CN107963855B - 一种超高强高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种超高强高性能混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超高强高性能混凝土及其制备方法，该种混凝土包含硅酸盐水泥500‑800份，硅灰200‑300份，超细粉煤灰200‑300份，水150‑300份，聚羧酸减水剂10‑30份，细河砂1000‑1500份，超细镀铜钢纤维150‑250份，微胶囊20‑100份，830固化剂15‑60份。

Description

一种超高强高性能混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑工程材料领域，具体涉及一种超高强高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的发展，混凝土的强度等级一直在不断地提高，高强和超高强混凝土已经成功地应用于结构工程中。UHPC(Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC)是一种超高强高性能混凝土，其具有较高的抗压强度、抗折强度，和较好的抗碳化、抗冻融、抗侵蚀、抗渗能力。由于UHPC混凝土具有诸多其它强度混凝土不具备的优点，其已经成功用于许多重大工程。然而，在UHPC使用过程中，由于载荷、环境侵蚀等多种因素的作用，UHPC结构会出现微开裂或局部损伤，这将影响其力学性能和耐久性能，进而影响其正常使用及服役寿命。而更换UHPC结构的工作量大、程序复杂，造成资源能源浪费，并且势必影响生产进程和日常生活。因此，UHPC修补技术的发展势在必行。
目前，本领域可采用的修复技术包含传统的事后修复，该方式主要针对肉眼可见裂缝部位，但是难以实现对混凝土内部可能存在的、影响其强度及耐久性的微裂缝进行实时全方位修复，因此，传统的事后修复方式已不能满足当前UHPC结构修补的要求。
除传统的事后修复外，本领域还认为UHPC本身具有一定的自修复能力，即UHPC中未水化的胶凝材料颗粒因开裂受损而暴露出来，水分通过裂缝进入混凝土内部与胶凝材料发生水化反应，因此UHPC具备自修复能力。但是这种自修复能力存在两个缺陷：一是因为水泥水化形成足够强度需要较长的时间，UHPC不能够在短时间内具备修复能力；二是UHPC内部受损而没有足够的水分时，自修复能力受到极大的限制。
此外，虽然本领域还公开了许多与UHPC相关的专利，如中国专利CN101560082B公开了一种超高强活性粉末混凝土及其制造方法、中国专利CN104692740B公开了一种废弃混凝土粉体制备的活性粉末混凝土、中国专利申请CN101050090A公开了一种钢渣粉活性粉末混凝土等，但是这些发明专利/专利申请的技术方案并没有专门考虑UHPC在受损开裂情况下的自修复性能。
最后，由于UHPC水胶比极小且强度超高，因此，如何在保持UHPC混凝土自身优势的同时，通过调整UHPC混凝土的配方来赋予其自修复功能是非常困难的。这不仅需要通过大量实验来确定微胶囊在UHPC中的合理掺量及尺寸，以实现UHPC拌合时的最佳流动性，并且实现在对UHPC强度影响最小的情况下同时获得良好的自修复效果；还需要通过大量实验来确定固化剂种类及掺量，以实现快速修复并达到所需强度，且长时间不变质。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种超高强高性能混凝土及其制备方法。
因此，本发明的一个目的是提供一种超高强高性能混凝土。
本发明的另一个目的是提供制备上述超高强高性能混凝土的方法。
实现本发明目的的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种超高强高性能混凝土，该混凝土由如下重量份数的原料制成：
硅酸盐水泥450-850份，硅灰150-350份，超细粉煤灰150-350份，水145-320份，聚羧酸减水剂5-35份，细河砂950-1600份，超细镀铜钢纤维145-255份，微胶囊15-120份，固化剂9-70份。
优选地，在上述混凝土中，以重量份计，所述硅酸盐水泥为500-800份，更优选为550份；
优选地，在上述混凝土中，以重量份计，所述硅灰为200-300份，更优选为200份；
优选地，在上述混凝土中，以重量份计，所述超细粉煤灰为200-300份，更优选为250份；
优选地，在上述混凝土中，以重量份计，所述水为150-300份，更优选为200份；
优选地，在上述混凝土中，以重量份计，所述聚羧酸减水剂为10-30份，更优选为15份；
