一种抗冻混凝土及其制备工艺
技术领域
本申请涉及混凝土的领域，尤其是涉及一种抗冻混凝土及其制备工艺。
背景技术
混凝土作为一种重要的建筑材料，在一些温度较低的地区施工时，由于温度降低，水的活性较低，水泥的水化反应极其缓慢，混凝土的强度发展不能达到要求。当温度低于0℃时，混凝土内部水分大部分冻结。水结成冰后产生9％的体积膨胀，混凝土结构将遭致永久性破坏；另外，水结成冰后，混凝土中没有足够的液态水参与水泥的水化反应，混凝土的强度增长极慢甚至停止。在混凝土中加入早强剂或防冻剂来降低水的冰点，使水不容易结冰提高水泥的水化作用，使混凝土强度具备正常增长的条件，尽快的获得受冻临界强度。
但是使用早强剂和防冻剂只能使用混凝土在低温环境下完成浇注和养护后，在凝固后的混凝土使用过程中，仍会有较长的时间处于低温环境中，混凝土在低温环境中容易发生冻害，造成建筑物损坏。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的第一个目的在于提供一种抗冻混凝土，其具有提高混凝土抗冻性能的优点。
本发明的第二个目的在于提供一种抗冻混凝土的制备方法，其具有提高混凝土抗冻性能的优点。
为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：
一种抗冻混凝土，其原料包括如下重量份数的组分：
水泥%20280-305份；
细骨料%20750-850份；
粗骨料%20950-1150份；
水%20100-160份；
减水剂%201000-1100份；
膨胀剂%2025-35份；
掺合料%2080-90份；
混凝土防冻剂%2015-25份；
亲水改性微粒%2040-60份，所述微粒粒径在30-500纳米，所述微粒为热胀冷缩的材料。
通过采用上述技术方案，在制备混凝土时，为了得到必要的和易性，加入的拌合水总要多于供水泥水化的水，这部分多余的水便以游离水的形式滞留于混凝土中形成连续的毛细孔，混凝土硬化后，当温度低于-1℃时，这部分游离水开始结冰，水结冰后体积变大，迫使还未结冰的水向外迁移，产生静水压力，当静水压力大于混凝土的抗压强度时，对混凝土造成破坏。在混凝土中加入亲水改性微粒，供水泥水化之外的多余的水会与亲水改性微粒结合共同存在滞留在混凝土中形成毛细孔，由于微粒的粒径较小几乎不会影响形成的毛细孔的大小，不会降低混凝土自身的抗压强度；此时的毛细孔中为游离水和亲水改性微粒，当温度低于-1℃时，毛细孔中的游离水开始结冰，结冰后的游离水体积变大，同时亲水改性微粒遇冷收缩体积变小，为游离水结冰体积增长提供空间，减小对未结冰区域的作用力，温度越低，结冰的水越多，亲水改性微粒体积收缩的越多，从而减少毛细孔产生的静水压力，减小混凝土中静水压力大于混凝土抗压强度的情况，从而提高混凝土的抗冻性。
加入多余的水是为了提高混泥土拌合的和易性，而本申请中加入的亲水改性微粒的粒径较小，可以提高混凝土的流动性，就可以减小水的用量，从而减小滞留在混凝土内部的游离水，从而减小温度低于-1℃时混凝土内部的静水压力，提高混凝土的抗冻性。
优选的，所述亲水改性微粒的制备方法为：将液态亲水涂料喷涂在微粒表面后晾干，得到亲水改性微粒。
通过采用上述技术方案，亲水涂料包覆在微粒表面，使微粒可以更好的与水结合共存，从而可以使混凝土毛细管中有更多的微粒，使低温环境中微粒收缩为游离水结冰提供空间，减小混凝土中的静水压力，提高混凝土的抗冻性。
