一种抗冻抗开裂的高性能混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土材料技术领域，具体涉及一种抗冻抗开裂的高性能混凝土及其制备方法。

背景技术

混凝土作为一种特殊的准脆性材料，由级配骨料、水泥、砂浆及孔隙等组成，其内部结构复杂，具有多尺度性和独特的物理、力学性质。混凝土耐久性指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素的作用，长期保持强度和外观完整性的能力。对于我国纬度及海拔较高的部分地区，大部分时间处于结冰期，对混凝土耐久性造成影响。混凝土冻融破坏机理为：混凝土结构中的水分在低温状态下，形成结冰引发体积膨胀，在混凝土结构内部产生膨胀应力，在应力的反复作用下引起混凝土结构破坏。为了解决低温地区传统混凝土经常开裂和冻裂的情况，急需研发出一种抗冻抗开裂的高性能混凝土。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种抗冻抗开裂的高性能混凝土，其由包括以下重量份的原料配制而成：

水泥360-400份；

掺合料80-240份，所述掺合料由石英砂和沸石粉按照重量份数比0-240:0-240混合得到；

细骨料700-740份；

粗骨料760-800份；

二氧化钛粉2-6份；

混合纤维30-50份，所述混合纤维由PVA纤维、钢纤维、碳纤维按照质量比0-2:0.5-1.5:0.5-2混合得到；

减水剂9-13份；

水180-200份。

优选地，所述细骨料选自河砂、淡化海砂、人工砂中的一种或多种；

所述粗骨料为碎石，所述碎石选自玄武岩碎石、石灰岩碎石、花岗岩碎石中的任一种或多种；

所述石英砂为超细石英砂，

所述二氧化钛粉为纳米二氧化钛。

优选地，所述水泥为硅酸盐水泥，

所述超细石英砂粒径为0.041mm-0.074mm，

所述沸石粉平均粒径为5.0-6.5μm，

所述细骨料为河砂，河砂粒径为0.35-0.55mm，

所述碎石采用石灰岩碎石，粒径为5-25mm连续级配，

所述纳米二氧化钛平均粒径为20-50nm。

优选地，所述减水剂为萘系减水剂，

所述PVA纤维的纤维直径为25-40μm，长度为6-12mm；钢纤维长度为15-25mm、直径为0.32-0.48mm；碳纤维直径16-22μm，长度为3-15mm；优选钢纤维为铣销型钢纤维。

优选地，所述混凝土，所述掺合料由石英砂和沸石粉按照重量份数比80-100:120-140混合得到，所述混凝土中掺合料的重量份数为200-240份；

所述混合纤维由PVA纤维、钢纤维、碳纤维按照质量比0.5-2:0.5-1.0:0.5-2混合得到。

优选地，所述混凝土，其由包括以下重量份的原料配制而成：

水泥370-390份；

掺合料210-230份，所述掺合料由石英砂和沸石粉按照重量份数比85-95:125-135混合得到；

细骨料710-730份；

粗骨料770-790份；

二氧化钛粉3-5份；

混合纤维34-45份，所述混合纤维由PVA纤维、钢纤维、碳纤维按照质量比1-2:0.5:0.5-1.5混合得到；

减水剂10-12份；

水185-195份。

本发明的另一目的是提供一种上述任一项所述的混凝土的制备方法：将所有材料一次性加入搅拌机中，搅拌均匀，养护得到混凝土。

上述制备方法中，将除水以外的所有材料一次性加入搅拌机中，然后加水搅拌25-50min，养护得到混凝土。

本发明的再一目的是提供另一种上述任一项所述的混凝土的制备方法，包括如下步骤：

步骤一∶称量掺合料、细骨料、粗骨料倒入搅拌机，搅拌均匀，得到初级混合物；

步骤二∶再将水泥、减水剂、二氧化钛粉、混合纤维加入步骤一得到的初级混合物中，搅拌均匀，得到次级混合物；

步骤三：向步骤二所得次级混合物中加水，搅拌均匀，养护即可得到高性能混凝土。

优选地，所述的制备方法包括如下步骤：

步骤一∶称量掺合料、细骨料、粗骨料倒入搅拌机，搅拌时间4-10min，得到初级混合物；

步骤二∶再将水泥、减水剂、二氧化钛粉、混合纤维加入步骤一得到的初级混合物中，搅拌3-10min，得到次级混合物；

步骤三：向步骤二所得次级混合物中分2-3次加水，每次搅拌10-15min，然后在标准条件下养护即可得到高性能混凝土。

本发明的有益效果是：

1、本发明在混凝土中加入二氧化钛粉，由于其粒径极小，并且具有极强的火山灰活性、微集料填充效应和晶核作用，掺入适量二氧化钛粉后会使混凝土内部结构更加致密，可以有效抑制冻融环境下水分进入混凝土内部，从而防止混凝土结构中的水分在低温状态下形成结冰引发体积膨胀，在混凝土结构内部产生膨胀应力，在应力的反复作用下引起混凝土结构破坏，极大提高了混凝土的抗冻能力。

2、通过在混凝土中加入超细石英砂(非活性外掺料)和/或沸石粉(活性外掺料)，可以有助于改善混凝土在制作初期的和易性，养护后其抗渗、抗冻性能也有所提高，同时掺入这两种掺合料，两者协同作用，混凝土的抗渗、抗冻性能更好。