优选地，在上述混凝土中，以重量份计，所述细河砂为1000-1500份，更优选为1100份；
优选地，在上述混凝土中，以重量份计，所述超细镀铜钢纤维为150-250份，更优选为160份；
优选地，在上述混凝土中，以重量份计，所述微胶囊为20-100份，更优选为50份；
优选地，在上述混凝土中，以重量份计，所述固化剂为15-60份，更优选为30份；
优选地，在上述混凝土中，所述硅酸盐水泥为P·Ⅱ硅酸盐水泥；更优选地，所述硅酸盐水泥为P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥；
优选地，在上述混凝土中，所述硅灰为普通硅灰；更优选地，所述硅灰为45μm方孔筛筛余率≤3％，二氧化硅含量＞95％，比表面积为18-20m2/g的硅灰；
优选地，在上述混凝土中，所述超细粉煤灰选自普通超细粉煤灰；更优选地，所述超细粉煤灰为45μm方孔筛筛余率≤5％的超细粉煤灰；
优选地，在上述混凝土中，所述聚羧酸减水剂选自聚羧酸高效减水剂；更优选地，所述聚羧酸减水剂为保塌型聚羧酸减水剂，最优选为保塌型聚羧酸高效减水剂；
优选地，在上述混凝土中，所述细河砂选自普通河砂；更优选地，所述细河砂为最大粒径≤1mm的天然河沙；
优选地，在上述混凝土中，所述超细镀铜钢纤维的长度为10mm-20mm，直径为0.1mm-0.2mm；更优选地，所述超细镀铜钢纤维的长度为10mm-15mm，直径为0.15mm-0.2mm；
优选地，在上述混凝土中，所述微胶囊由脲甲醛预聚体与乳化后的E51环氧树脂制备；其中乳化后的E51环氧树脂与脲甲醛预聚体的重量比例为1:1～1.2:1；
优选地，在上述混凝土中，所述微胶囊的直径小于100μm，更优选地为40μm-80μm，最优选地为50μm；
优选地，所述脲甲醛预聚体为甲醛与尿素在一定试验条件下制得；
优选地，所述脲甲醛预聚体通过以下方法制备：将甲醛和尿素以质量比为3:4～3:5的比例混合加入到三口烧瓶中，搅拌机以300～500r/min搅拌5～8min，然后采用三乙醇胺调节混合液pH值到7-9，最后将三口烧瓶放入65-80℃恒温水浴锅中以400-500r/min的速度继续搅拌60-70min形成脲甲醛预聚体。
优选地，所述乳化后的E51环氧树脂通过以下方法乳化：E51环氧树脂与BGE稀释剂以质量比为4:1～6:1均匀混合后制得。
优选地，所述微胶囊由以下方法制备：采用原位聚合法在乳化后的E51环氧树脂与脲甲醛预聚体质量比为1:1～1.2:1、合成反应时间为2～3小时、合成pH值为3～4条件下合成微胶囊；优选地，所述乳化后的E51环氧树脂与脲甲醛预聚体质量比为1:1，所述合成反应时间为2小时，所述合成pH值为3。
优选地，在上述混凝土中，所述固化剂选自胺类固化剂；更优选地，所述固化剂为830固化剂；进一步优选地，所述固化剂为其中含有30％-50％(重量)OP-10的830固化剂；最优选地，所述固化剂为其中含有40％(重量)OP-10的830固化剂。
优选地，在上述混凝土中，所述微胶囊的掺量为胶凝材料掺量的6％(质量分数)以下，优选5％(质量分数)。
优选地，在上述混凝土中，固化剂掺量为微胶囊掺量的60％(质量分数)。
另一方面，本发明提供一种制备上述超高强高性能混凝土的方法，所述方法包含如下步骤：
1)按照配方量分别称取硅酸盐水泥、硅灰、超细粉煤灰、水、聚羧酸减水剂、细河砂、超细镀铜钢纤维、微胶囊和固化剂；
2)将硅酸盐水泥、细河砂、硅灰、超细粉煤灰、固化剂倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌2-5分钟使之均匀；
3)向步骤2)得到的混合物中倒入微胶囊继续搅拌1-3分钟；
4)将聚羧酸减水剂和水混合好后倒入步骤3)得到的混合物中继续搅拌2-5分钟；
5)向步骤4)得到的混合物中倒入超细镀铜钢纤维搅拌继续搅拌2-5分钟；
6将步骤5)得到的混合物入模成型并放入标准养护室带模养护28天。
优选地，在步骤1)中，以重量份计，所述硅酸盐水泥为450-850份，优选为500-800份，更优选为550份；
所述硅灰为150-350份，优选为200-300份，更优选为200份；
所述超细粉煤灰为150-350份，优选为200-300份，更优选为250份；
所述水为145-320份，优选为150-300份，更优选为200份；
所述聚羧酸减水剂为5-35份，优选为10-30份，更优选为15份；
所述细河砂为950-1600份，优选为1000-1500份，更优选为1100份；
所述超细镀铜钢纤维为145-255份，优选为150-250份，更优选为160份；
所述微胶囊为15-120份，优选为20-100份，更优选为50份；
所述固化剂为9-70份，优选为15-60份，更优选为30份；
