專利名稱：一種高強度高韌性粗集料、其制備方法及由其制備的混凝土的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高強度高韌性粗集料、其制備方法及由其制備的混凝土，屬于建筑材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
混凝土自其被發(fā)明以來就存在韌性不足、脆性過大的缺點，一般而言，混凝土的抗拉強度約為抗壓強度的7% 14%，且混凝土的抗壓強度越高，拉壓比就越小。混凝土作為一種多相復(fù)合材料，按照混凝土在應(yīng)力作用下的行為一般將其視作由三相組成水泥漿基體、分散其中的骨料以及水泥漿-骨料之間的過渡區(qū)相。其中，過渡區(qū)相代表著骨料顆粒與硬化水泥漿體之間的界面區(qū)，過渡區(qū)是圍繞大骨料周圍存在的一層薄殼，其公認(rèn)厚度為·(200 μ m,通常比混凝土的兩個主要相弱。在界面區(qū)上，水泥凝膠與骨料靠范德華力和物理的咬合力結(jié)合在一起，結(jié)合強度較低，在應(yīng)力作用下，裂縫首先在這里發(fā)生。此外，混凝土材料的化學(xué)鍵主要為共價鍵和離子鍵，這類化學(xué)鍵鍵能大而具有方向性，這使得混凝土在發(fā)生小變形時，能夠儲存大量的勢能，而一旦混凝土本身出現(xiàn)裂紋(包括原始裂紋、孔隙和后期受荷裂紋)，能量便在缺陷處快速釋放，造成材料發(fā)生迅速的裂紋擴展開裂直至破壞。因此，混凝土材料的化學(xué)鍵類型和材料的非勻質(zhì)多缺陷的特征決定了其脆性材料的屬性。混凝土韌性方面的不足在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍，為了提高混凝土的韌性，人們先后發(fā)明了鋼筋混凝土、聚合物混凝土、纖維混凝土等。這三類混凝土的增韌機理各不相同，并互有優(yōu)缺點。鋼筋混凝土利用混凝土與高強、高韌性鋼筋骨架網(wǎng)絡(luò)間的粘結(jié)作用將構(gòu)件的受力更多地傳遞給鋼筋網(wǎng)，而使混凝土基體所受的力則小于其極限應(yīng)力，從而改善了鋼筋混凝土的韌性。鋼筋混凝土發(fā)展最早，應(yīng)用廣泛，適用于澆注具有一定規(guī)則幾何形狀的大型構(gòu)件，此外受鋼筋成本影響，其總體造價較為昂貴。聚合物混凝土系顆粒型有機一無機復(fù)合材料的統(tǒng)稱，這類材料在近30年來有顯著的發(fā)展。按其組成和制作工藝，可分為聚合物浸潰混凝土，聚合物水泥混凝土 (也稱聚合物改性混凝土)，聚合物膠結(jié)混凝土 (又稱樹脂混凝土)。聚合物混凝土利用聚合物乳液破乳后聚合物顆粒相互搭接在混凝土內(nèi)部形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、填充混凝土中孔隙缺陷、增加混凝土內(nèi)部固相顆粒的作用力實現(xiàn)增韌。聚合物混凝土與普通水泥混凝土相比，具有耐蝕、耐磨、耐凍融等優(yōu)點，同時，由于有機聚合物的彈性模量較低致使聚合物混凝土抗壓強度與同水灰比的普通混凝土相比要低一些。纖維混凝土通過內(nèi)部大量亂向分布的短細(xì)纖維與水泥基材料的粘結(jié)作用將水泥基材料的受力傳遞給纖維，使混凝土獲得高強、高韌和高抗?jié)B的特性。應(yīng)用于混凝土領(lǐng)域的纖維按材質(zhì)可分為有機纖維和鋼纖維。