CN110451860B - 一种节能耐高温混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种节能耐高温混凝土及其制备方法，涉及混凝土领域。其技术要点是：一种节能耐高温混凝土，其原料的成分及配合比如下：水泥310‑330kg/m3；粉煤灰50‑60kg/m3；碎石600‑800kg/m3；河砂700‑730kg/m3；聚羧酸高性能减水剂5‑5.5kg/m3；再生粗骨料300‑400kg/m3；多孔纳米材料10‑30kg/m3；纳米填料20‑40kg/m3；耐高温纤维50‑100kg/m3；多孔纳米材料的微孔内负载有二氧化硅气凝胶，多孔纳米材料的微孔孔径大于二氧化硅气凝胶的粒径。本发明的混凝土具有耐高温性好、耐久性好、节能的优点。

Description

一种节能耐高温混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，更具体地说，它涉及一种节能耐高温混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土是当代最主要的土木工程材料之一。它是由胶凝材料，颗粒状集料(也称为骨料)，水，以及必要时加入的外加剂和掺合料按一定比例配制，经均匀搅拌，密实成型，养护硬化而成的一种人工石材。混凝土具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单的特点，因而使其用量越来越大。同时混凝土还具有抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽等特点。这些特点使其使用范围十分广泛，不仅在各种土木工程中使用，就是造船业，机械工业，海洋的开发，地热工程等，混凝土也是重要的材料。目前，混凝土行业的生产能耗，无论是与工业发达国家相比，还是与国内其他工业先进水平相比，都存在很大差距。普通水泥混凝土具有变形能力差、抗拉强度低、极限延伸度小、韧性差、胶凝硬化后易收缩开裂等缺点，随着水泥混凝土强度的提高，这些缺点表现得愈发明显。普通水泥混凝土的脆性特征对其安全性和耐久性造成了很大的危害，严重制约了水泥混凝土的进一步应用，不符合当前节能建筑的要求。
在公开号为CN106145813A的中国发明专利中公开了一种耐高温保温混凝土，其原料按重量份包括：硅酸盐水泥100份，矿粉20-30份，硅灰10-20份，膨胀珍珠岩20-40份，改性二氧化硅气凝胶40-60份，陶粉80-100份，碎石250-350份，丙烯酸酯乳液14-16份，羟丙基纤维素醚1-2份，萘系高效减水剂1-3份，氢化丁腈橡胶胶粉1-2份，聚丙烯纤维1-2份，水28-32份。该专利通过在混凝土中添加改性二氧化硅气凝胶提高耐温性，但是二氧化硅气凝胶是由胶体粒子组成，在高温下容易产生烧结收缩造成混凝土层的开裂和脱落。
在公开号为CN109553343A的中国发明专利中公开了一种耐高温混凝土材料，其包括如下重量份的组分：水泥351～450份、骨料1443～1850份、碳纤维3.5～4.5份和纳米二氧化硅7～9份。该专利采用碳纤维提高耐温性，虽然具有微孔结构的材料在低温下具有很好的绝热效果，但是其内部的微孔结构在高温下容易被破坏，孔洞容易坍塌烧结，导致其隔热效果降低，达不到预期的耐高温效果。
综上所述，需要提出一种新的方案来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的一在于提供一种节能耐高温混凝土，其具有耐高温性好、耐久性好、节能的优点。
为实现上述目的一，本发明提供了如下技术方案：
一种节能耐高温混凝土，其原料的成分及配合比如下：
水泥310-330kg/m3；
粉煤灰50-60kg/m3；
碎石600-800kg/m3；
河砂700-730kg/m3；
聚羧酸高性能减水剂5-5.5kg/m3；