优选地，在步骤1)或2)中，所述硅酸盐水泥为P·Ⅱ硅酸盐水泥，更优选为P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥；
所述硅灰为普通硅灰；更优选地，所述硅灰为45μm方孔筛筛余率≤3％，二氧化硅含量＞95％，比表面积为18-20m2/g的硅灰；
所述超细粉煤灰选自普通超细粉煤灰；更优选地，所述超细粉煤灰为45μm方孔筛筛余率≤5％的超细粉煤灰；
所述细河砂选自普通河砂；更优选地，所述细河砂为最大粒径≤1mm的天然河沙；
所述固化剂选自胺类固化剂；更优选地，所述固化剂为830固化剂；进一步优选地，所述固化剂为其中含有30％-50％(重量)OP-10的830固化剂；最优选地，所述固化剂为其中含有40％(重量)OP-10的830固化剂。
优选地，在步骤1)或3)中，所述微胶囊的直径小于100μm，更优选地为40μm-80μm，最优选地为50μm
优选地，在步骤1)或4)中，所述聚羧酸减水剂选自聚羧酸高效减水剂；更优选地，所述聚羧酸减水剂为保塌型聚羧酸减水剂，最优选为保塌型聚羧酸高效减水剂；
优选地，在步骤1)或5)中，所述超细镀铜钢纤维的长度为10mm-20mm，直径为0.1mm-0.2mm；更优选地，所述超细镀铜钢纤维的长度为10mm-15mm，直径为0.15mm-0.2mm；
优选地，在上述制备方法还包含制备所述微胶囊的步骤，包括：
i)脲甲醛预聚体的制备：将甲醛和尿素以质量比为3:4～3:5的比例混合加入到三口烧瓶中，搅拌机以300～500r/min搅拌5～8min，然后采用三乙醇胺调节混合液pH值到7～9，最后将三口烧瓶放入65～80℃恒温水浴锅中以400～500r/min的速度继续搅拌60～70min形成脲甲醛预聚体；
ii)乳化E51环氧树脂的制备：E51环氧树脂与BGE稀释剂以质量比为4:1～6:1均匀混合后制得；
iii)微胶囊的制备：采用原位聚合法在乳化E51环氧树脂(步骤ii)制备)与脲甲醛预聚体(步骤i)制备)质量比为1:1～1.2:1、合成反应时间为2～3小时、合成pH值为3～4条件下合成微胶囊；优选地，所述乳化后的E51环氧树脂与脲甲醛预聚体质量比为1:1，所述合成反应时间为2小时，所述合成pH值为3。
在一个具体实施方案中，所述混凝土的制备方法如下：
1)按照配方量，分别称取硅酸盐水泥550份，硅灰200份，超细粉煤灰250份，聚羧酸减水剂15份，水200份，细河砂1100份，超细镀铜钢纤维160份，微胶囊50份，固化剂30份；
2)将硅酸盐水泥、细河砂、硅灰、超细粉煤灰、固化剂倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌3分钟使之均匀；
3)向步骤2)得到的混合物中倒入微胶囊继续搅拌1分钟
4)将聚羧酸减水剂和水混合好后倒入步骤3)得到的混合物中继续搅拌3分钟
5)向步骤4)得到的混合物中倒入超细镀铜钢纤维搅拌继续搅拌3分钟6)将步骤5)得到的混合物入模成型并放入标准养护室带模养护28天。
其中，在步骤1)或2)中，所述硅酸盐水泥为P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥；
所述硅灰为45μm方孔筛筛余率≤3％，二氧化硅含量＞95％，比表面积为18-20m2/g的硅灰；
所述超细粉煤灰为45μm方孔筛筛余率≤5％；
所述细河砂为最大粒径≤1mm的天然河沙；
所述固化剂为其中含有40％(重量)OP-10的830固化剂。其中，在步骤1)或3)中，所述微胶囊的直径为50μm；
其中，在步骤1)或4)中，所述聚羧酸减水剂为保塌型聚羧酸高效减水剂；
其中，在步骤1)或5)中，所述超细镀铜钢纤维的长度为10mm-15mm，直径为0.15mm-0.2mm；
其中所述微胶囊通过以下步骤制备：
i)脲甲醛预聚体的制备：将甲醛和尿素以质量比为3:4的比例混合加入到三口烧瓶中，搅拌机以300r/min搅拌5min，然后采用三乙醇胺调节混合液pH值到8，最后将三口烧瓶放入70℃恒温水浴锅中以400r/min的速度继续搅拌60min形成脲甲醛预聚体；
ii)乳化E51环氧树脂的制备：E51环氧树脂与BGE稀释剂以质量之比5:1均匀混合后制得；
iii)微胶囊的制备：采用原位聚合法在乳化E51环氧树脂(步骤ii)制备)与脲甲醛预聚体(步骤i)制备)质量比为1:1、合成反应时间为2小时、合成pH值为3条件下合成微胶囊；
在本发明的超高强高性能混凝土(UHPC)中掺入了微胶囊及固化剂，由此，即使UHPC内部没有充足的水分，也能够保证其受损开裂时在较短的时间内具备自修复的能力。
