CN107056117B - 一种混凝土抗裂增强自修复材料、制法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混凝土抗裂增强自修复材料、制法及应用,涉及建筑材料技术领域，按重量份计，原料包括以下组分：密实组分40‑60份，储水组分10‑30份，增塑组分10‑20份，络合组分2‑8份，调凝增强组分4‑20份。本发明具有提高基体抗裂性，能持续自行修复因各种原因所造成的混凝土硬化体内不大于0.4mm的微裂缝或微损伤，能促进裂缝修复后基体强度的继续增长。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，特别是涉及一种混凝土抗裂增强自修复材料、制法及应用。
背景技术
混凝土是当今世界上用量最大、用途最广的建筑材料，但其脆性本质使其抗裂性差，在施工或长期的使用过程中极易产生微裂缝。这些裂缝的存在及发展势必影响混凝土结构的使用性能，降低混凝土的耐久性和使用寿命。
采用修补材料对混凝土宏观裂缝进行修补的传统方法不仅增加了重复施工的次数，提高了成本(修复材料价格昂贵)，如若修复材料与混凝土相容性不好，裂缝处与修复材料之间也极易断裂，修复效果不佳。而在实际的混凝土工程结构中，许多微小裂纹发生在其结构内部，如果这些微观范围的损伤在发展成宏观裂缝之前，就能得到及时有效的修复，那么将大大降低后期修补或维修成本，提高结构的安全性和使用寿命。因此，能够主动感知并修复混凝土裂缝的自修复技术成为该领域的研究热点。
目前国内外研究采用添加微胶囊、中空玻璃纤维、微生物、形状记忆合金以及使用有机胶黏剂等措施作为修复载体的自修复材料，均存在掺入混凝土中不易搅拌、浇筑，增加了施工的难度，细菌在混凝土这样高碱度的环境中难以生存，而形状记忆又是相当昂贵的材料。因此，研发一种价格低廉、施工简便、可以持续修复混凝土裂缝并保证其强度继续增长的自修复材料是时代发展的需要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种混凝土抗裂增强自修复材料，解决混凝土结构容易开裂、开裂后修复以及修复后整体强度降低的问题，具有抗裂、自修复裂缝、裂缝修复后整体强度增强的特点。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种混凝土抗裂增强自修复材料，按重量份计，原料包括以下组分：密实组分40-60份，储水组分10-30份，增塑组分10-20份，络合组分2-8份，调凝增强组分4-20份。
优选地，所述密实组分为钙盐或钙的氧化物，选自硫铝酸钙、无水硫酸钙、氧化钙中一种或几种。
优选地，所述无水硫酸钙为工业级硬石膏；所述氧化钙为石灰石粉磨至比表面积200m2/kg后经900-1100℃煅烧得到的粉体，其中氧化钙和氧化镁的总含量大于98wt％。
优选地，所述储水组分选自膨润土、硅藻土或沸石粉中一种或几种，所述膨润土、硅藻土、沸石粉的细度为300-400目。
优选地，所述增塑组分为滑石粉，所述滑石粉细度为200-300目。
优选地，所述络合组分为有机钙盐，选自柠檬酸钙、已二酸钙或酒石酸钙中一种或几种，所述柠檬酸钙、已二酸钙、酒石酸钙均为分析纯。
优选地，所述调凝增强组分选自碳酸钠或碳酸氢钠中的一种或两种，所述碳酸钠、碳酸氢钠均为分析纯。
本发明提供所述的一种混凝土抗裂增强自修复材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：按所述比例称取各组分备用；
步骤2：将密实组分与储水组分混合，烘干，备用；
步骤3：将步骤2制备得到的混合物，与增塑组分、络合组分和调凝增强组分混合搅拌均匀，即得自修复材料。
