CN113003998B

CN113003998B - 一种抗开裂自修复管廊混凝土及其制备方法

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Publication number: CN113003998B
Application number: CN202110194388.3A
Authority: CN
Inventors: 程铠; 周紫晨; 曾明; 张冰; 张剑峰
Original assignee: Wuhan Research Institute of Metallurgical Construction Co Ltd
Current assignee: Wuhan Research Institute of Metallurgical Construction Co Ltd
Priority date: 2021-02-20
Filing date: 2021-02-20
Publication date: 2022-06-10
Anticipated expiration: 2041-02-20
Also published as: CN113003998A

Abstract

本发明公开了一种抗开裂自修复管廊混凝土，其组成按重量份数计如下：水泥190‑260份，粉煤灰50‑80份，矿粉80‑120份，复合纤维0.5‑2份，自修复剂3‑10份，砂700‑850份，石970‑1100份，减水剂4‑8份，水140‑180份。将砂、石、复合纤维加入搅拌机干拌30s，然后加入一半的水湿拌30s；加入水泥、粉煤灰、矿粉、自修复剂、减水剂拌合40s；加入剩余的水拌合90s得所述管廊混凝土。本发明可以有效地减少管廊混凝土中裂缝的产生，并能自行修复混凝土中出现的微裂缝，保证混凝土结构的耐久性。

Description

一种抗开裂自修复管廊混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种抗开裂自修复管廊混凝土及其制备方法。

背景技术

随着城市市政管网体系的发展，由于管线更新、扩容、维修等原因经常会造成道路的开挖，不仅影响居民正常生活，也会造成环境污染、噪音污染等负面影响，制约着城市基础设施的发展以及环境改善的步伐。近年来，城市综合管廊逐渐成为解决城市基础设施建设矛盾的新模式，也被称为“城市生命线工程”，是维持城市正常运转的关键环节。然而在管廊建设过程中，混凝土裂缝成为其结构耐久性的主要问题，不仅影响结构的承载力，而且容易导致外部侵蚀介质破坏钢筋及混凝土结构。因此，控制混凝土裂缝是保证管廊工程使用寿命的关键。

建筑工程中对混凝土裂缝的控制一般采取事后维修和定时维修，这种处理方式比较被动，不仅耗费人力物力，而且对于微细裂缝可能达不到有效的修复效果。因此从混凝土源头上减少裂缝的产生以及增强裂缝产生后混凝土的自修复能力，具有显著的意义。

CN201910685435.7公开了一种抗裂自修复混凝土及其制备方法，利用氯化铵和八水氢氧化钡的吸热反应降低混凝土裂缝宽度，通过引入聚丙烯纤维和硅烷偶联剂增强混凝土抗裂能力，将装有氧化钙的玻璃纤维置于混凝土中备用修复产生的裂缝。其解决了混凝土结构中微小裂纹发展成宏观裂缝导致的混凝土结构使用寿命减少的问题，但是混凝土制备时间较长，难以工业化生产，不适用于实际。

CN201810399627.7公开了一种增强修复性能的自修复混凝土及其制备方法，通过加入纤维、减水剂、膨胀剂、修复材料、储水材料，使混凝土具有自主修复裂缝的能力。其解决了混凝土工程中混凝土易开裂以及对结构裂缝修补不及时的问题，但是修复材料被中空玻璃管包裹，中空玻璃管对混凝土的搅拌加工过程会造成影响，增加了混凝土的加工难度。

CN201810440094.2公开了一种自修复混凝土及其制备方法，通过在普通水泥中加入着硬脂酸、憎水剂、无水石膏和氢氧化钙，实现着混凝土上的裂缝具有自动修复功能。解决了工程上事后修复混凝土裂缝的被动问题，但是制备条件较严格，生产成本较高。

发明内容

本发明目的在于提供一种抗开裂自修复管廊混凝土及其制备方法，可以有效地减少管廊混凝土中裂缝的产生，并能自行修复混凝土中出现的微裂缝，保证混凝土结构的耐久性。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

一种抗开裂自修复管廊混凝土，其组成按重量份数计如下：

水泥190-260份，粉煤灰50-80份，矿粉80-120份，复合纤维0.5-2份，自修复剂3-10份，砂700-850份，石970-1100份，减水剂4-8份，水140-180份。

按上述方案，所述自修复剂的组成按质量百分数计如下：

络合剂20-30％，增强组分50-70％，钙离子源矿物10-20％；

所述络合剂为葡庚糖酸钠干粉，所述增强组分为硅酸钠，所述钙离子源矿物为氢氧化钙。

按上述方案，所述自修复剂按以下方式制备而来：

分别将葡庚糖酸钠、硅酸钠、氢氧化钙置于聚乙烯醇树脂水溶液中，80-90℃浸渍1-2h；分别干燥后均匀混合得到自修复剂。

按上述方案，所述水泥为42.5普通硅酸盐水泥，其比表面积为300-350m²/kg。

按上述方案，所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，45μm筛余量≤30％。

按上述方案，所述矿粉为S95级矿粉，28d活性指数≥95％。

按上述方案，所述复合纤维由聚丙烯腈纤维和纤维素纤维混合而成；其中聚丙烯腈纤维尺度为12-19mm，纤维素纤维尺度为1-12mm；聚丙烯腈纤维和纤维素纤维质量比为(1-3):1。

