CN112279676A - 用于管道修复的高强度轻质混凝土及其制备方法 - Google Patents

用于管道修复的高强度轻质混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及混凝土领域，具体公开了一种用于管道修复的高强度轻质混凝土及其制备方法。用于管道修复的高强度轻质混凝土以水泥、粉煤灰、发泡剂、花岗岩膨化轻骨料、氮化硅、液态超支化聚碳硅烷、乳化剂、纤维素醚和水为原料制成，其中花岗岩膨化轻骨料的堆积密度为300‑500kg/m3、抗压强度为1‑5MPa；氮化硅的密度为1800~2700 kg/m3；其制备方法包括混合填充料制备、泡沫制备和混凝土拌制步骤。本申请的用于管道修复的高强度轻质混凝土具有抗压强度高、不易离析泌水和粘结强度优异的优点。

Description

用于管道修复的高强度轻质混凝土及其制备方法
技术领域
本申请涉及混凝土领域，更具体地说，它涉及一种用于管道修复的高强度轻质混凝土及其制备方法。
背景技术
常规的轻质混凝土以水泥、发泡剂、水和掺和料配制而成，因其在生产的过程中，不需要经过蒸养、蒸压或者高温熔融等高耗能环节，使得生产成本大大降低，符合未来建筑材料的优质节能要求。轻质混凝土虽然具有诸多优点，但也因其内部存在大量气孔，普遍存在强度不佳的问题。一般轻质混凝土的抗压强度与混凝土密度关系(参照JG/T266-2011泡沫混凝土)如表1所示：
表1.轻质混凝土干密度与强度的关系
Figure BDA0002764963410000011
而在轻质混凝土浇筑时,轻质混凝土在强度上升的水化热阶段会产生大量的热量，由于轻质混凝土内部含有大量气孔，传热性能差，内部水化热量不易散发，横截面上会形成温度梯度，浇筑体外层与周围环境形成温差，轻质混凝土自身升降温前后也会形成较大的温度梯度，如果温控不合理，会令轻质混凝土产生早期温度裂缝，还会因水化热温升过高导致轻质混凝土后期强度的损失。
为减少因温度梯度造成的强度损失，相关技术中公开号为CN110452015A的中国专利申请公开了一种用于管道修复的高强度轻质混凝土及其制备方法，其可以以聚苯颗粒为骨料、配合特定组成的激发剂和特定组成的发泡剂，能够制得28d抗压强度可达1.1～2.83MPa的轻质混凝土，抗压强度提升20％～30％。但申请人在实际施工中发现，聚苯颗粒与混凝土其他组分相容性较差，容易因机械剪切作用力而出现聚集或分层，无疑增加了混凝土制备和施工难度。
因而，针对轻质混凝土强度不佳的问题还可以有新的替代解决方案。
发明内容
为了改善相关技术中轻质混凝土强度不佳的问题，本申请提供一种用于管道修复的高强度轻质混凝土及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种用于管道修复的高强度轻质混凝土，采用如下的技术方案：
一种用于管道修复的高强度轻质混凝土，由按重量份计的如下组分制成，
Figure BDA0002764963410000021
其中，花岗岩膨化轻骨料的堆积密度为300-500kg/m3、抗压强度为1-5MPa；氮化硅的密度为1800～2700kg/m3。
通过采用上述技术方案，申请人发现制得的轻质混凝土相较同等密度等级的常规泡沫混凝土28d抗压强度提高23％～28％，同时兼具优异的抗离析性能和优异的粘结强度。
