CN111056794B - 一种生态型纳米光催化再生混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生态型纳米光催化再生混凝土及其制备方法，属于混凝土技术领域。混凝土包括水泥350‑400份、改性再生粗骨料1400‑1600份、聚丙烯纤维50‑100份、碳纤维20‑60份、可再分散乳胶粉5‑20份、减水剂3‑8份、水130‑160份。改性再生粗骨料的制备：将质量浓度为1%的TiO2溶液100份、硅藻土10‑30份、硅灰5‑10份、胶体石墨粉10‑15份、硅烷偶联剂1‑2份混合得骨料改性液，将再生粗骨料原料于其中浸泡，沥干，170‑190℃下焙烧即得。混凝土的制备：制备改性再生粗骨料；将水泥、可再分散乳胶粉、水混合均匀，加入改性再生粗骨料、聚丙烯纤维和碳纤维混合均匀，加入减水剂混合均匀即得。本发明的混凝土的骨料全部采用改性再生粗骨料，且混凝土同时具有高抗压、高大气净化的特点。

Description

一种生态型纳米光催化再生混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土的技术领域，特别涉及一种生态型纳米光催化再生混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土在建筑工程中具有广泛的需求和应用，而由于混凝土中骨料的体积占比在60-70％，故建筑工程中对于骨料的需求量巨大。
天然的骨料为天然砂石。然而，天然砂石资源的长期开采容易造成山体植被破坏、河道损坏等问题。再者，随着城市化建设的发展，伴随房屋等建筑物的翻新重建，产生大量的废弃混凝土建筑垃圾，废弃混凝土建筑垃圾的任意堆放也带来了环境恶化等生态问题。综合考虑，若将废弃混凝土建筑垃圾开发为再生骨料用于再生混凝土中，不仅能够减少对天然砂石的开采，保护生态环境，还能解决大量废弃混凝土建筑垃圾堆放造成的生态环境日益恶化等问题。
伴随社会经济发展，汽车保有量迅速增加，汽车尾气引起的大气污染不容忽视。近年来，纳米光催化技术得到了广泛的应用，已有研究将纳米TiO2光催化材料负载于路面混凝土中，利用自然光净化大气污染物。然而，其净化效果并不显著，原因之一在于，混凝土的表面及内部的透气性较差，仅负载于混凝土表面的纳米TiO2光催化材料能够发挥净化功效，而内部孔隙率大、透气性佳的混凝土的抗压强度往往又较低，无法满足路面的抗压需求。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的一在于：提供一种生态型纳米光催化再生混凝土，以达到同时提高抗压强度和大气污染物净化性能的效果。
本发明的第一个目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种生态型纳米光催化再生混凝土，按重量份数，包括有以下组分：水泥350-400份、改性再生粗骨料1400-1600份、聚丙烯纤维50-100份、碳纤维20-60份、可再分散乳胶粉5-20份、减水剂3-8份、水130-160份；
所述改性再生粗骨料的制备包括有以下步骤：
a，按重量份数，将质量浓度为1％的TiO2溶液100份、硅藻土10-30份、硅灰5-10份、胶体石墨粉10-15份、硅烷偶联剂1-2份混合均匀，得骨料改性液；
b，将再生粗骨料原料于骨料改性液中浸泡2-3h，取出沥干，于170-190℃下焙烧1-2h，得改性再生粗骨料。
