CN108341630A - 一种高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土及制备方法，所述高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土的原材料包括水泥、纳米氮化硼、硅灰、粉煤灰、砂、减水剂和水。本发明结合纳米氮化硼和活性粉末混凝土两者的优点，利用纳米氮化硼及活性粉末混凝土的自身增强机理以及相互协同的促进增强作用，最终制备了常规养护及高温养护下兼具高耐磨性、高抗氯离子渗透性及低纳米填料掺量的纳米氮化硼改性活性粉末混凝土。

Description

一种高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土及制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，特别涉及一种高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土及制备方法。

背景技术

水泥混凝是目前用量最大的建筑材料之一，其在土木工程领域发挥着非常重要的作用。随着科学技术和社会生产水平的发展，对水泥混凝土综合性能的要求也在不断提高。人们既希望减少水泥工业生产带来的能耗和污染，同时又希望混凝土具备高耐久性以满足如高速路面、海水冲刷侵蚀等复杂工况的要求。与普通混凝土相比，活性粉末混凝土作为一种新型水泥基材料，具有高强度和高耐久性。使用活性粉末混凝土替代传统混凝土有望在同等性能的前提下减少水泥的用量，以增加经济效益，降低资源消耗、能源消耗及环境污染。

纳米氮化硼是一种具有层状结构的二维晶体材料，它具有较低的摩擦系数、良好的润滑性以及高的耐热性、导热性、电绝缘性和化学稳定性。这些优异的性能使得纳米氮化硼在复合材料的增强改性领域存在巨大的潜力，其在小掺量下(低于水泥质量1％)与活性粉末混凝土复合即可获得更高的耐久性，包括耐磨和抗氯离子渗透性能，有助于延长活性粉末混凝土尤其是配置钢筋的活性粉末混凝土的使用寿命。而且，由于圆片状的纳米氮化硼在复合材料搅拌时表现出润滑作用，它在活性粉末混凝土中的分散效果要优于其它纳米材料，而且对复合材料的工作性基本没有影响。因此，一种高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土及制备方法亟待研发。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土及制备方法。本发明采用的技术手段如下：

一种高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土，所述高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土的原材料包括水泥、纳米氮化硼、硅灰、粉煤灰、砂、减水剂和水。所述水泥为普通硅酸盐水泥。

所述高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土的原材料包括以下重量份物质：水泥1份、纳米氮化硼0.002-0.1份、硅灰0.2-0.4份、粉煤灰0.1-0.3份、砂1-2份、减水剂0.005-0.04份和水0.3-0.38份。

作为优选，所述高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土的原材料包括以下重量份物质：水泥1份、纳米氮化硼0.005-0.02份、硅灰0.3-0.35份、粉煤灰0.2-0.3份、砂1-1.5份、减水剂0.005-0.02份和水0.35-0.38份。

所述纳米氮化硼的晶型为六方晶型，粒径范围为120-1000nm，厚度为5-50nm。

所述纳米氮化硼中氮化硼的含量大于99％。

所述硅灰的粒径为100-200nm。

所述粉煤灰的粒径为0.12-0.83mm。

所述砂的粒径范围为0.125-0.85mm，所述砂中SiO₂的含量大于99.9％，所述砂为石英砂(水泥领域通用材料)。

所述减水剂为聚羧酸减水剂，固体含量为45％。

本发明还公开了一种上述所述的高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土的制备方法，具有如下步骤：

S1、取所述高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土的原材料，将其中的水、减水剂、纳米氮化硼倒入搅拌锅，以140±5r/min的转速搅拌20s，然后将硅灰倒入搅拌锅中，以140±5r/min的转速搅拌60s，之后再将水泥和粉煤灰依次加入到搅拌锅中，以140±5r/min的转速搅拌2min，再以285±10r/min的转速搅拌2min，最后将砂缓慢倒入搅拌锅中，以140±5r/min的转速搅拌1min，再以285±10r/min的转速搅拌4min；

S2、把步骤S1得到的拌合物浇注到模具中，再将模具置于振动台上，振动至表面有气泡冒出；

S3、将模具放入养护箱中，在温度为20±1℃，湿度大于95％的条件下养护24小时后拆模，得所述高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土。

本发明结合纳米氮化硼和活性粉末混凝土两者的优点，利用纳米氮化硼及活性粉末混凝土的自身增强机理以及相互协同的促进增强作用，最终制备了常规养护及高温养护下兼具高耐磨性、高抗氯离子渗透性及低纳米填料掺量的纳米氮化硼改性活性粉末混凝土。

1、圆片状的纳米氮化硼(见图1)表现出的润滑性及小尺寸效应使得它能广泛而均匀地分散于活性粉末混凝土基体中(见图2)，而且不会影响拌合物的工作性而具有良好的成形型。这使得纳米氮化硼的低摩擦系数和良好的润滑性在磨损过程中充分发挥作用，从而提高活性粉末混凝土的耐磨性。

2、纳米氮化硼的高热导率和优异的耐热性保证了摩擦热能的快速传递，减少了因局部温差而产生的温度应力，而且纳米氮化硼的化学稳定性可以使其持续、稳定地发挥这些作用，从而降低活性粉末混凝土的摩擦损耗，提高其耐磨性。

