CN102584057A - 一种混凝土抗氯盐渗透剂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混凝土抗氯盐渗透剂及其应用，属于建筑材料技术领域。本发明所述的抗氯盐渗透剂是一种价格低廉的纳米高岭土粒子，利用该纳米高岭土粒子对普通水泥基材料进行改性处理，研制出新型耐融雪环境混凝土的配合比设计指标，并给出其制作工艺。本发明具有新颖、简单实用、施工工艺简单、实用效果好、造价低廉、提高土木工程基础设施使用寿命等优点，可以广泛适用于氯盐环境路桥工程、建筑工程等混凝土结构物的设计和维护。

Description

一种混凝土抗氯盐渗透剂及其应用

技术领域

本发明涉及一种混凝土抗氯盐渗透剂及其应用，属于建筑材料技术领域。

背景技术

严重的暴雪和特大暴雪将造成交通路网陷于瘫痪状态，为及时通车，传统腐蚀性较强的融雪剂成为融雪的首选材料。然而随着大雪的消融，诸多公路基础设施遭到损坏，融雪剂对公路桥梁等基础设施耐久性的长期负面影响已经引起国内外土木工程界的关注。尽管氯盐类融雪剂对混凝土结构和环境带来巨大的损坏，但从融雪效能、速度、方便快捷到成本效益的比较，目前在世界范围内仍难以取代。

据估算，美国每年由氯盐腐蚀破坏环境的成本可占GNP的4％(相当于美国国防开支)；氯盐融雪剂造成哥本哈根地区102座桥中50％出现严重的钢筋锈蚀；法国每年冬季消耗150万吨氯盐类融雪剂，耗资4亿法郎。我国化冰盐的使用时间较国外短，混凝土结构的损坏尚未完全显现；但化冰盐造成北京西直门老立交桥在使用20年便被迫拆除的工程实例足以给我们警示。据报导，近年来我国冬季融雪剂的用量逐年增加。2001年北京市使用融雪剂1000吨左右，2002年增至7000吨；2008年我国南方特大雪灾，仅京珠高速公路洒落近千吨融雪剂；2009年2月北京3场降雪便消耗融雪剂9000多吨；2010年我国大面积地区遭遇大雪和历史上罕见低温天气，仅1月份北京首场降雪便消耗融雪剂3万吨；2011年我国大面积地区再次遭遇大雪，融雪剂不得不广泛使用。近年来，不少发达国家致力于开发新型环保型融雪材料，但终因价格和适用性等原因无法推广。因此，如何通过提高混凝土材料的抗氯离子渗透特性以从根本上减小或避免其对土木工程的损坏十分重要。

我国正处于经济高速发展时期，诸多耗资巨大的重要构筑物，如跨海大桥、海底隧道、海上采油平台、海港、近海与海岸工程等已经或正在兴建，其中混凝土结构始终是普遍采用的结构形式。然而，海洋环境、融雪环境中水分和氯离子渗透至混凝土内部将直接导致钢筋锈蚀、混凝土开裂，进一步加速钢筋锈蚀，形成恶性循环致使混凝土结构劣化，甚至引发灾难性事故的工程案例不胜枚举。自上个世纪50年代至今，氯离子在普通混凝土中渗透作用成为国内外普遍关注的课题，国内外学者在氯离子扩散模型、氯离子渗透预测、裂缝对氯离子渗透影响、荷载对氯离子渗透作用影响等方面开展了广泛的试验研究、理论分析和数值模拟，取得了丰硕的成果。然而，如何从材料层次出发，通过提高材料的抗氯离子渗透特性以从根本上改善混凝土结构耐氯盐侵蚀性能的研究尚有待开展。

本发明旨在研制一种高抗氯离子渗透性水泥混凝土配合比，利用一种纳米高岭土改善水泥混凝土材料的抗氯离子渗透性能，确保所研制混凝土的强度不降低，同时经济性要得到保障。本发明首先给出了纳米高岭土在水泥基材料中的最佳分散方法、确定了提高水泥砂浆、水泥混凝土抗氯离子渗透性的最佳纳米高岭土掺量。基于上述方法，所研制水泥砂浆抗氯离子渗透性提高50％，强度提高20％，每立方米混凝土造价提高不足5％。目前国内外学者对不同纳米SiO₂、纳米CaCO₃等纳米颗粒对水泥基材料增韧机理、物理力学性能等方面开展了研究。但是相关研究工作中没有涉及本发明中使用的纳米高岭土，对于所涉及纳米材料在水泥混凝土中的最佳掺量、纳米颗粒改性水泥混凝土抗氯离子渗透性能改善情况的定量结果也尚未见到。

