CN103496874A - 一种具有化学触发功能的化学自修复混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有化学触发功能的化学自修复混凝土，在混凝土中掺入具有对外界离子敏感的化学触发功能的微胶囊，其混凝土质量配合比为：混凝土∶微胶囊∶水=100∶1-10∶15-50。本发明还给出了该混凝土样品的制备方法，包括以下步骤：1)称取足量的水，加入适当比例的化学触发微胶囊，搅拌直至分散均匀；2)把水倒入水泥搅拌器中，加入相应质量水泥；3)对水泥浆进行先慢后快搅拌；4)振捣混凝土后，逐步或分步浇灌工件；5)静置1-2小时候起模，刮除模具上溢出的混凝土浆体，放置21-26小时；6)拆模后将样品转入混凝土标准养护箱，养护25-31天。

Description

一种具有化学触发功能的化学自修复混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种化学自修复混凝土，尤其涉及一种具有化学触发功能的化学自修复混凝土及其制备方法。

背景技术

钢筋混凝土作为传统建筑材料的代表，其具有抗压强度高、耐久性强、成本低等特点，广泛应用于工业与民用建筑、桥梁、道路工程、地下工程、水利水电工程、港口和海洋工程等结构物，目前又向着大跨结构、高耸结构、巨型结构和特种结构渗透，是应用得最为广泛的建筑材料。在役混凝土结构中，随着长期的使用和周围复杂环境的影响，尤其处在滨海环境下，植入混凝土中的钢筋不可避免地发生锈蚀，导致钢筋混凝土结构承载力大幅降低，轻者会降低结构使用寿命，重者会危及结构安全，给国民经济带来巨大损失。因此，在役钢筋混凝土中的钢筋生锈问题是一个长期困扰土木工程人员的技术难题。

早些年，一些学者提出在钢筋混凝土制备过程中加入缓蚀剂，其中亚硝酸盐类是比较典型的代表，但是使用这一方法，缓蚀剂在初期的大量流失使得其在钢筋缓蚀方面的效果是微乎其微。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺点，提供一种具有化学触发功能的化学自修复混凝土及其制备方法，通过合适的组分配比和工艺条件，形成微胶囊混凝土自修复体系，实现钢筋混凝土中钢筋锈蚀的自修复和自防御功能，且缓蚀效果长久，具有智能控制的特点。

为实现本发明的目的，本发明的技术方案是：

一种具有化学触发功能的化学自修复混凝土，在混凝土中掺入具有对外界离子敏感的化学触发功能的微胶囊，其混凝土质量配合比为：混凝土／微胶囊／水=100：1-10：15-50。

进一步，所述的微胶囊为圆球或椭球形，粒径为400-900微米，包括囊芯和囊壁，壁厚为100-600微米，所述囊芯的核心组分为缓蚀剂；所述囊壁为对离子敏感的高分子有机材料制成。

进一步，所述微胶囊的囊芯组分缓蚀剂为能够与所侵蚀的有害离子相互作用的亚硝酸盐或单氟磷酸钠；所述微胶囊的囊壁材料为对离子敏感的高分子有机材料，选自聚丙烯酸、聚苯乙烯或乙基纤维素。

进一步，所述微胶囊的制备方法按以下步骤进行：

(1)囊芯制备：按原料质量配比：缓蚀剂／微晶纤维素／吐温80／30％乙醇=100：90-100：8-10：100-120进行囊芯配制，将得到的混合物投入挤出设备进行挤出抽细，挤出米线条状的囊芯材料，将米线条状囊芯材料倒入滚圆设备中的滚筒，滚出囊芯微粒，囊芯微粒在30-40℃强制通风的条件下，进行干燥处理，制得囊芯；

(2)囊壁制备：按原料质量配比：囊壁材料／溶剂=100：600-1200配制包衣液，将雾化的包衣液喷到步骤(1)得到的囊芯上，并每隔5-10分钟加入1-2g滑石粉，在干燥温度30-40℃强制通风的条件下干燥10-20分钟，然后自然降温、晾干，得到微胶囊。

