CN112279589A - 一种城市污水深隧传输工程复合材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市污水深隧传输工程复合材料，原料按质量份数计如下：水泥180‑240份、粉煤灰80‑160份、硅灰20‑40份、钢珠1‑15份、碎石990‑1080份、黄砂780‑850份、碳纳米管0.01‑0.08份、钢纤维20‑60份、二氧化钛2‑6份、水150‑160份、外加剂8‑12份。本发明的复合材料结构致密，孔隙率低，抗菌性能优异，而且压敏特性稳定、规律性好，用于城市污水深隧传输工程，可以有效缓解污水对结构的侵蚀破坏，同时可以实现结构损伤自监控。

Description

一种城市污水深隧传输工程复合材料及制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料的技术领域，尤其涉及一种城市污水深隧传输工程复合材料及制备方法。

背景技术

近年来出于解决城市内涝、建设雨污分流体系等目的，深层排水隧道工程项目在国内外很多城市开始布局。污水深隧传输工程是为了解决城市污水的收集、处理和排放的长期需求而建立的工程，由于隧道长期受酸碱、冲刷和微生物等多种腐蚀作用，对隧道结构健康的维持和监测尤为重要。

在复杂的污水环境下，多种影响因素相互作用导致隧道结构受到严重的腐蚀，特别是污水中微生物腐蚀，其中涉及到多个领域学科，而且由于地理方位的差异、环境气候的不同，隧道劣化的机理各不相同，具有严重的危害性。同时污水深隧隧道由于埋深大，而且管道长度在几十千米以上，难以实现长期有效的在线监测。

CN109650790A公开了一种高强度抗菌混凝土及其制备方法，CN104016620A公开了一种抗菌混凝土及其制备方法，CN103964760B公布了一种沙棘废渣抗菌混凝土及其制作方法，CN104230228B公布了一种耐高温抗菌混凝土及其制备方法，虽然均能提高隧道结构抗微生物腐蚀的能力，然而混凝土结构在使用过程中由于受环境荷载作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响，结构将不可避免地产生损伤积累、抗力衰减，所以还需要必须对此类结构进行实时的健康监测。

目前混凝土健康监测方法多种多样，但各有利弊。无损检测方法，如声波检测、射线及扫描等，只能定性检测，而不能定量、数据化处理，更主要的是不能实现实时监测。粘贴电阻应变片虽然能实现实时监测，但电阻应变片一方面灵敏系数太低，另一方面受服役环境的影响大，如在污水浸泡环境下，使用寿命和效果严重受限，所以亟待开发一种适用于城市污水深隧传输工程复合材料，能有效抵抗污水侵蚀的同时，还具备可以有效地监测在役混凝土结构与构件的破坏损伤情况，从而及时采取相应措施避免工程结构脆性破坏带来的生命财产损失。

发明内容

本发明目的在于提供一种城市污水深隧传输工程复合材料及制备方法，该复合材料结构致密，孔隙率低，且具有应力应变和损伤自感知的特性，用于城市污水深隧传输工程等污水环境可提高建筑使用寿命，实现对建筑物内部结构的有效监测。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

一种城市污水深隧传输工程复合材料，原料按质量份数计如下：

水泥180-240份、粉煤灰80-160份、硅灰20-40份、钢珠1-15份、碎石990-1080份、黄砂780-850份、碳纳米管0.01-0.08份、钢纤维20-60份、二氧化钛2-6份、水150-160份、外加剂8-12份。

