一种低收缩稳定型混凝土及其制备方法

技术领域

本申请涉及混凝土技术领域，更具体地说，它涉及一种低收缩稳定型混凝土及其制备方法。

背景技术

混凝土收缩是指在混凝土凝结初期或硬化过程中出现的体积缩小现象，混凝土收缩常常伴随有混凝土开裂，一旦混凝土发生开裂，则会影响混凝土的耐久性，大大缩短混凝土的使用寿命。目前，降低混凝土收缩的主要手段是在混凝土中掺加膨胀剂，膨胀剂能够在混凝土发生收缩的同时产生补偿收缩，能够起到减缩抗裂的作用。

相关技术中有一种低收缩稳定型混凝土，由混凝土拌和物经过入模养护后得到，该混凝拌和物包括如下重量份的组分：硅酸盐水泥312份，粉煤灰78份，粗骨料1030份，细骨料730份，拌和用水175份，膨胀剂50份，聚羧酸减水剂3.9份，膨胀剂选用氧化镁膨胀剂。

针对上述中的相关技术，发明人认为，膨胀剂需要有充足的水分才能够发挥良好的膨胀作用，而当施工地点位于干旱地区时，混凝土中的自由水容易蒸发，并且硅酸盐水泥的水化也会和膨胀剂争夺水分，导致膨胀剂的膨胀效果不佳，容易使得混凝土出现明显的收缩。

发明内容

相关技术中，当施工地点位于干旱地区时，膨胀剂的膨胀效果不佳，容易使得混凝土出现明显的收缩。为了改善这一缺陷，本申请提供一种低收缩稳定型混凝土及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种低收缩稳定型混凝土，采用如下的技术方案：

一种低收缩稳定型混凝土，所述低收缩稳定型混凝土由混凝土拌和物经过入模养护后得到，所述混凝拌和物包括如下重量份的组分：硅酸盐水泥304-320份，粉煤灰76-80份，粗骨料1000-1060份，细骨料700-760份，拌和用水170-180份，内养护膨胀颗粒80-90份，聚羧酸减水剂3.8-4.0份，所述内养护膨胀颗粒为核壳型结构，所述内养护膨胀颗粒包括核心以及外壳，所述核心的组分包括膨胀剂，所述外壳包括粘附在核心表面的粉体粘附层和粘附在粉体粘附层表面的保水膜层，所述粉体粘附层的组分包括水和废弃混凝土粉，所述保水膜层为甲基硅防水剂的固化产物。

通过采用上述技术方案，本申请将膨胀剂制成内养护膨胀颗粒，内养护膨胀颗粒的粉体粘附层中含有废弃混凝土粉和水，废弃混凝土粉能够在粉体粘附层中储存水，并使得粉体粘附层对水具有缓释效果。粉体粘附层释放的水能够与膨胀剂反应，从而为膨胀剂提供了持续的水源。在粉体粘附层释放水同时，保水膜层阻碍了水向内养护膨胀颗粒外的扩散，减少了拌和用水的蒸发和硅酸盐水泥的水化对膨胀效果造成的影响，抑制了混凝土在干旱地区施工时出现的收缩现象。

在新拌混凝土内部的碱性环境中，保水膜层会受到氢氧根离子的攻击而逐渐水解，从而减少了内养护膨胀颗粒与混凝土基体之间出现裂缝的可能。而在混凝土拌和物初凝之前，保水膜层能够将粉体粘附层与混凝土拌和物中的聚羧酸减水剂隔离，从而减少了聚羧酸减水剂在内养护膨胀颗粒表面的吸附，维持了聚羧酸减水剂的减水率，减少了对混凝土强度的影响。

作为优选，所述混凝拌和物包括如下重量份的组分：硅酸盐水泥308-316份，粉煤灰77-79份，粗骨料1020-1040份，细骨料720-740份，拌和用水172-178份，内养护膨胀颗粒83-87份，聚羧酸减水剂3.85-3.95份。