通过采用上述方案，首先，本发明的骨料全部采用由再生粗骨料原料制备而成的改性再生粗骨料，一方面，能够有效减少对天然砂石的开采，保护生态环境，另一方面，也能解决大量废弃混凝土建筑垃圾堆放造成的生态环境日益恶化等问题，再者，粗骨料的应用能够保证混凝土中的孔隙的通透性。
本发明对再生粗骨料原料进行了改性处理，并在改性处理期间加入了TiO2溶液，由此将TiO2光催化材料负载于再生骨料中，使得TiO2光催化材料分布于混凝土的各个部位，为充分发挥其大气污染物净化功能提供了前提。
在再生粗骨料原料的改性处理期间，在骨料改性液中，不仅加入了TiO2，而且加入了硅藻土、硅灰、胶体石墨粉和硅烷偶联剂。实验数据显示，硅藻土、硅灰的复配加入能够提升混凝土的抗压性能，同时对混凝土的净化性能影响甚微。其原因可能在于，硅藻土、硅灰填充了再生粗骨料原料的表面的部分尺寸较小的孔隙，保留了尺寸较大的孔隙和部分尺寸较小的孔隙，部分尺寸较小的孔隙的填充有利于改善改性再生粗骨料的界面联结性能，尺寸较大的孔隙和部分尺寸较小的孔隙的保留又保证了混凝土表面和内部的孔隙的连通性。此外，实验数据显示，再生粗骨料原料浸泡后的焙烧温度影响混凝土的抗压强度，这可能与焙烧温度改善了改性再生粗骨料的表面基团分布从而改善了改性再生粗骨料的界面联结强度有关。
本发明在混凝土配方中加入了聚丙烯纤维和碳纤维两种纤维。聚丙烯纤维的模量较低，碳纤维的模量较高，二者复配能够获得适宜的模量。实验数据显示，复配的聚丙烯纤维和碳纤维能够显著提升混凝土的抗压性能，同时不影响混凝土的净化功能。其原因可能在于，复配的具有适宜模量的聚丙烯纤维和碳纤维能够联结于改性再生粗骨料的表面孔隙之间，混凝土遭受应力后，复配的具有适宜模量的聚丙烯纤维和碳纤维具有从改性再生粗骨料的表面孔隙挣脱的趋势，而两种纤维与孔隙之间的联结力阻碍两种纤维的脱离，由此达到了不影响混凝土净化功能的同时显著提升混凝土的抗压性能。
可再分散乳胶粉能够有效提高改性再生粗骨料表面界面处的结合性能，由此有效改善混凝土的抗压性能。而再生粗骨料原料浸泡以及焙烧过程中，适量胶体石墨粉附着在改性再生粗骨料的表面，能够有效提高改性再生粗骨料表面界面处的可再分散乳胶粉的耐碱性，由此强化了可再分散乳胶粉的界面联结性能，进一步提高了混凝土的抗压性能。
本发明进一步设置为：所述改性再生粗骨料、聚丙烯纤维和碳纤维的重量比为1:(0.05-0.06):(0.02-0.03)。
通过采用上述方案，将改性再生粗骨料、聚丙烯纤维和碳纤维三者之间的重量比控制在上述范围内，能够进一步发挥其对混凝土抗压性能的增强作用。
本发明进一步设置为：改性再生粗骨料的制备步骤a中，所述硅藻土和硅灰的重量比为1:(0.3-0.5)。
通过采用上述方案，将硅藻土和硅灰之间的重量比控制在上述范围内，能够进一步发挥其对再生粗骨料原料的改性以及混凝土抗压性能的增强作用。
本发明进一步设置为：改性再生粗骨料的制备步骤b中，焙烧温度为180-185℃。
通过采用上述方案，将焙烧温度控制在上述范围内，能够进一步发挥其对再生粗骨料原料的改性以及混凝土抗压性能的增强作用。
本发明进一步设置为：所述再生粗骨料原料的粒径为5-20mm连续级、空隙率为45-48％、吸水率为12-15％、含泥量为6-8％、表观密度为2320-2360kg/m3、压碎值均值35％。
