一种自养护多梯度控温早强抗裂混凝土及其制备方法

1.本发明属于建筑材料领域，尤其涉及一种自养护多梯度控温早强抗裂混凝土及其制备方法。


背景技术：

2.随着建设规模的不断扩大与深化，现代混凝土结构工程向高、大、深和复杂结构的方向发展。然而结构尺寸较大，在施工过程中，结构内部由于水泥水化产生大量的热不容易散发出来，而表面散热较快，当混凝土内外温差较大时，会导致不均匀的温度变形和温度应力，进而产生裂缝。裂缝不仅影响结构外观质量，还会造成强度降低与耐久性问题，影响结构安全和正常使用。
3.在实际施工过程中，降低混凝土的最大温升十分困难，通常使用以下几种方法：1、从原材料方面，减少单位体积内水泥用量或采用冰渣预冷粗细集料；2、在混凝土内部预埋水管并通入冷却水；3、采用保温法，在结构外侧覆盖保温材料。但这些措施在实际施工过程中较为繁琐，增加了工程成本，延缓了施工时间和施工效率，而且一旦施工过程稍有偏差就会对混凝土的防裂效果有所影响。因此从混凝土本身的组成和配比上来改善混凝土抗裂性能对于现代建筑施工工程具有重要意义。
4.相变材料能够在相变过程中能够吸收或放出大量热量，并在此过程中保持温度相对稳定。利用相变温度合适的相变材料来吸收水泥水化产生的热量，可以降低混凝土的温度应力，进而抑制混凝土温度裂缝的形成。专利cn 111533500 a将相变材料直接加入浆体中，制备的混凝土虽有控温效果，但效果有限且相变材料直接与基体接触，混凝土物理性能大幅下降。专利cn 112028572 a采用吸附法将多孔材料置于液态相变材料中浸泡，获得相变储能颗粒。但是采用这种方法制备相变储能颗粒的吸附性能有限，控温效果不明显。专利cn 111253136 a采用相变微胶囊制备混凝土，虽该方法能解决能量传递问题，具有较高相变控温特性和较好工作循环稳定性，但生产制造工艺复杂繁琐，成本高，且只能满足单一的相变区间。很多研究者进行了大量的研究，但研究主要集中于相变材料的封装、制备和控温性能研究，应用的相变材料较少兼顾其他性能，难以应用到实际工程中。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的在于提供一种具有多控温梯度、自养护效果、高早期强度、抗裂性能优异的混凝土及其制备方法。
6.技术方案：本发明的自养护多梯度控温早强抗裂混凝土，包括自养护控温材料和普通混凝土组分，其中自养护控温材料占总质量的2％-25％，所述自养护控温材料包括封装材料和相变材料。所述相变材料至少包含一种固态材料和一种液态材料；其中固态材料作为内层材料被包裹，液态材料掺入到封装材料中使用。
7.进一步地，所述相变材料包括常温相变材料、中温相变材料中的一种或两种；所述的相变材料相变温度为10℃～60℃。
8.进一步地，所述相变材料包括石蜡类、醇类、酯类、烷烃类、水合无机盐类中的任意两种或多种。
9.进一步地，所述封装材料包括液态相变材料、胶结材料和水。
10.进一步地，所述液态相变材料、胶结材料和水的质量比为(2～5):(60～80):(18～35)。
11.进一步地，所述胶结材料水泥和各种掺合料，其质量比为(50～100):(0～50)。
12.本发明还公开一种自养护多梯度控温早强抗裂混凝土的制备方法，包括如下步骤：
13.(1)对称量好的相变材料进行预处理，将所有材料均匀混合置于成球造粒设备中造粒成型，经过养护，制备成自养护控温材料；
14.(2)将制备好的自养护控温材料按比例与混凝土充分搅拌混合，浇筑到构件或模具中；
15.(3)经自然养护或标准养护后拆模，得到自养护多梯度控温早强抗裂混凝土。
16.进一步地，步骤(3)中，所述养护的时间为1d～5d。
17.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
