CN109694224A - 一种梯度结构高耐久混凝土制品及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种梯度结构高耐久混凝土制品及其制备方法，所述混凝土制品由以下方法制备得到：1)拌和混凝土：以密实掺合料替代部分胶凝材料拌合得到混凝土；2)将混凝土倒入模具中成型，再经养护、脱模得到混凝土试件；3)对混凝土试件进行表面干燥处理，然后置于蒸压釜中在二氧化碳气氛下进行碳化养护，之后再进行标准养护得到梯度结构高耐久混凝土制品。本发明经碳化养护处理在混凝土试件表面形成由内向外逐渐密实的梯度结构，表层碳化致密层可提高混凝土材料的抗侵蚀性能，延长使用寿命，并且由于外层强度高，形成套箍效应“套箍效应”，可提高试件的抗变形能力，并可加快混凝土试件的硬化。

Description

一种梯度结构高耐久混凝土制品及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种梯度结构高耐久混凝土制品及其制备方法。

背景技术

混凝土材料是一种复杂的多孔非均质体，其孔隙主要有凝胶孔(主要是指凝胶颗粒间的孔隙)、毛细孔和少量水泥石内部缺陷和微裂纹，外界的有害气体或液体容易通过混凝土的孔隙结构向混凝土内部传输或扩散，因此虽然影响耐久性因素较多且破坏侵蚀过程复杂，混凝土的耐久性能主要还是与其抵抗外部有害气体或液体向其内部渗透的能力有关。目前国内外提出的对混凝土材料进行改性提高耐久性主要包括三个方面：一是大量使用活性掺合料，如专利《一种提高普通混凝土耐久性的复合掺合料及其制备方法》(申请号：201510876654.5)和《一种混凝土抗侵蚀剂及其制备方法和应用》(申请号：200910045612.1)以粉煤灰、废渣、尾矿等活性掺合料大比例取代水泥，降低了混凝土的孔隙率，但由于水泥的减少，不利于早期强度的发挥；二是适当调整水泥熟料矿物体系，如专利《抗侵蚀低钙硅酸盐水泥及其制备方法》(申请号：201510729601.0)通过提高水泥中贝利特含量，降低铝酸三钙含量来提升其抗离子侵蚀性能，并引入微膨胀的MgO来提升材料的抗裂性能；三是采用表面防护措施，如《一种抗碳化抗氯离子弹性建筑涂层》(申请号：201020263050.6)和《一种用于氯盐侵蚀环境的钢筋混凝土基体防护涂层》(申请号：201520631929.4)以多种高分子涂料在混凝土表面刷多层保护层，提高材料的抗碳化抗离子侵蚀能力，这样的防护措施直接而高效，但是在光照条件下易老化，且由于与基体之间界面处热膨胀系数的巨大差异而容易剥落，存在耐久性不足的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种梯度结构高耐久混凝土制品及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

提供一种梯度结构高耐久混凝土制品，所述混凝土制品由以下方法制备得到：

1)拌和混凝土：以密实掺合料替代部分胶凝材料拌合得到混凝土；

2)将步骤1)所得混凝土倒入模具中成型，再经养护、脱模得到混凝土试件；

3)对步骤2)所得混凝土试件进行表面干燥处理，然后置于蒸压釜中在二氧化碳气氛下进行碳化养护，之后再进行标准养护得到梯度结构高耐久混凝土制品。

按上述方案，步骤1)所述密实掺合料为钙橄榄石粉或者钙橄榄石粉与硅钙石粉的混合物，混合物中钙橄榄石粉的占比≥50wt％，并且密实掺合料比表面积为5000～6800cm²·g^-1。

按上述方案，步骤1)所述胶凝材料为普通硅酸盐水泥。即GB175-2007规定的通用水泥。

按上述方案，步骤1)以密实掺合料替代部分胶凝材料，替代率为15-30％。按照普通混凝土实验国家标准《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中的方法拌和混凝土。

