一种大跨度建筑用抗裂型混凝土及其制备方法与流程

[0001]
本申请涉及建筑材料领域，更具体地说，它涉及一种大跨度建筑用抗裂型混凝土及其制备方法。


背景技术：

[0002]
随着时代进步，人们对建筑的高度、美观及安全性的要求更高，对建筑材料的耐久性和利用率等方面提出了更高的要求。随着建筑的跨度增加和高度增大，钢筋混凝土结构的变形和抗拉强度已经不能满足结构要求，混凝土开裂等不可避免的问题频繁发生。
[0003]
所以对于该类钢筋混凝土，主要以调节和改善钢筋混凝土的抗裂性能为改进方向，如采用膨胀剂掺入混凝土内，通过膨胀剂的掺入与混凝土之间生成钙矾石晶体，晶体结构中含有的配位水各不相同，形成了钙矾石族，具有了各向异性，各向异性产生了结晶压，钙矾石首先沿着最不受限制的方向分布，而裂纹处的限制作用最小，在混凝土薄弱界面处使得裂纹不断增大，引起基体开始膨胀，从而改善混凝土材料的抗裂性能。
[0004]
相关技术可参考公开号为cn110981369a的中国发明专利，公开了一种高性能膨胀预应力混凝土及其制备方法，该混凝土的成分包括胶凝材料、改性吸水沸石、膨胀剂、减水剂、水、细骨料和粗骨料；所述改性吸水沸石通过两步改性后真空饱水而得。该混凝土综合使用混凝土内养护技术和收缩补偿技术，在维持较低水灰比的条件下仍能够使膨胀剂充分水化，解决了膨胀剂不能在低水灰比的高强混凝土中应用的问题，以及过量使用膨胀剂导致混凝土后期强度损失等工程难题。
[0005]
针对上述中的相关技术，申请人认为通过添加膨胀剂改善混凝土材料的抗裂性的方案中，由于膨胀剂为密实混凝土结构的作用，但是无法在冷热环境下产生的裂隙进行二次加固，以在使用后产生裂隙，导致其耐久性能不佳，使用寿命短，无法对存在的裂隙结构形成良好的补偿作用。


技术实现要素：

[0006]
为了改善大跨度建筑用混凝土的使用寿命，改善其抗裂性能，第一方面，本申请提供一种大跨度建筑用抗裂型混凝土，所述大跨度建筑用抗裂型混凝土包括下列重量份组分：60～80份水泥、30～40份细集料、10～20份粗集料、10～15份抗裂连接纤维、10～15份粉煤灰、3～5份外加剂、60～80份水；所述抗裂连接纤维为包覆有二氧化硅气凝胶膜的玄武岩纤维。
[0007]
通过采用上述技术方案，由于本申请通过玄武岩纤维为基体改性材料进行填充负载，由于玄武岩纤维的弹性模量大，而在混凝土中添加改性纤维的方案中，主要通过纤维的弹性模量对混凝土的进行改性，从而提高混凝土的抗裂性，使得混凝土单位面积上裂纹总面积减少，在此基础上，本申请在玄武岩纤维表面包覆二氧化硅气凝胶材料，由于该气凝胶材料丰富的孔隙结构，使混凝土与纤维之间形成良好的连接结构，改善了混凝土的抗裂性能，提高混凝土使用年限，从而进一步提高了大跨度建筑用混凝土的使用寿命。
[0008]
进一步地，所述玄武岩纤维包覆的二氧化硅气凝胶膜中，分散有短切硫酸钙晶须。
[0009]
通过采用上述技术方案，由于本申请采用短切硫酸钙晶须分散在二氧化硅气凝胶膜中，以改善玄武岩表面的粗糙度，从而使玄武岩表面的结构形成为具有凸起结构的外表面，提高了抗裂连接纤维表面的比表面积，在此基础上，在裂隙产生后，能通过良好的连接作用，将性能载荷均匀地转移到纤维上，纤维的增强效应达到最大，进而改善混凝土材料的力学性能。
[0010]
