一种高强度水泥混凝土及其制备方法

摘要

本发明公开了一种高强度水泥混凝土及其制备方法，属于建筑材料技术领域。高强度水泥混凝土，包括以下重量份数的原料：水泥200~220份、水玻璃20~30份、粉煤灰30~40份、碎石450~550份、石英砂250~260份、高岭土20~30份、复合钢纤维（改性超短钢纤维和螺纹型短钢纤维）15~20份、二乙烯三胺五乙酸钠8~10份、减水剂3.2~3.8份。本发明的高强度水泥混凝土在具有较高的抗压强度（51.2~53.1MPa）的同时，也具有较高的抗折强度（12.5~13.6MPa），解决了水泥混凝土韧性差这一技术难题，使水泥混凝土材料在高强度和高韧性方面实现了平衡与统一。

权利要求

1.一种高强度水泥混凝土，其特征在于，包括以下重量份数的原料：水泥200 220份、水~玻璃20 30份、粉煤灰30 40份、碎石450 550份、石英砂250 260份、高岭土20 30份、复合钢~ ~ ~ ~ ~纤维15 20份、二乙烯三胺五乙酸钠8 10份、减水剂3.2 3.8份；

~ ~ ~

所述复合钢纤维包括改性超短钢纤维和螺纹型短钢纤维；

所述改性超短钢纤维的制备具体包括：

首先，将超短钢纤维加入硅烷偶联剂溶液中反应，反应完成后干燥，得到预处理的超短钢纤维；

所述硅烷偶联剂溶液的配制具体包括：将硅烷偶联剂、乙醇、去离子水以体积比1:2:8的比例混合溶解后，得到所述硅烷偶联剂溶液；

其次，将所述预处理的超短钢纤维与相容剂、热塑性树脂进行熔融共混，得到所述改性超短钢纤维。

2.根据权利要求1所述的高强度水泥混凝土，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥，牌号为P.O.42.5；所述水玻璃的模数为1.8 2.8；所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，比表面积为600~ ~2

700m/kg。

3.根据权利要求1所述的高强度水泥混凝土，其特征在于，所述碎石为玄武岩或花岗岩，粒径为10 13mm；所述石英砂的粒径为0.4 0.7mm；所述高岭土的粒径为3 5μm；所述减水~ ~ ~剂为聚羧酸系减水剂。

4.根据权利要求1所述的高强度水泥混凝土，其特征在于，所述螺纹型短钢纤维的有效直径为0.45mm，长度为30mm，抗拉强度为485MPa。

5.根据权利要求1所述的高强度水泥混凝土，其特征在于，所述改性超短钢纤维和螺纹型短钢纤维的重量比为1 3:1。

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6.根据权利要求1所述的高强度水泥混凝土，其特征在于，所述相容剂包括丙烯酸、恶唑啉或改性聚丙烯酸酯；所述热塑性树脂包括聚氯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚酰胺或聚甲基丙烯酸甲酯；所述超短钢纤维的直径为0.25mm长度为10mm，单丝抗拉强度3050MPa。

7.根据权利要求1所述的高强度水泥混凝土，其特征在于，所述反应时间为20 30min；

~

所述熔融共混的温度为190 210℃，时间为3 5min。

~ ~

8.一种权利要求1 7任一项所述的高强度水泥混凝土的制备方法，其特征在于，包括以~下步骤：

首先，按重量份数称取各个原料，将水玻璃、高岭土、二乙烯三胺五乙酸钠、减水剂和水混合均匀后研磨，得到混合浆液；

所述水与胶凝材料的重量比为0.35 0.50；所述胶凝材料为水泥、水玻璃和粉煤灰；

~

其次，将水泥、粉煤灰、碎石、石英砂、复合钢纤维加入所述混合浆液中，搅拌反应，得到所述高强度水泥混凝土。

9.根据权利要求8所述的高强度水泥混凝土的制备方法，其特征在于，所述研磨的时间为30 40min；所述搅拌反应的时间为5 8min。

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说明书

一种高强度水泥混凝土及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及建筑材料技术领域，特别是涉及一种高强度水泥混凝土及其制备方法。