本发明还给出了一种具有化学触发功能的化学自修复混凝土样品的制备方法，包括以下步骤：

1)称取足量的水，加入适当比例的上述具有对外界离子或pH敏感的化学触发功能的微胶囊，搅拌直至分散均匀；

2)把水倒入水泥搅拌器中，加入相应质量水泥；

3)对水泥浆进行先慢后快搅拌；

4)振捣混凝土后，逐步或分步浇灌工件；

5)静置1-2小时候起模，刮除模具上溢出的混凝土浆体，放置21-26小时；

6)拆模后将样品转入混凝土标准养护箱，养护25-31天。

本发明的具有以下优点：

本发明的具有化学触发功能的化学自修复混凝土是在混凝土传统组分中掺入具有对外界离子敏感具有化学触发功能的微胶囊，在其内部形成智能释放缓蚀剂化学自修复体系，使用具有良好分散性和稳定性的微胶囊材料，经过混凝土典型生产工艺，微胶囊均匀分布于混凝土中，在混合和养护过程中微胶囊材料不会发生破碎。一旦有有害离子入侵或PH降低，微胶囊自动触发，释放缓蚀剂，达到保护钢筋的目的。反之，当外界环境良好时，植入混凝土中的微胶囊可以长期稳定存在于基体中。与未掺入微胶囊的钢筋混凝土的优点在于可以长期有效的保护植入混凝土中的钢筋，保证钢筋混凝土结构的稳定性，延长其服役寿命。本发明使用的微胶囊制备工艺操作简单，容易实现，工业化批量化生产提供了条件。

附图说明

图1是本发明具有化学触发功能的微胶囊的扫描电镜照片；

图2是不同PH条件下的化学触发微胶囊的扫描电镜照片；

图3是无微胶囊掺入和有微胶囊掺入下的钢筋锈蚀对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，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。

图1是本发明具有化学触发功能的微胶囊的扫描电镜照片，一种具有化学触发功能的化学自修复混凝土，在混凝土中掺入具有对外界离子敏感的化学触发功能的微胶囊，其混凝土质量配合比为：

混凝土／微胶囊／水=100：1-10：15-50。

微胶囊为圆球或椭球形，粒径为400-900微米，包括囊芯和囊壁，壁厚为100-600微米，囊芯的核心组分为缓蚀剂；囊壁为对离子敏感的高分子有机材料制成。

作为本发明实施例的一优化方案，所述微胶囊的囊芯组分缓蚀剂为能够与所侵蚀的有害离子相互作用的亚硝酸盐或单氟磷酸钠；所述微胶囊的囊壁材料为对离子敏感的高分子有机材料，选自聚丙烯酸、聚苯乙烯或乙基纤维素。

微胶囊的制备方法按以下步骤进行：

(1)囊芯制备：按原料质量配比：缓蚀剂／微晶纤维素／吐温80／30％乙醇=100：90-100：8-10：100-120进行囊芯配制，将得到的混合物投入挤出设备进行挤出抽细，挤出米线条状的囊芯材料，将米线条状囊芯材料倒入滚圆设备中的滚筒，滚出囊芯微粒，囊芯微粒在30-40℃强制通风的条件下，进行干燥处理，制得囊芯；

(2)囊壁制备：按原料质量配比：囊壁材料／溶剂=100：600-1200配制包衣液，将雾化的包衣液喷到步骤(1)得到的囊芯上，并每隔5-10分钟加入1-2g滑石粉，在干燥温度30-40℃强制通风的条件下干燥10-20分钟，然后自然降温、晾干，得到微胶囊。

本发明的实施例一种具有化学触发功能的化学自修复混凝土样品的制备方法，包括以下步骤：

1)称取足量的水，加入适当比例的上述具有对外界离子敏感的化学触发功能的微胶囊，搅拌直至分散均匀；

2)把水倒入水泥搅拌器中，加入相应质量水泥；

3)对水泥浆进行先慢后快搅拌；

4)振捣混凝土后，逐步或分步浇灌工件；

5)静置1-2小时候起模，刮除模具上溢出的混凝土浆体，放置21-26小时；

6)拆模后将样品转入混凝土标准养护箱，养护25-31天。

下面结合具体实施方案做进一步的说明：

实施例1：制备单氟磷酸钠／乙基纤维素微胶囊：

步骤一，囊芯制备：表1为要制备的单氟磷酸钠／乙基纤维素微胶囊囊芯的原料质量配比。

表1囊芯原料质量配比：

配方编号	单氟磷酸钠	微晶纤维素	吐温80	30％乙醇
					1	100	90	8	100
2	100	90	10	110
					3	100	95	9	110
4	100	95	10	115
					5	100	100	10	120

微胶囊的囊芯组分缓蚀剂选为单氟磷酸钠，按上述五种囊芯配方原材料质量配合比，将得到的混合物投入挤出设备进行挤出抽细，挤出米线条状的囊芯材料，将米线条状囊芯材料倒入滚圆设备中的滚筒，滚出囊芯微粒，囊芯微粒在30-40℃强制通风的条件下，进行干燥处理，制得囊芯。

步骤二，囊壁制备：表2为囊壁制备时包衣液质量配比。

表2包衣液质量配比：

配方编号	乙基纤维素	30％乙醇	甲苯
				1	100	150	850
2	100	200	800
				3	100	200	1000
4	100	300	900
				5	100	240	960

