一种抗裂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，尤其是涉及一种混凝土及其制备方法。

背景技术

混凝土作为建筑工程施工过程中主要应用的材料之一，是建筑结构最主要荷载承载力的组件。但混凝土在工程建设使用过程中，混凝土易受外界环境的影响而导致混凝土微裂缝扩展，有害物质侵入造成混凝土劣化，降低混凝土耐久性，影响混凝土构筑物的使用寿命。

公开号CN108793895A、公开日为2018年11月13日的中国专利申请公开了一种高抗裂性混凝土，以重量份数计，包括水泥205-279份、砂380-440份、碎石627-854份、粉煤灰57-78份、球形玻璃粉10-15份、矿粉89-105份、减水剂0.56-2.71份、膨胀剂1.35-1.88份、改性聚丙烯纤维10-15份、复配偶联剂3-5份、沸石粉15-20份、水146-190份，膨胀剂为硫铝酸钙膨胀剂。

针对上述中的相关技术，在混凝土中加入硫铝酸钙膨胀剂后产生的钙矾石吸水膨胀，减少了混凝土的收缩，从而提高混凝土的抗裂性能，但钙矾石温度在80℃以上的环境下稳定性较差，容易被分解，无法形成有效地膨胀，导致抗裂性能较差。

申请内容

为了提高混凝土的抗裂性能，本申请提供一种抗裂混凝土及其制备方法。

第一方面，本申请提供的一种抗裂混凝土，采用以下技术方案：

一种抗裂混凝土，包括以下重量份的原料：

水泥：260-290份；

粉煤灰：60-80份；

矿粉：40-50份；

水：150-200份；

细骨料：700-800份；

粗骨料：800-1000份；

减水剂：1-3份；

增强剂：5-8份；

减缩剂：3-4份；

改性环氧树脂：2-4份；

所述减缩剂包括异构脂肪醇聚氧乙烯醚、环丁醇中的至少一种；

所述改性环氧树脂由以下重量份的原料制成：

环氧树脂：1.8-3份；

木薯淀粉：0.2-0.3份；

柔性链状聚合物：0.1-0.4份；

催化剂：0.005-0.01份；

所述催化剂为浓度为0.8-1mol/L的硫酸溶液。

通过采用上述方案，在抗裂混凝土中加入减缩剂，减缩剂中高分子量的异构脂肪醇聚氧乙烯醚和低分子量的环丁醇共同作用，使得抗裂混凝土毛细管中液相表面张力降低，从而减小抗裂混凝土的收缩所带来的开裂情况；同时对环氧树脂进行改性，使得改性后的环氧树脂作为粘结剂更好地与抗裂混凝土中的原料结合，木薯淀粉作为刚性物质，通过加入柔性链状聚合物将木薯淀粉与环氧树脂融合，改善环氧树脂的脆性从而提高抗裂混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度。抗裂混凝土中的粉煤灰将抗裂混凝土颗粒分散，通过与减水剂相互配合，使得抗裂混凝土水化更加充分，从而提高抗裂混凝土的后期抗压强度；矿粉提高抗裂混凝土的抗渗以及抗腐蚀能力；另外粗骨料有利于提高抗裂混凝土的抗压强度，细骨料由于粒径较小，提高抗裂混凝土的密实度并减小孔隙率，从而提高抗裂混凝土劈裂抗拉强度。

优选的，所述增强剂包括微硅粉、碳纤维以及钛酸酯偶联剂中的至少一种。

通过采用上述方案，增强剂中的钛酸酯偶联剂对微硅粉表面进行分散，使得微硅粉充分与水泥进行接触配合，从而减少抗裂混凝土的孔隙率，进而提高抗裂混凝土的劈裂抗压强度和抗裂性能；微硅粉能够填充水泥颗粒间的空隙，同时与水泥相互作用产生凝胶体，作用于抗裂混凝土内，从而提高抗裂混凝土的抗压强度，减少抗裂混凝土的开裂情况。碳纤维具有较高的硬度，与微硅粉相互作用从而提高抗裂混凝土的抗压强度，从而提高抗裂混凝土的抗裂性能。

