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一种高性能膨胀预应力 混凝土及其制备方法

阅读：681发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种高性能膨胀预应力混凝土及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种高性能膨胀预应力混凝土及其制备方法，该混凝土的成分包括胶凝材料、改性吸水沸石、膨胀剂、减水剂、水、细骨料和粗骨料；所述改性吸水沸石通过两步改性后真空饱水而得。该混凝土综合使用混凝土内养护技术和收缩补偿技术，在维持较低水灰比的条件下仍能够使膨胀剂充分水化，解决了膨胀剂不能在低水灰比的高强混凝土中应用的问题，以及过量使用膨胀剂导致混凝土后期强度损失等工程难题。，下面是一种高性能膨胀预应力混凝土及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高性能膨胀预应力混凝土，其特征在于，所述混凝土的成分包括胶凝材料、改性吸水沸石、膨胀剂、减水剂、水、细骨料和粗骨料；所述胶凝材料的质量为所述混凝土质量的
22～27％；水和所述胶凝材料的重量比为0.23～0.40；所述膨胀剂的质量为所述胶凝材料质量的5～21％；所述改性吸水沸石相对于所述混凝土的掺量为100～210kg/m3；余量为细骨料和粗骨料，所述细骨料和粗骨料的质量比为1∶1.0～1.5；
所述减水剂的用量为使所述混凝土的坍落度为150～200mm；所述改性吸水沸石的制备方法为：将粒径≤500μm、孔隙率为10～40％的沸石在400～500℃煅烧1～2h，冷却后在0.08～0.12mol/L浓度的NaOH溶液中浸泡2～3小时，再在压力为3～8kPa的环境中放置3～4h，注入水，淹没所述沸石，保持1～2h后恢复常压，取出沸石沥去水分并晾至表面面干。
2.根据权利要求1所述高性能膨胀预应力混凝土，其特征在于，所述胶凝材料为水泥、粉煤灰、硅灰、矿粉和纳米偏高岭土，其中所述水泥的质量为所述胶凝材料质量的50～
75％。
3.根据权利要求2所述高性能膨胀预应力混凝土，其特征在于，所述粉煤灰、硅灰、矿粉和纳米偏高岭土的质量比为(0.8～1.2):(0.45～0.55):(1.8～2.2):(0.8～1.2)。
4.根据权利要求3所述高性能膨胀预应力混凝土，其特征在于，所述粉煤灰、硅灰、矿粉和纳米偏高岭土的质量比为1:0.5:2:1。
5.根据权利要求2所述高性能膨胀预应力混凝土，其特征在于，所述水泥为P.O.42.5或P.O52.5普通硅酸盐水泥；和/或
所述粉煤灰为C类I级粉煤灰；和/或
所述矿粉比表面积≥2000m2/kg；和/或
所述硅灰中二氧化硅含量≥95wt％，比表面积为15000～25000m2/kg；和/或所述纳米偏高岭土中二氧化硅和氧化铝的总含量≥85wt％，比表面积为25000～
35000m2/kg。
6.根据权利要求1所述高性能膨胀预应力混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
7.根据权利要求1所述高性能膨胀预应力混凝土，其特征在于，所述膨胀剂为硫铝酸钙类、硫铝酸钙－氧化钙类、氧化钙类、氧化镁类和氧化镁复合型类膨胀剂中的至少一种。
8.根据权利要求7所述高性能膨胀预应力混凝土，其特征在于，所述膨胀剂为硫铝酸钙－氧化钙类膨胀剂。
9.一种权利要求1～8任一项所述高性能膨胀预应力混凝土的制备方法，其特征在于，将所述胶凝材料、膨胀剂和水拌和，搅拌3～5分钟，加入减水剂按常规操作调整流动性；然后加入改性吸水沸石和细骨料搅拌5～10分钟；最后加入粗骨料搅拌5～15分钟，加入减水剂使所的产品的坍落度为150～200mm。

