一种减缩抗裂路面水泥混凝土及其制备方法与流程

本发明属于混凝土技术领域，涉及一种减缩抗裂路面水泥混凝土及其制备方法。

背景技术

水泥混凝土路面是我国现有铺装路面的主要结构形式，然而其早期易收缩开裂，从而使其承载力降低、加速有害物质的侵蚀并严重影响混凝土结构物的耐久性。近年来尤其是各种化学外加剂(如膨胀剂、减缩防裂剂等)的发展，虽能一定程度地减少混凝土的收缩开裂，但化学外加剂的掺入容易降低混凝土内部的水化程度并影响其抗拉强度，且施工时不易控制。因此，如何降低混凝土的早期收缩和开裂，提高其耐久性成为解决目前混凝土在公路工程中的应用的关键之一。

目前对于减缓混凝土收缩开裂的措施包括材料优选、结构设计、施工工艺改进等方面。而材料优选是从根本源头上解决混凝土的收缩开裂问题。当今工程实践中，轻骨料内养护混凝土以及纤维加筋混凝土被认为是能够显著提升混凝土的减缩抗裂性能。轻骨料内养护混凝土自身具有很多优势：(1)轻骨料的吸水性强、蓄水能力好；(2)轻骨料表面粗糙多孔，增强它与水泥石的粘结，使整体更加紧密；(3)轻骨料周围的水灰比低于远离轻骨料处的水灰比，从而轻骨料与水泥浆体界面过渡区的结构更加紧密。对于纤维加筋混凝土，其阻裂增韧的优势同样明显(以玄武岩纤维为例)：(1)在混凝土中掺加适量的玄武岩纤维，搅拌均匀后，纤维呈乱向均匀分布，彼此搭建呈空间网络结构，使得微裂缝在发展的过程中遭遇纤维的几率显著增加，纤维消耗了裂缝发展的能量，继而起到阻裂增韧的作用。(2)玄武岩纤维的弹性模量相较之下高于水泥浆体，两者之间的粘结力、机械啮合力等力的作用，起到了“加筋”的作用，使纤维与水泥浆体结合的更加紧密，从而从整体上提高了混凝土抵抗塑性开裂性能。(3)适量的掺入玄武岩纤维虽然带来了微小孔隙、但能阻断混凝土内部大孔隙的连通，增加了混凝土的密实性，改变了水泥浆体原有的结构，使混凝土中原生的微裂纹数量减少，裂缝宽度变细。

然而，上述常用的减缩抗裂混凝土自身也有一定的局限性：(1)对于仅靠轻骨料内养护的混凝土，由于轻骨料本身多孔的特质，也决定了其比普通骨料密度小强度低的特点。当一定量的轻骨料掺入普通混凝土中时，便会产生上浮现象，普通骨料则因密度大而下沉，最终导致轻骨料在混凝土内部分散不均匀。另外，过多的轻骨料导致混凝土的强度下降，当混凝土的收缩应力达到一定程度而产生裂缝时，裂缝会沿着轻骨料的薄弱界面发展，因此在水泥硬化过程当中容易形成开裂。(2)同样，对于仅靠纤维加筋的混凝土，由于玄武岩纤维表面亲水，早期随着纤维的掺入吸收了部分水分，降低了混凝土的有效水灰比，使混凝土的收缩增大，而被吸附在纤维表面的水分未与水泥充分发生水化反应，纤维与水泥浆体之间粘结性弱，因此玄武岩纤维约束收缩的作用没有体现出来。另外，虽然玄武岩纤维对混凝土有阻裂增韧作用，但这是被动的，静态的阻裂，对纤维自身疲劳抗拉能力是持续消耗的过程，一旦混凝土出现微裂缝，此裂缝处的加筋纤维便出现应力集中薄弱点，外荷载做功将大量聚积并转变为纤维应变能以及界面的摩擦损耗，结果将导致纤维自身被拉断或者是被拔出，微裂缝迅速发育，混凝土疲劳抗拉能力大打折扣。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种减缩抗裂路面水泥混凝土及其制备方法，该混凝土中轻骨料在混凝土内部分散较为均匀，且不易开裂，同时纤维与水泥浆料之间的粘结性较强，微裂纹发育较慢，混凝土抗疲劳抗拉能力较强。

