本发明涉及建筑材料的技术领域，尤其是涉及一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土及其制备方法。
背景技术：
混凝土抗渗性是指混凝土抵抗有压液体(水、油、溶液等)渗透作用的能力。抗渗性是决定混凝土耐久性最主要的因素。20世纪30年代，人们开始关注混凝土的抗渗性能，是始于大型水工工程的建设，诸如混凝土水坝、水渠、涵管及位于地下水位线以下的地下结构如隧道等；一旦混凝土的抗渗性能不足或受到破坏，会降低这些结构的使用效能，造成污染、渗漏等事故。尤其是水坝之类的大型水工结构，在设计中需要确知混凝土抵抗高水压下水穿透的能力。
在商品混凝土搅拌站里，生产使用最多的混凝土为中低强度等级的混凝土，如c30混凝土。最近几年来，混凝土搅拌站原材料来源多变，更多关注的是混凝土的工作性和强度参数，对抗渗性能缺乏有效监控，致使抗渗性不足的问题时有发生,因此提高混凝土的抗渗性能在工程建设中显得尤为重要。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明的一个目的在于提供一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土，其具有抗渗性能好的效果。
本发明的另一个目的是提供上述低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土的制备方法，其操作简单，且制备出的混凝土抗渗性能好。
为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土,每m3混凝土包括如下重量份数的组分：水泥140-170份、粉煤灰40-60份、矿粉70-90份、硅灰15-25份、石粉20-30份、改性偏高岭土18-22份、机制砂490-520份、江砂335-350份、碎石990-1020份、聚羧酸减水剂5.1-6.1份、水165-175份、抗裂纤维15-25份；其中，所述改性偏高岭土是用石膏、环氧基硅烷、改性聚苯乙烯进行激发改性制得。
通过采用上述技术方案，机制砂、江砂及碎石作为骨料加入水泥中；水泥水化过程中会生成水合物和氢氧化钙，粉煤灰可以改善混凝土拌合料的流动性、粘聚性和保水性，使混凝土拌合料易于泵送、浇筑成型；同时可减少水泥用量，且粉煤灰水化放热量很少，从而减少了水化放热量；矿粉又称碱性矿粉，将其加入混凝土中后，可抑制碱骨料反应，降低水化热，减少混凝土结构早期裂缝，提高混凝土密实度；在水泥水化早期，硅灰的颗粒对水泥水化产物起到“成核”作用，从而促进水泥的水化，硅灰可以填充在水泥颗粒的空隙中，使整个浆体的堆积密实度提高，同时硅灰的火山灰反应生成大量的凝胶改善混凝土的孔结构，又消耗了富集在过渡区的大晶粒ca(oh)2明显改善过渡区的微结构；一定量石粉的存在，能够填充骨料间的空隙，并且阻断混凝土内部可能形成的渗透通路，使得混凝土变得更加密实，在提高混凝土力学性能的同时，也能提高混凝土的抗渗性，对混凝土的耐久性也有积极的作用；偏高岭土在水化水泥体系中主要和ca(oh)2发生反应，生成c-s-h凝胶外，还有一系列铝相水化物，如c4ah13、c2ash8和c3ah6，改善了混凝土界面过渡区，其孔结构也得到了明显改善，使细孔比例提高，孔隙率下降，从而提升混凝土的抗渗性能；添加改性剂能提高偏高岭土对混凝土抗渗性能的改善作用，这主要是由于在偶联剂可以通过与水泥水合物的ca(oh)2形成配位键来实现改性偏高岭土与水泥水合物的界面结合的改善作用；抗裂纤维分散在混凝土中，可填充各组分之间的缝隙，增强各组分之间的连接强度，抑制微观上各组分之间的分离，从而减少了宏观裂纹的产生，减少了混凝土开裂的问题。
本发明的进一步设置为：所述低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土，每m3混凝土包括如下量份数的组分：水泥160份、粉煤灰55份、矿粉90份、硅灰18份、石粉25份、改性偏高岭土22份、机制砂520份、江砂350份、碎石1020份、聚羧酸减水剂5.4份、水170份、抗裂纤维20份；其中，所述改性偏高岭土是用石膏、环氧基硅烷、改性聚苯乙烯进行激发改性制得。
本发明的进一步设置为：所述改性偏高岭土的制备方法，包括如下步骤：1)、预先将偏高岭土烘干备用；2)、将占偏高岭土质量0.5％-1.5％的环氧基硅烷再加入占偏高岭土质量1％-3％的改性聚苯乙烯中，继续搅拌混合均匀；3)、将步骤2)中的溶液冷却至室温并加入偏高岭土中，然后继续搅拌混合均匀；4)、向步骤3)中的混合料中再加入占偏高岭土质量分数3％-7％的石膏，再共磨后制得。