3、在混凝土中加入混合纤维，其中PVA纤维和/或碳纤维能够在混凝土中形成致密的网格结构，增韧阻裂效果明显，抑制了混凝土内部因冻胀产生的裂缝延伸和扩展，延缓了冻融损伤劣化速率，使混凝土材料受到冻融循环时能有效阻止其开裂；而钢纤维与水泥砂浆基体之间进一步产生黏结作用，使混凝土在受到荷载时能够保持相对完整的形态，裂而不碎，进一步提升材料的劈裂抗拉强度。同时掺入三种纤维时，与掺入单一纤维或者两种纤维相比，混凝土抗裂抗冻性能显著提高。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明中的技术方案进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下述实施例中的实验方法，如无特别说明，均为常规方法；所用材料如无特别说明，均为本领域常规材料，均可通过商购获得。

实施例1

本发明实施例中采用的主要原料如下(均直接商购获得)：

水泥采用海螺牌P·Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，该水泥型号不含煤渣、煤矸石等混合材料，不含助磨剂。

超细石英砂粒径为0.041mm-0.074mm，主要成分为二氧化硅，相对比重2.21g/cm

沸石粉是天然的沸石岩磨细而成，含活性二氧化硅和三氧化铝，能与水泥水化析出的氢氧化钙作用，生成胶凝物质，具有很大的内表面积和开放性结构；其细度为0.08mm，(其容重为0.98g/cm

河砂粒径为0.35-0.55mm，细度模数为2.3-3.0。

碎石采用石灰岩碎石，粒径为5-25mm连续级配，压碎指数为5.1％。

纳米二氧化钛平均粒径为30nm，比表面积为295m

减水剂选用萘系减水剂，外观为褐黄色，PH值7-9，粉剂，纯度≥92％。

混合纤维由PVA纤维、铣销型钢纤维和碳纤维混合得到。PVA纤维是以高聚合度的优质聚乙烯醇(PVA)为原料加工而成的一种合成纤维，纤维直径为40μm，长度为6mm，线密度为0.91g/cm

水为普通自来水。

本发明的高强抗冻混凝土的制备方法，按照以下步骤操作：

步骤一∶称量超细石英砂、沸石粉、河砂、碎石倒入搅拌机，搅拌时间4-6min，得到初级混合物；

步骤二∶再将水泥、减水剂、纳米二氧化钛、混合纤维加入步骤一得到的初级混合物中，搅拌3-5min，得到次级混合物；

步骤三：向步骤二所得次级混合物中分两次加水，分别搅拌10-15min，然后在标准条件下养护即可得到所需高性能混凝土。

采用上述方法制备表1中的实验组1-11的混凝土材料。实验组12的配方与实验组1相同，但是其制备方法采用普通制备方法：将所有材料一次性加入搅拌机中，加水搅拌27-41min。

具体配方如表1中所示：

表1

对表1的混凝土材料进行性能检测：

劈裂抗拉强度：参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》制作标准试块，测量标准试块养护7d和28d的劈裂抗拉强度；

抗冻性能测试：参照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》制做标准试块并养护28d，采用快冻法测试，通过不同冻融循次数下试块抗压强度与劈裂抗拉强度来对抗冻性能进行评价。

检测结果如表2所示：

表2

从表1、2实验结果看出，除了实验组8、10、11的混凝土其抗压强度、劈裂抗拉强度和抗冻性能不够理想外，其余实验组的混凝土均达到了优良的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗冻性能，均能够用于实际工程应用中解决混凝土抗冻抗开裂问题，有很好的应用前景。其中，以实验组2、4的混凝土效果尤为突出，实验组3的混凝土性能最优。实验组1-5的混凝土的性能优于实验组6-12的性能。

将实验组6与实验组1的性能测试数据进行对比可以看出，超细石英砂有助于改善混凝土的耐久性，提高混凝土在初期拌合时的和易性，提高其力学性能和抗冻性能。

将实验组7与实验组1的性能测试数据进行对比，结果表明，在混凝土中添加沸石粉可以有效提高混凝土的劈裂抗拉强度，减缓冻融环境下抗压强度与抗拉强度的衰减。

实验组8中未掺入纳米二氧化钛，与实验组1相比表现出较低的劈裂抗拉强度，抗冻性能也明显降低，主要因为纳米二氧化钛粒径极小，可以填充混凝土内部的微小孔隙，提高其密实度，同时能促进水泥的水化反应。

实验组9中混合纤维未添加PVA纤维，实验组10去中除PVA纤维与碳纤维，只采用铣销型钢纤维，与实验组1相比，力学性能与冻融环境下抗压强度和劈裂抗拉强度都明显降低，说明将三种纤维混合掺入混凝土中对混凝土性能的提升要比两种纤维和单一纤维的效果要更好。

实验组11将纤维全部去除，与实验组1相比，力学性能与耐久性的下降幅度更大，抵抗外力拉裂混凝土的能力快速下降，冻融环境下抗压强度与抗拉强度在实验组10的基础上进一步减小。

实验组12中抗冻抗开裂的高性能混凝土的制备采用普通方式，一次性将所有材料加水搅拌，与实验组1中分阶段搅拌相比，水泥水化反应不充分，混凝土和易性差，养护一定天数后劈裂抗拉强度与抵抗冻融循环能力都有所降低，说明采用本申请实验组1中的制备方法可以有效提升混凝土的抗裂防冻性能。

实验组8、10、11制备的混凝土其28d劈拉强度低于6MPa，且300次冻融循环后的抗压与劈拉强度较低，与其他实验组相比，不能更好地解决混凝土抗冻抗开裂问题，不宜应用在实际工程中。