本申请的上述方案中，除常规配制泡沫混凝土的水、水泥、粉煤灰和发泡剂成分外，还增加了氮化硅、花岗岩膨化轻骨料、液态超支化聚碳硅烷、乳化剂和纤维素醚组分。特定掺量的氮化硅和花岗岩膨化骨料的加入不会引起混凝土密度的显著提升，反而因为这类矿物颗粒的掺入能够增加混凝土体系的抗压强度，同时氮化硅具有较好的热传导性能，使得混凝土施工后的固化过程中不易因温度应力开裂造成强度损失，同样利于混凝土抗压强度的提升。但是，需要注意，选择的氮化硅和花岗岩膨化轻骨料需要对规格进行控制，否则容易出现离析泌水或者难以保有足够气泡量的问题。液态超支化聚碳硅烷、纤维素醚和乳化剂三者之间比例必须控制，其一可以使得液态超支化聚碳硅烷均匀分散，可以形成保水膜，减缓水分流失，利于水泥水化，提升了抗压强度；其二，液态超支化聚碳硅烷具有一定的润滑度，使得混凝土具有较好的流动性，利于进行浇注施工，利于减少填充不到位形成的孔洞问题；其三、纤维素醚在本申请中需与乳化剂配合使用，以使得混凝土体系在拌入泡沫后能够维持泡沫的稳定性，增加泡沫的细密度和均匀性，利于提升抗压性能。
优选地，所述花岗岩膨化轻骨料粒径为0.5-1㎜。
通过采用上述技术方案，能够进一步提升混凝土的抗压强度、降低离析率和提升粘结强度。
优选地，所述液态超支化聚碳硅烷为三代氢化超支化聚碳硅烷，其化学式为，
Figure BDA0002764963410000031
通过采用上述技术方案，相较于掺加二代超支化聚碳硅烷，选择三代超支化聚碳硅烷制得的轻质混凝土综合性能更佳。
优选地，所述氮化硅的目数为500-1000目。
通过采用上述技术方案，目数过低的氮化硅容易离析，目数过高则容易出现聚集问题，且过高目数的氮化硅对混凝土性能的提升无显著作用，因而以500-1000目氮化硅制得的混凝土综合性能更佳。
优选地，所述乳化剂选自乳化剂OP-8、乳化剂OP-9和乳化剂OP-10中的一种或多种。
上述乳化剂与液态超支化聚碳硅烷的适配性更佳，更有利于混凝土体系稳定，不易出现离析泌水问题，制得的混凝土抗压强度和粘结强度性能均较佳。
优选地，所述纤维素醚为羟乙基纤维素或羟丙基甲基纤维素。
通过采用上述技术方案，制得的混合凝土具有更佳的综合性能。
优选地，所述粉煤灰的粒径为14-25μm。
通过采用上述技术方案，粉煤灰本身强度不高，过大粒径的粉煤灰在拌制混凝土过程中容易破裂，过小粒径的粉煤灰容易聚集造成分布不均匀，因而以粒径为14-25μm的粉煤灰，即二级粉煤灰最为适宜。
第二方面，本申请提供一种用于管道修复的高强度轻质混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：
一种用于管道修复的高强度轻质混凝土的制备方法，包括如下步骤，
混合填充料制备：取配方量氮化硅、液态超支化聚碳硅烷和乳化剂，于3000-5000rpm转速下混合均匀；继续加入配方量的花岗岩膨化轻骨料，于300-500rpm转速下混匀，得混合填充料；
泡沫制备：将配方量发泡剂加水配置成浓度为0.03-0.06wt％的发泡剂溶液，机械振荡制成泡沫；
混凝土拌制：先将配方量的水泥、粉煤灰和纤维素醚混匀，然后加水调至成水泥浆，调节总加水量至配方量；然后加入制得的混合填充料混匀，再加入泡沫制备步骤制得的泡沫拌匀得到用于管道修复的高强度轻质混凝土。
通过采用上述技术方案，先将液态超支化聚碳硅烷、乳化剂和氮化硅进行混合，然后加入花岗岩膨化轻骨料制成混合填充料，如此使得各组分能够在混凝土体系中充分分散，也利于减少拌制造成的花岗岩膨化轻骨料破碎；泡沫制备和混凝土拌制步骤与常规泡沫混凝土的制备步骤相似。最终制得用于管道修复的高强度轻质混凝土具有优异的综合性能：抗压强度可达3.48～3.62MPa、离析率不超过0.5％、粘结强度高达3.06～3.33MPa。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、本申请在常规泡沫混凝土原料基础上掺加特定比例的氮化硅、花岗岩膨化轻骨料、液态超支化聚碳硅烷、纤维素醚和乳化剂，制得了综合性能优异的高强度轻质泡沫混凝土：抗压强度可达3.48～3.62MPa、离析率不超过0.5％、粘结强度高达3.06～3.33MPa。