背景技术

[0002] 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（也称为骨料）、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。混凝土具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单的特点，因而使其用量越来越大。同时混凝土还具有抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽等特点，因此，使用范围十分广泛，不仅在各种土木工程中使用，就是造船业，机械工业，海洋的开发，地热工程等，混凝土也是重要的材料。

[0003] 随着混凝土组成材料的不断发展，人们对混凝土的性能要求不仅仅局限于抗压强度，而是在立足强度的基础上，更加注重混凝土的耐久性、抗冲击性能及抗折强度，混凝土各项性能指标的要求比以前更明确、细化和具体。为了提高混凝土的抗折强度，较为普遍的做法是提高超细钢纤维掺量或者多重纤维混掺。但当钢纤维掺量较大时，混凝土基本没有工作性可言，施工性能极差，无法实际应用；当采用多重纤维混掺时，由于多种纤维在混合掺入状态下不能同步工作，导致无叠加增强作用。因此，无法在保证混凝土施工性能的同时，显著提升混凝土的抗折强度。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种高强度水泥混凝土及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

[0006] 本发明的技术方案之一：一种高强度水泥混凝土，包括以下重量份数的原料：水泥200 220份、水玻璃20 30份、粉煤灰30 40份、碎石450 550份、石英砂250 260份、高岭土20~ ~ ~ ~ ~ ~
30份、复合钢纤维15 20份、二乙烯三胺五乙酸钠8 10份、减水剂3.2 3.8份；
~ ~ ~

[0007] 所述复合钢纤维包括改性超短钢纤维和螺纹型短钢纤维。

[0008] 二乙烯三胺五乙酸钠能够有效激发粉煤灰的活性，从而提高混凝土的强度，并且二乙烯三胺五乙酸钠遇水后，会形成大量的羧基和羟基，由于分子间作用力，这些极性基团可以吸附到水泥颗粒表面，能够破坏非活性材料表面光滑、致密的Si‑O‑Si键和Si‑O‑Al键及其网络结构，使晶体结构产生缺陷，加速其解离和水化，从而能够最大限度提高混凝土的抗压强度和抗折强度。

[0009] 进一步地，所述水泥为硅酸盐水泥，牌号为P.O.42.5；所述水玻璃的模数为1.8~2
2.8；所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，比表面积为600 700m/kg。
~

[0010] 进一步地，所述碎石为玄武岩或花岗岩，粒径为10 13mm；所述石英砂的粒径为0.4~0.7mm；所述高岭土的粒径为3 5μm；所述减水剂为聚羧酸系减水剂。
~ ~

[0011] 进一步地，所述螺纹型短钢纤维的有效直径为0.45mm，长度为30mm，抗拉强度为485MPa。

[0012] 进一步地，所述改性超短钢纤维和螺纹型短钢纤维的重量比为1 3:1。~

[0013] 进一步地，所述改性超短钢纤维的制备具体包括：

[0014] （1）将超短钢纤维加入硅烷偶联剂溶液中反应，反应完成后干燥，得到预处理的超短钢纤维；

[0015] （2）将所述预处理的超短钢纤维与相容剂、热塑性树脂进行熔融共混，得到所述改性超短钢纤维。

[0016] 超短钢纤维强度高、弹性模量大，因此水泥混凝土受拉应力时先参加工作，但超短钢纤维表面光滑，与基体材料的粘结较弱，很快从基体拔出退出工作；而螺纹型短钢纤维，纤维的强度比较低、弹性模量小，超短钢纤维基本退出工作后，才参加工作，因此简单的将两种纤维混合，对抗折强度的贡献仅取决于贡献大的单种纤维，并无叠加增强作用。而本发明通过改性处理，可使超短钢纤维表面形成一层超支化结构，可以显著增加超短钢纤维表面的粗糙程度，大幅提高界面间的界面摩擦力、物理吸附性和和化学粘结强度，此时将两种纤维混合，就能起到叠加增强作用。

