CN112608104A - 一种轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土，各组分及其所占质量百分比包括：水泥10～22％，凝灰岩粉8～20％，硅灰2～6％，陶粒20～30％，陶砂25～35％，高性能减水剂0.2～0.8％，抗裂修复剂0.06～0.3％，引气剂0.05～0.8％，水6～12％。本发明结合超细粉磨技术和微波活化技术活化凝灰岩，在实现凝灰岩在混凝土中高掺量应用的同时，可进一步提升所得混凝土的力学性能；同时结合具有自修复功能的抗裂修复剂，得到兼具良好力学性能和抗裂自修复性能的凝灰岩混凝土，适用性广。

Description

一种轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土及其制备方法。
背景技术
随着经济的快速发展和技术的进步，混凝土建筑物大量发展的过程中同时面临一些列问题，如生产水泥排放的二氧化碳容易造成温室效应使全球变暖，直接利用的粗细骨料逐渐变少，混凝土价格上涨等。为了解决混凝土原材料短缺和价格较高等问题，采用一些矿渣、粉煤灰等具有潜在活性的胶凝材料替代混凝土中水泥成为最有效的手段，凝灰岩由于活性较差，所得混凝土力学性能较差，因此通常在混凝土中的掺量不高。进一步开发利用凝灰岩的活性，并探索凝灰岩在混凝土中的高附加值利用具有重要的研究和应用意义。
目前针对凝灰岩，主要采取物理粉磨活化、高温活化和化学活化等活化改性手段；其中物理粉磨对凝灰岩的改性的程度较低，化学活化和高温活化对凝灰岩改性虽然有一定的活化效果，但是其活化改性成本较高，且活化效果有限，限制了凝灰岩在混凝土中高掺量应用。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土，可实现凝灰岩天然火山灰粉在混凝土中的高效综合利用，有效解决水泥基原材料和水泥混凝土矿物掺合料资源短缺的问题，具有重要的经济和环境效益。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土，各组分及其所占质量百分比包括：水泥10～22％，改性凝灰岩粉8～20％，硅灰2～6％，陶粒20～30％，陶砂25～35％，高性能减水剂0.2～0.8％，抗裂修复剂0.06～0.3％，引气剂0.05～0.8％，水6～12％；其中所述改性凝灰岩粉通过将凝灰岩进行微波活化和粉磨处理而成。
上述方案中，所述水泥为52.5级的普通硅酸盐水泥。
上述方案中，所述硅灰的比表面积为24000m2/kg以上，且SiO2含量为95wt％以上。
上述方案中，所述陶粒为碎石型页岩陶粒，其粒径为5～20mm，筒压强度为8.2～10.5Mpa。
上述方案中，所述抗裂修复剂的制备方法包括如下步骤：
1)将15～20重量份甲醛和8～12重量份苯酚加入10～30重量份水中搅拌均匀，然后加入15～20重量份氢氧化钠调节所得混合溶液的pH值至8～10，加热至60～90℃，保温处理80～120min；
2)乳液的制备：在搅拌条件下，将28～36重量份双环戊二烯加入含30～40重量份聚丙烯酸钠盐的溶液中，将所得悬浮液在65～85℃下继续搅拌均匀；
3)将所得预浓缩液和乳液搅拌均匀，加入酸性调节剂(3～8wt％盐酸)并在搅拌条件下使所得反应体系的pH值调节到1～3；再以1～3℃/min的速率升温至85～95℃保温反应5～6h，冷却至室温、过滤、干燥即得所述抗裂修复剂。
上述方案中，所述引气剂为三萜皂甙。
上述方案中，所述改性凝灰岩粉制备方法如下步骤：
所述改性凝灰岩粉的制备方法包括如下步骤：首先利用行星式球磨机在200～300r/min的转速条件下球磨45～75min，得超细凝灰岩粉表面积(表面积350～450m2/kg)；然后将干燥(干燥20～24h)后的超细凝灰岩粉置于微波单模腔反应器内，调节反射功率至450～750W，此时凝灰岩粉处于微波最佳耦合位置，为谐振状态，凝灰岩粉在200～350℃条件下保温5～20min，在升温阶段，短路活塞位置维持不变直至物料达到设定温度，然后通过调节短路活塞使加热温度维持在设定温度。
上述方案中，所述高性能减水剂为聚羧酸减水剂。
上述方案中，所述陶砂的粒径小于5mm。
为了实现凝灰岩在混凝土中的大规模应用，开发采用微波加热活化方式活化凝灰岩，不仅能获得化学性质稳定均匀的高品质凝灰岩粉，同时能够节约凝灰岩的活化成本，推动凝灰岩在混凝土中的大规模应用。