混凝土中的骨料的含泥量都对混凝土的抗压性能具有不良影响，为此，混凝土中的骨料的含泥量通常控制在4％以下。而本发明通过采用上述方案，采用的再生粗骨料原料的含泥量为6-8％，超过普通混凝土中常用的骨料的含泥量，但由此配制的混凝土仍然具有优异的抗压性能，即本发明提供的混凝土对骨料含泥量不敏感，这与对再生粗骨料原料的改性有关，这在实际应用中具有重要意义。
本发明进一步设置为：所述减水剂选用聚羧酸减水剂。
本发明进一步设置为：所述硅烷偶联剂选用硅烷偶联剂KH-570。
本发明的目的二在于：提供一种上述生态型纳米光催化再生混凝土的制备方法，包括有以下步骤：
a，制备改性再生粗骨料；
b，将水泥、可再分散乳胶粉、水混合均匀，再加入改性再生粗骨料、聚丙烯纤维和碳纤维混合均匀，再加入减水剂混合均匀，得生态型纳米光催化再生混凝土。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的混凝土的骨料全部采用改性再生粗骨料，能够有效避免对天然砂石的开采，保护生态环境，也能解决大量废弃混凝土建筑垃圾堆放造成的生态环境日益恶化等问题，与此同时，本发明的生态型纳米光催化再生混凝土同时具有高抗压强度和大气污染物净化性能；
2、本发明探索到，骨料改性液中硅藻土和硅灰的复配、再生粗骨料原料浸泡后的焙烧温度、混凝土配方中加入了聚丙烯纤维和碳纤维两种纤维均具有提高混凝土的抗压性能、同时又能保留混凝土的净化功能的优势，这为高抗压、高净化再生混凝土的研究提供了新方向；
3、本发明的混凝土对再生粗骨料原料中的含泥量不敏感，这在实际应用中具有重要意义。
具体实施方式
以下对本发明作进一步详细说明。
原料介绍水泥：强度等级为42.5R的普通硅酸盐水泥；
再生粗骨料原料：粒径为5-20mm连续级、空隙率为45-48％、吸水率为12-15％、含泥量为6-8％、表观密度为2320-2360kg/m3、压碎值均值35％；
TiO2：纳米级氧化钛，CAS号为13463-67-7，晶型为锐钛型，购自江苏天行新材料有限公司；硅藻土：HY-GZ07，400目，购自河南海韵环保科技有限公司；
硅灰：超细粉，货号1250，购自灵寿县百益矿产品加工厂；
胶体石墨粉：2000目，购自青岛金涛石墨有限公司；
硅烷偶联剂：KH-570，购自南京经天纬化工有限公司；
聚丙烯纤维：型号0703，规格3-40mm，购自临沂吉田新型建材有限公司；
碳纤维：型号TZ300，规格1-50mm，购自威海光威复合材料股份有限公司；
可再分散乳胶粉：型号py-7050，购自任丘市鹏宇化工有限公司；
减水剂：聚羧酸减水剂，型号20190622，购自青岛汇德新科建材有限公司。
实施例1
一种生态型纳米光催化再生混凝土，按重量份数，包括有以下组分：水泥350份、改性再生粗骨料1600份、聚丙烯纤维50份、碳纤维60、可再分散乳胶粉5份、减水剂8份、水130份；
该生态型纳米光催化再生混凝土的制备包括有以下步骤：
a，按重量份数，将质量浓度为1％的TiO2溶液100份、硅藻土10份、硅灰10份、胶体石墨粉10份、硅烷偶联剂2份混合均匀，得骨料改性液；
b，将再生粗骨料原料于骨料改性液中浸泡2h，取出沥干，于170℃下焙烧1h，得改性再生粗骨料；
c，将水泥、可再分散乳胶粉、水混合均匀，再加入改性再生粗骨料、聚丙烯纤维和碳纤维混合均匀，再加入减水剂混合均匀，得生态型纳米光催化再生混凝土。
实施例2
一种生态型纳米光催化再生混凝土，按重量份数，包括有以下组分：水泥380份、改性再生粗骨料1500份、聚丙烯纤维85份、碳纤维35份、可再分散乳胶粉12份、减水剂5份、水145份，其中，改性再生粗骨料、聚丙烯纤维和碳纤维的重量比为1:0.057:0.23；