再生粗骨料300-400kg/m3；
多孔纳米材料10-30kg/m3；
纳米填料20-40kg/m3；
耐高温纤维50-100kg/m3；
水170-180kg/m3；
所述多孔纳米材料的微孔内负载有二氧化硅气凝胶，多孔纳米材料的微孔孔径大于二氧化硅气凝胶的粒径。
通过采用上述技术方案，二氧化硅气凝胶内部的纳米网络结构能够抑制气体分子的热传导性能，使其具有很好的隔热性能，将二氧化硅气凝胶负载在多孔纳米材料的微孔内部后，在高温条件下，首先，多孔纳米材料在涂层内起到骨架的作用，防止二氧化硅气凝胶烧结收缩，其次，由于多孔纳米材料的微孔内有二氧化硅气凝胶，在高温下其孔洞不容易坍塌烧结，最后，多孔纳米材料的微小气孔对热传导阻碍作用显著，导热系数低，二氧化硅气凝胶本身也具有纳米微孔且具有隔热性能，因此，多孔纳米材料的微孔并不会完全被堵塞，其隔热性能不会降低，二者相互作用，显著提升混凝土的耐高温性能，而且不易开裂。
由于纳米填料的颗粒较小，在混凝土冷却过程中的热应力得到有效分散，避免出现较大的应力集中，从而进一步提高了混凝土的抗裂性能。耐高温纤维在高温下也能保持其原有的强度，在混凝土内部形成三维网络状的结构，起到补强增韧的作用，提高了混凝土的耐高温和力学性能。
本发明采用再生粗骨料取代一部分天然碎石，能够回收利用建筑废料，降低污染，节能环保；而且本申请的混凝土能耐受高温，从而提高其寿命，降低能耗。
进一步优选为，所述多孔纳米材料选自纳米二氧化硅、纳米氧化锆、纳米二氧化钛中的任意一种。
通过采用上述技术方案，上述多孔纳米粉体均具有多孔结构，而且具有较好的耐高温性能。
进一步优选为，所述纳米填料选自纳米石墨、纳米陶瓷粉、纳米云母粉中的任意一种。
通过采用上述技术方案，上述纳米填料既不会与混凝土的其他成分反应，而且还具有分散混凝土冷却过程中的热应力的作用，提高混凝土的抗裂性能。
进一步优选为，所述耐高温纤维选自陶瓷纤维、玄武岩纤维、石墨烯纤维中的任意一种。
通过采用上述技术方案，上述纤维均为无机耐高温纤维，均具有耐高温、热稳定性好、导热率低的优点。
进一步优选为，所述多孔纳米材料的孔径为40-100nm，所述二氧化硅气凝胶的粒径在20nm以下。
通过采用上述技术方案，二氧化硅气凝胶的粒径远小于多孔纳米粉体的孔径，能够使二氧化硅气凝胶容易进入多孔纳米粉体的微孔内。
进一步优选为，所述碎石包括粒径为5-25mm的细石和粒径为16-31.5mm的粗石，细石和粗石的重量比为7:3。
通过采用上述技术方案，再生粗骨料、级配碎石、河砂、水泥、粉煤灰作为混凝土的主要承重材料，多孔纳米材料、纳米填料、耐高温纤维除了作为耐高温组分外，还可以填充混凝土的空隙，降低气孔率，进而降低混凝土气体分子的热传导性能，进一步增强其隔热性能。
进一步优选为，所述多孔纳米材料负载二氧化硅气凝胶的方法为：将多孔纳米材料、分散剂和二氧化硅气凝胶分散于水中，用频率为8-10KHz、功率为100-150W的超声波超声处理25-30min后，在120-150℃下烘干，得到负载有二氧化硅气凝胶的多孔纳米材料。
通过采用上述技术方案，分散剂能够使得二氧化硅气凝胶较均匀的分布在多孔纳米材料的微孔内部，超声波可以加速二氧化硅气凝胶进入微孔内的速度。
进一步优选为，所述分散剂选自辛基酚聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚中的任意一种。
通过采用上述技术方案，上述渗透剂属于非离子表面活性剂，分子中的醚键不易被酸、碱破坏，稳定性较高，水溶性较好，耐电解质，易于生物降解，泡沫小，有利于二氧化硅气凝胶的分散。
进一步优选为，所述多孔纳米材料、分散剂、二氧化硅气凝胶和水的质量比为(8-4)：(1-2)：1：(30-50)。
通过采用上述技术方案，在上述配比下，二氧化硅气凝胶能够分散均匀，且容易进入多孔纳米材料内部的微孔。
本发明的目的二在于提供一种节能耐高温混凝土的制备方法，该方法制备的混凝土具有耐高温性好、耐久性好、节能的优点。
