一种改性橡胶颗粒轻质超高性能混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种改性橡胶颗粒轻质超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
近些年来，随着国家经济迅猛发展，城市人口的增多和城市建设规模的不断扩大，城市交通拥堵问题越来越严重。城市高架桥和立交桥的建设是解决城市交通拥堵的有效举措。目前，我国城市高架桥和立交桥的建设中，大多数采用传统的混凝土现场浇筑施工方法，施工工期长(3-5年)，环境污染大，占地打围、造成交通拥堵的现象非常严重。改变传统的桥梁施工方法，采用预制拼装快速施工方法是城市桥梁建造技术的发展趋势。因目前采用的普通高性能混凝土密度大、强度低，桥梁预制构件尺寸和自重大，造成其运输和吊装施工困难，限制了预制拼装施工技术的发展与应用。开发轻质高强、抗冲击韧性高，体积稳定性好的改性橡胶颗粒轻质超高性能混凝土材料，采用免蒸养工艺制备超高性能混凝土预制拼装桥梁，进一步减小桥梁结构自重、增大桥梁跨径，并可采用常规的运输和吊装施工设备，进行预制拼装桥梁的快速施工，满足城市高架桥和立交的建设需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种改性橡胶颗粒轻质超高性能混凝土及其制备方法，混凝土轻质、工作性能好，高强低收缩，抗冲击韧性、耐磨蚀性能好。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种改性橡胶颗粒轻质超高性能混凝土，各组分及其含量包括：水泥640～750kg/m3、粉煤灰微珠130～180kg/m3、硅灰130～180kg/m3、陶砂600～700kg/m3、橡胶颗粒23～35kg/m3、镀铜钢纤维150～200kg/m3、减水剂20～30kg/m3、水性环氧树脂10～20kg/m3、保水减缩内养护剂22～33kg/m3、水170～190kg/m3。
作为优选，所述水泥为P·O42.5或P·O52.5等。
作为优选，所述粉煤灰微珠比表面积≥1300m2/kg，28d活性指数≥90％，烧失量≤5.0％，需水量比≤90％。
作为优选，所述硅灰中SiO2质量含量≥90％，比表面积≥19500m2/kg，28d活性指数≥105％。
作为优选，所述陶砂为1～5mm连续级配陶砂，筒压强度≥7.5MPa，堆积密度为550～670kg/m3，表观密度为1350～1500kg/m3，饱和面干吸水率为8.0～10.0％。
作为优选，所述橡胶颗粒采用废旧轮胎破碎后经过改性制成，所述橡胶颗粒为1～3mm连续级配，表观密度为1000～1200kg/m3；所述橡胶颗粒改性方式为：将橡胶颗粒用水清洗净，自然晾干后置于干净容器中，倒入质量分数为1％～5％的NaOH溶液至橡胶颗粒表面刚好被浸润，浸泡60～90分钟后，清水冲洗至pH为中性，晾干备用得改性橡胶颗粒。
作为优选，所述镀铜钢纤维的公称长度为10～16mm，当量直径为0.18～0.35mm，断裂强度≥3000MPa，弹性模量为200～220GPa。
作为优选，所述水性环氧树脂是阴离子型水性环氧树脂。
作为优选，所述减水剂固含量≥30％，减水率≥30％。
作为优选，所述保水减缩内养护剂按下述步骤制备：
1)将二丙二醇单丁醚和丁二酸酐按1:(1.3～1.6)的摩尔比混合，在120～150℃下反应200～280min，缩合成具有减缩功能的单体L；
2)将木薯捣碎，置于清水中充分搅拌后沉淀，滤除木薯渣得到包含木薯淀粉的悬浊液，将悬浊液加水稀释，静置15～20min后去除上层清液，收集沉淀物得木薯淀粉；