按上述方案，步骤2)所述养护条件为：温度20℃±2℃，湿度不小于95％，养护时间24h。

按上述方案，步骤3)所述表面干燥处理条件为：相对湿度为20±5％，温度为50±10℃，干燥处理时间为24h。

按上述方案，步骤3)置于蒸压釜中在二氧化碳气氛下进行碳化养护的条件为：相对湿度为70％以上，温度为0-30℃，蒸压釜中二氧化碳的浓度为90％以上，蒸压釜内气体总压力为0.2-0.5MPa，养护时间为4-12h。

按上述方案，步骤3)标准养护条件为：相对湿度大于95％、温度20±5℃条件下养护至28天龄期，或者置于温度20±5℃的水中养护至28天龄期。龄期包括从拌合、成型、脱模、干燥、碳化到标准养护的全过程。

本发明还包括上述梯度结构高耐久混凝土制品的制备方法，具体步骤如下：

1)拌和混凝土：以密实掺合料替代部分胶凝材料拌合得到混凝土；

2)将步骤1)所得混凝土倒入模具中成型，再经养护、脱模得到混凝土试件；

3)对步骤2)所得混凝土试件进行表面干燥处理，然后置于蒸压釜中在二氧化碳气氛下进行碳化养护，之后再进行标准养护得到梯度结构高耐久混凝土制品。

本发明在混凝土中引入密实填充作用的掺合料，并通过表面碳化强化，对材料进行改性，得到外层致密的具有梯度结构的混凝土制品，在提升或者保持混凝土试件力学性能的前提下，有效提高试件的抗离子侵蚀性能，由于碳化中和了试件表层的碱性，因此减少了试件使用过程中的泛碱现象，同时碳化强化养护过程中可吸收固定二氧化碳，达到低碳减排的效果。本发明的碳化强化过程示意图如图1所示。

本发明所掺入的密实掺合料具有与水反应活性低、与二氧化碳反应活性高的特点，其直接与二氧化碳发生碳化反应后，体积会发生巨大的膨胀，填充孔隙，提高力学性能，由于二氧化碳的侵入是由表及里的过程，因此碳化过后试件会形成由内向外逐渐密实的梯度结构。另一方面，密实掺合料比表面积远大于水泥，能够起到填充和水化产物成核位点的作用，弥补由于替代部分水泥带来的强度损失。

本发明的有益效果在于：1、本发明提供的碳化养护处理后的混凝土试件，形成由内向外逐渐密实的梯度结构，表层碳化致密层可提高混凝土材料的抗侵蚀性能，延长使用寿命，并且由于外层强度高，形成套箍效应“套箍效应”，可提高试件的抗变形能力，在碳化后的养护过程中，密实掺合料填充内部孔隙，并可促进水化产物的生长，一定程度上加快混凝土试件的硬化；2、本发明碳化养护过程可以大量吸收二氧化碳，有助于降低建筑材料全寿命周期的碳排放。

附图说明

图1为本发明梯度结构高耐久混凝土制品的碳化强化过程示意图；

图2为实施例1及对照组所制备的混凝土制品的碳化程度和孔隙率测试图；

图3为实施例2及对照组所制备的混凝土制品的碳化程度和孔隙率测试图；

图4为实施例3及对照组所制备的混凝土制品的碳化程度和孔隙率测试图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1

一种梯度结构高耐久混凝土制品，制备方法包括如下步骤：

(1)选取普通硅酸盐水泥配制C40混凝土的配方，以钙橄榄石粉(勃氏比表面积6800cm²·g^-1)作为密实掺合料替代15％的水泥组分，按照国标规定的拌合、成型工艺成型，在湿度>95％、温度20±2℃的标准养护室中养护1天脱模得到混凝土试件；

(2)将步骤(1)所得混凝土试件置于50℃、相对湿度20％的干燥箱中干燥24h，然后置于蒸压釜中在二氧化碳气氛下进行碳化养护，养护条件为温度10℃、二氧化碳浓度为90％、相对湿度为70％，碳化养护时间为12h，蒸压釜内气压0.5MPa；

