一種高強度高韌性粗集料、其製備方法及由其製備的混凝土的製作方法

2023-06-03 09:55:31 1

專利名稱：一種高強度高韌性粗集料、其製備方法及由其製備的混凝土的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高強度高韌性粗集料、其製備方法及由其製備的混凝土，屬於建築材料技術領域。
背景技術：
混凝土自其被發明以來就存在韌性不足、脆性過大的缺點，一般而言，混凝土的抗拉強度約為抗壓強度的7% 14%，且混凝土的抗壓強度越高，拉壓比就越小。混凝土作為一種多相複合材料，按照混凝土在應力作用下的行為一般將其視作由三相組成水泥漿基體、分散其中的骨料以及水泥漿-骨料之間的過渡區相。其中，過渡區相代表著骨料顆粒與硬化水泥漿體之間的界面區，過渡區是圍繞大骨料周圍存在的一層薄殼，其公認厚度為·(200 μ m,通常比混凝土的兩個主要相弱。在界面區上，水泥凝膠與骨料靠範德華力和物理的咬合力結合在一起，結合強度較低，在應力作用下，裂縫首先在這裡發生。此外，混凝土材料的化學鍵主要為共價鍵和離子鍵，這類化學鍵鍵能大而具有方向性，這使得混凝土在發生小變形時，能夠儲存大量的勢能，而一旦混凝土本身出現裂紋(包括原始裂紋、孔隙和後期受荷裂紋)，能量便在缺陷處快速釋放，造成材料發生迅速的裂紋擴展開裂直至破壞。因此，混凝土材料的化學鍵類型和材料的非勻質多缺陷的特徵決定了其脆性材料的屬性。混凝土韌性方面的不足在一定程度上限制了其應用範圍，為了提高混凝土的韌性，人們先後發明了鋼筋混凝土、聚合物混凝土、纖維混凝土等。這三類混凝土的增韌機理各不相同，並互有優缺點。鋼筋混凝土利用混凝土與高強、高韌性鋼筋骨架網絡間的粘結作用將構件的受力更多地傳遞給鋼筋網，而使混凝土基體所受的力則小於其極限應力，從而改善了鋼筋混凝土的韌性。鋼筋混凝土發展最早，應用廣泛，適用於澆注具有一定規則幾何形狀的大型構件，此外受鋼筋成本影響，其總體造價較為昂貴。聚合物混凝土系顆粒型有機一無機複合材料的統稱，這類材料在近30年來有顯著的發展。按其組成和製作工藝，可分為聚合物浸潰混凝土，聚合物水泥混凝土 (也稱聚合物改性混凝土)，聚合物膠結混凝土 (又稱樹脂混凝土)。聚合物混凝土利用聚合物乳液破乳後聚合物顆粒相互搭接在混凝土內部形成網絡結構、填充混凝土中孔隙缺陷、增加混凝土內部固相顆粒的作用力實現增韌。聚合物混凝土與普通水泥混凝土相比，具有耐蝕、耐磨、耐凍融等優點，同時，由於有機聚合物的彈性模量較低致使聚合物混凝土抗壓強度與同水灰比的普通混凝土相比要低一些。纖維混凝土通過內部大量亂向分布的短細纖維與水泥基材料的粘結作用將水泥基材料的受力傳遞給纖維，使混凝土獲得高強、高韌和高抗滲的特性。應用於混凝土領域的纖維按材質可分為有機纖維和鋼纖維。其中有機纖維混凝土的設計初衷和主要功能是為了提高混凝土抗裂、抗滲性能，而增加韌性(提升有限)並非主要設計指標，鋼纖維混凝土在眾纖維混凝土中韌性提升同比最為顯著，但其在潮溼環境下服役時可能引起鋼纖維鏽蝕而導致混凝土失效，此外鋼纖維製造成本較昂貴，這也限制了其大範圍應用。專利200710053634. 3公開了一種高強高韌性輕集料混凝土的製備方法，該文件所公開的技術中處理集料時採用了先增韌後增強的方法，該法僅用於輕集料混凝土的製備，並不適用於普通混凝土 ；除此之外，該技術在增強處理以及混凝土拌制過程中都使用了纖維，其增韌途徑主要通過纖維獲得，仍屬傳統的纖維混凝土範疇，這與本專利公開的增韌機理完全不同；最後，集料表面覆蓋低強低模的苯丙乳液相當於在混凝土界面處引入了一弱化相，這將造成混凝土強度的大幅度折減。綜上所述，高強度高韌性混凝土存在巨大的市場需求，但目前的限於提高混凝土強度、韌性的技術的不足，限制了其應用推廣。技術內容本發明提供了一種高強度高韌性粗集料、其製備方法及由其製備的混凝土。
