一种高强度混凝土
技术领域
本发明涉及混凝土制备技术领域，更具体地说，它涉及一种高强度混凝土。
背景技术
随着城市建设的发展，混凝土的使用也越来越广泛。混凝土是当代最主要的土木工程材料之一；它是由胶凝材料、颗粒状集料、水、以及必要时加入的外加剂和掺合料按一定比例配制、经均匀搅拌、密实成型、养护硬化而成的一种人工石材。随着建筑物对混凝土自身强度的要求越来越高，高强度混凝土也应运而生。
目前的高强度混凝土，一般采用P.II52.5R水泥，以使高强度混凝土的强度等级为C65以上。
由于高强度混凝土中采用了高强水泥，而高强水泥在水化过程中会产生大量的热量，造成高强度混凝土内部的温度上升，而导致高强度混凝土内部容易产生裂缝，导致抗压性能以及抗裂性能下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度混凝土，有利于减少高强度混凝土内部发生开裂的情况，有利于增强高强混凝土的抗压性能以及抗裂性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种高强度混凝土，由包含以下质量份的原料制成：
水泥%20100-200份
粉煤灰%20120-160份
粗骨料%20200-300份
河砂%20260-400份
碳化硅%2080-90份
纳米碳酸钙%2050-75份
铝粉%2010-20份
纤维混合物%2035-55份
减水剂%202-5份
水%2070-120份。
采用上述技术方案，水泥、粉煤灰、粗骨料以及河砂作为高强度混凝土的主要成分，碳化硅具有良好的抗裂性以及耐热性，有利于减少在水泥水化过程中产生的热量导致高强度混凝土产生裂缝的情况，碳化硅与纤维混合物配合有利于提升高强度混凝土的抗压强度以及抗裂强度。同时，纳米碳酸钙在高强度混凝土中起到填充作用，形成应力集中点使得减少高强度混凝土内部产生的裂纹得以受阻以及钝化，压制裂纹发展，从而使得混凝土不容易开裂，同时有利于提高高强度混凝土的结构强度。
进一步地，所述碳化硅为改性碳化硅，所述的改性碳化硅的制备方法如下：
(1)将碳化硅进行球磨至粒径为200-800目并得到碳化硅粉末，备用；
(2)随后先将硅烷偶联剂和丙酮置于容器中均匀混合，然后再将碳化硅粉末添加到容器中，其中，碳化硅粉末的质量是丙酮添加量的0.13-0.15，以1000-1200r/min离心搅拌10-20min，通入保护气，升温至75-80℃反应3-5h，在75-80℃的条件下抽滤得到滤饼物料；
(3)将滤饼物料置于超声介质中超声分散，离心洗涤，干燥，冷却后得到改性碳化硅。
进一步地，所述的硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH-550。
进一步地，用于制备改性碳化硅的步骤(3)具体为：
将滤饼物料置于超声介质中超声分散，其中超声介质为丙酮，超声频率为1000-1500Hz，超声时间为10-15min，再以离心速率为3000-3500r/min对滤饼物料进行离心，然后再经过洗涤3-4次，在150-180℃的条件下干燥5-6h，最后再冷却制得改性碳化硅。
采用上述技术方案，硅烷偶联剂将碳化硅的表面进行包覆，有利于提高碳化硅的分散性，丙酮作为碳化硅的改性剂，经过改性处理的碳化硅具有良好的耐高温性能以及分散性能，将其加入到高强度混凝土中，改性碳化硅能够更加均匀分散于高强度混凝土的原料体系中，有利于提升高强度混凝土整体上的耐热性能，使得在水泥水化的过程中高强度混凝土不容易出现开裂的情况，纳米碳酸钙与碳化硅复配起到协同作用，有利于提升高强度混凝土的结构强度以及耐热性。
进一步地，所述粗骨料为莫来石、陶粒、玄武岩碎石的一种或多种。
