CN109608230A - 一种用于提升混凝土耐蚀性能的改性纳米氧化铝材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改性纳米氧化铝材料及其制备方法和应用，该材料主要由以下重量份比例的原料制成：15‑18份硅烷偶联剂、1‑2份纳米Al2O3、65‑80份极性有机溶剂。本发明将硅烷偶联剂APTES接枝到纳米Al2O3表面，再将其分散在弱酸性环境中，制得稳定的改性纳米Al2O3溶胶。在外电场作用下，带电胶体粒子定向迁移到混凝土表层，优化了表层混凝土孔结构，提高混凝土的耐氯离子侵蚀性能。通过外电场的作用使胶体迁移到混凝土表层，具有较好的驱动力保障其作用电迁移作用效果。另外，由于其防护效果好、制备简单、易于施工等特点，可广泛应用于混凝土表层强化及损伤混凝土表层修复。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于表层强化提升混凝土耐蚀性能的改性纳米氧化铝材料及其制备方法和应用，属于建筑材料技术领域。
背景技术
钢筋混凝土是世界上应用最大的建筑材料，广泛应用于房屋、公路、桥梁等多个工程建设领域。混凝土材料的耐久性能直接影响混凝土的服役寿命，因此，提升混凝土结构耐久性对节能减排、经济发展、社会进步等方面具有重大意义。世界各国每年由于混凝土受到侵蚀而破坏的案例数不胜数，因此造成的损失也是巨大的。同样，中国正处于经济建设的关键时期，需要大规模的完善基础设施建设，提高混凝土的寿命对中国的经济发展具有重大意义，符合中国基本国情和国策，改善由于服役环境引起的混凝土的耐久性劣化问题是人们长期关注的焦点和主要研究方向。
混凝土的多孔性使得环境中的侵蚀性物质很容易由其表面的孔隙通过扩散、渗透等方式进入混凝土内部，与混凝土材料发生反应或由于自身的物理变化引起混凝土材料破坏。混凝土表面涂层处理技术是现在使用较广泛的改善材料表面致密性的方法，但涂层本身的耐久性问题及其与混凝土之间粘结性较差的问题，限制了涂层的广泛使用。纳米材料研究的发展为混凝土材料研究开辟了新的研究方向，也为提升混凝土材料耐蚀性提供了新的思路。已有的研究表明，将纳米颗粒掺入新拌混凝土中，可以优化混凝土级配，促进颗粒成核长大，改善了混凝土的力学性能和长期耐久性。但是，硬化混凝土特别是既有混凝土结构中，使用纳米材料改善其耐蚀性能的研究还较少见。
发明内容
发明目的：为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于表层强化提升混凝土耐蚀性能的改性纳米氧化铝材料及其制备方法和应用。
技术方案：为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种改性纳米氧化铝材料，主要由以下重量份比例的原料制成：
15-18份硅烷偶联剂、1-2份纳米Al2O3、65-80份极性有机溶剂。
优选：
所述硅烷偶联剂选自APTES。
所述纳米Al2O3为平均粒径为8-12nm的γ相活性纳米氧化铝粉体。
所述极性有机溶剂为无水乙醇。
所述的改性纳米氧化铝材料的制备方法，包括以下步骤：
将纳米Al2O3分散在极性有机溶剂中，加入硅烷偶联剂，水浴搅拌反应，反应结束后，反复离心洗涤沉淀物，最后烘干至恒重，即得。
优选：
所述反应的温度为30℃，时间为20-28h。
所述离心的条件为：8000-12000r/min的速度，离心时间为4-6min，洗涤沉淀物采用无水乙醇进行洗涤。
所述的改性纳米氧化铝材料在提升混凝土耐蚀性能中的应用。
应用时，将所述改性纳米氧化铝材料分散在弱酸性水溶液环境中，制得稳定的改性纳米Al2O3溶胶，在外电场的作用下，带电胶体粒子定向迁移到混凝土表层。
本发明选用纳米Al2O3作为合成原料制备改性纳米溶胶，并且采用了外加电场的方式，在电势差的作用下将带正电的纳米氧化铝胶粒导入混凝土中。根据混凝土的孔径分布，此方法要求导入的粒子尺寸足够小并可以填充孔隙或者在孔隙中发生反应生成新的填充物，从而改善孔结构。除此之外，考虑到混凝土结构中的钢筋可以代替外加阴极，使用带正电的纳米胶体还可以对钢筋起到阴极保护的作用。本发明合成了一种带正电的硅烷偶联剂包裹纳米Al2O3，并探索其在电场作用下对混凝土表面处理后的作用和效果。带正电的纳米氧化铝胶体在外加电场的作用下会定向移动到混凝土构件内部，有效地填充了混凝土的孔结构，提高了混凝土孔结构的密实度，从而提升了混凝土的耐氯盐侵蚀能力。
技术效果：相对于现有技术，本发明将APTES接枝到纳米Al2O3表面，将其分散在弱酸性环境中使其表面带正电，从而保证在电场的作用下带电粒子可以大量地、快速迁移至混凝土中填充空隙，优化混凝土的孔径分布，提高了混凝土的耐氯离子侵蚀能力，不仅可作为普通混凝土表层强化，还可用于损伤混凝土表层修复。
说明书附图
图1电迁移纳米氧化铝示意图。
具体实施方式
实施例1