优选的，所述微粒粒径在30-200纳米的重量份数减去粒径在201-500纳米的重量份数大于等于20份。
通过采用上述技术方案，由于孔隙表面张力的作用，不同孔径的孔内水的饱和蒸气压和冰点不同，孔径越小，孔内水的饱和蒸气压越小，冰点越低。因此粒径较小的微粒多余粒径较大的微粒，可以使混凝土中有更多孔径较小的毛细孔，减小粒径较大的毛细孔，从而降低混凝土游离水结冰的冰点，在相同温度时可以减小混凝土内的静水压力，从而提高混凝土的抗冻性。
优选的，所述微粒由陶瓷颗粒、钢金属颗粒组成。
通过采用上述技术方案，陶瓷微粒可以更好的提高混凝土的流动性，在保证混凝土和易性的同时减少混凝土的用水量，从而减小在温度较低时混凝土内部的静水压力，提高混凝土的抗冻性；而钢金属颗粒遇冷后有较好的收缩性，在温度较低时钢金属颗粒收缩后可以为游离水结冰提供更多的空间，减少混凝土内的静水压力，提高混凝土的抗冻性。
优选的，所述钢金属颗粒为空心钢金属颗粒。
通过采用上述技术方案，空心钢金属颗粒内部含有空气，空气遇冷后体积减小明显，空心钢金属颗粒内部的压强减小，空心钢金属颗粒在遇冷后自身收缩的同时侧壁也向内凹陷，进一步减小在温度较低时钢金属颗粒的体积，为游离水结冰体积增大提供更多的空间，减小混凝土内部的静水压力，提高混凝土的抗冻性。
为实现上述第二个目的，本发明提供了如下技术方案：一种抗冻混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将相应重量份数的水泥、细骨料、粗骨料和掺合料搅拌混合均匀，得到第一混合物；步骤二，将水、亲水改性微粒、减水剂、膨胀剂和混凝土防冻剂混合均匀加入第一混合物，搅拌均匀得到防冻抗冻混凝土。
通过采用上述技术方案，将亲水改性微粒与液体组分混合，亲水改性微粒表面被液体包覆后，再与其他骨料进行混合，液体包覆层起到润滑作用，减小搅拌过程中骨料对微粒表面亲水涂层的破坏，减小对微粒与水结合的影响，从而提高混凝土毛细孔中的亲水改性微粒，提高混凝的抗冻性。
优选的，所述步骤二中，先将亲水改性微粒加热至50-100℃，然后再与水、减水剂、膨胀剂和混凝土防冻剂混合。
通过采用上述技术方案，亲水改性微粒加热后具有更大的体积，除去从制备到浇注完成过程的热量损耗，亲水改性微粒仍具有较高的温度，当亲水改性微珠的完全冷却后，亲水改性微珠的体积变小，毛细孔中除了游离水和亲水改性微珠，还存在空隙，这些空隙也为游离水结冰体积增大提供空间，进一步减小温度较低时混凝土内部的静水压力，提高混凝土的抗冻性能。
优选的，所述步骤二中，先将水、亲水改性微粒和混凝土防冻剂混合均匀得到第二混合物后，再将第二混合物、减水剂和膨胀剂混合均匀后加入第一混合物中，搅拌均匀得到防冻抗冻混凝土。
通过采用上述技术方案，先将水和混凝土防冻剂与亲水改性微粒混合，使亲水改性微粒结合足够多的水，在与水结合时减小其他组分对结合过程的影响，也减小亲水改性微粒表面附着的其他成分，减少对外加剂作用发挥的影响，提高混凝土的质量，从而提高混凝土的抗冻性。混凝土防冻剂又可以降低水的冰点，进一步提高混凝土的抗冻性。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.在混凝土中加入亲水改性微粒，混凝土硬化后，在混凝土的毛细孔中存在游离水和亲水改性微粒，温度低于-1℃时，亲水改性微粒收缩体积变小为游离水结冰体积增长提供空间，从而减少毛细孔产生的静水压力，从而提高混凝土的抗冻性；
