CN112624720B - 一种高抗氯离子侵蚀辅助胶凝材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高抗氯离子侵蚀辅助胶凝材料，涉及建筑材料技术领域。本发明的抗氯离子侵蚀辅助胶凝材料，包括以下重量份数的原料：基准水泥40‑60份，磷酸二氢钾5‑10份，镁砂5‑10份，硼砂0.5‑1份，石膏2份，偏高岭土10‑20份，激发剂2‑6份，分散剂0.2‑2份，纳米填料1‑10份。本发明的高抗氯离子侵蚀辅助胶凝材料，不仅能够降低混凝土内部游离氯离子含量，还能增强氯离子阻迁性，降低钢筋锈蚀破坏。

Description

一种高抗氯离子侵蚀辅助胶凝材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，特别是涉及一种高抗氯离子侵蚀辅助胶凝材料及其制备方法。
背景技术
在建筑领域，氯盐侵蚀是导致混凝土结构耐久性不足的最主要因素之一。研究表明引起钢筋锈蚀的氯离子主要是混凝土内部游离的氯离子，这部分氯离子浓度超过某一定值时能够与钢筋产生离子的去极化作用和导电作用，破坏钢筋表面钝化膜引起钢筋锈蚀。钢筋锈蚀到一定的程度就会导致混凝土的锈胀，加速钢筋混凝土结构的劣化，最终导致混凝土构件的承载力失效，影响建筑物的设计使用年限，降低使用寿命。混凝土材料对氯离子的固化作用能够降低游离氯离子的含量，从而降低钢筋发生锈蚀的风险。
国内外对混凝土氯离子固化做了大量的研究工作，但往往偏重于单一因素的研究。此外，对混凝土氯离子固化的研究工作主要集中在矿物掺合料中，对纳米材料和矿物掺合料复掺的研究甚少。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种高抗氯离子侵蚀辅助胶凝材料，不仅能够降低混凝土内部游离氯离子含量，还能提高抵抗外界环境中氯离子侵蚀的能力。
一种高抗氯离子侵蚀辅助胶凝材料，包括以下重量份数的原料：
Figure BDA0002879108470000011
上述胶凝材料，偏高岭土中含有较高含量的二氧化硅和氧化铝，具有较高的火山灰活性，在激发剂的作用下与水泥净浆体系发生的化学反应，生成的碱性无机聚合物(Na,K)2O-Al2O3-SiO2-H2O和弗里德尔盐(Friedel's salt，3CaO-AlO3-CaCl2-10H2O)能够化学固化游离的氯离子，提高水泥基材料的氯离子固化率；磷酸二氢钾、镁砂、石膏遇水反应生成MgKPO4.6H2O晶体和无定型凝胶，这些物质会附着在钢筋的表面形成钢筋保护膜，阻止钢筋发生腐蚀；纳米填料不仅能够改善水泥浆体内部孔结构，吸附部分游离的氯离子，还能够促进水泥水化反应降低水化热减少内部原始缺陷，增强基体的密实度和材料的氯离子阻迁性。
在其中一个实施例中，所述偏高岭土选用高活性偏高岭土，所述高活性高岭土中二氧化硅的含量≥54.66wt％，氧化铝的质量含量≥40.19wt％，所述高活性高岭土的比表面积为14.5～15.5m2/g。
在其中一个实施例中，所述激发剂选自：硅酸钠、氢氧化钠中的一种或两种。
在其中一个实施例中，所述激发剂选用硅酸钠和氢氧化钠的混合物，硅酸钠与氢氧化钠的摩尔比为1：0.5～1.5。
在其中一个实施例中，所述分散剂选自：阿拉伯树胶、聚羧酸减水剂、六偏磷酸钠、甲基纤维素中的一种或两种以上。
在其中一个实施例中，所述纳米填料选自：碳纳米管、石墨烯中的一种或两种。纳米填料可改善混凝土内部的孔隙结构，增大其迂曲程度，可以增强混凝土抵抗内外部抵抗氯离子侵蚀的性能。
在其中一个实施例中，所述纳米填料选用碳纳米管。
本发明还提供一种上述高抗氯离子侵蚀辅助胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
1)纳米填料预处理：将分散剂、水、纳米填料混合均匀，超声处理后，得到经表面处理的纳米填料悬浮液；
