CN110255948A - 混凝土抗裂自修复剂及其制备方法与抗裂自修复混凝土 - Google Patents

混凝土抗裂自修复剂及其制备方法与抗裂自修复混凝土 Download PDF

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Abstract

本发明涉及混凝土的技术领域，具体涉及混凝土抗裂自修复剂及其制备方法与抗裂自修复混凝土，混凝土抗裂自修复剂，其包括如下重量份的组分：膨胀填料35‑80份，硅酸镁铝触变剂0.1‑1份，聚乙烯醇纤维0.1‑2份，纳米级炭黑1‑3份，葡萄糖2‑5份和酪蛋白3‑8份；所述纳米级炭黑的粒径为20‑80nm；通过将抗裂自修复剂添加至混凝土中，当混凝土表面出现裂缝时，自修复剂的作用，会使裂缝内遇水软化、膨胀并重塑固化，从而将裂缝封堵，实现了混凝土的裂缝自修复功能，同时提高了混凝土的抗压强度；本发明的抗裂自修复剂可以在混凝土加工搅拌时，随混凝土的原料一起混合搅拌，不影响混凝土的正常加工操作，实用性强。

Description

混凝土抗裂自修复剂及其制备方法与抗裂自修复混凝土
技术领域
本发明涉及混凝土的技术领域，具体涉及一种混凝土抗裂自修复剂及其制备方法与抗裂自修复混凝土。
背景技术
混凝土是当今世界上用量最大、用途最广的建筑材料，但其脆性的本质特征使其抗裂性能差，在施工或长期使用过程中极易产生微裂缝，这些裂缝的存在及扩大势必影响混凝土的强度及耐久性。
为了降低混凝土开裂对其强度和耐久性造成的影响，目前已出现多种对混凝土进行自修复的手段。根据修复的原理主要可分为基于物理、化学、生物原理的三大类修复手段，基于物理学原理的修复手段主要是利用形状记忆合金来进行自修复；基于化学反应原理的修复手段主要包括利用在混凝土内放置含有修复剂的胶囊或中空玻璃管进行自修复；基于生物化学反应原理的修复手段则主要是利用微生物进行混凝土的自修复。
目前，利用形状记忆合金(SMA丝)和液芯光纤对复合材料结构中的损伤进行自诊断、自修复，采用E44和E51的环氧树脂做粘结剂，在混凝土中埋入形状记忆合金和液芯光纤，光纤的出射光由光敏管接受，当损伤发生时，由液芯光纤组成的自诊断、自修复网络使胶液流入损伤处，同时局部激励损伤处的SMA短纤维，产生局部压应力，使损伤处的液芯光纤断裂，胶液流出，对损伤处进行自修复，而且当液芯光纤内所含的胶粘剂流到损伤处后，SMA激励时所产生的热量将大大提高固化的质量，使得自修复完成得更好。但是，由于形状记忆合金修复手段的智能化和高科技要求，其投入成本昂贵，目前尚未能够在混凝土的抗裂自修复领域中得到广泛的推广和应用。
采用内置修复剂的胶囊进行自修复，需要预先制备微胶囊，而微胶囊的制备工艺较为复杂，不利于大规模的推广和应用。掺入中空玻璃管对混凝土的搅拌加工过程造成影响，增加了混凝土的加工难度。
利用微生物进行混凝土的自修复，机理主要是利用微生物诱导形成的碳酸钙沉淀来修复混凝土的裂缝。该技术是预先在新拌混凝土中添加特殊的微生物和合适的底物，当混凝土表面出现裂缝时，混凝土中的微生物便与底物在裂缝处发生反应形成碳酸钙沉淀，所生成的碳酸钙沉淀可以填充或者修复裂缝。但是，该手段受细菌种类及底物性质的影响较大，并且不同的细菌对生存环境的要求不同，例如酸碱性和好氧性等，故该修复手段的应用也受到限制。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种混凝土抗裂自修复剂，可以在混凝土加工时直接掺入混凝土原料中一起搅拌加工，并且能够有效的修复混凝土的裂缝。