说明书全文

一种高性能膨胀预应力 混凝土及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种高性能膨胀预应力混凝土及其制备方法。

背景技术

[0002] 混凝土作为全世界用量最大的建筑工程材料，天生具有性脆、易裂的缺陷。在工程结构中，由于结构的约束作用和混凝土化学收缩、干缩湿胀、热胀冷缩等引起的体积变形，混凝土结构很容易到达极限变形而发生开裂。在混凝土路面、混凝土基础、地下连续墙等大型、超长或大面积暴露的混凝土结构中，常均采用切缝或设置后浇带等方法来避免开裂。但这些方法可导致混凝土结构整体性降低，并造成防水性能变差。

[0003] 在材料层次上，改善混凝土开裂的措施主要包括减缩和增韧。减缩的常用方法是采用膨胀剂对混凝土进行收缩补偿。混凝土膨胀剂主要包括硫铝酸钙类、硫铝酸钙－氧化钙类、氧化钙类，以及氧化镁及氧化镁复合型膨胀剂等。膨胀剂与水泥和水拌和后经水化反应生成钙矾石、氢氧化钙或钙矾石和氢氧化钙，使混凝土产生体积膨胀。膨胀剂的反应需要水的参与，因此在使用膨胀剂时需加强对混凝土的水养护。

[0004] 目前膨胀剂的使用存在诸多问题，首先膨胀剂掺量小，则补偿收缩或膨胀效果不足；膨胀剂掺量过大，未反应的膨胀剂有可能在后期获得环境中侵入水的作用下发生二次反应，导致混凝土后期性能下降甚至胀裂。另外，由于膨胀剂发生作用需要水的参与，因此通常用在水胶比较大的普通强度混凝土中使用，且需要加强对混凝土的湿养护。在低水灰比的高性能混凝土中，膨胀剂的使用尚不成熟。

发明内容

[0005] 针对混凝土膨胀剂在低水灰比的高性能混凝土中使用效果不佳的问题，本发明提供一种高性能膨胀预应力混凝土。

[0006] 以及，本发明还提供上述高性能膨胀预应力混凝土的制备方法。

[0007] 为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下技术方案：

[0008] 一种高性能膨胀预应力混凝土，其成分包括胶凝材料、改性吸水沸石、膨胀剂、减水剂、水、细骨料和粗骨料；所述胶凝材料的质量为所述混凝土质量的22～27％；水和所述胶凝材料的重量比为0.23～0.40；所述膨胀剂的质量为所述胶凝材料质量的5～21％；所述改性吸水沸石相对于所述混凝土的掺量为100～210kg/m3；余量为细骨料和粗骨料，所述细骨料和粗骨料的质量比为1∶1.0～1.5；

[0009] 所述减水剂的用量为使所述混凝土的坍落度为150～200mm；所述改性吸水沸石的制备方法为：将粒径≤500μm、孔隙率为10～40％的沸石在400～500℃煅烧1～2h，冷却后在0.08～0.12mol/L浓度的NaOH溶液中浸泡2～3小时，再在压力为3～8kPa的环境中放置3～
4h，注入水，淹没所述沸石，保持1～2h后恢复常压，取出沸石沥去水分并晾至表面面干。

[0010] 为了提高膨胀剂在混凝土中的应用效果，本发明采用改性吸水沸石粉作为辅助剂，与膨胀剂协同作用，能够制备得到具有高性能膨胀预应力的混凝土。改性吸水沸石煅烧的高温改性可以去除沸石中的杂质，改善沸石的微孔表面与孔隙结构，再在NaOH溶液中浸泡的碱蚀改性能够进一步改性其孔隙结构和表面吸附性能。两步改性能够使沸石的吸水率由17.2％升至32.2％以上。因此经过在减压条件下放置后注水，能够使沸石孔隙中吸附大量的水。该改性吸水沸石能够将水储存在低水胶比的高强混凝土中，在胶凝材料水化阶段可以渗出以供给膨胀剂水化所需的水，保证膨胀剂在短期及长时间内完成水化，一方面保证了膨胀效果的发挥，同时也避免了后期再次水化导致的胀裂问题。同时由于沸石质硬，且粒径小，因此不影响低水胶比混凝土的高强性能。本发明通过综合使用混凝土内养护技术和收缩补偿技术，利用改性吸水沸石所具备的持水、缓释能力，在维持较低水灰比的条件下为膨胀剂的充分水化供水，解决了膨胀剂不能在低水灰比的高强混凝土中应用的问题，从而获得一种低水灰比的高性能膨胀预应力混凝土。