第二方面，本申请提供一种大跨度建筑用抗裂型混凝土的制备方法，所述大跨度建筑用抗裂型混凝土的制备方法包括：s1、取玄武岩纤维，洗涤、晾干并偶联改性，洗涤干燥，收集得表面处理玄武纤维；s2、按质量比1:1～2:25～30:0.5～1.0，将正硅酸乙酯、去离子水、无水乙醇和盐酸搅拌混合并加热保温反应，收集得基体液，取氨水和无水乙醇搅拌混合，得改性液，将改性液滴加至基体液中，搅拌混合得包覆液；s3、取硫酸钙晶须短切晶须颗粒并添加至包覆液中，搅拌混合并超声分散处理，得分散液，将表面处理玄武纤维先浸泡至分散液中后，将其取出并置于凝胶固化硅烷改性液中，待保温处理完成后，洗涤干燥，得抗裂连接纤维；s4、按配方组分，将配方中水泥、抗裂连接纤维、细集料和粗集料先置于搅拌机中，在室温下搅拌搅拌混合，再将水、粉煤灰和外加剂添加至搅拌机中，搅拌混合即可制备得所述大跨度建筑用抗裂型混凝土。
[0011]
通过采用上述技术方案，由于本申请优化搅拌的制备顺序，目的在于先使各固体组分形成良好的分散性能，在搅拌过程中，能有效防止抗裂连接纤维的断裂，同时，还可以与混凝土颗粒充分接触，从而提高抗裂连接纤维与混凝土制件的连接强度。
[0012]
进一步地，步骤s1所述的偶联改性为，将玄武岩纤维浸泡至硅烷偶联剂中，自然静置处理。
[0013]
通过采用上述技术方案，由于本申请采用偶联改性的处理的方案对玄武岩纤维进行处理，使一部分极性基团可与玄武岩纤维表面的活性分子通过化学作用或物理作用相结合，其他部分则在与纤维反应过后裸露在外并有效与凝胶材料进行结合，提高气凝胶层与玄武岩纤维的结合强度。
[0014]
进一步地，步骤s3所述的硫酸钙晶须短切晶须颗粒粒径为1～2mm。
[0015]
通过采用上述技术方案，由于本申请优化了短切晶须的粒径，使其能有效负载至气凝胶薄膜表面的同时，使气凝胶膜表面的粗糙度有效提高，改善玄武岩纤维与水泥材料之间的结合强度。
[0016]
进一步地，步骤s3所述的凝胶固化硅烷改性液为三甲基氯硅烷与正庚烷按质量比1:15～20混合制备而成。
[0017]
通过采用上述技术方案，由于本申请采用硅烷化处理的方案过程，使气凝胶膜干燥收缩后，其结构反弹，即通过反应使si（ch
3
）
3
基团取代了oh基团中的h，通过结构收缩后气凝胶表面的ch
3
基团之间不会脱水,ch
3
基团间的排斥作用将使得凝胶膜结构重新反弹，改善材料的结构性能，从而改善玄武岩纤维与水泥材料之间的结合强度。
[0018]
进一步地，步骤s4所述的细集料粒径为3～5mm。
[0019]
通过采用上述技术方案，通过优化细集料尺寸，使其能更好的与抗裂连接纤维形成良好的锚接作用，从而有效调节混凝土内部结构，改善混凝土的抗裂性能，有效提高了大跨度混凝土材料的使用寿命。
[0020]
进一步地，步骤s4所述的粗集料为三级碎石，尺寸由小至大依次为5～10mm碎石颗粒、15～20mm碎石颗粒和25～30mm碎石颗粒。
[0021]
通过采用上述技术方案，由于本申请采用了三级结构的碎石体系，优化混凝土内部集料的配比结构，从而改善混凝土内部结构体系，优化混凝土材料的结构性能，从而改善混凝土的抗裂性能，有效提高了大跨度混凝土材料的使用寿命。
[0022]
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：第一、本申请通过玄武岩纤维为基体改性材料进行填充负载，通过玄武岩对混凝土内部形成良好的支撑连接作用，从而提高了混凝土的抗裂性，再通过在玄武岩纤维表面包覆二氧化硅气凝胶材料，由于该气凝胶材料丰富的孔隙结构，使混凝土与纤维之间形成良好的连接结构，改善了混凝土的抗裂性能，从而进一步提高了大跨度建筑用混凝土的使用寿命。
[0023]
第二、本申请采用短切硫酸钙晶须分散在二氧化硅气凝胶膜中，改善玄武岩表面的粗糙度，从而使玄武岩表面的结构形成为具有凸起结构的外表面结构，改善抗裂连接纤维表面的比表面积，在此基础上，在裂隙产生后，能通过良好的连接作用，将性能载荷均匀地转移到纤维上，纤维的增强效应达到最大，进而改善混凝土材料的力学性能。