本发明的第一个目的通过以下技术方案来实现：
一种混凝土抗裂自修复剂，其包括如下重量份的组分：膨胀填料35-80份，硅酸镁铝触变剂0.1-1份，聚乙烯醇纤维0.1-2份，纳米级炭黑1-3份，葡萄糖2-5份和酪蛋白3-8份；所述纳米级炭黑的粒径为20-80nm。
通过采用上述技术方案，聚乙烯醇纤维的主要特点是强度高、模量高、耐磨、抗酸碱、耐候性好，与水泥、石膏等基材有良好的亲和力和结合性；聚乙烯醇纤维埋入混凝土中长时间不发霉、不腐烂、不虫蛀，可以为自修复剂提供稳定的网架支撑。膨胀填料填充在聚乙烯醇纤维的网状架构中，起到填充和膨胀的作用。纳米级的碳黑(carbon black)，又名炭黑，是一种无定形碳，轻、松而极细的黑色粉末，表面积非常大，范围从10～3000m2/g；选用10-90nm的碳黑，其力学性能属于纳米尺度力学，使炭黑以枝状纳米粒子链的形式分散于混凝土的混合料中，并结合吸附聚乙烯醇纤维及其他组分粒子，使炭黑粉与聚乙烯醇纤维共同起传递应力的作用；当外力作用时，吸附在炭黑粒子表面的粒子滑动困难，粒子链的重新定向会耗散较多能量，延缓裂纹产生，从而可以抑制混凝土裂缝的产生。葡萄糖的加入主要起润滑的作用，经过大量实验证明，加入葡萄糖对混凝土的凝固成型影响不大，但是一旦混凝土开裂且有水渗入后，凝固的混凝土会软化，从而可以在裂缝处重塑而实现裂缝的自我修复。硅酸镁铝触变润滑剂的基本材料采自片层状的硅酸盐矿物材料，加入到混凝土中，这些片层状硅酸盐矿物材料能够形成一种“卡片宫”式的缔合网络结构，该结构非常的稳定，可对自修复剂中的膨胀填料、纳米级炭黑等固体颗粒和气体产生稳定、有效而均质的托举和悬浮，防止它们因重力作用而下沉，从而可以提高自修复剂在混凝土中的分散均匀性，使其可以发挥更好的抗裂自修复作用。酪蛋白，又称干酪素，它可以与不同类型水泥中的钙离子结合形成可溶性复合物，并且酪蛋白吸收水分后会迅速膨胀，而酪蛋白自身的分子之间不结合，因此酪蛋白在膨胀过程中可携带不同类型水泥中的钙离子充分在拌和物内扩散，使裂缝内的水泥颗粒、水、钙离子可以充分接触而使水泥充分水化，实现混凝土裂缝的自我修复，提高了混凝土的耐久性和强度。
作为优选，其包括如下重量份的组分：膨胀填料45-60份，硅酸镁铝触变剂0.3-0.8份，聚乙烯醇纤维0.5-1.5份，纳米级炭黑1.5-2.5份，葡萄糖3-4份和酪蛋白4-7份。
作为优选，所述聚乙烯醇纤维的长度为10-15mm，直径为10-15μm。
通过采用上述技术方案，采用聚乙烯醇短纤维，其抗拉强度在1200MPa以上，并且可以在混凝土中分散的更加均匀，从而使自修复剂的网状骨架结构受力均衡，避免因局部剪切力过大而使自修复剂断路导致该处形成裂缝时难以自我修复，使自修复剂可以更好的发挥自修复作用。
作为优选，所述膨胀填料包括硫铝酸钙、氧化钙或微硅粉中的一种或多种。
通过采用上述技术方案，硫铝酸钙、氧化钙和微硅粉可以与水迅速反应生成钙矾石、氢氧化钙等晶体，填充孔隙和裂缝，提高混凝土的强度；在混凝土出现裂缝后，起到膨胀填充裂缝的作用，实现裂缝的自修复。
作为优选，其还包括聚丙烯腈基碳纤维0.5-2.5重量份。