发明内容

本发明的目的是提供一种混凝土抗氯盐渗透剂，从而解决冰雪环境混凝土路面及桥梁结构损伤、破坏，耐久性退化的难题。

本发明所述的抗氯盐渗透剂是一种价格低廉的纳米高岭土粒子，利用该纳米高岭土粒子对普通水泥基材料进行改性处理，研制出新型耐融雪环境混凝土的配合比设计指标，并给出其制作工艺。

一种混凝土抗氯盐渗透剂，所述混凝土抗氯盐渗透剂为纳米高岭土粒子。

本发明所述混凝土抗氯盐渗透剂优选纳米高岭土粒子的平均粒径为370nm，相对密度2.58，pH值7.9。

本发明所述纳米高岭土粒子指平均粒径为200～400nm的高岭土粒子。

本发明的另一目的是提供利用混凝土抗氯盐渗透剂制备的改性水泥、水泥胶砂和混凝土。

一种改性抗氯盐水泥，由普通水泥和本发明所述混凝土抗氯盐渗透剂组成，其中，抗氯盐渗透剂的质量为普通水泥质量的1％～9％，优选为普通水泥质量的1％～5％。

一种改性抗氯盐水泥胶砂，由上述改性抗氯盐水泥和砂组成，其制备工艺步骤如下：

a.按比例称取普通水泥和纳米高岭土粒子；

b.将纳米高岭土粒子在水中高速搅拌12～16分钟；

c.将普通水泥倒入胶砂搅拌锅内，然后将纳米高岭土粒子与水的混合液倒入胶砂搅拌锅中，先低速搅拌2～3分钟，然后在30～40秒内将砂倒入搅拌锅，继续低速搅拌2～3分钟，停40～60秒，用插刀搅拌锅叶片及锅壁残留的水泥砂浆刮入搅拌锅内，最后再高速搅拌4～5分钟；

d.将搅拌好的水泥砂浆装入试模；

e.在标准条件养护箱中养护1d后脱模，再放入标准条件养护箱中养护至设定龄期。

一种改性抗氯盐混凝土，由上述改性抗氯盐水泥胶砂和石子组成，其制备工艺步骤如下：

a.按比例称取普通水泥、水、砂、石子和纳米高岭土粒子；

b.将纳米高岭土粒子在水中高速搅拌10～15分钟，再利用超声设备振动5～10分钟。

c.将普通水泥、砂子、石子倒入拌合器，干拌均匀后将纳米高岭土与水混合液缓慢倒入拌合器，继续拌和；

d.将搅拌好的混凝土装入试模；

e.在标准条件养护箱中养护1d后脱模，再放入标准条件养护箱中养护至设定龄期。

在上述抗氯盐混凝土制备工艺的步骤c中，拌合方式可选用人工搅拌或机械搅拌方法：

(1)人工搅拌方法：将普通水泥、砂子、石子倒入拌合器，干拌均匀，然后将纳米高岭土粒子与水混合液缓慢倒入拌合器，继续拌和4～5分钟；

(2)机械搅拌方法：首先预拌一次，以免正式拌和时影响拌合物的配合比，而后开动搅拌机，向搅拌机内依次加入石子、砂和普通水泥，干拌均匀，再将纳米高岭土粒子与水混合液缓慢加入，全部加料时间不超过2分钟，纳米高岭土与水混合液全部加入后，继续拌和2分钟。

本发明所述改性抗氯盐水泥胶砂和改性抗氯盐混凝土的制备中，应理解：

所述高速搅拌指搅拌机的自转速度为285±10r/min；所述低速搅拌指搅拌机的自转速度为140±5r/min；所述标准条件指养护箱的温度为20±1℃、相对湿度≥95％。

利用本发明所述方法制备的新型混凝土早期及长期氯离子扩散系数最多降低50％以上，同时抗压强度提高20％～30％，而造价提高不足5％；如果用于滨海地区混凝土结构设计以及北方寒冷地区路桥混凝土结构设计，可以显著提高结构耐久性，节省大量的维护费用。

本发明具有新颖、简单实用、施工工艺简单、实用效果好、造价低廉、提高了土木工程基础设施使用寿命等优点，其大批量投入市场必将产生积极的社会效益和显著的经济效益；可以广泛适用于氯盐环境(如滨海地区、冰雪地区)路桥工程、建筑工程等混凝土结构物的设计和维护。