另外，当本发明的UHPC中掺入占胶凝材料(包括水泥、硅灰和煤灰)总质量5％的微胶囊及3％的固化剂时，UHPC的自修复能力明显提高，且未显著影响UHPC的力学性能。掺入特定乳化稀释剂(例如OP-10)后的固化剂粘度较小且易于分散，对UHPC拌合性能影响较小。微胶囊芯材的合理选用确保微胶囊破裂时能够及时流出与固化剂反应，从而达到修复UHPC的目的。830固化剂和微胶囊以质量之比3:5时使用时，固化反应速度快、粘结强度高，特别适合用于UHPC的修补加固。
最后，本发明首次成功将微胶囊掺加到UHPC中，研究开发了具备明显提高的自修复功能的UHPC，填补了国内相关产品的空白。本发明通过大量实验筛选了E51环氧树脂与脲甲醛预聚体合理配比，解决了配比不合理导致的微胶囊壁材较厚不易破裂或壁材太少无法有效、完全的包裹芯材而出现无法分散的问题；本发明还通过大量实验筛选了合适的微胶囊反应时间，从而解决了反应时间过短而导致的微胶囊合成反应没有完成，得不到有效的微胶囊成品；而反应时间过长则会出现微胶囊粘连等问题；本发明还通过大量实验筛选了制备微胶囊的合适pH值，从而得到适用于本发明的微胶囊成品。自修复微胶囊技术在UHPC领域的应用，能够有效提高混凝土材料的耐久性，延长UHPC制品和UHPC结构的使用寿命，弥补传统修复方法的不足，具有降低成本、节约资源能源等多方面意义。
附图说明
图1微胶囊掺量对超高强高性能混凝土抗压强度的影响；
图2固化剂用量与抗折强度关系图；
图3固化剂用量与修复率关系图；
图4微胶囊掺量与抗折强度关系图；
图5微胶囊掺量与修复率关系图；
图6微胶囊尺寸对混凝土抗压强度的影响；
图7BGE稀释剂掺量对E51环氧乳液粘度的影响；
图8乳化E51环氧树脂和脲甲醛预聚体的用量对微胶囊合成的影响，其中(a)表示乳化E51环氧树脂和脲甲醛预聚体用量比为1.5:1时的结果，(b)表示乳化E51环氧树脂和脲甲醛预聚体用量比为1:1时的结果，(c)表示乳化E51环氧树脂和脲甲醛预聚体用量比为0.5:1时的结果；
图9不同反应时间对微胶囊的影响，其中(a)为合成反应时间为0小时的结果，(b)为合成反应时间为1小时的结果，(c)为合成反应时间为2小时的结果；
图10不同反应pH值对微胶囊的影响，图10(a)、(b)为pH为5时的结果，其中图10(b)为微观图；图10(c)为pH为2.5时的结果；图10(d)为pH为3时的结果。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
在以下实施例中，如无特别说明，P·II52.5硅酸盐水泥购自南京小野田水泥厂；硅灰购自山东博肯硅材料有限公司，其二氧化硅大于95％，45μm方孔筛筛余率≤3％比表面积为20m2/g；超细粉煤灰由苏州望亭产一级粉煤灰研磨过45μm筛得到，45μm方孔筛筛余率≤5％；水为普通自来水；聚羧酸减水剂购自南京苏博特新材料有限公司，为保塌型聚羧酸高效减水剂；细河砂为普通河砂，所述细河砂为最大粒径≤1mm；超细镀铜钢纤维购自武汉恒驰达新材料有限公司，所述超细镀铜钢纤维的长度为12mm，直径为0.15mm；830固化剂购自山东滨州友泰化工有限公司，其中含有40％(重量)的OP-10；微胶囊通过以下步骤制备：
i)脲甲醛预聚体的制备：将甲醛和尿素以质量比为3:4的比例混合加入到三口烧瓶中，搅拌机以300r/min搅拌5min，然后采用三乙醇胺调节混合液pH值到8，最后将三口烧瓶放入70℃恒温水浴锅中以400r/min的速度继续搅拌60min形成脲甲醛预聚体；
ii)乳化E51环氧树脂的制备：E51环氧树脂与BGE稀释剂以质量之比5:1均匀混合后制得；
iii)微胶囊的制备：采用原位聚合法在乳化E51环氧树脂(步骤ii)制备)与脲甲醛预聚体(步骤i)制备)质量比为1:1、合成反应时间为2小时、合成pH值为3条件下合成微胶囊。
实施例1本发明的混凝土
一种具有自修复功能的超高强高性能混凝土，该混凝土是由如下原料混合组成，所述的混合物中，各组份含量以质量份数计分别为：PⅡ52.5硅酸盐水泥550份，硅灰200份，超细粉煤灰250份，水200份，聚羧酸减水剂10份，细河砂1100份，超细镀铜钢纤维160份，微胶囊40份，830固化剂24份。
其制备方法是：将上述各组分按比例准备好，首先将P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥、细河砂、硅灰、超细粉煤灰、830固化剂倒入搅拌机中搅拌3分钟左右使之均匀，然后倒入微胶囊搅拌1分钟，再将聚羧酸减水剂和水混合好后倒入搅拌3分钟，最后倒入钢纤维搅拌3分钟。搅拌混合好的混合物倒入尺寸为40mm×40mm×160mm钢模成型后放入标准养护室带模养护28天。
实施例2本发明的混凝土
