CN113233843A

CN113233843A - 一种高抗冻性高耐蚀性砂浆材料及其制备方法

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Publication number: CN113233843A
Application number: CN202110649338.XA
Authority: CN
Inventors: 王洋; 葛勇; 李琴飞; 陈歆; 蔡小平; 杨文萃
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2021-06-08
Filing date: 2021-06-08
Publication date: 2021-08-10
Anticipated expiration: 2041-06-08
Also published as: CN113233843B

Abstract

本发明属于砂浆材料技术领域，本发明提供了一种高抗冻性高耐蚀性砂浆材料，包含水泥、细骨料、聚羧酸减水剂和水；水泥、细骨料和聚羧酸减水剂的质量比为100:200～400:0.15～0.55；细骨料包含焦炭渣和标准砂；所述焦炭渣和标准砂的质量比为3～13:87～97。本发明还提供了一种砂浆材料的制备方法。本发明的砂浆材料能够提高固体废弃物的利用效率，降低对环境的负面影响；本发明的焦炭渣具有良好的孔隙结构，有利于控制、优化混凝土材料内部的孔结构，显著提高混凝土材料的抗冻性能、耐侵蚀性能和强度；提高水泥基建筑设施的质量和使用寿命。

Description

一种高抗冻性高耐蚀性砂浆材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及砂浆材料技术领域,尤其涉及一种高抗冻性高耐蚀性砂浆材料及其制备方法。

背景技术

传统硅酸盐胶凝材料是世界上应用最广泛的建筑材料，水泥基建筑需要经常服役于恶劣、侵蚀等极端环境，例如寒冷地区、海洋地区等。因此对水泥基建筑的抗冻性能以及抗盐侵蚀性能要求较高。然而，硬化水泥基材料作为多孔材料，普遍具有抗冻性不足、耐侵蚀性能较差等缺点。在水泥基胶凝材料的服役过程中，抗冻性能差、抗侵蚀能力不足会对水泥基材料的结构造成严重影响，从而导致水泥混凝土结构失效，影响建筑结构安全。

抗冻性是混凝土材料重要的指标之一。当混凝土材料服役于低温冰冻地区时，其结构受到内部自由水的冻融循环破坏，由此引起混凝土表面剥蚀和力学性能下降，最终导致混凝土的实际服役寿命远低于其设计寿命。水的冻融循环破坏主要是由于混凝土毛细孔内自由水结冰、体积膨胀引起的，当冰的膨胀压力达到混凝土抗压强度时，混凝土结构被破坏。

为了提高混凝土材料的抗冻性，通常往水泥基材料中添加一定量的引气剂来适度提高混凝土材料的孔隙率，适当提高混凝土的孔隙率能够缓解冰的膨胀压力，保护混凝土结构。然而，添加引气剂缓解混凝土冻融循环破坏具有一定的局限性，即引气剂的稳定性较差。引气剂极易造成混凝土材料传输性能的提高，从而不利于混凝土建筑的耐侵蚀性能。因此，为了避免引气剂的负面影响，并进一步提升抗冻性，考虑将多孔骨料引入混凝土材料中。掺加多孔骨料有利于提高混凝土的抗冻性。

因此，将作为废弃物的多孔骨料加入混凝土中，提高混凝土的抗冻性能、耐侵蚀性能和力学强度，同时提高固体废弃物的利用效率，具有非常重要的研究意义和价值。

发明内容

本发明的目的在于为了克服现有技术的不足而提供一种高抗冻性高耐蚀性砂浆材料及其制备方法。本发明的砂浆材料能够提高固体废弃物的利用效率，降低对环境的负面影响；本发明的焦炭渣具有良好的孔隙结构，有利于控制、优化混凝土材料内部的孔结构，显著提高混凝土材料的抗冻性能、耐侵蚀性能和强度；提高水泥基建筑设施的质量和使用寿命。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种高抗冻性高耐蚀性砂浆材料，包含水泥、细骨料、聚羧酸减水剂和水；

