一种低收缩高粘结黑色混凝土及其制备方法和应用与流程

本发明涉及路面新材料技术领域，具体涉及一种低收缩高粘结性黑色混凝土及其制备方法和应用。

背景技术：

伸缩缝装置是桥梁结构的重要构件，在桥梁结构中，伸缩缝通常设置在桥的两梁端之间以及梁端与桥台之间，其作用在于调节由车辆荷载和桥梁建筑材料性能所引起的上部结构之间的联结和位移。桥面伸缩缝处通常设置后浇带，后浇带浇筑采用比相邻原浇筑混凝土提高一个强度级别的钢纤维混凝土。但由于桥面沥青面层与后浇带混凝土面层有较大的黑白色差问题，无法保持整体色泽一致性，影响其美观性。

桥梁在运营中，伸缩缝后浇带混凝土处于复杂荷载的服役环境，长期承受车辆荷载的反复冲击作用，且暴露在自然环境中、经受风化侵蚀作用，混凝土材料疲劳和磨损较为严重。在实际工程应用中，该结构处混凝土常出现强度低、收缩大、在强烈荷载冲击下易开裂，粘度差、与老混凝土结合强度低，而造成桥面结构局部破坏。

现浇钢纤维混凝土，由于投料顺序、搅拌工艺不合理以及浆体和易性较差等方面原因，钢纤维往往容易团聚、不分散，一方面导致混凝土基体结构无法密实，另一方面不利施工、影响工程进度。且混凝土早期强度低、养护时间较长，模板周转慢，影响道路交通的正常开放。

中国专利201510987893.8公开了一种彩色混凝土及其制备方法，混凝土选用氧化铁、氧化钴等金属氧化物颜料作为着色剂，配合比中主要包含水泥、砂子、石子、石灰岩矿粉和减水剂等原材料，该专利未关注混凝土的收缩开裂、耐磨损、抗冲击以及和易性等性能问题，多用于建筑装饰工程，并不适合于桥面伸缩缝后浇带反复荷载受力的服役环境。

中国专利201310322276.7公开了一种用于城市道路检查井快修的黑色高强混凝土浇注料，中国专利03128045.5公开了一种黑色轻质桥面铺装层混凝土，上述两专利均涉及一种纤维增强黑色混凝土，所使用着色剂均为氧化铁黑粉，该颜料着色能力较弱，制备的混凝土制品偏黄色色调，且当氧化铁掺量过高，不仅引起混凝土表面泛白现象，而且可能导致基体密实性降低、界面区粘结性能变差，影响其耐久性能。

由于桥面伸缩缝后浇带的特殊服役环境对混凝土高强、微膨胀低收缩、高粘结等性能以及色泽一致性需求，目前尚无专门应用于沥青桥面后浇带黑色混凝土的相关报道，因此有必要研制专用于该服役环境的高强高性能黑色混凝土，优选合理配比及制备工艺满足各种性能指标需求。

技术实现要素：

为解决现有黑色混凝土在混凝土凝固成型后色泽不稳定，以及膨胀变形和粘结性差等问题，本发明提供一种低膨胀高粘结性黑色混凝土及其制备方法和应用。

为解决现有黑色混凝土成型后色泽不稳定的问题，本发明在外观色泽和着色剂优选方面，采用着色强度高的水溶性特种碳黑，通过优化配合比，提升黑色混凝土成型后的色泽稳定性，且由于黑色混凝土制备过程中加入炭黑，会严重影响混凝土的和易性，因此，本发明优选其配合比，调节混凝土施工过程中的和易性，合理控制用水量、含气量等指标参数，加入了聚羧酸高性能减水剂和保水剂以及消泡剂。