2.使用陶瓷颗粒、钢金属颗粒作为亲水改性微粒的原料，既可以减少混凝土用水量又可以为毛细孔中游离水结冰提供更多的空间，提高混凝土的抗冻性；
3.先将水与亲水改性微粒混合后再与混凝土的其他原料进行混合，使亲水改性微粒可以结合足够多的水，也减少对外加剂作用发挥的影响，提高混凝土的质量，从而提高混凝土的抗冻性。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：一种抗冻混凝土，其原料各组分及其相应的重量份数如表1所示，并通过如下步骤制备获得：
步骤一，将相应重量份数的水泥、细骨料、粗骨料和掺合料搅拌混合均匀，得到第一混合物；
步骤二，将水、亲水改性微粒、减水剂、膨胀剂和混凝土防冻剂混合均匀加入第一混合物，搅拌均匀得到防冻抗冻混凝土。其中亲水改性微粒的制备方法为：将液态亲水涂料喷涂在微粒表面后晾干，得到亲水改性微粒。
本实施例中，微粒为玻璃粉末，其中微粒的粒径在30-200和粒径在201-500的重量份数如表1所示。液态亲水涂料为SCSeries涂料中的型号WSC100的亲水涂料。水泥为普通硅酸盐水泥，细骨料为中砂，粗骨料为碎石，掺合料为粉煤灰。表1中单位kg/m3是本申请防冻抗冻混凝土所需原料的重量份数单位。
实施例2-7：一种抗冻混凝土，与实施例1的不同之处在于，其原料各组分及其相应的重量份数如表1所示。
表1实施例1-7中各原料及其重量份数
实施例8：一种抗冻混凝土，与实施例1的不同之处在于，微粒为陶瓷颗粒和钢金属颗粒的混合物，本实施例中，粒径在30-200纳米之间的陶瓷颗粒和钢金属颗粒均为12.5kg/m3，粒径在201-500纳米之间的陶瓷颗粒和钢金属颗粒均为12.5kg/m3。
实施例9：一种抗冻混凝土，与实施例8的不同之处在于，粒径在30-200纳米之间的陶瓷颗粒和钢金属颗粒分别为10kg/m3和15kg/m3，粒径在201-500纳米之间的陶瓷颗粒和钢金属颗粒分别为10kg/m3和15kg/m3。
实施例10：一种抗冻混凝土，与实施例8的不同之处在于，粒径在30-200纳米之间的陶瓷颗粒和钢金属颗粒分别为15kg/m3和10kg/m3，粒径在201-500纳米之间的陶瓷颗粒和钢金属颗粒分别为15kg/m3和10kg/m3。
实施例11：一种抗冻混凝土，与实施例8的不同之处在于，微粒为陶瓷颗粒。
实施例12：一种抗冻混凝土，与实施例8的不同之处在于，微粒为钢金属颗粒。
实施例13：一种抗冻混凝土，与实施例8的不同之处在于，钢金属颗粒为空心钢金属颗粒。
实施例14：一种抗冻混凝土，与实施例1的不同之处在于，步骤二中，先将水、亲水改性微粒和混凝土防冻剂混合均匀得到第二混合物后，再将第二混合物、减水剂和膨胀剂混合均匀后加入第一混合物中，搅拌均匀得到防冻抗冻混凝土。
实施例15：一种抗冻混凝土，与实施例1的不同之处在于，步骤二中，先将亲水改性微粒加热至80℃，然后再与水、减水剂、膨胀剂和混凝土防冻剂混合。
实施例16一种抗冻混凝土，与实施例1的不同之处在于，步骤二中，先将亲水改性微粒加热至50℃，然后再与水、减水剂、膨胀剂和混凝土防冻剂混合。
实施例17：一种抗冻混凝土，与实施例1的不同之处在于，步骤二中，先将亲水改性微粒加热至100℃，然后再与水、减水剂、膨胀剂和混凝土防冻剂混合。
对比例1：一种抗冻混凝土，与实施例1的不同之处在于，步骤二中不加入亲水改性微粒。