按上述方案，所述砂为天然河砂，细度模数为2.3-3.0，含泥量≤3wt％。

按上述方案，所述石为5-25mm连续级配碎石，含泥量≤1wt％。

按上述方案，所述减水剂为含磷酸基超缓凝聚羧酸系高效减水剂，减水率≥25％。

上述抗开裂自修复管廊混凝土的制备方法，包括如下步骤：

(1)将砂、石、复合纤维加入搅拌机干拌30s，然后加入一半的水湿拌30s；

(2)加入水泥、粉煤灰、矿粉、自修复剂、减水剂拌合40s；

(3)加入剩余的水拌合90s得所述管廊混凝土。

按上述方案，所述复合纤维的加入顺序加在砂、石之间。

相对于现有技术，本发明有益效果如下：

为控制混凝土干缩和自收缩现象，采用比表面积较小的水泥，同时使用粉煤灰和矿粉来降低水泥的用量，从而降低混凝土热膨胀；并且利用矿物掺合料中后期的二次反应以及含磷酸基的聚羧酸减水剂对水泥水化的延缓作用来推迟水泥水化热峰值的出现。

复合纤维在砂石骨料之间添加，并与砂石骨料一起先干拌30s后湿拌30s使得复合纤维能够充分的均匀分散。另外，1-12mm和12-19mm的两种纤维复合使用，一方面在混凝土硬化前起着“微细钢筋”的作用，微观上构成一个均匀的支撑体系，不仅能承受塑性收缩引起的拉应力，而且能有效地限制混凝土早期离析、泌水和收缩导致原始裂缝的形成和发展，减少原始裂缝的产生；另一方面在混凝土受到拉伸和冲击作用时能起到吸收能量以及分担拉力的“加强筋”作用，有利于限制裂缝的发展，提高混凝土的韧性。

在混凝土中掺入一定量的自修复剂，其中自修复剂中各组分均被聚乙烯醇树脂保护膜包裹，常温下保护膜在中性水中溶解度极低，可以保护增强组分不会预先反应。当混凝土产生微裂缝时，在碱性水溶液中，保护膜溶解，释放出的葡庚糖酸钠与氢氧化钙提供的钙离子形成溶解度高且稳定的络合物，当其遇到硅酸钠所提供的游离硅酸根离子时，游离硅酸根与络合物中钙离子反应生成更稳定的水化硅酸钙凝胶填充于微裂缝中发挥修复作用，并且重新释放出的活性化学离子游离在水泥石中还能与水泥水化产物氢氧化钙络合，从而促进混凝土中未水化的水泥发生水化，产生更多凝胶水化产物，进一步填充密实混凝土微裂缝。

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。

以下实施例所用原料均符合以下要求，不再赘述。

水泥为42.5普通硅酸盐水泥，其比表面积为300-350m²/kg。

粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，45μm筛余量≤30％。

矿粉为S95级矿粉，28d活性指数≥95％。

复合纤维为聚丙烯腈纤维和纤维素纤维的复合。其中聚丙烯腈纤维尺度为12-19mm，纤维素纤维尺度为1-12mm；聚丙烯腈纤维和纤维素纤维质量比为(1-3):1。

自修复剂组成按质量百分比为：络合剂20-30％，增强组分50-70％，钙离子源矿物10-20％；所述络合剂为葡庚糖酸钠干粉，所述增强组分为硅酸钠，所述钙离子源矿物为氢氧化钙。分别将葡庚糖酸钠、硅酸钠、氢氧化钙置于聚乙烯醇树脂水溶液中，80-90℃浸渍1-2h；分别干燥后均匀混合得到自修复剂。

砂为天然河砂，细度模数为2.3-3.0，含泥量≤3％。

石为5-25mm连续级配碎石，含泥量≤1％。

减水剂为含磷酸基超缓凝聚羧酸系高效减水剂，减水率≥25％。

水为自来水。

实施例1

一种抗开裂自修复管廊混凝土，其组成按重量份数计为：水泥255份，粉煤灰54份，矿粉81份，复合纤维0.9份，自修复剂3.9份，砂796份，石1014份，减水剂6.24份，水156份。

其中，自修复剂的具体组成为葡庚糖酸钠25％，硅酸钠55％，氢氧化钙20％；分别将葡庚糖酸钠、硅酸钠、氢氧化钙置于聚乙烯醇树脂水溶液中，80-90℃浸渍1-2h；分别干燥后均匀混合得到自修复剂。

制备过程如下：

1)按配合比称量各原材料；

2)将砂、石、复合纤维加入搅拌机干拌30s，且纤维加在砂石料之间，然后加入50％的拌合水湿拌30s；

3)向搅拌机内加入水泥、粉煤灰、矿粉、自修复剂、减水剂拌合40s；

4)将剩余拌合水加入搅拌机内拌合90s得新拌混凝土，标记为B。

实施例2

一种抗开裂自修复管廊混凝土，其组成按重量份数计为：水泥235份，粉煤灰62份，矿粉93份，复合纤维1.2份，自修复剂5.9份，砂778份，石1032份，减水剂6.63份，水156份。

