本發明屬于道路工程材料領域，涉及水泥混凝土材料，具體涉及一種抗凍耐磨水泥混凝土及其制備方法。
背景技術：
：混凝土的凍害，是混凝土細孔中的水分受到凍結，發生相變，產生膨脹壓力，剩余的水分遷移到附近的孔隙和毛細孔中，在水分運動的過程中，產生膨脹壓力及液體壓力，最終使得混凝土結構物膨脹、開裂、剝蝕和潰散，造成結構失效的現象。我國幅員遼闊，混凝土凍融破壞現象普遍存在我國的北方地區，且混凝土工程出現的凍融破壞已經對我國國民財產和經濟造成了巨大損失。混凝土材料除寒冷冬季要飽受凍融循環的破壞外，當其作為路面材料時，還必須要長期經受著外部荷載的沖擊、擠壓及路面堅硬物質的切削等作用，這就要求混凝土必須擁有較好的韌性及耐磨性。因此，改善混凝土在凍融環境下的耐久性，并增強其耐磨性能是十分必要的。目前，針對改善混凝土抗凍性的主要措施有以下幾種：降低混凝土水膠比、控制含氣量、適當延長養護齡期；提高混凝土耐磨性的主要措施有：向混凝土中加入鋼纖維、降低混凝土水膠比等。降低混凝土水膠比，一方面可以在一定程度上降低混凝土飽水度，提高混凝土的抗凍性；另一方面可以提高混凝土的強度，提高其耐磨性。但降低水膠比對開孔體積的影響是非常有限的，這種方法對提高混凝土抗凍性的有效性并不高。摻加引氣劑控制混凝土中的含氣量，在混凝土中有目的地引入大量微小的氣泡以提高混凝土中含氣量和減小平均氣泡間距，可以提高混凝土抗凍性，但含氣量越大，混凝土抗壓強度越低；適當延長混凝土養護齡期可以一定程度地降低混凝土內部毛細孔的連通性，提高混凝土的抗凍性，但一般養護齡期為28d以上才有顯著效果，對交通開放是十分不利的。將鋼纖維摻入混凝土中，雖然會提高混凝土的耐磨性，但其使用大大增加了混凝土的制備成本，經濟效益不夠顯著。由此可見，研發一種新型具有抗凍耐磨性能的混凝土材料具有重要意義。技術實現要素：針對現有技術存在的不足，本發明的目的在于，提供一種pH敏感水凝膠，用于提高混凝土抗凍及耐磨性能，解決現有技術用于水泥混凝土抗凍融效果不佳、耐磨性差等問題。為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案予以實現：一種抗凍耐磨水泥混凝土，所述抗凍耐磨水泥混凝土以質量百分數計，由以下原料組成：纖維素醚為0.1％～0.3％，pH敏感水凝膠為0.5％～1.5％，水泥為16％～18％，集料為73％～75％，水為6.8％～8.8％，原料的質量百分數之和為100％。具體的，所述pH敏感水凝膠為丙烯酸/羧甲基纖維素(AA/CMC)。具體的，所述pH敏感水凝膠由以下原料制成：羧甲基纖維素、丙烯酸、氫氧化鈉、去離子水、引發劑和交聯劑。進一步的，所述羧甲基纖維素、丙烯酸、氫氧化鈉、去離子水、引發劑和交聯劑的加入量按質量比為2.45％～2.65％：22％～23.8％：9％～10％：62％～66.6％：0.6％～0.9％：0.0037％～0.0041％。具體的，所述引發劑采用過硫酸鉀。具體的，所述交聯劑采用質量濃度為1g/L的N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺溶液。優選的，所述水泥混凝土以質量百分數計，由以下原料組成：纖維素醚為0.2％，pH敏感水凝膠為1％，水泥為17％，集料為74％，水為7.8％。可選的，所述纖維素醚采用甲基纖維素、羥乙基纖維素和羥丙基甲基纖維素中的一種。可選的，所述集料包括粒徑范圍小于5mm的細集料以及粒徑范圍為10～31.5mm的粗集料。一種抗凍耐磨水泥混凝土的制備方法，以所述的抗凍耐磨水泥混凝土的配方為基準，該方法包括以下步驟：步驟一：制備pH敏感水凝膠—丙烯酸/羧甲基纖維素(AA/CMC)；步驟二：將集料與水泥混合并攪拌均勻；步驟三：將纖維素醚、pH敏感水凝膠、水加入到步驟二的混合物中，拌合均勻后即可得到抗凍耐磨水泥混凝土。本發明與現有技術相比，具有如下技術效果：(1)本發明在混凝土中摻入pH敏感水凝膠，可在不影響混凝土力學性能的前提下，明顯降低混凝土經歷凍融循環、磨耗后的質量損失，提高混凝土的抗破壞能力。