3)向步骤2)所得木薯淀粉中加入2.5～3倍质量的水，然后在55～65℃水浴条件下加热120～150min，再加入聚丙烯酸钠保水剂和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺交联剂，控制木薯淀粉、聚丙烯酸钠保水剂、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺交联剂的质量比为1:(0.2～0.3):(0.4～0.5)，继续搅拌20～30min，向溶液中滴加甲基丙烯酸甲酯和步骤1)合成的单体L，控制木薯淀粉、甲基丙烯酸甲酯、单体L的质量比为1:(0.04～0.06):(0.3～0.4)，恒温反应25～30min后得粗产物；
4)将步骤3)所得粗产物放入丙酮中浸泡100～120min后，在索氏提取器中抽提循环3～4次共20～26h，洗涤干燥后粉磨至60μm方孔筛余≤6％，得保水组分M；
5)将白云岩在1150～1250℃下预煅烧30～40min，然后进行粉磨，将粉磨所得粉料与硅铁粉和萤石粉混合，控制各组分及其所占质量百分比分别为粉料70～80％、硅铁粉15～20％、萤石粉5～10％；然后在1180～1220℃的温度和真空条件下还原煅烧50～60min，冷却后，将所得产物与石膏按1:(15～20)的质量比例混合，最后粉磨至比表面积为300～320m2/kg、且60μm方孔筛余≤6％，得膨胀组分N，其中CaO、SiO2、MgO、Al2O3和Fe2O3所占质量百分数分别为25～30％、15～20％、30～40％、5～10％和3～7％；
6)将步骤4)制得的保水组分M与步骤5)制得的膨胀组分N按照质量比(2.5～3.5):1进行复配，然后粉磨10～15min并过200目筛，制得所述保水减缩内养护剂。
一种改性橡胶颗粒轻质超高性能混凝土制备方法，采用上述改性橡胶颗粒轻质超高性能混凝土，包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各组分及其含量包括：水泥640～750kg/m3、粉煤灰微珠130～180kg/m3、硅灰130～180kg/m3、陶砂600～700kg/m3、橡胶颗粒23～35kg/m3、镀铜钢纤维150～200kg/m3、减水剂20～30kg/m3、水性环氧树脂10～20kg/m3、保水减缩内养护剂22～33kg/m3、水170～190kg/m3；
2)将陶砂放入水中浸泡至饱水状态得预湿陶砂，将预湿陶砂、水泥、硅灰和橡胶颗粒加入混凝土搅拌机预拌均匀，加入粉煤灰微珠和保水减缩内养护剂继续干拌均匀，随后倒入水和减水剂搅拌均匀，倒入水性环氧树脂搅拌均匀，再均匀加入镀铜钢纤维搅拌均匀；最后进行装模、振捣、成型后，表面覆盖不透水的薄膜进行薄膜养护后拆模进行标准养护，即得所述改性橡胶颗粒轻质超高性能混凝土。
本发明采用的原理为：
1)本发明采用废旧轮胎破碎橡胶颗粒作为集料制备超高性能混凝土，一方面低密度的橡胶颗粒集料可降低混凝土容重，使混凝土轻质化；另一方面橡胶颗粒具有低的弹性模量，是良好的吸能材料，具有良好的吸能效果冲击性能，NaOH改性可溶解橡胶颗粒表面硬脂酸锌等憎水性杂质，改善橡胶颗粒表面亲水性能，减缓橡胶颗粒表面憎水物质对水泥水化进程的抑制作用，提升混凝土力学性能和抗冲击韧性。
2)本发明采用陶砂作为集料制备超高性能混凝土，一方面可有效降低混凝土的表观密度，减轻混凝土构筑物的自重；另一方面，陶砂表面多孔、粗糙，内部含有大量毛细孔，该结构不仅提高了陶砂与水泥砂浆之间的粘结强度，且陶砂具有“微泵”效应，经过清水浸泡后的预湿陶砂在混凝土成型后会随着时间的延长缓慢释放出内部水分，使混凝土得到充分的内养护，大幅降低混凝土的自收缩和干燥收缩，同时提高混凝土的密实性和强度；使用陶砂能有效避免混凝土的碱集料反应问题，从而使建筑物的使用寿命延长，提高超高性能混凝土的耐久性能。此外，在混凝土制备过程中，提前在预湿陶砂表面包覆一层水泥、硅灰，可在陶砂与胶凝浆体结合处形成高强、致密的“拱壳”界面区，均匀分散陶砂所受压应力，从而有效避免了陶砂自身强度较低的问题，并且阻止有害离子在硬化浆体毛细孔中迁移，提高了轻质超高性能混凝土的力学性能。