优选的，所述增强剂由重量份数为的4.5-5份的微硅粉、0.5-1份的碳纤维以及0.3-0.5份的钛酸酯偶联剂组成。

通过采用上述方案，钛酸酯偶联剂提高微硅粉与抗裂混凝土之间的粘结能力，碳纤维与微硅粉共同配合提高抗裂混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度，进而提高抗裂混凝土的抗裂性能，当三者的重量份数在上述范围内时抗裂混凝土抗压和抗折强度效果较好。

优选的，所述抗裂混凝土还包括1-3份的橡胶粉。

通过采用上述方案，橡胶粉与改性环氧树脂共同作用，在提高抗裂混凝土粘结性能的同时，使得抗裂混凝土在低温状态下使用时减少混凝土内水分结冰情况；橡胶粉与增强剂中的碳纤维均具有较高的抗拉强度，减少混凝土开裂情况。

优选的，所述柔性链状聚合物包括甲基丙烯酸和乙酸乙烯酯中的至少一种。

通过采用上述方案，甲基丙烯酸以及乙酸乙烯酯作为柔性链状聚合物通过与环氧树脂互相配合，使得所形成的改性环氧树脂具有更好的韧性，减少了环氧树脂的脆性，提高抗裂混凝土的抗裂效果。

优选的，所述木薯淀粉与柔性链状聚合物的重量份数比为1:(1-2)。

通过采用上述方案，当木薯淀粉直接对环氧树脂进行改性时，由于木薯淀粉与环氧树脂互不相溶，加入柔性链状聚合物后，木薯淀粉可以与环氧树脂配合，从而提高抗裂混凝土的粘结性能，从而减少抗裂混凝土的开裂。当木薯淀粉与柔性链状聚合物在上述配比范围内，所得到的改性剂效果较好。

优选的，所述改性环氧树脂按照如下工艺制备得到：

改性剂的制备：将木薯淀粉与柔性链状聚合物均匀混合，混合均匀后在加热情况下加入催化剂，待木薯淀粉充分溶于柔性链状聚合物后，得到改进剂；

在环氧树脂中加入改性剂，混合均匀后进行加热，加热温度160-180℃、加热加热时间10-14h后取出冷却至室温，得到改性环氧树脂。

通过采用上述方案，通过上述工艺制备的改性环氧树脂韧性得到提高，同时与增强剂共同作用，提高抗裂混凝土的、劈裂抗拉强度，从而提高抗裂混凝土抗裂性能。

第二方面，本申请提供的一种抗裂混凝土的制备方法，采用以下技术方案：

一种抗裂混凝土的制备方法，包括如下步骤：

增强剂的制备：将微硅粉、钛酸酯偶联剂以及碳纤维进行混合，混合均匀后后得到增强剂；将水、粉煤灰以及细骨料混合均匀后加入粗骨料得到第一混合物；

在第一混合物中加入水泥和改性环氧树脂(原料中环氧树脂采用双酚类A型环氧树脂)，混合后得到第二混合物；

在第二混合物中加入减缩剂、减水剂和增强剂进行混合，待混合均匀后出料，经振动、压制得到抗裂混凝土。

通过采用上述方案，首先将增强剂中的微硅粉、碳纤维以及钛酸酯偶联剂充分混合，通过先加入细骨料提高抗裂混凝土的密实度，后与粗骨料进行混合，填补粗骨料之间的孔隙从而提高抗裂混凝土的强度和抗裂性能；最后加入减缩剂、减水剂和增强剂，减少加水量，减少抗裂混凝土的水化热从而减少抗裂混凝土的表面开裂情况。

