一种高强抗裂混凝土及其制备方法

技术领域

本申请涉及混凝土领域，更具体地说，它涉及一种高强抗裂混凝土及其制备方法。

背景技术

混凝土，是指由凝胶材料将集料胶结成整体的工程复合材料。其是以水泥作凝胶材料，砂石作集料，与水按一定比例混合，经均匀搅拌，密实成型，养护硬化而成的一种非匀质的多孔材料。

混凝土在建筑工程中最为常用，然而在混凝土浇筑完成后，经常出现很多质量问题，如强度较弱，出现断裂等现象。另外，混凝土在凝结过程中还容易出现收缩裂缝，从而形成不规则或贯穿的裂缝。

相关技术中，主要通过减缩剂降低混凝土的干缩值，以提高混凝土的抗裂性，但直接在混凝土中加入减缩剂不利于凝胶材料的早期水化作用，提高了水泥石孔道毛细管的张力，使混凝土存在潜在开裂的风险，且混凝土干缩产生裂缝仅是混凝土开裂的诸多因素之一，并不能综合提高混凝土的抗裂性能。

发明内容

为了提高混凝土的抗裂性能，本申请提供了一种高强抗裂混凝土及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种高强抗裂混凝土，其采用如下技术方案：

一种高强抗裂混凝土，其由包括如下重量份的原料制备而成：矾土水泥250-350份，粉煤灰100-120份、河砂300-500份、碎石550-750份、聚乙烯醇纤维10-20份、聚羧酸盐高效减水剂15-20份、脂肪醇醚酯硫酸钠盐5-7份、镁质膨胀剂3-7份、水100-120份。

本申请高强抗裂混凝土原料可选用矾土水泥250-350份，粉煤灰100-120份、河砂300-500份、碎石550-750份、聚乙烯醇纤维10-20份、聚羧酸盐高效减水剂15-20份、脂肪醇醚酯硫酸钠盐5-7份、镁质膨胀剂3-7份、水100-120份，混凝土的各性能效果可预期，且当矾土水泥300份，粉煤灰110份、河砂400份、碎石650份、聚乙烯醇纤维16份、聚羧酸盐高效减水剂18份、脂肪醇醚酯硫酸钠盐6份、镁质膨胀剂6份、水110份时，效果最佳。

通过采用上述技术方案，矾土水泥的收缩值小，可减少混凝土因水泥收缩过大而产生裂缝。粉煤灰的加入，可改善混凝土拌合料的和易性、流动性、粘聚性和保水性，减少混凝土坍落度损失；另外加入粉煤灰可减少水泥用量，且粉煤灰放热量少，减少水化放热，降低的混凝土施工时的温度，可明显减少施工所造成的裂缝；同时，粉煤灰还可提高混凝土的抗渗性和耐腐蚀性，提高了混凝土的强度和抗裂性。

河砂选用粒径较大的中、粗砂拌制的混凝土比采用细沙拌制的混凝土可减少用水量，同时减少水泥用量，使水泥水化热减少，降低混凝土温度升高，减少混凝土收缩。

聚乙烯醇纤维高了混凝土的抗塑性开裂能力和极限拉伸值性能，同时纤维具有一定的弹性，能够增加混凝土的弹性模量，减少长期使用中热胀冷缩产生的裂缝。聚羧酸高效减水剂可降低水化热峰值，使混凝土收缩具有补偿功能，提高混凝土的抗裂性能，同时提高混凝土强度。

脂肪醇醚酯硫酸钠盐作为引气剂加入，能在混凝土中引入大量分布均匀的微小气泡，以减少混凝土泌水离析，改善和易性，并能显著提高混凝土的抗冻耐久性。镁质膨胀剂可在大体积混凝土结构内部温度下降段产生膨胀，并长期保持稳定，补偿混凝土结构的温度收缩，从而使结构内部产生少量的预压应力，由此降低混凝土结构收缩裂缝的出现几率。

作为优选：一种高强抗裂混凝土，其由包括如下重量份的原料制备而成：矾土水泥270-320份，粉煤灰105-115份、河砂350-450份、碎石600-700份、聚乙烯醇纤维14-18份、聚羧酸盐高效减水剂17-19份、脂肪醇醚酯硫酸钠盐5.5-6.5份、镁质膨胀剂4-6份、水105-115份。

作为优选：所述聚乙烯醇纤维通过接枝改性处理得到改性聚乙烯醇纤维；所述改性聚乙烯醇纤维包括如下原料：聚乙烯醇纤维、玄武岩纤维、硅烷偶联剂、纳米水合硅石、甲苯、去离子水、三亚乙基二胺；所述改性聚乙烯醇纤维通过以下具体操作步骤得到：

