CN108409234B

CN108409234B - 一种基于铝硅酸盐玻璃和石灰岩的超疏水混凝土制备方法

Info

Publication number: CN108409234B
Application number: CN201810226072.6A
Authority: CN
Inventors: 吴志根; 魏佳俊; 吴志敏
Original assignee: Hangzhou Keyi Caicheng Technology Co ltd
Current assignee: Hangzhou Keyi Caicheng Technology Co ltd
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2021-04-16
Anticipated expiration: 2038-03-19
Also published as: CN108409234A

Abstract

本发明公开了一种基于铝硅酸盐玻璃和石灰岩的超疏水混凝土制备方法。该方法首先将铝硅酸盐玻璃和石灰岩研磨成微米级细小颗粒，再混合水泥、石头、细沙和水形成混凝土浆，将该混凝土浆倒入钢模具中进行初期保湿养护，再进行脱模取出硬化混凝土体，置于养护室内进行后期养护，即可获得满足强度的超疏水混凝土。本发明利用廉价废弃物–铝硅酸盐玻璃粉末和廉价石灰岩制备出的超疏水混凝土，具有极强的疏水性能，能显著提升建筑结构表面的抗渗性、抗腐蚀性和抗冻融，具有广泛的工程应用价值。

Description

一种基于铝硅酸盐玻璃和石灰岩的超疏水混凝土制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种基于铝硅酸盐玻璃和石灰岩的超疏水混凝土制备方法，属于建筑材料制备技术领域和废物循环利用领域。

背景技术

混凝土在全世界的使用量仅次于水，因此有关于混凝土材料的结构层出不穷，比如在桥梁、大坝、路面、建筑物等。但是由于混凝土内部含有大量孔隙和微裂缝(在微米级)，外界水分往往容易渗入混凝土内部，造成各种耐久性问题，比如，水分和氧气渗入混凝土内部就会引起距离混凝土表面约50mm的钢筋锈蚀和膨胀，从而引发锈蚀裂缝；又比如，道路路面混凝土在渗入水分后会引发热冷冻融循环破坏，从而引起路面开裂。因此，提升混凝土表面的抗渗性对提高混凝土结构的抗冻融、抗腐蚀等耐久性上具有重要实际价值。

目前已公开的发明专利和文献主要通过在混凝土的表面上施加疏水涂料来增加水与混凝土表面的接触角，从而避免水分渗入混凝土表面。如果该接触角大于150°，那么该混凝土就被称为超疏水混凝土。比如专利CN1025156556A，通过将旧水泥粉末、甲基三乙氧基硅烷、乙醇及氨水混合获得超疏水有机-无机杂化水泥表面涂料。需要说明的是乙醇具有强挥发性，会导致水泥涂层疏松多孔，容易被破坏。同时硅烷也存在结构不稳定和价格昂贵等不足。专利CN105986538A通过降低表面能来配置纳米二氧化硅表面涂层，从而配置超疏水混凝土。这些通过在混凝土表面喷涂涂层的方法虽然能在实验室研发阶段提高水的表面接触角和降低水渗入率，但是在实际工程很难被应用，主要的不足是：1)表面的疏水涂层耐磨性较差，远比混凝土本身要差，因此疏水涂层容易在真实环境中被磨损和破坏，从而让混凝土失去疏水性能；2)在室外阳光照射、冷热循环等不利环境作用下，表面涂层中的分子结构容易被破坏，造成疏水材料功能下降甚至失效。