为达到上述目的，本发明所述的减缩抗裂路面水泥混凝土由水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂制备而成，其中，水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂的质量比为(180-200)：(400-410)：(40-50)：(2.65-5.3)：(229-286)：(465-559)：(830-850)：(4.1-4.5)。

水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂的质量比为180：405：45：2.65：286：465：846：4.3。

水泥为p·o42.5普通硅酸盐水泥。

粉煤灰为ⅱ级粉煤灰，粉煤灰的细度为14％，粉煤灰的烧失量为3.4％，粉煤灰的需水量比为98％，粉煤灰的28d活性指数为82％。

玄武岩纤维为短切玄武岩纤维，玄武岩纤维的直径为13μm，长度为20mm，拉伸强度为4100～4800mpa，弹性模量为93～110gpa，断裂延伸率为3.0～3.2％，单丝断裂强度保留率为75％。

轻骨料为碎石型高强页岩陶粒，轻骨料的公称粒径为5～20mm，1h吸水率为4.2％，24h吸水率为5.8％，常压预湿6h。

碎石为石灰岩碎石，碎石的粒径为5～20mm，含泥量为0.3％，针片状含量为4％。

砂为细度模数为2.43的中砂，砂的表观密度为2600kg/m³，堆积密度为1640kg/m³。

减水剂为聚羧酸类高效减水剂，减水剂的减水率为25％。

本发明所述减缩抗裂路面水泥混凝土的制备方法包括以下步骤：

称取水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂，再将碎石和轻骨料搅拌混合均匀，然后加入砂、水泥及粉煤灰，搅拌混合均匀后加入玄武岩纤维，搅拌均匀后加入减水剂和水，最后搅拌至粘稠无浮浆状态，得减缩抗裂路面水泥混凝土。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的减缩抗裂路面水泥混凝土由水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂制备而成，其中，玄武岩纤维形成的网络结构对轻骨料的上浮及普通骨料的下沉运动现象起到一定的阻碍作用，使得轻骨料能够在混凝土内部均匀分散，以改善混凝土的匀质性，与此同时，玄武岩纤维及轻骨料的掺入使得混凝土早期收缩裂缝数量、宽度及总开裂面积减小，轻骨料中储蓄的内养生水的释放，促使混凝土中未水化的水泥、ca²⁺继续反应，生成的caco3及钙矾石以填补微小裂缝，以实现对混凝土微裂缝的自愈合效应，有效控制早期收缩裂缝的数量及宽度，大幅度提高混凝土早期强度及耐久性，延长使用寿命，降低微裂纹的发育速度，提高混凝土的抗疲劳抗拉能力。

需要说明的是，本发明通过轻骨料促进水泥充分水化，以增加混凝土的强度，减少混凝土的早期收缩；轻骨料与水泥石结合紧密，以增强混凝土的整体性；利用轻骨料能够吸水的特点，使得轻骨料与水泥浆体界面过渡区的结构更加紧密，提高了混凝土的质量，延长其使用寿命。

玄武岩纤维与水泥浆粘结较强，起到加筋的作用，增强了混凝土的整体性；玄武岩纤维均匀分布，改善了混凝土的匀质性，消耗了裂缝发展的能量，抑制了裂缝的发展，提高了混凝土的抵抗塑性开裂性能，同时改变了水泥浆体原有的结构，增加了混凝土的密实性，使混凝土中原生的微裂纹数量减少，裂缝宽度变细，并进一步提高混凝土的韧性及抗渗性。

通过掺加粉煤灰，节约了水泥和其他掺合料，减少了用水量；大大减少混凝土的干缩变形及徐变变形，降低混凝土的绝热温升，同时利用粉煤灰润滑混凝土中的集料颗粒，使得集料之间的摩擦力变小，并且还使得混凝土中的水泥颗粒分布更加均匀，提高混凝土的工作性及流动性，增加了混凝土的密实性，提高混凝土的体积稳定性及寿命；节省了制造成本，提高了产品质量。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例一

本发明所述的减缩抗裂路面水泥混凝土由水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂制备而成，其中，水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂的质量比为180：405：45：2.65：286：465：846：4.3。