将硅烷偶联剂与去离子水按体积比1：(0.5-1)的比例混合，搅拌均匀，得到硅烷偶联剂水解液；

将纳米水合硅石与甲苯按体积比1：(40-50)的比例混合均匀，加入硅烷偶联剂水解液，在50-60℃回流反应6h，加入三亚乙基二胺，三亚乙基二胺的用量为去离子水用量的2倍，混合均匀后，然后将聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维按体积比1：(1-2)加入，在100-110℃接枝改性2h，过滤，收集固体，清洗，在50-90℃干燥2h，得到改性后的聚乙烯醇纤维。

通过采用上述技术方案，在改性过程中加入了玄武岩纤维，玄武岩纤维由天然的玄武岩矿石高温拉丝而成，可提高混凝土的开裂荷载，且裂缝宽度发展更为缓慢，相同荷载作用下裂缝宽度显著减少，提高了混凝土的强度和抗裂性。将纳米水合硅石接枝到聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维表面，提高了聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维的强度，并通过硅烷偶联剂提高了聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维在混凝土原料中的分散性，进一步提高混凝土的强度和抗裂性。

作为优选：所述聚乙烯醇纤维的长度为8mm。

通过采用上述方案，将聚乙烯醇纤维的长度控制在8mm，可进一步抑制混凝土早期塑性的产生并显著提高混凝土的抗渗性。

作为优选：所述混凝土中还包括10-20份的无机纳米抗裂减渗剂。

通过采用上述技术方案，无机纳米抗裂减渗剂可避免混凝土水化热过高引起的温度应力开裂，提高混凝土的抗裂及改善混凝土的易和性，减少水泥，减水剂用量、减少塌落度损失，密实混凝土结构，从而提高混凝土的抗裂性和强度。

作为优选：所述混凝土中还包括如下重量份原料：贝壳微粉10-30份。

通过采用上述技术方案，贝壳粉可作为细骨料加入，

贝壳微粉具有碳酸钙含量高的特性，同时贝壳微粉中富含的微量有机质可改善混凝土的孔隙率，可达到提高混凝土强度的效果。

作为优选：所述贝壳微粉通过钛酸酯偶联剂进行表面改性而得，具体操作如下：将钛酸酯偶联剂和稀释剂按体积比1：(1-3)均匀混合，加入贝壳微粉，在50-70℃搅拌1-2h，过滤，收集固体，清洗，在50-70℃干燥1h，得到改性的贝壳微粉。

通过采用上述技术方案，但贝壳微粉的表面能较大，容易发生团聚，降低混凝土强度，因此对贝壳微粉进行改性，进一步提高贝壳微粉在混凝土原料中的分散性，从而提高混凝土的强度。

作为优选：所述贝壳微粉改性前进行以下预处理：将贝壳微粉在100-110℃条件下烘干6h。

通过采用上述技术方案，在贝壳微粉改性前就行烘干处理，减少贝壳微粉内部水分，更有利于钛酸酯偶联剂与贝壳微粉表面的成键结合，提高贝壳微粉在混凝土中的分散均匀性。

第二方面，本申请提供一种上述任一项高强抗裂混凝土的制备方法，具体通过以下技术方案得以实现：

一种高强抗裂混凝土的制备方法，其包括以下操作步骤：

将矾土水泥、河砂、碎石、粉煤灰混合均匀，研磨过200目筛，得到混合干料；

在混合干料中加入剩余原料，搅拌均匀，得到高强抗裂混凝土。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

(1)本申请通过控制高强抗裂混凝土各原料的种类和掺量，使混凝土7d和28d的抗压强度分别为68.7MPa和76.7MPa，且坍落度和干缩率分别为86mm和0.035％；经过抗裂性能测试后，裂缝数量、最大裂缝宽度和裂缝长度分别为9条、0.42mm和451mm，抗裂等级为2级；提高了混凝土的抗压强度和抗裂性。

(2)本申请通过对高强抗裂混凝土原料中聚乙烯醇纤维进行改性，并限定聚乙烯醇纤维的长度，使混凝土7d和28d的抗压强度分别为69.2MPa和77.1MPa，且坍落度和干缩率分别为83mm和0.031％；经过抗裂性能测试后，裂缝数量、最大裂缝宽度和裂缝长度最低分别为8条、0.38mm和405mm；进一步提高了混凝土的强度和抗裂性。