為解決上述技術問題，本發明的技術方案是一種高強度高韌性粗集料的製備方法，包括如下步驟A、將普通粗集料與環氧改性苯丙乳液或環氧改性聚乙烯醇乳液混勻，所述環氧改性苯丙乳液或環氧改性聚乙烯醇乳液的質量用量為普通粗集料質量的1% 3% ；B、將步驟A所得物料與增強膠材混勻並標養，得高強度高韌性粗集料，所述步驟A所得物料與增強膠材的質量比為I :(0. 002 O. 046)，所述增強膠材包括質量比為I :(O. I O. 3) : (O. 05 O. I)的水泥、礦物摻合料和膨脹劑。為了提高效率並保證產品性能，上述標養條件為在相對溼度為90±5%，溫度為20±2°C的條件下，養護2 3d。為了使步驟A中物料很好地混勻，同時提高產品的韌性和強度，上述的高強度高韌性粗集料的製備方法，步驟A中，混勻方法為將普通粗集料邊攪拌邊注入環氧改性苯丙乳液或環氧改性聚乙烯醇乳液，環氧改性苯丙乳液或環氧改性聚乙烯醇乳液注完之後，繼續攪拌20-30min。上述步驟A可在攪拌鍋內完成，為了使乳液能均勻分布，乳液注入速度不能過快。上述步驟A操作完後，普通集料表面均勻覆蓋一半固化的高強高韌聚合物膜，得增韌預處理粗集料。為了提高產品韌性，上述環氧改性苯丙乳液包括質量比為I :(0. 25 I. 5)的苯丙乳液和水性環氧樹脂，環氧改性聚乙烯醇乳液包括質量比為I : (O. 25 I. 5)的聚乙烯醇乳液和水性環氧樹脂。申請人:發現，水性環氧樹脂與苯丙乳液或聚乙烯醇乳液有很好的協同效應。上述步驟B中，步驟A所得物料與增強膠材的混勻，可在攪拌機中進行，將步驟A所得物料與增強膠材在攪拌機中攪拌2min左右即可。上述步驟B，利用半固化高強高韌聚合物膜中的剩餘水分與增強膠材反應，使增韌預處理粗集料表面形成一水泥漿料薄層，然後置於相對溼度90±5%，溫度20±2°C條件下，養護2 3d，使增韌預處理粗集料表層的漿料薄層充分水化而形具有一定強度的保護層。為了保證產品性能，所述環氧改性苯丙乳液或環氧改性聚乙烯醇乳液的質量固含量為 20-60%。為了提高產品質量，上述礦物摻合料優選為超細活性礦物摻合料，更優選為矽灰或納米二氧化矽中一種或兩種任意配比的混合物；所述膨脹劑為氧化鈣類膨脹劑或鈣礬石類膨脹劑中一種或兩種任意配比的混合物。由上述的製備方法所製得的高強度高韌性粗集料。利用本發明提供的一種高強度高韌性粗集料拌制混凝土，混凝土 28d的抗壓強度、斷裂韌性、斷裂能較同配比的普通混凝土明顯提高。本發明通過對混凝土中集料-漿體界面進行優化，提高了界面對混凝土韌性的影響貢獻集料-漿體間引入一韌性優異、強度適宜的聚合物薄層，通過調整柔性聚合物(苯丙乳液/聚乙烯醇乳液)與剛性聚合物(環氧樹月旨)的比例使聚合物與集料及漿體間的粘接強度及自身力學性能在合理的範圍內，混凝土荷載超過峰值荷載後，可使混凝土中的裂紋沿集料漿體界面擴展，擴展過程中聚合物層發生明顯變形同時吸收能量，可以顯著提高混凝土的斷裂能，通過技術控制聚合物薄層厚度(摻量)，可使混凝土在破壞過程中吸收的能量最優化，從而使混凝土斷裂能韌性明顯改善。
具體實施方式