通过采用上述技术方案，聚丙烯腈基碳纤维具有比重轻、密度小、耐磨、耐疲劳、耐酸碱、吸附性强等优点，其抗拉强度在3500MPa以上，是钢的7-9倍，抗拉弹性模量为23000MPa以上，也高于钢，但是比重比钢小很多。将其添加在自修复剂中，一方面可以配合聚乙烯醇纤维，起到网状骨架支撑的作用；另一方面聚丙烯腈基碳纤维的吸附性强，从而使其更易与炭黑颗粒吸附而共同传递应力，起到抗裂的作用。
作为优选，所述聚丙烯腈基碳纤维为1-2重量份。
作为优选，所述聚丙烯腈基碳纤维的长度为8-12mm，直径为6-8μm。
通过采用上述技术方案，聚丙烯腈基碳纤维的尺寸小于聚乙烯醇纤维，主要目的在于：聚丙烯腈基碳纤维主要的作用是与炭黑颗粒吸附结合而共同传递应力，并随其他组分一起穿插填充在聚乙烯醇纤维构成的网状架构中，使自修复剂具有“网中网”的空间架构，提高自修复剂的稳定性以及对混凝土的抗裂修复性能。
本发明的第二个目的是提供上述混凝土抗裂自修复剂的制备方法，其包括如下操作步骤：按重量份将硅酸镁铝触变剂、葡萄糖、膨胀填料、聚乙烯醇纤维、纳米级炭黑和酪蛋白混合，搅拌均匀即得。
本发明的第三个目的是提供上述添加有聚丙烯腈基碳纤维的混凝土抗裂自修复剂的制备方法，其包括如下操作步骤：将聚丙烯腈基碳纤维和2/3的纳米级炭黑混合并搅拌均匀，得到混合料A；将膨胀填料、聚乙烯醇纤维、余量的纳米级炭黑、硅酸镁铝触变剂、葡萄糖和酪蛋白加入混合料A中，混合搅拌均匀即得。
通过采用上述技术方案，先将聚丙烯腈基碳纤维和多半的纳米级炭黑混合，使两者预先相互吸附结合，然后再加入其它原料及余量的纳米级炭黑，混合均匀即得，制备操作简单。
本发明的第四个目的是提供一种应用上述自修复剂的抗裂自修复混凝土，其包括胶凝材料，粗骨料，细骨料，混凝土抗裂自修复剂和水，所述混凝土抗裂自修复剂的掺量为胶凝材料掺量的0.8％-1.5％。
通过采用上述技术方案，将本发明的抗裂自修复剂添加到混凝土中，对混凝土的裂缝起到修复的作用，实现了混凝土的抗裂自修复，可以提高混凝土的耐久性。
综上所述，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的混凝土抗裂自修复剂，当混凝土出现裂缝时，裂缝内遇水即开始软化、膨胀和重塑并将裂缝封堵，实现了混凝土裂缝的自我修复，提高了混凝土的抗压强度和抗渗能力，使混凝土的28d抗压强度最高达到53.6MPa，28+28d抗压强度最高达到54.7MPa，抗渗等级高达P11，可以在有效修复混凝土裂缝的同时，提高混凝土的强度；
(2)本发明的自修复剂具有制备操作简单，可直接在搅拌加工混凝土的时候加入混凝土原料中，不影响混凝土的正常加工，实用性强。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的内容进行进一步的说明。
硅酸镁铝触变剂选用TEROGEL KW，高聚物改性自由流动的灰白色细微粉末，密度为1.68g/cm3，非挥发含量为99％；酪蛋白选自河北鸿韬生物工程有限公司；纳米级炭黑的粒径为20-80nm；聚乙烯醇纤维选用长度为10-15mm、直径为10-15μm尺寸的纤维；聚丙烯腈基碳纤维选用长度为8-12mm、直径为6-8μm尺寸的纤维。
实施例1
一种混凝土抗裂自修复剂，其通过如下方法制备得到：将硫铝酸钙35kg，硅酸镁铝触变剂0.1kg，聚乙烯醇纤维0.3kg，纳米级炭黑1kg，葡萄糖2kg和酪蛋白3kg加入搅拌机内，混合搅拌均匀即得。
实施例2