[0024]
第三、本申请优化搅拌的制备顺序，目的在于先使各固体组分形成良好的分散性能，在搅拌过程中，能有效防止抗裂连接纤维的断裂，同时，还可以与混凝土颗粒充分接触，从而提高抗裂连接纤维与混凝土制件的连接强度。
附图说明
[0025]
图1是本申请提供的一种大跨度建筑用抗裂型混凝土的制备方法的流程图。
具体实施方式
[0026]
以下结合附图和实施例对本申请作进一步详细说明。
[0027]
本申请实施例中，所用的仪器设备和原料辅料如下所示，但不以此为限：机器：干燥箱、搅拌机。
[0028]
材料：水泥：p.0425r级普通硅酸盐水泥；粉煤灰：比表面积为0.28m
2
/g的粉煤灰；外加剂：jw-16聚羧酸减水剂。
实施例
[0029]
实施例1取玄武岩纤维并用无水乙醇冲洗3次，自然晾干并按质量比1:10，将玄武岩纤维浸泡至硅烷偶联剂kh-560中，自然静置6h后，用去离子水冲洗3次后，自然晾干，收集得表面处理玄武纤维；按质量比1:1:25:0.5，将正硅酸乙酯、去离子水、无水乙醇和0.1mol/l的盐酸搅拌混合并置于55℃下保温反应25min，收集得基体液，再按质量比1:15，将质量分数5％氨水和无水乙醇搅拌混合，得改性液，按质量比1:10，将改性液滴加至基体液中，搅拌混合并在室温下搅拌25min，得包覆液；取硫酸钙晶须并将其切割成粒径为1mm的短切晶须颗粒，按质量比1:5，将短切晶须颗
粒添加至包覆液中，搅拌混合并置于200w下超声分散处理并收集分散液，将表面处理玄武纤维浸泡至分散液中，待浸泡10min后，将其取出并置于凝胶固化硅烷改性液中，在45℃下静置20h，待保温处理完成后，用去离子水冲洗3次并置于45℃下干燥6h，得抗裂连接纤维；所述的凝胶固化硅烷改性液为三甲基氯硅烷与正庚烷按质量比1:15混合制备而成。
[0030]
按重量份数计，分别称量60kg水泥、30kg模数为2.5的，粒径为3mm天然河砂、10kg粗集料、10kg抗裂连接纤维、10kg粉煤灰、3kg外加剂和60kg水置于搅拌机中，搅拌混合即可制备得所述大跨度建筑用抗裂型混凝土；所述的粗集料为三级碎石，尺寸由小至大依次为5mm碎石颗粒、15mm碎石颗粒和25mm碎石颗粒。
[0031]
实施例2取玄武岩纤维并用无水乙醇冲洗4次，自然晾干并按质量比1:10，将玄武岩纤维浸泡至硅烷偶联剂kh-560中，自然静置7h后，用去离子水冲洗4次后，自然晾干，收集得表面处理玄武纤维；按质量比1:1:27:0.7，将正硅酸乙酯、去离子水、无水乙醇和0.1mol/l的盐酸搅拌混合并置于57℃下保温反应27min，收集得基体液，再按质量比1:15，将质量分数5％氨水和无水乙醇搅拌混合，得改性液，按质量比1:10，将改性液滴加至基体液中，搅拌混合并在室温下搅拌27min，得包覆液；取硫酸钙晶须并将其切割成粒径为1mm的短切晶须颗粒，按质量比1:5，将短切晶须颗粒添加至包覆液中，搅拌混合并置于250w下超声分散处理并收集分散液，将表面处理玄武纤维浸泡至分散液中，待浸泡12min后，将其取出并置于凝胶固化硅烷改性液中，在47℃下静置22h，待保温处理完成后，用去离子水冲洗4次并置于47℃下干燥7h，得抗裂连接纤维；所述的凝胶固化硅烷改性液为三甲基氯硅烷与正庚烷按质量比1:17混合制备而成。
[0032]
按重量份数计，分别称量70kg水泥、35kg模数为2.5的，粒径为4mm天然河砂、15kg粗集料、12kg抗裂连接纤维、12kg粉煤灰、4kg外加剂和70kg水置于搅拌机中，搅拌混合即可制备得所述大跨度建筑用抗裂型混凝土；所述的粗集料为三级碎石，尺寸由小至大依次为7mm碎石颗粒、17mm碎石颗粒和27mm碎石颗粒。