為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明的內容不僅僅局限於下面的實施例。混凝土斷裂韌性Krc及斷裂能Gf按照DL/T5332-2005《水工混凝土斷裂試驗規程》之楔入劈拉法檢測，抗壓強度參照GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》檢測。以下諸實例中水泥強度等級為P · II 52. 5，細集料為河砂，細度模數為2. 5 ;減水劑①為江蘇博特新材料有限公司生產的PCA-VDI (a)型聚羧酸高效減水劑，減水劑②為江蘇博特新材料有限公司生產的PCA-IV聚羧酸減縮、抗裂減水劑；膨脹劑①為江蘇博特新材料有限公司生產的HME- IV混凝土高效膨脹劑，膨脹劑②為江蘇博特新材料有限公司生產的SBTJM-III (D)混凝土膨脹劑(鈣礬石類的膨脹劑)；聚乙烯醇乳液①由東莞市湛帆膠粘劑有限公司生產，型號金魚牌，固含40%，聚乙烯醇乳液②由天津天狗裝飾化工有限公司生產的天狗牌108膠；苯丙乳液為國民澱粉生產的7199N型苯丙乳液，固含量48% ;水性環氧樹脂①為廣州歐鵬化工生產的E571型水性環氧樹脂乳液和水性環氧樹脂固化劑水固8#按質量比I :1混合物，水性環氧樹脂②為常州山峰化工有限公司生產的E-44水性環氧樹脂乳液，固含45% ;矽灰購自鞍美國貿實業開發有限公司；納米二氧化矽為購自海泰納米的HTSi-Ol0實施例2、4中用到的減水劑為減水劑②，膨脹劑為膨脹劑②，聚乙烯醇乳液為聚乙烯醇乳液②，環氧樹脂為水性環氧樹脂②，實施例1、3、5及對比例1、2、3中用到的減水劑為減水劑①，膨脹劑為膨脹劑①，聚乙烯醇乳液為聚乙烯醇乳液①，環氧樹脂為水性環氧樹脂①。實施例I普通粗集料為級配符合5 20mm連續級配要求的玄武巖碎石，將其置於攪拌鍋中，攪拌過程中緩緩加入普通粗集料質量1%的聚合物乳液，該聚合物乳液為環氧改性苯丙乳液，其中苯丙乳液與環氧樹脂質量比為I :0. 25，聚合物乳液加完後，繼續攪拌20min後製成增韌預處理集料；然後加入增韌預處理集料質量O. 2%的增強膠材，增強膠材由水泥、矽灰、膨脹劑按質量比I :0. I :0. 05混合而成，攪拌2min後取出，然後置於相對溼度90±5%，溫度20±2°C條件下，養護3d製成提高混凝土韌性的特種粗集料(以下簡稱特種粗集料)。
按配合比水160kg/m3、水泥457kg/m3、細集料619kg/m3、特種粗集料1140kg/m3、減水劑4. 57kg/m3拌制混凝土，成型後標養28d，抗壓強度為64. 3MPa，斷裂韌性O. 89MPa · m1/2，斷裂能為 168N · πΓ1。實施例2普通粗集料為級配符合5 20mm連續級配要求的石灰巖碎石，將其置於攪拌鍋中，攪拌過程中緩緩 加入普通粗集料質量1%的聚合物乳液，該聚合物乳液為環氧改性苯丙乳液，其中苯丙乳液與環氧樹脂質量比為I :0. 25，聚合物乳液加完後，繼續攪拌20min後製成增韌預處理集料；然後加入增韌預處理集料質量O. 2%的增強膠材，增強膠材由水泥、矽灰、膨脹劑按質量比I :0. I :0. 05混合而成，攪拌2min後取出，然後置於相對溼度90±5%，溫度20±2°C條件下，養護3d製成提高混凝土韌性的特種粗集料(以下簡稱特種粗集料)。按配合比水160kg/m3、水泥457kg/m3、細集料619kg/m3、特種粗集料1140kg/m3、減水劑4. 57kg/m3拌制混凝土，成型後標養28d，抗壓強度為61. 8MPa，斷裂韌性O. 93MPa · m1/2，斷裂能為 178N · πΓ1。