1、改性纳米氧化铝材料的制备：取10克γ相纳米Al2O3，加入500ml无水乙醇中，超声分散15min使纳米氧化铝粉体均匀分散，然后加入100ml硅烷偶联剂APTES(3- 氨丙基三乙氧基硅烷)，将此混合物置于30℃水浴锅中磁力搅拌24h。待反应完全后，使用离心机以10000r/min的速度离心分离修饰后的Al2O3，离心时间为5min。使用无水乙醇反复离心洗涤5次，去掉多余的有机物，最后在80℃干燥箱中烘干至恒重，即得到经过APTES修饰的纳米Al2O3粉体。
2、提升混凝土耐蚀性能中的应用
称取1g改性后的纳米Al2O3粉体，充分研磨之后加入499g去离子水，滴加数滴盐酸(1+1)溶液调节混合液pH为4-6，超声分散15min，即得到改性纳米Al2O3溶胶。
将提前配制的C30混凝土标准养护28d后进行切割，采用上述制备的改性纳米氧化铝材料处理切割后的混凝土试块，其使用方法为：将上述制得的改性纳米Al2O3溶胶，按照图1所示的原理装置来实现通电导入纳米胶体，即给混凝土构件一个外电场，将制得的带正电纳米氧化铝胶体接触混凝土表层，带正电纳米胶体粒子会在电势差的作用下定向迁移到混凝土表层。外加电源为直流电源，调整电流为20mA。
试验中，每天定时更换新配制的基于表层强化提升混凝土耐蚀性能的改性纳米氧化铝溶胶，混凝土试件通电7d后，将其取出置于标准养护室内养护7d，待其充分反应后，按照混凝土氯离子电通量实验方法(参考GB/T 50082)，测试混凝土电通量。
实施例2
与实施例1相同，不同之处在于，在进行电迁移试验时，提前配置的混凝土为C50混凝土。
实施例3
1、改性纳米氧化铝材料的原料重量份比例：
硅烷偶联剂：15份
平均粒径为10nm的γ相活性纳米氧化铝粉体：1份
极性有机溶剂：65份
2、制备方法同实施例1，不同之处仅在于如下：
反应时间为20h，离心的条件为：8000r/min的速度，离心时间为6min。
3、应用同实施例1，检测结果与实施例1基本相同。
实施例4
1、改性纳米氧化铝材料的原料重量份比例：
硅烷偶联剂：18份
平均粒径为10nm的γ相活性纳米氧化铝粉体2份
极性有机溶剂：80份
2、制备方法同实施例1，不同之处仅在于如下：
反应时间为28h，离心的条件为：12000r/min的速度，离心时间为4min。
3、应用同实施例1，检测结果与实施例1基本相同。
对比例1：
与实施例1相同，不同之处在于，在进行电迁移试验时，对比例中正极所盛溶液为自来水。
对比例2：
与实施例2相同，不同之处在于，在进行电迁移试验时，对比例中正极所盛溶液为自来水。
性能检测：
对上述实施例1、2及对比例1和2的混凝土电通量进行试验，结果如表一。
表一混凝土电通量测试结果
| 编号 | 电通量(C) |
| 实施例1 | 1242.1 |
| 实施例2 | 717.5 |
| 对比例1 | 1420.6 |
| 对比例2 | 746.1 |
由上表结果可得，与对比例1中C30混凝土相比，实施例1中经基于表层强化提升混凝土耐蚀性能的改性纳米氧化铝溶胶处理后，混凝电通量由1420.6C下降到1242.1C，与对比例2中C50混凝土相比，实施例2中经基于表层强化提升混凝土耐蚀性能的改性纳米氧化铝溶胶处理后，混凝土电通量由746.1C下降到717.5C。可以看出，该材料能够显著提升混凝土耐氯离子侵蚀性能，尤其是对低强度等级混凝土表层强化效果更好。
Claims (9)
1.一种改性纳米氧化铝材料，其特征在于，主要由以下重量份比例的原料制成：
15-18份硅烷偶联剂、1-2份纳米Al2O3、65-80份极性有机溶剂。
2.根据权利要求1所述的改性纳米氧化铝材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂选自APTES(3-氨丙基三乙氧基硅烷)。
3.根据权利要求1所述的改性纳米氧化铝材料，其特征在于，所述纳米Al2O3为平均粒径为8-12nm的γ相活性纳米氧化铝粉体。
4.根据权利要求1所述的改性纳米氧化铝材料，其特征在于，所述极性有机溶剂为无水乙醇。
5.权利要求1-4任一项所述的改性纳米氧化铝材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将纳米Al2O3分散在极性有机溶剂中，加入硅烷偶联剂，水浴搅拌反应，反应结束后，反复离心洗涤沉淀物，最后烘干至恒重，即得。
6.根据权利要求5所述的改性纳米氧化铝材料的制备方法，其特征在于，所述反应的温度为30℃，时间为20-28h。
7.根据权利要求5所述的改性纳米氧化铝材料的制备方法，其特征在于，所述离心的条件为：8000-12000r/min的速度，离心时间为4-6min，沉淀物采用无水乙醇进行洗涤。
8.权利要求1-4任一项所述的改性纳米氧化铝材料在提升混凝土耐蚀性能中的应用。
9.根据权利要求8的应用，其特征在于，将所述改性纳米氧化铝材料分散在弱酸性水溶液环境中，制得稳定的改性纳米Al2O3溶胶，在外电场作用下，带电胶体粒子定向迁移到混凝土表层。
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