该生态型纳米光催化再生混凝土的制备包括有以下步骤：
a，按重量份数，将质量浓度为1％的TiO2溶液100份、硅藻土20份、硅灰8份、胶体石墨粉12份、硅烷偶联剂1.5份混合均匀，得骨料改性液，其中，硅藻土和硅灰的重量比为1:0.4；
b，将再生粗骨料原料于骨料改性液中浸泡2.5h，取出沥干，于182℃下焙烧1.5h，得改性再生粗骨料；
c，将水泥、可再分散乳胶粉、水混合均匀，再加入改性再生粗骨料、聚丙烯纤维和碳纤维混合均匀，再加入减水剂混合均匀，得生态型纳米光催化再生混凝土。
实施例3
一种生态型纳米光催化再生混凝土，按重量份数，包括有以下组分：水泥400份、改性再生粗骨料1400份、聚丙烯纤维100份、碳纤维20份、可再分散乳胶粉20份、减水剂3份、水160份；
该生态型纳米光催化再生混凝土的制备包括有以下步骤：
a，按重量份数，将质量浓度为1％的TiO2溶液100份、硅藻土30份、硅灰5份、胶体石墨粉15份、硅烷偶联剂1份混合均匀，得骨料改性液；
b，将再生粗骨料原料于骨料改性液中浸泡3h，取出沥干，于190℃下焙烧2h，得改性再生粗骨料；
c，将水泥、可再分散乳胶粉、水混合均匀，再加入改性再生粗骨料、聚丙烯纤维和碳纤维混合均匀，再加入减水剂混合均匀，得生态型纳米光催化再生混凝土。
实施例4
一种生态型纳米光催化再生混凝土，与实施例2的不同之处在于：生态型纳米光催化再生混凝土的原料组分中，改性再生粗骨料1500份、聚丙烯纤维75份、碳纤维45份，即，改性再生粗骨料、聚丙烯纤维和碳纤维的重量比为1:0.05:0.03。
实施例5
一种生态型纳米光催化再生混凝土，与实施例2的不同之处在于：生态型纳米光催化再生混凝土的原料组分中，改性再生粗骨料1500份、聚丙烯纤维90份、碳纤维30份，即，改性再生粗骨料、聚丙烯纤维和碳纤维的重量比为1:0.06:0.02。
对比例1
一种生态型纳米光催化再生混凝土，与实施例2的不同之处在于：生态型纳米光催化再生混凝土的原料组分中，改性再生粗骨料1500份、聚丙烯纤维30份、碳纤维90份，即，改性再生粗骨料、聚丙烯纤维和碳纤维的重量比为1:0.02:0.06。
对比例2
一种生态型纳米光催化再生混凝土，与实施例2的不同之处在于：生态型纳米光催化再生混凝土的原料组分中，改性再生粗骨料1500份、聚丙烯纤维112份、碳纤维8份，即，改性再生粗骨料、聚丙烯纤维和碳纤维的重量比为1:0.075:0.005。
实施例6
一种生态型纳米光催化再生混凝土，与实施例2的不同之处在于：生态型纳米光催化再生混凝土的制备步骤a中，硅藻土23份、硅灰7份，即，硅藻土和硅灰的重量比为1:0.3。
实施例7
一种生态型纳米光催化再生混凝土，与实施例2的不同之处在于：生态型纳米光催化再生混凝土的制备步骤a中，硅藻土18份、硅灰9份，即，硅藻土和硅灰的重量比为1:0.5。
对比例3
一种生态型纳米光催化再生混凝土，与实施例2的不同之处在于：生态型纳米光催化再生混凝土的制备步骤a中，硅藻土28份、硅灰2份，即，硅藻土和硅灰的重量比为1:0.07。
对比例4
一种生态型纳米光催化再生混凝土，与实施例2的不同之处在于：生态型纳米光催化再生混凝土的制备步骤a中，硅藻土12份、硅灰18份，即，硅藻土和硅灰的重量比为1:1.5。
实施例8
一种生态型纳米光催化再生混凝土，与实施例2的不同之处在于：生态型纳米光催化再生混凝土的制备步骤b中，焙烧温度为180℃。