3、纳米氮化硼具有高的比表面积和反应活性，其可以通过填充效应和成核效应等来促进水化反应，增加水化产物，减少氢氧化钙晶体尺寸和改变氢氧化钙晶体的取向性(比较图3及图4可知)，使活性粉末混凝土基体更加密实，从而提高活性粉末混凝土基体的抗氯离子渗透性。

4、纳米氮化硼的层状结构使得部分侵蚀溶液被吸附在层间的间隙中，阻止了氯离子的纵向侵入。其高电阻率可以阻碍离子性电流的通过，进一步减缓了腐蚀反应。纳米氮化硼的低膨胀系数还可以有效减少由于空气和水在高温下膨胀而导致的基体微裂纹。这些作用都将提高活性粉末混凝土的抗氯离子渗透性。

5、纳米氮化硼可以显著提高活性粉末混凝土的耐磨性和抗氯离子渗透性。对比常规养护方法和高温养护方法，常规养护方法对纳米氮化硼改性粉末混凝土的耐磨性提高较大，其养护28天的耐磨性提高幅度可达到55.56％。当纳米氮化硼掺量较低时，高温养护对纳米氮化硼改性活性粉末混凝土的抗氯离子渗透性提高较大，而当纳米氮化硼掺量较高时，常规养护方法对增强纳米氮化硼改性活性粉末混凝土的抗氯离子渗透性的贡献更大。两种养护方法均可使纳米氮化硼改性活性粉末混凝土的抗氯离子渗透性相对空白粉末混凝土的抗氯离子渗透性提高至100％。

6、本发明中两种方法养护的纳米氮化硼改性活性粉末混凝土的耐磨性均会随着纳米填料掺量的增加而先增加后减少。常规方法养护的纳米氮化硼改性活性粉末混凝土的抗氯离子渗透性会随着纳米填料掺量的增加持续增加，而高温养护的纳米氮化硼改性活性粉末混凝土的抗氯离子渗透性会随着纳米填料掺量的增加而先增加后降低，但抗氯离子渗透性始终高于空白粉末混凝土的抗氯离子渗透性。

基于上述理由本发明可在建筑材料等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的具体实施方式中纳米氮化硼的透射电子显微镜照片。

图2是本发明的具体实施方式中试件2中纳米氮化硼的表面扫描电镜照片。

图3是本发明的具体实施方式中试件1中氢氧化钙的微观扫描电镜照片。

图4是本发明的具体实施方式中试件4中氢氧化钙的微观扫描电镜照片。

图5是本发明的具体实施方式中常规养护28天、高温水养3天龄期试件单位面积磨损量随纳米氮化硼掺量变化的柱状图。

图6是本发明的具体实施方式中常规养护28天、高温水养3天龄期试件氯离子渗透系数随纳米氮化硼掺量变化的柱状图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土，所述高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土的原材料包括水泥、纳米氮化硼、硅灰、粉煤灰、砂、减水剂和水。

所述高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土的原材料包括以下重量份物质：水泥1份、纳米氮化硼0.002-0.1份、硅灰0.2-0.4份、粉煤灰0.1-0.3份、砂1-2份、减水剂0.005-0.04份和水0.3-0.38份。

所述纳米氮化硼的晶型为六方晶型，粒径范围为120-1000nm，厚度为5-50nm。

所述纳米氮化硼中氮化硼的含量大于99％。

所述硅灰的粒径为100-200nm。

所述粉煤灰的粒径为0.12-0.83mm。

所述砂的粒径范围为0.125-0.85mm，所述砂中SiO₂的含量大于99.9％。

所述减水剂为聚羧酸减水剂，固体含量为45％。

本发明还公开了一种上述所述的高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土的制备方法，具有如下步骤：

S1、取所述高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土的原材料，将其中的水、减水剂、纳米氮化硼倒入搅拌锅，以140±5r/min的转速搅拌20s，然后将硅灰倒入搅拌锅中，以140±5r/min的转速搅拌60s，之后再将水泥和粉煤灰依次加入到搅拌锅中，以140±5r/min的转速搅拌2min，再以285±10r/min的转速搅拌2min，最后将砂缓慢倒入搅拌锅中，以140±5r/min的转速搅拌1min，再以285±10r/min的转速搅拌4min；

S2、把步骤S1得到的拌合物浇注到模具中，再将模具置于振动台上，振动至表面有气泡冒出；

S3、将模具放入养护箱中，在温度为20±1℃，湿度大于95％的条件下养护24小时后拆模，得所述高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土。

实施例1-3

表1原材料重量比配比

如图1-图6所示，一种高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土制备方法，具有如下步骤：

S1、取表1所述高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土的原材料，将其中的水、减水剂、纳米氮化硼倒入搅拌锅，以140±5r/min的转速搅拌20s，然后将硅灰倒入搅拌锅中，以140±5r/min的转速搅拌60s，之后再将水泥和粉煤灰依次加入到搅拌锅中，以140±5r/min的转速搅拌2min，再以285±10r/min的转速搅拌2min，最后将砂缓慢倒入搅拌锅中，以140±5r/min的转速搅拌1min，再以285±10r/min的转速搅拌4min

