝为废弃电线线芯；
所述金属丝剪断为长度4-8mm的短丝和/或者长度25-35mm的长丝，
优选所述短丝弯曲为波浪形，长丝绕成圆圈。
7.一种权利要求1至6任一项所述的高强抗冻混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
先采用改性剂与水泥混合搅拌均匀得到改性水泥，然后将改性水泥与其余原料加入搅拌机中，进行搅拌即得，优选搅拌20-90min或25-50min。
8.一种权利要求1至6任一项所述的高强抗冻混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、制备改性水泥：将改性剂与水泥混合，搅拌混合均匀；
步骤二、制备次级拌合物：将石英砂、粗骨料、金属丝倒入搅拌机，搅拌均匀得到次级拌合物；
步骤三、制备混凝土外加剂：将减水剂与凝灰岩粉混合搅拌均匀得到混凝土外加剂；
步骤四、制备混凝土：将所得改性水泥、次级拌合物和混凝土外加剂倒入搅拌机，加水，搅拌均匀，搅拌结束后放入模具养护即得到高强抗冻混凝土。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：
所述步骤一中，先将氧化钇粉与硅水泥混合，分散、搅拌均匀得到初级拌合物，再将初级拌合物与氧化铜粉混合搅拌均匀得到改性水泥。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、制备改性水泥：将氧化钇粉与水泥混合，微波分散并同时搅拌3-7分钟得到初级拌合物，再将初级拌合物与氧化铜粉混合搅拌8-12分钟得到改性水泥；
步骤二、制备次级拌合物：将石英砂、粗骨料、金属丝倒入搅拌机，搅拌5-10分钟得到次级拌合物；
步骤三、制备混凝土外加剂：将聚羧酸减水剂与凝灰岩粉混合搅拌2-4分钟得到混凝土外加剂；
步骤四、制备混凝土：将所得改性水泥、次级拌合物和混凝土外加剂倒入搅拌机，分多次等量加水，每次搅拌6-9分钟，搅拌结束后放入模具养护即得到高强抗冻混凝土。
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN106186901A (zh) * | 2016-06-29 | 2016-12-07 | 长江水利委员会长江科学院 | 一种适用于高海拔地区的凝灰岩粉碾压混凝土 |
| CN106698992A (zh) * | 2017-01-10 | 2017-05-24 | 广西壮族自治区水利科学研究院 | 一种抗裂抗腐蚀混凝土外加剂、制备及应用 |
-
2023
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Patent Citations (2)
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