本发明提供所述的一种混凝土抗裂增强自修复材料在混凝土中的应用。
优选地，所述混凝土抗裂增强自修复材料占混凝土中胶凝材料总质量的3-8％。
混凝土抗裂增强自修复材料中硫铝酸钙、无水硫酸钙、氧化钙等密实组分能迅速与水反应生成钙矾石及氢氧化钙等晶体，可以填充孔隙，密实结构，提高早期强度，而且可以补偿混凝土早期因温、湿度变化等引起收缩，抑制混凝土早期开裂。
混凝土抗裂增强自修复材料中的储水组分是含有铝硅酸盐的膨润土，硅藻土和沸石粉，这些物质具有较强的吸水性，在混凝土拌合过程中吸收大量水分。一方面可有效抑制浆体产生的体积收缩，抑制裂缝的生成；另一方面，为存储的膨胀物质水化提供水分，在基体开裂时可快速生成膨胀物质修复裂缝。此外，可以促进后期未水化水泥颗粒，提高修复能力及后期强度。
混凝土抗裂增强自修复材料中的增塑组分滑石粉，可以弥补储水材料吸水对混凝土拌合物流动性带来的不利影响，同时，提供大量的镁离子、硅酸根和碳酸根离子，有利于水化硅酸钙、碳酸钙以及Mg-Si键高强产物的生成，这些物质不仅可修复裂缝，而且能提高修复后基体的整体强度。
混凝土抗裂增强自修复材料中能循环利用的络合组分是有机钙盐，当有裂缝产生外界水分渗入混凝土内部时，钙盐形成的络合物在浓度差和化学势的作用下极易在水泥浆体中渗透，随着水分迁移，提高了裂缝处的钙离子浓度，由于硅酸钙的溶度积小于钙盐络合物的溶度积，游离的硅酸根将会置换络合物中的Ca2+，在裂缝中生成更加稳定的水化硅酸钙沉淀起到修复作用；而置换出来的络合根离子继续在浆体中游走与Ca2+结合并向裂缝处迁移，直至裂缝修复完全。
混凝土抗裂增强自修复材料中的调凝增强组分主要是碳酸钠和碳酸氢钠，这些组分不仅可有效调节、改善浆体结构的发展，而且能提供碳酸根离子生成高强的碳酸钙晶体，填充、修复裂缝，提高基体强度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)所述混凝土抗裂增强自修复材料，不需要掺加纤维材料，克服了纤维不易分散、施工不便的问题；(2)在不降低混凝土早期强度的前提下，降低了水泥的水化程度，因而后期可以产生自修复作用的未水化水泥颗粒增多；(3)密实组分与储水组分的复合作用，使混凝土在早期和硬化以后均能产生有效微膨胀，不仅能提高基体的抗裂性，而且可及时持续修复基体中出现的微裂缝或微损伤；(4)络合组分和调凝增强组分的复合作用，可有效调节、改善浆体结构的发展，通过络合沉淀及碳化结晶作用生成胶凝强、强度高的物质，不仅可有效填满、修复裂缝，而且能提高基体的整体强度；(5)自修复材料组分简单，成本低廉，绿色环保，能持续自行修复因各种原因所造成的混凝土硬化体内不大于0.4mm的微裂缝或微损伤，且修复速度快，修复效果佳。
附图说明
图1是本实施例1制备的混凝土的X射线衍射图谱；
图2是本实施例1制备的混凝土的扫描电子显微镜图片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例提供一种混凝土抗裂增强自修复材料，按重量份计，原料包括以下组分：硫铝酸钙40份，氧化钙10份，膨润土20份，滑石粉10份，柠檬酸钙3份，已二酸钙2份，碳酸钠15份。
本实施例中所述混凝土抗裂增强自修复材料的制备方法包括：
步骤1：按所述比例称取各组分备用；
步骤2：将密实组分与储水组分混合，烘干，备用；
步骤3：将步骤2制备得到的混合物，与增塑组分、络合组分和调凝增强组分混合搅拌均匀，即得自修复材料。
实施例2
本实施例提供一种混凝土抗裂增强自修复材料，按重量份计，原料包括以下组分：硫铝酸钙45份，氧化钙10份，硅藻土10份，沸石粉5份，滑石粉10份，柠檬酸钙5份，碳酸氢钠15份。
本实施例中所述混凝土抗裂增强自修复材料的制备方法同实施例1所述，不再赘述。