本发明所述低膨胀高粘结性黑色混凝土降低了混凝土基体毛细孔孔隙大小，使基体微结构与水溶性碳黑颗粒粒径相匹配，从而更好的固定碳黑粒子和氧化铁黑粉，调节浆体流动性，通过机械固定和静电固定相耦合方式，协同保证该混凝土具有较高的黑度和耐久性，使得沥青桥面长期保持色泽一致性。同时引入减水剂和保水组分，解决碳黑掺量高带来的混凝土和易性较差问题，在保证基体强度的情况下，增加浆体粘度，提高工作性。

因此，本发明所述的低膨胀高粘结性黑色混凝土，按重量份数计，组成如下：

所述水泥为42.5、52.5普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥，优选采用52.5硅酸盐水泥，当选用42.5普硅水泥时掺量相应增加，但不宜超过380kg/m³。水泥各项指标应符合国家标准。

所述粉煤灰为ⅱ级灰，需水量比≤105％，烧失量≤8％，比表面积≥400m²/kg；

所述矿粉为ⅱ级磨细矿渣粉，需水量比≤100％，烧失量≤3％，28d活性指数≥105％，比表面积≥550m2/kg。

所述钢纤维为成排端勾型钢纤维，采用水溶性胶粘结而成，可一次性投放施工、不易团聚，纤维长度20～35mm、长径比50～70，抗拉强度不低于1000mpa。

所述碳黑和铁黑为着色剂，碳黑为水溶性特种碳黑，与混凝土浆体相容性好且着色强度高、吸光率99.8％，平均颗粒尺寸约为100nm；铁黑为合成氧化铁黑粉，其含量不超过胶材用量的6％。

为避免氧化铁着色剂掺量过高带来的色泽偏黄、表面泛白以及混凝土耐久性问题，采用特种碳黑作为主要着色剂，其具有与水相容性较好、易分散、着色能力强、对混凝土性能影响小等优点，再通过复掺一定量的氧化铁黑粉，调整浆体流动性及表面黑度。

所述粗骨料采用5～20mm连续级配的玄武岩碎石，压碎值≤10％，针片状颗粒含量≤5％，含泥量≤0.5％，其他指标符合jgj52-2006中对粗骨料的要求。

所述细骨料采用细度模数为2.6～3.0的天然中砂，含泥量≤0.5％，云母含量≤0.5％，松散堆积密度≥1400kg·m-3，其他指标符合jgj52-2006中对细骨料的要求。

所述阻锈剂选用氨基醇类有机阻锈剂，碱含量不应大于0.5％，不应含氯离子及亚硝酸盐。

所述减水剂的固含量≥25％，减水率≥25％，泌水率比≤60％，28d抗压强度比≥140％。

所述减水剂为脂类聚羧酸高性能减水剂。

作为改进，在提升本发明所述的低膨胀高粘结性黑色混凝土的施工过程中的和易性的同时，提升其成型后的粘结强度，本发明所述的低膨胀高粘结性黑色混凝土的组成中还添加了保水剂和消泡剂，其用量为：保水剂占减水剂质量的1.5％～2.5％，消泡剂占减水剂质量的0.05‰～1.5‰。

所述保水剂采用羧酸共聚物保水增稠剂，固含量3％，其含量不高于减水剂用量的2.5％。

碳黑粉末较小的比表面积，其在水泥等粉料颗粒表面发生对液料的竞争性吸附，导致减水剂有效利用率降低。为保证新拌浆体良好的工作性，需要增加聚羧酸减水剂掺量，但由于其对温度变化、原材料等外界因素变化的高度敏感性，常常导致浆体离析、泌水等问题出现。为解决此问题，通过优化配合比、选用水和易性表现较优的脂类减水剂，同时引入保水组分，从而制得性能优异的黑色混凝土。

所述消泡剂，其含量≤减水剂用量的1.5‰。

混凝土抗压、抗弯、耐磨损、抗冲击等性能均与含气量、流动性等指标相关，为获得结构密实的高性能混凝土以及满足施工需求，并消除成排钢纤维中水溶性胶带来的增气效果，减水剂和消泡剂的掺量应合理控制，浆体含气量宜在2～3％范围内、坍落度不低于170mm。