采用上述技术方案，莫来石具有良好的结构强度以及耐高温性能；玄武岩碎石的抗压强度高；陶粒具有强度高、质轻的优点，由此，粗骨料选用莫来石、陶粒、玄武岩碎石的一种或多种，有利于提高高强度混凝土的结构强度。
进一步地，所述纤维混合物为玄武岩纤维、聚丙烯纤维、钢纤维的两种或多种。
进一步地，所述纤维混合物为玄武岩纤维、聚丙烯纤维和钢纤维以重量比为1:(2.5-4):1组成的混合物。
采用上述技术方案，聚丙烯纤维能有效地控制高强度混凝土由于水泥水化的过程中产生的热量引起的微裂纹，防止及抑制混凝土原生裂缝的形成和发展，大大改善高强度混凝土的防裂抗渗性能、抗冲磨性能，增加混凝土的韧性，从而提高混凝土的使用寿命。玄武岩纤维具有抗压强度高、耐高温的效果；钢纤维的加入使得高强度混凝土的抗压强度、拉伸强度、抗弯强度、冲击强度、韧性、冲击韧性等性能均得到较大提高。
进一步地，高强度混凝土由包含以下质量份的原料制成：
水泥%20130-200份
粉煤灰%20130-160份
粗骨料%20230-300份
河砂%20280-400份
碳化硅%2083-90份
纳米碳酸钙%2055-75份
铝粉%2013-20份
纤维混合物%2040-55份
减水剂%203-5份
水%2090-120份。
进一步地，高强度混凝土由包含以下质量份的原料制成：
水泥%20170份
粉煤灰%20155份
粗骨料%20250份
河砂%20340份
碳化硅%2084份
纳米碳酸钙%2065份
铝粉%2016份
纤维混合物%2050份
减水剂%204份
水%20110份。
采用上述技术方案，用于制备高强度混凝土的原料中，各个组分按照特定的质量份制备得到高强度混凝土的耐热性、抗裂强度以及抗压强度更好。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、水泥、粉煤灰、粗骨料以及河砂作为高强度混凝土的主要成分，碳化硅具有良好的抗裂性以及耐热性，有利于减少在水泥水化过程中产生的热量导致混凝土产生裂缝的情况，碳化硅与纤维混合物配合有利于提升高强度混凝土的抗拉强度以及抗裂强度。同时，纳米碳酸钙在高强度混凝土中起到填充作用，形成应力集中点使得高强度混凝土内部产生的裂纹得以受阻以及钝化，压制裂纹发展，从而使得混凝土不容易开裂，同时有利于提高高强度混凝土的结构强度。
2、改性碳化硅能够更加均匀分散于高强度混凝土的原料体系中，有利于提升高强度混凝土整体上的耐热性能，使得在水泥水化的过程中高强度混凝土不容易出现开裂的情况，纳米碳酸钙与改性碳化硅复配起到协同作用，有利于提升高强度混凝土的结构强度以及耐热性。
3、聚丙烯纤维能有效地控制高强度混凝土由于水泥水化的过程中产生的热量引起的微裂纹，防止及抑制混凝土原生裂缝的形成和发展，大大改善高强度混凝土的防裂抗渗性能、抗冲磨性能，增加混凝土的韧性，从而提高混凝土的使用寿命。
具体实施方式
以下实施例对本发明作进一步详细说明。
以下实施例中，水泥采用华润牌P.II52.5R的硅酸盐水泥。
以下实施例中，减水剂采用巴斯夫生产的型号为RHEOPLUS411的聚羧酸减水剂。
以下实施例中，粉煤灰采用灵寿县百丰矿产品加工厂的Ⅱ级粉煤灰。
以下实施例中，丙酮购于东莞市凯裕化工有限公司。
以下实施例中，纳米碳酸钙采用北京德科岛金科技有限公司的纳米碳酸钙，平均粒径为20nm。
以下实施例中，KH-550硅烷偶联剂采用日本信越化学工业株式会社中牌号为KBM-903的KH-550硅烷偶联剂；KH-560硅烷偶联剂采用日本信越化学工业株式会社中牌号为KBM-403的KH-560硅烷偶联剂。
以下实施例中，钢纤维、玄武岩纤维以及聚丙烯纤维均购于武汉市中鼎经济发展有限责任公司，其中，聚丙烯纤维的规格为12mm，玄武岩纤维的规格为12mm。
以下实施例中，本发明中所有制备方法中用到的设备，如搅拌机、超声分散机等，均为常规使用的设备。
表1实施例1-10的高强度混凝土的组分及质量份(kg)。