其中有機纖維混凝土的設(shè)計初衷和主要功能是為了提高混凝土抗裂、抗?jié)B性能，而增加韌性(提升有限)并非主要設(shè)計指標(biāo)，鋼纖維混凝土在眾纖維混凝土中韌性提升同比最為顯著，但其在潮濕環(huán)境下服役時可能引起鋼纖維銹蝕而導(dǎo)致混凝土失效，此外鋼纖維制造成本較昂貴，這也限制了其大范圍應(yīng)用。專利200710053634. 3公開了一種高強高韌性輕集料混凝土的制備方法，該文件所公開的技術(shù)中處理集料時采用了先增韌后增強的方法，該法僅用于輕集料混凝土的制備，并不適用于普通混凝土 ；除此之外，該技術(shù)在增強處理以及混凝土拌制過程中都使用了纖維，其增韌途徑主要通過纖維獲得，仍屬傳統(tǒng)的纖維混凝土范疇，這與本專利公開的增韌機理完全不同；最后，集料表面覆蓋低強低模的苯丙乳液相當(dāng)于在混凝土界面處引入了一弱化相，這將造成混凝土強度的大幅度折減。綜上所述，高強度高韌性混凝土存在巨大的市場需求，但目前的限于提高混凝土強度、韌性的技術(shù)的不足，限制了其應(yīng)用推廣。技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明提供了一種高強度高韌性粗集料、其制備方法及由其制備的混凝土。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種高強度高韌性粗集料的制備方法，包括如下步驟A、將普通粗集料與環(huán)氧改性苯丙乳液或環(huán)氧改性聚乙烯醇乳液混勻，所述環(huán)氧改性苯丙乳液或環(huán)氧改性聚乙烯醇乳液的質(zhì)量用量為普通粗集料質(zhì)量的1% 3% ；B、將步驟A所得物料與增強膠材混勻并標(biāo)養(yǎng)，得高強度高韌性粗集料，所述步驟A所得物料與增強膠材的質(zhì)量比為I :(0. 002 O. 046)，所述增強膠材包括質(zhì)量比為I :(O. I O. 3) : (O. 05 O. I)的水泥、礦物摻合料和膨脹劑。為了提高效率并保證產(chǎn)品性能，上述標(biāo)養(yǎng)條件為在相對濕度為90±5%，溫度為20±2°C的條件下，養(yǎng)護(hù)2 3d。為了使步驟A中物料很好地混勻，同時提高產(chǎn)品的韌性和強度，上述的高強度高韌性粗集料的制備方法，步驟A中，混勻方法為將普通粗集料邊攪拌邊注入環(huán)氧改性苯丙乳液或環(huán)氧改性聚乙烯醇乳液，環(huán)氧改性苯丙乳液或環(huán)氧改性聚乙烯醇乳液注完之后，繼續(xù)攪拌20-30min。上述步驟A可在攪拌鍋內(nèi)完成，為了使乳液能均勻分布，乳液注入速度不能過快。上述步驟A操作完后，普通集料表面均勻覆蓋一半固化的高強高韌聚合物膜，得增韌預(yù)處理粗集料。為了提高產(chǎn)品韌性，上述環(huán)氧改性苯丙乳液包括質(zhì)量比為I :(0. 25 I. 5)的苯丙乳液和水性環(huán)氧樹脂，環(huán)氧改性聚乙烯醇乳液包括質(zhì)量比為I : (O. 25 I. 5)的聚乙烯醇乳液和水性環(huán)氧樹脂。申請人:發(fā)現(xiàn)，水性環(huán)氧樹脂與苯丙乳液或聚乙烯醇乳液有很好的協(xié)同效應(yīng)。上述步驟B中，步驟A所得物料與增強膠材的混勻，可在攪拌機中進(jìn)行，將步驟A所得物料與增強膠材在攪拌機中攪拌2min左右即可。上述步驟B，利用半固化高強高韌聚合物膜中的剩余水分與增強膠材反應(yīng)，使增韌預(yù)處理粗集料表面形成一水泥漿料薄層，然后置于相對濕度90±5%，溫度20±2°C條件下，養(yǎng)護(hù)2 3d，使增韌預(yù)處理粗集料表層的漿料薄層充分水化而形具有一定強度的保護(hù)層。