作为进一步改进，提升所述黑色混凝土的抗裂性能，本发明所述的低膨胀高粘结性黑色混凝土采取水化温升抑制剂和高性能膨胀剂联合使用措施，通过抑制胶材早期水化放热解决早期塑性收缩大问题，而高效膨胀剂组分在后期提供膨胀源，减少后期干燥收缩，降低开裂风险。

因此，进一步的，本发明所述的低膨胀高粘结性黑色混凝土的组成中还添加了膨胀剂和水化温升抑制剂，所述膨胀剂的质量份数为35—45份，水化温升抑制剂的质量份数为5—10份。

所述膨胀剂为硫铝酸钙类高效膨胀剂，其含量不超过胶材用量的10％，否则会影响基体强度的发展，与水化温升抑制剂联合使用可有效降低混凝土的收缩开裂风险。

所述水化温升抑制剂的14d绝热温升值比≥90％且氯离子含量≤0.05％，为避免掺量过高可能带来的缓凝作用及混凝土早期强度问题，应合理控制掺量、不宜超过10kg/m³。

本发明还提供了所述低收缩高粘结黑色混凝土的制备方法，通过优化投料顺序及选用水溶性胶粘结成排的端勾型高强钢纤维，无需借助振动筛等外部设备，可实现钢纤维一次投料、二次分散，解决了施工过程中纤维团聚、不宜分散问题，方便施工。此外，通过对老混凝土界面进行相应的预处理，控制表面粗糙度、干燥状态等，再复合提高浆体粘度方式，增强界面粘结力，解决新老混凝土界面粘结性差问题。

所述低收缩高粘结黑色混凝土的制备方法，其步骤如下：

(1)按照投料顺序依次投入粗骨料、细骨料、砂、粉料预干混1min，然后缓慢加入3/4的水和减水剂，继续搅拌3min，至浆体呈现很好的流动状态；

(2)再加入碳黑/铁黑着色剂，继续搅拌2～3min；

(3)最后缓慢加入钢纤维及余下1/4的水、减水剂，搅拌3min，使得钢纤维充分分散，即出锅；

(4)将混凝土倒入容器中，一次性盛满后振捣15～20s，至表面无裸露的钢纤维，表面刮平，覆盖薄膜(或喷养护剂)标准养护24h后即为成型后的所述的低膨胀高粘结强度黑色混凝土。

本发明所述低膨胀高粘结强度黑色混凝土的应用，是作为桥面伸缩缝后浇带使用。

关于在使用过程中新老混凝土界面处理方法，其步骤如下：

通过在浇筑老混凝土时在模板上涂抹露石剂或对硬化后混凝土表面凿毛，对老混凝土结合面进行粗糙化预处理，控制其表面粗糙度在1.1～1.5mm范围内，并保持其表面湿润，然后再后浇黑色混凝土，采用表面粗糙度和浆体粘度复合控制技术提高新老界面粘结力。

本发明所述低膨胀高粘结强度黑色混凝土通过优选着色剂方案，解决了沥青路面后期运营色差的外观美化问题，可实现混凝土与沥青路面色泽一致性、并可长期保持其表面原有黑度。且该混凝土具有良好工作性能、方便施工，早期强度高、微膨胀低收缩、高粘结性、高抗冲击性、耐磨损等诸多优异性能；因此能够满足沥青桥面伸缩缝后浇带的服役环境及对混凝土的指标要求。

附图说明

图1为实施例一所制备的黑色混凝土试块。

图2为实施例二所制备的黑色混凝土试块经过1000次抗冲击试验后外观形态。

图3为实施例二所制备的黑色混凝土试块、沥青试块、普通混凝土试块。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的产品及制备方法作进一步的详细叙述，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1-6的原料配比参见下表：