优选的，所述在第一混合物中加入水泥和改性环氧树脂的步骤中控制搅拌速度为120-160r/min。

通过采用上述方案，在上述范围内的搅拌速度，改性环氧树脂与抗裂混凝土中的粉煤灰、水泥、细骨料和粗骨料混合更加均匀，优化抗裂混凝土结构，增加抗裂混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1.由于本申请通过采用高分子量的异构脂肪醇聚氧乙烯醚和低分子量的环丁醇作为减缩剂，同时通过改性环氧树脂、并与增强剂的相互配合提高了抗裂混凝土的劈裂抗拉强度。木薯淀粉溶于柔性链状聚合物后，与环氧树脂相互配合，改善环氧树脂的脆性，从而提高抗裂混凝土劈裂抗拉强度和韧性；另一方面，通过高硬度碳纤维的加入提高抗裂混凝土的抗压强度。

2.在本申请中，增强剂中优选采用钛酸酯偶联剂对微硅粉表面进行分散，微硅粉充分混合与抗裂混凝土中，减少抗裂混凝土中的孔隙率，进一步提高抗裂混凝土的抗压强度和抗裂性能；同时增强剂中的碳纤维与橡胶粉均匀分布可承受较大的拉应力，从而减少裂缝的产生。甲基丙烯酸以及乙酸乙烯酯作为柔性链状共聚物，使木薯淀粉与环氧树脂互相配合，使得形成的抗裂混凝土具有更好的韧性，改善环氧树脂脆性的不足；另外，通过控制木薯淀粉与柔性链状共聚物的重量份数从而进一步提高对环氧树脂的改性效果，使得制得的抗裂混凝土抗裂性能提高。

3.本申请中，改性环氧树脂的制备方法中，木薯淀粉与柔性链状聚合物通过催化剂快速混合，木薯淀粉充分溶于柔性链状聚合物中，从而提高改性环氧树脂的韧性，使得制得的抗裂混凝土强度和韧性得到提高。