實施例3普通粗集料為級配符合5 20mm連續級配要求的玄武巖碎石，將其置於攪拌鍋中，攪拌過程中緩緩加入普通粗集料質量3%的聚合物乳液，該聚合物乳液為環氧改性苯丙乳液，其中苯丙乳液與環氧樹脂質量比為I :1.5，聚合物乳液加完後，繼續攪拌20min後製成增韌預處理集料；然後加入增韌預處理集料質量4. 6%的增強膠材，增強膠材由水泥、納米二氧化矽、膨脹劑按質量比I :0. 2 :0. I混合而成，攪拌2min後取出，然後置於相對溼度90 土 5%，溫度20 ± 2°C條件下，養護3d製成提高混凝土韌性的特種粗集料(以下簡稱特種粗集料)。按配合比水160kg/m3、水泥457kg/m3、細集料619kg/m3、特種粗集料1140kg/m3、減水劑4. 57kg/m3拌制混凝土，成型後標養28d，抗壓強度為68. 9MPa，斷裂韌性O. 88MPa · m1/2，斷裂能為 165N · πΓ1。實施例4普通粗集料為級配符合5 20mm連續級配要求的玄武巖碎石，將其置於攪拌鍋中，攪拌過程中緩緩加入普通粗集料質量1%的聚合物乳液，該聚合物乳液為環氧改性聚乙烯醇乳液，其中聚乙烯醇乳液與環氧樹脂質量比為I :0. 25，聚合物乳液加完後，繼續攪拌25min後製成增韌預處理集料；然後加入增韌預處理集料質量3%的增強膠材，增強膠材由水泥、矽灰、膨脹劑按質量比I :0. 3 :0. I混合而成，攪拌2min後取出，然後置於相對溼度90 土 5%，溫度20 ± 2 °C條件下，養護3d製成提高混凝土韌性的特種粗集料(以下簡稱特種粗集料)。按配合比水160kg/m3、水泥457kg/m3、細集料619kg/m3、特種粗集料1140kg/m3、減水劑4. 57kg/m3拌制混凝土，成型後標養28d，抗壓強度為65. 7MPa，斷裂韌性O. 95MPa · m1/2，斷裂能為 198N · πΓ1。實施例5普通粗集料為級配符合5 20mm連續級配要求的玄武巖碎石，將其置於攪拌鍋中，攪拌過程中緩緩加入普通粗集料質量3%的聚合物乳液，該聚合物乳液為環氧改性聚乙烯醇乳液，其中聚乙烯醇乳液與環氧樹脂質量比為I :1. 5，聚合物乳液加完後，繼續攪拌30min後製成增韌預處理集料；然後加入增韌預處理集料質量3%的增強膠材，增強膠材由水泥、矽灰、納米二氧化矽、膨脹劑按質量比I :0. I :0. I :0. 05混合而成，攪拌2min後取出，然後置於相對溼度90±5%，溫度20±2°C條件下，養護3d製成提高混凝土韌性的特種粗集料(以下簡稱特種粗集料)。按配合比水160kg/m3、水泥457kg/m3、細集料619kg/m3、特種粗集料1140kg/m3、減水劑4. 57kg/m3拌制混凝土，成型後標養28d，抗壓強度為68. 8MPa，斷裂韌性O. 92MPa · m1/2，斷裂能為 203N · πΓ1。對比例I為了對比本發明對混凝土韌性的提升效果，測試了普通粗集料在相同配合比下的性能。按照配合比7jC 160kg/m3、水泥457kg/m3、細集料619kg/m3、普通粗集料1140kg/m3、減水劑4. 57kg/m3拌制混凝土，成型後標養28d，測得其抗壓強度為66. 7MPa，斷裂韌性O. 82MPa · m1/2，斷裂能為 108N · πΓ1。 對比例2參照實施例5,區別僅為聚合乳液為苯丙乳液。按配合比水160kg/m3、水泥457kg/m3、細集料619kg/m3、苯丙乳液處理粗集料1140kg/m3、減水劑4. 57kg/m3拌制混凝土，成型後標養28d，測得其抗壓強度為56. 2MPa，斷裂韌性 O. 85MPa · ml/2，斷裂能為 121N · m_l。對比例3參照實施例5，區別僅為聚合乳液為聚乙烯醇乳液。按配合比水160kg/m3、水泥457kg/m3、細集料619kg/m3、聚乙烯醇乳液處理粗集料1140kg/m3、減水劑4. 57kg/m3拌制混凝土，成型後標養28d，測得其抗壓強度為58. 7MPa，斷裂韌性O. 84MPa · ml/2,斷裂能為134N · m-1。