[0011] 水和所述胶凝材料的重量比即为水胶比，其中的水不包括改性吸水沸石中吸附的水。改性吸水沸石掺量中的体积为未经振实的自然堆积体积。

[0012] 优选地，所述胶凝材料为水泥、粉煤灰、硅灰、矿粉和纳米偏高岭土，其中所述水泥的质量为所述胶凝材料质量的50～75％。

[0013] 优选地，所述粉煤灰、硅灰、矿粉和纳米偏高岭土的质量比为(0.8～1.2):(0.45～0.55):(1.8～2.2):(0.8～1.2)。

[0014] 优选地，所述粉煤灰、硅灰、矿粉和纳米偏高岭土的质量比为1:0.5:2:1。

[0015] 优选地，所述水泥为P.O.42.5或P.O52.5普通硅酸盐水泥。

[0016] 优选地，所述粉煤灰为C类I级粉煤灰。

[0017] 优选地，所述矿粉比表面积≥2000m2/kg。

[0018] 优选地，所述硅灰中二氧化硅含量≥95wt％，比表面积为15000～25000m2/kg。

[0019] 优选地，所述纳米偏高岭土中二氧化硅和氧化铝的总含量≥85wt％，比表面积为25000～35000m2/kg。

[0020] 优选地，所述减水剂为聚羧酸减水剂。聚羧酸减水剂可调整混凝土流动性。

[0021] 优选地，所述膨胀剂为硫铝酸钙类、硫铝酸钙－氧化钙类、氧化钙类、氧化镁类和氧化镁复合型类膨胀剂中的至少一种。

[0022] 优选地，所述膨胀剂为硫铝酸钙－氧化钙类膨胀剂。

[0023] 以及，本发明实施例还提供了上述高性能膨胀预应力混凝土的制备方法，将所述胶凝材料、膨胀剂和水拌和，搅拌3～5分钟，加入减水剂按常规操作调整流动性；然后加入改性吸水沸石和细骨料搅拌5～10分钟；最后加入粗骨料搅拌5～15分钟，加入减水剂使所的产品的坍落度为150～200mm。

[0024] 现有的混凝土制备方法是将砂、石、水泥、膨胀剂和水混合搅拌后，最后再加入沸石类多孔材料进行搅拌。本制备方法通过改变物料加入顺序，使改性吸水沸石在胶凝材料与膨胀剂、水拌和形成的浆体中不参与水膜的形成和早期的水化过程，因此不会粗化混凝土的微观孔隙结构，并且在胶凝材料水化阶段，沸石孔隙中的水却可以渗出以供给膨胀剂水化所需的水，保证膨胀剂在短期及长时间内完成水化，以最大化实现混凝土的膨胀效果。

具体实施方式

[0025] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

[0026] 实施例

[0027] 本实施例提供了一种高性能膨胀预应力混凝土，包括胶凝材料、改性吸水沸石、膨胀剂、减水剂、水、细骨料和粗骨料，各成分的用量如表1所示；表1中的沸石为改性吸水沸石，其制备方法为：将粒径≤500μm、孔隙率为10～40％的沸石在400～500℃煅烧1～1.5h，冷却后在0.08～0.12mol/L浓度的NaOH溶液中浸泡2～3小时，再在压力为3～8kPa的环境中放置3～4h，注入水，淹没所述沸石，保持1～2h后恢复常压，取出沸石沥去水分并晾至表面面干。