一种具有自修复功能的超高强高性能混凝土，该混凝土是由如下原料混合组成，所述的混合物中，各组份含量以质量份数计分别为：PⅡ52.5硅酸盐水泥550份，硅灰200份，超细粉煤灰250份，水200份，聚羧酸减水剂15份，细河砂1100份，超细镀铜钢纤维160份，微胶囊50份，830固化剂30份。
其制备方法是：将上述各组分按比例准备好，首先将P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥、细河砂、硅灰、超细粉煤灰、830固化剂倒入搅拌机中搅拌3分钟左右使之均匀，然后倒入微胶囊搅拌1分钟，再将聚羧酸减水剂和水混合好后倒入搅拌3分钟，最后倒入钢纤维搅拌3分钟。搅拌混合好的混合物倒入尺寸为40mm×40mm×160mm钢模成型后放入标准养护室带模养护28天。
实施例3本发明的混凝土
一种具有自修复功能的超高强高性能混凝土，该混凝土是由如下原料混合组成，所述的混合物中，各组份含量以质量份数计分别为：PⅡ52.5硅酸盐水泥550份，硅灰200份，超细粉煤灰250份，水200份，聚羧酸减水剂10份，细河砂1100份，超细镀铜钢纤维160份，微胶囊60份，830固化剂36份。
其制备方法是：将上述各组分按比例准备好，首先将P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥、细河砂、硅灰、超细粉煤灰、830固化剂倒入搅拌机中搅拌3分钟左右使之均匀，然后倒入微胶囊搅拌1分钟，再将聚羧酸减水剂和水混合好后倒入搅拌3分钟，最后倒入钢纤维搅拌3分钟。搅拌混合好的混合物倒入尺寸为40mm×40mm×160mm钢模成型后放入标准养护室带模养护28天。
实施例4本发明的混凝土
一种具有自修复功能的超高强高性能混凝土，该混凝土是由如下原料混合组成，所述的混合物中，各组份含量以质量份数计分别为：PⅡ52.5硅酸盐水泥600份，硅灰200份，超细粉煤灰200份，水200份，聚羧酸减水剂12份，细河砂1100份，超细镀铜钢纤维160份，微胶囊50份，830固化剂30份。
其制备方法是：将上述各组分按比例准备好，首先将P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥、细河砂、硅灰、超细粉煤灰、830固化剂倒入搅拌机中搅拌3分钟左右使之均匀，然后倒入微胶囊搅拌1分钟，再将聚羧酸减水剂和水混合好后倒入搅拌3分钟，最后倒入钢纤维搅拌3分钟。搅拌混合好的混合物倒入尺寸为40mm×40mm×160mm钢模成型后放入标准养护室带模养护28天。
实施例5本发明的混凝土
一种具有自修复功能的超高强高性能混凝土，该混凝土是由如下原料混合组成，所述的混合物中，各组份含量以质量份数计分别为：PⅡ52.5硅酸盐水泥550份，硅灰200份，超细粉煤灰250份，水220份，聚羧酸减水剂10份，细河砂1100份，超细镀铜钢纤维160份，微胶囊50份，830固化剂30份。
其制备方法是：将上述各组分按比例准备好，首先将P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥、细河砂、硅灰、超细粉煤灰、830固化剂倒入搅拌机中搅拌3分钟左右使之均匀，然后倒入微胶囊搅拌1分钟，再将聚羧酸减水剂和水混合好后倒入搅拌3分钟，最后倒入钢纤维搅拌3分钟。搅拌混合好的混合物倒入尺寸为40mm×40mm×160mm钢模成型后放入标准养护室带模养护28天。
实施例6本发明的混凝土的自修复功能检测
将实施例1-5制备的超高强高性能混凝土试件标准养护满28天后，检测各试件的抗折强度和抗压强度，然后将试件预压受损(预压值为抗压强度的60％)并检测各试件预压受损后的抗折强度(S)，然后将受损后的试件50℃蒸汽养护3天后检测修复后抗折强度(F)。实施例1～实施例5的检测结果见下表：
Figure BDA0001482709000000121
由此可知，本发明制备的具有自修复功能的超高强高性能混凝土在掺入微胶囊和固化剂后，其抗折强度及抗压强度有轻微下降。预压受损(预压值为抗压强度的60％)的超高强高性能混凝土具备自修复能力，修复后的抗折强度略低于受损前的抗折强度，修复率在约6％-16％。
实施例7微胶囊掺量对强度的影响试验
设计超高强混凝土配合比为：以质量份数计，PⅡ52.5硅酸盐水泥530份，硅灰220份，超细粉煤灰250份，水210份，聚羧酸减水剂10份，细河砂1100份，超细镀铜钢纤维160份。微胶囊的掺量分别为胶凝材料掺量的0，2％，4％，6％，8％(质量分数)，固化剂掺量为微胶囊掺量的50％(质量分数)(固化剂已经过乳化分散处理)。