为实现上述目的二，本发明提供了如下技术方案：
一种如目的一所述的节能耐高温混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将碎石、河砂、再生粗骨料混合并搅拌均匀，得到第一混合物；
步骤二，将水、水泥、粉煤灰、聚羧酸高性能减水剂、耐高温纤维混合并搅拌均匀，得到第二混合物；
步骤三，将第一混合物加入第二混合物中，搅拌均匀，再加入多孔纳米材料、纳米填料，搅拌均匀，得到节能耐高温混凝土。
通过采用上述技术方案，多孔纳米材料和二氧化硅气凝胶相互配合，防止二氧化硅气凝胶烧结收缩，多孔纳米材料在高温下其孔洞不容易坍塌烧结，二者相互作用，显著提升混凝土的耐高温性能，而且不易开裂。纳米填料在混凝土冷却过程中的热应力得到有效分散，避免出现较大的应力集中，耐高温纤维在混凝土内部形成三维网络状的结构，起到补强增韧的作用，提高了混凝土的抗裂性能。
综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过在多孔纳米材料的微孔内负载二氧化硅气凝胶，在高温条件下，首先，多孔纳米材料在涂层内起到骨架的作用，防止二氧化硅气凝胶烧结收缩，其次，由于多孔纳米材料的微孔内有二氧化硅气凝胶，在高温下其孔洞不容易坍塌烧结，最后，多孔纳米材料的微小气孔对热传导阻碍作用显著，导热系数低，二氧化硅气凝胶本身也具有纳米微孔且具有隔热性能，因此，多孔纳米材料的微孔并不会完全被堵塞，其隔热性能不会降低，二者相互作用，显著提升混凝土的耐高温性能，而且不易开裂；
(2)本发明在混凝土内加入耐高温纤维和纳米填料，纳米填料可以有效分散混凝土在冷却过程中的热应力，避免出现较大的应力集中，从而进一步提高了混凝土的抗裂性能，耐高温纤维在高温下也能保持其原有的强度，在混凝土内部形成三维网络状的结构，起到补强增韧的作用，提高了混凝土的耐高温和力学性能；
(3)本发明采用再生粗骨料取代一部分天然碎石，能够回收利用建筑废料，降低污染，节能环保，而且本申请的混凝土能耐受高温，从而提高其寿命，降低能耗。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：一种节能耐高温混凝土，其原料的成分及配合比如表1所示，并通过如下步骤制备获得：
步骤一，将碎石、河砂、再生粗骨料混合并搅拌均匀，得到第一混合物；
步骤二，将水、水泥、粉煤灰、聚羧酸高性能减水剂、耐高温纤维混合并搅拌均匀，得到第二混合物；
步骤三，将第一混合物加入第二混合物中，搅拌均匀，再加入多孔纳米材料、纳米填料，搅拌均匀，得到节能耐高温混凝土。
其中，多孔纳米材料的微孔内负载有二氧化硅气凝胶，多孔纳米材料的微孔孔径大于二氧化硅气凝胶的粒径，多孔纳米材料的孔径范围为40-100nm，二氧化硅气凝胶的粒径在20nm以下，多孔纳米材料是纳米二氧化硅。纳米填料是纳米石墨，耐高温纤维是陶瓷纤维，碎石包括粒径为5-25mm的细石和粒径为16-31.5mm的粗石，细石和粗石的重量比为7:3。
多孔纳米材料负载二氧化硅气凝胶的方法为：将多孔纳米材料、分散剂和二氧化硅气凝胶分散于水中，多孔纳米材料、分散剂、二氧化硅气凝胶和水的质量比为8：2：1：50，用频率为8KHz、功率为100W的超声波超声处理30min后，在120℃下烘干，得到负载有二氧化硅气凝胶的多孔纳米材料，分散剂是辛基酚聚氧乙烯醚。
实施例2-5：一种节能耐高温混凝土，与实施例1的不同之处在于，其原料的成分及配合比如表1所示。
表1 实施例1-5中各原料的成分及配合比
Figure BDA0002179573920000051
实施例6：一种节能耐高温混凝土，与实施例1的不同之处在于，多孔纳米材料是纳米氧化锆。
实施例7：一种节能耐高温混凝土，与实施例1的不同之处在于，多孔纳米材料是纳米二氧化钛。
实施例8：一种节能耐高温混凝土，与实施例1的不同之处在于，纳米填料是纳米陶瓷粉。