实施例1
一种高强度混凝土，其原料的组分和质量份如表1所示。
其中，纤维混合物是由玄武岩纤维和聚丙烯纤维以质量比为2:2.5组成的混合物。
本实施例中，粗骨料为莫来石。碳化硅粉末购于安阳市开拓冶金耐材有限公司出售的碳化硅细粉。
高强度混凝土的制备方法如下：
S1、采用搅拌机将相应质量份的水和水泥在25℃的条件下混合搅拌得到第一混合物。
S2、往第一混合物里面加入相应质量份的河砂以及粉煤灰，以100r/min的转速搅拌15min，得到第二混合物。
S3、采用搅拌机将相应质量份的粗骨料和相应质量份的碳化硅和纳米碳酸钙混合，以350r/min的速度搅拌20min，得到第三混合物。
S4、将第二混合物添加到第三混合物中，以70r/min的速度搅拌40min，然后再添加相应质量份的铝粉、纤维混合物以及减水剂，搅拌45min，制得抗裂混凝土。
实施例2
一种高强度混凝土，与实施例1的区别在于：纤维混合物是由玄武岩纤维和钢纤维以质量比为3.5:1组成的混合物。
实施例3
一种高强度混凝土，与实施例2的区别在于：纤维混合物是由聚丙烯纤维和钢纤维以质量比为2.5:2组成的混合物。
实施例4
一种高强度混凝土，与实施例3的区别在于：纤维混合物为玄武岩纤维、聚丙烯纤维和钢纤维以重量比为1:3:1组成的混合物。
实施例5
一种高强度混凝土，与实施例4的区别在于：
本实施例中，粗骨料为莫来石、陶粒以质量比为1:1组成的混合物。
实施例6
一种高强度混凝土，与实施例5的区别在于：
本实施例中，粗骨料为莫来石、陶粒、玄武岩碎石以质量比为1:1:1组成的混合物。
实施例7
一种高强度混凝土，与实施例6的区别在于：包括以下步骤：
本实施例中，碳化硅为改性碳化硅，改性碳化硅的制备方法如下：
(1)采用球磨机将相应质量份的碳化硅进行球磨至粒径为200目并得到碳化硅粉末，备用。
(2)随后先将硅烷偶联剂和丙酮置于容器中均匀混合，然后再将碳化硅粉末添加到容器中，其中，碳化硅粉末的质量是丙酮添加量的0.13倍，硅烷偶联剂是碳化硅质量的0.03倍，以1000r/min离心搅拌10min，通入保护气N2，升温至75℃反应3h，在75℃的条件下抽滤得到滤饼物料。
(3)将滤饼物料置于超声介质中超声分散，其中超声介质为丙酮，超声频率为1000Hz，超声时间为10min，再以离心速率为3000r/min对滤饼物料进行离心，然后再经过洗涤3次，在150℃的条件下干燥5h，最后再冷却制得改性碳化硅。
本实施例中，上述的硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH-560。
步骤(3)的超声分散中，可以采用超声分散机，也可以采用其它能够实现超声分散的设备。
实施例8
一种高强度混凝土，与实施例7的区别在于：碳化硅为改性碳化硅，用于制备改性碳化硅的硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH-550。
实施例9
一种高强度混凝土，与实施例8的区别在于：
本实施例中，改性碳化硅的制备方法如下：
(1)将碳化硅进行球磨至粒径为325目并得到碳化硅粉末，备用。
(2)随后先将硅烷偶联剂和丙酮置于容器中均匀混合，然后再将碳化硅粉末添加到容器中，其中，碳化硅粉末的质量是丙酮添加量的0.14，硅烷偶联剂是碳化硅质量的0.04倍，以1100r/min离心搅拌15min，通入保护气N2，升温至78℃反应4h，在77℃的条件下抽滤得到滤饼物料。
(3)将滤饼物料置于超声介质中超声分散，其中超声介质为丙酮，超声频率为1300Hz，超声时间为13min，再以离心速率为3300r/min对滤饼物料进行离心，然后再经过洗涤3次，在170℃的条件下干燥5.5h，最后再冷却制得改性碳化硅。
实施例10