其制备方法是：将上述各组分按比例准备好，首先将P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥、细河砂、硅灰、超细粉煤灰、830固化剂倒入搅拌机中搅拌3分钟左右使之均匀，然后倒入微胶囊搅拌1分钟，再将聚羧酸减水剂和水混合好后倒入搅拌3分钟，最后倒入钢纤维搅拌3分钟。搅拌混合好的混合物倒入尺寸为40mm×40mm×160mm钢模成型后放入标准养护室带模养护28天。
不同微胶囊掺量条件下的UHPC抗压强度如图1所示。由图1可知当微胶囊的掺量大于6％时，混凝土28天抗压强度发生突变，此时混凝土28天抗压强度降低了11.8％。考虑到实验过程中其他因素对UHPC强度的影响，微胶囊的合理掺量不应大于6％。
实施例8固化剂掺量试验
为探明最佳固化剂掺量，设计超高强混凝土配合比为:以质量份数计，PⅡ52.5硅酸盐水泥550份，硅灰225份，超细粉煤灰225份，水200份，聚羧酸减水剂10份，细河砂1100份，超细镀铜钢纤维160份，微胶囊40份。固化剂掺量分别为微胶囊掺量的10％，20％，30％，40％，50％，60％，80％，100％(质量分数)。
其制备方法是：将上述各组分按比例准备好，首先将P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥、细河砂、硅灰、超细粉煤灰、830固化剂倒入搅拌机中搅拌3分钟左右使之均匀，然后倒入微胶囊搅拌1分钟，再将聚羧酸减水剂和水混合好后倒入搅拌3分钟，最后倒入钢纤维搅拌3分钟。搅拌混合好的混合物倒入尺寸为40mm×40mm×160mm钢模成型后放入标准养护室带模养护28天。
采用砂浆试件的三点抗折强度验证不同固化剂掺量对混凝土的修复效果的影响。
由图2可知，UHPC的三点抗折强度初始值为34.1MPa左右，经微胶囊修复后的抗折强度稍微下降，修复率达到12％左右(图3)。随着固化剂掺量逐渐增加，UHPC初始的抗折强度逐渐下降。由于固化剂掺量绝对值增加较小，因此对UHPC抗折强度影响较小。UHPC试件预压值为抗压强度的60％以后内部产生了微裂纹，微胶囊中的环氧树脂破裂流出后与固化剂发生固化反应，随着固化剂掺量的逐渐增加，试件的修复强度相应增加，当固化剂掺量达到微胶囊掺量的60％后，试件修复强度及修复率开始稳定。由此得出，固化剂的合理掺量为微胶囊掺量的60％。
实施例9微胶囊掺量对修复效果的影响试验
UHPC受损开裂后，微胶囊掺量对UHPC修复效果起重要作用。而微胶囊掺量对UHPC抗压强度的影响研究表明，微胶囊的最大掺量不应大于6％。为探明最佳掺量，设计超高强混凝土配合比为:以质量份数计，PⅡ52.5硅酸盐水泥550份，硅灰225份，超细粉煤灰225份，水210份，聚羧酸减水剂10份，细河砂1100份，超细镀铜钢纤维160份。微胶囊的掺量分别为胶凝材料掺量的0，1％，2％，3％，4％，5％，6％(质量分数)七种掺量，其中固化剂掺量为微胶囊掺量的60％(质量分数)(固化剂已经过乳化分散处理)。其制备方法是：将上述各组分按比例准备好，首先将P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥、细河砂、硅灰、超细粉煤灰、830固化剂倒入搅拌机中搅拌3分钟左右使之均匀，然后倒入微胶囊搅拌1分钟，再将聚羧酸减水剂和水混合好后倒入搅拌3分钟，最后倒入钢纤维搅拌3分钟。搅拌混合好的混合物倒入尺寸为40mm×40mm×160mm钢模成型后放入标准养护室带模养护28天。采用砂浆试件的三点抗折强度验证自修复微胶囊对UHPC的修复效果。
由图4可知，砂浆试件的三点抗折强度初始值为34.1MPa左右，经微胶囊修复后的抗折强度为33.5MPa左右，修复率最高为16％左右(图5)。随着微胶囊掺量的增加，UHPC的初始抗折强度明显降低。随着微胶囊掺量逐渐增加，UHPC受损时微胶囊中的环氧树脂流出与固化剂发生固化反应而形成强度，UHPC的抗折强度绝对值逐渐减小、修复率逐渐增加。微胶囊及固化剂的掺入能够明显修复UHPC的内部裂纹，达到部分恢复抗折强度的目的。
实施例10微胶囊尺寸对混凝土抗压强度的影响
设计超高强混凝土配合比为:以质量份数计，PⅡ52.5硅酸盐水泥500份，硅灰250份，超细粉煤灰250份，水200份，聚羧酸减水剂10份，细河砂1100份，超细镀铜钢纤维160份，微胶囊40份。固化剂掺量为微胶囊掺量的50％(质量分数)(固化剂已经过乳化分散处理)。设计微胶囊的尺寸分别为50μm、100μm、150μm、200μm。不同尺寸的微胶囊颗粒经过干燥处理后再次溶解于水中，通过不同尺寸的筛网并再次干燥处理后得到最大尺寸分别为50μm、100μm、150μm、200μm的微胶囊。