4.本申请的制备方法，对抗裂混凝土中的原料进行分步混合并控制相应步骤的搅拌速度，尽可能使各组分混合均匀，提高抗裂混凝土均匀的抗裂性能。

具体实施方式

以下对本申请作进一步详细说明。

实施例1:一种抗裂混凝土，所包括的具体组分以及重量如表1所示，实施例1的抗裂混凝土的制备步骤如下：

A1:将水、粉煤灰以及细骨料混合均匀，加入粗骨料混合均匀后得到第一混合物；

A2:在第一混合物中加入水泥和改性环氧树脂，并控制搅拌速度为120r/min，混合搅拌均匀后得到第二混合物；

A3:在第二混合物中加入减缩剂、增强剂和聚羧酸减水剂进行混合，待混合均匀后出料，经振动、压制得到抗裂混凝土。

其中，步骤A2中改性环氧树脂的制备包括以下步骤：

改性剂的制备：将木薯淀粉与甲基丙烯酸均匀混合，混合后加入1mol/l的硫酸溶液20ml，控制温度在170℃，待木薯淀粉充分溶于甲基丙烯酸后，得到改进剂；

在环氧树脂中加入改性剂，混合均匀后在160℃烘干箱中进行加热，加热10h后取出冷却至室温，得到改性环氧树脂。

实施例2:一种抗裂混凝土，与实施例1的区别在于，各组分重量配比不同，所包括的各组分及重量如表1所示。

实施例3-5:一种抗裂混凝土，与实施例1的区别在于，增强剂的组成及重量不同，所包括的具体组分及重量如表1所示。

实施例6-7:一种抗裂混凝土，与实施例4的区别在于，含有橡胶粉，所包括的组分及重量如表1所示。

实施例8-10:一种抗裂混凝土，与实施例6的区别在于，柔性链状聚合物与木薯淀粉的成分及重量不同，所包括的各组分及重量如表1所示。

表1实施例1-11的各组分及其重量

实施例11:一种抗裂混凝土，与实施例1的区别在于，步骤A3中控制搅拌速度为160r/min。

实施例12:一种抗裂混凝土，与实施例1的区别在于，步骤A3中控制搅拌速度为110r/min。

对比例

对比例1:一种混凝土，与实施例11的区别在于，不含有减缩剂。

对比例2:一种混凝土，与实施例11的区别在于，环氧树脂未经过改性。

对比例3:一种混凝土，与实施例11的区别在于，不含有改性环氧树脂和减缩剂。

对比例4:一种混凝土，与实施例11的区别在于，用等量的玉米淀粉替代木薯淀粉。

对比例5:一种混凝土，与实施例11的区别在于：不含有增强剂。

对比例6:一种具有膨胀剂的抗裂型混凝土，原料包括水泥、粉煤灰、花岗岩粉、黄砂、减水剂、膨胀剂、水，其中按各组分重量如下：水泥300kg、粉煤灰65kg、花岗岩粉35kg、黄砂30kg、减水剂12kg、膨胀剂18kg、水60kg。

制备方法：将水、粉煤灰、黄岩粉、黄砂以及水泥混合均匀后，加入减水剂、膨胀剂混合搅拌均匀后得到具有膨胀剂的抗裂型混凝土。

实验

实验一：劈裂抗拉强度实验

抗拉强度实验：根据GB/T 50081-2019的《抗裂混凝土物理力学性能实验方法标准》中的劈裂抗拉强度实验，通过测定抗裂混凝土的劈裂抗拉强度从而对抗裂混凝土的抗裂性能进行评价。

实验仪器：压力试验机(品牌为河北华锡试验仪器有限公司，型号：WD-50S)；垫块：横截面为半径75mm的钢制弧形垫块，垫块长度为150mm；垫条：由普通胶合板制成，宽度20mm，厚度3mm；长度为155mm，满足国家标砖《普通胶合板》GB/T 9846中一等品要求；钢材质的定位支架。

实验样品：将实施例1-12以及对比例1-6制成边长为150mm的立方体，所制成的立方体分别对应命名为实验样品1-12以及对比样品1-6。

实验结果：实验样品1-12以及对比样品1-6的劈裂抗拉强度实验结果如表2所示。

实验二：圆环实验

实验仪器：抗裂试膜(外径为370mm，内径为300mm，高为140mm)；捣棒；应变仪(品牌为济南西格马科技、型号：ASMC1-9)。

实验样品：将实施例1-12以及对比例1-6分别装入抗裂试膜中分两层装入抗裂试膜中，每层的装模厚度为相等，用捣棒均匀插捣，插捣次数按每10000平方厘米15次，插捣层底时捣棒应达到试模底部；插捣上层时，捣棒应贯穿上层后插入下层20-30mm；插捣时捣棒应垂直，不得倾斜。做到试模无任何气泡，上口随缺随加直至试模平齐并刮平，进行成型。成型后的实施例1-12以及对比例1-6分别命名为实验样品1-12以及对比样品1-6。

实验方法：将实验样品1-12以及对比样品1-6均放入温度21℃的环境中养护24h后拆模。拆模后的实验样品1-12以及对比样品1-6放入温度为30℃、相对湿度为50％的环境中，并在顶层涂上硅胶进行密封处理。用应变仪观察环立面是否有裂缝产生，并记录下裂缝产生的时间。

实验结果：实验样品1-12、对比样品1-6的圆环实验结果如表2所示。

表2实验样品1-12、对比样品1-6的劈裂抗拉强度和圆环实验的实验结果

表2中，实验样品1-12中的劈裂抗拉强度为4.47-5.23MPa，开裂时间为131-208h，对比样品1-6的劈裂抗拉强度为2.32-3.94MPa，开裂时间为45-101h。实验样品1-12的劈裂抗拉强度以及开裂时间均大于对比样品1-6。