(2)把步骤S1得到的拌合物浇注到模具(40mm×40mm×160mm)中，再将模具置于振动台上，振动1min；

(3)将模具放入养护箱中，在温度为20±1℃，湿度大于95％的条件下养护24小时后拆模，得所述高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土。

拆模后养护：拆模以后将试件立即放入到20±1℃的水中养护至60天龄期，高温养护的试件放入90℃水中养护48h。

耐磨性：实验参照《JTG E30-2005公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》：《T0567-2005水泥混凝土耐磨性试验方法》。以试件磨损面上单位面积的磨损量作为评定水泥混凝土耐磨性的相对指标。

抗氯离子渗透性：氯离子渗透实验的试块是的圆柱体。采用快速氯离子迁移系数法(RCM法)进行测试，所用电压绝对值U＝60V。

由图5可知，常规方法养护至28天龄期时，掺入0.5％、1.0％、1.5％纳米氮化硼的活性粉末混凝土比空白活性粉末混凝土的耐磨性分别提高55.56％、36.51％和32.32％。高温养护24h的0.5％、1.0％、1.5％纳米氮化硼改性活性粉末混凝土比空白活性粉末混凝土的耐磨性分别提高34.96％、14.63％和-5.69％。比较同等掺量下的不同方法养护的纳米氮化硼改性活性粉末混凝土可知，常规方法养护的纳米氮化硼改性活性粉末混凝土的耐磨性要优于高温养护的。由图6可知，当纳米氮化硼的掺量为0.5％时，常规养护和高温养护的纳米氮化硼改性活性粉末混凝土的抗氯离子渗透性相对空白活性粉末混凝土的抗氯离子渗透性分别提高20％和57.89％。常规养护和高温养护的1.0％纳米氮化硼改性活性粉末混凝土的抗氯离子渗透性相对空白活性粉末混凝土的抗氯离子渗透性分别提高46.67％和100％。常规养护和高温养护的1.5％纳米氮化硼改性活性粉末混凝土的抗氯离子渗透性相对空白活性粉末混凝土的抗氯离子渗透性分别提高100％和57.89％。由以上实验数据可知，纳米氮化硼可以显著提高活性粉末混凝土的耐磨性和抗氯离子渗透性，其中耐磨性提高幅度高达55.56％，抗氯离子渗透性提高幅度高达100％。此外，纳米氮化硼改性活性粉末混凝土的表面扫描电镜照片表明(见图2)纳米氮化硼在活性粉末混凝土分散情况较好。从纳米氮化硼改性活性粉末混凝土的微观扫描电镜照片(见图4)还可以观察到纳米材料能充分填充试件内部孔隙，细化氢氧化钙晶体尺寸，从而获得缺陷少、结构致密的复合材料。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土，其特征在于，所述高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土的原材料包括水泥、纳米氮化硼、硅灰、粉煤灰、砂、减水剂和水。

2.根据权利要求1所述的高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土，其特征在于，所述高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土的原材料包括以下重量份物质：水泥1份、纳米氮化硼0.002-0.1份、硅灰0.2-0.4份、粉煤灰0.1-0.3份、砂1-2份、减水剂0.005-0.04份和水0.3-0.38份。

3.根据权利要求1或2所述的高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土，其特征在于，所述纳米氮化硼的晶型为六方晶型，粒径范围为120-1000nm，厚度为5-50nm。

4.根据权利要求1或2所述的高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土，其特征在于，所述纳米氮化硼中氮化硼的含量大于99％。

5.根据权利要求1或2所述的高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土，其特征在于，所述硅灰的粒径为100-200nm。

6.根据权利要求1或2所述的高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土，其特征在于，所述粉煤灰的粒径为0.12-0.83mm。

7.根据权利要求1或2所述的高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土，其特征在于，所述砂的粒径范围为0.125-0.85mm，所述砂中SiO₂的含量大于99.9％。

8.根据权利要求1或2所述的高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂，固体含量为45％。

9.一种如权利要求1或2所述的高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土的制备方法，其特征在于具有如下步骤：

S1、取所述高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土的原材料，将其中的水、减水剂、纳米氮化硼倒入搅拌锅，以140±5r/min的转速搅拌20s，然后将硅灰倒入搅拌锅中，以140±5r/min的转速搅拌60s，之后再将水泥和粉煤灰依次加入到搅拌锅中，以140±5r/min的转速搅拌2min，再以285±10r/min的转速搅拌2min，最后将砂缓慢倒入搅拌锅中，以140±5r/min的转速搅拌1min，再以285±10r/min的转速搅拌4min；

S2、把步骤S1得到的拌合物浇注到模具中，再将模具置于振动台上，振动至表面有气泡冒出；

S3、将模具放入养护箱中，在温度为20±1℃，湿度大于95％的条件下养护24小时后拆模，得所述高耐磨和抗氯离子渗透的活性粉末混凝土。