实施例9
一种生态型纳米光催化再生混凝土，与实施例2的不同之处在于：生态型纳米光催化再生混凝土的制备步骤b中，焙烧温度为185℃。
对比例5
一种生态型纳米光催化再生混凝土，与实施例2的不同之处在于：生态型纳米光催化再生混凝土的制备步骤b中，焙烧温度为160℃。
对比例6
一种生态型纳米光催化再生混凝土，与实施例2的不同之处在于：生态型纳米光催化再生混凝土的制备步骤b中，焙烧温度为200℃。
对比例7
一种生态型纳米光催化再生混凝土，与实施例2的不同之处在于：生态型纳米光催化再生混凝土的制备步骤a中，骨料改性液采用质量浓度为1％的TiO2溶液。
混凝土性能检测
根据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》的规定，检测实施例1-9和对比例1-7制备的混凝土标准养护28天的抗压强度。
选择NO2气体作为模拟大气污染物检测混凝土的净化性能。将实施例1-9和对比例1-7制备的混凝土分别浇筑成尺寸为30cm×30cm×3cm立方体薄板，将立方体薄板在模拟日光条件下，连续通过浓度为30ppm的NO2气体进行试验，计算光催化率。
混凝土的抗压强度和净化性能检测结果均列于表1。
表1混凝土性能检测结果
混凝土样品 28天抗压强度MPa 光催化率％
实施例1 59.1 84.8
实施例2 62.8 85.2
实施例3 59.3 85.3
实施例4 62.1 85.5
实施例5 61.7 85.1
实施例6 61.9 84.9
实施例7 62.2 84.8
实施例8 62.0 85.2
实施例9 61.9 85.4
对比例1 58.6 85.0
对比例2 59.8 85.1
对比例3 59.7 84.7
对比例4 60.4 85.0
对比例5 58.8 85.1
对比例6 60.3 85.0
对比例7 52.8 85.1
由表1可以看出，与对比例7相比，实施例1-3制备的混凝土具有优异的抗压、净化性能。其具有优异的净化性能是因为，本发明的骨料全部采用再生粗骨料原料制备而成的改性再生粗骨料，孔隙发达，由此能够保证混凝土中的孔隙的通透性，与此同时，本发明对再生粗骨料原料改性期间加入了TiO2溶液，由此将TiO2光催化材料负载于改性再生粗骨料中，使得TiO2光催化材料分布于混凝土的各个部位，由此使得本发明的混凝土具有优异的净化性能。其具有优异的抗压性能的原因之一在于：可再分散乳胶粉能够有效提高改性再生粗骨料表面界面处的结合性能，由此有效改善混凝土的抗压性能，而且，再生粗骨料原料在改性过程中，适量胶体石墨粉附着在改性再生粗骨料的表面，能够有效提高改性再生粗骨料表面界面处的可再分散乳胶粉的耐碱性，由此强化了可再分散乳胶粉的界面联结性能，进一步提高了混凝土的抗压性能。
结合实施例2、4、5和对比例1、2可以看出，针对本发明的混凝土配方，改性再生粗骨料、聚丙烯纤维和碳纤维的重量比对混凝土的抗压性能具有重要影响，同时不影响混凝土的净化性能。当改性再生粗骨料、聚丙烯纤维和碳纤维的重量比为1:(0.05-0.06):(0.02-0.03)时，混凝土的抗压性能更佳。其原因可能在于，复配的具有适宜模量的聚丙烯纤维和碳纤维能够联结于改性再生粗骨料的表面孔隙之间，混凝土遭受应力后，复配的具有适宜模量的聚丙烯纤维和碳纤维具有从改性再生粗骨料的表面孔隙挣脱的趋势，而两种纤维与孔隙之间的联结力阻碍两种纤维的脱离，由此达到了不影响混凝土净化功能的同时显著提升混凝土的抗压性能。