(3)本申请通过在混凝土原料中添加无机纳米抗裂减渗剂和贝壳微粉，并调节二者用量，使混凝土7d和28d的抗压强度分别为70.6MPa和78.5MPa，且坍落度和干缩率分别为77mm和0.025％；经过抗裂性能测试后，裂缝数量、最大裂缝宽度和裂缝长度最低分别为4条、0.30mm和351mm；提高了混凝土的抗裂性和抗压强度。

(4)本申请通过将贝壳微粉改性，并在改性前对贝壳微粉进行烘干预处理，使混凝土7d和28d的抗压强度分别为71.3MPa和79.2MPa，且坍落度和干缩率分别为76mm和0.024％；经过抗裂性能测试后，裂缝数量、最大裂缝宽度和裂缝长度最低分别为2条、0.20mm和330mm，抗裂等级为1级；进一步提高了混凝土的强度和抗裂性。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细说明。

本申请中的如下各原料均为市售产品，具体为：矾土水泥，粒径为200目；粉煤灰，粒径为325目；河砂，粒径70-100目；碎石，粒径为4-6mm；；聚乙烯醇纤维，长度为8mm和6mm；聚羧酸高效减水剂，有效物质含量为99％；脂肪醇醚酯硫酸钠盐，硫酸钠含量≤1.5％；镁质膨胀剂，氧化镁含量＞90％；玄武岩纤维，粒径为1-3mm；硅烷偶联剂，型号为KH-560；纳米水合硅石，粒径为20nm；三亚乙基二胺，有效物质含量为99.9％；贝壳微粉，粒径为325目。

实施例1

一种高强抗裂混凝土，其通过如下操作步骤制备得到：

按照表1的掺量，将矾土水泥、河砂、碎石、粉煤灰混合均匀，研磨过200目筛，得到混合干料；

在混合干料中加入聚乙烯醇纤维、聚羧酸盐高效减水剂、脂肪醇醚酯硫酸钠盐和镁质膨胀剂，搅拌均匀，得到高强抗裂混凝土。

实施例2-5

实施例2-5的高强抗裂混凝土与实施例1的制备方法及原料种类完全相同，区别在于各原料掺量不同，具体详见表1所示。

表1实施例1-5的高强抗裂混凝土的各原料掺量(单位：kg)

实施例6

实施例6的高强抗裂混凝土与实施例3的原料掺量和制备方法完全相同，区别在于聚乙烯醇纤维选用改性后的聚乙烯醇纤维，改性后的聚乙烯醇纤维通过如下操作步骤制备得到：将20kg硅烷偶联剂与20kg去离子水混合，搅拌均匀，得到硅烷偶联剂水解液；将1kg纳米水合硅石与50kg甲苯混合均匀，加入硅烷偶联剂水解液，在60℃回流反应6h，加入10kg三亚乙基二胺，混合均匀后，然后将10kg长度为6mm的聚乙烯醇纤维和15kg玄武岩纤维按加入，在110℃接枝改性2h，过滤，收集固体，清洗，在50℃干燥2h，得到改性后的聚乙烯醇纤维，其他原料种类和掺量与实施例3相同。

实施例7

实施例7的高强抗裂混凝土与实施例6的制备方法完全相同，区别在于，改性后的聚乙烯醇纤维的长度为8mm，其他原料种类和掺量与实施例6相同。

实施例8-10

实施例8-10的高强抗裂混凝土与实施例7的制备方法完全相同，区别在于，各原料种类不同，具体详见表2所示。

表2实施例8-10的高强抗裂混凝土的各原料掺量(单位：kg)

实施例11

实施例11的高强抗裂混凝土与实施例7的制备方法完全相同，区别在于混凝土原料中加入贝壳微粉，具体掺量详见表3所示。

实施例12

实施例12的高强抗裂混凝土与实施例9的制备方法完全相同，区别在于混凝土原料中加入贝壳微粉，具体掺量详见表3所示。

实施例13-14

实施例13-14的高强抗裂混凝土与实施例12的制备方法完全相同，区别在于，混凝土各原料种类不同，具体详见表3所示。

表3实施例11-14的高强抗裂混凝土的各原料掺量(单位：kg)

实施例15

实施例15的高强抗裂混凝土与实施例13的制备方法完全相同，区别在于，所述贝壳微粉通过钛酸酯偶联剂进行表面改性而得，具体操作如下：将钛酸酯偶联剂和稀释剂按体积比1:2均匀混合，加入贝壳微粉，在60℃搅拌2h，过滤，收集固体，清洗，在50℃干燥1h，得到改性的贝壳微粉，其他原料和种类与实施例13相同。

实施例16

实施例16的高强抗裂混凝土与实施例15的制备方法完全相同，区别在于，所述贝壳微粉改性前进行以下预处理：将贝壳微粉在110℃条件下烘干6h，其他原料和种类与实施例15相同。