所述水泥、细骨料和聚羧酸减水剂的质量比为100:200～400:0.15～0.55；

所述细骨料包含焦炭渣和标准砂；所述焦炭渣和标准砂的质量比为3～13:87～97。

作为优选，所述水泥为硅酸盐水泥。

作为优选，所述焦炭渣的粒径为二区砂。

作为优选，所述水和水泥的质量比为0.4～0.6:1。

作为优选，所述水泥、细骨料和聚羧酸减水剂的质量比为100:300:0.2～0.5；所述焦炭渣和标准砂的质量比为5～10:90～95。

作为优选，所述水和水泥的质量比为0.45～0.53:1。

本发明还提供了一种所述的高抗冻性高耐蚀性砂浆材料的制备方法，包含如下步骤：

1)将水泥、焦炭渣、标准砂和聚羧酸减水剂混合，得到混合物；

2)将混合物和水混合，得到高抗冻性高耐蚀性砂浆材料。

作为优选，步骤1)所述混合的时间为2～6min，步骤2)所述混合的时间为3～5min；步骤1)和步骤2)所述混合在搅拌条件下进行。

本发明的有益效果包括：

1)焦炭渣为冶金行业的副产物，利用率低，回收焦炭渣作为水泥行业的原材料属于“变废为宝”，提高固体废弃物的利用效率，降低其对环境的负面影响。

2)焦炭渣作为多孔材料具有一定的内养护效应，在水泥水化后期，内养护效应能够提高混凝土内部相对湿度、提高水化程度，从而降低水泥收缩、密实水泥结构，改善界面过渡区，提高水泥基材料强度。

3)焦炭渣具有良好的孔隙结构，有利于控制、优化混凝土材料内部的孔结构，显著提高混凝土材料的抗冻性能、抗氯离子侵蚀性能和抗硫酸盐侵蚀性能；通过焦炭渣引入孔隙的成本更低、更稳定可靠，并且极大地降低了引气剂对混凝土结构的不利影响，提高水泥基建筑设施的质量和使用寿命。

附图说明

图1为实施例1的焦炭渣粒径分布图；

图2为实施例1～2和对比例1～3水泥基砂浆材料的抗压强度影响图；

图3为实施例1～2和对比例1～3水泥基砂浆材料的吸水性影响图；

图4为实施例1、2和对比例1、3水泥基砂浆材料冻融循环中的质量损失图；

图5为实施例1、2和对比例1、3水泥基砂浆材料冻融循环中的抗折强度损失图；

图6为实施例1～2和对比例1～3水泥基砂浆材料氯离子渗透性影响图；

图7为实施例1、2和对比例1、3水泥基砂浆材料硫酸盐侵蚀中的抗折强度损失图；

图8为实施例1、2和对比例1、3水泥基砂浆材料硫酸盐侵蚀中的抗压强度损失图。

具体实施方式

本发明所述水泥优选为硅酸盐水泥；所述硅酸盐水泥作为胶凝材料；所述硅酸盐水泥优选来自山东山水水泥基团。

本发明所述焦炭渣优选为冶金工业废弃物焦炭渣；采用焦炭渣取代部分标准砂掺入水泥基体；所述焦炭渣的粒径优选为二区砂。

本发明所述水和水泥的质量比优选为0.4～0.6:1，进一步优选为0.45～0.55:1，更优选为0.48～0.53:1。

本发明所述聚羧酸减水剂用于调控水泥基体的流动度，使其具备优异的工作性，从而减少引气剂对水泥结构的不利影响，聚羧酸减水剂通过优化水泥基体的孔结构来提高水泥基材料的力学强度、抗冻性和耐侵蚀性。

本发明所述水泥、细骨料和聚羧酸减水剂的质量比优选为100:250～350:0.2～0.5，进一步优选为100:300:0.3～0.4；所述焦炭渣和标准砂的质量比优选为5～10:90～95，进一步优选为6～8:92～94，更优选为7:93；所述标准砂优选来自厦门艾欧斯集团。