对比实验样品1-5以及对比样品5可知，采用微硅粉、碳纤维以及钛酸酯偶联剂作为增强剂，钛酸酯偶联剂对微硅粉表面进行分散，减少微硅粉的团聚现象，同时提高与水泥的粘结性能，提高抗裂混凝土的劈裂抗拉强度；同时大量的碳纤维均匀分散于抗裂混凝土中，碳纤维与抗裂混凝土中的水泥、粉煤灰等接触面积大，从而提高抗裂混凝土的抗裂性能，延长开裂时间。

对比实验样品1-2以及对比样品1-3，减缩剂中高分子量的异构脂肪醇聚氧乙烯醚与低分子量的环丁醇作用，使得抗裂混凝土的毛细管中的水表面张力降低，减少水泥水化作用引起的抗裂混凝土体积减小的状况，进一步减少抗裂混凝土的开裂情况；由于环氧树脂具有粘结性能，一定程度上可以提高抗裂混凝土的抗拉强度，但在低温情况下环氧树脂具有脆性，将木薯淀粉引入环氧树脂体系后，降低了环氧树脂的脆性，同时柔性链状聚合物加入环氧树脂后，柔性侧链穿插在固化后的环氧树脂的三维网状结构中，起到抵抗外力的作用，从而提高环氧树脂的韧性，含有改性环氧树脂的抗裂混凝土也具有较高的劈裂抗拉强度。

对比实验样品4、实验样品6-7，橡胶粉中的烷基等非极性物质与极性物质环氧树脂相互融合，提高抗裂混凝土的粘结性能。对比实验样品6和实验样品8-10可知，淀粉与环氧树脂不相溶，柔性链状聚合物使淀粉与环氧树脂更好的相溶，同时也增加了环氧树脂的硬度与韧性柔性链状聚合物只含有甲基丙烯酸时所制得的抗裂混凝土的劈裂抗拉强度较小，而当柔性链状聚合物由甲基丙烯酸和乙酸乙烯酯组成时的劈裂抗拉强度较大，表明甲基丙烯酸与乙酸乙烯酯相互配合时，改性后的环氧树脂的韧性得到提高。木薯淀粉与柔性链状聚合物的重量份数比在1：(1-2)时的劈裂抗拉强度较高，木薯淀粉由于具有高度支化的立体结构，具有刚性，通过柔性链状聚合物使木薯淀粉与环氧树脂相溶，从而达到改性效果，使得改性环氧树脂具有较高的劈裂抗拉强度以及较长的开裂时间。

对比实施例1、实施例11-12，当加入改性环氧树脂的搅拌速度为110r/min时，所制得的抗裂混凝土劈裂抗压强度较小，当搅拌速度位于120-160r/min时，部分改性环氧树脂无法与增强剂、减水剂充分均匀混合并相互作用，从而导致抗裂混凝土的劈裂抗拉强度较低，开裂时间较快。同时柔性链状聚合物与环氧树脂混合时温度较低时，改性剂对环氧树脂的改性效果较差，部分柔性链状聚合物以及木薯淀粉无法穿插在环氧树脂的三维网状结构中，导致所制得的改性氧化树脂的韧性较差，从而导致生产的抗裂混凝土劈裂抗拉强度较高；将改性环氧树脂反应过程中控制温度在160-180℃，有助于提高抗裂混凝土的劈裂抗拉强度以及开裂时间。

实验三：抗折强度实验

抗折强度实验：根据GB/T 50081-2019的《抗裂混凝土物理力学性能实验方法标准的规定》中的抗折强度实验来评定抗裂混凝土的抗折强度。

实验样品：将实施例1-12以及对比例1-6分别制成边长150mm×150mm×600mm的棱柱体试件，分别命名为实验样品1-12以及对比样品1-6。

实验仪器：压力试验机(品牌为河北华锡试验仪器有限公司，型号：WD-50S)；抗折实验装置：符合GB/T 50081-2019《抗裂混凝土物理力学性能实验方法标准的规定》中的要求。