其制备方法是：将上述各组分按比例准备好，首先将P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥、细河砂、硅灰、超细粉煤灰、830固化剂倒入搅拌机中搅拌3分钟左右使之均匀，然后倒入微胶囊搅拌1分钟，再将聚羧酸减水剂和水混合好后倒入搅拌3分钟，最后倒入钢纤维搅拌3分钟。搅拌混合好的混合物倒入尺寸为40mm×40mm×160mm钢模成型后放入标准养护室带模养护28天。
不同微胶囊尺寸条件下的混凝土抗压强度如图6所示。由图6可知当微胶囊的尺寸大于100μm时，混凝土28天抗压强度发生突变，此时混凝土28天抗压强度降低了9.8％。而当微胶囊尺寸为50-100μm时，掺入微胶囊对混凝土28天抗压强度基本没有影响。考虑到实验过程中其他因素对混凝土强度的影响，微胶囊的合理尺寸应为40μm-80μm，在此条件下微胶囊掺入对混凝土抗压强度影响不大。
实施例11BGE稀释剂掺量对E51环氧乳液粘度的影响
微胶囊芯材由E51环氧乳液与BGE稀释剂组成。由于微胶囊破裂后需要芯材具备一定的流动性能，确保芯材能够流入裂缝内，起到修复作用。因此微胶囊芯材的流动性是一项重要的性能。下图7为稀释剂BGE掺量对芯材粘度的影响。由图7可知，当稀释剂BGE掺量为18％左右时，芯材的粘度变化较小，稳定在2000左右。因此选择BGE作为E51环氧乳液的稀释剂，掺量为E51环氧乳液的20％。
具体试验过程如下：称取E51环氧乳液200克，逐步在E51环氧乳液中加入BGE稀释剂，经充分均匀混合后通过电子粘度计测量混合液的粘度。其中BGE稀释剂逐步掺量为：0、3％、6％、9％、12％、15％、18％、21％、24％、30％、35％和40％(质量分数)。
实施例12乳化E51环氧树脂和脲甲醛预聚体用量对微胶囊合成的影响
按照以下步骤制备微胶囊：
i)脲甲醛预聚体(壁材)的制备：将甲醛和尿素以质量比为3:4的比例混合加入到三口烧瓶中，搅拌机以300r/min搅拌5min，然后采用三乙醇胺调节混合液pH值到8，最后将三口烧瓶放入70℃恒温水浴锅中以400r/min的速度继续搅拌60min形成脲甲醛预聚体；
ii)乳化E51环氧树脂(芯材)的制备：E51环氧树脂与BGE稀释剂以质量之比5:1均匀混合后制得；
iii)微胶囊的制备：采用原位聚合法在乳化E51环氧树脂(步骤ii)制备)与脲甲醛预聚体(步骤i)制备)质量比分别为1.5:1、1:1和0.5:1、合成反应时间为2小时、合成pH值为3条件下合成微胶囊；
将制备得到的微胶囊在电子显微镜下观察，结果如图8所示。
图8为不同芯材、壁材质量比条件下的微胶囊合成情况。由图8(a)可知当芯材与壁材质量比为1.5:1时，芯材较多而壁材不能够充分包裹，并且微胶囊产生了粘连、团聚效应，微胶囊无法分散。由图8(c)可知当芯材与壁材质量比为0.5:1时，壁材能够充分包裹芯材且有过量剩余，但由于微胶囊中的有效成分较少，相应的微胶囊的修复效果也较差。由图8(b)可知当芯材与壁材质量比为1:1时，芯材与壁材比例较为适合，壁材能够充分的包裹芯材且有少量剩余，微胶囊的有效成分较多且没有芯材剩余，因此最终合成的微胶囊分散性较好，因此本发明选用芯材与壁材质量之比1:1～1.2:1较为合适。
实施例13不同反应时间对微胶囊的影响
按照以下步骤制备微胶囊：
i)脲甲醛预聚体(壁材)的制备：将甲醛和尿素以质量比为3:4的比例混合加入到三口烧瓶中，搅拌机以300r/min搅拌5min，然后采用三乙醇胺调节混合液pH值到8，最后将三口烧瓶放入70℃恒温水浴锅中以400r/min的速度继续搅拌60min形成脲甲醛预聚体；
ii)乳化E51环氧树脂(芯材)的制备：E51环氧树脂与BGE稀释剂以质量之比5:1均匀混合后制得；
iii)微胶囊的制备：采用原位聚合法在乳化E51环氧树脂(步骤ii)制备)与脲甲醛预聚体(步骤i)制备)质量比为1:1、合成反应时间分别为0、1和2小时、合成pH值为3条件下合成微胶囊；
将制备得到的微胶囊在电子显微镜下观察，结果如图9所示。
图9为不同反应时间条件下微胶囊合成情况。由图9(a)可知，当合成反应时间为0小时时，芯材与壁材混合后尚没有开始反应前，芯材为透明状球体，颗粒大小不一，且部分芯材存在芯中有芯的情况。图9(b)为反应1小时左右微胶囊的合成情况，由图9(b)可知壁材已经在芯材表面逐渐生成，芯材颗粒越大，壁材的覆盖越缓慢。图9(c)为反应2小时左右微胶囊的合成情况，由图9(c)可知壁材已经在芯材表面全部生成，芯材得到壁材的充分覆盖，但是部分微胶囊壁材较薄，虽然有覆盖但是覆盖的厚度不够处于透明状态。因此认为微胶囊合成反应阶段的时间2-3小时较为合适。若反应时间过长则会显著影响合成效率。
实施例14不同反应pH值对微胶囊的影响
按照以下步骤制备微胶囊：
