一种混凝土用高抗裂、高抗渗复合材料及其生产方法

摘要

本发明涉及一种混凝土用高抗裂、高抗渗复合材料及其生产方法，它由下列组分按重量比配制而成：膨胀剂80～99％，合成纤维0.5～4.0％，保水剂0～4.0％，减水剂0～12％。其生产方法是将所述各组分混合至其中合成纤维分布的离差系数小于0.03。本发明生产方法简单、成本低，大大简化混凝土的制备工艺，可使混凝土具有更高的抗裂、抗渗能力。

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种混凝土用高抗裂、高抗渗复合材料及其生产方法，属于混凝土外加剂技术领域。这种复合材料可用于各种混凝土建筑工程，尤其是水利、海港、桥梁、地下、水池、屋面等要求高抗渗、及超长、超宽、超大要求高抗裂的混凝土结构。

【背景技术】

水泥混凝土的主要组成为水泥浆体和集料，水泥浆体在水化和硬化过程中存在较大的化学收缩和干燥收缩。当这种收缩变形受到限制时，混凝土内部就会产生较大的拉应力。此外，外荷载的作用、温度的变化等都会导致混凝土内部应力的产生。水泥混凝土是一种脆性材料，抗拉强度低，当硬化水泥浆体收缩产生的拉应力超过其抗拉强度时，就会产生裂缝，不仅使得混凝土的强度降低，而且使其抗渗性、抗冻性、耐蚀性等耐久性大大降低。自从有水泥混凝土以来，裂缝问题一直是困扰建筑工程界的技术难题。

目前提高混凝土抗裂性的技术途径主要有两条：一是在配制混凝土时添加膨胀剂补偿混凝土收缩，二是添加合成纤维改善混凝土脆性。这两种方法的防裂原理、作用层面、作用方式及最有效的作用时段不相同。膨胀剂主要是通过化学作用补偿混凝土硬化阶段的收缩，但对抑制混凝土早期塑性收缩作用不大；而合成纤维对于控制混凝土早期的塑性收缩开裂有明显的作用，但在硬化阶段却很难再有帮助。因此仅靠单一添加膨胀剂或合成纤维都不能完全解决混凝土的裂缝问题。目前工程应用中也有添加膨胀剂和合成纤维的双掺技术，在混凝土施工时，纤维和膨胀剂在混凝土搅拌站或施工现场作为独立组分分别加入，由于两种材料的配合比未经优化，存在一定的随意性，不能获得最佳添加效果。同时，由于原材料带来的复杂多样性将带来质量控制困难且责任不清的现实问题。因此，市场需要一种膨胀剂与纤维复合化的单一产品。然而，要生产膨胀剂与合成纤维复合的单一产品，大掺量纤维在干粉中的分散性是一个尚未解决的技术难题。

此外，含有膨胀剂的混凝土有一个特点，即膨胀剂在水化过程中需水量较大，内干燥速度快，因此养护条件苛刻，在浇筑后14 d内必须蓄水养护，否则不仅起不到提高混凝土抗裂防渗性的作用，反而会适得其反。

【发明内容】

本发明针对上述混凝土抗裂防渗方面所存在的技术问题，提供了一种混凝土用高抗裂、高抗渗复合材料及其生产方法。

为解决上述技术问题，本发明由下列组分按重量比配制而成：膨胀剂80～99％，合成纤维0.5～4.0％，保水剂0～4.0％，减水剂0～12％。

所述膨胀剂为满足JC467-2001标准要求的硫铝酸钙类混凝土膨胀剂。

所述明硫铝酸钙类混凝土膨胀剂选自矾石膨胀剂、UEA膨胀剂、AEA膨胀剂或HEA膨胀剂。

所述合成纤维选自聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维中的一种或一种以上按任意比例的混杂纤维。

所述保水剂选自羟甲基纤维素醚、羧甲基纤维素醚或木纤维的一种或一种以上任意比例的组合物。

所述减水剂为满足GB8076-1997标准要求的固体高效减水剂或固体缓凝高效减水剂，优选萘磺酸盐甲醛缩合物系减水剂或聚羧酸系减水剂中的一种。

本发明的生产方法将所述各组分混合至其中合成纤维分布的离差系数小于0.03。

所述混合优选采用两级混合，第一级为无重力混料机混合，第二级为螺带搅拌机混合，其中合成纤维的投料通过鼓风机吹入无重力混料机中。

本发明通过膨胀剂、合成纤维、保水剂和高效减水剂优化配合，采用风吹分散纤维投料和两级混合技术，将上述组分混合成一种均匀的含纤维粉体材料。膨胀剂和合成纤维的优化配合使得防裂机理、作用层面、作用方式及最有效的作用时段不同的两类材料从化学与物理两方面协同作用产生最佳叠加效应；保水剂能够显著提高混凝土的保水率，减少混凝土塑性及干燥收缩；高效减水剂能够有效改善混凝土的泵送能力，提高混凝土的密实性，起到早强、增强的作用，而几种组分的充分均匀混合保证了合成纤维在混凝土中分布的均匀性，起到最佳防裂效果。