实施例3
本实施例提供一种混凝土抗裂增强自修复材料，按重量份计，原料包括以下组分：硫铝酸钙40份，氧化钙5份，膨润土15份，硅藻土10份，沸石粉5份，滑石粉15份，柠檬酸钙2份，碳酸钠8份。
本实施例中所述混凝土抗裂增强自修复材料的制备方法同实施例1所述，不再赘述。
实施例4
本实施例提供一种混凝土抗裂增强自修复材料，按重量份计，原料包括以下组分：硫铝酸钙35份，氧化钙5份，膨润土15份，沸石粉10份，滑石粉10份，柠檬酸钙5份，碳酸钠20份。
本实施例中所述混凝土抗裂增强自修复材料的制备方法同实施例1所述，不再赘述。
实施例5
本实施例提供一种混凝土抗裂增强自修复材料，按重量份计，原料包括以下组分：硫铝酸钙40份，氧化钙9份，膨润土10份，滑石粉15份，柠檬酸钙4份，酒石酸钙4份，碳酸钠18份。
本实施例中所述混凝土抗裂增强自修复材料的制备方法同实施例1所述，不再赘述。
实施例6
本实施例提供一种混凝土抗裂增强自修复材料，按重量份计，原料包括以下组分：硫铝酸钙50份，氧化钙5份，膨润土10份，沸石粉5份，滑石粉15份，柠檬酸钙2份，酒石酸钙3份，碳酸钠10份。
本实施例中所述混凝土抗裂增强自修复材料的制备方法同实施例1所述，不再赘述。
实施例7
本实施例提供一种混凝土抗裂增强自修复材料，按重量份计，原料包括以下组分：硫铝酸钙50份，氧化钙10份，膨润土14份，沸石粉10份，滑石粉10份，柠檬酸钙1份，酒石酸钙1份，碳酸钠4份。
本实施例中所述混凝土抗裂增强自修复材料的制备方法同实施例1所述，不再赘述。
本发明提供所述的一种混凝土抗裂增强自修复材料在混凝土中的应用，将所述实施例1-7制备的自修复材料和空白对照组分别制备混凝土，混凝土中各组分的添加量配合比如表1所示，其中水泥、粉煤灰、砂、石子、水、减水剂的配比为kg/m3，自修复材料的添加量为胶凝材料总质量的3％,现有混凝土中胶凝材料为水泥、粉煤灰、矿粉中一种或几种。
表1实施例制备的自修复材料与空白对照组分别制备的混凝土中各组分含量
| 自修复材料 | 水泥 | 粉煤灰 | 砂子 | 石子 | 水 | 减水剂 | |
| 空白组 | 0 | 315 | 105 | 765 | 1060 | 151 | 4.32 |
| 实施例1 | 12.6 | 315 | 105 | 765 | 1060 | 151 | 4.35 |
| 实施例2 | 12.6 | 315 | 105 | 765 | 1060 | 151 | 4.37 |
| 实施例3 | 12.6 | 315 | 105 | 765 | 1060 | 151 | 4.39 |
| 实施例4 | 12.6 | 315 | 105 | 765 | 1060 | 151 | 4.34 |
| 实施例5 | 12.6 | 315 | 105 | 765 | 1060 | 151 | 4.38 |
| 实施例6 | 12.6 | 315 | 105 | 765 | 1060 | 151 | 4.37 |
| 实施例7 | 12.6 | 315 | 105 | 765 | 1060 | 151 | 4.30 |
对实施例1-7制备得到的混凝土的抗渗，力学性能及裂缝修复后力学性能进行测试，并与空白对照组进行对比。所述混凝土力学性能测试实验参照GB/T50081-2002混凝土力学性能试验方法标准，耐久性测试参考GB/T50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准。测试结果见表2。表2中7+7d，28+28d是指标准养护7d和28d的混凝土试件预制裂缝后重新养护至相应龄期的二次抗压强度。
表2实施例1-7与空白对照组制备得到的混凝土的性能检测结果