其中，自修复剂的具体组成为葡庚糖酸钠30％，硅酸钠55％，氢氧化钙15％；分别将葡庚糖酸钠、硅酸钠、氢氧化钙置于聚乙烯醇树脂水溶液中，80-90℃浸渍为1-2h；分别干燥后均匀混合得到自修复剂。

制备过程如下：

1)按配合比称量各原材料；

4)将剩余拌合水加入搅拌机内拌合90s得新拌混凝土，标记为C。

实施例3

一种抗开裂自修复管廊混凝土，其组成按重量份数计为：水泥215份，粉煤灰70份，矿粉105份，复合纤维1.5份，自修复剂7.8份，砂760份，石1050份，减水剂7.02份，水156份。

其中，自修复剂的具体组成为葡庚糖酸钠30％，硅酸钠60％，氢氧化钙10％；分别将葡庚糖酸钠、硅酸钠、氢氧化钙置于聚乙烯醇树脂水溶液中，80-90℃浸渍1-2h；分别干燥后均匀混合得到自修复剂。

制备过程如下：

1)按配合比称量各原材料；

4)将剩余拌合水加入搅拌机内拌合90s得新拌混凝土，标记为D。

对比例

一种管廊混凝土，包括以下重量份的各组分：水泥255份，粉煤灰54份，矿粉81份，砂815份，石995份，减水剂5.46份，水156份。

制备方法与普通混凝土相同，标记为A。

对实施例和对比例按照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行早期抗裂试验，成型24h后测读裂缝，记录裂缝条数、每条裂缝最大宽度、裂缝长度，然后用塑料膜覆盖，每天洒水养护，保证混凝土处于润湿环境，并以每条裂缝最宽处为测量点每隔7d测量一次，测量结果如下：

表1初始裂缝情况

组	裂缝条数	最大裂缝宽度/mm	最大裂缝长度/mm
				A	6	0.8	506
B	6	0.48	374
				C	5	0.44	351
D	5	0.42	345

表2不同养护时间下裂缝宽度/mm

上述结果表明：本实施例所得抗开裂自修复管廊混凝土初始抗裂能力优于对比例，具体表现在初始最大裂缝宽度和最大裂缝长度显著减小；另外对比例混凝土只具有极小或基本不具备宏观裂缝自愈合能力，而实施例中加入自修复材料及复合纤维后，混凝土具有良好的裂缝自愈合能力，且用量增加时，愈合效果更好。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，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，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims

1.一种抗开裂自修复管廊混凝土，其特征在于组成按重量份数计如下：

水泥190-260份，粉煤灰50-80份，矿粉80-120份，复合纤维0.5-2份，自修复剂3-10份，砂700-850份，石970-1100份，减水剂4-8份，水140-180份；

所述自修复剂的组成按质量百分数计如下：

络合剂20-30%，增强组分50-70%，钙离子源矿物10-20%；

所述络合剂为葡庚糖酸钠干粉，所述增强组分为硅酸钠，所述钙离子源矿物为氢氧化钙；

所述自修复剂按以下方式制备而来：

分别将葡庚糖酸钠、硅酸钠、氢氧化钙置于聚乙烯醇树脂水溶液中，80-90℃浸渍1-2h；分别干燥后均匀混合得到自修复剂；

所述复合纤维由聚丙烯腈纤维和纤维素纤维混合而成；其中聚丙烯腈纤维尺度为12-19mm，纤维素纤维尺度为1-12mm；聚丙烯腈纤维和纤维素纤维质量比为（1-3）:1。

2.如权利要求1所述抗开裂自修复管廊混凝土，其特征在于所述水泥为42.5普通硅酸盐水泥，其比表面积为300-350 m²/kg。

3.如权利要求1所述抗开裂自修复管廊混凝土，其特征在于所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，45μm筛余量≤30%；所述矿粉为S95级矿粉，28d活性指数≥95%。

4.如权利要求1所述抗开裂自修复管廊混凝土，其特征在于所述砂为天然河砂，细度模数为2.3-3.0，含泥量≤3wt%；所述石为5-25mm连续级配碎石，含泥量≤1wt%。

5.如权利要求1所述抗开裂自修复管廊混凝土，其特征在于所述减水剂为含磷酸基超缓凝聚羧酸系高效减水剂，减水率≥25%。

6.权利要求1-5任一项所述抗开裂自修复管廊混凝土的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）将砂、石、复合纤维加入搅拌机干拌30s，然后加入一半的水湿拌30s；

（2）加入水泥、粉煤灰、矿粉、自修复剂、减水剂拌合40s；

（3）加入剩余的水拌合90s得所述管廊混凝土。

7.如权利要求6所述抗开裂自修复管廊混凝土的制备方法，其特征在于步骤1所述复合纤维的加入顺序加在砂、石之间。