一种高强度混凝土，与实施例9的区别在于：
本实施例中，改性碳化硅的制备方法如下：
(1)将碳化硅进行球磨至粒径为800目并得到碳化硅粉末，备用。
(2)随后先将硅烷偶联剂和丙酮置于容器中均匀混合，然后再将碳化硅粉末添加到容器中，其中，碳化硅粉末的质量是丙酮添加量的0.15，硅烷偶联剂是碳化硅质量的0.05倍，以1200r/min离心搅拌20min，通入保护气N2，升温至80℃反应5h，在80℃的条件下抽滤得到滤饼物料。
(3)将滤饼物料置于超声介质中超声分散，其中超声介质为丙酮，超声频率为1500Hz，超声时间为15min，再以离心速率为3500r/min对滤饼物料进行离心，然后再经过洗涤4次，在180℃的条件下干燥6h，最后再冷却制得改性碳化硅。
表2是实施例11-15中用于制备高强度混凝土的原料的组分及质量份(kg)。
实施例11
一种高强度混凝土，与实施例10的区别在于：用于制备高强度混凝土的原料的组分以及质量份如表2所示。
实施例12
一种高强度混凝土，与实施例11的区别在于：用于制备高强度混凝土的原料的组分以及质量份如表2所示。
实施例13
一种高强度混凝土，与实施例12的区别在于：用于制备高强度混凝土的原料的组分以及质量份如表2所示。
实施例14
一种高强度混凝土，与实施例13的区别在于：用于制备高强度混凝土的原料的组分以及质量份如表2所示。
粗骨料为莫来石、陶粒、玄武岩碎石以质量比为1:1:1组成的混合物。
纤维混合物为玄武岩纤维、聚丙烯纤维和钢纤维以重量比为1:3:1组成的混合物。
本实施例中，改性碳化硅的制备方法如下：
(1)将碳化硅进行球磨至粒径为325目并得到碳化硅粉末，备用。
(2)随后先将硅烷偶联剂KH-550和丙酮置于容器中均匀混合，然后再将碳化硅粉末添加到容器中，其中，碳化硅粉末的质量是丙酮添加量的0.14，硅烷偶联剂是碳化硅质量的0.04倍，以1100r/min离心搅拌15min，通入保护气N2，升温至78℃反应4h，在77℃的条件下抽滤得到滤饼物料。
(3)将滤饼物料置于超声介质中超声分散，其中超声介质为丙酮，超声频率为1300Hz，超声时间为13min，再以离心速率为3300r/min对滤饼物料进行离心，然后再经过洗涤3次，在170℃的条件下干燥5.5h，最后再冷却制得改性碳化硅。
实施例15
一种高强度混凝土，与实施例14的区别在于：用于制备高强度混凝土的原料的组分以及质量份如表2所示。
比较例1
一种高强度混凝土，与实施例1的区别在于：采用二氧化硅代替碳化硅。
比较例2
一种高强度混凝土，与实施例14的区别在于：
水泥 170份
粉煤灰 155份
粗骨料 250份
河砂 340份
碳化硅 149份
铝粉 16份
纤维混合物 50份
减水剂 4份
水 110份
比较例3
一种高强度混凝土，与实施例14的区别在于：
水泥170份、粉煤灰155份、粗骨料250份、河砂340份、碳化硅60份、纳米碳酸钙40份、铝粉16份、纤维混合物20份、减水剂4份和水110份。
各实施例以及比较例的检测数据见表3。
按照实施例1-15以及比较例1-3制备出高强度混凝土试块，将试块1-18进行以下实验并将测试结果示于表3。
实验1
根据GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》中的抗压强度试验检测分别测试试块1-18的56d抗压强度(MPa)以及吸水率(％)。
表3试块1-18进行实验1后的检测结果。
