CN112408907A - 一种自愈合钢渣水泥混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自愈合钢渣水泥混凝土及其制备方法，该混凝土按重量份数包括如下组分：水泥245‑315份、钢渣粗骨料1000‑1200份、机制中砂450‑500份、钢渣砂150‑250份、钢渣粉105‑135份、水170‑200份、减水剂4‑8份、钢纤维20‑40份、玻璃纤维20‑40份。其制备方法如下：1)按比例将钢渣粗骨料、水泥、钢渣粉、机制中砂和钢渣砂依次加入拌锅搅拌均匀；2)将减水剂和水一起搅拌均匀后加入到上述预混干料中；3)将钢纤维和玻璃纤维各分3次依次加入混合料中拌和均匀后，经成型和养护得到所述的自愈合钢渣水泥混凝土。本发明提出的自愈合钢渣水泥混凝土成本低，且能通过钢纤维增韧提供的内聚力和玻璃纤维诱导裂缝处矿物的结晶化有效实现水泥混凝土的早期微裂纹的自愈合。

Description

一种自愈合钢渣水泥混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于材料科学与工程领域，具体涉及一种自愈合钢渣水泥混凝土及其制备方法。

背景技术

水泥混凝土作为道路建筑领域使用最为广泛的材料，其具备高强度、高稳定性和长服役寿命等优点。但水泥混凝土属于一种多孔性的脆性材料，在使用中会因碱骨料反应、水化热过高或高荷载等因素产生微裂纹和局部损伤。因此，研究水泥混凝土裂缝自愈合技术意义重大。

目前主要通过修复胶粘剂和混凝土材料相复合的方法来实现对水泥混凝土裂缝损伤破坏后的自愈合和再生。常见的自愈合方法有自然自愈合、微胶囊自愈合和微生物自愈合等。自然自愈合的能力会随着龄期的增大而降低，且会随着温度、湿度和裂缝大小等外界因素不断波动。微胶囊自愈合效果会受胶囊尺寸影响，且微胶囊中修复剂的释放时间和释放规律还难以把控。微生物自愈合技术对微生物的抗碱性能力要求高且其修复周期一般较长。同时，微胶囊的制备和微生物的培养成本较高，这也限制了自愈合水泥混凝土的进一步发展。

钢渣作为一种产生量大、堆积严重的工业废渣，其资源化利用一直是行业内的难题。经研究发现高碱度的钢渣含有与水泥相似的矿物成分，即C₃S、C₂S和C₄AF等，这些组分使得钢渣具有与水泥类似的水化特性。而钢渣的水化速度较慢，这有利于水泥混凝土出现损伤后裂缝处矿物的进一步水化。因此钢渣作为自愈合水泥混凝土的制备与应用技术将解决钢渣尾渣堆存的问题，同时其低廉的原材料价格也将节约混凝土的生产成本。故如何能够成功的将钢渣应用于水泥混凝土中以提高混凝土的自修复能力成为本领域技术人员的研究热点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种自愈合钢渣水泥混凝土及其制备方法。该水泥混凝土为采用钢渣为主要原料的自愈合钢渣水泥混凝土，能有效修复混凝土早期微裂纹的发展，提高混凝土的自修复能力。并且该混凝土生产成本低，制备工艺简单和环境效益良好。

本发明解决上述技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的自愈合钢渣水泥混凝土按重量百分比包括如下组分：水泥245-315份、钢渣粗骨料1000-1200份、机制中砂450-500份、钢渣砂150-250份、钢渣粉105-135份、水170-200份、减水剂4-8份、钢纤维20-40份、玻璃纤维20-40份。

上述方案中，所述水泥为硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥中的一种。

上述方案中，所述钢渣粗骨料为陈化1年以上的转炉钢渣，粒径为5-20mm。

上述方案中，所述机制中砂的粒径为0-5mm，细度模数为3.0-2.3。

上述方案中，所述钢渣砂的粒径为0-5mm，细度模数为3.0-2.3，钢渣砂(2.36-4.75mm)的压蒸粉化率小于6％。

上述方案中，所述钢渣粉的粒径小于0.15mm，比表面积为350-480m²/kg，其成分按质量百分数包括如下组分：35～50％CaO、10～15％SiO₂、15～30％Fe₂O₃、3～5％Al₂O₃、4～8％MgO。

上述方案中，所述水为饮用水。

上述方案中，所述减水剂为聚羧酸系高效减水剂。

上述方案中，所述钢纤维的长度为2-4mm，直径为70-130μm。

上述方案中，所述玻璃纤维为内含水玻璃和环氧树脂两种修复剂的中空玻璃纤维管。

上述方案中，所述两种修复剂的质量比为1:1。

上述方案中，所述玻璃纤维管的长度为1-3mm，直径为10-100μm。

上述方案中，所述玻璃纤维是利用干-湿法纺丝设备，使聚偏氟乙烯树脂溶于N,N-二甲基乙酰胺溶剂中形成的铸膜液通过喷丝头进入含有质量比1：1的环氧树脂和水玻璃的凝固浴溶液，在导轮的帮助下固化成型；然后将纤维浸泡在蒸馏水中以除去残余的溶剂，最后通过短切工艺制备符合尺寸要求的含有修复剂的玻璃纤维。