(2)本發明通過pH敏感水凝膠釋水而促進混凝土內水泥顆粒的水化進程，增大混凝土密實度，減少內部有害孔的形成，從而提高混凝土的抗凍性與耐磨性。在混凝土中摻入pH敏感水凝膠，通過pH敏感水凝膠在水泥體系內高pH環境中發生的體積收縮而形成的薄膜網狀結構，來增強混凝土的密實度，提高混凝土的抗開裂性能，實現混凝土抗凍性能與耐磨性能的改善。以下給出本發明的具體實施例，需要說明的是本發明并不局限于以下具體實施例，凡在本申請技術方案基礎上做的等同變換均落入本發明的保護范圍。具體實施方式本發明中摻入的pH敏感水凝膠，其體積隨著pH的變化而變化。在pH為7.0時，水凝膠獲得最大的平衡溶脹1100g/g；在酸性pH(pH<4)時，一方面，由于-OH和-COOH基團之間的氫鍵作用增強，產生額外的物理交聯，另一方面，羧酸根離子之間的靜電斥力受到限制，因此疏水作用做主導；在pH為4-10時，-COOH基團被離子化，去質子化生成帶負電荷的-COO-，-COO-基團之間的靜電斥力帶來高的溶脹能力；當pH(pH>10)較高時，溶脹介質中過多的K+、Na+屏蔽了-COO-陰離子，阻止了有效的陰-陰離子間靜電排斥力，使溶脹率下降，高分子鏈通過疏水作用相互聚集，體積收縮。水泥加適量的水拌合后，立即發生化學反應，水泥各個組分開始溶解并產生了復雜的物理、化學與物理化學變化。水泥顆粒與凝膠釋放的水分子反應可用如下方程式表示：可以看出，水泥水化生成大量的Ca(OH)2，使水泥體系整體呈堿性。大量研究試驗表明，當水泥一與水接觸，pH值迅速從7.00上升至11左右，水泥溶解1min后懸浮液的pH就超過11.00，隨后pH值一直上升，并維持在12以上。水泥體系的pH超過pH敏感水凝膠相轉變pH，pH敏感水凝膠溶脹率下降，體積收縮，水分子從pH敏感水凝膠中釋放出來。釋放出的水分與未水化的水泥顆粒接觸，可進一步進行水化反應，增加水化產物，毛細孔不斷被填充，使得混凝土更加密實，內部孔隙的飽水程度降低，水分不宜滲入，靜水壓力減小，混凝土抗凍性提高。隨著水泥水化的進行，纖維素醚與水凝膠逐漸聚合成網狀結構，抑制水泥混凝土的開裂，提高水泥混凝土的耐磨性。本發明中，pH敏感水凝膠并不是簡單地以一定比例摻入混凝土中，而是pH敏感水凝膠利用水泥水化后體系pH的變化來進行自身的相變(pH＜4時，水凝膠釋水體積收縮；4≤pH≤10時，水凝膠吸水體積膨脹；pH＞10時，水凝膠釋水體積收縮)。一方面，釋放出的水分子可繼續與未水化的水泥顆粒發生水化反應，生成水化產物，增加的水化產物使毛細孔不斷被填充，最終使得混凝土更加密實，降低基體內部孔隙率，減少基體內部自由水，提高水泥混凝土的抗凍性；另一方面，二者聚合成膜后，在基體內部呈現三維亂向分布，這種結構可以有效地降低裂紋尖端應力，阻止裂紋擴展，增大基體的延性，緩解試樣的破壞程度，起到增韌阻裂的作用，從提高其耐磨性及韌性。以下給出本發明的具體實施例，需要說明的是本發明并不局限于以下具體實施例，凡在本申請技術方案基礎上做的等同變換均落入本發明的保護范圍。實施例1：本實施例給出一種水泥混凝土，以質量百分數計，由以下原料組成：纖維素醚為0.2％、pH敏感水凝膠為1％，水泥為17％，集料為74％，水為7.8％；其中細集料為25％，粗集料為49％。其中：所涉及的pH敏感水凝膠的臨界轉變pH為4、10，即pH＜4時，凝膠為收縮狀態；4≤pH≤10時，凝膠為溶脹狀態；pH＞10時，凝膠為收縮狀態。細集料的細度模數為2.8，含泥量為2.5％，表觀密度為2650kg/m3，堆積密度為1420kg/m3。粗集料的粒徑分布為10～31.5mm，壓碎指標為7.5％，表觀密度為2690kg/m3，含泥量為0.5％。集料在混凝土中占到的總體積很高，大多數情況下，在集料內部很難達到臨界飽水度，因此由集料引發的混凝土凍融破壞很小，所有本申請填料選用不同粒徑的集料。