[0017] 进一步地，所述相容剂包括丙烯酸、恶唑啉或改性聚丙烯酸酯；所述热塑性树脂包括聚氯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚酰胺或聚甲基丙烯酸甲酯；所述超短钢纤维的直径为0.25mm长度为10mm，单丝抗拉强度3050MPa。

[0018] 进一步地，所述反应的时间为20 30min；所述熔融共混的温度为190 210℃，时间~ ~为3 5min。
~

[0019] 更进一步地，所述硅烷偶联剂溶液的配制具体包括：将硅烷偶联剂、乙醇、去离子水以体积比1:2:8的比例混合溶解后，得到所述硅烷偶联剂溶液。

[0020] 更进一步地，所述硅烷偶联剂包括甲基三乙氧基硅烷、乙烯基三(β‑甲氧基乙氧基)硅烷或乙烯基三(β‑甲氧基乙氧基)硅烷。

[0021] 本发明的技术方案之二：一种上述高强度水泥混凝土的制备方法，包括以下步骤：

[0022] （1）按重量份数称取各个原料，将水玻璃、高岭土、二乙烯三胺五乙酸钠、减水剂和水混合均匀后研磨，得到混合浆液；

[0023] 所述水与胶凝材料的重量比为0.35 0.50；所述胶凝材料为水泥、水玻璃和粉煤~灰；

[0024] （2）将水泥、粉煤灰、碎石、石英砂、复合钢纤维加入所述混合浆液中，搅拌反应，得到所述高强度水泥混凝土。

[0025] 进一步地，所述研磨时间为30 40min；所述搅拌反应的时间为5 8min。~ ~

[0026] 本发明公开了以下技术效果：

[0027] 本发明的高强度水泥混凝土在具有较高的抗压强度（51.2 53.1MPa）的同时，也具~有较高的抗折强度（12.5 13.6MPa），解决了水泥混凝土韧性差这一技术难题，使水泥混凝~
土材料在高强度和高韧性方面实现了平衡与统一。

具体实施方式

[0028] 现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

[0029] 应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

[0030] 除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

[0031] 在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

[0032] 关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

[0033] 以下实施例所述的“份”均为“重量份”。

[0034] 实施例1

[0035] 一种高强度水泥混凝土的制备方法：

[0036] 高强度水泥混凝土，由以下重量份数的原料组成：水泥200份、水玻璃25份、粉煤灰30份、碎石500份、石英砂250份、高岭土25份、复合钢纤维（重量比为2:1的改性超短钢纤维和螺纹型短钢纤维）18份、二乙烯三胺五乙酸钠8份、减水剂3.5份。

[0037] 水泥：硅酸盐水泥，牌号为P.O.42.5；

[0038] 水玻璃：模数为2.5；

[0039] 粉煤灰：Ⅰ级粉煤灰，比表面积为600m2/kg；

[0040] 碎石：粒径为12mm的玄武岩；

[0041] 石英砂：粒径为0.5mm；

[0042] 高岭土：粒径为3μm；

[0043] 减水剂：聚羧酸系减水剂；

[0044] 螺纹型短钢纤维：有效直径为0.45mm，长度为30mm，抗拉强度为485MPa。

[0045] 改性超短钢纤维的制备：

[0046] （1）将超短钢纤维加入硅烷偶联剂溶液搅拌反应25min，然后置于100℃环境下干燥1.5h，得到预处理的超短钢纤维。

[0047] 硅烷偶联剂溶液的配置：将硅烷偶联剂（甲基三乙氧基硅烷）、乙醇、去离子水以体积比1:2:8的比例混合溶解至溶液变为透明，得到硅烷偶联剂溶液。

[0048] 超短钢纤维：直径为0.25mm长度为10mm，单丝抗拉强度3050MPa。

[0049] （2）将预处理的超短钢纤维与相容剂（丙烯酸）、热塑性树脂（聚甲基丙烯酸甲酯）以重量比50:8:110进行熔融共混（熔融共混的温度为200℃，时间为4min），冷却后，得到改性超短钢纤维。