2、本申请中优选采用粒径为0.5-1.0㎜的花岗岩膨化轻骨料、500-1000目的氮化硅和三代氢化超支化聚碳硅烷，可以进一步提升混凝土抗压强度、粘结强度和降低离析率。
3、本申请相应公开了一种用于管道修复的高强度轻质混凝土制备方法，制得的用于管道修复的高强度轻质混凝土的28d抗压强度相较于同等密度等级泡沫混凝土提升23％～28％。
具体实施方式
以下实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例中所使用的原料均可以通过市售或商业定制合成途径获得。其中，花岗岩膨化轻骨料来自苏州绿乘轻质绿色材料有限公司，粉煤灰均选择二级粉煤灰(粒径为14-25μm)。
实施例
实施例1-4
实施例1-4均涉及一种用于管道修复的高强度轻质混凝土，其主要区别在于原料配比不同，具体见表2。
表2.实施例1-4原料配比表
Figure BDA0002764963410000051
其中，羟乙基纤维素来自百灵威科技，平均分子量1.5万；花岗岩膨化轻骨料均过1.5㎜孔径筛，去除大粒径颗粒；三代氢化超支化聚碳硅烷通过商业定制合成途径得到，其化学式为，
Figure BDA0002764963410000052
实施例1-4提供的用于管道修复的高强度轻质混凝土的制备方法步骤基本相同，具体包括以下步骤：
(一)混合填充料制备
S1、将氮化硅、液态超支化聚碳硅烷和乳化剂OP-10于3000-5000rpm转速下混合均匀；
S2、加入花岗岩膨化轻骨料，于300-500rpm转速下混匀，得混合填充料。
实施例1-4的混合填充料制备步骤具体工艺参数如表3所示。
表3.实施例1-4混合填充料制备步骤工艺参数表
工艺参数 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
S1步骤搅拌速率 3000rpm 4000rpm 4000rpm 5000rpm
S2步骤搅拌速率 500rpm 450rpm 400rpm 300rpm
(二)泡沫制备
将茶皂素加水配置成浓度为0.03wt％-0.06wt％的发泡剂溶液，经机械振荡制成泡沫。实施例1-4中配制的茶皂素水溶液浓度如表4所示。
表4.实施例1-4茶皂素水溶液浓度表
工艺参数 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
茶皂素浓度 0.06wt％ 0.05wt％ 0.04wt％ 0.03wt％
(三)混凝土拌制
先将P.O32.5普通硅酸盐水泥、二级粉煤灰和羟乙基纤维素混匀，然后加水调至成水泥浆，加水时注意减去配制茶皂素所消耗的水量，控制总加水量为配方量；然后往水泥浆中加入制得的混合填充料拌匀，再加入泡沫制备步骤制得的泡沫拌匀，得到用于管道修复的高强度轻质混凝土。
实施例5-8
实施例5-8以实施例3为基础，与实施例3的区别在于氮化硅的目数不同：
实施例5中氮化硅目数为300目；
实施例6中氮化硅目数为500目；
实施例7中氮化硅目数为1000目；
实施例8中氮化硅的目数为3000目。
实施例9
实施例9以实施例3为基础，与实施例3的区别在于：