為了保證產(chǎn)品性能，所述環(huán)氧改性苯丙乳液或環(huán)氧改性聚乙烯醇乳液的質(zhì)量固含量為 20-60%。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，上述礦物摻合料優(yōu)選為超細(xì)活性礦物摻合料，更優(yōu)選為硅灰或納米二氧化硅中一種或兩種任意配比的混合物；所述膨脹劑為氧化鈣類膨脹劑或鈣礬石類膨脹劑中一種或兩種任意配比的混合物。由上述的制備方法所制得的高強度高韌性粗集料。利用本發(fā)明提供的一種高強度高韌性粗集料拌制混凝土，混凝土 28d的抗壓強度、斷裂韌性、斷裂能較同配比的普通混凝土明顯提高。本發(fā)明通過對混凝土中集料-漿體界面進(jìn)行優(yōu)化，提高了界面對混凝土韌性的影響貢獻(xiàn)集料-漿體間引入一韌性優(yōu)異、強度適宜的聚合物薄層，通過調(diào)整柔性聚合物(苯丙乳液/聚乙烯醇乳液)與剛性聚合物(環(huán)氧樹月旨)的比例使聚合物與集料及漿體間的粘接強度及自身力學(xué)性能在合理的范圍內(nèi)，混凝土荷載超過峰值荷載后，可使混凝土中的裂紋沿集料漿體界面擴展，擴展過程中聚合物層發(fā)生明顯變形同時吸收能量，可以顯著提高混凝土的斷裂能，通過技術(shù)控制聚合物薄層厚度(摻量)，可使混凝土在破壞過程中吸收的能量最優(yōu)化，從而使混凝土斷裂能韌性明顯改善。
具體實施方式
為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實施例?；炷翑嗔秧g性Krc及斷裂能Gf按照DL/T5332-2005《水工混凝土斷裂試驗規(guī)程》之楔入劈拉法檢測，抗壓強度參照GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》檢測。以下諸實例中水泥強度等級為P · II 52. 5，細(xì)集料為河砂，細(xì)度模數(shù)為2. 5 ;減水劑①為江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的PCA-VDI (a)型聚羧酸高效減水劑，減水劑②為江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的PCA-IV聚羧酸減縮、抗裂減水劑；膨脹劑①為江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的HME- IV混凝土高效膨脹劑，膨脹劑②為江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的SBTJM-III (D)混凝土膨脹劑(鈣礬石類的膨脹劑)；聚乙烯醇乳液①由東莞市湛帆膠粘劑有限公司生產(chǎn)，型號金魚牌，固含40%，聚乙烯醇乳液②由天津天狗裝飾化工有限公司生產(chǎn)的天狗牌108膠；苯丙乳液為國民淀粉生產(chǎn)的7199N型苯丙乳液，固含量48% ;水性環(huán)氧樹脂①為廣州歐鵬化工生產(chǎn)的E571型水性環(huán)氧樹脂乳液和水性環(huán)氧樹脂固化劑水固8#按質(zhì)量比I :1混合物，水性環(huán)氧樹脂②為常州山峰化工有限公司生產(chǎn)的E-44水性環(huán)氧樹脂乳液，固含45% ;硅灰購自鞍美國貿(mào)實業(yè)開發(fā)有限公司；納米二氧化硅為購自海泰納米的HTSi-Ol0實施例2、4中用到的減水劑為減水劑②，膨脹劑為膨脹劑②，聚乙烯醇乳液為聚乙烯醇乳液②，環(huán)氧樹脂為水性環(huán)氧樹脂②，實施例1、3、5及對比例1、2、3中用到的減水劑為減水劑①，膨脹劑為膨脹劑①，聚乙烯醇乳液為聚乙烯醇乳液①，環(huán)氧樹脂為水性環(huán)氧樹脂①。