一种混凝土抗裂自修复剂，其通过如下方法制备得到：将硫铝酸钙10kg，氧化钙35kg，硅酸镁铝触变剂0.3kg，聚乙烯醇纤维0.1kg，纳米级炭黑1.5kg，葡萄糖3kg和酪蛋白4kg加入搅拌机内，混合搅拌均匀即得。
实施例3
一种混凝土抗裂自修复剂，其通过如下方法制备得到：将微硅粉20kg，氧化钙32kg，硅酸镁铝触变剂0.5kg，聚乙烯醇纤维1kg，纳米级炭黑1.8kg，葡萄糖3.4kg和酪蛋白5kg加入搅拌机内，混合搅拌均匀即得。
实施例4
一种混凝土抗裂自修复剂，其通过如下方法制备得到：将氧化钙60kg，硅酸镁铝触变剂0.8kg，聚乙烯醇纤维1.5kg，纳米级炭黑2.5kg，葡萄糖4kg和酪蛋白7kg加入搅拌机内，混合搅拌均匀即得。
实施例5
一种混凝土抗裂自修复剂，其通过如下方法制备得到：将硫铝酸钙25kg，微硅粉15kg，氧化钙18kg，硅酸镁铝触变剂0.5kg，聚乙烯醇纤维0.5kg，纳米级炭黑2kg，葡萄糖3.7kg和酪蛋白6kg加入搅拌机内，混合搅拌均匀即得。
实施例6
一种混凝土抗裂自修复剂，其通过如下方法制备得到：将硫铝酸钙45kg，氧化钙35kg，硅酸镁铝触变剂1kg，聚乙烯醇纤维2kg，纳米级炭黑3kg，葡萄糖5kg和酪蛋白8kg加入搅拌机内，混合搅拌均匀即得。
实施例7
一种混凝土抗裂自修复剂，其通过如下方法制备得到：将聚丙烯腈基碳纤维0.5kg和0.67kg的纳米级炭黑搅拌混合均匀，得到混合料A；向混合料A中加入硫铝酸钙35kg，硅酸镁铝触变剂0.1kg，聚乙烯醇纤维0.1kg，葡萄糖2kg，酪蛋白3kg和纳米级炭黑0.33kg，混合搅拌均匀即得。
实施例8
一种混凝土抗裂自修复剂，其通过如下方法制备得到：将聚丙烯腈基碳纤维1kg和1kg的纳米级炭黑搅拌混合均匀，得到混合料A；向混合料A中加入氧化钙50kg，硅酸镁铝触变剂0.4kg，聚乙烯醇纤维0.5kg，葡萄糖2.8kg，酪蛋白4.7kg和纳米级炭黑0.5kg，混合搅拌均匀即得。
实施例9
一种混凝土抗裂自修复剂，其通过如下方法制备得到：将聚丙烯腈基碳纤维1.8kg和1.4kg的纳米级炭黑搅拌混合均匀，得到混合料A；向混合料A中加入微硅粉50kg，硅酸镁铝触变剂0.6kg，聚乙烯醇纤维1.5kg，葡萄糖3.5kg，酪蛋白6kg和纳米级炭黑0.7kg，混合搅拌均匀即得。
实施例10
一种混凝土抗裂自修复剂，其通过如下方法制备得到：将聚丙烯腈基碳纤维2kg和2kg的纳米级炭黑搅拌混合均匀，得到混合料A；向混合料A中加入硫铝酸钙35kg，氧化钙20kg，硅酸镁铝触变剂0.8kg，聚乙烯醇纤维1.5kg，葡萄糖4kg，酪蛋白7kg和纳米级炭黑1kg，混合搅拌均匀即得。
实施例11
一种混凝土抗裂自修复剂，其通过如下方法制备得到：将聚丙烯腈基碳纤维2.5kg和2kg的纳米级炭黑搅拌混合均匀，得到混合料A；向混合料A中加入硫铝酸钙50kg，氧化钙30kg，硅酸镁铝触变剂1kg，聚乙烯醇纤维2kg，葡萄糖5kg，酪蛋白8kg和纳米级炭黑1kg，混合搅拌均匀即得。
应用例1-11
将实施例1-11的自修复剂按照如下表1的重量份分别加入至应用例1-11的混凝土原料中，然后对混合料进行拌和，搅拌均匀后分别得到应用例1-11的抗裂自修复混凝土。其中，胶凝材料包括PO 42.5级水泥和II级粉煤灰；粗骨料为粒径在5-15mm内的连续级配石子；细骨料为连续级配中砂。
对比例1