为达到满意的抗裂防渗效果，本发明在混凝土中的掺量应该为胶凝材料重量的6～12％。

本发明提供的混凝土用高抗裂、高抗渗复合材料的生产方法简单、成本低。与已有混凝土抗裂防渗技术相比明显具有以下优点：

1.与单一掺加膨胀剂或合成纤维的方法相比，本发明提供的复合材料是同时含有膨胀组分和合成纤维的高抗裂抗渗混凝土外加剂，两种组分从不同的层面、以不同的方式以及在不同的时段对混凝土的抗裂做出最有效的贡献，互为补充，相互加强，可使混凝土具有更高的抗裂、抗渗能力。

2.与在混凝土搅拌站或施工现场将膨胀剂和合成纤维分别以独立组分加入的抗裂防渗技术相比，本发明提供的复合材料由于对两种组分的配合比经优化设计，可最大程度发挥两种材料的协同叠加效应，同时通过风吹分散纤维投料和两级混合使合成纤维与膨胀组分充分均匀混合，可保证合成纤维在混凝土中的均匀分布，提高混凝土的抗裂、抗渗能力。本产品作为工厂精选原材料、优化配合、充分混合的单一产品，一方面可以避免原材料来源不同造成的质量的不稳定性，同时避免在出现质量问题时责任的不明确而造成的推诿扯皮现象；另一方面也可大大简化混凝土的制备工艺。

3.与单一掺加膨胀剂或膨胀剂和合成纤维分别以独立组分加入的抗裂防渗技术相比，本发明提供的复合材料中所含有的保水剂，能够减少混凝土本身的水分蒸发，保证混凝土水化时所需要的大量水分，减少混凝土塑性及干燥收缩。

【附图说明】

图1为基准砂浆的示意图

图2为发明的抗裂效果图

图1所示的基准砂浆为未掺本发明的水泥砂浆，图2为掺有8％本发明的水泥砂浆。按CECS38：2004风干24h后，未掺高抗裂、高抗渗复合材料的水泥砂浆薄板，风干3h后就出现了几条细裂纹，之后裂纹不断扩展，24h后最长的一条裂缝长约40cm，最大宽度约1.5mm。而掺有8％本发明的水泥砂浆薄板，风干24h未见裂纹产生。

【具体实施方式】

下面结合实施例对本发明作进一步详述。

配制下列高抗裂、高抗渗复合材料：

实施例1：HEA膨胀剂90.0％，合成纤维0％，保水剂0％，萘磺酸盐甲醛缩合物高效减水剂10.0％。

实施例2：AEA膨胀剂97.0％，聚丙烯纤维3.0％，保水剂0％，高效减水剂0％。

实施例3：AEA膨胀剂91.5％，聚丙烯纤维1.5％，保水剂0％，萘磺酸盐甲醛缩合物高效减水剂8.0％。

实施例4：UEA膨胀剂89.0％，聚丙烯纤维2.0％，羧甲基纤维素醚2.0％，萘磺酸盐甲醛缩合物高效减水剂8.0％。

实施例5：AEA膨胀剂85.0％，聚丙烯腈纤维3.0％，羟甲基纤维素醚2.0％，萘磺酸盐甲醛缩合物缓凝高效减水剂10％。

实施例6：明矾石膨胀剂83.5％，聚酰胺纤维1.5％，木纤维4.0％，萘磺酸盐甲醛缩合物缓凝高效减水剂10％。

实施例7：UEA膨胀剂90.0％，聚丙烯纤维0.5％，羧甲基纤维素醚1.0％，木纤维3.0％，聚羧酸减水剂6.0％。

实施例8：AEA膨胀剂80.0％，聚丙烯纤维1.5％，聚酰胺纤维1.5％，羟甲基纤维素醚2.0％，木纤维3.0％，萘磺酸盐甲醛缩合物缓凝高效减水剂12％。

将上述用组成物计量(总量2吨)配合后投入无重力混料机，其中各种合成纤维用风速为10m/s的鼓风机吹入。用无重力混料机混合6min(一级混合)，再经螺带搅拌机混合5min(二级混合)。