實施例I普通粗集料為級配符合5 20mm連續(xù)級配要求的玄武巖碎石，將其置于攪拌鍋中，攪拌過程中緩緩加入普通粗集料質(zhì)量1%的聚合物乳液，該聚合物乳液為環(huán)氧改性苯丙乳液，其中苯丙乳液與環(huán)氧樹脂質(zhì)量比為I :0. 25，聚合物乳液加完后，繼續(xù)攪拌20min后制成增韌預(yù)處理集料；然后加入增韌預(yù)處理集料質(zhì)量O. 2%的增強膠材，增強膠材由水泥、硅灰、膨脹劑按質(zhì)量比I :0. I :0. 05混合而成，攪拌2min后取出，然后置于相對濕度90±5%，溫度20±2°C條件下，養(yǎng)護(hù)3d制成提高混凝土韌性的特種粗集料(以下簡稱特種粗集料)。
按配合比水160kg/m3、水泥457kg/m3、細(xì)集料619kg/m3、特種粗集料1140kg/m3、減水劑4. 57kg/m3拌制混凝土，成型后標(biāo)養(yǎng)28d，抗壓強度為64. 3MPa，斷裂韌性O(shè). 89MPa · m1/2，斷裂能為 168N · πΓ1。實施例2普通粗集料為級配符合5 20mm連續(xù)級配要求的石灰?guī)r碎石，將其置于攪拌鍋中，攪拌過程中緩緩 加入普通粗集料質(zhì)量1%的聚合物乳液，該聚合物乳液為環(huán)氧改性苯丙乳液，其中苯丙乳液與環(huán)氧樹脂質(zhì)量比為I :0. 25，聚合物乳液加完后，繼續(xù)攪拌20min后制成增韌預(yù)處理集料；然后加入增韌預(yù)處理集料質(zhì)量O. 2%的增強膠材，增強膠材由水泥、硅灰、膨脹劑按質(zhì)量比I :0. I :0. 05混合而成，攪拌2min后取出，然后置于相對濕度90±5%，溫度20±2°C條件下，養(yǎng)護(hù)3d制成提高混凝土韌性的特種粗集料(以下簡稱特種粗集料)。按配合比水160kg/m3、水泥457kg/m3、細(xì)集料619kg/m3、特種粗集料1140kg/m3、減水劑4. 57kg/m3拌制混凝土，成型后標(biāo)養(yǎng)28d，抗壓強度為61. 8MPa，斷裂韌性O(shè). 93MPa · m1/2，斷裂能為 178N · πΓ1。實施例3普通粗集料為級配符合5 20mm連續(xù)級配要求的玄武巖碎石，將其置于攪拌鍋中，攪拌過程中緩緩加入普通粗集料質(zhì)量3%的聚合物乳液，該聚合物乳液為環(huán)氧改性苯丙乳液，其中苯丙乳液與環(huán)氧樹脂質(zhì)量比為I :1.5，聚合物乳液加完后，繼續(xù)攪拌20min后制成增韌預(yù)處理集料；然后加入增韌預(yù)處理集料質(zhì)量4. 6%的增強膠材，增強膠材由水泥、納米二氧化硅、膨脹劑按質(zhì)量比I :0. 2 :0. I混合而成，攪拌2min后取出，然后置于相對濕度90 土 5%，溫度20 ± 2°C條件下，養(yǎng)護(hù)3d制成提高混凝土韌性的特種粗集料(以下簡稱特種粗集料)。按配合比水160kg/m3、水泥457kg/m3、細(xì)集料619kg/m3、特種粗集料1140kg/m3、減水劑4. 57kg/m3拌制混凝土，成型后標(biāo)養(yǎng)28d，抗壓強度為68. 9MPa，斷裂韌性O(shè). 88MPa · m1/2，斷裂能為 165N · πΓ1。實施例4普通粗集料為級配符合5 20mm連續(xù)級配要求的玄武巖碎石，將其置于攪拌鍋中，攪拌過程中緩緩加入普通粗集料質(zhì)量1%的聚合物乳液，該聚合物乳液為環(huán)氧改性聚乙烯醇乳液，其中聚乙烯醇乳液與環(huán)氧樹脂質(zhì)量比為I :0. 