一种高韧混凝土及其制备方法与流程

[0001]
本申请涉及混凝土技术领域，尤其涉及一种高韧混凝土及其制备方法。


背景技术：

[0002]
混凝土优异的综合使用性能，使其成为目前世界上最大宗的建筑材料之一，具有良好的力学性能和使用性能。然而，相对于其优异的抗压性能，其较低的抗拉强度制约了混凝土的发展和使用范围。环境变化、变形和荷载等因素会导致混凝土在使用过程中不出现同程度的开裂，影响混凝土的使用性能和耐久性能，致使混凝土材料未充分发挥其性能，提前退出服役。随着混凝土技术的进展，混凝土及水泥向高强度化发展，水泥强度不断提高、用量不断增加，混凝土结构的开裂问题也越来越明显。


技术实现要素：

[0003]
有鉴于此，本发明提供了一种高韧混凝土及其制备方法，从而可以使得混凝土具有强度高、抗渗性好、耐久性好、韧性强等优点，且可以有效保证物料分散均匀，拌合物搅拌良好。
[0004]
本发明的技术方案具体是这样实现的：
[0005]
一种高韧混凝土，该高韧混凝土包括以下原料：混凝土配料、氧化石墨烯、鳞片材料、短切纤维和分散润滑剂：
[0006]
其中，所述混凝土配料包括：粗骨料、细骨料、胶凝材料、水和添加剂；
[0007]
其中，所述短切纤维的总体积不小于高韧混凝土的总体积的7％；
[0008]
所述短切纤维包括：短纤维和长纤维；
[0009]
所述短纤维和长纤维的长细比的差值大于100；所述短纤维的总体积不小于高韧混凝土的总体积的3.5％，所述长纤维的总体积不小于高韧混凝土的总体积的3.5％；
[0010]
所述鳞片材料的总质量不小于胶凝材料的总质量的0.5％；所述鳞片材料的目数为200-400；
[0011]
所述氧化石墨烯的厚度为0.7-2微米，所述氧化石墨烯的总质量不小于胶凝材料的总质量的0.04％；
[0012]
所述分散润滑剂的总质量不超过所述短切纤维的总质量的0.05％。
[0013]
较佳的，所述胶凝材料为水泥；所述鳞片材料为玄武岩鳞片材料。
[0014]
较佳的，所述短切纤维为聚乙烯醇短切纤维。
[0015]
较佳的，所述短纤维包括：聚乙烯醇和钢纤维；
[0016]
或者，所述短纤维包括：聚丙烯纤维和钢纤维；
[0017]
或者，所述短纤维包括：聚丙烯粗纤维和细纤维。
[0018]
较佳的，所述分散润滑剂为含水硅酸镁。
[0019]
较佳的，所述胶凝材料为水泥。
[0020]
较佳的，所述添加剂包括：减水剂、减缩剂和膨胀剂；
[0021]
所述混凝土配料中的粗骨料的最大粒径不大于12毫米。
[0022]
本发明中还提出了一种高韧混凝土的制备方法，该方法包括如下步骤：
[0023]
将鳞片材料与胶凝材料混合，预搅拌预设的第一时长，形成第一组分；
[0024]
将氧化石墨烯、水和添加剂混合，搅拌预设的第二时长，形成第二组分；
[0025]
将分散润滑剂分成质量相等的两份，然后将其中一份分散润滑剂与短纤维和细骨料混合，搅拌预设的第三时长，形成第三组分；
[0026]
将另一份分散润滑剂与长纤维和粗骨料混合，搅拌预设的第四时长，形成第四组分；
[0027]
将第一组分和第三组分混合，并搅拌预设的第五时长，形成第五组分；
[0028]
将第五组分与第二组分混合，并搅拌预设的第六时长，形成第六组分；
[0029]
将第六组分与第四组分混合，并搅拌预设的第七时长，形成高韧混凝土。
[0030]
较佳的，所述第一时长和第二时长为1分钟；
[0031]
所述第三时长、第四时长和第六时长为2分钟；
[0032]
所述第五时长为3分钟；
[0033]
所述第七时长为5分钟。
[0034]
如上可见，在本发明中的高韧混凝土及其制备方法中，由于使用了氧化石墨烯和鳞片材料，因此可以增加混凝土的密实程度，提高水泥的水化程度，减少结构内部的初始缺陷和裂纹，增强混凝土细微结构的抗裂能力；另外，还使用了低强度短纤维对微裂缝区域进行限制，达到局部区域的阻裂效果，限制宏观裂缝的增长；并使用高强度长纤维对宏观裂缝区进行限制，实现结构的增韧、增强；此外，还使用了分散润滑剂，从而可以大大减小各种组分之间的摩擦，使各种组分更容易分散。
附图说明
[0035]