18.(1)本发明使用具有多种不同相变区间的自养护控温材料，控温范围更广。应用于大体积混凝土中，当水泥水化升温过程中的温度分别达到相应的相变温度点时，可以形成多梯度控温，以较高的效率储存由水化产生的热量，大幅降低混凝土的峰值温度和升温速率，减少混凝土的内外温度差，进而减小开裂风险，混凝土的强度等级达到c30～c55。
19.(2)本发明采用多种相变区间的自养护控温材料，在混凝土降温阶段当温度降低至相应的相变温度点时，可以将吸收的热量逐步释放出来，维持混凝土内外温度平稳，减缓混凝土降温速率，减少裂纹的产生，同时加强了对基体的养护。
20.(3)本发明有效解决了相变材料的掺入而造成混凝土性能下降的问题，制备的混凝土具有优异的工作性能和力学性能，可以应用到实际工程中。
21.(4)本发明工艺简单，制备出的混凝土性能稳定。应用于预制构件时，由于自养护的效果，可以加速早期硬化速率，降低养护难度，提高施工效率或产品出厂频率。
附图说明
22.图1为本发明的实施例1混凝土绝热温升测试结果；
23.图2为本发明的实施例1混凝土干燥收缩测试结果；
24.图3为本发明的实施例2混凝土绝热温升测试结果；
25.图4为本发明的实施例2混凝土干燥收缩测试结果；
26.图5为本发明的实施例3混凝土绝热温升测试结果；
27.图6为本发明的实施例3混凝土干燥收缩测试结果。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
29.下实例中，所述的自养护控温材料包括相变材料和封装材料。其中相变材料包括相变点为58℃的石蜡和20℃的聚乙二醇，石蜡作为内层材料被包裹，液态的聚乙二醇掺入
到封装材料中使用。
30.所述液态聚乙二醇、胶结材料、水的质量比为5:70:25。
31.所述胶结材料为水泥和各种掺合料，其质量比为60:40。
32.将所有材料在成球造粒设备中均匀混合，造粒成型，经过养护得到自养护控温材料。
33.实施例1
34.制备大体积用c55混凝土，所用的原材料及其质量比为水:水泥:粉煤灰:矿粉:砂:石:减水剂＝1:1.7:0.9:0.4:4.9:7.3:0.03，其中为确保体积一致，实验组1中使用混凝土总质量比4％的自养护控温材料替代同体积石子，实验组2中使用混凝土总质量比15％自养护控温材料代替同体积石子，实验组3中使用混凝土总质量比28％自养护控温材料代替同体积石子。将各种材料按比例加入到混凝土搅拌机中，充分混合搅拌后，浇筑到构件或模具，经自然养护3d拆模即可得到自养护多梯度控温早强抗裂混凝土。性能对比如表1和图1所示。
35.表1混凝土各项性能对比
[0036][0037]
通过表1可以看出，掺加自养护控温材料后，混凝土的工作性能提高。由于自养护控温材料的加入，实验组1和实验组2的早龄期抗压及劈裂抗拉强度提升了13～21％，早期硬化速率明显加快，从而降低了实际施工中的养护难度。实验组3的早龄期强度提高不明显，而28d抗压强度下降了12％，劈拉强度下降了约17％，当自养护控温材料掺量过高时，薄弱项在混凝土内的体积增大，导致混凝土长期力学性能下降。
[0038]
在绝热温升实验中，多梯度自养护控温材料对混凝土控温效果明显，在混凝土升温过程中形成多梯度吸热控温，延长了混凝土的升温持续时间，在20℃左右持续时间延长；降低了混凝土的最大温升，且达到最大温升的时间延长，温升曲线斜率变小。实验组1最大温升相较于基准组1下降了4.3℃，实验组2下降了7.6℃，实验组3下降了11.1℃。同时在降温过程中，可以延缓降温速率，减少裂缝的产生，实现大体积混凝土在升温/降温过程中的多梯度控温。
[0039]