2)将混合物和水混合，得到高抗冻性高耐蚀性砂浆材料。

本发明步骤1)所述混合的时间优选为2～6min，进一步优选为3～5min，更优选为4min；步骤2)所述混合的时间优选为3～5min，进一步优选为4min；步骤1)和步骤2)所述混合优选在搅拌条件下进行。

下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

按照水灰比0.47、水泥与细骨料的质量比1:3、焦炭渣为细骨料质量的5％、聚羧酸减水剂为水泥质量的0.3％称取各组分：2250g水泥、6.75g聚羧酸减水剂、6412.5g标准砂、337.5g焦炭渣。将水泥、聚羧酸减水剂、标准砂、焦炭渣混合4分钟，得到均匀混合物，混合物中加入1057.5g水后混合搅拌4分钟，得到砂浆材料。

对实施例1的焦炭渣的吸水率、粒径分布进行测试，通过扫描电镜对焦炭渣进行了表面分析。焦炭渣的粒径分布如图1所示；由图1可知，焦炭渣的粒径属于二级砂，符合作为混凝土材料细骨料的要求。

实施例2

按照水灰比0.49、水泥与细骨料的质量比1:3、焦炭渣为细骨料质量的10％、聚羧酸减水剂为水泥质量的0.5％称取各组分：2250g水泥、11.25g聚羧酸减水剂、6075g标准砂、675g焦炭渣。将水泥、聚羧酸减水剂、标准砂、焦炭渣混合4分钟，得到均匀混合物，混合物中加入1102.5g水后混合搅拌4分钟，得到砂浆材料。

实施例3

按照水灰比0.4、水泥与细骨料的质量比1:3.7、焦炭渣为细骨料质量的8％、聚羧酸减水剂为水泥质量的0.2％称取各组分：2250g水泥、4.5g聚羧酸减水剂、7659g标准砂、666g焦炭渣。将水泥、聚羧酸减水剂、标准砂、焦炭渣混合5分钟，得到均匀混合物，混合物中加入900g水后混合搅拌3分钟，得到砂浆材料。

实施例4

按照水灰比0.6、水泥与细骨料的质量比1:2.5、焦炭渣为细骨料质量的3％、聚羧酸减水剂为水泥质量的0.4％称取各组分：2250g水泥、9g聚羧酸减水剂、5456.25g标准砂、168.75g焦炭渣。将水泥、聚羧酸减水剂、标准砂、焦炭渣混合3分钟，得到均匀混合物，混合物中加入1350g水后混合搅拌4分钟，得到砂浆材料。

对比例1

按照水灰比0.45、水泥与细骨料的质量比1:3、聚羧酸减水剂为水泥质量的0.2％称取各组分：2250g水泥、4.5g聚羧酸减水剂、6750g标准砂。将水泥、聚羧酸减水剂、标准砂混合4分钟，得到均匀混合物，混合物中加入1012.5g水后混合搅拌4分钟，得到砂浆材料。

对比例2

按照水灰比0.5、水泥与细骨料的质量比1:3、焦炭渣为细骨料质量的15％、聚羧酸减水剂为水泥质量的0.5％称取各组分：2250g水泥、11.25g聚羧酸减水剂、5737.5g标准砂、1012.5g焦炭渣。将水泥、聚羧酸减水剂、标准砂、焦炭渣混合4分钟，得到均匀混合物，混合物中加入1125g水后混合搅拌4分钟，得到砂浆材料。

对比例3

按照水灰比0.53、水泥与细骨料的质量比1:3、焦炭渣为细骨料质量的20％、聚羧酸减水剂为水泥质量的0.5％称取各组分：2250g水泥、11.25g聚羧酸减水剂、5400g标准砂、1350g焦炭渣。将水泥、聚羧酸减水剂、标准砂、焦炭渣混合4分钟，得到均匀混合物，混合物中加入1192.5g水后混合搅拌4分钟，得到砂浆材料。