图1为本发明的具体实施例中的高韧混凝土的制备方法的流程示意图。
[0036]
图2为本发明的具体实施例中的搅和顺序示意图。
具体实施方式
[0037]
为使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。
[0038]
根据实际应用经验以及实验室的各种试验结果可知，混凝土开裂是多种因素影响的结果。为了减小混凝土开裂对工程造成的危害和损失，在实际工程中，可以通过在混凝土中掺加改性材料或改变混凝土配比的方式来提高混凝土的抗裂能力。
[0039]
混凝土配比对混凝土裂缝的影响主要有：水灰比、组骨料粒径、添加剂等。因此，在混凝土中掺加矿物掺合料(粉煤灰、矿粉)、聚羧酸类高性能减水剂、减缩剂、膨胀剂等措施能够改善混凝土的抗裂性能。
[0040]
除了在混凝土中添加添加剂之外，在混凝土中内掺纤维也是一种提高混凝土抗裂性和韧性的有效方法。目前土木工程中应用广泛的纤维混凝土包括：钢纤维混凝土、玻璃纤维混凝土、碳纤维混凝土、合成纤维混凝土。不同纤维由于其本身性质的差异，对不同的裂缝的限制效果不同。例如，低强度短纤维限制微裂纹的发展效果较好，可以提高混凝土的早
期强度；高强度长纤维可以桥联宏观裂缝，对宏观裂缝的限制作用比较显著，可以增强混凝土的韧性和后期强度。相比掺加单种纤维，掺入多种纤维，合理调整纤维的配比，可以使混凝土的性能复合各纤维的特点，更加适应于工程中的各种应用场景。纤维的掺入在一定程度上弥补了混凝土材料先天的不足，但是，纤维的掺入同时也会降低混凝土拌合物的流动性，增加拌合物搅拌的难度，使混凝土各材料难以搅拌均匀，影响纤维在混凝土的使用性能，甚至降低混凝土性能。由此，一个良好的施工工艺对保证纤维混凝土的使用性能至关重要。
[0041]
在混凝土内部或外部的应力作用下，当混凝土的应力超过材料局部的抗拉强度时，将在混凝土的局部区域产生微裂缝，从而影响混凝土材料的使用性能。根据产生的原因和特征进行分类，混凝土内部的裂缝可分为初始缺陷、微观裂缝、宏观裂缝等三种层次的裂缝。初始缺陷是混凝土在浇筑和硬化过程中由于水分流失和水化反应不充分等因素造成的空隙和孔洞，其尺寸通常在纳米和微米层次。初始缺陷在混凝土内部应力作用下，当应力超过混凝土材料抗拉强度时，将形成初始的微观裂缝，其尺寸通常为微米层次。随着应力的增大，微观裂缝沿原生孔隙和材料的薄弱面扩展，随着微观裂缝的密度不断变大，微观裂缝将逐渐汇聚形成宏观裂缝，通常为毫米层次。一般的纤维混凝土内掺入的纤维结构尺寸为毫米级别，可以有效的限制毫米级裂缝的发展，但是对于微观裂缝和细观裂缝(即初始缺陷)，则难以起到有效的控制效果。
[0042]
因此，在本发明的技术方案中，提出了一种高韧混凝土。
[0043]
在本发明的实施例中，所述高韧混凝土包括以下原料：混凝土配料、氧化石墨烯、鳞片材料、短切纤维和分散润滑剂；
[0044]
其中，所述混凝土配料包括：粗骨料、细骨料、胶凝材料、水和添加剂。
[0045]
其中，所述短切纤维的总体积不小于高韧混凝土的总体积的7％；所述短切纤维包括：短纤维和长纤维；所述短纤维和长纤维的长细比的差值大于100；所述短纤维的总体积不小于高韧混凝土的总体积的3.5％，所述长纤维的总体积不小于高韧混凝土的总体积的3.5％；
[0046]
所述鳞片材料的总质量不小于胶凝材料的总质量的0.5％；所述鳞片材料的目数为200-400；
[0047]
所述氧化石墨烯的厚度为0.7-2微米(μm)，所述氧化石墨烯的总质量不小于胶凝材料的总质量的0.04％；
[0048]
所述分散润滑剂的总质量不超过所述短切纤维的总质量的0.05％。
[0049]
在本发明的技术方案中，上述高韧混凝土是一种多尺度混掺阻裂增韧混凝土。在上述的高韧混凝土中，由于使用了氧化石墨烯和鳞片材料，因此可以增加混凝土的密实程度，提高水泥的水化程度，减少结构内部的初始缺陷和裂纹，增强混凝土细微结构的抗裂能力；另外，还使用了低强度短纤维对微裂缝区域进行限制，达到局部区域的阻裂效果，限制宏观裂缝的增长；并使用高强度长纤维对宏观裂缝区进行限制，实现结构的增韧、增强；此外，还使用了分散润滑剂，从而可以大大减小各种组分之间的摩擦，使各种组分更容易分散。