25，聚合物乳液加完后，繼續(xù)攪拌25min后制成增韌預(yù)處理集料；然后加入增韌預(yù)處理集料質(zhì)量3%的增強膠材，增強膠材由水泥、硅灰、膨脹劑按質(zhì)量比I :0. 3 :0. I混合而成，攪拌2min后取出，然后置于相對濕度90 土 5%，溫度20 ± 2 °C條件下，養(yǎng)護(hù)3d制成提高混凝土韌性的特種粗集料(以下簡稱特種粗集料)。按配合比水160kg/m3、水泥457kg/m3、細(xì)集料619kg/m3、特種粗集料1140kg/m3、減水劑4. 57kg/m3拌制混凝土，成型后標(biāo)養(yǎng)28d，抗壓強度為65. 7MPa，斷裂韌性O(shè). 95MPa · m1/2，斷裂能為 198N · πΓ1。實施例5普通粗集料為級配符合5 20mm連續(xù)級配要求的玄武巖碎石，將其置于攪拌鍋中，攪拌過程中緩緩加入普通粗集料質(zhì)量3%的聚合物乳液，該聚合物乳液為環(huán)氧改性聚乙烯醇乳液，其中聚乙烯醇乳液與環(huán)氧樹脂質(zhì)量比為I :1. 5，聚合物乳液加完后，繼續(xù)攪拌30min后制成增韌預(yù)處理集料；然后加入增韌預(yù)處理集料質(zhì)量3%的增強膠材，增強膠材由水泥、硅灰、納米二氧化硅、膨脹劑按質(zhì)量比I :0. I :0. I :0. 05混合而成，攪拌2min后取出，然后置于相對濕度90±5%，溫度20±2°C條件下，養(yǎng)護(hù)3d制成提高混凝土韌性的特種粗集料(以下簡稱特種粗集料)。按配合比水160kg/m3、水泥457kg/m3、細(xì)集料619kg/m3、特種粗集料1140kg/m3、減水劑4. 57kg/m3拌制混凝土，成型后標(biāo)養(yǎng)28d，抗壓強度為68. 8MPa，斷裂韌性O(shè). 92MPa · m1/2，斷裂能為 203N · πΓ1。對比例I為了對比本發(fā)明對混凝土韌性的提升效果，測試了普通粗集料在相同配合比下的性能。按照配合比7jC 160kg/m3、水泥457kg/m3、細(xì)集料619kg/m3、普通粗集料1140kg/m3、減水劑4. 57kg/m3拌制混凝土，成型后標(biāo)養(yǎng)28d，測得其抗壓強度為66. 7MPa，斷裂韌性O(shè). 82MPa · m1/2，斷裂能為 108N · πΓ1。 對比例2參照實施例5,區(qū)別僅為聚合乳液為苯丙乳液。按配合比水160kg/m3、水泥457kg/m3、細(xì)集料619kg/m3、苯丙乳液處理粗集料1140kg/m3、減水劑4. 57kg/m3拌制混凝土，成型后標(biāo)養(yǎng)28d，測得其抗壓強度為56. 2MPa，斷裂韌性 O. 85MPa · ml/2，斷裂能為 121N · m_l。對比例3參照實施例5，區(qū)別僅為聚合乳液為聚乙烯醇乳液。按配合比水160kg/m3、水泥457kg/m3、細(xì)集料619kg/m3、聚乙烯醇乳液處理粗集料1140kg/m3、減水劑4. 57kg/m3拌制混凝土，成型后標(biāo)養(yǎng)28d，測得其抗壓強度為58. 7MPa，斷裂韌性O(shè). 84MPa · ml/2,斷裂能為134N · m-1。
權(quán)利要求