虽然专利CN107244847A利用硅烷或氟硅烷混合水泥、细沙和水配置疏水水泥砂浆，让疏水材料和水泥充分混合从而配置疏水混凝土，但是存在着4个方面的缺陷：1)硅烷分子结构小，结构不稳定，受温度影响大；2)氟硅烷在常温下，不容易与介电常数大于30的溶剂形成稳定的溶液或分散体，因此不容易被生产成稳定的溶剂；3)大多数氟硅烷可能会释放出全氟辛酸，全氟辛酸已被发现在动物和人体组织中持续存在并可以在肝脏中蓄积，从而抑制谷胱甘肽过氧化物酶，这种酶是一种用于甲状腺激素转化的重要的硒蛋白，从而导致癌症(Occupational&Environmental Medicine,2003,60(10):722-729；International Journal of Cancer 1998,78(4):491-495)；4)硅烷和氟硅烷价格昂贵，不适合产业化运用。因此非常有必要去解决制造疏水材料的价格昂贵问题、耐磨性差和稳定性差等问题。

近年来，铝硅酸盐玻璃以其高透过率、高强度、高硬度的物理特性在建筑、信息、航空等行业，尤其是作为触摸屏材料在触控显示行业得到迅猛发展，比如在智能手机和平板机上大量被使用。铝硅酸盐玻璃的大量被使用，也就意味着同时也产生了大量需要回收再使用的铝硅酸盐玻璃。如果将这些废弃物研磨成粉，其颗粒大小尺寸和水泥相当，同时结合其主要化学成分–铝硅酸盐的化学性质，并配合在自然界中普遍分布存在的石灰岩加以调配出合适的钙、铝、硅比例，我们同样有望研制廉价有效的新型超疏水剂配方。

本发明将再利用铝硅酸盐玻璃产业废弃物用以净化环境和节约资源，是建立循环经济的一个典范，具有现实的经济价值和良好的市场推广价值。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前超疏水混凝土的价格昂贵、耐磨性差、稳定性差、只能在表面进行涂层处理等劣势，提出一种基于铝硅酸盐玻璃和石灰岩的超疏水混凝土制备方法。需要说明的是，该铝硅酸盐玻璃和石灰岩粉末和水泥形成化学反应物体系，共同成为超疏水混凝土的内在主要化学成分。

本发明所采用的具体技术方案：

基于铝硅酸盐玻璃和石灰岩的超疏水混凝土制备方法，其制备步骤如下：

1)将铝硅酸盐玻璃颗粒、石灰岩颗粒和水泥按照1:2:(47～72)的质量比混合，加入表面功能活性剂后搅拌均匀，得到混合水泥；

2)在混合水泥中加入骨料和水，搅拌均匀形成混凝土浆；

3)将混凝土浆进行灌注、振捣和养护，得到超疏水混凝土。

作为优选，所述的骨料为石头和沙子，混合水泥、石头、沙子和水的混合质量比为1:(2～2.9):(1.3～1.9):(0.35～0.5)。

作为优选，所述的步骤3)具体为：将混凝土浆倒入钢模具中，并通过振捣混凝土浆以振实混凝土，完成后在室温下进行初期保湿养护，并在钢模具上面覆盖湿麻袋用以保湿；24小时后进行拆除模具并取出混凝土块，将其放置于养护室内进行后期养护，该养护室的温度控制在室温范围，湿度控制在～97％。

作为优选，所述的铝硅酸盐玻璃颗粒和石灰岩颗粒的中值粒径在2～10微米。

作为优选，所述的铝硅酸盐玻璃采用触摸屏盖板玻璃。

作为优选，所述的铝硅酸盐玻璃，其具体的化学成分包括：CaO,SiO₂,Al₂O₃，MgO,Fe₂O₃,K₂O,Na₂O质量比例为：15～30％:40～60％:10～20％:1～3％:5～9％:1～3％:0.5～2％。

作为优选，所述的石灰岩，其主要成分是碳酸钙，具体的化学成分包括：CaO,SiO₂,Al₂O₃,MgO,Fe₂O₃,K₂O,Na₂O,SO₃质量比例为：48～55％:0.1～4.5％:0.1～0.5％:0.1～1％:0.1～1％:0.02～0.3％:0.01～0.1％:0.01～0.1％。