对比例1的混凝土与应用例3的混凝土区别在于自修复剂的组成不同，对比例1中的自修复剂具体包括如下组分：微硅粉20kg，氧化钙31kg，聚乙烯醇纤维1kg，纳米级炭黑1.8kg，葡萄糖3.5kg和酪蛋白5kg。
对比例2
对比例2的混凝土与应用例3的混凝土区别在于自修复剂的组成不同，对比例2中的自修复剂具体包括如下组分：微硅粉22kg，氧化钙30kg，硅酸镁铝触变剂0.5kg，纳米级炭黑2kg，葡萄糖3.5kg和酪蛋白4.7kg。
对比例3
对比例3的混凝土与应用例3的混凝土区别在于自修复剂的组成不同，对比例3中的自修复剂具体包括如下组分：微硅粉21kg，氧化钙33kg，硅酸镁铝触变剂0.5kg，聚乙烯醇纤维1.1kg，葡萄糖3.4kg和酪蛋白5kg。
对比例4
对比例4的混凝土与应用例3的混凝土区别在于自修复剂的组成不同，对比例4中的自修复剂具体包括如下组分：微硅粉20kg，氧化钙31kg，硅酸镁铝触变剂0.5kg，葡萄糖3.5kg和酪蛋白5kg。
对比例5
对比例5的混凝土与应用例9的混凝土区别在于自修复剂的制备方法不同，对比例5中的自修复剂制备方法具体如下：聚丙烯腈基碳纤维1.8kg，纳米级炭黑2.1kg，微硅粉50kg，硅酸镁铝触变剂0.6kg，聚乙烯醇纤维1.5kg，葡萄糖3.5kg，酪蛋白6kg和纳米级炭黑0.7kg，全部加入搅拌机中，混合搅拌均匀得到。
空白组
空白组的混凝土的各原料见表1。
表1应用例1-11和对比例1-5的混凝土原料含量(单位/(×5g))
水泥 粉煤灰 砂子 石子 水 混凝土抗裂自修复剂
应用例1 500 78 479 1231 190 2.3
应用例2 500 78 479 1231 190 2.5
应用例3 500 78 479 1231 190 3.0
应用例4 500 78 479 1231 190 2.8
应用例5 500 78 479 1231 190 3.7
应用例6 500 78 479 1231 190 4.2
应用例7 500 78 479 1231 190 3.0
应用例8 500 78 479 1231 190 3.5
应用例9 500 78 479 1231 190 4.0
应用例10 500 78 479 1231 190 4.2
应用例11 500 78 479 1231 190 3.6
对比例1 500 78 479 1231 190 3.0
对比例2 500 78 479 1231 190 3.0
对比例3 500 78 479 1231 190 3.0
对比例4 500 78 479 1231 190 3.0
对比例5 500 78 479 1231 190 4.0
空白组 500 78 479 1231 190 0
效果例
参照GB/T50081-2002，混凝土力学性能试验方法标准，对实施例1-11、对比例1-5和空白组中的混凝土试块进行力学性能测试；参照GB/T50082-2009，普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准，对实施例1-11和对比例1-5中的混凝土试块进行耐久性能测试，测试结果具体见表2所示。
表2应用例1-11、对比例1-5和空白组的混凝土的性能检测结果