对比例1

对比例1的高强抗裂混凝土与实施例1的制备方法完全相同，区别在于：混凝土原料中将聚羧酸盐高效减水剂等量替换为萘系减水剂，其余原料及掺量与实施例1相同。

对比例2

对比例2的高强抗裂混凝土与实施例1的制备方法完全相同，区别在于：混凝土原料中未添加聚乙烯醇纤维，其余原料及掺量与实施例1相同。

对比例3

对比例3的高强抗裂混凝土与实施例1的制备方法完全相同，区别在于：混凝土原料中未添加镁质膨胀剂，其余原料及掺量与实施例1相同。

性能检测

采用GB/T50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》的检测方法及标准，分别对实施例1-16和对比例1-3的高强抗裂混凝土制作标准试块并进行检测，检测结果具体详见表4和表5。

抗压强度：分别将7d和28d试样放置于压力机下，对试样均匀地持续施加荷载，控制加载速度为0.08MPa/s，直至试样破坏，记录荷载的强度，检测结果具体详见表4所示。

抗裂性能：将本申请混凝土试样用弯起的波浪形应力约束条提供约束力，在24-26℃、相对湿度60-70％条件下，电风扇吹试样表面，风速8m/s，连续吹24h，期间观测并记录裂缝的数量、最大裂缝宽度和长度，并评价抗裂等级，具体详见表5所示。

干缩率：根据GBJ82-1985《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》检测，检测结果具体详见表4所示。

表4不同高强抗裂混凝土的性能检测结果

由表4的检测结果表明，本申请得到的混凝土7d和28d的抗压强度最高分别为71.3MPa和79.2MPa，且坍落度和干缩率最低分别为74mm和0.022％，提高了混凝土的抗压强度，并降低了混凝土的干缩率和坍落度。

实施例1-5中，实施例3混凝土7d和28d的抗压强度分别为68.7MPa和76.7MPa，均高于实施例1-2和实施例4-5混凝土；且坍落度和干缩率分别为86mm和0.035％，均低于实施例1-2和实施例4-5混凝土，提高了混凝土的抗压强度，并降低了混凝土的收缩率。可能是与混凝土中聚乙烯醇纤维具有一定的弹性和韧性有关。

结合实施例6与实施例3混凝土的性能检测数据可以发现，实施例6混凝土的7d和28d的抗压强度分别为68.9MPa和76.9MPa，均高于实施例3混凝土；且坍落度和干缩率分别为85mm和0.032％，均低于实施例3混凝土，表明实施例6对聚乙烯醇纤维进行改性后，可进一步提高聚乙烯醇纤维混凝土原料中的分散均匀性，从而提高了混凝土的抗压强度。

结合实施例7与实施例6混凝土的性能检测数据可以发现，实施例7混凝土的7d和28d的抗压强度分别为69.2MPa和77.1MPa，均高于实施例6混凝土；且坍落度和干缩率分别为83mm和0.031％，均低于实施例6混凝土，表明限定聚乙烯醇纤维的长度，可进一步提高混凝土的抗压强度，降低混凝土的干缩率。

实施例8-10中，实施例9混凝土的7d和28d的抗压强度分别为69.6MPa和77.5MPa，均高于实施例8和实施例10混凝土；且坍落度和干缩率分别为80mm和0.028％，均低于实施例8和实施例10混凝土，表明实施例9混凝土原料中的无机纳米抗裂减渗剂的掺量较为合适，可进一步提高混凝土的抗压强度，降低混凝土的干缩率。

结合实施例7和实施例11混凝土的性能检测数据可以发现，实施例11混凝土的7d和28d的抗压强度分别为69.3MPa和77.2MPa，均高于实施例7混凝土；且坍落度和干缩率分别为82mm和0.030％，均低于实施例7混凝土，表明在混凝土原料中加入贝壳微粉，可进一步提高混凝土的抗压强度。

实施例12-14中，实施例13混凝土的7d和28d的抗压强度分别为70.6MPa和78.5MPa，均高于实施例12和实施例14混凝土；且坍落度和干缩率分别为77mm和0.025％，均低于实施例12和实施例14混凝土，表明在混凝土原料中加入贝壳微粉和无机纳米抗裂减渗剂，可进一步提高混凝土的抗压强度。

结合实施例15和实施例13混凝土的性能检测数据可以发现，实施例15混凝土28d的抗压强度为78.7MPa，均高于实施例13混凝土；且坍落度和干缩率分别为76mm和0.024％，均低于实施例13混凝土，表明对混凝土原料中贝壳微粉进行改性，提高贝壳微粉在混凝土原料中的分散性，可进一步提高混凝土的抗压强度。