(3)碳化完毕的试件放入湿度>95％、温度20±2℃的标准养护室中养护至28d龄期(龄期包括从拌合、成型、脱模、干燥、碳化到标准养护的全过程)得到梯度结构高耐久混凝土制品。

按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》和JGJ/T 193-2009《混凝土耐久性检验评定标准》对本实施例制备的样品的力学性能和耐久性能进行测试，并以不掺密实掺合料，未经干燥、碳化养护制备的样品作为对照组。

结果显示，对照组的普通混凝土试件的耐压强度为46.3MPa，氯离子扩散系数为2.8×10^-12m²/s，28天抗海水侵蚀系数为0.81。而采用本方法改性的混凝土试件的耐压强度为54.4MPa，氯离子扩散系数为1.8×10^-12m²/s，28天抗海水侵蚀系数为0.97。

如图2所示为本实施例及对照组所制备的混凝土试件的碳化程度和孔隙率测试图，从图中可以看出，本实施例制备的试件的碳化层厚度约为7cm，距表面的距离越短，碳酸钙含量越高，代表其碳化程度越高，对应位置的孔隙率越低，表明形成了由内向外逐渐密实的梯度结构。

实施例2

一种梯度结构高耐久混凝土制品，制备方法包括如下步骤：

(1)选取粉煤灰硅酸盐水泥配制C50混凝土的配方，以硅钙石粉、钙橄榄石粉按质量比5:5复配的密实掺合料(勃氏比表面积为5410cm²·g^-1)替代15％的水泥组分，按照国标规定的拌合、成型工艺成型，在湿度>95％、温度20±2℃的标准养护室中养护1天脱模得到混凝土试件；

(2)将步骤(1)所得混凝土试件置于50℃、相对湿度20％的干燥箱中干燥24h，然后置于蒸压釜中在二氧化碳气氛下进行碳化养护，养护条件为温度30℃、二氧化碳浓度为99％、相对湿度为90％，碳化养护时间为4h，蒸压釜内气压0.2MPa；

(3)碳化完毕的试件放入湿度>95％，温度20±2℃的标准养护室中养护至28d龄期得到梯度结构高耐久混凝土制品。

按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》和JGJ/T 193-2009《混凝土耐久性检验评定标准》对本实施例制备的样品的力学性能和耐久性能进行测试，并以不掺密实掺合料，未经干燥、碳化养护制备的样品作为对照组。

结果显示，对照组的普通混凝土试件的28d耐压强度为63.6MPa，28d氯离子扩散系数为2.3×10^-12m²/s，28d抗海水侵蚀系数为0.92。而采用本方法改性的混凝土试件的28d耐压强度为66.8MPa，28d氯离子扩散系数为1.5×10^-12m²/s，28d抗海水侵蚀系数为1.0。

如图3所示为本实施例及对照组所制备的混凝土试件的碳化程度和孔隙率测试图，从图中可以看出，本实施例制备的试件碳化致密层厚度约为4-5cm，从图中可以看出，距表层距离越短，碳酸钙含量越高，代表其碳化程度越高，对应位置的孔隙率越低。

实施例3

一种梯度结构高耐久混凝土制品，制备方法包括如下步骤：

(1)选取矿渣硅酸盐水泥配制C50混凝土的配方，以硅钙石粉、钙橄榄石粉按质量比2:8复配的密实掺合料(勃氏比表面积为5000cm²·g^-1)替代30％的水泥组分，按照国标规定的拌合、成型工艺成型，在湿度>95％、温度20±2℃的标准养护室中养护1天脱模得到混凝土试件；

(2)将步骤(1)所得混凝土试件置于50℃、相对湿度20％的干燥箱中干燥24h，然后置于蒸压釜中在二氧化碳气氛下进行碳化养护，养护条件为温度20℃、二氧化碳浓度为95％、相对湿度为90％，碳化养护时间为8h，蒸压釜内气压0.5MPa；