上述一种轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土的制备方法，包括如下步骤:
1)按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比包括：水泥10～22％，改性凝灰岩粉8～20％，硅灰2～6％，陶粒20～30％，陶砂25～35％，高性能减水剂0.2～0.8％，抗裂修复剂0.06～0.3％，引气剂0.05～0.8％，水6～12％；
2)首先将称量的陶粒和混合搅拌均匀的普通硅酸盐水泥、改性凝灰岩粉和硅灰放入混凝土搅拌机中搅拌均匀，接着将陶砂放入混凝土搅拌机中搅拌一段时间，最后把混合均匀的的高性能减水剂、抗裂修复剂、引气剂和水加入搅拌机中拌和成型、拆模养护获得混凝土产品。
本发明的原理为：
1)本发明使用改性凝灰岩粉和硅灰作为混凝土的矿物掺合料，当水泥水化生成大量的氢氧化钙时，具有较高潜在活性的硅灰中的活性硅氧键和铝氧键会快速断裂和重组生成新的水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶，不仅提高了水泥混凝土的早期力学性能，同时对水泥混凝土的后期强度也有一定的促进作用；另一方面对凝灰岩进行超细粉磨和微波双重改性激发，其中的吸波物质使整体物料快速升温并发生晶型转变、极变或化学变化，形成更多的活性结构，显著提升凝灰岩粉的活性；待高活性的硅灰反应之后，部分凝灰岩粉开始与氢氧化钙反应生成更多的水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶，进一步增强混凝土的早期力学性能和后期力学性能。
2)本发明通过对磨细凝灰岩粉进行微波辐射活化处理获得高品质凝灰岩矿物掺合料，在实现低活性凝灰岩粉在混凝土中大掺量应用的同时，可进一步有效提升所得混凝土的力学性能；可真正意义上实现了凝灰岩在混凝土中的大掺量应用；
3)发明采用原位聚合法制备具有自修复功能的聚酚醛微胶囊水泥基抗裂修复剂，混凝土受拉形成裂缝时，抗裂修复剂在裂缝的触发下破裂流出并与固化剂发生固化反应生成修复产物，填充基体材料中的微裂缝、微缺陷，使得混凝土微结构变得致密而结实，提升所得混凝土的力学性能、抗渗性能和耐久性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明采用微波加热活化技术对磨细凝灰岩粉进行活化，通过控制微波功率和温度，可快速活化凝灰岩粉中的硅铝玻璃体，制备出活性稳定均匀、差异性较小的改性凝灰岩粉；将其应用于非均质的混凝土中，有利于进一步提高混凝土的力学性能和抗渗性能。
2)本发明所得凝灰岩混凝土可有效兼顾所得混凝土的轻质、高强、抗裂和自修复性能，且涉及的制备成本较低，适合推广应用。
具体实施方式
下面申请人将结合具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，以使本领域的技术人员更加清楚地理解本发明。但以下内容不应理解为是对本发明的权利要求书请求保护范围的限制。
以下实施例中，采用的水泥为普通硅酸盐水泥；
采用的硅灰的比表面积为24000m2/kg以上，且SiO2含量为95wt％以上；陶粒为碎石型页岩陶粒，其粒径为5～20mm，筒压强度为8.2～10.5Mpa；陶砂的粒径小于5mm；高性能减水剂为聚羧酸减水剂；引气剂为三萜皂甙引气剂。
以下实施例中，采用的抗裂修复剂的制备方法包括如下步骤：
1)预浓缩液的制备：将20重量份甲醛和8重量份苯酚加入30重量份水中搅拌均匀，然后加入5重量份氢氧化钠调节所得混合溶液的pH值至10，然后加热至60℃，保温处理90min；
2)乳液的制备：在搅拌条件下，将36重量份双环戊二烯加入含30重量份聚丙烯酸钠盐的水溶液中，将所得悬浮液在80℃下继续搅拌均匀；
3)将所得预浓缩液和乳液搅拌均匀，再加入5wt％盐酸并在搅拌条件下使所得反应体系的pH值调节到3；再以3℃/min升温至90℃保温反应6h，冷却至室温、过滤、干燥即得所述抗裂修复剂。
实施例1
一种轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)微波改性凝灰岩粉的制备：
首先将凝灰岩粉置于YXQM-4L行星式球磨机在280r/min的转速条件下，粉磨45min得超细凝灰岩粉(比表面积为450m2/kg左右)；
然后将所得超细凝灰岩粉置于干燥箱中干燥24h，再置于微波单模腔反应器内，开启微波源，调节短路活塞，使得反射功率为450W，此时凝灰岩粉处于微波最佳耦合位置，为谐振状态；使凝灰岩粉在300℃条件下保温8min；在升温阶段，短路活塞位置维持不变直至物料达到设定温度，然后通过调节短路活塞使加热温度维持在设定温度；