实施例一

组分满足如下指标：

水泥：pⅱ52.5硅酸盐水泥，水泥各项指标应符合国家标准；

粉煤灰：ⅱ级灰，需水量比≤105％，烧失量≤8％，比表面积≥400m2/kg；

矿粉：为ⅱ级磨细矿渣粉，需水量比≤100％，烧失量≤3％，28d活性指数≥105％，比表面积≥550m2/kg；

水化温升抑制剂：采用sbt@-tri混凝土水化温升抑制剂，氯离子含量≤0.05％，14d绝热温升值比≥90％；

膨胀剂：i型硫铝酸钙类混凝土高效膨胀剂，各项指标应符合国家标准gb23439-2009；

钢纤维：成排端勾型钢纤维，采用水溶性胶粘结而成，纤维长度30mm、长径比50，抗拉强度不低于1000mpa；

碳黑颜料：水溶性特种碳黑，着色强度高、吸光率99.8％，平均颗粒尺寸约为100nm；

石子：采用5～20mm连续级配的玄武岩碎石，压碎值≤10％，针片状颗粒含量≤5％，含泥量≤0.5％，其他指标符合jgj52-2006中对粗骨料的要求；

砂：采用细度模数为2.8的天然中砂，含泥量≤0.5％，云母含量≤0.5％，松散堆积密度≥1400kg·m-3，其他指标符合jgj52-2006中对细骨料的要求；

阻锈剂：选用氨基醇类有机阻锈剂，碱含量≤0.5％，不应含氯离子及亚硝酸盐；

外加剂：此处外加剂包含减水剂、保水剂和消泡剂，其中减水剂掺量9kg/m3，保水剂为减水剂掺量的2.0％，消泡剂为减水剂掺量的0.05‰，合计9.1845kg/m3。减水剂采用脂类聚羧酸高性能减水剂，固含量≥25％，减水率≥25％，泌水率比≤60％，28d抗压强度比≥140％；保水剂采用羧酸共聚物保水增稠剂，固含量3％。

制备方法如下：

(1)使用与混凝土相同水灰比及胶砂比的砂浆润湿搅拌机，搅拌1min后将多余的浆料刮出；

(2)按照投料顺序依次投入称量好的石子、砂、粉料、阻锈剂、水化温升抑制剂等预干混1min，然后缓慢加入3/4的水和外加剂，继续搅拌3min，至浆体呈现很好的流动状态；

(3)再缓慢加入碳黑颜料着色剂，继续湿拌2～3min；

(4)最后缓慢加入钢纤维及余下1/4的水、外加剂，搅拌3min，使得钢纤维充分分散，即出锅；

(5)将混凝土倒入试模中，一次性盛满试模后振动台振捣15～20s，至试模表面无裸露的钢纤维，表面刮平，覆盖薄膜(或喷养护剂)标准养护24h后脱模。

对实施例一所制得的黑色混凝土进行测试，结果如下：

(a)根据标准gb/t50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，测试混凝土坍落度210cm，扩展度520mm。

(b)根据标准gb/t50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，混凝土7d抗压强度69.7mpa、抗弯强度6.7mpa，28d抗压强度77.3mpa、抗弯强度7.6mpa。

(c)混凝土塑性收缩阶段呈现先收缩后微膨胀的变化过程，且1d左右收缩曲线趋于平稳，最终的塑性收缩量≤500με，且30d龄期混凝土自收缩量≤10με。

(d)根据国标gb/t21120-2007《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》相关规定进行混凝土抗冲击试验，试块冲击1000次无破坏。

(e)通过对老混凝土结合面进行粗糙化预处理，控制其表面粗糙度在1.1～1.3mm范围内并保持表面湿润状态，在新老混凝土基体的粘结作用及机械咬合作用下，28d混凝土粘结强度可以达到5.8mpa。