结合实施例2、6、7和对比例3、4可以看出，针对本发明的混凝土配方，在改性再生粗骨料的制备过程中，硅藻土和硅灰的重量比对混凝土的抗压性能有影响，同时不影响混凝土的净化性能。当硅藻土和硅灰的重量比为1:(0.3-0.5)时，混凝土的抗压性能更佳。其原因可能在于，硅藻土、硅灰填充了再生粗骨料原料的表面的部分尺寸较小的孔隙，保留了尺寸较大的孔隙和部分尺寸较小的孔隙，部分尺寸较小的孔隙的填充有利于改善改性再生粗骨料的界面联结性能，尺寸较大的孔隙和部分尺寸较小的孔隙的保留又保证了混凝土表面和内部的孔隙的连通性。
结合实施例2、8、9和对比例5、6可以看出，针对本发明的混凝土配方，在改性再生粗骨料的制备过程中，焙烧温度对混凝土的抗压性能具有重要影响。当焙烧温度为180-185℃时，混凝土的抗压性能更佳。这可能与焙烧改善了附着在改性再生粗骨料表面的表面基团、由此改善了改性再生粗骨料表面界面联结关系有关。
再者，混凝土中的骨料的含泥量都对混凝土的抗压性能具有不良影响，为此，混凝土中的骨料的含泥量通常控制在4％以下。而本发明中，采用的再生粗骨料原料的含泥量为6-8％，超过普通混凝土中常用的骨料的含泥量，但由此配制的混凝土仍然具有优异的抗压性能，即本发明提供的混凝土对再生粗骨料原料的含泥量不敏感，这在实际应用中具有重要意义。
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 (6)

1.一种生态型纳米光催化再生混凝土，其特征在于，按重量份数，包括有以下组分：水泥350-400份、改性再生粗骨料1400-1600份、聚丙烯纤维50-100份、碳纤维20-60份、可再分散乳胶粉5-20份、减水剂3-8份、水130-160份；
所述改性再生粗骨料的制备包括有以下步骤：
a，按重量份数，将质量浓度为1%的TiO2溶液100份、硅藻土10-30份、硅灰5-10份、胶体石墨粉10-15份、硅烷偶联剂1-2份混合均匀，得骨料改性液；
b，将再生粗骨料原料于骨料改性液中浸泡2-3h，取出沥干，于170-190℃下焙烧1-2h，得改性再生粗骨料；
所述改性再生粗骨料、聚丙烯纤维和碳纤维的重量比为1:（0.05-0.06）:（0.02-0.03）；
改性再生粗骨料的制备步骤a中，所述硅藻土和硅灰的重量比为1:（0.3-0.5）。
2.根据权利要求1所述的一种生态型纳米光催化再生混凝土，其特征在于：改性再生粗骨料的制备步骤b中，焙烧温度为180-185℃。
3.根据权利要求1所述的一种生态型纳米光催化再生混凝土，其特征在于：所述再生粗骨料原料的粒径为5-20mm连续级、空隙率为45-48%、吸水率为12-15%、含泥量为6-8%、表观密度为2320-2360kg/m3、压碎值均值35%。
4.根据权利要求1所述的一种生态型纳米光催化再生混凝土，其特征在于：所述减水剂选用聚羧酸减水剂。
5.根据权利要求1所述的一种生态型纳米光催化再生混凝土，其特征在于：所述硅烷偶联剂选用硅烷偶联剂KH-570。
6.一种权利要求1-5任一所述的生态型纳米光催化再生混凝土的制备方法，其特征在于，包括有以下步骤：
a，制备改性再生粗骨料；
b，将水泥、可再分散乳胶粉、水混合均匀，再加入改性再生粗骨料、聚丙烯纤维和碳纤维混合均匀，再加入减水剂混合均匀，得生态型纳米光催化再生混凝土。
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