测试实施例1～2和对比例1～3中不同焦炭渣用量对水泥基砂浆材料抗折强度、抗压强度，吸水性，冻融循环，氯离子渗透性，硫酸盐侵蚀的影响；其中，实施例1的焦炭渣为细骨料质量的5％，实施例2的焦炭渣为细骨料质量的10％，对比例1的焦炭渣为0，对比例2的焦炭渣为细骨料质量的15％，对比例3的焦炭渣为细骨料质量的20％。

实施例1～2和对比例1～3对水泥基砂浆材料的抗压强度影响如图2所示。由图2可知，焦炭渣的掺加对水泥基砂浆材料的力学强度产生了一定的影响。随着焦炭渣的掺加，砂浆的3d、7d及28d的抗压强度明显下降，这说明焦炭渣的高孔隙率导致了砂浆基体中存在一定的缺陷。但是，当焦炭渣为细骨料质量的5％时，砂浆3d抗压强度稍微升高，7d和28d抗压强度与焦炭渣为0时的抗压强度非常接近，这表明掺加5％的焦炭渣时，内养护效应导致水泥颗粒水化较为充分，所形成的水化产物结构密实；与此同时，焦炭渣掺量较小，多孔骨料对水泥基体的影响较小。

实施例1～2和对比例1～3对水泥基砂浆材料的吸水性影响如图3所示。由图3可知，当焦炭渣为细骨料质量的10～15％时，砂浆的吸水率与焦炭渣为0时的吸水率非常接近；而当掺量为20％时，砂浆的吸水率显著提升，远超过焦炭渣为0时的吸水率；而当焦炭渣为细骨料质量的5％时，砂浆吸水率有所降低。结果表明，5％焦炭渣-砂浆的联通孔隙含量有所降低，结构较为密实，这与抗压强度数据的研究结果一致。

实施例1、2和对比例1、3对水泥基砂浆材料的冻融循环影响如图4、5所示，其中，图4为砂浆材料的质量损失图；图5为砂浆材料的抗折强度损失图。由图4、5可知，冻融循环50次，焦炭渣为细骨料质量的5％时，砂浆材料的质量损失和抗折强度损失最小，表明焦炭渣为细骨料质量的5％时水泥基砂浆材料抗冻性能最好。

实施例1～2和对比例1～3对水泥基砂浆材料的氯离子渗透性影响如图6所示。由图6可知，焦炭渣低于细骨料质量的15％时的水泥基砂浆材料能够有效抑制氯离子渗透。

实施例1、2和对比例1、3对水泥基砂浆材料的硫酸盐侵蚀影响如图7、8所示。由图7、8可知，焦炭渣为细骨料质量的5％时的水泥基砂浆材料具有较小的抗折强度损失和抗压强度损失，表明焦炭渣为细骨料质量的5％时水泥基砂浆材料具有良好的耐硫酸盐侵蚀性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种高抗冻性高耐蚀性砂浆材料，其特征在于，包含水泥、细骨料、聚羧酸减水剂和水；

2.根据权利要求1所述的砂浆材料，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥。

3.根据权利要求1或2所述的砂浆材料，其特征在于，所述焦炭渣的粒径为二区砂。

4.根据权利要求3所述的砂浆材料，其特征在于，所述水和水泥的质量比为0.4～0.6:1。

5.根据权利要求4所述的砂浆材料，其特征在于，所述水泥、细骨料和聚羧酸减水剂的质量比为100:300:0.2～0.5；所述焦炭渣和标准砂的质量比为5～10:90～95。

6.根据权利要求5所述的砂浆材料，其特征在于，所述水和水泥的质量比为0.45～0.53:1。

7.权利要求1～6任意一项所述的高抗冻性高耐蚀性砂浆材料的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：

2)将混合物和水混合，得到高抗冻性高耐蚀性砂浆材料。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述混合的时间为2～6min，步骤2)所述混合的时间为3～5min；步骤1)和步骤2)所述混合在搅拌条件下进行。