i)脲甲醛预聚体(壁材)的制备：将甲醛和尿素以质量比为3:4的比例混合加入到三口烧瓶中，搅拌机以300r/min搅拌5min，然后采用三乙醇胺调节混合液pH值到8，最后将三口烧瓶放入70℃恒温水浴锅中以400r/min的速度继续搅拌60min形成脲甲醛预聚体；
ii)乳化E51环氧树脂(芯材)的制备：E51环氧树脂与BGE稀释剂以质量之比5:1均匀混合后制得；
iii)微胶囊的制备：采用原位聚合法在乳化E51环氧树脂(步骤ii)制备)与脲甲醛预聚体(步骤i)制备)质量比为1:1、合成反应时间为2小时、合成pH值分别为2.5、3和5条件下合成微胶囊；
将制备得到的微胶囊在电子显微镜下观察，结果如图10所示。
图10为不同反应pH值条件下微胶囊合成情况。由图10(a)、(b)(微观)可知，当反应溶液pH值为5时，壁材不能够完全覆盖住芯材，芯材表面有部分不能够被壁材覆盖，微胶囊合成存在缺陷。由图10(c)可知，当反应溶液pH值为2.5时壁材能够均匀覆盖在芯材表面，但是壁材厚度较薄，周围仍有大量的壁材没有在芯材表面产生，最终生成的微胶囊存在一定的缺陷。由图10(d)可知，当反应溶液pH值为3时壁材能够均匀覆盖在芯材表面，壁材厚度较为合理，最终合成出来的微胶囊较为饱满均匀。因此认为微胶囊合成阶段的溶液pH值保持在3-4左右较为合理。
本发明通过在超高强高性能混凝土中引入微胶囊从而提供一种具有自修复功能的超高强高性能混凝土及其制备方法。虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种超高强高性能混凝土，该混凝土由如下重量份数的原料制成：
硅酸盐水泥550份，硅灰200份，超细粉煤灰250份，水200份，聚羧酸减水剂15份，细河砂1100份，超细镀铜钢纤维160份，微胶囊50份，固化剂30份；其中，
所述微胶囊的直径为40μm -80μm；
所述微胶囊由以下方法制备：采用原位聚合法在乳化后的E51环氧树脂与脲甲醛预聚体质量比为1:1、合成反应时间为2小时、合成pH值为3条件下合成微胶囊。
2.根据权利要求1所述的混凝土，其中在所述混凝土中，所述微胶囊的直径为50μm。
3.根据权利要求1所述的混凝土，其中，所述脲甲醛预聚体通过以下方法制备：将甲醛和尿素以质量比为3:4~3:5的比例混合加入到三口烧瓶中，搅拌机以300~500r/min搅拌5~8min，然后采用三乙醇胺调节混合液pH值到7-9，最后将三口烧瓶放入65-80℃恒温水浴锅中以400-500r/min的速度继续搅拌60-70min形成脲甲醛预聚体。
4.根据权利要求1所述的混凝土，其中，所述乳化后的E51环氧树脂通过以下方法乳化：E51环氧树脂与BGE稀释剂以质量之比4:1~6:1均匀混合后制得。
5.根据权利要求1所述的混凝土，其中，在上述混凝土中，所述固化剂为830固化剂。
6.根据权利要求5所述的混凝土，其中，在上述混凝土中，所述固化剂为其中含有30 %-50%（重量）OP-10的830固化剂。
7.根据权利要求6所述的混凝土，其中，在上述混凝土中，所述固化剂为其中含有40 %（重量）OP-10的830固化剂。
8.一种制备权利要求1至7中任一项所述的超高强高性能混凝土的方法，所述方法包含如下步骤：
1) 按照配方量分别称取硅酸盐水泥、硅灰、超细粉煤灰、水、聚羧酸减水剂、细河砂、超细镀铜钢纤维、微胶囊和固化剂；
2) 将硅酸盐水泥、细河砂、硅灰、超细粉煤灰、固化剂倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌2-5分钟使之均匀；
3) 向步骤2)得到的混合物中倒入微胶囊继续搅拌1-3分钟；
4) 将聚羧酸减水剂和水混合好后倒入步骤3)得到的混合物中继续搅拌2-5分钟；
5) 向步骤4)得到的混合物中倒入超细镀铜钢纤维搅拌继续搅拌2-5分钟；
6) 将步骤5)得到的混合物入模成型并放入标准养护室带模养护28天。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，还包含制备所述微胶囊的步骤：
i) 脲甲醛预聚体的制备：将甲醛和尿素以质量比为3:4~3:5的比例混合加入到三口烧瓶中，搅拌机以300~500r/min搅拌5~8min，然后采用三乙醇胺调节混合液pH值到7~9，最后将三口烧瓶放入65~80℃恒温水浴锅中以400~500r/min的速度继续搅拌60~70min形成脲甲醛预聚体；
ii) 乳化E51环氧树脂的制备：E51环氧树脂与BGE稀释剂以质量之比4:1~6:1均匀混合后制得；
iii) 微胶囊的制备：采用原位聚合法在乳化E51环氧树脂与脲甲醛预聚体质量比为1:1、合成反应时间为2小时、合成pH值为3条件下合成微胶囊。
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