1.一種高強度高韌性粗集料的制備方法，其特征在于包括如下步驟 A、將普通粗集料與環(huán)氧改性苯丙乳液或環(huán)氧改性聚乙烯醇乳液混勻，所述環(huán)氧改性苯丙乳液或環(huán)氧改性聚乙烯醇乳液的質(zhì)量用量為普通粗集料質(zhì)量的1% 3% ； B、將步驟A所得物料與增強膠材混勻并標(biāo)養(yǎng)，得高強度高韌性粗集料，所述步驟A所得物料與增強膠材的質(zhì)量比為I :(0. 002 O. 046)，所述增強膠材包括質(zhì)量比為I :(0. I O.3) : (O. 05 O. I)的水泥、礦物摻合料和膨脹劑。
2.如權(quán)利要求I所述的高強度高韌性粗集料的制備方法，其特征在于步驟B中，標(biāo)養(yǎng)條件為在相對濕度為90±5%，溫度為20±2°C的條件下，養(yǎng)護(hù)2 3d。
3.如權(quán)利要求I或2所述的高強度高韌性粗集料的制備方法，其特征在于步驟A中，混勻方法為將普通粗集料邊攪拌邊注入環(huán)氧改性苯丙乳液或環(huán)氧改性聚乙烯醇乳液，環(huán)氧改性苯丙乳液或環(huán)氧改性聚乙烯醇乳液注完后，繼續(xù)攪拌20-30min。
4.如權(quán)利要求I或2所述的高強度高韌性粗集料的制備方法，其特征在于所述環(huán)氧改性苯丙乳液包括質(zhì)量比為I : (O. 25 I. 5)的苯丙乳液和水性環(huán)氧樹脂。
5.如權(quán)利要求I或2所述的高強度高韌性粗集料的制備方法，其特征在于所述環(huán)氧改性聚乙烯醇乳液包括質(zhì)量比為I :(0. 25 I. 5)的聚乙烯醇乳液和水性環(huán)氧樹脂。
6.如權(quán)利要求I或2所述的高強度高韌性粗集料的制備方法，其特征在于所述環(huán)氧改性苯丙乳液或環(huán)氧改性聚乙烯醇乳液的質(zhì)量固含量為20-60%。
7.如權(quán)利要求I或2所述的高強度高韌性粗集料的制備方法，其特征在于所述超細(xì)活性礦物摻合料為硅灰或納米二氧化硅中一種或兩種任意配比的混合物。
8.如權(quán)利要求I或2所述的高強度高韌性粗集料的制備方法，其特征在于所述膨脹劑為氧化鈣類膨脹劑或鈣礬石類膨脹劑中一種或兩種任意配比的混合物。
9.由權(quán)利要求I至8任意一項所述的制備方法所制得的高強度高韌性粗集料。
10.由權(quán)利要求9所述的粗集料所制備的混凝土。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高強度高韌性粗集料、其制備方法及由其制備的混凝土。上述粗集料的制備方法，包括如下步驟A、將普通粗集料與環(huán)氧改性苯丙乳液或環(huán)氧改性聚乙烯醇乳液混勻；B、將步驟A所得物料與增強膠材混勻并標(biāo)養(yǎng)，得高強度高韌性粗集料，所述步驟A所得物料與增強膠材的質(zhì)量比為1(0.002～0.046)，所述增強膠材包括質(zhì)量比為1(0.1～0.3)(0.05～0.1)的水泥、礦物摻合料和膨脹劑。利用本發(fā)明提供的一種高強度高韌性粗集料拌制混凝土，混凝土28d的抗壓強度、斷裂韌性、斷裂能較同配比的普通混凝土明顯提高。
文檔編號C04B28/00GK102898084SQ20121040063
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月19日
發(fā)明者繆昌文, 朱曉斌, 劉加平, 洪錦祥, 周偉玲, 徐靜, 黃沖, 鄧成, 劉至飛, 陳香, 王文峰, 萬赟 申請人:江蘇博特新材料有限公司, 江蘇蘇博特新材料股份有限公司, 江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司, 姜堰市博特新材料有限公司