实施例二

组分满足如下指标：

水泥：pⅱ52.5硅酸盐水泥，水泥各项指标应符合国家标准；

粉煤灰：ⅱ级灰，需水量比≤105％，烧失量≤8％，比表面积≥400m2/kg；

矿粉：为ⅱ级磨细矿渣粉，需水量比≤100％，烧失量≤3％，28d活性指数≥105％，比表面积≥550m2/kg；

水化温升抑制剂：采用sbt@-tri混凝土水化温升抑制剂，氯离子含量≤0.05％，14d绝热温升值比≥90％；

膨胀剂：i型硫铝酸钙类混凝土高效膨胀剂，各项指标应符合国家标准gb23439-2009；

钢纤维：成排端勾型钢纤维，采用水溶性胶粘结而成，纤维长度25mm、长径比65，抗拉强度不低于1000mpa；

碳黑颜料：水溶性特种碳黑，着色强度高、吸光率99.8％，平均颗粒尺寸约为100nm；

铁黑：黑色氧化铁粉末，主要化学成分fe3o4，其含量≥95％，筛余物≤0.3％，相对着色力≥100％；

石子：采用5～20mm连续级配的玄武岩碎石，压碎值≤10％，针片状颗粒含量≤5％，含泥量≤0.5％，其他指标符合jgj52-2006中对粗骨料的要求；

砂：采用细度模数为2.9的天然中砂，含泥量≤0.5％，云母含量≤0.5％，松散堆积密度≥1400kg·m-3，其他指标符合jgj52-2006中对细骨料的要求；

阻锈剂：选用氨基醇类有机阻锈剂，碱含量≤0.5％，不应含氯离子及亚硝酸盐；

外加剂：此处外加剂包含减水剂、保水剂和消泡剂，其中减水剂掺量10kg/m3，保水剂为减水剂掺量的2.0％，消泡剂为减水剂掺量的0.1‰，合计10.21kg/m3。减水剂采用脂类聚羧酸高性能减水剂，固含量≥25％，减水率≥25％，泌水率比≤60％，28d抗压强度比≥140％；保水剂采用羧酸共聚物保水增稠剂，固含量3％。

制备方法如下：

(1)使用与混凝土相同水灰比及胶砂比的砂浆润湿搅拌机，搅拌1min后将多余的浆料刮出；

(2)按照投料顺序依次投入称量好的石子、砂、粉料、阻锈剂、水化温升抑制剂等预干混1min，然后缓慢加入3/4的水和外加剂，继续搅拌3min，至浆体呈现很好的流动状态；

(3)将称量好的碳黑、铁黑颜料混合均匀，再缓慢加入步骤(2)制得的浆体中，继续湿拌2～3min；

(4)最后缓慢加入钢纤维及余下1/4的水、外加剂，搅拌3min，使得钢纤维充分分散，即出锅；

(5)将混凝土倒入试模中，一次性盛满试模后振动台振捣15～20s，至试模表面无裸露的钢纤维，表面刮平，覆盖薄膜(或喷养护剂)标准养护24h后脱模。

性能测试

对实施例一所制得的黑色混凝土进行测试，结果如下：

(a)根据标准gb/t50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，测试混凝土坍落度180cm，扩展度490mm。

(b)根据标准gb/t50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，混凝土7d抗压强度71.4mpa、抗弯强度7.4mpa，28d抗压强度82.3mpa、抗弯强度8.5mpa。

(c)混凝土塑性收缩阶段呈现先收缩后微膨胀的变化过程，且1d左右收缩曲线趋于平稳，最终的塑性收缩量≤450με，且30d龄期混凝土自收缩量≤15με。

(d)根据国标gb/t21120-2007《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》相关规定进行混凝土抗冲击试验，试块冲击1000次无破坏，图2为冲击1000次后试块形貌，此时混凝土表面除中心冲击坑外无明显开裂裂缝，混凝土具有较高的抗冲击性能，能满足路面伸缩缝处混凝土服役性能。