3)本发明采用的保水减缩内养护剂中的保水组分主要为有机-无机高分子的复合物，该复合物具有三维条带状网络结构和敞开孔结构，为吸附和储藏水分提供了较大空间，并且含有大量羟基可通过氢键作用吸附水分子，因此具有很高的吸水倍率，可以在水泥浆体的水化过程中缓慢释放出水分，为混凝土中胶凝浆体的后期水化和膨胀组分后期膨胀作用提供水分保证；同时在主链上引入的减缩基团可以降低混凝土内部毛细孔的表面张力，减少因水分蒸发产生的压应力，从而进一步减小了混凝土的干燥收缩；保水减缩内养护剂中的膨胀组分在早期水化过程中，由于CaO和MgO被包裹在C4AF矿物中不能参与反应，膨胀作用受到了抑制；随着水化的继续，C4AF层被破坏，逐渐释放出的CaO和MgO与自由水发生反应生成Ca(OH)2和Mg(OH)2晶体，产生体积膨胀，并且在保水组分的持续释水作用下，对混凝土起到持续补偿收缩的作用，保水减缩内养护剂中的保水组分和膨胀组分共同起到了内养护减缩作用。
4)本发明在混凝土中掺加水性环氧树脂，水性环氧树脂分子结构中含有羟基和醚键两种极性基团，使得水性环氧树脂分子易与相邻表面之间产生电磁或化学引力，而水性环氧树脂的环氧基与水泥混凝土的钙离子等发生作用形成交联紧密的网状络合聚合物，增强陶砂和橡胶颗粒集料、钢纤维与胶凝材料浆体间的界面粘结强度，使得混凝土孔隙减少，且环氧树脂在混凝土基体中固化填充混凝土孔隙，混凝土结构致密性提升，进而提升混凝土力学性能及各项性能。
与现有技术相比，本发明的优点与积极效果在于：
(1)本发明采用低弹性模量的吸能材料废旧轮胎破碎橡胶颗粒作为部分集料制备超高性能混凝土，具有良好的吸能效果和抗冲击性能；NaOH改性可改善橡胶颗粒表面亲水性能，提升橡胶颗粒与水泥基体间界面粘结强度，促进水泥水化进程，从而提升混凝土的抗冲击韧性。
(2)采用预湿陶砂作为集料制备超高性能混凝土，可有效降低超高性能混凝土的表观密度，利用其内养护作用可改善目前超高性能混凝土收缩大的问题，同时结合预拌工艺促进陶砂周围浆体形成高强、致密的“拱壳”界面区，提高了轻质超高性能混凝土的力学性能和耐久性能；此外，可有效解决目前超高性能混凝土常用集料(如石英砂、河砂等)资源匮乏的问题，节约资源能源，符合国家可持续发展战略，改善超高性能混凝土发展受地域资源限制的问题；
(3)本发明在混凝土中掺加水性环氧树脂聚合物，增强集料、纤维与胶凝材料浆体间的界面粘结强度，且环氧树脂在混凝土基体中固化填充混凝土孔隙，使得混凝土孔隙减少，结构致密性提升。
(4)本发明所得改性橡胶颗粒轻质超高性能混凝土的表观密度为1950～2100kg/m3，较一般超高性能混凝土降低自重19％以上，降低混凝土构筑物的自重；同时标准养护28d抗压强度等级可达C100以上，56d干燥收缩率小于350×10-6，具有良好的工作性能、力学性能以及体积稳定性；28d冲击功≥1200J(CECS%2013：2009《纤维混凝土试验方法标准》落锤法)，可有效提升混凝土构件的抗冲击韧性。且实现废弃物废旧轮胎的有效利用，具有实际应用价值。
具体实施方式
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中，水泥采用华新P·O52.5；硅灰由上海天恺硅粉材料有限公司提供，SiO2质量含量为95％，比表面积为19500m2/kg，28d活性指数为105％；粉煤灰微珠由京诚嘉德(北京)商贸有限公司提供，粉煤灰微珠比表面积为1300m2/kg，28d活性指数为101％，需水量比为88％，球体密度为2.32g/cm3，触变指数为7.5；筒压强度≥7.5MPa，堆积密度为550～670kg/m3，表观密度为1350～1500kg/m3，饱和面干吸水率为9.0％；橡胶颗粒为都江堰市华益橡胶有限公司生产的废旧轮胎破碎橡胶颗粒，粒径为1～3mm，表观密度为1120kg/m3；镀铜钢纤维由武汉新途工程新材料科技有限公司生产，公称长度为13mm，当量直径为0.25mm，断裂强度为3500MPa，弹性模量为210GPa；水性环氧树脂为深圳市吉田化工有限公司生产；水为普通自来水。
以下实施例中所述减水剂固含量30％，减水率30％：
以下实施例中所述保水减缩内养护剂的制备方法包括以下步骤：