作为优选，所述的水泥为硅酸盐水泥。

作为优选，所述的表面功能活性剂为硬脂酸(C₁₇H₃₅CO₂H)，或二十二酸(C₂₂H₄₄O₂)。

作为优选，所述的表面功能活性剂的添加量为铝硅酸盐玻璃和石灰岩细小颗粒总质量的2～6％。

作为优选，所述的钢模形状是圆柱形或立方体或长方体。

作为优选，所述的振捣方式通过振动棒或振动台振捣。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

1.本发明利用的废弃物：铝硅酸盐玻璃，是目前大量废弃使用的智能手机、平板机的触摸屏盖板玻璃，是玻璃废弃物再利用的环保工法，同样具有重要的环保意义和经济利益。

2.本发明利用石灰岩，分布广泛，取材方便。

3.本发明巧妙利用石灰岩的高钙含量和铝硅酸盐玻璃的高硅和高铝含量进行配置优化的钙、铝、硅比例，且通过表面活性剂材料的活性改善，具有优良的疏水性能。

4.本发明的疏水混凝土不需要在表面额外进行涂层，即使表面受到磨损，也不失去疏水性。

5.本发明的铝硅酸盐结构稳定，安全且不易挥发，具有极强的环境承载力。

附图说明

图1为研磨后的铝硅酸盐玻璃和石灰岩颗粒级配曲线；

图2为石头和细沙的级配曲线；

图3为超疏水混凝土样本的抗压强度；

图4为各实施例中的混凝土样本的疏水效果；a)、b)、c)、d)、e)、f)、g)分别为实施例5、实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例6、实施例7制备得到的混凝土样本。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步阐述和说明。

为了验证掺入水泥的铝硅酸盐玻璃和石灰岩细颗粒对疏水混凝土的性能影响，本发明分别配置替换0％，4％，6％，8％，10％水泥(以相应质量比例的铝硅酸盐玻璃和石灰岩细颗粒替换普通硅酸盐水泥)的含有铝硅酸盐玻璃和石灰岩细颗粒的混凝土样本以及只用铝硅酸盐玻璃或石灰岩细颗粒替换水泥的混凝土样本，并对它们进行强度测试和疏水性能测试。需要说明的是，强度测试是为了探究疏水混凝土的强度是否会受到铝硅酸盐玻璃和石灰岩材料的影响。

实施例1：

1)在室温下，取铝硅酸盐玻璃200g和石灰岩粉末400g，并分别倒入研磨机中进行研磨10小时。再通过分析，得到颗粒级配曲线如图1，铝硅酸盐玻璃和石灰岩细颗粒的中值粒径d₅₀分别为5微米和4微米。

铝硅酸盐玻璃采用的废弃的触摸屏盖板玻璃，主要成分是铝硅酸钙，其化学成分为：CaO,SiO₂,Al₂O₃,MgO,Fe₂O₃,K₂O,Na₂O质量比例为：19.3％:52.5％:12.6％:2.6％:6.5％:2.1％:4.4％。

石灰岩主要成分是碳酸钙，具体的化学成分为：CaO,SiO₂,Al₂O₃,MgO,Fe₂O₃,K₂O,Na₂O,SO₃质量比例为：53％:4.5％:0.4％:0.3％:0.2％:0.1％:0.05％:0.1％。

2)配置替换水泥质量4％的铝硅酸盐玻璃和石灰岩细颗粒，得到混合水泥，其混合水泥配比(质量比)为：研磨成的铝硅酸盐玻璃细颗粒：石灰岩细颗粒：硅酸盐水泥＝1:2:72，具体为：称取13.3g研磨成的铝硅酸盐玻璃细颗粒、26.7g石灰岩细颗粒和960g普通硅酸盐水泥。混合水泥总质量1kg。将三者倒入搅拌机中，进行充分搅拌1分钟后，加入2.4g表面功能活性剂材料二十二酸继续搅拌1分钟；