试块1中的纤维混合物是玄武岩纤维和聚丙烯纤维以质量比为2:2.5组成的混合物；试块2中的纤维混合物采用的是玄武岩纤维和钢纤维以质量比为3.5:1组成的混合物；试块3中的纤维混合物是由聚丙烯纤维和钢纤维以质量比为2.5:2组成的混合物。从表3的数据中可以看出，试块1、试块2以及试块3的抗压强度以及劈裂抗拉强度很接近。试块4采用的是玄武岩纤维、聚丙烯纤维和钢纤维以重量比为1:3:1组成的混合物按照特定比例制得的混合物，而且从表3的数据中可以看出，在其他条件相同的条件下，纤维混合物由玄武岩纤维、聚丙烯纤维和钢纤维并按照特定重量比范围内制得，使得高强度混凝土的抗压强度以及劈裂抗拉强度更好。由此可知，聚丙烯纤维能有效地控制高强度混凝土由于水泥水化的过程中产生的热量引起的微裂纹，防止及抑制混凝土原生裂缝的形成和发展，大大改善高强度混凝土的防裂抗渗性能、抗冲磨性能，增加高强度混凝土的韧性，从而提高混凝土的抗压强度以及劈裂抗拉强度。玄武岩纤维具有抗压强度高、耐高温的效果；钢纤维的加入使得高强度混凝土的抗压强度、拉伸强度、抗弯强度、冲击强度、韧性、冲击韧性等性能均得到较大提高。
试块4采用的是莫来石作为粗骨料，试块5采用的粗骨料是由莫来石、陶粒以质量比为1:1组成的混合物，试块6采用的粗骨料是由莫来石、陶粒、玄武岩碎石以质量比为1:1:1组成的混合物，从表2中的数据可以看出，试块6的抗压强度以及劈裂抗拉强度都比试块1-5的抗压强度以及劈裂抗拉强度要高，这说明，由此，粗骨料选用莫来石、陶粒、玄武岩碎石并按照特定的质量比进行复配，再添加到高强度混凝土原料体系中，有利于提高高强度混凝土的结构强度。
试块16采用二氧化硅代替碳化硅，而试块1采用市购的碳化硅，虽然二氧化硅和碳化硅都是原子晶体，但是从表3的数据明显可以看出，试块16的抗压强度以及劈裂抗拉强度较差，这说明，碳化硅具有良好的抗裂性以及耐热性，有利于减少在水泥水化过程中产生的热量导致高强度混凝土产生裂缝的情况，碳化硅与纤维混合物配合有利于提升高强度混凝土的抗压强度以及抗裂强度，但二氧化硅添加在高强度混凝土原料中时并未达到这样的效果。
试块7采用的碳化硅是改性碳化硅，试样6采用的碳化硅是市购的碳化硅，试块7对应的抗压强度为60.5Mpa、劈裂抗拉强度是11.5Mpa，而试块6的抗压强度为57Mpa、劈裂抗拉强度为9.4Mpa，由此可知，硅烷偶联剂与丙酮混合后形成得到对碳化硅进行改性的改性剂，使得硅烷偶联剂将碳化硅的表面进行包覆，有利于提高碳化硅的分散性，经过改性处理的碳化硅具有良好的耐高温性能以及分散性能，将其加入到高强度混凝土中，改性碳化硅能够更加均匀分散于高强度混凝土的原料体系中，有利于提升高强度混凝土整体上的耐热性能以及结构强度，使得在水泥水化的过程中高强度混凝土不容易出现开裂的情况，纳米碳酸钙与改性碳化硅复配起到的协同作用比纳米碳酸钙和碳化硅复配起到的协调作用更大，有利于提升高强度混凝土的结构强度以及耐热性。
试块17中并未添加纳米碳酸钙，而试块14中含有纳米碳酸钙，虽然试块15的改性碳化硅的质量份有所提高，但试块15的抗压强度以及劈裂抗拉强度远低于试块14的抗压强度以及劈裂抗拉强度，由此说明，纳米碳酸钙在高强度混凝土中起到填充作用，形成应力集中点使得高强度混凝土内部产生的裂纹得以受阻以及钝化，压制裂纹发展，从而使得混凝土不容易开裂，同时有利于提高高强度混凝土的结构强度。而且纳米碳酸钙与改性碳化硅配合起到协同作用，由此，当只添加改性碳化硅时，即使单独添加改性碳化硅的质量份与复合添加改性碳化硅和纳米碳酸钙的质量份相同，但两者对高强度混凝土的抗压强度以及劈裂抗拉强度的所起到的提升效果有很大的区别。
试块18和本申请中高强度混凝土的原料中的组分相同，但是某些组分的质量份并不在本申请的范围内，从表3的测试数据中可以看出，试块18的抗压强度和劈裂抗拉强度远低于试块1-15的抗压强度和劈裂抗拉强度，由此可见，用于制备高强度混凝土的原料中，各个组分按照特定的质量份范围制备得到高强度混凝土的耐热性、抗裂强度以及抗压强度更好。
以上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。