对比例2：一种抗冻混凝土，与实施例1的不同之处在于，步骤二中加入的亲水改性微粒的重量份数为35kg/m3。
对比例3：一种抗冻混凝土，与实施例1的不同之处在于，步骤二中加入的亲水改性微粒的重量份数为65kg/m3。
对比例4：一种抗冻混凝土，与实施例1的不同之处在于，微粒的粒径小于30纳米。
对比例5：一种抗冻混凝土，与实施例1的不同之处在于，微粒的粒径为501-1000纳米
对比例6：一种抗冻混凝土，与实施例1的不同之处在于，微粒为金属锑颗粒。
对比例7：一种抗冻混凝土，与实施例1的不同之处在于，步骤一，将相应重量份数的水泥、细骨料、粗骨料、亲水改性微粒和掺合料搅拌混合均匀，得到第一混合物；
步骤二，水、减水剂、膨胀剂和混凝土防冻剂混合均匀加入第一混合物，搅拌均匀得到防冻抗冻混凝土。
对比例8：一种抗冻混凝土，与实施例13的不同之处在于，步骤二中，先将亲水改性微粒加热至30℃，然后再与水、减水剂、膨胀剂和混凝土防冻剂混合。
对比例9：一种抗冻混凝土，与实施例1的不同之处在于，步骤二中，先将亲水改性微粒加热至200℃，然后再与水、减水剂、膨胀剂和混凝土防冻剂混合。
试验一抗压强度测试
试验样品：采用实施例1、13、15和对比例1中获得的防冻抗冻混凝土制成的150mm×150mm×150mm混凝土试块作为将试验样品1、试验样品13、试样样品15和对照样品1。
试验仪器：混凝土抗压强度试验机。
试验方法：将样品放置在标准养护箱内养护28天，使用混凝土抗压强度试验机进行测量。
试验结果：试验样品1、试验样品13、试样样品15和对照样品1的抗压强度如表2所示。
表2试验样品1、13、15和对照样品1抗压强度测试结果
由表2可知，在混凝土原料中添加入亲水改性微粒后，制得的混凝土的抗压强度在标准情况下是符合混凝土试块的抗压强度要求的，加入的亲水改性微粒在标准情况下，几乎不影响混凝土的抗压强度。
试验一抗冻性能测试
试验样品：采用实施例1-17中获得的防冻抗冻混凝土制成的150mm×150mm×150mm混凝土试块作为试验样品1-27，采用对比例1-9中获得的防冻抗冻混凝土制成的150mm×150mm×150mm混凝土试块作为对照样品1-9。
试验方法：将所有样品放置在标准养护箱内养护28天，再将所有样品在水温为15-20℃的水中浸泡24h，浸泡时水面应高出试样顶面20mm，然后取出将表面擦干，测试抗压强度P1和质量m3，放入快速冰箱内进行冻融循环次数试验，25次循环后，测试抗压强度P2和m4，并以(P1-P2)/P1×100％计算25次抗冻融后抗压强度损失率，以(m3-m4)/m3×100％计算25次抗冻融后质量损失率。
试验结果：试验样品1-17和对照样品1-9的抗压强度损失率、质量损失率如表3所示。
表3试验样品1-17和对照样品1-9的抗冻试验结果
由表3可知，将试验样品1、2、3和对照样品1、2、3进行比较，在混凝土原料中加入40-60kg/m3的亲水改性微粒后制得的混凝土，经过冻融试验后抗压强度损失率和质量损失率均较小；当对照样品1的混凝土原料中不加入亲水改性微粒后，冻融试验后混凝土的抗压强度损失率和质量损失率较大；当对照样品2的混凝土原料中加入的亲水改性微粒小于40kg/m3时，冻融试验后混凝土的抗压强度损失率和质量损失率较大，抗冻性能较差；当对照样品3的混凝土原料中加入的亲水改性微粒大于60kg/m3时，冻融试验后混凝土的抗压强度损失率和质量损失率不继续减小；因此可以说明在混凝土原料中加入40-60kg/m3的亲水改性微粒后，低温环境中混凝土毛细孔中的游离水开始结冰，结冰后的游离水体积变大，而亲水改性微粒遇冷收缩体积变小，为游离水结冰体积增长提供空间，减小混凝土内部的静水压力，提高混凝土具有较好的抗冻性能。