2)按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：普通硅酸盐水泥16％、改性凝灰岩粉14％、硅灰5％、陶粒25％、陶砂30％、高性能聚羧酸减水剂0.4％、抗裂自修复剂0.1％，三萜皂甙引气剂0.05％，其余为水；
3)首先将称取的陶粒和混合搅拌均匀的普通硅酸盐水泥、改性凝灰岩粉和硅灰放入混凝土搅拌机中搅拌均匀，接着将陶砂放入混凝土搅拌机中搅拌一段时间，最后把混合均匀的的高性能减水剂、引气剂、抗裂修复剂和水加入搅拌机中拌和成型、拆模养护获得得所述轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土。
实施例2
一种轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：普通硅酸盐水泥16％、改性凝灰岩粉14％、硅灰5％、陶粒25％、陶砂30％、高性能聚羧酸减水剂0.3％、抗裂自修复剂0.2％，三萜皂甙引气剂0.05％，其余为水；
2)制备方法同实施例1。
实施例3
一种轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土，其制备方法包括如下步骤：
2)按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：普通硅酸盐水泥10％、微波改性凝灰岩粉20％、硅灰5％、陶粒25％、陶砂30％、高性能聚羧酸减水剂0.3％、抗裂自修复剂0.2％，三萜皂甙引气剂0.05％，其余为水；
2)制备方法同实施例1。
对比例1
一种凝灰岩混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：普通硅酸盐水泥22％、磨细凝灰岩粉(实施例1步骤1)所得超细凝灰岩粉)8％、硅灰5％、陶粒25％、陶砂30％、高性能聚羧酸减水剂0.5％、三萜皂甙引气剂0.05％，其余为水；
2)首先将称取的陶粒和混合搅拌均匀的普通硅酸盐水泥、磨细凝灰岩粉和硅灰放入混凝土搅拌机中搅拌均匀，接着将陶砂放入混凝土搅拌机中搅拌一段时间，最后把混合均匀的的高性能减水剂、引气剂和水加入搅拌机中拌和成型、拆模养护获得得所述轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土。
对比例2
一种凝灰岩混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：普通硅酸盐水泥22％、微波改性凝灰岩粉8％、硅灰5％、陶粒25％、陶砂30％、高性能聚羧酸减水剂0.5％、三萜皂甙引气剂0.05％，其余为水；
2)其制备方法见对比例1。
对比例3
一种轻凝灰岩混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：普通硅酸盐水泥16％、微波改性凝灰岩粉14％、硅灰5％、陶粒25％、陶砂30％、高性能聚羧酸减水剂0.5％、三萜皂甙引气剂0.05％，其余为水；
2)制备方法同对比例1。
对比例4
一种凝灰岩混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)高温改性凝灰粉的制备，通过将超细凝灰岩粉(实施例1所得超细凝灰岩粉)置于SX2-12-10N箱式电阻炉以12KW的功率以5℃/min的速率升温至600℃，保温45min，自然冷常温而成；
2)按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：普通硅酸盐水泥16％、高温改性凝灰岩粉14％、硅灰5％、陶粒25％、陶砂30％、高性能聚羧酸减水剂0.3％、抗裂自修复剂0.2％、三萜皂甙引气剂0.05％，其余为水；
3)制备方法同对比例1。
将实施例1～3和对比例1～4所得轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土分别进行力学性能、抗渗、抗裂等性能测试，结果见表1。
参照GB/T50081-2002，混凝土力学性能试验方法标准，对实施例1～3、对比例1～4所得混凝土试块进行力学性能测试：参照GB/T50082-2009，普通混凝土长期久性能试验方法标准，对实施例1～3和对比例1～4所得混凝土试块进行耐久性能结果具体见表1所示。