權利要求
1.一種高強度高韌性粗集料的製備方法，其特徵在於包括如下步驟 A、將普通粗集料與環氧改性苯丙乳液或環氧改性聚乙烯醇乳液混勻，所述環氧改性苯丙乳液或環氧改性聚乙烯醇乳液的質量用量為普通粗集料質量的1% 3% ； B、將步驟A所得物料與增強膠材混勻並標養，得高強度高韌性粗集料，所述步驟A所得物料與增強膠材的質量比為I :(0. 002 O. 046)，所述增強膠材包括質量比為I :(0. I O.3) : (O. 05 O. I)的水泥、礦物摻合料和膨脹劑。
2.如權利要求I所述的高強度高韌性粗集料的製備方法，其特徵在於步驟B中，標養條件為在相對溼度為90±5%，溫度為20±2°C的條件下，養護2 3d。
3.如權利要求I或2所述的高強度高韌性粗集料的製備方法，其特徵在於步驟A中，混勻方法為將普通粗集料邊攪拌邊注入環氧改性苯丙乳液或環氧改性聚乙烯醇乳液，環氧改性苯丙乳液或環氧改性聚乙烯醇乳液注完後，繼續攪拌20-30min。
4.如權利要求I或2所述的高強度高韌性粗集料的製備方法，其特徵在於所述環氧改性苯丙乳液包括質量比為I : (O. 25 I. 5)的苯丙乳液和水性環氧樹脂。
5.如權利要求I或2所述的高強度高韌性粗集料的製備方法，其特徵在於所述環氧改性聚乙烯醇乳液包括質量比為I :(0. 25 I. 5)的聚乙烯醇乳液和水性環氧樹脂。
6.如權利要求I或2所述的高強度高韌性粗集料的製備方法，其特徵在於所述環氧改性苯丙乳液或環氧改性聚乙烯醇乳液的質量固含量為20-60%。
7.如權利要求I或2所述的高強度高韌性粗集料的製備方法，其特徵在於所述超細活性礦物摻合料為矽灰或納米二氧化矽中一種或兩種任意配比的混合物。
8.如權利要求I或2所述的高強度高韌性粗集料的製備方法，其特徵在於所述膨脹劑為氧化鈣類膨脹劑或鈣礬石類膨脹劑中一種或兩種任意配比的混合物。
9.由權利要求I至8任意一項所述的製備方法所製得的高強度高韌性粗集料。
10.由權利要求9所述的粗集料所製備的混凝土。
全文摘要
本發明公開了一種高強度高韌性粗集料、其製備方法及由其製備的混凝土。上述粗集料的製備方法，包括如下步驟A、將普通粗集料與環氧改性苯丙乳液或環氧改性聚乙烯醇乳液混勻；B、將步驟A所得物料與增強膠材混勻並標養，得高強度高韌性粗集料，所述步驟A所得物料與增強膠材的質量比為1(0.002～0.046)，所述增強膠材包括質量比為1(0.1～0.3)(0.05～0.1)的水泥、礦物摻合料和膨脹劑。利用本發明提供的一種高強度高韌性粗集料拌制混凝土，混凝土28d的抗壓強度、斷裂韌性、斷裂能較同配比的普通混凝土明顯提高。
文檔編號C04B28/00GK102898084SQ20121040063
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月19日 優先權日2012年10月19日
發明者繆昌文, 朱曉斌, 劉加平, 洪錦祥, 周偉玲, 徐靜, 黃衝, 鄧成, 劉至飛, 陳香, 王文峰, 萬贇 申請人:江蘇博特新材料有限公司, 江蘇蘇博特新材料股份有限公司, 江蘇省建築科學研究院有限公司, 姜堰市博特新材料有限公司