3)在以上搅拌成的混合物中依次加入2030g石头(大小：5～20mm)，1350g细沙(大小：<5mm)和510g水，继续在搅拌机中充分搅拌3～4分钟，形成混凝土浆。图2展示的是这批石头和细沙的颗粒大小级配曲线，可见石头河细沙颗粒级配良好，有利于石头、细沙颗粒与水泥混合良好，以此生产高质量的混凝土。

4)将该混凝土浆倒入6个立方体钢模具中，并利用振动棒浇捣混凝土浆以振实混凝土，完成后进行初期保湿养护。在钢模具上面覆盖湿麻袋用以保湿。

5)24小时后进行拆除模具并取出6个混凝土样本，将其放置于养护室内进行后期养护。该养护室的温度控制在20℃，湿度控制在～97％。

6)后期养护28天，并置于室温下干燥，获得超疏水混凝土样本进行性能测试，包括抗压强度测试(3个样本)、疏水性测试(3个样本)。

实施例2：

本实施例与实施例1相比的区别在于：步骤2)中配置的是替换水泥质量6％的铝硅酸盐玻璃和石灰岩细颗粒，其混合水泥配比(质量比)为：研磨成的铝硅酸盐玻璃细颗粒：石灰岩细颗粒：硅酸盐水泥＝1:2:47，混合水泥总质量1kg。

实施例3：

本实施例与实施例1相比的区别在于：步骤2)中配置的是替换水泥质量8％的铝硅酸盐玻璃和石灰岩细颗粒，其混合水泥配比(质量比)为：研磨成的铝硅酸盐玻璃细颗粒：石灰岩细颗粒：硅酸盐水泥＝1:2:34.5，混合水泥总质量1kg。

实施例4：

本实施例与实施例1相比的区别在于：步骤2)中配置的是替换水泥质量10％的铝硅酸盐玻璃和石灰岩细颗粒，其混合水泥配比(质量比)为：研磨成的铝硅酸盐玻璃细颗粒：石灰岩细颗粒：硅酸盐水泥＝1:2:27，混合水泥总质量1kg。

实施例5：

本实施例与实施例1相比的区别在于：步骤2)中配置的是替换水泥质量0％的铝硅酸盐玻璃和石灰岩细颗粒，即混合水泥采用全部是硅酸盐水泥，混合水泥总质量1kg。

实施例6：

本实施例与实施例1相比的区别在于：步骤2)中配置的是替换水泥质量6％的铝硅酸盐玻璃，其混合水泥配比(质量比)为：研磨成的铝硅酸盐玻璃细颗粒：硅酸盐水泥＝3:47，不含有石灰岩，混合水泥总质量1kg。

实施例7：

本实施例与实施例1相比的区别在于：步骤2)中配置的是配置替换水泥质量6％的石灰岩，其混合水泥配比(质量比)为：石灰岩细颗粒：硅酸盐水泥＝3:47，不含有铝硅酸盐玻璃细颗粒，混合水泥总质量1kg。

为了验证超疏水混凝土的强度性能，将每批次含有不同铝硅酸盐玻璃和石灰岩细颗粒量的超疏水混凝土的3个抗压强度值进行平均处理，取得平均值和标准误差(表明数据的离散性)，如图3所示。可见加入铝硅酸盐玻璃和石灰岩细颗粒的超疏水混凝土的28天抗压强度并没有下降，基本稳定在53MPa的高强度水平上。

为了验证超疏水混凝土的抗渗水性能，将每批次含有不同铝硅酸盐玻璃和石灰岩细颗粒量的超疏水混凝土的3个样本依次滴入水滴，并观察水滴在混凝土表面的形态。图4分别展示的配置0％(实施例5)、4％(实施例1)、6％(实施例2)、8％(实施例3)、10％(实施例4)的铝硅酸盐玻璃和石灰岩的混凝土样本的疏水结果。结果表明，在没有配置铝硅酸盐玻璃和石灰岩细颗粒的混凝土样本表面上，水滴迅速被混凝土吸收，既水滴渗入到了混凝土中；随着铝硅酸盐玻璃和石灰岩细颗粒比例的增加，水滴的接触角先增大到逐渐下降，并在6％时趋于最好疏水效果，从而配置出超高疏水性混凝土。而且这些水滴在小风力作用下(实验员口吹)，可在混凝土表面自由移动。