实施例9：一种节能耐高温混凝土，与实施例1的不同之处在于，纳米填料是纳米云母粉。
实施例10：一种节能耐高温混凝土，与实施例1的不同之处在于，耐高温纤维是玄武岩纤维。
实施例11：一种节能耐高温混凝土，与实施例1的不同之处在于，耐高温纤维是石墨烯纤维。
实施例12：一种节能耐高温混凝土，与实施例1的不同之处在于，分散剂是壬基酚聚氧乙烯醚。
实施例13：一种节能耐高温混凝土，与实施例1的不同之处在于，分散剂是脂肪醇聚氧乙烯醚。
实施例14：一种节能耐高温混凝土，与实施例1的不同之处在于，多孔纳米材料负载二氧化硅气凝胶的方法为：将多孔纳米材料、分散剂和二氧化硅气凝胶分散于水中，多孔纳米材料、分散剂、二氧化硅气凝胶和水的质量比为8：2：1：50，用频率为10KHz、功率为150W的超声波超声处理25min后，在150℃下烘干，得到负载有二氧化硅气凝胶的多孔纳米材料，分散剂是辛基酚聚氧乙烯醚。
实施例15：一种节能耐高温混凝土，与实施例1的不同之处在于，多孔纳米材料负载二氧化硅气凝胶的方法为：将多孔纳米材料、分散剂和二氧化硅气凝胶分散于水中，多孔纳米材料、分散剂、二氧化硅气凝胶和水的质量比为8：2：1：50，用频率为9KHz、功率为120W的超声波超声处理28min后，在130℃下烘干，得到负载有二氧化硅气凝胶的多孔纳米材料，分散剂是辛基酚聚氧乙烯醚。
实施例16：一种节能耐高温混凝土，与实施例1的不同之处在于，多孔纳米材料负载二氧化硅气凝胶的方法中，多孔纳米材料、分散剂、二氧化硅气凝胶和水的质量比为6：1.5：1：40。
实施例17：一种节能耐高温混凝土，与实施例1的不同之处在于，多孔纳米材料负载二氧化硅气凝胶的方法中，多孔纳米材料、分散剂、二氧化硅气凝胶和水的质量比为4：1：1：30。
对比例1：一种节能耐高温混凝土，与实施例1的不同之处在于，多孔纳米材料的微孔内未负载二氧化硅气凝胶，且未加入纳米填料和耐高温纤维。
对比例2：一种节能耐高温混凝土，与实施例1的不同之处在于，将多孔纳米材料替换为二氧化硅气凝胶，且未加入纳米填料和耐高温纤维。
对比例3：一种节能耐高温混凝土，与实施例1的不同之处在于，多孔纳米材料的微孔内未负载二氧化硅气凝胶，且其原料中还加入有5kg/m3的二氧化硅气凝胶。
对比例4：一种节能耐高温混凝土，与实施例1的不同之处在于，未加入多孔纳米材料和耐高温纤维。
对比例5：一种节能耐高温混凝土，与实施例1的不同之处在于，未加入多孔纳米材料和纳米填料。
对比例6：一种节能耐高温混凝土，与实施例1的不同之处在于，多孔纳米材料、纳米填料和耐高温纤维。
混凝土高温后力学性能试验方法：将实施例1-17和对比例1-5中的节能耐高温混凝土制作成多个边长为150mm的立方体试块，标准养护28d后取出自然干燥，分别进行25℃、200℃、500℃、800℃的高温试验，将立方体试块在目标温度下恒温处理3小时后冷却至常温。每个目标温度下放置两块立方体试块，冷却后测试立方体试块的抗压强度和抗折强度，并在表2中列出；肉眼观察并记录立方体表面的裂纹条数，并在表3列出。
试验结果：由表2-3可知，在25℃的常温下，实施例1与对比例5的抗压强度和抗折强度差别不大，但是，对比例1-4均有降低，说明耐高温纤维在混凝土内部形成三维网络状的结构，起到补强增韧的作用，提高了混凝土的力学性能。
在200℃、500℃、800℃的高温试验后，对比例1-5的抗压强度和抗折强度下降速度大于实施例1，而且实施例在800℃的高温试验后，抗压强度为30.0MPa，抗折强度为2.3MPa，对比例3虽然同时加入了多孔纳米材料和二氧化硅气凝胶，但是其抗压强度和抗折强度仍然低于实施例1，说明多孔纳米材料、二氧化硅气凝胶二者相互配合，提升混凝土的耐高温性能，对比例4和5在混凝土内分别加入纳米填料和耐高温纤维后，抗压强度和抗折强度均有提高，说明纳米填料可以有效分散混凝土在冷却过程中的热应力，避免出现较大的应力集中，耐高温纤维在高温下也能保持其原有的强度，在混凝土内部形成三维网络状的结构，起到补强增韧的作用，提高了混凝土的耐高温和力学性能，因此，多孔纳米材料、二氧化硅气凝胶、纳米填料和耐高温纤维相互配合，共同提高混凝土的耐高温性能。