通过采用上述技术方案，通过使用环氧基硅烷偶联剂和聚苯乙烯在偏高岭土表面引入亲水基团，以及加入石膏对偏高岭土的碱性激发作用，来提高水化活性和分散效果；改性偏高岭土水化过程中，硅烷偶联剂的亲水性提高了偏高岭土的活性反应率，二次水化产物的生成增加，这些对优化混凝土孔隙结构，提高强度，改善抗渗性能有显著作用。
本发明的进一步设置为：所述改性聚苯乙烯为苎麻纤维/聚苯乙烯共聚物。
通过采用上述技术方案，聚苯乙烯能有效的溶解、分散环氧基硅烷偶联剂，从而有利于发挥其改性作用；苎麻纤维十分坚韧、强度高且延伸度小；因此苎麻纤维/聚苯乙烯共聚物一方面有利于偏高岭土的改性，另一方面可提升偏高岭土的强度，从而提高混凝土的强度。
本发明的进一步设置为：所述苎麻纤维/聚苯乙烯共聚物的制备方法，包括如下步骤：1)、将聚苯乙烯、乙烯基硅烷及引发剂搅拌混合均匀后，加入至转矩流变仪内，共混使二者混合均匀；2)、再向转矩流变仪内加入聚苯乙烯加入量30％的苎麻纤维，继续共混；3)、将步骤2)中的混合料挤出成型，得苎麻纤维/聚苯乙烯共聚。
通过采用上述技术方案，聚苯乙烯是疏水的弱极性材料，而苎麻纤维表面含有很多oh-，其亲水性较强，如果将二者之间混合，界面的相容性较差；因此利用乙烯基硅烷偶联剂，并同时配合引发剂一起使用，使乙烯基硅烷能够接枝到聚苯乙烯上，利用乙烯基硅烷上的烷氧基与黄麻纤维之间很好的相互作用，使聚苯乙烯和苎麻纤维之间的界面相互作用得以改善，得到高强度且有利于偏高岭土改性的苎麻纤维/聚苯乙烯聚合物。
本发明的进一步设置为：所述抗裂纤维至少包括钢纤维、玻璃纤维及改性尼龙纤维。
通过采用上述技术方案，钢纤维、玻璃纤维及改性尼龙纤维均具有良好的抗拉伸性及抗弯强度，且抗裂纤维分布在混凝土中一方面限制了水泥硬化中裂缝生成又可抵抗因外荷载作用而导致裂缝扩展，提升混凝土的抗裂性能。
本发明的进一步设置为：所述钢纤维、玻璃纤维及所述改性尼龙纤维的重量份数比为1：1：3。
通过采用上述技术方案，钢纤维具有较好的强度，加入量过大，会导致混凝土拌合料稠度增大，引起施工困难；玻璃纤维具有良好的耐热性和抗腐蚀性，但是其性脆，易发生断裂；改性尼龙纤维的弹性回复率较好，可改善玻璃纤维易断裂的问题，同时降低钢纤维的含量，使混凝土拌合料的稠度处于合适的水平；因此将三者重量份数设置为合适的比例，可在保证混凝土抗裂性能的同时，提升混凝土的强度、耐热性及抗腐蚀性。
本发明的进一步设置为：所述改性尼龙纤维的制备方法，包括如下步骤：1)、将重量份的尼龙纤维加热至熔融状态；2)、向熔融后的尼龙纤维中加入尼龙纤维重量2％的氧化锌，搅拌混合1h；3)、将步骤2)中的混合料进行纺丝，得改性尼龙纤维。
通过采用上述技术方案，由于氧化锌为一种紫外线屏蔽剂，将其混入尼龙纤维内后，可对照射在尼龙纤维上的紫外线进行反射或折射，以此提升尼龙纤维的耐光性，减少尼龙纤维经受日晒其强度下降而影响混凝土抗裂性能的问题；将尼龙纤维熔融后加入氧化锌，有利于氧化锌进入尼龙纤维分子结构内部，使氧化锌与尼龙纤维的结合强度更高，从而有利于氧化锌充分对尼龙纤维形成紫外线屏蔽保护。
为实现上述第二个目的，本发明提供了如下技术方案：
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将重量份的机制砂、江砂、碎石和重量份一半的水搅拌混合均匀；
(2)将重量份的水泥、矿粉、粉煤灰、石粉、硅灰、改性偏高岭土及抗裂纤维加入步骤1)中的混合料中搅拌混合均匀；
(3)将聚羧酸减水剂和余量的水加入至步骤2)中的混合料中，搅拌混合均匀后，得到一种具有低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土
通过采用上述技术方案，首先将骨料与水充分混合，可在骨料表面形成水膜；在二次搅拌时，水泥能够均匀附着在骨料表面，减小了混凝土界面过渡区ca(oh)2富集的程度，同时界面过渡区显微硬度明显降低，使结晶颗粒尺寸和晶体取向程度减小，从而改善了界面过渡区结构，使混凝土孔隙率和孔径大大减小，混凝土的抗渗性能大大提高。
综上所述，本发明的有益技术效果为：
1、偏高岭土在水化水泥体系中主要和ca(oh)2发生反应，生成c-s-h凝胶外，还有一系列铝相水化物，如c4ah13、c2ash8和c3ah6，改善了混凝土界面过渡区，其孔结构也得到了明显改善，使细孔比例提高，孔隙率下降，从而提升混凝土的抗渗性能；
2、抗裂纤维分散在混凝土中，可填充各组分之间的缝隙，增强各组分之间的连接强度，抑制微观上各组分之间的分离，从而减少了宏观裂纹的产生，减少了混凝土开裂的问题；
3、将尼龙纤维熔融后加入氧化锌，有利于氧化锌进入尼龙纤维分子结构内部，使氧化锌与尼龙纤维的结合强度更高，从而有利于氧化锌充分对尼龙纤维形成紫外线屏蔽保护。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步详细说明。