通过采用上述技术方案，优选了混凝土拌和物的配合比，有助于抑制混凝土的收缩。

作为优选，所述内养护膨胀颗粒按照如下方法制备：

(1)将废弃混凝土破碎后再进行研磨，得到废弃混凝土粉，将废弃混凝土粉和填充剂混合，得到外壳原粉；

(2)将膨胀剂加入盘式造粒设备中，并向盘式造粒设备中喷淋硅溶胶，经过搅拌后得到核心；将外壳原粉加入盘式造粒设备中，继续向盘式造粒设备中喷淋硅溶胶并进行搅拌，得到前体颗粒；

(3)在表面改性液中浸渍前体颗粒160-200s，然后将前体颗粒捞出，并在湿度95-100％的条件下储存24-36h，得到内养护膨胀颗粒；本步骤中，表面改性液的组分包括水和甲基硅酸钠。

通过采用上述技术方案，本申请以硅溶胶为粘结剂，在硅溶胶的粘结作用下对膨胀剂进行造粒，得到了以膨胀剂为主体的核心，然后在硅溶胶的粘结作用下将含有废弃混凝土粉的外壳原粉粘附到了核心表面，形成了粉体粘附层，得到了前体颗粒。前体颗粒在表面改性液中浸渍的过程中，粉体粘附层吸收水分，甲基硅酸钠则吸附在粉体粘附层的表面。浸渍结束后，前体颗粒在湿度95-100％的条件下储存，减少了水分的流失，同时甲基硅酸钠在粉体粘附层的表面水解，产生的聚硅氧烷形成了保水膜层，从而得到了内养护膨胀颗粒。

作为优选，所述填充剂选用高岭土。

通过采用上述技术方案，高岭土在实现填充作用的同时，还具有一定的缓释作用。高岭土的耐碱性差，但是凭借这一特点，当废弃混凝土粉中残留的胶凝活性成分发生水化反应后，高岭土能吸收水化产物中的碱性物质，从而阻碍了水化产物在粉体粘附层中形成强度的过程，减小了膨胀剂受到的约束，有利于膨胀剂的充分膨胀。

作为优选，所述表面处理液中甲基硅酸钠的质量分数为0.08-0.12％。

通过采用上述技术方案，优选了表面处理液中甲基硅酸钠的质量分数，有助于减缓甲基硅酸钠在粉体粘附层表面的水解速率，有利于粉体粘附层充分吸水。

作为优选，所述表面处理液的组分还包括木质素磺酸钠。

通过采用上述技术方案，木质素磺酸钠的磺酸基能够与粉体粘附层中带正电荷的组分发生静电吸附，从而中和了内养护膨胀颗粒表面的正电荷，减少了内养护膨胀颗粒对聚羧酸减水剂的吸附量，维持了聚羧酸减水剂的减水率，减少了对混凝土强度的影响。

作为优选，所述膨胀剂的组分包括钢渣粉。

通过采用上述技术方案，钢渣粉中含有金属铁、游离氧化钙和游离氧化镁，游离氧化钙和游离氧化镁在遇水后均可发生膨胀。其中，氧化镁反应速率相对较慢，而氧化钙反应速率较快，放热明显。钢渣中的金属铁能够起到导热效果，提高了内养护膨胀颗粒内部温度的均匀度，减少了内养护膨胀颗粒由于游离氧化钙水化放热而开裂的可能。

作为优选，所述膨胀剂的组分还包括氯化镁。

通过采用上述技术方案，对于设计方案不需要配筋的混凝土构件而言，氯化镁中的氯离子能够促进钢渣中的金属铁向氧化铁转化，而铁转化为氧化铁后体积增大，而改善了内养护膨胀颗粒的膨胀效果。