2)胶凝材料的制备：分别称取基准水泥、磷酸二氢钾、镁砂、硼砂、石膏、偏高岭土、激发剂和经表面处理的纳米填料，混合均匀，即得高抗氯离子侵蚀辅助胶凝材料。
上述准备方法中，纳米填料经过分散剂表面改性，可以增加其在粉料中的分散均匀性。
在其中一个实施例中，所述步骤1)具体为，将分散剂溶于水中，加入纳米填料，混合搅拌均匀后，超声处理25～35min，得到经表面处理的纳米填料悬浮液。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的胶凝材料，偏高岭土中含有较高含量的二氧化硅和氧化铝，具有较高的火山灰活性，在激发剂的作用下与水泥净浆体系发生的化学反应，生成的碱性无机聚合物(Na,K)2O-Al2O3-SiO2-H2O和弗里德尔盐(3CaO-AlO3-CaCl2-10H2O)能够化学固化游离的氯离子，提高水泥基材料的氯离子固化率；磷酸二氢钾、镁砂、石膏遇水反应生成MgKPO4.6H2O晶体和无定型凝胶，这些物质会附着在钢筋的表面形成钢筋保护膜，阻止钢筋发生腐蚀；纳米填料不仅能够改善水泥浆体内部孔结构，吸附部分游离的氯离子，还能够促进水泥水化反应降低水化热减少内部原始缺陷，增强基体的密实度和材料的氯离子阻迁性。本发明的胶凝材料，在提高混凝土氯离子固化能力的同时，增强氯离子阻迁性和保护钢筋免于锈蚀，形成三重保护。本发明的胶凝材料适用于高氯盐环境工程。本发明的胶凝材料制备方法简单易操作。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合较佳的实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
除非特殊说明，以下实施例中偏高岭土是采用的高活性偏高岭土，其中二氧化硅的含量为54.66wt％，氧化铝的质量含量为40.19wt％，比表面积为15.1m2/g；基准水泥购买自中国建筑材料研究院；激发剂采用摩尔比为1：1的硅酸钠和氢氧化钠；分散剂采用阿拉伯树胶。
实施例1
一种高抗氯离子侵蚀辅助胶凝材料，由以下重量份的原料制成：
基准水泥43份，石膏2份，磷酸二氢钾7.5份，镁砂7.5份，硼砂0.71份，偏高岭土15份，石墨烯5份，激发剂3份，分散剂1份。
该高抗氯离子侵蚀辅助胶凝材料的制备方法如下：
1)纳米填料预处理：将分散剂溶于17.8重量份水中，再加入石墨烯，混合搅拌再进行超声处理30分钟，得到经表面处理的纳米填料悬浮液；
2)胶凝材料的制备：按上述比例分别称取基准水泥、磷酸二氢钾、镁砂、硼砂、石膏、偏高岭土、激发剂和经表面处理的纳米填料，混合均匀，即得高抗氯离子侵蚀辅助胶凝材料。
实施例2
一种高抗氯离子侵蚀辅助胶凝材料，与实施例1的区别在于，原料组成和重量份数为：
基准水泥43份，石膏2份，磷酸二氢钾9.5份，镁砂9.5份，硼砂0.95份，偏高岭土15份，石墨烯5份，激发剂3份，分散剂1份。
其制备方法与实施例1相同。
实施例3
一种高抗氯离子侵蚀辅助胶凝材料，与实施例1的区别在于，原料组成和重量份数为：
基准水泥48份，石膏2份，磷酸二氢钾9.5份，镁砂9.5份，硼砂0.95份，偏高岭土20份，石墨烯5份，激发剂3份，分散剂1份。
其制备方法与实施例1相同。
实施例4
一种高抗氯离子侵蚀辅助胶凝材料，与实施例1的区别在于，原料组成和重量份数为：
基准水泥48份，石膏2份，磷酸二氢钾9.5份，镁砂9.5份，硼砂0.95份，偏高岭土20份，石墨烯8份，激发剂3份，分散剂1.6份。
其制备方法与实施例1相同。
实施例5
一种高抗氯离子侵蚀辅助胶凝材料，与实施例1的区别在于，原料组成和重量份数为：
取基准水泥48份，石膏2份，磷酸二氢钾9.5份，镁砂9.5份，硼砂0.95份，偏高岭土20份，碳纳米管8份，激发剂3份，分散剂1.6份。