[0050] 高强度水泥混凝土的制备方法：

[0051] （1）按重量份数称取各个原料，将水玻璃、高岭土、二乙烯三胺五乙酸钠、减水剂和水（水与胶凝材料的重量比0.40）混合均匀后研磨30min，得到混合浆液。

[0052] （2）将水泥、粉煤灰、碎石、石英砂、复合钢纤维加入上述混合浆液中，搅拌反应6min，得到高强度水泥混凝土。

[0053] 实施例2

[0054] 一种高强度水泥混凝土的制备方法：

[0055] 高强度水泥混凝土，由以下重量份数的原料组成：水泥210份、水玻璃20份、粉煤灰40份、碎石450份、石英砂260份、高岭土20份、复合钢纤维（重量比为3:1的改性超短钢纤维和螺纹型短钢纤维）15份、二乙烯三胺五乙酸钠8份、减水剂3.2份。

[0056] 水泥：硅酸盐水泥，牌号为P.O.42.5；

[0057] 水玻璃：模数为2.8；

[0058] 粉煤灰：Ⅰ级粉煤灰，比表面积为650m2/kg；

[0059] 碎石：粒径为12mm的玄武岩；

[0060] 石英砂：粒径为0.6mm；

[0061] 高岭土：粒径为5μm；

[0062] 减水剂：聚羧酸系减水剂；

[0063] 螺纹型短钢纤维：有效直径为0.45mm，长度为30mm，抗拉强度为485MPa。

[0064] 改性超短钢纤维的制备：

[0065] （1）将超短钢纤维加入硅烷偶联剂溶液搅拌反应20min，然后置于100℃环境下干燥1.5h，得到预处理的超短钢纤维。

[0066] 硅烷偶联剂溶液的配置：将硅烷偶联剂（乙烯基三(β‑甲氧基乙氧基)硅烷）、乙醇、去离子水以体积比1:2:8的比例混合溶解至溶液变为透明，得到硅烷偶联剂溶液。

[0067] 超短钢纤维：直径为0.25mm长度为10mm，单丝抗拉强度3050MPa。

[0068] （2）将预处理的超短钢纤维与相容剂（改性聚丙烯酸酯）、热塑性树脂（聚乙酸乙烯酯）以重量比50:8:110进行熔融共混（熔融共混的温度为190℃，时间为5min），冷却后，得到改性超短钢纤维。

[0069] 高强度水泥混凝土的制备方法：

[0070] （1）按重量份数称取各个原料，将水玻璃、高岭土、二乙烯三胺五乙酸钠、减水剂和水（水与胶凝材料的重量比0.38）混合均匀后研磨35min，得到混合浆液。

[0071] （2）将水泥、粉煤灰、碎石、石英砂、复合钢纤维加入上述混合浆液中，搅拌反应8min，得到高强度水泥混凝土。

[0072] 实施例3

[0073] 一种高强度水泥混凝土的制备方法：

[0074] 高强度水泥混凝土，由以下重量份数的原料组成：水泥220份、水玻璃30份、粉煤灰35份、碎石550份、石英砂250份、高岭土30份、复合钢纤维（重量比为1:1的改性超短钢纤维和螺纹型短钢纤维）20份、二乙烯三胺五乙酸钠10份、减水剂3.8份。