水泥為42.5R普通硅酸鹽水泥，標準稠度為28.8％，安定性合格，基于本實施例的原料配方，本實施例混凝土的具體制備過程如下所述：步驟一，制備pH敏感水凝膠，將0.514g羧甲基纖維素溶解于12.87mL去離子水中，然后在60℃的條件下邊攪拌邊依次加入1.854gNaOH、4.634g丙烯酸、0.128g引發劑K2S2O8、0.772mL交聯劑質量濃度為1g/L的N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺溶液，燒杯覆膜，反應1.5h后，得淡紅色黏稠液體，制得pH敏感水凝膠；步驟二，將1480g集料與340g水泥拌合均勻；步驟三，將步驟一制得pH敏感水凝膠20g、水156g、纖維素醚4g加入到步驟二制得的混合物中，拌合均勻，制得混凝土。配制的水泥混凝土標準養護28d后進行凍融循環對比試驗，參照GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的快凍法，在凍融循環180次后，檢測混凝土的質量損失率與相對動彈性模量。參照GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行混凝土力學性能檢測。混凝土的耐磨試驗參照JTG_E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》中的水泥混凝土耐磨性試驗方法進行檢測。本實施例混凝土凍融循環后的質量損失率測試結果如表1所示，混凝土相對動彈性模量測試結果如表2所示，混凝土力學性能測試結果如表3所示，混凝土磨耗質量損失結果如表4所示。實施例2：本實施例給出一種抗凍耐磨水泥混凝土，以質量百分數計，由以下原料組成：纖維素醚為0.2％、pH敏感水凝膠為1％，水泥為17％，集料為74％，水為7.8％。本實施例中對原料的要求和抗凍耐磨水泥混凝土的制備方法均與實施例1相同，所不同的是，pH敏感水凝膠的制備：將0.514gCMC溶解于12.87g去離子水中，然后在60℃的條件下邊攪拌邊依次加入1.854gNaOH、4.634g丙烯酸、0.128g過硫酸鉀(引發劑)、0.74mL質量濃度為1g/L的N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺溶液(交聯劑)，燒杯覆膜，反應1.5h后，得淡紅色黏稠液體，制得pH敏感水凝膠。本實施例混凝土的質量損失率測試方法、相對動彈性模量測試方法、力學性能測試方法、耐磨性能測試方法與實施例1相同，結果如表1、2、3、4所示。實施例3：本實施例給出一種抗凍融水泥混凝土，以質量百分數計，由以下原料組成：纖維素醚為0.3％、pH敏感水凝膠為0.5％，水泥為17.4％，集料為74％，水為7.8％。本實施例中對原料的要求和抗凍耐磨水泥混凝土的制備方法均與實施例1相同，所不同的是，在pH敏感水凝膠的制備過程中：將0.257gCMC溶解于6.435g去離子水中，然后在60℃的條件下邊攪拌邊依次加入0.929gNaOH、2.319g丙烯酸、0.06g過硫酸鉀(引發劑)、0.386mL質量濃度為1g/L的N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺溶液(交聯劑)，燒杯覆膜，反應1.5h后，得淡紅色黏稠液體，制得pH敏感水凝膠。本實施例混凝土的質量損失率測試方法、相對動彈性模量測試方法、力學性能測試方法、耐磨性能測試方法與實施例1相同，結果如表1、2、3、4所示。實施例4：本實施例給出一種抗凍融水泥混凝土，以質量百分數計，由以下原料組成：纖維素醚為0.1％、pH敏感水凝膠為1.5％，水泥為17.4％，集料為73％，水為8％。本實施例中對原料的要求和抗凍耐磨水泥混凝土的制備方法均與實施例1相同，所不同的是，在pH敏感水凝膠的制備過程中：將0.78gCMC溶解于19.383g去離子水中，然后在60℃的條件下邊攪拌邊依次加入2.7gNaOH、6.957g丙烯酸、0.179g過硫酸鉀(引發劑)、1.16mL質量濃度為1g/L的N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺溶液(交聯劑)，燒杯覆膜，反應1.5h后，得淡紅色黏稠液體，制得pH敏感水凝膠；本實施例混凝土的質量損失率測試方法、相對動彈性模量測試方法、力學性能測試方法、耐磨性能測試方法與實施例1相同，結果如表1、2、3所示。