其中：
水泥为pⅱ42.5普通硅酸盐水泥，密度3140kg/m3，比表面积396m2/kg，28d强度48.8mpa；粉煤灰为ⅱ级灰，45μm筛余21.7％，烧失量4.6％，28d活性35.4mpa(不得使用高钙粉煤灰)；
矿粉为s95级矿粉，28d活性54.0mpa；
石粉为普通石灰岩石粉，粒径小于0.075mm，比表面积246m2/kg；
硅灰45μm筛余1.62％，比表面积19m2/g；
偏高岭土比表面积14m2/g，烧失量6％；
减水剂为聚羧酸减水剂，固含量为16％，减水率23％；
机制砂细度3.4，含泥量3.45％，堆积密度：松散1514kg/m3，紧密1666kg/m3；江砂细度模数0.9，含泥量1.6％；堆积密度：松散1679kg/m3，紧密1688kg/m3；
碎石：5～25mm碎石，堆积密度：松散1384kg/m3，紧密1493kg/m3，含泥量0.4％，压碎值9.5％。
实施例1：
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土，每m3混凝土的原料组成及配比按重量份数计，如下表所示：
实施例1原料组成和重量份数配比表
其中，改性偏高岭土是用石膏、环氧基硅烷、改性聚苯乙烯进行激发改性制得。
改性聚苯乙烯为苎麻纤维/聚苯乙烯共聚物，其制备方法包括如下步骤：
1)、将聚苯乙烯、乙烯基硅烷及bpo引发剂搅拌混合均匀后，加入至转矩流变仪内，在170℃，共混8min；
2)、再向转矩流变仪内加入聚苯乙烯加入量30％的苎麻纤维，继续共混；
3)、将步骤2)中的混合料挤出成型，得苎麻纤维/聚苯乙烯共聚物。
改性偏高岭土的制备方法包括如下步骤：
1)、预先将偏高岭土烘干备用；
2)、将占偏高岭土质量1.0％的环氧基硅烷再加入占偏高岭土质量2％的改性聚苯乙烯中，继续搅拌混合均匀；
3)、将步骤2)中的溶液冷却至室温并加入偏高岭土中，然后继续搅拌混合均匀；
4)、向步骤3)中的混合料中再加入占偏高岭土质量分数5％的石膏，再共磨后制得。
改性尼龙纤维的制备方法包括如下步骤：
1)、将重量份的尼龙纤维加热至225℃，呈熔融状态；
2)、向熔融后的尼龙纤维中加入尼龙纤维重量2％的氧化锌，在225℃下，搅拌1h；
3)、将步骤2)中的混合料进行纺丝，得改性尼龙纤维。
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将重量份的机制砂、江砂、碎石和重量份一半的水搅拌混合均匀；
(2)将重量份的水泥、矿粉、粉煤灰、石粉、硅灰、改性偏高岭土及抗裂纤维加入步骤1)中的混合料中搅拌混合均匀；
(3)将聚羧酸减水剂和余量的水加入至步骤2)中的混合料中，搅拌混合均匀后，得到一种具有低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土。
实施例2：
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土，每m3混凝土的原料组成及配比按重量份数计，如下表所示：
实施例2原料组成和重量份数配比表
其中，改性偏高岭土是用石膏、环氧基硅烷、改性聚苯乙烯进行激发改性制得。
改性聚苯乙烯为苎麻纤维/聚苯乙烯共聚物，其制备方法同实施例1。
改性偏高岭土的制备方法同实施例1,与实施例1不同的是，环氧基硅烷的加入量占偏高岭土质量的0.5％，改性聚苯乙烯的加入量占偏高岭土加入量的1％，石膏的加入量占偏高岭土加入量的3％。
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土的制备方法同实施例1。
实施例3：
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土，每m3混凝土的原料组成及配比按重量份数计，如下表所示：
实施例3原料组成和重量份数配比表
其中，改性偏高岭土是用石膏、环氧基硅烷、改性聚苯乙烯进行激发改性制得。
改性聚苯乙烯为苎麻纤维/聚苯乙烯共聚物，其制备方法同实施例1。
改性偏高岭土的制备方法同实施例1,与实施例1不同的是，环氧基硅烷的加入量占偏高岭土质量的1.5％，改性聚苯乙烯的加入量占偏高岭土加入量的3％，石膏的加入量占偏高岭土加入量的7％。
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土的制备方法同实施例1。
实施例4：
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土，每m3混凝土的原料组成及配比按重量份数计，如下表所示：
实施例4原料组成和重量份数配比表
其中，改性偏高岭土是用石膏、环氧基硅烷、改性聚苯乙烯进行激发改性制得。