同时，实施例6和7结果显示，只配合铝硅酸盐玻璃或石灰石的混凝土其疏水性能不佳(分别见图4中的f和g)。这也说明铝硅酸盐玻璃和石灰石在水泥中有协同作用，共同改进混凝土中孔隙表面特征，使得固液接触角发生改变。

综述所述，配比为6％的铝硅酸盐玻璃和石灰岩细颗粒的混凝土具有优异的疏水性能。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于铝硅酸盐玻璃和石灰岩的超疏水混凝土制备方法，其特征在于，制备步骤如下：

1) 将铝硅酸盐玻璃颗粒、石灰岩颗粒和水泥按照1:2:(47～72)的质量比混合，加入表面功能活性剂后搅拌均匀，得到混合水泥；

2）在混合水泥中加入骨料和水，搅拌均匀形成混凝土浆；

3）将混凝土浆进行灌注、振捣和养护，得到超疏水混凝土。

2. 如权利要求1所述的基于铝硅酸盐玻璃和石灰岩的超疏水混凝土制备方法，其特征在于，所述的骨料为石头和沙子，混合水泥、石头、沙子和水的混合质量比为1: (2～2.9):(1.3～1.9): (0.35～0.5)。

3.如权利要求1所述的基于铝硅酸盐玻璃和石灰岩的超疏水混凝土制备方法，其特征在于，所述的步骤3）具体为：将混凝土浆倒入钢模具中，并通过振捣混凝土浆以振实混凝土，完成后在室温下进行初期保湿养护，并在钢模具上面覆盖湿麻袋用以保湿；24小时后进行拆除模具并取出混凝土块，将其放置于养护室内进行后期养护，该养护室的温度控制在室温范围，湿度控制在97%。

4.如权利要求1所述的基于铝硅酸盐玻璃和石灰岩的超疏水混凝土制备方法，其特征在于，所述的铝硅酸盐玻璃颗粒和石灰岩颗粒的中值粒径在2～10微米。

5.如权利要求1所述的基于铝硅酸盐玻璃和石灰岩的超疏水混凝土制备方法，其特征在于，所述的铝硅酸盐玻璃采用触摸屏盖板玻璃。

6. 如权利要求1或5所述的基于铝硅酸盐玻璃和石灰岩的超疏水混凝土制备方法，其特征在于，所述的铝硅酸盐玻璃，其具体的化学成分包括：CaO, SiO₂, Al₂O₃，MgO, Fe₂O₃,K₂O, Na₂O质量比例为：15~30%: 40~60%: 10~20%: 1~3%: 5~9%: 1~3%: 0.5~2%。

7.如权利要求1所述的基于铝硅酸盐玻璃和石灰岩的超疏水混凝土制备方法，其特征在于，所述的石灰岩，其主要成分是碳酸钙，具体的化学成分包括：CaO, SiO₂, Al₂O₃，MgO,Fe₂O₃, K₂O, Na₂O, SO₃质量比例为：48~55%: 0.1~4.5%: 0.1~0.5%: 0.1~1%: 0.1~1%:0.02~0.3%: 0.01~0.1%:0.01~0.1%。

8.如权利要求1所述的基于铝硅酸盐玻璃和石灰岩的超疏水混凝土制备方法，其特征在于，所述的水泥为硅酸盐水泥。

9.如权利要求1所述的基于铝硅酸盐玻璃和石灰岩的超疏水混凝土制备方法，其特征在于，所述的表面功能活性剂为硬脂酸或二十二酸。

10.如权利要求1所述的基于铝硅酸盐玻璃和石灰岩的超疏水混凝土制备方法，其特征在于，所述的表面功能活性剂的添加量为铝硅酸盐玻璃和石灰岩细小颗粒总质量的2～6%。