附图说明

本发明附图共4幅，

图1为普通水泥的微观结构的电镜图片；

图2为纳米高岭土掺杂量为0.75％的改性水泥微观结构的电镜图片；

图3为纳米高岭土掺杂量为1％的改性水泥微观结构的电镜图片；

图4为纳米高岭土掺杂量为1.5％的改性水泥微观结构的电镜图片。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1～6

抗氯盐渗透剂采用纳米高岭土粒子，该纳米高岭土由河北省灵寿县键石矿物粉体厂生产，是高岭土原矿用破碎机进行粗、中碎以后，采用冲击磨进行一段超细粉碎，然后经煅烧精制而成。相对密度2.58，pH值7.9，平均粒径370nm。对其进行X射线衍射和JSM-6360LV型号SEM扫描仪电镜扫描分析，结果显示其化学组成详见表1。

表1纳米高岭土的化学组成

化学成分	含量/wt％
		SiO2	47.8
CaO	0.28
		Al2O3	41.8
Fe2O3	0.30
		MgO	0.03
K2O	0.58
		TiO2	0.02
Na2O	0.06
		其他	9.13

利用纳米高龄土作为抗氯盐渗透剂制备水泥胶砂，其工艺步骤如下：

a.分别按普通水泥重量的0％、1％、3％、5％、7％、9％称量纳米高岭土；

b.将纳米高岭土在水中高速搅拌15分钟；

c.将普通水泥倒入胶砂搅拌锅内，然后将纳米高岭土与水的混合液倒入胶砂搅拌锅中，先低速搅拌2分钟，然后在30秒内将砂倒入搅拌锅，继续低速搅拌2分钟，停60秒，用插刀搅拌锅叶片及锅壁残留的水泥砂浆刮入搅拌锅内，最后再高速搅拌5分钟；

d.然后将搅拌好的水泥砂浆装入试模。

e.在标准条件养护箱中养护1d后脱模，放入标准条件养护箱中养护至规定龄期。

将实施方案得到的按照纳米高岭土的掺量分别为0％、1％、3％、5％、7％、9％的水泥胶砂试样编号记为0#，1#，2#，3#，4#，5#。根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)的相关规定，对养护至设定龄期的不同掺量纳米高岭土改性水泥浆进行抗折试验，研究表明纳米高岭土能够提高水泥早期抗折强度，但提高程度并不与纳米高岭土的掺加量成正比；当纳米高岭土掺量为1％时，对水泥强度提高的效果最为显著，7天强度较普通水泥试件提高36.3％，90天强度提高达43.3％，其抗弯强度见表2。

表2纳米高岭土改性水泥抗弯强度

氯离子渗透性：利用硝酸银溶液测试氯离子的渗透深度，利用RCM型氯离子扩散系数测定仪，对6种试样分别测定不同龄期氯离子扩散系数，计算出氯离子的扩散系数见表3。

表3纳米高岭土水泥砂浆氯离子扩散系数

对按照上述实施方案得到的试件进行试验分析，结果如下：

纳米高岭土颗粒对水泥材料内部孔隙的填充作用逐渐增强，使得水泥孔隙率、平均孔直径、总进汞体积、总孔表面积不断减小；利用Autopore II 9220全自动压汞仪完成了不同分散方式情况下纳米高岭土水泥的微观孔结构特性，研究表明当机械搅拌5分钟时，试件孔隙率为15.78％，当搅拌时间增至10分钟时，孔隙率降为12.75％，当搅拌时间达到15分钟时，水泥试件的孔隙率为6.49％，可见随着纳米高岭土分散时间的延长，纳米高岭土颗粒在水泥试件中的分散性逐渐提高，对水泥材料内部孔隙的填充作用逐渐增强，使得水泥试件孔隙率、平均孔直径、总进汞体积、总孔表面积不断减小，对水泥的改性作用逐渐增强。

本发明中，压汞试验和电镜扫描试验结果(如图1～4所示)表明纳米高岭土颗粒细小，能够从微观上填充在水泥堆积的孔隙内，填充密实了孔隙，增强了混凝土密实性，降低了氯离子的渗透性，同时强度也有一定程度提高。因此，推断其他纳米粘土类材料能够从物理上改变水泥混凝土材料内部的结构特性，对于氯离子渗透性和强度的具有相同作用的影响。