[0028] 实施例1、2中的水泥为P.O52.5普通硅酸盐水泥，密度为3.1g/cm3，实施例3中的水泥为P.O.42.5普通硅酸盐水泥，密度为3.1g/cm3；粉煤灰为C类I级粉煤灰；矿粉细度为2250目；硅灰为一级灰，二氧化硅含量为96wt％，比表面积为22000m2/kg；纳米偏高岭土中二氧化硅和氧化铝的总含量≥85wt％，比表面积为25000～35000m2/kg；减水剂为聚羧酸减水3
剂，固含量为30kg/m ；细骨料为天然河砂，细度模数为2.6；粗骨料为破碎花岗岩，粒径为5～16mm；膨胀剂为硫铝酸钙－氧化钙类复合膨胀剂，按照GB/T 23439-2017混凝土膨胀剂测得其水中养护7天限制膨胀率为0.08％。各实施例中改性吸水沸石的孔隙率及制备参数如表2所示。

[0029] 表1各实施例中成分用量(kg/m3)

[0030]

[0031] 表2各实施例中改性吸水沸石的孔隙率及制备参数

[0032]

[0033] 制备方法为：

[0034] 首先将所述胶凝材料、膨胀剂和水拌和，搅拌3～5分钟，加入减水剂按常规操作调整流动性；然后加入改性吸水沸石和细骨料搅拌5～10分钟；最后加入粗骨料搅拌5～15分钟，加入减水剂使所的产品的坍落度为150～200mm。

[0035] 各实施例的制备参数如表3所示。

[0036] 表3各实施例的制备参数

[0037]

[0038] 对比例

[0039] 以实施例1的配方为基础，改变膨胀剂掺加量、沸石种类和掺加量，制备各组混凝土，具体为：对比例1不使用膨胀剂和沸石，对比例2掺加膨胀剂2wt％，对比例3掺加膨胀剂4wt％，对比例4为只加膨胀剂不改性吸水沸石，对比例5中的沸石为未改性的普通沸石。

[0040] 各组混凝土的成分如表2所示。

[0041] 表2高性能膨胀预应力混凝土配合比(kg/m3)

[0042]

[0043] 检验例

[0044] 强度实验结果表明，该系列配比混凝土的28天抗压强度都达到了120MPa以上，均属于超高强度混凝土。

[0045] 采用混凝土自由变形测量方法测量实施例1和各对比例试件在密封条件下的自由变形，结果如表3所示。

[0046] 表3高性能膨胀预应力混凝土变形(×10-6)

[0047] 编号 7天膨胀变形 28天膨胀变形实施例1 893 1496
对比例1 -753 -1126
对比例2 -521 -796
对比例3 58 169
对比例4 684 871
对比例5 787 1189

[0048] 注：负值表示收缩变形，正值表示膨胀变形。

[0049] 由表3可见，实施例1添加了膨胀剂和改性预吸水沸石，混凝土产生了较大的膨胀变形，7天和28天膨胀变形分布达到893×10-6和1496×10-6；不掺加膨胀剂的对比例1则具有很大的收缩变形；对比例2掺加少量膨胀剂和改性预吸水沸石，混凝土收缩大幅减少，收缩补偿效果显著；对比例3混凝土收缩可完全抵消，可用于制备无收缩混凝土；对比例4的7天膨胀变形显著低于实施例1，28天膨胀变形则相对7天增加不多。这说明在缺水条件下，不使用改性吸水沸石的混凝土中膨胀剂未完全水化，这会为混凝土耐久性埋下了隐患。对比例5未对沸石进行改性，其吸水率低，导致7天膨胀率略有下降，而28天膨胀率则大幅下降，说明通过对沸石进行改性提升其预吸水率，对促进膨胀剂水化、避免后期的膨胀隐患具有显著效果。

[0050] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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