表1实施例1～3和对比例1～4所得凝灰岩混凝土的性能检测结果
Figure BDA0002854365880000061
注：7+7d抗压强度是指标准养护7d的混凝土试块预制裂缝后重新养护7d后的抗压强度，28+28d抗压强度是指标准养护28d的混凝土试块预制裂缝后重新养护28d后的抗压强。
由表1中可以看出，本发明所得改性凝灰岩粉可实现在混凝土中的高掺量应用，并可进一步提升所得混凝土制品的力学性能和耐久性能，还可与其他功能性组分配合作用，使所得混凝土可有效兼顾良好的轻质、高强、抗裂和自修复性能，具有较好的应用前景。
上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土，其特征在于，各组分及其所占质量百分比包括：水泥10～22％，改性凝灰岩粉8～20％，硅灰2～6％，陶粒20～30％，陶砂25～35％，高性能减水剂0.2～0.8％，抗裂修复剂0.06～0.3％，引气剂0.05～0.8％，水6～12％；其中所述改性凝灰岩粉通过将凝灰岩进行微波活化和粉磨处理而成。
2.根据权利要求1所述的轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土，其特征在于，所述改性凝灰岩粉的制备方法包括如下步骤：首先利用行星式球磨机在200～300r/min的转速条件下球磨45～75min，得超细凝灰岩粉，然后将干燥后的超细凝灰岩粉置于微波单模腔反应器内，调节反射功率至450～750W，在200～350℃条件下保温5～20min。
3.根据权利要求1所述的轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土，其特征在于，所述水泥为52.5级普通硅酸盐水泥。
4.根据权利要求1所述的轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土，其特征在于，所述硅灰的比表面积为24000m2/kg以上，且SiO2含量为95wt％以上。
5.根据权利要求1所述的轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土，其特征在于，所述陶粒为碎石型页岩陶粒，其粒径为5～20mm，筒压强度为8.2～10.5Mpa。
6.根据权利要求1所述的轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土，其特征在于，所述抗裂修复剂的制备方法包括如下步骤：
1)预浓缩液的制备：将15～20重量份甲醛和8～12重量份苯酚加入水中搅拌均匀，调节所得混合溶液的pH值至8～10，加热至60～90℃，保温处理80～120min；
2)乳液的制备：在搅拌条件下，将28～36重量份双环戊二烯加入含30～40重量份聚丙烯酸钠盐的水溶液中，将所得悬浮液在65～85℃下继续搅拌均匀；
3)将所得预浓缩液和乳液搅拌均匀，加入酸性调节剂并在搅拌条件下使所得反应体系的pH值调节到1～3；再以1～3℃/min的速率升温至85～95℃保温反应5～6h，冷却至室温、过滤、干燥即得所述抗裂修复剂。
7.根据权利要求1所述的轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土，其特征在于，所述引气剂为三萜皂甙；所述高性能减水剂为聚羧酸减水剂。
8.根据权利要求1所述的轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土，其特征在于，所述陶砂的粒径小于5mm。
9.权利要求1～8任一项所述轻质高强抗开裂自修复凝灰岩混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:
1)按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比包括：水泥10～22％，改性凝灰岩粉8～20％、硅灰2～6％、陶粒20～30％、陶砂25～35％、高性能减水剂0.2～0.8％、抗裂修复剂0.06～0.3％、引气剂0.05～0.8％和水6～12％；
2)首先将称取的陶粒和水泥、改性凝灰岩粉和硅灰放入混凝土搅拌机中搅拌均匀，然后加入陶砂搅拌均匀，最后把混合均匀的高性能减水剂、抗裂修复剂、引气剂和水加入搅拌机中拌和成型、拆模养护获得混凝土产品。
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