利用纳米高岭土制备混凝土的工艺步骤如下：

a.按质量比，称取普通水泥∶水∶砂∶石子＝350∶175∶619∶1256，纳米高岭土的质量分别为水泥质量的1％、3％、5％、7％、9％。

b.将纳米高岭土在水中高速搅拌10分钟，再利用超声设备振动10分钟。

c.采用人工搅拌方法，将普通水泥、砂子、石子倒入拌合器，干拌均匀，然后将纳米高岭土与水混合液徐徐倒入拌合器，继续拌和5分钟。

d.将搅拌好的混凝土装入试模；

e.在标准条件养护箱中养护1d后脱模，再放入标准条件养护箱中养护至规定龄期。

将实施方案得到的按照纳米高岭土的掺量分别为0％、1％、3％、5％、7％、9％的混凝土试样编号记为C0#，C1#，C2#，C3#，C4#，C5#。根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)的相关规定，对养护至28天的不同掺量纳米高岭土混凝土进行抗压强度实验和氯离子渗透性实验。研究表明，当纳米高岭土掺量为1％时，混凝土抗压强度提高18.2％，氯离子渗透系数降低8.68％；当掺量达到5％时，混凝土抗压强度提高12.2％，氯离子渗透系数降低接近20％，不同掺量纳米混凝土抗压强度和抗氯离子渗透系数详见表4-5。

表4纳米高岭土混凝土抗压强度(龄期：28天)

试样编号	抗压强度/MPa	抗压强度提高系数/％
			C0#	30.3	0
C1#	35.8	18.2
			C2#	31.2	3.0
C3#	34.0	12.2
			C4#	33.4	10.2
C5#	31.3	3.3

表5纳米高岭土混凝土氯离子扩散系数(龄期：28天)

试样编号	氯离子扩散系数(×E-11)	扩散系数降低系数/％
			C0#	1.98262	0
C1#	1.81058	8.68
			C2#	1.81343	8.53
C3#	1.60840	18.88
			C4#	1.59132	19.74
C5#	1.61481	18.55

Claims (8)

1.一种混凝土抗氯盐渗透剂，其特征在于：所述混凝土抗氯盐渗透剂为纳米高岭土粒子。

2.根据权利要求1所述的一种混凝土抗氯盐渗透剂，其特征在于：所述纳米高岭土粒子的平均粒径为370nm，相对密度2.58，PH值7.9。

3.一种改性抗氯盐水泥，其特征在于：所述的改性抗氯酸盐水泥由普通水泥和如权利要求1所述的抗氯盐渗透剂组成，其中，抗氯盐渗透剂的质量为普通水泥质量的1％～9％。

4.根据权利要求3所述的改性抗氯盐水泥，其特征在于：所述抗氯盐渗透剂的质量为普通水泥质量的1％～5％。

5.一种改性抗氯盐水泥胶砂，其特征在于：所述水泥胶砂由如权利要求4所述的改性抗氯盐水泥和砂组成。

6.一种权利要求5所述改性抗氯盐水泥胶砂的制备方法，其特征在于：制备工艺步骤如下：

a.按比例称取普通水泥和纳米高岭土粒子；

b.将纳米高岭土粒子在水中高速搅拌12～16分钟；

c.将普通水泥倒入胶砂搅拌锅内，然后将纳米高岭土粒子与水的混合液倒入胶砂搅拌锅中，先低速搅拌2～3分钟，然后在30～40秒内将砂倒入搅拌锅，继续低速搅拌2～3分钟，停40～60秒，用插刀搅拌锅叶片及锅壁残留的水泥砂浆刮入搅拌锅内，最后再高速搅拌4～5分钟；

d.将搅拌好的水泥砂浆装入试模；

e.在标准条件养护箱中养护1d后脱模，再放入标准条件养护箱中养护至设定龄期。

7.一种改性抗氯盐混凝土，其特征在于：所述的改性抗氯盐混凝土由如权利要求6所述的改性抗氯盐水泥胶砂和石子组成。

8.一种权利要求7所述改性抗氯盐混凝土的制备方法：其具体工艺步骤如下：

a.按比例称取普通水泥、水、砂、石子和纳米高岭土粒子；

b.将纳米高岭土粒子在水中高速搅拌10～15分钟，再利用超声设备振动5～10分钟；

c.将普通水泥、砂子、石子倒入拌合器，干拌均匀后，将纳米高岭土与水混合液缓慢倒入拌合器，继续拌和；

d.将搅拌好的混凝土装入试模；

e.在标准条件养护箱中养护1d后脱模，再放入标准条件养护箱中养护至设定龄期。

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