(e)对老混凝土结合面进行粗糙化预处理，控制其表面粗糙度在1.3～1.5mm范围内并保持表面湿润状态，28d混凝土粘结强度可以达到6.2mpa。

从实验结果可以看出，采用本发明的掺合料、膨胀剂、纤维、骨料、水化温升抑制剂、着色剂、保水剂、阻锈剂、减水剂等物质，并通过调整纤维用量、用水量以及高效减水剂用量制备的黑色混凝土具有黑度高以及优异的黑色色牢度、良好的和易性、高强度、高抗冲击性能、耐磨性好、微膨胀低收缩、高粘结等特点。

实施例1～实施例3中着色剂分别为碳黑铁黑复掺、全碳黑、全铁黑，其它组分均相同，性能数据显示：使用高掺量纯碳黑作为着色剂，由于碳黑粉末粒径处于纳米颗粒尺寸，引发较强的表面接触作用力，其在水泥掺合料表面发生对液料的竞争性吸附，导致浆体流动度有较为明显的劣化，影响着色剂的充分分散与浆体中气泡的排出，因此混凝土力学性能均有一定的降低；

使用纯铁黑作为着色剂，铁黑掺量高且着色能力弱，新拌混凝土流动性亦有小幅降低，硬化体表面出现泛白现象，色牢度与纯碳黑组有明显降低且试块表面颜色偏黄色色调；与此同时，纯铁黑组力学性能与实施例1相比亦显著降低。铁黑着色剂质量密度较大，在混凝土浆体中宜下沉从不利于表面着色，且铁黑颗粒属于惰性粉末不参与水泥水化反应，大量铁黑颗粒的加入导致基体密实度降低、界面区粘结性能变差，并影响其耐久性。

而使用碳黑铁黑复掺作为着色剂，一方面利用水溶性碳黑较高的着色强度及较小的质量密度，来获得优异的表面着色效果；再加入适量的铁黑粉末，调节浆体流动性，其较大的颗粒尺寸及优异的色泽稳定性亦为混凝土长期色泽稳定性提供保证。此外，通过优化配合比，降低混凝土基体毛细孔孔隙大小，使基体微结构与着色剂粒径相匹匹配，通过机械固定和静电固定相耦合方式，协同保证混凝土具有较高的色牢度和优异的性能。

实施例4～实施例5中分别缺少膨胀剂、水化温升抑制剂，其它组分均与实施例1相同，性能数据显示：缺少膨胀剂后，混凝土自收缩应变明显高于实施例1；缺少水化温升抑制剂后，混凝土早期塑性变形收缩明显增加，且抗压、抗折强度和粘结强度均有所降低。膨胀剂为混凝土长期水化过程中提供稳定的膨胀源，而水化温升抑制剂通过抑制胶材早期水化放热，在放热总量不变的前提下，有效降低水化放热速度，延长放热过程。采用水化温升抑制剂和高性能膨胀剂联合使用措施，实现全阶段全过程收缩抑制补偿，从而解决早期塑性收缩以及后期干缩大的问题，降低开裂风险。

实施例6中缺少保水剂和消泡剂，其它组分与实施例1相同，性能数据显示：外加剂中缺少保水剂和消泡剂后，混凝土浆体坍落度及扩展度均增加，浆体宜分层离析，砂石无法发挥骨架结构作用，浆体含气量增加，其力学性能和收缩变形性能亦明显劣化。保水剂具有保水增稠作用，可有效防止减水剂掺量增加带来的浆体离析、泌水等工作性问题，从而获得和易性较好、均匀致密的基体。消泡剂在浆体拌和过程中，有效消除浆体内气泡，将含气量控制在合理范围内，而含气量大小与混凝土耐磨损性能及抗折性能有关；因此，合理控制消泡剂含量可保证浆体有良好的和易性及优异的力学性能。