按囊壁材料与溶剂一定比例，，选择乙基纤维素作为囊壁材料，以30％乙醇和甲苯的混合物作为溶剂，按上述囊壁五种配方原料质量配比配制包衣液，将雾化的乙基纤维素喷到步骤1)得到的囊芯上，并每隔5-10分钟加入1-2g滑石粉，在干燥温度30-40℃强制通风的条件下干燥10-20分钟，然后自然降温、晾干，得到微胶囊。

实施例2：制备单氟磷酸钠／聚苯乙烯微胶囊：

步骤一，囊芯制备：表3为要制备的单氟磷酸钠／聚苯乙烯微胶囊囊芯的原料质量配比。

表3囊芯原料质量配比：

配方编号	单氟磷酸钠	微晶纤维素	吐温80	30％乙醇
					1	100	90	8	100
2	100	90	10	110
					3	100	95	9	110
4	100	95	10	115
					5	100	100	10	120

微胶囊的囊芯组分缓蚀剂选为单氟磷酸钠，按上述五种囊芯配方原材料质量配合比，将得到的混合物投入挤出设备进行挤出抽细，挤出米线条状的囊芯材料，将米线条状囊芯材料倒入滚圆设备中的滚筒，滚出囊芯微粒，囊芯微粒在30-40℃强制通风的条件下，进行干燥处理，制得囊芯。

步骤二，囊壁制备：表4为囊壁制备时包衣液质量配比。

表4包衣液质量配比：

配方编号	聚苯乙烯	三氯甲烷
			1	100	900
2	100	1000
			3	100	1200
4	100	1400
			5	100	1600

按囊壁材料与溶剂一定比例，选择聚苯乙烯作为囊壁材料，以三氯甲烷作为溶剂，按上述囊壁五种配方原料质量配比配制包衣液，将雾化的聚苯乙烯喷到步骤1)得到的囊芯上，并每隔5-10分钟加入1-2g滑石粉，在干燥温度30-40℃强制通风的条件下干燥10-20分钟，然后自然降温、晾干，得到微胶囊。

实施例3：选择实施例1制备的单氟磷酸钠／乙基纤维素微胶囊，制备一种具有化学触发功能的化学自修复混凝土样品：包括以下步骤：

1)称取0.4千克水，加入30克单氟磷酸钠／乙基纤维素微胶囊，搅拌直至分散均匀；

2)把水倒入水泥搅拌器中，加入1千克水泥；

3)对水泥浆进行先慢后快搅拌；

4)振捣混凝土后，逐步或分步浇灌工件；

5)静置1-2小时候起模，刮除模具上溢出的混凝土浆体，放置21-26小时；

6)拆模后将样品转入混凝土标准养护箱，养护25-31天。

实施例4：选择实施例1制备的单氟磷酸钠／乙基纤维素微胶囊，制备一种具有化学触发功能的化学自修复混凝土样品：包括以下步骤：

1)称取0.4千克水，加入50克单氟磷酸钠／乙基纤维素微胶囊，搅拌直至分散均匀；

2)把水倒入水泥搅拌器中，加入1千克水泥；

3)对水泥浆进行先慢后快搅拌；

4)振捣混凝土后，逐步或分步浇灌工件；

5)静置1-2小时候起模，刮除模具上溢出的混凝土浆体，放置21-26小时；

6)拆模后将样品转入混凝土标准养护箱，养护25-31天。

实施例5：选择实施例2制备的单氟磷酸钠／聚苯乙烯微胶囊，制备一种具有化学触发功能的化学自修复混凝土样品：包括以下步骤：

1)称取0.4千克水，加入50克单氟磷酸钠／聚苯乙烯微胶囊，搅拌直至分散均匀；

2)把水倒入水泥搅拌器中，加入1千克水泥；

3)对水泥浆进行先慢后快搅拌；

4)振捣混凝土后，逐步或分步浇灌工件；

5)静置1-2小时候起模，刮除模具上溢出的混凝土浆体，放置21-26小时

6)拆模后将样品转入混凝土标准养护箱，养护25-31天。

实施例6：选择实施例2制备的单氟磷酸钠／聚苯乙烯微胶囊，制备一种具有化学触发功能的化学自修复混凝土样品：包括以下步骤：

1)称取0.4千克水，加入80克单氟磷酸钠／聚苯乙烯微胶囊，搅拌直至分散均匀；

2)把水倒入水泥搅拌器中，加入1千克水泥；

3)对水泥浆进行先慢后快搅拌；

4)振捣混凝土后，逐步或分步浇灌工件；

5)静置1-2小时候起模，刮除模具上溢出的混凝土浆体，放置21-26小时

6)拆模后将样品转入混凝土标准养护箱，养护25-31天。

以实施例2制备得到的单氟磷酸钠／聚苯乙烯微胶囊进行微胶囊性能评估试验：

1.不同ph值下，PH值分别为13，11，9，7的四种环境下，分别加入20g上述微胶囊，在不同时间观测微胶囊囊芯释放量。图2是不同PH条件下的化学触发微胶囊的扫描电镜照片，图2(a)、图2(b)、图2(c)和图2(d)分别对应PH=13、PH=11、PH=9和PH=7下微胶囊的扫描电镜照片。实验结果表明：1)同一时间段内，随着PH值的降低，微胶囊囊芯释放量增加；2)同一PH值条件下，随着时间的延长微胶囊囊芯释放量增加。同时，图2的电镜扫描图印证了上述结果。该实验证明了本发明所述的化学出触发微胶囊缓蚀剂具有对PH值的改变而触发的功能。