水泥为p·o42.5普通硅酸盐水泥。

粉煤灰为ⅱ级粉煤灰，粉煤灰的细度为14％，粉煤灰的烧失量为3.4％，粉煤灰的需水量比为98％，粉煤灰的28d活性指数为82％。

玄武岩纤维为短切玄武岩纤维，玄武岩纤维的直径为13μm，长度为20mm，拉伸强度为4100～4800mpa，弹性模量为93～110gpa，断裂延伸率为3.0～3.2％，单丝断裂强度保留率为75％。

轻骨料为碎石型高强页岩陶粒，轻骨料的公称粒径为5～20mm，1h吸水率为4.2％，24h吸水率为5.8％，常压预湿6h。

碎石为石灰岩碎石，碎石的粒径为5～20mm，含泥量为0.3％，针片状含量为4％。

砂为细度模数为2.43的中砂，砂的表观密度为2600kg/m³，堆积密度为1640kg/m³。

减水剂为聚羧酸类高效减水剂，减水剂的减水率为25％。

本发明所述减缩抗裂路面水泥混凝土的制备方法包括以下步骤：

称取水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂，再将碎石和轻骨料搅拌混合均匀，然后加入砂、水泥及粉煤灰，搅拌混合均匀后加入玄武岩纤维，搅拌均匀后加入减水剂和水，最后搅拌至粘稠无浮浆状态，得减缩抗裂路面水泥混凝土。

样品流动性及力学性能试验过程如下，评价指标为坍落度值、28d立方体抗压强度及28d长方体抗弯拉强度：

当完成坍落度试验后应立即将混凝土拌合物迅速装填入模具，放到振动器上进行振捣，分两次装模，第二次装模结束后在振动台上进行抹面，在抹面的过程中可能会出现陶粒的轻微上浮，需要用抹子按下去，涂抹多次直至平面光滑，24h后拆除模具并进行试验编号。

放入养护室进行标准养护，温度控制在(20±2)℃左右，相对湿度95％以上，直至28天龄期后测试，表1为实施例一得到的样品的坍落度值和力学性能试验结果。

表1

样品不同龄期的收缩率测试试验：

将准备好拌和物浇注成尺寸为100mm×100mm×515mm的混凝土棱柱；

将成型后的棱柱体混凝土试件在标准养护条件下养护至24小时候后拆模，并记录好初始试件的初始长度；

将千分表架设在支架上，用双面胶将玻璃片粘贴在棱柱体两端，使测量面平整减小误差；

将试件移入环境温度控制在20℃，湿度为60％左右的室内按预定的时间进行混凝土收缩率的测量，表2为实施例一得到的样品不同龄期的收缩率测试结果。

表2

样品平板抗裂试验：

将搅拌好的混凝土拌合物从搅拌机移入平板模具中，同时浇筑好两个试件，此过程注意保护塑料薄膜不被划破，然后振捣成型，将表面抹平，再用塑料薄膜覆盖在其表面，2h后拆模。

为了让浇筑的试块尽快失水而产生裂缝，便于对试件抗裂性能的分析，待试件拆模后，立即用电风扇进行干燥，并且调整风扇的高度和位置，保证风向能够平行于试件表面，并保持试件表面中上部风速为4m/s～5m/s。保持试验温度20℃±5℃，相对湿度不大于60％。

连续观察试件，记录每个试件出现第一条裂缝的初裂时间，以及第24h的裂缝的发展与开裂情况，其中，包括每个试件的裂缝总面积，裂缝最大宽度，裂缝总数目和裂缝宽度分布的数目，做好相关测定和记录工作，表3为实施例一制备得到的样品平板抗裂试验统计测试结果。

表3

如表1、表2、表3所示，与基准混凝土相比，本发明制备得到的混凝土在满足工作性及力学性能的情况下，其56d的收缩率减小了23.6％，初裂时间平均延长82min，24h时裂缝的平均开裂面积减少58.9％，单位面积开裂裂缝数目减少84％，单位面积的总开裂面积减少93.4％，最大裂缝宽度减少68.2％，宽度大于1mm和0.5～1mm的裂缝数量不断减少，而0～0.5mm范围内的裂缝数目有所增加。由此可见，本发明的减缩抗裂路面水泥混凝土的干缩率低，初裂时间得到延缓且裂缝面积、数目、宽度都大幅减小。