实验结果：实验样品1-12以及对比样品1-6的抗拉强度和抗折强度表3所示。

实验四：抗压强度实验

抗压强度实验：根据GB/T 50081-2019的《抗裂混凝土物理力学性能实验方法标准的规定》中的抗压强度实验来评定抗裂混凝土的抗压强度。

实验仪器：压力试验机(型号为DY-208JC)；

钢垫板(厚度为20mm)；

游标卡尺(品牌为得力、型号为DL91150)；

游标量角器(品牌为得力、型号为DL7301)。

实验样品：将实施例1-12以及对比例1-6分别制成边长为150mm的立方体体试件，分别命名为实验样品1-12以及对比样品1-6。

实验结果：实验样品1-12以及对比样品1-6的抗拉强度和抗折强度实验如表3所示。

实验三：抗折强度实验

抗折强度实验：根据GB/T 50081-2019的《抗裂混凝土物理力学性能实验方法标准的规定》中的抗折强度实验来评定抗裂混凝土的抗折强度。

实验样品：将实施例1-12以及对比例1-6分别制成边长150mm×150mm×600mm的棱柱体试件，分别命名为实验样品1-12以及对比样品1-6。

实验仪器：压力试验机(型号为)；抗折实验装置：符合GB/T 50081-2019《抗裂混凝土物理力学性能实验方法标准的规定》中的要求。

实验结果：实验样品1-12以及对比样品1-6的抗拉强度和抗折强度表3所示。

表3实施例1-12以及对比例1-6的抗压强度以及抗折强度的实验结果

在表3中，由于配方不同或者制备步骤不同，所检测的抗折强度与抗压强度各有不同。实验样品1-12的28d的抗折强度为11.9-14.5MPa，抗压强度为47.3-49.5MPa，抗压强度和抗折强度较高，而对于对比样品1-6中28d的抗折强度为7.2-8.7MPa，抗压强度为28.7-30.8MPa，7d和28d的抗折强度以及抗压强度时均小于实验样品1-6。

对比实验样品1-5以及对比样品5可知，未含有增强剂的抗裂混凝土抗折强度和抗压强度较小；增强剂中的微硅粉通过与抗裂混凝土中的游离钙发生反应，生成的硅酸钙物质可以很好地填充固化抗裂混凝土的地面，从而填补抗裂混凝土中的大量孔隙，使得抗裂混凝土结构密实，从而提高抗裂混凝土的抗压强度与抗折强度。同时钛酸酯偶联剂通过对微硅粉表面进行改性，提高微硅粉的分散性，防止微硅粉团聚，可以与抗裂混凝土很好地结合，进一步提高抗裂混凝土的抗压强度和抗折强度。增强剂中的碳纤维强度高，力学性能优异，通过加入碳纤维并与微硅粉配合共同增加抗裂混凝土的抗压强度与抗折强度。

对比实验样品1-2以及对比样品1-3，通过在环氧树脂中加入柔性链状聚合物甲基丙烯酸与乙酸乙烯酯进行改性，木薯淀粉与柔性链状聚合物混合，降低环氧树脂的脆性，同时柔性链状聚合物中的柔性侧链穿插在环氧树脂的三维网状结构中，从而提高粘结性能，抗裂混凝土的抗折强度和抗压强度得到提高。

对比实验样品4-7可知，橡胶粉韧性较强，当在抗裂混凝土中加入橡胶粉时，橡胶粉在环氧树脂的连续相中形成橡胶粉增韧颗粒的分散相，从而提高抗裂混凝土的抗折强度和抗压强度。

对比实施例1和实施例11-12，当搅拌速度为110r/min时，所制得的抗裂混凝土的抗压强度与抗折强度较小。当搅拌速度较低时，部分改性环氧树脂无法与增强剂、减水剂充分均匀混合，增强剂中的微硅粉与钛酸酯偶联剂无法均匀混合并相互作用，同时增强剂中的碳纤维无法充分分布于抗裂混凝土的各个部位，从而导致抗裂混凝土的抗压强度与抗折强度较低。

本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。