其制备方法与实施例1相同。
对比例1
基准水泥，该基准水泥满足以下条件。
满足42.5强度等级硅酸盐水泥技术要求；熟料中铝酸三钙(C3A)含量6.0％～8.0％；熟料中硅酸三钙(C3S)含量55％～60％；熟料中游离氧化钙(f-CaO)含量不超过1.2％；水泥中碱(Na2O+0.658K2O)含量不超过1.0％；水泥比表面积(350±10)。
对比例2
一种胶凝材料，与实施例1的区别在于，未添加激发剂。
对比例3
一种胶凝材料，与实施例1的区别在于，采用沸石粉替换磷酸二氢钾、镁砂、硼砂、偏高领土、纳米材料。
对比例4
一种胶凝材料，与实施例1的区别在于，采用石灰石粉替换磷酸二氢钾、镁砂、硼砂、偏高领土、纳米材料。
实验例1
采用以上实施例和对比例的胶凝材料制备水泥净浆试块：
将各组分按重量百分比混合均匀。按照水灰比为0.35，先将称量好的氯化钠水溶液加入搅拌锅内，再加入称量好的混合均匀的胶凝材料/基准水泥在胶砂搅拌机进行搅拌，慢搅2min将其搅开，静停60s，在此期间加入1％聚羧酸减水剂和1％消泡剂消除气泡，再快搅2min，成型养护测试。测试项目如下：
(1)氯离子固化率测试：参照标准《混凝土中氯离子含量检测技术规程》JGJ/T322-2013中规定：混凝土氯离子总含量测试采用酸溶法，游离氯离子含量的测试采用水溶法，总的氯离子含量减去水溶性氯离子含量得到固化的氯离子含量，固化的氯离子含量与总氯离子含量的比值为氯离子固化率；
(2)抗氯离子迁移系数测试：参照标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082-2009中快速氯离子迁移数法(RCM)测试材料氯离子阻迁性；
(3)孔隙率测试：采用压汞法，将试块破碎成5mm左右的立方体，真空状态下烘干测试其微观孔隙。
(4)钢筋阻锈性能：采用电化学工作站，三电极法进行测试。
测试结果如下表所示：
表1.性能测试结果
Figure BDA0002879108470000051
从上述结果可以看出，本发明实施例的产品能有效提高混凝土氯离子固化能力的同时，增强氯离子阻迁性，降低钢筋锈蚀破坏。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种高抗氯离子侵蚀辅助胶凝材料，其特征在于，由以下重量份数的原料制成：
Figure FDA0003814796380000011
所述偏高岭土选用高活性偏高岭土，所述高活性偏 高岭土中二氧化硅的含量≥54.66wt％，氧化铝的质量含量≥40.19wt％，所述高活性偏 高岭土的比表面积为14.5～15.5m2/g；
所述激发剂为硅酸钠和氢氧化钠的混合物，硅酸钠与氢氧化钠的摩尔比为1：0.5～1.5；
所述纳米填料选自：碳纳米管、石墨烯中的一种或两种；
所述分散剂为阿拉伯树胶。
2.根据权利要求1所述的高抗氯离子侵蚀辅助胶凝材料，其特征在于，所述纳米填料选用碳纳米管。
3.一种权利要求1～2任一项所述的高抗氯离子侵蚀辅助胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)纳米填料预处理：将分散剂、水、纳米填料混合均匀，超声处理后，得到经表面处理的纳米填料悬浮液；
2)胶凝材料的制备：分别称取基准水泥、磷酸二氢钾、镁砂、硼砂、石膏、偏高岭土、激发剂和经表面处理的纳米填料，混合均匀，即得高抗氯离子侵蚀辅助胶凝材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)具体为，将分散剂溶于水中，加入纳米填料，混合搅拌均匀后，超声处理25～35min，得到经表面处理的纳米填料悬浮液。
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