实施例二

本发明所述的减缩抗裂路面水泥混凝土由水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂制备而成，其中，水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂的质量比为180：410：40：5.3：229：559：830：4.5。

水泥为p·o42.5普通硅酸盐水泥。

粉煤灰为ⅱ级粉煤灰，粉煤灰的细度为14％，粉煤灰的烧失量为3.4％，粉煤灰的需水量比为98％，粉煤灰的28d活性指数为82％。

玄武岩纤维为短切玄武岩纤维，玄武岩纤维的直径为13μm，长度为20mm，拉伸强度为4100～4800mpa，弹性模量为93～110gpa，断裂延伸率为3.0～3.2％，单丝断裂强度保留率为75％。

轻骨料为碎石型高强页岩陶粒，轻骨料的公称粒径为5～20mm，1h吸水率为4.2％，24h吸水率为5.8％，常压预湿6h。

碎石为石灰岩碎石，碎石的粒径为5～20mm，含泥量为0.3％，针片状含量为4％。

砂为细度模数为2.43的中砂，砂的表观密度为2600kg/m³，堆积密度为1640kg/m³。

减水剂为聚羧酸类高效减水剂，减水剂的减水率为25％。

本发明所述减缩抗裂路面水泥混凝土的制备方法包括以下步骤：

称取水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂，再将碎石和轻骨料搅拌混合均匀，然后加入砂、水泥及粉煤灰，搅拌混合均匀后加入玄武岩纤维，搅拌均匀后加入减水剂和水，最后搅拌至粘稠无浮浆状态，得减缩抗裂路面水泥混凝土。

实施例三

本发明所述的减缩抗裂路面水泥混凝土由水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂制备而成，其中，水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂的质量比为200：400：50：2.65：286：465：850：4.1。

水泥为p·o42.5普通硅酸盐水泥。

粉煤灰为ⅱ级粉煤灰，粉煤灰的细度为14％，粉煤灰的烧失量为3.4％，粉煤灰的需水量比为98％，粉煤灰的28d活性指数为82％。

玄武岩纤维为短切玄武岩纤维，玄武岩纤维的直径为13μm，长度为20mm，拉伸强度为4100～4800mpa，弹性模量为93～110gpa，断裂延伸率为3.0～3.2％，单丝断裂强度保留率为75％。

轻骨料为碎石型高强页岩陶粒，轻骨料的公称粒径为5～20mm，1h吸水率为4.2％，24h吸水率为5.8％，常压预湿6h。

碎石为石灰岩碎石，碎石的粒径为5～20mm，含泥量为0.3％，针片状含量为4％。

砂为细度模数为2.43的中砂，砂的表观密度为2600kg/m³，堆积密度为1640kg/m³。

减水剂为聚羧酸类高效减水剂，减水剂的减水率为25％。

本发明所述减缩抗裂路面水泥混凝土的制备方法包括以下步骤：

称取水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂，再将碎石和轻骨料搅拌混合均匀，然后加入砂、水泥及粉煤灰，搅拌混合均匀后加入玄武岩纤维，搅拌均匀后加入减水剂和水，最后搅拌至粘稠无浮浆状态，得减缩抗裂路面水泥混凝土。

实施例四

本发明所述的减缩抗裂路面水泥混凝土由水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂制备而成，其中，水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂的质量比为190：405：45：2.7：250：500：840：4.2。

水泥为p·o42.5普通硅酸盐水泥。

粉煤灰为ⅱ级粉煤灰，粉煤灰的细度为14％，粉煤灰的烧失量为3.4％，粉煤灰的需水量比为98％，粉煤灰的28d活性指数为82％。

玄武岩纤维为短切玄武岩纤维，玄武岩纤维的直径为13μm，长度为20mm，拉伸强度为4100～4800mpa，弹性模量为93～110gpa，断裂延伸率为3.0～3.2％，单丝断裂强度保留率为75％。