[0050]
具体来说，氧化石墨烯为纳米级材料，与混凝土内部微观裂缝相对应，可以明显减少水泥石内部的孔洞，改善水泥石的孔结构，使水泥中的凝胶更加均匀和致密，能明显地降
低针状钙矾石的生成，使得水泥石结构更加致密，能够使得水泥中晶体细化，从而有效地调控水泥水化产物的微观结构，提高混凝土的强度、抗渗性和耐久性。
[0051]
另外，作为一个示例，在本发明一个较佳的具体实施例中，所述胶凝材料可以是水泥。
[0052]
另外，作为一个示例，在本发明一个较佳的具体实施例中，所述鳞片材料可以为玄武岩鳞片材料。
[0053]
玄武岩鳞片材料为细观级材料，尺寸为微米级，其中铁氧化物、氧化铝含量较高，而碱性氧化物则较少，具有优良的耐化学品性及抗老化性等性能。由于其超薄特性，能重叠平行排列，形成致密的防渗层，因此可以有效地提高材料的抗渗透能力，改善水泥砂浆机械强度、表面硬度、耐磨性和抗介质渗透性，同时也可以吸收一部分水泥砂浆在水化或干燥时产生的内应力。玄武岩鳞片在混凝土中能很好地填补混凝土中的空隙，减少和阻断毛细孔的连通，增加混凝土的密实性和抗渗能力。
[0054]
短切纤维与宏观裂缝相对应，低强度短纤维可以限制微裂纹的发展，提高混凝土的早期强度，高强度长纤维可以桥联宏观裂缝，增强混凝土的韧性和后期强度。
[0055]
另外，作为一个示例，在本发明一个较佳的具体实施例中，所述短切纤维可以是聚乙烯醇(pva，polyvinyl alcohol)短切纤维。
[0056]
另外，在本发明的技术方案中，短切纤维可以是单种纤维，也可以是多种纤维的混杂，尤其是不同性质的纤维混杂。
[0057]
例如，作为一个示例，在本发明一个较佳的具体实施例中，所述短纤维可以包括：pva和钢纤维。或者，所述短纤维可以包括：聚丙烯纤维和钢纤维。或者，所述短纤维可以包括：聚丙烯粗纤维和细纤维。
[0058]
对于性能要求的较高的混凝土采用混掺纤维，通过合理调整纤维的配比，可以使混凝土的性能复合各纤维的特点，相比掺加单种纤维混凝土性能更加多样化。
[0059]
另外，作为一个示例，在本发明一个较佳的具体实施例中，所述分散润滑剂可以是含水硅酸镁。
[0060]
在本发明的技术方案中，分散润滑剂可以为组分间的分散提供润滑，减小摩擦的作用，使各种组分更容易分散。
[0061]
另外，在本发明的技术方案中，所述混凝土可以是常用的混凝土。
[0062]
例如，作为一个示例，在本发明一个较佳的具体实施例中，所述混凝土可以是c30混凝土。
[0063]
再例如，作为一个示例，在本发明一个较佳的具体实施例中，所述混凝土配料包括：水泥、水、粗骨料、细骨料和添加剂；所述添加剂包括：减水剂、减缩剂和膨胀剂；其中，所述混凝土配料中的粗骨料的最大粒径不大于12毫米(mm)。
[0064]
所述混凝土配料，按重量份计，由以下重量份的原料制备得到：水泥350-400份、粉煤灰150-200份、水200-300份、细骨料500-600份、粗骨料1100-1300份；
[0065]
其中，水灰比为0.4-0.5，砂率为0.25-0.35；
[0066]
所述减水剂为聚羧酸减水剂，掺量为水泥质量的0.006-0.01。
[0067]
以c30混凝土为例，下表为c30混凝土每立方米混凝土配料的材料配比：
[0068]
组分水泥(kg)粉煤灰(kg)水(kg)细骨料(kg)粗骨料(kg)水灰比砂率
质量38316423551412040.430.3
[0069]
表1
[0070]
另外，在本发明的技术方案中，还提出了一种上述高韧混凝土的制备方法。
[0071]
图1为本发明的具体实施例中的高韧混凝土的制备方法的流程示意图。图2为本发明的具体实施例中的搅和顺序示意图。如图1和图2所示，本发明中的高韧混凝土的制备方法可以具体包括如下步骤：
[0072]
步骤11，将鳞片材料与胶凝材料(例如，水泥)混合，预搅拌预设的第一时长，形成第一组分；
[0073]
步骤12，将氧化石墨烯、水和添加剂混合，搅拌预设的第二时长，形成第二组分；
[0074]
步骤13，将分散润滑剂分成质量相等的两份，然后将其中一份分散润滑剂与短纤维和细骨料混合，搅拌预设的第三时长，形成第三组分；