由表3可知，将试验样品1、4、5、6、7进行对比，试验样品6和7冻融试验后的抗压强度损失率和质量损失率均小于试验样品1、4和5。因此粒径较小的微粒多余粒径较大的微粒，可以使混凝土中有更多孔径较小的毛细孔，减小粒径较大的毛细孔，从而降低混凝土游离水结冰的冰点，在相同温度时可以减小混凝土内的静水压力，从而提高混凝土的抗冻性。
由表3可知，将试验样品1、对照样品4和对照样品5进行对比，对照样品4和试验样品1的抗压强度损失率和质量损失率几乎一致，因此不断减小微粒的粒径并不能持续提高混凝土的抗冻性，对照样品5相比试验样品1抗压强度损失率和质量损失率增大，说明粒径过大的微粒会降低混凝土的抗冻性能。
由表3可知，将试验样品1和对照样品6进行比较，金属锑不属于热胀冷缩的材料，对照样品6使用的微粒为金属锑，对照样品6经过冻融试验后抗压强度损失率和质量损失率较大、抗冻性能较差，说明加入热胀冷缩的亲水改性微粒，可以提高混凝土的抗冻性能。
由表3可知，将试验样品1、8、9、10、11和12进行比较，试验样品8、9和10经过冻融试验后抗压强度损失率和质量损失率较小，试验样品8、9和10的微粒为陶瓷微粒和钢金属颗粒的混合物，得到的混凝土的抗冻性能大于只有玻璃粉末、只有陶瓷微粒、只有钢金属颗粒时的抗冻性。试验样品9经过冻融试验后抗压强度损失率和质量损失率最小，试验样品9的微粒中钢金属颗粒的含量大于陶瓷微粒的含量，得到的混凝土的抗冻性能大于钢金属颗粒的含量小于等于陶瓷微粒的含量时的抗冻性能。
由表3可知，将试验样品8和试验样品13进行比较，试验样品13经过冻融试验后抗压强度损失率和质量损失率较小，试验样品13的钢金属颗粒为空心钢金属颗粒，试验样品13的抗冻性能更好，说明将空心钢金属颗粒可以进一步减小混凝土内部的静水压力，提高混凝土的抗冻性。
由表3可知，将试验样品1、14和对照样品7进行比较，对照样品7是将亲水改性微粒与骨料混合制备的混凝土，对照样品7经过冻融试验后抗压强度损失率和质量损失率较大，抗冻性能差；试验样品1是先将亲水改性微粒与水和外加剂同时混合制备的混凝土，试验样品1经过冻融试验后抗压强度损失率和质量损失率比对照样品7的小，抗冻性能提高；试验样品14是先将水、亲水改性微粒和混凝土防冻剂再与其他原料混合，试验样品14经过冻融试验后抗压强度损失率和质量损失率比试验样品1的小，抗冻性能提高。
由表3可知，将试验样品1、15、16、17和对照样品8、9进行比较。试验样品15、16、17先将亲水改性微粒加热至50-100℃，然后再与水泥、细骨料、粗骨料和掺合料混搅拌混合均匀，试验样品15、16、17经过冻融试验后抗压强度损失率和质量损失率比试验样品1和对照样品8的都小，对照样品加热温度达到200℃。微粒温度过高，影响混凝土搅拌的制备，混凝土的抗冻性能降低。因此先将亲水改性微粒加热至50-100℃，然后再与水泥、细骨料、粗骨料和掺合料混搅拌混合均匀，可以提高混凝土的抗冻性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