[0033]
实施例3取玄武岩纤维并用无水乙醇冲洗5次，自然晾干并按质量比1:10，将玄武岩纤维浸泡至硅烷偶联剂kh-560中，自然静置8h后，用去离子水冲洗5次后，自然晾干，收集得表面处理玄武纤维；按质量比1:2:30:1.0，将正硅酸乙酯、去离子水、无水乙醇和0.1mol/l的盐酸搅拌混合并置于60℃下保温反应30min，收集得基体液，再按质量比1:15，将质量分数5％氨水和无水乙醇搅拌混合，得改性液，按质量比1:10，将改性液滴加至基体液中，搅拌混合并在室温下搅拌30min，得包覆液；取硫酸钙晶须并将其切割成粒径为2mm的短切晶须颗粒，按质量比1:5，将短切晶须颗粒添加至包覆液中，搅拌混合并置于300w下超声分散处理并收集分散液，将表面处理玄武纤维浸泡至分散液中，待浸泡15min后，将其取出并置于凝胶固化硅烷改性液中，在50℃下静置24h，待保温处理完成后，用去离子水冲洗5次并置于50℃下干燥8h，得抗裂连接纤维；所述的凝胶固化硅烷改性液为三甲基氯硅烷与正庚烷按质量比1:20混合制备而成。
[0034]
按重量份数计，分别称量80kg水泥、40kg模数为2.5的，粒径为5mm天然河砂、20kg
粗集料、15kg抗裂连接纤维、15kg粉煤灰、5kg外加剂和80kg水置于搅拌机中，搅拌混合即可制备得所述大跨度建筑用抗裂型混凝土；所述的粗集料为三级碎石，尺寸由小至大依次为10mm碎石颗粒、20mm碎石颗粒和30mm碎石颗粒。
[0035]
实施例4实施例4中采用未添加短切晶须颗粒包覆液，代替实施例1中的分散液，其他条件和组分比例均与实施例1中相同。
[0036]
性能检测试验分别对实施例1～4进行性能测试，对实施例1～4制备的抗裂混凝土的抗裂性能进行测试。
[0037]
检测方法/试验方法（1）混凝土基本力学性能：抗压强度和弹性模量试验，按照gb/t50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行；（2）混凝土长期性能和耐久性能：收缩试验按照gb/t50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中接触法进行；（3）抗水渗透试验按照gb/t50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》逐级加压法进行；（4）抗硫酸盐侵蚀试验按照 gb/t 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行；（5）按照《混凝土结构耐久性设计与施工指南》中描述的平板约束试验装置参进行裂缝观测试验。
[0038]
具体检测结果如下表表1所示：表1性能检测表表2性能检测表
参考表1和表2的性能检测对比可以发现：将实施例1～3进行性能对比，其中实施例3中的抗压强度、弹性模量和耐腐蚀性能最佳，这是由于实施例3中添加的物料的比例为最高，也从侧面反映了本申请技术方案是可以实施的。
[0039]
将实施例1和实施例4行性能对比，由于实施例4中未添加短切晶须颗粒包覆液，代替实施例1中的分散液，对表1中的性能测试数据对比，其中实施例4中由于未添加短切晶须颗粒，所以其力学性能和抗裂性能略有下降，这是由于本申请中采用的短切晶须颗粒，使玄武岩表面的结构形成为具有凸起结构的外表面，将性能载荷均匀地转移到纤维上，纤维的增强效应达到最大，进而改善了混凝土材料的力学性能，所以实施例4中未添加后，其力学性能和抗裂性能就会显著下降。