结合实施例16和实施例15混凝土的性能检测数据可以发现，实施例16混凝土7d和28d的抗压强度分别为71.3MPa和79.2MPa，均高于实施例15混凝土；且坍落度和干缩率分别为74mm和0.022％，均低于实施例15混凝土，表明在混凝土原料中贝壳微粉改性前进行烘干预处理，可提高钛酸酯偶联剂与贝壳微粉表面的成键结合，提高贝壳微粉在混凝土中的分散均匀性，从而提高混凝土的抗压强度。

另外，结合对比例1-3和实施例1的各项指标数据发现，本申请在混凝土原料中加入聚乙烯醇纤维、聚羧酸盐高效减水剂和镁质膨胀剂，均可不同程度的提高混凝土的抗压强度，并降低混凝土的干缩性。

表5不同高强抗裂混凝土的性能检测结果

由表5的检测结果表明，本申请得到的混凝土在经过抗裂性能测试后，裂缝数量、最大裂缝宽度和裂缝长度最低分别为2条、0.20mm和330mm，抗裂等级为1级，提高了混凝土的抗裂性。

实施例1-5中，实施例3混凝土在经过抗裂性能测试后，裂缝数量、最大裂缝宽度和裂缝长度分别为9条、0.42mm和451mm，抗裂等级为2级，均低于实施例1-2和实施例4-5混凝土，提高了混凝土的抗裂性。可能是与混凝土中聚乙烯醇纤维对混凝土其他原料起到连接作用有关。

结合实施例6与实施例3混凝土的性能检测数据可以发现，实施例6混凝土在经过抗裂性能测试后，裂缝数量、最大裂缝宽度和裂缝长度最低分别为8条、0.41mm和436mm，均低于实施例3混凝土，表明实施例6对聚乙烯醇纤维进行改性后，可进一步提高聚乙烯醇纤维混凝土原料中的分散均匀性，从而提高了混凝土的抗裂性。

结合实施例7与实施例6混凝土的性能检测数据可以发现，实施例7混凝土在经过抗裂性能测试后，裂缝数量、最大裂缝宽度和裂缝长度最低分别为8条、0.38mm和405mm，均低于实施例6混凝土，表明限定聚乙烯醇纤维的长度，可进一步提高混凝土的抗裂性。

实施例8-10中，实施例9混凝土在经过抗裂性能测试后，裂缝数量、最大裂缝宽度和裂缝长度最低分别为6条、0.36mm和387mm，均低于实施例8和实施例10混凝土，表明实施例9混凝土原料中的无机纳米抗裂减渗剂的掺量较为合适，可进一步提高混凝土的抗裂性。

结合实施例7和实施例11混凝土的性能检测数据可以发现，实施例11混凝土在经过抗裂性能测试后，裂缝数量、最大裂缝宽度和裂缝长度最低分别为7条、0.34mm和362mm，均低于实施例7混凝土，表明在混凝土原料中加入贝壳微粉，可进一步提高混凝土的抗裂性。

实施例12-14中，实施例13混凝土在经过抗裂性能测试后，裂缝数量、最大裂缝宽度和裂缝长度最低分别为4条、0.30mm和351mm，均低于实施例12和实施例14混凝土，表明在混凝土原料中加入贝壳微粉和无机纳米抗裂减渗剂，可进一步提高混凝土的抗裂性。

结合实施例15和实施例13混凝土的性能检测数据可以发现，实施例15混凝土在经过抗裂性能测试后，裂缝数量、最大裂缝宽度和裂缝长度最低分别为3条、0.25mm和342mm，且抗裂等级为1级，均低于实施例13混凝土，表明对混凝土原料中贝壳微粉进行改性，提高贝壳微粉在混凝土原料中的分散性，可进一步提高混凝土的抗裂性。

结合实施例16和实施例15混凝土的性能检测数据可以发现，实施例16混凝土在经过抗裂性能测试后，裂缝数量、最大裂缝宽度和裂缝长度最低分别为2条、0.20mm和330mm，均低于实施例15混凝土，表明在混凝土原料中贝壳微粉改性前进行烘干预处理，可提高钛酸酯偶联剂与贝壳微粉表面的成键结合，提高贝壳微粉在混凝土中的分散均匀性，从而提高混凝土的抗裂性。

另外，结合对比例1-3和实施例1的各项指标数据发现，本申请在混凝土原料中加入聚乙烯醇纤维、聚羧酸盐高效减水剂和镁质膨胀剂，均可不同程度的提高混凝土的抗裂性。

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。