花岗岩膨化轻骨料先过1.0㎜孔径筛，去除粒径大于1.0㎜的颗粒；然后过0.5㎜孔径筛，筛除粒径≤0.5㎜的颗粒，得到粒径范围在0.5-1.0㎜范围的花岗岩膨化轻骨料。
实施例10-11
实施例10-11以实施例3为基础，与实施例3的区别仅在于：
实施例10用等量的羟丙基甲基纤维素代替羟乙基纤维素，所用羟丙基甲基纤维来自百灵威科技，平均分子量为1.5万；
实施例11用等量的羧甲基纤维素代替羟乙基纤维素，所用羧甲基纤维素来自百灵威科技，平均分子量1.5万。
实施例12-14
实施例12-14均以实施例3为基础，与实施例3的区别仅在于选择的乳化剂不同：
实施例12选择的是乳化剂OP-6；
实施例13选择的是乳化剂OP-8；
实施例14选择的是乳化剂OP-9。
实施例15
实施例15以实施例3为基础，与实施例3的区别仅在于：
用等量的二代氢化超支化聚碳硅烷代替三代氢化超支化聚碳硅烷。
所用二代氢化超支化聚碳硅烷通过商业途径定制合成得到，其化学式为，
Figure BDA0002764963410000071
对比例
对比例1
对比例1与实施例1的区别仅在于：混合填充料制备过程中未掺加氮化硅。
对比例2
对比例2与实施例1的区别仅在于：混合填充料制备过程中未掺加花岗岩膨化轻骨料。
对比例3
对比例3与实施例1的区别仅在于：混合填充料制备过程中未掺加三代氢化超支化聚碳硅烷和乳化剂OP-10，制备混合填充料时直接将氮化硅和花岗岩膨化轻骨料于500rpm转速下混匀。
对比例4
对比例4与实施例1的区别仅在于：混凝土拌制过程中未掺加羟乙基纤维素。
对比例5
对比例5与实施例1的区别仅在于：花岗岩膨化轻骨料的堆积密度为600kg/m3。
对比例6
对比例6与实施例1的区别仅在于：氮化硅的密度为3500kg/m3。
性能检测试验
(1)分别参照GB/T50081-2019混凝土物理力学性能试验方法标准，测试实施例1-15以及对照例1-6的混凝土的28d抗压强度。测试结果见表5。
(2)参照JG/T266-2011泡沫混凝土，测定实施例1-15和对照例1-6的混凝土的干密度。测试结果见表5。
表5.抗压强度和干密度测试结果表
Figure BDA0002764963410000072
Figure BDA0002764963410000081
由表5数据可知：本申请提供的用于管道修复的高强度轻质混凝土的抗压强度可达3.48～3.62MPa(密度等级A07)，相较常规泡沫混凝土抗压强度提高23％～28％，抗压性能优异。同时，对比实施例1和对照例1-6可知，同时掺加特定规格的花岗岩膨化轻骨料、氮化硅、液态超支化聚碳硅烷、乳化剂和纤维素醚是提升轻质混凝土强度的关键，其可能的原因是：首先，花岗岩轻骨料和氮化硅具有较好的抗压强度，不同于膨化陶粒、膨胀珍珠岩、粉煤灰骨料，其在制备混凝土过程中不易破碎，且在限制掺加比例的前提下不会导致轻质混凝土密度增加，反而具有提升抗压强度的作用；其次，本申请特定配比的液态超支化聚碳烷、乳化剂和纤维素醚可以增加混凝土体系中无机矿物颗粒的分散均匀度和稳定性，并且利于在混凝土体系内形成细密均匀的泡沫，减少较大的有害气泡，从而提升抗压强度；再者，氮化硅具有较好的导热性能，在体系中可以兼具提高传热性的作用，使得混凝土固化过程中的水化热能够顺利、快速被传导，从而减少温度应力造成的内部开裂；最后，液态超支化聚碳硅烷还可能和纤维素醚一样具有减缓水分流失的作用，使得水泥能够充分发生水化反应，水化反应程度增加，抗压强度相应提升。