2.微胶囊缓蚀剂对钢筋缓蚀性能评估

对掺入本发明的微胶囊的钢筋混凝土和未掺入微胶囊的钢筋混凝土在氯盐(质量分数3.5％的氯化钠溶液)环境下进行钢筋缓蚀性能评估试验，30天后，掺入微胶囊的钢筋未发生明显锈蚀，而对比样中钢筋已发生明显锈蚀；180天后，掺入微胶囊的钢筋仍未发生明显锈蚀。图3为钢筋锈蚀对比图，从图3的(1)可看出，未掺入微胶囊下，钢筋发生明显锈蚀，从图3的(2)可看出，掺入微胶囊下，钢筋未发生明显锈蚀。结果表明，化学微胶囊掺入混凝土中，具有良好的缓蚀效果，而且具有长期稳定的效果。

本发明的具有化学触发功能的化学自修复混凝土与传统自修复混凝土不同，化学自修复混凝土主要针对化学触发(有害离子侵蚀；比如碳酸根离子，氯离子，硫酸根离子等)引起的钢筋混凝土中混凝土性能衰退、钢筋锈蚀等问题，而设计的具有化学自修复功能的混凝土材料。一旦有有害离子入侵或PH降低，微胶囊自动触发，释放缓蚀剂，达到保护钢筋的目的。反之，当外界环境良好时，植入混凝土中的微胶囊可以长期稳定存在于基体中。与未掺入微胶囊的钢筋混凝土的优点在于可以长期有效的保护植入混凝土中的钢筋，保证钢筋混凝土结构的稳定性，延长其服役寿命。本发明使用的微胶囊制备工艺操作简单，容易实现，工业化批量化生产提供了条件。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有化学触发功能的化学自修复混凝土，其特征在于：在混凝土中掺入具有对外界离子敏感的化学触发功能的微胶囊，其混凝土质量配合比为：混凝土／微胶囊／水=100：1-10：15-50。

2.根据权利要求1所述的一种具有化学触发功能的化学自修复混凝土，其特征在于：所述的微胶囊为圆球或椭球形，粒径为400-900微米，包括囊芯和囊壁，壁厚为100-600微米，所述囊芯的核心组分为缓蚀剂；所述囊壁为对离子敏感的高分子有机材料制成。

3.根据权利要求2所述的一种具有化学触发功能的化学自修复混凝土，其特征在于：所述微胶囊的囊芯组分缓蚀剂为能够与所侵蚀的有害离子相互作用的亚硝酸盐或单氟磷酸钠；所述微胶囊的囊壁材料为对离子敏感的高分子有机材料，选自聚丙烯酸、聚苯乙烯或乙基纤维素。

4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的一种具有化学触发功能的化学自修复混凝土，其特征在于：所述微胶囊的制备方法按以下步骤进行：

(1)囊芯制备：按原料质量配比：缓蚀剂／微晶纤维素／吐温80／30％乙醇=100：90-100：8-10：100-120进行囊芯配制，将得到的混合物投入挤出设备进行挤出抽细，挤出米线条状的囊芯材料，将米线条状囊芯材料倒入滚圆设备中的滚筒，滚出囊芯微粒，囊芯微粒在30-40℃强制通风的条件下，进行干燥处理，制得囊芯；

(2)囊壁制备：按原料质量配比：囊壁材料／溶剂=100：600-1200配制包衣液，将雾化的包衣液喷到步骤(1)得到的囊芯上，并每隔5-10分钟加入1-2g滑石粉，在干燥温度30-40℃强制通风的条件下干燥10-20分钟，然后自然降温、晾干，得到微胶囊。

5.一种如权利要求1-4所述具有化学触发功能的化学自修复混凝土样品的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)称取足量的水，加入适当比例的上述具有对外界离子或pH敏感的化学触发功能的微胶囊，搅拌直至分散均匀；

2)把水倒入水泥搅拌器中，加入相应质量水泥；

3)对水泥浆进行先慢后快搅拌；

4)振捣混凝土后，逐步或分步浇灌工件；

5)静置1-2小时候起模，刮除模具上溢出的混凝土浆体，放置21-26小时；

6)拆模后将样品转入混凝土标准养护箱，养护25-31天。

Images