不同龄期混凝土干燥收缩结果对比如图2。结果表明掺加自养护控温材料后，实验组1和实验组2混凝土各龄期干燥收缩均有所下降，其中实验组1的56d干燥收缩较基准组1下降了5％，实验组2下降了约10％，说明掺加适量的自养护控温材料可提高混凝土结构自身抗力，结合前述对最大温升的降低，大幅降低了混凝土的开裂风险。由于早期自养护的效
果，实验组3的早期干燥收缩小于基准组1，但56d收缩较基准组1上升了约6％，自养护控温材料掺量过高时，混凝土抵抗长期变形的能力降低。
[0040]
实施例2
[0041]
制备大体积用c30混凝土，使用的原材料及其质量比为水:水泥:粉煤灰:矿粉:砂:石:减水剂＝1:1.23:0.82:0.4:4.7:7.3:0.02，其中为确保体积一致，实验组4中使用混凝土总质量比1％的自养护控温材料替代同体积石子，实验组5中使用混凝土总质量比10％自养护控温材料代替同体积石子，实验组6中使用混凝土总质量比30％自养护控温材料代替同体积石子。将各种材料按比例加入到混凝土搅拌机中，充分混合搅拌后，浇筑到构件或模具后，经自然养护3d拆模得到自养护多梯度控温早强抗裂混凝土。性能对比如表2和图3所示。
[0042]
表2混凝土各项性能对比
[0043][0044]
由于自养护控温材料的加入，混凝土的坍落度增大，工作性能提高。掺加少量自养护控温材料的实验组4混凝土各项性能与基准组2相近，变化不明显。而实验组5混凝土的3d抗压强度相较于基准组2提高了约19％，3d劈抗强度提升了约12％，混凝土早期硬化速率明显加快，进而降低了实际施工中的养护难度。实验组6的3d强度提高不明显，而后期抗压强度下降了约18％，劈拉强度下降了约7％，当自养护控温材料掺量过高时，作为薄弱项在混凝土中的体积增大，导致混凝土长期力学性能下降。
[0045]
在绝热温升实验中，掺加少量自养护控温材料的实验组4温升曲线与基准组相近，控温效果不明显。而实验组5最大温升相较于基准组2下降了7.1℃，实验组6下降了11.5℃。适量的自养护控温材料对混凝土控温效果显著，在混凝土升温过程中形成多梯度吸热控温，延长了混凝土的升温持续时间，在20℃左右持续时间延长；降低了混凝土的最大温升。混凝土达到最大温升的时间延长，温升曲线斜率变小。在混凝土降温过程中，可以延缓降温速率，减少裂缝的产生，实现大体积混凝土在升温/降温过程中的多梯度控温。
[0046]
不同龄期混凝土干燥收缩结果对比如图4所示。其中实验组4和实验组5混凝土各龄期干燥收缩均有所下降，其中掺加少量自养护控温材料的实验组4下降不明显，而实验组5下降了约8％，结果表明掺加适量自养护控温材料后，可提高混凝土结构自身抗力，进而降低了混凝土的开裂风险。由于早期自养护的效果，实验组6的早期干燥收缩小于基准组2，但56d收缩较基准组2上升了约8％，自养护控温材料掺量过高时，混凝土抵抗长期变形的能力降低。
[0047]
实施例3
[0048]
制备大体积用c35混凝土，使用的原材料及其质量比为水:水泥:粉煤灰:矿粉:砂:石:减水剂＝1:1.3:0.72:0.48:4.8:7.5:0.02，其中为确保体积一致，实验组7中使用混凝土总质量比4％的自养护控温材料替代同体积石子，实验组8中使用混凝土总质量比8％自养护控温材料代替同体积石子，实验组9中使用混凝土总质量比22％自养护控温材料代替同体积石子。将各种材料按比例加入到混凝土搅拌机中，充分混合搅拌后，浇筑到构件或模具后，经自然养护3d拆模得到自养护多梯度控温早强抗裂混凝土。性能对比如表3和图5所示。
[0049]
表3混凝土各项性能对比
[0050][0051]
掺加自养护控温材料后，混凝土的坍落度增大，工作性能提高。由于自养护控温材料的加入，实验组7和实验组8混凝土3d抗压强度提高了6～11％，3d劈抗强度提升了7～17％左右，混凝土早期硬化速率明显加快，进而降低了实际施工中的养护难度。实验组9的后期抗压强度下降了约3％，劈拉强度下降了约4％，强度仍满足c35混凝土要求。