表3中，实施例1-17在200℃、500℃的高温试验后，表面均未产生裂缝，且在800℃的高温试验后仅有部分实施例产生了1条裂缝，而对比例1-5在200℃、500℃、800℃的高温试验后，裂缝条数依次递增，说明多孔纳米材料、二氧化硅气凝胶、纳米填料和耐高温纤维相互配合，共同提高混凝土在高温下的抗裂性能。
表2 实施例1-17和对比例1-5的抗压和抗折强度测试结果
Figure BDA0002179573920000081
表3 实施例1-17和对比例1-5的抗裂能力测试结果
Figure BDA0002179573920000082
Figure BDA0002179573920000091
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种节能耐高温混凝土，其特征在于，其原料的成分及配合比如下：
水泥310-330kg/m3；
粉煤灰50-60kg/m3；
碎石600-800kg/m3；
河砂700-730kg/m3；
聚羧酸高性能减水剂5-5.5kg/m3；
再生粗骨料300-400kg/m3；
多孔纳米材料10-30kg/m3；
纳米填料20-40kg/m3；
耐高温纤维50-100kg/m3；
水170-180kg/m3；
所述多孔纳米材料的微孔内负载有二氧化硅气凝胶，多孔纳米材料的微孔孔径大于二氧化硅气凝胶的粒径，所述多孔纳米材料的孔径为40-100nm，所述二氧化硅气凝胶的粒径在20nm以下；
所述多孔纳米材料负载二氧化硅气凝胶的方法为：将多孔纳米材料、分散剂和二氧化硅气凝胶分散于水中，用频率为8-10KHz、功率为100-150W的超声波超声处理25-30min后，在120-150℃下烘干，得到负载有二氧化硅气凝胶的多孔纳米材料。
2.根据权利要求1所述的一种节能耐高温混凝土，其特征在于，所述多孔纳米材料选自纳米二氧化硅、纳米氧化锆、纳米二氧化钛中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种节能耐高温混凝土，其特征在于，所述纳米填料选自纳米石墨、纳米陶瓷粉、纳米云母粉中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种节能耐高温混凝土，其特征在于，所述耐高温纤维选自陶瓷纤维、玄武岩纤维、石墨烯纤维中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种节能耐高温混凝土，其特征在于，所述碎石包括粒径为5-25mm的细石和粒径为16-31.5mm的粗石，细石和粗石的重量比为7:3。
6.根据权利要求1所述的一种节能耐高温混凝土，其特征在于，所述分散剂选自辛基酚聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的一种节能耐高温混凝土，其特征在于，所述多孔纳米材料、分散剂、二氧化硅气凝胶和水的质量比为（8-4）：（1-2）：1：（30-50）。
8.权利要求1-7中任意一项所述的节能耐高温混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将碎石、河砂、再生粗骨料混合并搅拌均匀，得到第一混合物；
步骤二，将水、水泥、粉煤灰、聚羧酸高性能减水剂、耐高温纤维混合并搅拌均匀，得到第二混合物；
步骤三，将第一混合物加入第二混合物中，搅拌均匀，再加入多孔纳米材料、纳米填料，搅拌均匀，得到节能耐高温混凝土。
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