所述的自愈合钢渣水泥混凝土的制备方法，包括如下步骤：

1)按比例将钢渣粗骨料、水泥、钢渣粉、机制中砂和钢渣砂依次加入拌锅搅拌均匀。

2)将减水剂和水一起搅拌均匀后加入到上述预混干料中。

3)将钢纤维和玻璃纤维依次加入混合料中拌和均匀后，经成型和养护得到所述的自愈合钢渣水泥混凝土。

本发明的原理为：水泥混凝土出现早期微裂纹后，高碱度的钢渣骨料、钢渣砂及钢渣粉因其水化速度慢的特性此时会在水泥水化产生的碱性环境中发生后期水化，生成具有水硬胶凝性的化合物，增大钢渣骨料间的粘结面积从而起到粘结裂纹的效果。钢纤维可在裂缝处矿物的水化过程中为混凝土内部体系提供连接作用，促进裂纹的有效修复。普通水泥混凝土的抗拉强度主要由水化产物的内聚力提供，加入钢纤维后，拉应力由水化产物的内聚力和水化产物与钢纤维之间的作用力两者共同承担，水化产物的内聚力首先消失，然后依靠水化产物与钢纤维之间的粘附作用，拉应力被传递到两者的接触面上，正是由于水化产物与钢纤维的粘结作用，使得添加钢纤维之后水泥混凝土的抗拉能力增强。

同时，在混凝土受力开裂时，部分玻璃纤维中的修复剂会释放出来，水玻璃和环氧树脂修复剂各具备不同的功效。其中，水玻璃作为激发剂，其主要诱导裂缝处矿物的持续水化再结晶过程。其一般反应机理为：水玻璃提供大量的Na⁺与钢渣和水泥初期水化提供的OH^-结合，能快速增强混凝土系统的碱性，促使裂缝处矿物水化生成胶凝产物。另一方面，水玻璃可与钢渣中的氧化硅及氧化铝反应生成三维网状聚合物硅氧四面体及铝氧八面体凝胶结构，使裂缝处的矿物有效粘结。而环氧树脂主要作为一种强粘性的高分子胶粘剂来有效物理粘结和修复裂缝。

申请公布号为CN105541217A的中国专利提供了一种用钢渣制备抗渗混凝土的方法。与本专利同样采用了钢渣作为骨料，同时加入了一定量的纤维材料。不同之处在于，该专利优选聚丙烯纤维的主要目的是借助其物理特性承受混凝土内部因收缩产生的拉应力，延缓混凝土内部微裂缝的发展，提高混凝土的抗渗性能，是一种物理作用。而本发明所优选的玻璃纤维用于在混凝土发生开裂时释放其内含的修复剂，通过修复剂和水泥成分发生化学反应填充和粘结裂缝，实现了裂缝产生后的自愈合。因此，技术原理有本质上的不同。

申请公布号为CN108623263A的中国专利也提供了使用玻璃纤维制备自修复混凝土的方法。与本发明的不同之处在于，其玻璃纤维中填充的修复剂为柠檬酸和环氧胶黏剂，混凝土产生裂缝时，外部的水分入渗到混凝土裂缝中，玻璃纤维释放出的柠檬酸和碳酸氢钠反应产生大量二氧化碳，在混凝土裂缝中形成了水/二氧化碳物质体系，水/二氧化碳物质体系又会和混凝土中的石灰乳发生反应，生产不溶于水的碳酸钙对裂缝进行填充。本发明使用的修复剂为水玻璃和环氧树脂，水玻璃可与钢渣中的氧化硅及氧化铝反应生成三维网状聚合物硅氧四面体及铝氧八面体凝胶结构，填充裂缝并使裂缝处的矿物有效粘结。因此，虽然同为自修复(自愈合)混凝土，但其修复机理有所不同。此外，本发明选用钢渣作为混凝土的骨料，显著提升了混凝土的抗拉强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过本发明所制备的自愈合钢渣水泥混凝土能明显加速裂缝处矿物的结晶化，实现水泥混凝土的早期微裂纹的自愈合。

2、本发明提供的内含修复剂的玻璃纤维具有化学修复和物理修复双重效果，增加了水泥混凝土自愈合的修复剂的种类。

3、利用钢渣为主要原材的自愈合钢渣水泥混凝土实现了工业废渣的有效利用，既缓解了钢渣堆存的环境问题，又节约了混凝土的生产成本，为今后基于钢渣制备出的自愈合钢渣水泥混凝土的应用奠定了良好基础。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的自愈合钢渣水泥混凝土作进一步阐明，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