轻骨料为碎石型高强页岩陶粒，轻骨料的公称粒径为5～20mm，1h吸水率为4.2％，24h吸水率为5.8％，常压预湿6h。

碎石为石灰岩碎石，碎石的粒径为5～20mm，含泥量为0.3％，针片状含量为4％。

砂为细度模数为2.43的中砂，砂的表观密度为2600kg/m³，堆积密度为1640kg/m³。

减水剂为聚羧酸类高效减水剂，减水剂的减水率为25％。

本发明所述减缩抗裂路面水泥混凝土的制备方法包括以下步骤：

称取水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂，再将碎石和轻骨料搅拌混合均匀，然后加入砂、水泥及粉煤灰，搅拌混合均匀后加入玄武岩纤维，搅拌均匀后加入减水剂和水，最后搅拌至粘稠无浮浆状态，得减缩抗裂路面水泥混凝土。

实施例五

本发明所述的减缩抗裂路面水泥混凝土由水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂制备而成，其中，水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂的质量比为195：408：48：5.2：270：520：845：4.4。

水泥为p·o42.5普通硅酸盐水泥。

粉煤灰为ⅱ级粉煤灰，粉煤灰的细度为14％，粉煤灰的烧失量为3.4％，粉煤灰的需水量比为98％，粉煤灰的28d活性指数为82％。

玄武岩纤维为短切玄武岩纤维，玄武岩纤维的直径为13μm，长度为20mm，拉伸强度为4100～4800mpa，弹性模量为93～110gpa，断裂延伸率为3.0～3.2％，单丝断裂强度保留率为75％。

轻骨料为碎石型高强页岩陶粒，轻骨料的公称粒径为5～20mm，1h吸水率为4.2％，24h吸水率为5.8％，常压预湿6h。

碎石为石灰岩碎石，碎石的粒径为5～20mm，含泥量为0.3％，针片状含量为4％。

砂为细度模数为2.43的中砂，砂的表观密度为2600kg/m³，堆积密度为1640kg/m³。

减水剂为聚羧酸类高效减水剂，减水剂的减水率为25％。

本发明所述减缩抗裂路面水泥混凝土的制备方法包括以下步骤：

称取水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂，再将碎石和轻骨料搅拌混合均匀，然后加入砂、水泥及粉煤灰，搅拌混合均匀后加入玄武岩纤维，搅拌均匀后加入减水剂和水，最后搅拌至粘稠无浮浆状态，得减缩抗裂路面水泥混凝土。

实施例六

本发明所述的减缩抗裂路面水泥混凝土由水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂制备而成，其中，水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂的质量比为185：402：42：2.7：240：480：835：4.3。

水泥为p·o42.5普通硅酸盐水泥。

粉煤灰为ⅱ级粉煤灰，粉煤灰的细度为14％，粉煤灰的烧失量为3.4％，粉煤灰的需水量比为98％，粉煤灰的28d活性指数为82％。

玄武岩纤维为短切玄武岩纤维，玄武岩纤维的直径为13μm，长度为20mm，拉伸强度为4100～4800mpa，弹性模量为93～110gpa，断裂延伸率为3.0～3.2％，单丝断裂强度保留率为75％。

轻骨料为碎石型高强页岩陶粒，轻骨料的公称粒径为5～20mm，1h吸水率为4.2％，24h吸水率为5.8％，常压预湿6h。

碎石为石灰岩碎石，碎石的粒径为5～20mm，含泥量为0.3％，针片状含量为4％。

砂为细度模数为2.43的中砂，砂的表观密度为2600kg/m³，堆积密度为1640kg/m³。

减水剂为聚羧酸类高效减水剂，减水剂的减水率为25％。

本发明所述减缩抗裂路面水泥混凝土的制备方法包括以下步骤：

称取水、水泥、粉煤灰、玄武岩纤维、轻骨料、碎石、砂及减水剂，再将碎石和轻骨料搅拌混合均匀，然后加入砂、水泥及粉煤灰，搅拌混合均匀后加入玄武岩纤维，搅拌均匀后加入减水剂和水，最后搅拌至粘稠无浮浆状态，得减缩抗裂路面水泥混凝土。

需要说明的是，本发明将轻骨料常压预湿6h，既保证其在预湿时间内保持较快的吸水速率，提高施工效率，又保证其在早期能够释放足够的内养生水供水泥充分水化，减小混凝土的早期收缩。

本发明在混凝土中掺加聚羧酸类高效减水剂，减少了拌合用水量；显著提高混凝土的强度；提高了混凝土的和易性；增加就混凝土的密实度；提高混凝土质量，延长其使用寿命。