改性聚苯乙烯为苎麻纤维/聚苯乙烯共聚物，其制备方法同实施例1。
改性偏高岭土的制备方法同实施例1。
改性尼龙纤维的制备方法同实施例1。
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土的制备方法同实施例1。
实施例5：
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土，每m3混凝土的原料组成及配比按重量份数计，如下表所示：
实施例5原料组成和重量份数配比表
其中，改性偏高岭土是用石膏、环氧基硅烷、改性聚苯乙烯进行激发改性制得。
改性聚苯乙烯为苎麻纤维/聚苯乙烯共聚物，其制备方法同实施例1。
改性偏高岭土的制备方法同实施例1。
改性尼龙纤维的制备方法同实施例1。
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土的制备方法同实施例1。
实施例6：
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土，每m3混凝土的原料组成及配比按重量份数计，如下表所示：
实施例6原料组成和重量份数配比表
其中，改性偏高岭土是用石膏、环氧基硅烷、改性聚苯乙烯进行激发改性制得。
改性聚苯乙烯为苎麻纤维/聚苯乙烯共聚物，其制备方法同实施例1。
改性偏高岭土的制备方法同实施例1。
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土的制备方法同实施例1。
实施例7：
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土，每m3混凝土的原料组成及配比按重量份数计，如下表所示：
实施例7原料组成和重量份数配比表
其中，改性偏高岭土是用石膏、环氧基硅烷、改性聚苯乙烯进行激发改性制得。
改性聚苯乙烯为苎麻纤维/聚苯乙烯共聚物，其制备方法同实施例1。
改性偏高岭土的制备方法同实施例1。
改性尼龙纤维的制备方法同实施例1。
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土的制备方法同实施例1。
实施例8：
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土，每m3混凝土的原料组成及配比按重量份数计，如下表所示：
实施例8原料组成和重量份数配比表
其中，改性偏高岭土是用石膏、环氧基硅烷、改性聚苯乙烯进行激发改性制得。
改性聚苯乙烯为苎麻纤维/聚苯乙烯共聚物，其制备方法同实施例1。
改性偏高岭土的制备方法同实施例1。
改性尼龙纤维的制备方法同实施例1。
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土的制备方法同实施例1。
实施例9：
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土，每m3混凝土的原料组成及配比按重量份数计，如下表所示：
实施例9原料组成和重量份数配比表
其中，改性偏高岭土是用石膏、环氧基硅烷、改性聚苯乙烯进行激发改性制得。
改性聚苯乙烯为苎麻纤维/聚苯乙烯共聚物，其制备方法同实施例1。
改性偏高岭土的制备方法同实施例1。
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土的制备方法同实施例1。
实施例10：
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土，每m3混凝土的原料组成及配比按重量份数计，如下表所示：
实施例10原料组成和重量份数配比表
其中，改性偏高岭土是用石膏、环氧基硅烷、聚苯乙烯进行激发改性制得。
改性偏高岭土的制备方法同实施例1，与实施例1不用的是，将制备方法中的改性聚苯乙烯替换成聚苯乙烯。
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土的制备方法同实施例1。
实施例11：
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土，每m3混凝土的原料组成及配比按重量份数计，如下表所示：
实施例11原料组成和重量份数配比表
其中，改性偏高岭土是用石膏、环氧基硅烷、聚苯乙烯物理共混制得。
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土的制备方法同实施例1。
实施例12：
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土，每m3混凝土的原料组成及配比按重量份数计，同实施例1，与实施例1不同的是，将改性偏高岭土替换成偏高岭土。