表2中，7+7d抗压强度是指标准养护7d的混凝土试块预制裂缝后重新养护7d后的抗压强度，28+28d抗压强度是指标准养护28d的混凝土试块预制裂缝后重新养护28d后的抗压强度。由表2的检测结果表明，本发明的自修复剂添加入混凝土后，对混凝土的抗压强度和抗裂能力与未添加自修复剂的混凝土相比均具有显著提高，28d抗压强度最高达到53.6MPa，28+28d抗压强度最高达到54.7MPa，抗渗等级高达P11。通过7+7d抗压强度和28+28d抗压强度的结果显示，本发明的自修复剂对开裂混凝土具有自修复的作用，并且修复的同时会进一步对混凝土起到补强的作用，从而使混凝土的强度有进一步的增强。
由对比例1的结果可知，硅酸镁铝触变剂对混凝土的强度影响较大，对抗裂性能有轻微影响。由对比例2和对比例3的结果表明，缺失了聚乙烯醇纤维和炭黑，自修复剂对混凝土的抗裂修复能力大大下降，初裂时间提前，抗渗性能下降，抗压强度也大大下降，且与空白组相差不大。通过对比例4的检测结果表明，聚乙烯醇纤维和炭黑之间存在协同的关系，单独添加某一组分的效果与空白组以及不添加两组分的效果差距不大。由对比例5的结果表明，本发明自修复剂的制备过程中，聚丙烯腈基碳纤维与纳米级炭黑的预先混合对自修复剂的修复性能存在一定的影响。
上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种混凝土抗裂自修复剂，其特征在于，其包括如下重量份的组分：膨胀填料35-80份，硅酸镁铝触变剂0.1-1份，聚乙烯醇纤维0.1-2份，纳米级炭黑1-3份，葡萄糖2-5份和酪蛋白3-8份；所述纳米级炭黑的粒径为20-80nm。
2.根据权利要求1所述的混凝土抗裂自修复剂，其特征在于，其包括如下重量份的组分：膨胀填料45-60份，硅酸镁铝触变剂0.3-0.8份，聚乙烯醇纤维0.5-1.5份，纳米级炭黑1.5-2.5份，葡萄糖3-4份和酪蛋白4-7份。
3.根据权利要求1所述的混凝土抗裂自修复剂，其特征在于：所述聚乙烯醇纤维的长度为10-15mm，直径为10-15μm。
4.根据权利要求1所述的混凝土抗裂自修复剂，其特征在于，所述膨胀填料包括硫铝酸钙、氧化钙或微硅粉中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的混凝土抗裂自修复剂，其特征在于：其还包括聚丙烯腈基碳纤维0.5-2.5重量份。
6.根据权利要求5所述的混凝土抗裂自修复剂，其特征在于：所述聚丙烯腈基碳纤维为1-2重量份。
7.根据权利要求5所述的混凝土抗裂自修复剂，其特征在于：所述聚丙烯腈基碳纤维的长度为8-12mm，直径为6-8μm。
8.一种权利要求1-4任一项所述的混凝土抗裂自修复剂的制备方法，其特征在于，其包括如下操作步骤：按重量份将硅酸镁铝触变剂、葡萄糖、膨胀填料、聚乙烯醇纤维、纳米级炭黑和酪蛋白混合，搅拌均匀即得。
9.一种权利要求5-7任一项所述的混凝土抗裂自修复剂的制备方法，其特征在于，其包括如下操作步骤：将聚丙烯腈基碳纤维和2/3的纳米级炭黑混合并搅拌均匀，得到混合料A；将膨胀填料、聚乙烯醇纤维、余量的纳米级炭黑、硅酸镁铝触变剂、葡萄糖和酪蛋白加入混合料A中，混合搅拌均匀即得。
10.一种掺杂权利要求1-7任一项所述的自修复剂的抗裂自修复混凝土，其特征在于：其包括胶凝材料，粗骨料，细骨料，混凝土抗裂自修复剂和水，所述混凝土抗裂自修复剂的掺量为胶凝材料掺量的0.8%-1.5%。
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