實施例5：本實施例給出一種抗凍融水泥混凝土，以質量百分數計，由以下原料組成：纖維素醚為0.1％、pH敏感水凝膠為1％，水泥為18％，集料為73％，水為7.9％。本實施例中對原料的要求和抗凍耐磨水泥混凝土的制備方法均與實施例1相同，所不同的是，在pH敏感水凝膠的制備過程中：將0.451gCMC溶解于12.807g去離子水中，然后在60℃的條件下邊攪拌邊依次加入1.854gNaOH、4.76g丙烯酸、0.128g過硫酸鉀(引發劑)、0.772mL質量濃度為1g/L的N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺溶液(交聯劑)，燒杯覆膜，反應1.5h后，得淡紅色黏稠液體，制得pH敏感水凝膠。本實施例混凝土的質量損失率測試方法、相對動彈性模量測試方法、力學性能測試方法與實施例1相同，結果如表1、2、3、4所示。實施例6：本實施例給出一種抗凍融水泥混凝土，以質量百分數計，由以下原料組成：纖維素醚為0.3％、pH敏感水凝膠為1.5％，水泥為16.4％，集料為75％，水為6.8％。本實施例中對原料的要求和抗凍耐磨水泥混凝土的制備方法均與實施例1相同，所不同的是，在pH敏感水凝膠的制備過程中：將0.771gCMC溶解于19.305g去離子水中，然后在60℃的條件下邊攪拌邊依次加入2.781gNaOH、6.951g丙烯酸、0.192g過硫酸鉀(引發劑)、1.16mL質量濃度為1g/L的N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺溶液(交聯劑)，燒杯覆膜，反應1.5h后，得淡紅色黏稠液體，制得pH敏感水凝膠。本實施例混凝土的質量損失率測試方法、相對動彈性模量測試方法、力學性能測試方法與實施例1相同，結果如表1、2、3、4所示。對比例：本對比例給出一種水泥混凝土，以質量百分數計，由以下原料組成：水泥為17％，集料為75％(其中細集料為25％，粗集料為50％)，水為8％。基于本對比例的原料配方，本對比例的混凝土的制備過程如下所述：步驟一，將1000g粗集料與500g細集料在室溫條件下混合，再加入340g水泥拌合均勻；步驟二，將160g水加入到步驟二制得的混合物中，拌合均勻，制得水泥混凝土。本對比例的性能測試結果如表1—表4所示。效果分析：將pH敏感水凝膠摻入混凝土中，水泥混凝土經凍融循環后的質量損失率明顯低于不加pH敏感水凝膠的水泥混凝土(表1)，說明pH敏感水凝膠的摻入能顯著降低混凝土的質量損失。表1混凝土的質量損失率實施例質量損失率(％)實施例11.8482實施例21.8483實施例32.3240實施例41.8487實施例52.1681實施例61.8489對比例5.0591相比普通混凝土，摻入pH敏感水凝膠的混凝土抗破壞的強度高出很多(表2)，且pH敏感水凝膠的摻入提高了混凝土的韌性(表3)。表2混凝土的相對動彈性模量實施例相對動彈性模量(％)實施例185.1實施例285.1實施例376.3實施例484.8實施例584.1實施例684.7對比例44.2表3混凝土的力學性能因此將纖維素醚與pH敏感水凝膠摻入水泥混凝土中(實施例1-6)，水泥混凝土抵抗凍融破壞的性能明顯優于不加pH敏感水凝膠與纖維素醚的水泥混凝土(對比例)。表4為摻有纖維素醚與pH敏感水凝膠混凝土的耐磨性能。表4混凝土的耐磨性能實施例磨損量(kg/m2)實施例13.11實施例23.13實施例33.42實施例43.18實施例53.30實施例63.16對比例4.15可見，將纖維素醚與pH敏感水凝膠摻入水泥混凝土中(實施例1-6)，水泥混凝土的耐磨性能得到明顯改善，且隨著摻量的增加呈現上升趨勢。以上結果表明，pH敏感水凝膠摻入到混凝土中能夠有效降低混凝土遭受凍融循環后的破壞，并能提高水泥混凝土的韌性，增強耐磨性。當前第1頁1 2 3