1)将二丙二醇单丁醚和丁二酸酐以1:1.5的摩尔比混合，在130℃下反应240min，缩合成具有减缩功能的单体L；
2)将木薯捣碎，置于清水中充分搅拌后沉淀，滤除木薯渣得到包含木薯淀粉的悬浊液，在悬浊液中加入大量清水进行稀释，静置15min后去除上层清液，收集沉淀物得木薯淀粉；
3)在步骤2)所得木薯淀粉中加入3倍质量的水，置于55℃的水浴锅中搅拌加热130min，再加入聚丙烯酸钠保水剂和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺交联剂，控制木薯淀粉、聚丙烯酸钠保水剂、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺交联剂的质量比为1:0.2:0.4，继续搅拌30min后，向溶液中滴加甲基丙烯酸甲酯和步骤1)合成的单体L，控制木薯淀粉、甲基丙烯酸甲酯、单体L的质量比为1:0.05:0.3，恒温反应30min后得到粗产物；
4)将步骤3)制得的粗产物放入丙酮中浸泡2h后，在索氏提取器中抽提循环4次共24h，洗涤干燥后粉磨至60μm方孔筛余≤6％，得到保水组分M；
5)将白云岩在1250℃下预煅烧30min，然后进行粉磨并将所得粉料与硅铁粉和萤石粉混合，控制各组分及其所占质量百分比分别为粉料(白云石粉料)75％、硅铁粉18％、萤石粉7％，然后在1180℃的温度及真空条件下还原煅烧1h，冷却后，将所得产物与石膏按1:16的质量比例混合，最后粉磨至比表面积300～320m2/kg且60μm方孔筛余≤6％，得膨胀组分N，其中CaO、SiO2、MgO、Al2O3和Fe2O3所占质量百分比分别为29％、19％、37％、8％和5％；
将步骤4)制得的保水组分M与步骤5)制得的膨胀组分N按照质量比3:1进行混合，然后粉磨15min后过200目筛，制得所述保水减缩内养护剂。
实施例中所述橡胶颗粒的改性方法包括以下步骤：将橡胶颗粒用水清洗净，自然晾干后置于干净容器中，倒入质量分数为4％的NaOH溶液至橡胶颗粒表面刚好被浸润，浸泡65分钟后，清水冲洗至pH为中性，晾干得改性橡胶颗粒。
实施例1～5
一种改性橡胶颗粒轻质超高性能混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)按表1所述配比称取各原料；
2)将陶砂放入水中浸泡至饱水状态得预湿陶砂，将预湿陶砂、水泥、硅灰和橡胶颗粒加入混凝土搅拌机预拌2min，加入粉煤灰微珠和保水减缩内养护剂继续干拌1min，随后倒入水和减水剂搅拌3min，倒入水性环氧树脂搅拌1min，再均匀加入镀铜钢纤维搅拌3min；最后进行装模、振捣、成型后，表面覆盖不透水的薄膜进行薄膜养护后拆模，按照GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》中有关混凝土的标准养护规定进行养护，即得所述改性橡胶颗粒轻质超高性能混凝土。各实施例所得改性橡胶颗粒轻质超高性能混凝土的性能测试结果见表2。
表1实施例1～5所述改性橡胶颗粒轻质超高性能混凝土的配合比(kg/m3)
表2实施例1～5所得改性橡胶颗粒轻质超高性能混凝土的性能测试结果
上述结果表明，本发明所得改性橡胶颗粒轻质超高性能混凝土抗压强度等级可达C100以上，容重为1950～2100kg/m3，较一般超高性能混凝土降低自重19％以上，可在有效减轻混凝土结构自重，降低混凝土构筑物设计难度的同时，提高建筑物承载能力；具有良好的工作性能(坍落度/扩展度)、体积稳定性能(56d收缩率低)、抗冲击性能好等优点。本发明制备的改性橡胶颗粒轻质超高性能混凝土可广泛地应用于城市桥梁建造预制拼装快速施工，提高桥梁结构承载能力和服役寿命，降低维修维护成本，同时实现废弃物有效利用，解决我国石英砂、河砂资源匮乏问题，解除了超高性能混凝土发展受地域资源的限制，具有重要经济和环境效益。
上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