[0075]
步骤14，将另一份分散润滑剂与长纤维和粗骨料混合，搅拌预设的第四时长，形成第四组分；
[0076]
步骤15，将第一组分和第三组分混合，并搅拌预设的第五时长，形成第五组分；
[0077]
步骤16，将第五组分与第二组分混合，并搅拌预设的第六时长，形成第六组分；
[0078]
步骤17，将第六组分与第四组分混合，并搅拌预设的第七时长，形成高韧混凝土。
[0079]
通过上述的步骤11～17，即可获得上述的高韧混凝土。
[0080]
另外，在本发明的技术方案中，上述的步骤11～14均可以独立执行，而并不限定具体的执行顺序。例如，可以同时执行上述的步骤11～14，也可以按照预设的执行顺序执行上述的步骤11～14。
[0081]
另外，作为一个示例，在本发明一个较佳的具体实施例中，所述第一时长可以是1分钟。
[0082]
另外，作为一个示例，在本发明一个较佳的具体实施例中，所述第二时长可以是1分钟。
[0083]
另外，作为一个示例，在本发明一个较佳的具体实施例中，所述第三时长和第四时长可以是2分钟。
[0084]
另外，作为一个示例，在本发明一个较佳的具体实施例中，所述第五时长可以是3分钟。
[0085]
另外，作为一个示例，在本发明一个较佳的具体实施例中，所述第六时长可以是2分钟。
[0086]
另外，作为一个示例，在本发明一个较佳的具体实施例中，所述第七时长可以是5分钟。
[0087]
在上述的高韧混凝土的制备方法中，可以针对掺加材料的不同尺度特征和性质，而设置不同的掺加次序。例如，对于纳米材料(即氧化石墨烯)，可以将纳米材料和添加剂一起混合在水中加入混凝土；而对于微米材料(例如，鳞片材料)，由于其粒径和集料细骨料相仿，因此可以与水泥、细骨料、细集料、分散润滑剂一起加入搅拌(例如，可以将鳞片材料、砂粒、分散润滑剂一起加入搅拌)；而对于短纤维，可以与砂、分散润滑剂一起加入干拌，利用细骨料的摩擦作用和搅拌机叶片的撞击进一步打散纤维；对于长纤维，搅拌前先和粗骨料、分散润滑剂干拌再加入混凝土。
[0088]
通过上述制备方法所制备得到的是一种多尺度混掺阻裂增韧混凝土。该多尺度混掺阻裂增韧混凝土中掺加的氧化石墨烯能减少水泥石内部的孔洞，改善水泥石的孔结构，使水泥中的凝胶更加均匀和致密，降低针状钙矾石的生成，使得水泥石结构更加致密，可以有效地调控水泥水化产物的微观结构，提高混凝土的强度、抗渗性和耐久性。掺加的玄武岩鳞片具有优良的耐化学品性及抗老化性等性能，可以形成致密的防渗层，因此可以有效地提高材料的抗渗透能力，改善水泥砂浆机械强度、表面硬度、耐磨性和抗介质渗透性，吸收水泥砂浆在水化或干燥时产生的内应力，填补混凝土中的空隙，减少和阻断毛细孔的连通，增加混凝土的密实性和抗渗能力。多种纤维的混杂掺入可以形成纤维的混杂效应，低强度短纤维可以限制微裂纹的发展，提高混凝土的早期强度，高强度长纤维可以桥联宏观裂缝，增强混凝土的韧性和后期强度。合理调整纤维的配比，可以使混凝土的性能复合各纤维的特点。另外，上述多尺度混掺阻裂增韧混凝土的投料次序可以根据材料尺度和性质的不同，采用分次投放的方式，使得材料搅拌更为充分，从而可以有效地避免同时掺加多种材料导致拌合物不宜搅拌、影响材料的分散性的问题。
[0089]
总的来说，上述的高韧混凝土的配比在原有混凝土配比上增加了混掺短切纤维、玄武岩鳞片、氧化石墨烯等三种不同尺寸不同配比的多尺度增强材料。通过使用合适的材料配比和材料尺寸，可以有效地增强材料，填补修复不同尺度的空隙和裂纹，提高混凝土的抗裂性能的韧性。另外，在上述高韧混凝土的制备方法中，由于投料次序采用分次投放的方式，从而可以有效地避免同时掺加多种材料导致拌合物不宜搅拌、影响材料的分散性的问题。
[0090]
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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

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