作为优选，所述膨胀剂的组分还包括生铁屑。

通过采用上述技术方案，生铁的碳含量较高，生铁屑能够在内养护膨胀颗粒中形成原电池，通过电化学反应产生氧化铁，而氯化镁电离出的氯离子也能够促进生铁屑的氧化，从而改善了内养护膨胀颗粒的膨胀效果。

第二方面，本申请提供一种低收缩稳定型混凝土的制备方法，采用如下的技术方案。

一种低收缩稳定型混凝土的制备方法，包括以下步骤：

(1)将聚羧酸减水剂和拌和用水混合，得到减水剂溶液；将粗骨料、细骨料、内养护膨胀颗粒、硅酸盐水泥、粉煤灰混合，得到干拌料；

(2)将干拌料与减水剂溶液混合，然后搅拌120-180s，得到混凝土拌和物；

(3)对混凝土拌和物进行入模养护，养护到规定龄期后得到保温隔热型混凝土。

通过采用上述技术方案，本申请的方法先配制了减水剂溶液和干拌料，然后将减水剂溶液和干拌料混合后拌制了混凝土拌和物，再经过入模养护得到了保温隔热型混凝土。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、本申请将膨胀剂制成内养护膨胀颗粒，废弃混凝土粉能够在粉体粘附层中储存水，并使得粉体粘附层对水具有缓释效果，为膨胀剂提供了持续的水源。同时，保水膜层阻碍了水向内养护膨胀颗粒外的扩散，减少了拌和用水的蒸发和硅酸盐水泥的水化对膨胀效果造成的影响，抑制了混凝土在干旱地区施工时出现的收缩现象。

2、本申请优选了表面处理液中甲基硅酸钠的质量分数，有助于减缓甲基硅酸钠在粉体粘附层表面的水解速率，有利于粉体粘附层充分吸水。

3、本申请的方法，先配制了减水剂溶液和干拌料，然后将减水剂溶液和干拌料混合后拌制了混凝土拌和物，再经过入模养护得到了保温隔热型混凝土。

具体实施方式

以下结合实施例、制备例和对比例对本申请作进一步详细说明，本申请涉及的原料均可通过市售获得。

内养护膨胀颗粒的制备例

以下以制备例1为例说明。

制备例1

本制备例中，内养护膨胀颗粒按照以下方法制备：

(1)将废弃混凝土破碎后再进行研磨，得到平均粒径20μm的废弃混凝土粉，将废弃混凝土粉和填充剂按照4:1的重量比混合，得到外壳原粉；本步骤中，填充剂选用平均粒径3.5μm的石英粉体；

(2)将90kg膨胀剂加入盘式造粒机中，并向盘式造粒设备中喷淋含水率92％的硅溶胶，经过搅拌后得到平均粒径5.6mm的核心；将外壳原粉加入盘式造粒机中，继续向盘式造粒设备中喷淋含水率92％硅溶胶并进行搅拌，得到平均粒径6.8mm的前体颗粒；本步骤中，膨胀剂为氧化镁粉体；

(3)在表面改性液中浸渍前体颗粒180s，然后将前体颗粒捞出，并在湿度98％的条件下储存30h，得到内养护膨胀颗粒；本步骤中，表面改性液为质量浓度0.07％的甲基硅酸钠溶液。

制备例2

本制备例与制备例1的不同之处在于，填充剂为平均粒径3.5μm的高岭土。

制备例3-6

如表1，制备例3-6与制备例1的不同之处在于甲基硅酸钠的质量分数不同。

表1甲基硅酸钠的质量分数

制备例7

本制备例与制备例1的不同之处在于，表面处理液中还含有木质素磺酸钠，木质素磺酸钠的质量分数为0.15％。

制备例8

本制备例与制备例1的不同之处在于，将30％重量的氧化镁替换为钢渣粉，钢渣粉的比表面积为450㎡/kg，钢渣粉中铁单质的质量分数为4％，游离氧化钙的质量分数为5.2％，氧化镁含量为12.6％，钢渣粉的用量为氧化镁粉体重量的30％。