由表2检测结果可以得出，上述混凝土抗裂增强自修复材料与空白对照组制备的混凝土相比，7d抗压强度提高了8.07％～16.49％，28d的抗压强度提高了12.56％～17.49％，抗渗能力增强，混凝土试件预制裂缝后重新养护至相应龄期的二次抗压强度大幅度提高，且比修复前混凝土整体强度增强。
将实施例1中所制备混凝土从裂缝处劈开，将裂缝处的物质取出后进行XRD物相分析和SEM形貌测试，XRD和SEM的测试结果分别如图1和图2所示。
由图1可见，XRD图谱中出现了二氧化硅(SiO2)、氢氧化钙(Ca(OH)2)、碳酸钙(CaCO3)、水化硅酸钙(C-S-H)、水化石榴石(C3ASH3)和钙矾石(AFt)的特征衍射峰(其中SiO2是由裂缝中的砂子造成的)，表明裂缝中生成了大量Ca(OH)2、CaCO3、C-S-H、C3ASH3和AFt等物质。
由图2可见，裂缝生成了大量片状、针状、球状以及絮状物质，说明修复材料在裂缝处促进了片状氢Ca(OH)2、针状AFt、球状CaCO3晶体以及絮状C-S-H凝胶体、微晶的生成，这与XRD的分析结果是一致的。这些晶体、微晶以及凝胶体不仅填满、修复了裂缝，相互交织，而且这些物质与裂缝处混凝土基体也很好胶结在一起，提高了混凝土基体的整体强度。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种混凝土抗裂增强自修复材料，其特征在于：按重量份计，原料包括以下组分：密实组分40-60份，储水组分10-30份，增塑组分10-20份，络合组分2-8份，调凝增强组分4-20份；经均匀混合制成的，所述络合组分为有机钙盐，选自柠檬酸钙、已二酸钙或酒石酸钙中一种或几种，所述增塑组分为滑石粉。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土抗裂增强自修复材料，其特征在于所述密实组分为钙盐或钙的氧化物，选自硫铝酸钙、无水硫酸钙、氧化钙中一种或几种。
3.根据权利要求2所述的一种混凝土抗裂增强自修复材料，其特征在于所述无水硫酸钙为工业级硬石膏；所述氧化钙为石灰石粉磨至比表面积200m2/kg后经900-1100℃煅烧得到的粉体，其中氧化钙和氧化镁的总含量大于98wt％。
4.根据权利要求1所述的一种混凝土抗裂增强自修复材料，其特征在于所述储水组分选自膨润土、硅藻土或沸石粉中一种或几种，所述膨润土、硅藻土、沸石粉的细度为300-400目。
5.根据权利要求1所述的一种混凝土抗裂增强自修复材料，其特征在于所述滑石粉细度为200-300目。
6.根据权利要求1所述的一种混凝土抗裂增强自修复材料，其特征在于所述柠檬酸钙、已二酸钙、酒石酸钙均为分析纯。
7.根据权利要求1所述的一种混凝土抗裂增强自修复材料，其特征在于所述调凝增强组分选自碳酸钠或碳酸氢钠中的一种或两种，所述碳酸钠、碳酸氢钠均为分析纯。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种混凝土抗裂增强自修复材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：按所述比例称取各组分备用；
步骤2：将密实组分与储水组分混合，烘干，备用；
步骤3：将步骤2制备得到的混合物，与增塑组分、络合组分和调凝增强组分混合搅拌均匀，即得自修复材料。
9.如权利要求1-7中任一项所述的混凝土抗裂增强自修复材料在混凝土中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于所述混凝土抗裂增强自修复材料占混凝土中胶凝材料总质量的3-8％。
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