本实施例提供一种自愈合钢渣水泥混凝土的制备方法，具体步骤如下：

1)按质量份数取钢渣粗骨料1171份、水泥260份、机制中砂481份、钢渣砂207份和钢渣粉111份依次加入拌锅搅拌均匀。

2)将5份减水剂和170份水搅拌2-3min后加入到拌锅继续搅拌均匀。

3)将20份钢纤维和20份玻璃纤维依次加入混合料中拌和均匀，分别成型100mm×100mm×100mm的立方体试件和100mm×100mm×400mm的梁式试件用于劈裂抗拉强度和抗折强度实验。

4)将上述混凝土试件经2d后拆模置于温度为20±2℃，相对湿度为95％以上的标准养护室中养护28d后，依据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》测定其对应的劈裂抗拉强度和抗折强度。

5)将测试损伤后的试件置于标准养护室中养护28d后，再次测定其劈裂抗拉强度和抗折强度。基于前后两次测试的强度数值，计算两者的比值作为愈合率来评估自愈合水泥混凝土的愈合性能。

实施例2-6

改变原材料的质量组成比例，其他步骤同实施例1。各实施例所用的原材料及质量组成见表1。

表1实施例1-6自愈合水泥混凝土的原材料和质量组成

表2自愈合水泥混凝土的强度检测结果

从表2中实施例1-3的测试结果可以看出，水泥用量的增加会提升混凝土的劈裂抗拉强度和抗折强度，但会降低混凝土的强度愈合率。而实施例1、4、5和6的结果显示，在混凝土配比不变的情况下，随着外掺纤维从20份增加到40份，自愈合混凝土的劈裂抗拉强度和抗折强度呈现先增大后减小的趋势，其愈合率也显示相同的规律。在纤维掺量为30％时自愈合水泥混凝土具有最高的61.5％的劈裂抗拉强度愈合率和75.3％的抗折强度愈合率。这表明自愈合水泥混凝土中钢纤维和玻璃纤维的掺量并非越多越好，其存在一个最佳的掺量范围。

上面结合附表对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种自愈合钢渣水泥混凝土，其特征在于，所述水泥混凝土按重量份数包括如下组分：水泥245-315份、钢渣粗骨料1000-1200份、机制中砂450-500份、钢渣砂150-250份、钢渣粉105-135份、水170-200份、减水剂4-8份、钢纤维20-40份、玻璃纤维20-40份。

2.根据权利要求1所述的自愈合钢渣水泥混凝土，其特征在于，所述钢渣粗骨料为陈化1年以上的转炉钢渣，粒径为5-20mm。

3.根据权利要求1所述的自愈合钢渣水泥混凝土，其特征在于，所述钢渣砂的粒径为0-5mm，细度模数为3.0-2.3，粒级为2.36-4.75mm的钢渣砂的压蒸粉化率小于6％。

4.根据权利要求1所述的自愈合钢渣水泥混凝土，其特征在于，所述钢渣粉的粒径小于0.15mm，比表面积为350-480m²/kg，其成分按质量百分数包括如下组分：35～50％CaO、10～15％SiO₂、15～30％Fe₂O₃、3～5％Al₂O₃、4～8％MgO。

5.根据权利要求1所述的自愈合钢渣水泥混凝土，其特征在于，所述钢纤维的长度为2-4mm，直径为70-130μm。

6.根据权利要求1所述的自愈合钢渣水泥混凝土，其特征在于，所述玻璃纤维为内含水玻璃和环氧树脂两种修复剂的中空玻璃纤维管。

7.根据权利要求6所述的自愈合钢渣水泥混凝土，其特征在于，所述两种修复剂的质量比为1:1。

8.根据权利要求1所述的自愈合钢渣水泥混凝土，其特征在于，所述玻璃纤维管的长度为1-3mm，直径为10-100μm。

9.根据权利要求1所述的自愈合钢渣水泥混凝土，其特征在于，所述玻璃纤维是利用干-湿法纺丝设备，使聚偏氟乙烯树脂溶于N,N-二甲基乙酰胺溶剂中形成的铸膜液通过喷丝头进入含有质量比1:1的环氧树脂和水玻璃的凝固浴溶液，在导轮的帮助下固化成型；然后将纤维浸泡在蒸馏水中以除去残余的溶剂，最后通过短切工艺制备符合尺寸要求的含有修复剂的玻璃纤维。

10.根据权利要求1所述的自愈合钢渣水泥混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)按比例将钢渣粗骨料、水泥、钢渣粉、机制中砂和钢渣砂依次加入拌锅搅拌均匀；

2)将减水剂和水一起搅拌均匀后加入到上述预混干料中；

3)将钢纤维和玻璃纤维依次加入混合料中拌和均匀后，经成型和养护得到所述的自愈合钢渣水泥混凝土。