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土的制备方法同实施例1。
实施例13：
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土，每m3混凝土的原料组成及配比按重量份数计，同实施例1，与实施例1不同的是，组分中不包含改性偏高岭土。
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土的制备方法同实施例1。
实施例14：
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土，每m3混凝土的原料组成及配比按重量份数计，同实施例1，与实施例1不同的是，组分中不包含抗裂纤维。
其中，改性偏高岭土是用石膏、环氧基硅烷、改性聚苯乙烯进行激发改性制得。
改性聚苯乙烯为苎麻纤维/聚苯乙烯共聚物，其制备方法同实施例1。
改性偏高岭土的制备方法同实施例1。
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土的制备方法同实施例1。
对比例1：
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土，每m3混凝土的原料组成及配比按重量份数计，同实施例1，与实施例1不同的是，组分中不包含改性偏高岭土及抗裂纤维。
一种低胶凝材料用量的c30高抗渗混凝土的制备方法同实施例1。
性能检测
(1)抗压强度
参照国家标准gb/t50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，成型150mm×150mm×150mm的标准混凝土试件，标准养护28d，进行抗压强度试验。
(2)渗水高度
参照国家标准gb/t50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，成型175mm×185mm×150mm的标准圆台混凝土试件，标准养护28d，并在达到相应龄期的前一天，将试件从养护室中取出，待试件表面晾干后进行密封，再进行渗水高度试验。
(3)抗渗水压
参照国家标准gb/t50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，成型175mm×185mm×150mm的标准圆台混凝土试件，6个试件为一组，标准养护28d，并在达到相应龄期的前一天，将试件从养护室中取出，待试件表面晾干后进行密封，再采用逐级加压法进行抗水渗透试验。
(4)抗裂性能
参照gb/t50081-2016《普通混凝士力学性能试验方法标准》制作标准试块，计算混凝土浇注24h后测量得到单位面积的裂缝数目以及单位面积上的总开裂面积。
各项性能检测数据记录表
综上，从实施例1-14中可见，最优方案为实施例1。
实施例1与实施例2-8对比：实施例1的各项检测性能均优于实施例2-8的各项性能，说明将抗裂纤维为钢纤维、玻璃纤维、改性尼龙纤维的重量份数比为1:1:2是，得到的混凝土试样的各项性能最优；可能是因为玻璃纤维可改善钢纤维所带来的混凝土拌合料稠度改变，影响其原料混合均匀性而影响混凝土性能的问题；改性尼龙纤维可改善玻璃纤维易断裂的问题，三者的协同作用可提升混凝土的各项性能。
实施例1与实施例9对比：实施例1的各项检测性能优于实施例9的各项性能，说明对尼龙纤维进行改性处理可提升各项性能；可能是因为改性尼龙纤维的抗氧化性能提升，减少了尼龙纤维受紫外线照射发生变化而导致混凝土各项性能发生变化。
实施例1与实施例10对比：实施例1的抗压强度和渗水性能优于实施例10的抗压强度与渗水性能，可能是因为对聚苯乙烯进行该项处理后，聚苯乙烯性能的改变，带来了混凝土性能的改变。
实施例1与实施例11-13对比：实施例1的各项性能明显优于实施例11的各项性能，说明利用组分中添加偏高岭土或者添加石膏、环氧基硅烷、聚苯乙烯与偏高岭土的混合料，所得到的混凝土性能较差，可能是因为改性偏高岭土对改善混凝土性能具有促进作用。
实施例1与实施例14对比：实施例1的抗裂性能明显优于实施例14的抗裂性能，可能是因为抗裂纤维分散在混凝土中，可填充各组分之间的缝隙，增强各组分之间的连接强度，抑制微观上各组分之间的分离，从而减少了宏观裂纹的产生。
实施例1与对比例1对比：实施例1的各项性能均明显优于对比例1的各项性能，说明混凝土组分的设置具有明显提升混凝土各项性能的作用。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，并非对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。