(3)碳化完毕的试件放入湿度>95％，温度20±2℃的标准养护室中养护至28d龄期得到梯度结构高耐久混凝土制品。

按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》和JGJ/T 193-2009《混凝土耐久性检验评定标准》对本实施例制备的样品的力学性能和耐久性能进行测试，并以不掺密实掺合料，未经干燥、碳化养护制备的样品作为对照组。

结果显示，对照组的普通混凝土试件的28d耐压强度为65.9MPa，28d氯离子扩散系数为1.8×10^-12m²/s，28d抗海水侵蚀系数为0.95。而采用本方法改性的混凝土试件的28d耐压强度为64.8MPa，28d氯离子扩散系数为1.3×10^-12m²/s，28d抗海水侵蚀系数为1.0。

如图4所示为本实施例及对照组所制备的混凝土试件的碳化程度和孔隙率测试图，从图中可以看出，本实施例制备的试件碳化致密层厚度约为5cm，从图中可以看出，距表层距离越短，碳酸钙含量越高，代表其碳化程度越高，对应位置的孔隙率越低。

Claims (9)

1.一种梯度结构高耐久混凝土制品，其特征在于，所述混凝土制品由以下方法制备得到：

1)拌和混凝土：以密实掺合料替代部分胶凝材料拌合得到混凝土；

2)将步骤1)所得混凝土倒入模具中成型，再经养护、脱模得到混凝土试件；

3)对步骤2)所得混凝土试件进行表面干燥处理，然后置于蒸压釜中在二氧化碳气氛下进行碳化养护，之后再进行标准养护得到梯度结构高耐久混凝土制品。

2.根据权利要求1所述的梯度结构高耐久混凝土制品，其特征在于，步骤1)所述密实掺合料为钙橄榄石粉或者钙橄榄石粉与硅钙石粉的混合物，混合物中钙橄榄石粉的占比≥50wt％，并且密实掺合料比表面积为5000～6800cm²·g^-1。

3.根据权利要求1所述的梯度结构高耐久混凝土制品，其特征在于，步骤1)所述胶凝材料为普通硅酸盐水泥。

4.根据权利要求1所述的梯度结构高耐久混凝土制品，其特征在于，步骤1)以密实掺合料替代部分胶凝材料，替代率为15-30％。

5.根据权利要求1所述的梯度结构高耐久混凝土制品，其特征在于，步骤2)所述养护条件为：温度20℃±2℃，湿度不小于95％，养护时间24h。

6.根据权利要求1所述的梯度结构高耐久混凝土制品，其特征在于，步骤3)所述表面干燥处理条件为：相对湿度为20±5％，温度为50±10℃，干燥处理时间为24h。

7.根据权利要求1所述的梯度结构高耐久混凝土制品，其特征在于，步骤3)置于蒸压釜中在二氧化碳气氛下进行碳化养护的条件为：相对湿度为70％以上，温度为0-30℃，蒸压釜中二氧化碳的浓度为90％以上，蒸压釜内气体总压力为0.2-0.5MPa，养护时间为4-12h。

8.根据权利要求1所述的梯度结构高耐久混凝土制品，其特征在于，步骤3)标准养护条件为：相对湿度大于95％、温度20±5℃条件下养护至28天龄期，或者置于温度20±5℃的水中养护至28天龄期。

9.一种权利要求1-8任一所述的梯度结构高耐久混凝土制品的制备方法，具体步骤如下：

1)拌和混凝土：以密实掺合料替代部分胶凝材料拌合得到混凝土；

2)将步骤1)所得混凝土倒入模具中成型，再经养护、脱模得到混凝土试件；

3)对步骤2)所得混凝土试件进行表面干燥处理，然后置于蒸压釜中在二氧化碳气氛下进行碳化养护，之后再进行标准养护得到梯度结构高耐久混凝土制品。