[0075] 水泥：硅酸盐水泥，牌号为P.O.42.5；

[0076] 水玻璃：模数为2.0；

[0077] 粉煤灰：Ⅰ级粉煤灰，比表面积为680m2/kg；

[0078] 碎石：粒径为10mm的花岗岩；

[0079] 石英砂：粒径为0.4mm；

[0080] 高岭土：粒径为4μm；

[0081] 减水剂：聚羧酸系减水剂；

[0082] 螺纹型短钢纤维：有效直径为0.45mm，长度为30mm，抗拉强度为485MPa。

[0083] 改性超短钢纤维的制备：

[0084] （1）将超短钢纤维加入硅烷偶联剂溶液搅拌反应30min，然后置于100℃环境下干燥1.5h，得到预处理的超短钢纤维。

[0085] 硅烷偶联剂溶液的配置：将硅烷偶联剂（乙烯基三(β‑甲氧基乙氧基)硅烷）、乙醇、去离子水以体积比1:2:8的比例混合溶解至溶液变为透明，得到硅烷偶联剂溶液。

[0086] 超短钢纤维：直径为0.25mm长度为10mm，单丝抗拉强度3050MPa。

[0087] （2）将预处理的超短钢纤维与相容剂（恶唑啉）、热塑性树脂（聚氯乙烯）以重量比50:8:110进行熔融共混（熔融共混的温度为210℃，时间为3min），冷却后，得到改性超短钢纤维。

[0088] 高强度水泥混凝土的制备方法：

[0089] （1）按重量份数称取各个原料，将水玻璃、高岭土、二乙烯三胺五乙酸钠、减水剂和水（水与胶凝材料的重量比0.42）混合均匀后研磨40min，得到混合浆液。

[0090] （2）将水泥、粉煤灰、碎石、石英砂、复合钢纤维加入上述混合浆液中，搅拌反应5min，得到高强度水泥混凝土。

[0091] 对比例1

[0092] 同实施例1，区别在于，将复合钢纤维中的螺纹型短钢纤维全部替换成改性超短钢纤维。

[0093] 对比例2

[0094] 同实施例1，区别在于，将复合钢纤维中的改性超短钢纤维全部替换成螺纹型短钢纤维。

[0095] 对比例3

[0096] 同实施例1，区别在于，将重量比为2:1的改性超短钢纤维和螺纹型短钢纤维替换成重量比为2:1的超短钢纤维和螺纹型短钢纤维。

[0097] 对比例4

[0098] 同实施例1，区别在于，改性超短钢纤维的制备具体为：将超短钢纤维加入硅烷偶联剂溶液搅拌反应25min，然后置于100℃环境下干燥1.5h，得到改性超短钢纤维。

[0099] 对比例5

[0100] 同实施例1，区别在于，将二乙烯三胺五乙酸钠替换成二乙烯三胺。

[0101] 对比例6

[0102] 同实施例1，区别在于，复合钢纤维为重量比为2:1的超短钢纤维和螺纹型短钢纤维，用量调整为25份。

[0103] 对比例7

[0104] 同实施例1，区别在于，将复合钢纤维中的改性超短钢纤维全部替换成螺纹型短钢纤维，用量调整为25份。

[0105] 效果例1

[0106] 将实施例1 3及对比例1 7制备的高强度水泥混凝土倒入混凝土模具（尺寸为10cm~ ~×10cm×10cm）中，在振动台振实60s后覆膜养护28d，依据GB/T50081‑2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，对试样的抗压强度、抗折强度，结果见表1。

[0107] 表1试样的抗压强度和抗折强度

[0108]

[0109] 从表1中可以看出，采用本发明的制备方法，可以显著提升水泥混凝土的抗折强度，进而提升了水泥混凝土的耐久性，使水泥混凝土的性能更加优异，同时可以保证水泥混凝土的施工性能。

[0110] 从表1中可以看出，对比例6和对比例7的水泥混凝土的抗压强度与本申请实施例的抗压强度差不多，但对比6和对比例7制备的水泥混凝土的施工性能极差。

[0111] 以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。