[0040]
对比例对比例1～3对比例1～3中不添加抗裂连接纤维，而是直接添加uea型混凝土膨胀剂，其余条件和组分比例均与实施例1～3中相同。
[0041]
对比例4～6对比例4～6添加玻璃纤维代替实施例1～3中的抗裂连接纤维，其余条件和组分比例均与实施例1～3中相同。
[0042]
对比例7～9对比例7～9中采用的玄武岩纤维，不经过偶联接枝改性进行处理，其余条件和组分比例均与实施例1～3中相同。
[0043]
对比例10～12对比例10～12在制备抗裂连接纤维时，不在凝胶固化硅烷改性液中固化，而是在常温常压下进行固化，其余条件和组分比例均与实施例1～3中相同。
[0044]
性能检测试验分别对对比例1～12制备的抗裂混凝土的抗裂性能进行测试。
[0045]
检测方法/试验方法（1）混凝土基本力学性能：抗压强度和弹性模量试验，按照gb/t50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行；（2）混凝土长期性能和耐久性能：收缩试验按照gb/t50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中接触法进行；
（3）抗水渗透试验按照gb/t50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》逐级加压法进行；（4）抗硫酸盐侵蚀试验按照 gb/t 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行；（5）按照《混凝土结构耐久性设计与施工指南》中描述的平板约束试验装置参进行裂缝观测试验。
[0046]
具体检测结果如下表表3所示：表3性能检测表表4性能检测表
对表3和表4的性能测试表进行如下分析：将本申请对比例1～3和实施例1～3进行对比，对比例中不添加抗裂连接纤维，而是直接添加uea型混凝土膨胀剂，其抗裂性能和力学强度显著下降，这就说明通过玄武岩纤维为基体改性材料进行填充负载，并在玄武岩纤维表面包覆二氧化硅气凝胶材料，能使混凝土与纤维之间形成良好的连接结构，改善了混凝土的抗裂性能，从而进一步提高了大跨度建筑用混凝土的使用寿命。
[0047]
将本申请对比例4～6和实施例1～3进行对比，对比例中添加玻璃纤维代替实施例1～3中的抗裂连接纤维，但是其抗裂性能不佳，这反应了采用短切硫酸钙晶须分散在二氧化硅气凝胶膜中，改善玄武岩表面的粗糙度，可以进而改善混凝土材料的力学强度和抗裂性能。
[0048]
将本申请对比例7～9和实施例1～3进行对比，对比例中采用的玄武岩纤维，不经过偶联接枝改性进行处理，导致制备的混凝土材料抗裂性能虽然无大幅下降，但其力学性能和抗渗性能均出现明显的下降趋势，这表明了采用偶联改性的处理的方案对玄武岩纤维进行处理的方案，可通过偶联剂与玄武岩纤维表面的活性分子通过化学作用或物理作用相结合，提高了气凝胶层与玄武岩纤维的结合强度。
[0049]
最后，将本申请对比例10～12和实施例1～3进行对比，对比例中在制备抗裂连接纤维时，不在凝胶固化硅烷改性液中固化，而是在常温常压下进行固化，导致混凝土抗渗和抗裂性能略有下降，这说明本申请气凝胶干燥过程中通过硅烷化处理，可以有效改善玄武岩纤维与水泥材料之间的结合强度。
[0050]
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

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