按上述方案，所述水泥为普通硅酸盐水泥，28d强度＞50MPa。

按上述方案，所述粉煤灰活性指数＞75％。

按上述方案，所述硅灰7d快速法测量的活性指数＞105％。

按上述方案，所述钢珠粒径0.5mm，材质为碳钢。

按上述方案，所述碎石为5-16mm连续级配碎石，压碎值≤20％，含泥量≤2.0％，针片状颗粒含量≤8％。

按上述方案，所述黄砂为Ⅱ区中砂。

按上述方案，所述碳纳米管直径100-200nm，长度50-80um。

按上述方案，所述钢纤维为直径16-20mm，长度110-150mm。

按上述方案，所述二氧化钛为锐钛矿型粒径15-50nm。

按上述方案，所述外加剂为高性能聚羧酸减水剂。

上述城市污水深隧传输工程复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将水泥、粉煤灰、硅灰、碎石、黄砂和钢珠一起加入搅拌机中干搅2min，得到混合料；

(2)将碳纳米管、二氧化钛分别与适量水超声混合分散，然后与一半的水和外加剂均匀混合，形成碳纳米管/二氧化钛/外加剂的混合液；

(3)将混合液倒入混合料中搅拌3min，剩余水和减水剂混合后加入并继续搅拌7min；

(4)加入钢纤维，搅拌2min；

(5)将搅拌好的复合材料注入钢制模具振动密实，放置于室内养护1d后拆模，然后在温度为20℃、相对湿度为90％的标准养护室中养护28d。

本发明的有益效果是：

水泥基复合材料存在着很多的孔隙和缺陷，主要包括纳米尺度下的水化硅酸凝胶(CSH)、微纳米尺度下的毛细孔以及毫米尺度下的宏观裂缝。本发明采用纳米-微米-毫米多尺度材料整体形成紧密堆积，显著加大了与水泥基体的粘结，提高了粘结力；同时纳米-微米-毫米多尺度材料结构互补，二氧化钛填充纳米孔和桥接纳米-微米裂纹来强化界面过渡区，优化微观结构。碳纳米管衔接钢纤维形成串联结构，提高纤维抗拔出能力，阻止钢纤维滑移。钢纤维提高结构的抗裂性能，不同尺度的材料特异性抑制不同尺度缺陷。

基体内的导电微粒(碳纳米管和钢纤维)通过物理接触形成了导电网络，同时电子在二氧化钛微粒间跃迁形成了隧道电流，宏观的渗流效应和微观的量子力学隧道效应相结合，提高了复合材料的导电性。

分散的钢珠和砂被导电胶基体包裹，近似以“孤岛”的形态分布于导电胶基体“海洋”中，骨料为分散相，导电胶为连续相。具有导电特性的“孤岛”与导电胶“海洋”导通，形成钢珠颗粒与导电胶基体的传导体系，増强了整体材料的导电性。

本发明的复合材料结构致密，孔隙率低，抗菌性能优异，而且压敏特性稳定、规律性好，用于城市污水深隧传输工程，可以有效缓解污水对结构的侵蚀破坏，同时可以实现结构损伤自监控。

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，下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本发明实施例提供一种城市污水深隧传输工程复合功能材料，它由下述原料组成，水泥180份、粉煤灰160份、硅灰40份、钢珠15份、碎石990份、黄砂800份、碳纳米管0.08份、钢纤维60份、二氧化钛6份、水160份、外加剂8份。

其中，水泥为娲石P·O 42.5普通硅酸盐水泥，28d强度53.6MPa。粉煤灰为华电Ⅰ级粉煤灰，活性指数为82％。硅灰活性指数(7d快速法)为106％。钢珠粒径0.5mm，材质为碳钢。碎石为佑坤5-16mm连续级配碎石，压碎值11.0％，含泥量1.3％，针片状颗粒含量2％。黄砂为岳阳Ⅱ区中砂。碳纳米管直径100nm，长度50um。钢纤维为直径16mm，长度110mm。二氧化钛为锐钛矿型粒径15nm。