对比实施例3和实施例5-8数据可知，氮化硅目数在500～1000目范围时，轻质混凝土的抗压强度较为理想，氮化硅目数低于500目或高于1000目时抗压强度均小幅度下降，可能原因是过低目数的氮化硅在混凝土体系中稳定悬浮稍差，容易沉淀离析，而过高目数的氮化硅容易聚集，难以分散均匀，两种情况均可导致混凝土固化过程中传导释放水泥水化热能力的不均匀，因而改善抗压强度的效果稍差。
对比实施例3和实施例9数据可知，选择粒径在0.5-1.0㎜范围的花岗岩膨化轻骨料时，改善混凝土抗压强度的效果更佳。其可能原因是该粒径范围的花岗岩膨化轻骨料与二级粉煤灰的粒径范围接近，更容易混合均匀，制得的混凝土均一性更好，不易出现局部聚集导致的受力薄弱区，因而掺加粒径在0.5-1.0㎜范围的花岗岩膨化轻骨料改善抗压强度的效果更佳。
对比实施例3和实施例10-11数据可知，选择羟乙基纤维素和羟丙基甲基纤维素制得的混凝土的抗压强度更佳。
对比实施例3和实施例12-14数据可知，不同的乳化剂选择对混凝土的抗压强度具有小幅度影响，选择乳化剂OP-8、OP-9和OP-10时，混凝土的抗压强度较佳。
对比实施例3和实施例15数据可知，用使用二代氢化超支化聚碳硅烷也能获得较好的增加轻质混凝土抗压强度的效果，但效果不及三代氢化超支化聚碳硅烷。所以，本申请中优选三代氢化超支化聚碳硅烷。
(3)参照GB/T50080-2016普通混凝土拌合物性能试验方法标准泌水率，测定实施例1-15和对照例1-6的混凝土的离析率。测试结果见表6。
表6.离析率测试结果
Figure BDA0002764963410000091
由表6数据可知：本申请的用于管道修复的高强度轻质混凝土离析率不超过0.5％，具有极佳的抗离析性能。对比实施例3和实施例5-9数据可知，花岗岩膨化轻骨料和氮化硅在小范围内变化时，对离析率无明显影响；对比实施例3和实施例10-11数据可知，相较于羧甲基纤维素，选择羟乙基纤维素和羟丙基甲基纤维制得的混凝土抗离析性能更佳；对比实施例3和实施例12-14数据可知，乳化剂的选择对混凝土的抗离析率有一定影响，选择乳化剂OP-8、OP-9和OP-10时混凝土的抗离析性能更佳；对比实施例3和实施例15数据可知，用二代氢化超支化聚碳硅烷代替三代氢化超支化聚碳硅烷后，混凝土离析率小幅度增加。对比实施例1和对照例1-6数据可知，花岗岩膨化轻骨料和氮化硅的密度过大容易导致离析问题，而且液态超支化聚碳硅烷、乳化剂和纤维素三者之间具有协同减小混凝土离析率的作用。
(4)参照GB/T50081-2019混凝土物理力学性能试验方法标准，测定粘结强度；测试时，分别以实施例1-15和对照例1-6的混凝土作为新混凝土，以如下配方的混凝土作为旧混凝土进行试验：
旧混凝土配方：P.O32.5普通硅酸盐水泥350㎏、二级粉煤灰200㎏、茶皂素5㎏、水500㎏；
旧混凝土制备方法：将茶皂素配成0.06wt％水溶液后发泡机发泡；将水泥、粉煤灰和余量水混合均匀后，拌入制得的泡沫，得测试用旧混凝土。
计算粘结强度与新混凝土抗压强度的比值A，A＝粘结强度/新混凝土抗压强度。
测试结果见表7。
表7.粘结强度结果表
Figure BDA0002764963410000101