大掺量干粉复合材料混合效果——纤维含量标准偏差

每种混合料称取10份试样，每份200g，用2.5mm方孔筛筛除粉状物后，称取各份试样中纤维状物质量，用10份试样中纤维状物含量的离差系数C_v表示纤维的分散效果。离差系数越小，效果越好。结果见表1。

表1纤维状物含量的离差系数Cv

实例号2 3 4 5 6 7 8纤维含量离差系数C_v0.025 0.024 0.022 0.028 0.028 0.024 0.026

按表2配比配制水泥砂浆和混凝土基准样，其中水泥为P.O 42.5级水泥，黄砂的细度模数为2.6，石子为粒径5～31.5mm的玄武岩碎石，水为民用自来水。用前述各实例抗裂抗渗复合材料等量取代8％水泥配制受检试样。

表2砂浆和混凝土配合比/重量份比

  试件  水泥  黄砂  石子  水  备注  砂浆  砂浆  混凝土  1.0  1.0  1.0  1.50  1.00  1.58  2.37  0.50  0.50  0.45  抗裂性试验  保水率试验  抗渗性试验

抗裂效果——砂浆裂缝降低系数

将水泥、抗裂防渗添加剂、细度模数为2.6的黄砂、水的顺序将各物料加入水泥砂浆搅拌机搅拌均匀，按CECS38：2004测定试样的抗裂性能，用裂缝降低系数η表征。裂逢降低系数η按式(1)计算。不同抗裂防渗添加剂水泥砂浆的性能测定计算结果见表3。

$\eta \%=(1-\frac{A_{\mathrm{fcr}}}{A_{\mathrm{mc}}r})\times 100---\left(1\right)$

其中：A_mcr和A_fcr分别为对比用基准试件和加抗裂防渗添加剂混凝土试件的试件裂缝的名义总面积(mm²)，按式(2)计算

$A_{\mathrm{mcr}}\left(A_{\mathrm{fcr}}\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\omega }_{i,\max }{l}_i---\left(2\right)$

式中：ω_i，max——第i条裂缝名义最大宽度，mm；

l_i——第i条裂缝名义长，mm。

抗渗效果——混凝抗渗性能提高系数

抗渗性试验依据DL-T5150-2001《水工混凝土试验规范》规定的“混凝土相对抗渗性试验”进行，九种混凝土在0.8MPa水压时的抗渗性。试验结果见表3，其中抗渗性能提高系数Pr(％)按下式(3)计算：

$\mathrm{Pr}\%=(1-\frac{H_2}{H_1})\times 100\%---\left(3\right)$

式中：H₁-基准混凝土渗水高度，cm；

H₂-掺抗裂防渗剂混凝土渗水高度，cm。

保水效果——砂浆保水率

按水泥、抗裂防渗添加剂、黄砂、水的顺序将各物料加入水泥砂浆搅拌机搅拌均匀，称取内径100mm，内部深度25mm的清洁金属圆形试模质量M₁，12片110mm×110mm中速定性滤纸质量M₂；将砂浆分10次装入金属试模，并用抹刀边添边压，当填充砂浆略高于试模边缘时，用抹刀以45°角一次性将试模面多余的砂浆刮去，然后用抹刀以较平的角度在试模面反方向将砂浆荡平。抹掉试模边的砂浆，称量试模和盛载砂浆重量M₃用两块110mm×110mm医用棉纱覆盖砂浆面，再在棉纱面上放上12片滤纸，用两片直径110mm的玻璃盖在滤纸面上，再以2kg重物把玻璃片压住；静止2min，移走玻璃片，取出滤纸(不包括棉纱)，称取质量M₄。按式(4)计算保水率，

$W\%=(1-\frac{M_4-M_2}{\alpha (M_3-M_1)})\times 100\%---\left(4\right)$

式中：

W——保水率，％

M₁——干燥试模质量，g

M₂——12片滤纸未吸水前质量，g

M₃——试模和砂浆总重量，g

M₄——12片滤纸未吸水后质量，g

α——砂浆含水率，％

试验结果见表3。

表3不同混凝土抗裂抗渗复合材料添加效果

试样抗裂效果抗渗效果保水效果砂浆裂缝降低系数η/％混凝土渗水高度H/cm抗渗性能提高系数Pr/％砂浆保水率W/％基准样实例1实例2实例3实例4实例5实例6实例7实例8-10.198.695.499.610094.390.810014.05.51.92.12.22.52.81.93.2-60.786.485.088.382.180.086.477.182.286.483.692.394.293.198.497.197.3