制备方法如下：

将水泥、粉煤灰、硅灰、碎石、黄砂和钢珠一起加入搅拌机中干搅2min，得到混合料；

将碳纳米管、二氧化钛分别与适量水超声混合得到碳纳米管溶液和二氧化钛水分散液；将所得分散液与一半的水和外加剂均匀混合，形成碳纳米管/二氧化钛/外加剂的混合液；

将混合液倒入混合料中，搅拌3min，将剩余水和减水剂混合后加入并继续搅拌7min；

加入钢纤维，搅拌2min；

将搅拌好的复合材料注入钢制模具，放置于振动台上振动密实后，放置于室内养护1d后拆模，然后在温度为20℃、相对湿度为90％的标准养护室中养护28d。

实施例2

本发明实施例提供一种城市污水深隧传输工程复合功能材料，它由下述原料组成，水泥240份、粉煤灰80份、硅灰20份、钢珠1份、碎石1080份、黄砂800份、碳纳米管0.08份、钢纤维20份、二氧化钛2份、水150份、外加剂12份。

其中，水泥为娲石P·O 42.5普通硅酸盐水泥，28d强度53.6MPa。粉煤灰为华电Ⅰ级粉煤灰，活性指数为82％。硅灰活性指数(7d快速法)为106％。钢珠粒径0.5mm，材质为碳钢。碎石为佑坤5-16mm连续级配碎石，压碎值11.0％，含泥量1.3％，针片状颗粒含量2％。黄砂为岳阳Ⅱ区中砂。碳纳米管直径100nm，长度50um。钢纤维为直径16mm，长度110mm。二氧化钛为锐钛矿型粒径15nm。

制备方法同实施例1。

实施例3

本发明实施例提供一种城市污水深隧传输工程复合功能材料，它由下述原料组成，水泥220份、粉煤灰140份、硅灰30份、钢珠6份、碎石1020份、黄砂850份、碳纳米管0.04份、钢纤维40份、二氧化钛4份、水155份、外加剂8份。

其中，水泥为娲石P·O 42.5普通硅酸盐水泥，28d强度53.6MPa。粉煤灰为华电Ⅰ级粉煤灰，活性指数为82％。硅灰活性指数(7d快速法)为106％。钢珠粒径0.5mm，材质为碳钢。碎石为佑坤5-16mm连续级配碎石，压碎值11.0％，含泥量1.3％，针片状颗粒含量2％。黄砂为岳阳Ⅱ区中砂。碳纳米管直径100nm，长度50um。钢纤维为直径16mm，长度110mm。二氧化钛为锐钛矿型粒径15nm。

制备方法同实施例1。

实施例4

本发明实施例提供一种城市污水深隧传输工程复合功能材料，它由下述原料组成，水泥200份、粉煤灰120份、硅灰30份、钢珠8份、碎石1020份、黄砂780份、碳纳米管0.05份、钢纤维35份、二氧化钛4份、水155份、外加剂10份。

其中，水泥为娲石P·O 42.5普通硅酸盐水泥，28d强度53.6MPa。粉煤灰为华电Ⅰ级粉煤灰，活性指数为82％。硅灰活性指数(7d快速法)为106％。钢珠粒径0.5mm，材质为碳钢。碎石为佑坤5-16mm连续级配碎石，压碎值11.0％，含泥量1.3％，针片状颗粒含量2％。黄砂为岳阳Ⅱ区中砂。碳纳米管直径100nm，长度50um。钢纤维为直径16mm，长度110mm。二氧化钛为锐钛矿型粒径15nm。

制备方法同实施例1。

对比例1

普通混凝土材料，它由下述原料组成，水泥220份、粉煤灰120份、硅灰30份、碎石1020份、黄砂780份、水155份、外加剂10份。

其中，水泥为娲石P·O 42.5普通硅酸盐水泥，28d强度53.6MPa。粉煤灰为华电Ⅰ级粉煤灰，活性指数为82％。硅灰活性指数(7d快速法)为106％。碎石为佑坤5-16mm连续级配碎石，压碎值11.0％，含泥量1.3％，针片状颗粒含量2％。黄砂为岳阳Ⅱ区中砂。碳纳米管直径100nm，长度50um。