由表6数据可以看出：本申请的用于管道修复的高强度轻质混凝土的粘结强度可达3.06～3.33MPa，约为自身抗压强度的88％～93.1％，粘结性能优异，用于浇缝等施工场合时，可以充分与旧混凝土粘结而不易出现剥离或开裂。对比实施例3和实施例5-8数据可知，氮化硅目数的选择对混凝土的粘结强度有小幅影响，综合抗压强度和抗离析性能考量优选500-1000目；对比实施例3和实施例9数据可知，选择粒径为0.5-1.0㎜范围的花岗岩膨化轻骨料可小幅度提高混凝土粘结强度；对比实施例3和实施例10-11数据可知，使用不同的纤维素醚时，混凝土的粘结强度不同，选择羟乙基纤维素和羟丙基甲基纤维素时，粘结强度较佳；对比实施例3和实施例12-14数据可知，选择乳化剂OP-8、乳化剂OP-9和乳化剂OP-10时粘结强度变化不大，选择乳化剂OP-6时，粘结强度下降，说明乳化剂OP-6与三代氢化超支化聚碳硅烷的协同性较差，不易制得稳定的混凝土体系；对比实施例3和实施例15可知，选在二代氢化超支化聚碳硅烷时混凝土粘结牢度不如三代氢化超支化聚碳硅烷。
对比实施例1和对照例1-6可知，本申请中同时掺加的特定规格的花岗岩膨化轻骨料、氮化硅、液态超支化聚碳硅烷、乳化剂和纤维素醚在协同提升轻质混凝土强度的同时，还具有提升粘结强度的作用，使得轻质混凝土浇筑后与旧混凝土之间粘结牢靠，不易出现剥离或开裂。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，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，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种用于管道修复的高强度轻质混凝土，其特征在于，由按重量份计的如下组分制成，
水泥 300-400份
粉煤灰 180-220份
发泡剂 4-6份
花岗岩膨化轻骨料 50-100份
氮化硅 50-80份
液态超支化聚碳硅烷 10-15份
乳化剂 3-5份
纤维素醚 1-3份
水 450-550份；
其中，花岗岩膨化轻骨料的堆积密度为300-500kg/m3、抗压强度为1-5MPa；氮化硅的密度为1800~2700 kg/m3。
2.根据权利要求1所述的用于管道修复的高强度轻质混凝土，其特征在于：所述花岗岩膨化轻骨料粒径为0.5-1㎜。
3.根据权利要求1所述的用于管道修复的高强度轻质混凝土，其特征在于：所述液态超支化聚碳硅烷为三代氢化超支化聚碳硅烷，其化学式为，
Figure 893398DEST_PATH_IMAGE001
。
4.根据权利要求1所述的用于管道修复的高强度轻质混凝土，其特征在于：所述氮化硅的目数为500-1000目。
5.根据权利要求1-4任一项所述的用于管道修复的高强度轻质混凝土，其特征在于：所述乳化剂选自乳化剂OP-8、乳化剂OP-9和乳化剂OP-10中的一种或多种。
6.根据权利要求1-4任一项所述的用于管道修复的高强度轻质混凝土，其特征在于：所述纤维素醚为羟乙基纤维素或羟丙基甲基纤维素。
7.根据权利要求1-4任一项所述的用于管道修复的高强度轻质混凝土，其特征在于：所述粉煤灰的粒径为14-25μm。
8.权利要求1-7任一项所述的用于管道修复的高强度轻质混凝土的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
混合填充料制备：取配方量氮化硅、液态超支化聚碳硅烷和乳化剂，于3000-5000rpm转速下混合均匀；继续加入配方量的花岗岩膨化轻骨料，于300-500rpm转速下混匀，得混合填充料；
泡沫制备：将配方量发泡剂加水配置成浓度为0.03-0.06wt%的发泡剂溶液，机械振荡制成泡沫；
混凝土拌制：先将配方量的水泥、粉煤灰和纤维素醚混匀，然后加水调至成水泥浆，调节总加水量至配方量；然后加入制得的混合填充料混匀，再加入泡沫制备步骤制得的泡沫拌匀得到用于管道修复的高强度轻质混凝土。
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