[0052]
在绝热温升实验中，多梯度自养护控温材料对混凝土控温效果明显，在混凝土升温过程中形成多梯度吸热控温，延长了混凝土的升温持续时间，在20℃左右持续时间延长；降低了混凝土的最大温升，实验组7最大温升相较于基准组3下降了4.5℃，实验组8下降了7.4℃，实验组9下降了9.7℃。混凝土达到最大温升的时间延长，温升曲线斜率变小。在混凝土降温过程中，可以延缓降温速率，减少裂缝的产生，实现大体积混凝土在升温/降温过程中的多梯度控温。
[0053]
不同龄期混凝土干燥收缩结果对比如图6所示，其中实验组7的56d干燥收缩较基准组3下降了11％，而实验组8下降了17％，结果表明掺加适量自养护控温材料后，可提高混凝土结构自身抗力，进而降低了混凝土的开裂风险。实验组9的56d干燥收缩较基准组3下降了约4％，自养护控温材料掺量较大时，混凝土抵抗变形的能力有所降低，但各龄期的收缩仍小于基准混凝土。
[0054]
实施例4
[0055]
制备预制构件用c40混凝土，使用的原材料及其质量比为水:水泥:粉煤灰:砂:石:减水剂＝1:1.3:1.2:5.3:7.5:0.02，为确保体积一致，实验组10中使用混凝土总质量比15％的自养护控温材料替代同体积石子，实验组11中使用混凝土总质量比35％自养护控温材料代替同体积石子。将各种材料按比例加入到混凝土搅拌机中，充分混合搅拌后，得到自
养护多梯度控温早强抗裂混凝土，分别进行自然养护和标准养护，对比各龄期混凝土抗压强度。性能对比如表4。
[0056]
表4混凝土力学性能
[0057][0058]
可以看出，掺入自养护控温材料后，混凝土早龄期抗压强度均有所提高。其中在自然养护条件下，实验组10的12h抗压强度提高了2.1mpa，1d抗压强度提高了5.3mpa；实验组11的12h抗压强度提高了1.0mpa，1d抗压强度提高了1.4mpa。结果表明掺入自养护控温材料使得混凝土早期硬化速率明显加快，早期强度得到明显提升。实验组11的各龄期强度均低于实验组10，且后期强度低于基准组4，其中28d抗压强度相较于基准组4下降了8.5mpa。当自养护控温材料掺量过高时，在混凝土中作为薄弱项的体积增大，降低了混凝土的力学性能。对比自然养护和标准养护混凝土的抗压强度可以发现，实验组10和实验组11在自然养护下早龄期的抗压强度要高于标准养护，自养护控温材料在水泥水化时吸收热量并在降温阶段释放，加强了对基体混凝土的养护，提高了混凝土的早期强度，从而降低了实际施工中的养护难度，提高施工效率或产品出厂频率。
[0059]
实施例5
[0060]
制备大体积或预制构件用c40混凝土，使用的原材料及其质量比为水:水泥:粉煤灰:砂:石:减水剂＝1:1.7:0.8:4.9:7.2:0.02，为确保体积一致，实验组12中使用混凝土总质量比12％的自养护控温材料替代同体积石子，实验组13中使用混凝土总质量比30％自养护控温材料代替同体积石子。将各种材料按比例加入到混凝土搅拌机中，充分混合搅拌后，得到自养护多梯度控温早强抗裂混凝土，抗裂性能对比如表5所示。
[0061]
表5混凝土抗裂性能
[0062][0063]
可以发现，掺入自养护控温材料后，裂缝条数和裂缝总长度均减少，混凝土的抗裂性能明显提升。其中实验组12的总开裂面积相较于基准组5下降了约51％，实验组13下降了约15％，实验组12的抗裂性能优于实验组13。对比抗压强度可以发现，实验组9的28d抗压强度相较于基准组5提升了约7％，而实验组13的28d抗压强度下降了约17％，说明自养护控温材料掺量存在最优范围，当掺量过高时，混凝土的力学性能和抗裂性能下降。