制备例9

本制备例与制备例8的不同之处在于，膨胀剂的组分还包括氯化镁，氯化镁的用量为氧化镁粉体重量的1％。

制备例10

本制备例与制备例9的不同之处在于，将氧化镁粉体重量的30％替换为含碳量3.17％的生铁屑，生铁屑的平均粒径为180μm。

制备例11

本制备例与制备例10的不同之处在于，将生铁屑替换为相同重量的含碳量0.01％的熟铁屑。

制备例12

本制备例与制备例1的不同之处在于，将制备例1的表面改性液替换为去离子水。

实施例

实施例1-5

以下以实施例1为例进行说明。

实施例1

本实施例中所用的内养护膨胀颗粒在参与混凝土拌和物的制备之前，始终在湿度98％的环境中保存；内养护膨胀颗粒从离开表面改性液时时开始计算，一共在湿度98％的环境中保存了30h。

本实施例中，低收缩稳定型混凝土按照以下步骤制备：

(1)将3.8kg聚羧酸减水剂和170kg拌和用水混合，得到减水剂溶液；将1000kg粗骨料、700kg细骨料、80kg制备例1的内养护膨胀颗粒、304kg硅酸盐水泥、76kg粉煤灰混合，得到干拌料；

(2)将干拌料与减水剂溶液混合，然后搅拌180s，得到混凝土拌和物；

(3)对混凝土拌和物进行入模养护，养护到规定龄期后得到保温隔热型混凝土。

如表2,实施例1-5的不同之处主要在于原料配比不同。

表2混凝土拌和物的配比

实施例6-15

如表3，实施例6-15与实施例3的不同之处在于，内养护膨胀颗粒的制备例不同。

表3内养护膨胀颗粒的制备例

对比例

对比例1

本对比例提供一种低收缩稳定型混凝土，按照以下步骤制备：

(1)将3.9kg聚羧酸减水剂和175kg拌和用水混合，得到减水剂溶液；将1030kg粗骨料、730kg细骨料、312kg硅酸盐水泥、78kg粉煤灰混合，得到干拌料；

(2)将膨胀剂、干拌料、减水剂溶液混合，然后搅拌180s，得到混凝土拌和物；本步骤中，膨胀剂为氧化镁粉体，膨胀剂的用量与80kg制备例1的内养护膨胀颗粒中含有的氧化镁重量相同；

(3)对混凝土拌和物进行入模养护，养护到规定龄期后得到保温隔热型混凝土。

对比例2

本对比例与实施例3的不同之处在于，混凝土拌和物的组分不包括内养护膨胀颗粒。

对比例3

本对比例与实施例3的不同之处在于，将内养护膨胀颗粒减压干燥至恒重后，再用于混凝土拌和物的制备。

对比例4

本对比例与实施例3的不同之处在于，内养护膨胀颗粒按照制备例12的方法制备。

性能检测试验方法

一、抗收缩性能检测原理:本申请参照《GB/T 50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》8.1记载的方法检测混凝土试件的收缩率。

试样准备：试样尺寸为100mm×100mm×515mm的棱柱体试件，其中分为对照组和试验组，对照组的混凝土拌和物配方由实施例3的混凝土拌和物配方去除内养护膨胀颗粒后得到，试验组的混凝土拌和物则对应各实施例和对比例。

养护条件：为了模拟干旱地区的恶劣养护条件，将试样的养护湿度从常规的95％下调至80％。

结果处理：得到180d的收缩率后，计算各试验组的收缩率与对照组的收缩率的比值，结果记为相对收缩率，结果见表4。

表4

二、强度性能检测原理:本申请参照《GB/T 50081-2019混凝土物理力学性能试验方法标准》记载的方法检测混凝土试件的抗压强度。

试样准备：试样尺寸为150mm×150mm×150mm的棱柱体试件。

养护条件：为了模拟干旱地区的恶劣养护条件，将试样的养护湿度从常规的95％下调至80％。

表5

结合实施例1-5和对比例1并结合表4可以看出，实施例1-5测得的相对收缩率均低于对比例1，说明本申请的内养护膨胀颗粒能够为核心中的膨胀剂提供充足的水分，并且能够阻碍水分的外流，从而减少了相对干燥的养护条件对膨胀剂的限制。