制备方法同实施例1。

受压试件尺寸为40mm*40mm*80mm，受拉试件尺寸为40mm*20mm*160mm，采用COD为8000mg/L的污水作为腐蚀介质。其中，抗压强度耐腐蚀系数依据《混凝土结构现场检测技术标准》GB/T 50784-2013；灵敏度系数测试方法为每单位长度的裂缝张开位移所引起的电阻变化率，混凝土120天后性能对照表如下。

编号	混凝土质量损失率(％)	抗压强度耐腐蚀系数(％)	孔隙率(％)	灵敏度系数
					实施例1	0.83	82.1	22.23	2.11
实施例2	0.64	84.2	20.18	2.29
					实施例3	0.33	88.5	18.25	2.64
实施例4	0.25	91.2	18.12	4.57
					对比例1	1.66	76.7	31.23	0.77

与对比例1相比，实施例1-4均具有更优异的性能。从试验结果可以发现，当实施例1中碳纳米管-二氧化钛-钢纤维质量份数达到最大的0.08、6和60时，质量损失率、孔隙率均高于实施例2，这说明虽然采用纳米-微米-毫米多尺度材料整体形成紧密堆积，显著加大了与水泥基体的粘结，提高了粘结力，但掺量过高，会导致基体之间的界面过渡区增多，抵消多尺度材料的填充效应，所以纳米-微米-毫米多尺度材料存在最佳质量份数。

实施例4具有最优异的灵敏度系数，一方面是因为纳米-微米-毫米多尺度材料与集体结合紧密，整体结构完整有序，导电微粒(碳纳米管和钢纤维)通过物理接触形成了连续导电网络，提高了导电性；另一方面由于实施例4中分散较多的钢珠被导电胶体均匀包裹，形成钢珠颗粒与导电胶基体的传导体系，进一步增强材料的导电性。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种城市污水深隧传输工程复合材料，其特征在于原料按质量份数计如下：

水泥180-240份、粉煤灰80-160份、硅灰20-40份、钢珠1-15份、碎石990-1080份、黄砂780-850份、碳纳米管0.01-0.08份、钢纤维20-60份、二氧化钛2-6份、水150-160份、外加剂8-12份。

2.如权利要求1所述城市污水深隧传输工程复合材料，其特征在于所述水泥为普通硅酸盐水泥，28d强度＞50MPa。

3.如权利要求1所述城市污水深隧传输工程复合材料，其特征在于所述粉煤灰活性指数＞75％。

4.如权利要求1所述城市污水深隧传输工程复合材料，其特征在于所述钢珠粒径0.5mm，材质为碳钢。

5.如权利要求1所述城市污水深隧传输工程复合材料，其特征在于所述碎石为5-16mm连续级配碎石，压碎值≤20％，含泥量≤2.0％，针片状颗粒含量≤8％。

6.如权利要求1所述城市污水深隧传输工程复合材料，其特征在于所述碳纳米管直径100-200nm，长度50-80um。

7.如权利要求1所述城市污水深隧传输工程复合材料，其特征在于所述钢纤维为直径16-20mm，长度110-150mm。

8.如权利要求1所述城市污水深隧传输工程复合材料，其特征在于所述二氧化钛为锐钛矿型粒径15-50nm。

9.如权利要求1所述城市污水深隧传输工程复合材料，其特征在于所述外加剂为高性能聚羧酸减水剂。

10.权利要求1所述城市污水深隧传输工程复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将水泥、粉煤灰、硅灰、碎石、黄砂和钢珠一起加入搅拌机中干搅2min，得到混合料；

(2)将碳纳米管、二氧化钛分别与适量水超声混合分散，然后与一半的水和外加剂均匀混合，形成碳纳米管/二氧化钛/外加剂的混合液；

(3)将混合液倒入混合料中搅拌3min，剩余水和减水剂混合后加入并继续搅拌7min；

(4)加入钢纤维，搅拌2min；

(5)将搅拌好的复合材料注入钢制模具振动密实，放置于室内养护1d后拆模，然后在温度为20℃、相对湿度为90％的标准养护室中养护28d。