结合实施例3和对比例2并结合表4可以看出，实施例3测得的相对收缩率低于对比例2，且对比例2的相对收缩率接近100％，说明当混凝土的组分不包括内养护膨胀颗粒时，无法发挥抗收缩效果。

结合实施例3和对比例3并结合表4可以看出，实施例3测得的相对收缩率低于对比例3，且对比例3的相对收缩率接近100％，说明当内养护膨胀颗粒干燥至恒重之后，保水膜层会阻碍水从外界进入，内养护膨胀颗粒内部没有足够的水与膨胀剂反应，使得内养护膨胀颗粒的膨胀效果无法正常发挥。

结合实施例3和对比例4并结合表5可以看出，实施例3测得的抗压强度大于对比例4，说明实施例3的保水膜层阻碍了聚羧酸减水剂与内养护膨胀颗粒之间的吸附，减少了聚羧酸减水剂减水效果的损失，增加了水泥的水化程度，提高了混凝土试件的抗压强度。

结合实施例3和实施例6并结合表4可以看出，实施例6测得的相对收缩率低于实施例3，说明当废弃混凝土粉中残留的胶凝活性成分发生水化反应后，高岭土能吸收水化产物中的碱性物质，从而阻碍了水化产物在粉体粘附层中形成强度的过程，减小了膨胀剂受到的约束，有利于膨胀剂的充分膨胀。

结合实施例3、实施例7-10并结合表4可以看出，当表面处理液中甲基硅酸钠的质量分数为0.08-0.12％时，测得的相对收缩率相对较低，说明当甲基硅酸钠的质量分数较低时，保水膜层的保水性能不佳，水分容易流失；当甲基硅酸钠的质量分数较高时，保水膜层形成过快，导致粉体粘附层吸水不彻底，影响了膨胀剂的膨胀。

结合实施例3、11并结合表5可以看出,实施例11测得的抗压强度高于实施例3，说明木质素磺酸钠减少了内养护膨胀颗粒对聚羧酸减水剂的吸附量，维持了聚羧酸减水剂的减水率，减少了对混凝土强度的影响。

结合实施例3、实施例12并结合表4可以看出，实施例12测得的相对收缩率大于实施例3，说明钢渣粉虽然能够凭借游离氧化钙和游离氧化镁发挥一定的膨胀作用，但是氧化钙的反应速率较快，在造粒过程中氧化钙的膨胀已经发生，真正有效的膨胀只能依靠氧化镁，因此钢渣取代部分氧化镁之后，内养护膨胀颗粒产生的膨胀效果减弱，但是实施例12的相对收缩率仍然小于对比例1，可见钢渣能够应用于内养护膨胀颗粒中，实现了固废的再利用。

结合实施例12、实施例13并结合表4可以看出，实施例13测得的相对实施例低于实施例12，并且已经接近实施例说明氯化镁能够促进钢渣粉中的铁单质氧化，从而改善了各组分的膨胀效果。

结合实施例13、实施例14并结合表4可以看出，实施例14测得的相对收缩率低于实施例13，说明在氯化镁存在的情况下，生铁屑在氯离子和原电池的双重作用下发生氧化，进一步改善了膨胀效果。

结合实施例14、实施例15并结合表4可以看出，实施例15测得的相对收缩率高于实施例14，说明当使用熟铁屑替换生铁屑之后，由于原电池对反应的促进效果减弱，因此影响了熟铁屑的膨胀。

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。