CN113735521A - 混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料及其制备方法，属于自修复混凝土技术领域。所述混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料的原料包括：硅酸盐水泥、粗骨料、细骨料、减水剂、水、高抗拉强度纤维和高效固化微胶囊；其中高效固化微胶囊的壁材为活性硅酸盐‑脲醛树脂，芯材为嗜碱性芽孢杆菌孢子和乳酸钙。通过在混凝土中加入含有嗜碱性芽孢杆菌孢子和乳酸钙的微胶囊，能够修复混凝土铺装过程中出现的表观缺陷。同时，通过对微胶囊的结构进行设计，固化微胶囊外壳，更好的保护微胶囊中的嗜碱性芽孢杆菌孢子，当制备的混凝土后期再出现裂缝时，在裂缝表面喷洒含醇液体，快速释放微胶囊中的芯材，达到快速修复的效果。

Description

混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及自修复混凝土技术领域，特别涉及一种混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料及其制备方法。
背景技术
混凝土是一种重要的建筑材料，是公共基础设施和大多数建筑必不可少的组成部分。其抗拉强度相对于其抗压强度要低得多，为了提升其强度，通常会采用钢筋进行加固。混凝土也是一种非常脆的材料，对应变的耐受性很低，经过一定的时间后往往会开裂。微裂缝不仅会降低混凝土自身的整体性，更重要的是，微裂缝可能会暴露埋藏在混凝土间的钢筋，使具有氧化和腐蚀性的物质趁虚而入。当钢筋接触到水和氧气时，容易生锈产生氧化铁。氧化后的钢筋体积会膨胀，从内部挤压包裹着它的混凝土。混凝土在长时间挤压下也会产生更多的裂缝，使建筑整体结构遭到损坏，造成难以避免的损失。因为微裂缝的存在，混凝土结构的建筑在其设计使用年限内，需要定时进行整体结构的检测和修复，需要消耗大量人力物力。
对此，本领域技术人员研究出一种自修复水泥，通过加入以乳酸钙为“食物”的细菌，这种细菌能够利用乳酸钙产生碳酸钙，随着这种细菌的生长、代谢、增殖，碳酸钙不断地被合成，以此来填补微裂缝，阻碍空气和水分渗入，防止微裂缝进一步扩大。微裂缝被填充修复后，这种微生物的生长环境被破坏，会停止增殖、代谢，大量死亡或进入休眠状态。虽然原理看起来十分简单，但在实际操作中往往存在各种问题，最初直接将细菌和乳酸钙掺入混凝土中，结果发现水泥基体材料会不断进行水合作用，逐渐减小的基体孔隙直径，剥夺了芽孢杆菌的生存空间，一个月内菌体的死亡量超过了90％。后面发展出利用微胶囊技术对细菌进行保护，然而，携带细菌的微胶囊埋入混凝土后，微胶囊外壳并不能够完全使得细菌与混凝土隔绝，而且在混凝土搅拌和固化的过程中仍然会损害细菌的矿化活性。
因此，如何细菌微胶囊进行改进，使得其与混凝土混合后，能够更好地与混凝土隔绝，从而保护细菌的矿化活性，是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料及其制备方法。通过在混凝土中加入含有嗜碱性芽孢杆菌孢子和乳酸钙的微胶囊，能够修复混凝土铺装过程中出现的表观缺陷。同时，通过对微胶囊的结构进行设计，固化微胶囊外壳，更好的保护微胶囊中的嗜碱性芽孢杆菌孢子，当养护完成后的混凝土后期再出现裂缝时，在裂缝表面喷洒含醇液体，快速释放微胶囊中的芯材，达到快速修复的效果。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明的技术方案之一：提供一种混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料，按质量份数计，组分包括：硅酸盐水泥300～350份、粗骨料800～900份、细骨料500～600份、减水剂5～10份、水450～500份、高抗拉强度纤维80～100份、高效固化微胶囊8～10份；
所述高效固化微胶囊的壁材为活性硅酸盐-脲醛树脂，芯材为嗜碱性芽孢杆菌孢子和乳酸钙。
混凝土施工通常都难以在非常理想的条件下进行，往往会由于各种原因产生表观缺陷。本发明通过加入高效固化微胶囊，里面的嗜碱性芽孢杆菌孢子可以通过消耗乳酸钙，产生碳酸钙，当出现表面缺陷时，喷洒含醇液体，溶解微胶囊外壳中的脲醛树脂，释放微胶囊中的芯材，修复在混凝土铺装过程中产生的表面缺陷。
另外，硅酸钙化合物是水泥水化后最终凝固和粘合成混凝土的主要成分，是混凝土中起主要强度作用的物质。混凝土内部有大量未反应成硅酸钙的游离氢氧化钙存在，本发明中高效固化微胶囊壁材中的活性硅酸盐与水作用后游离的硅酸根可与游离的氢氧化钙发生化学反应，继续生成硅酸钙化合物，形成一个稳定的三维空间晶体，固化微胶囊外壳，隔绝嗜碱性芽孢杆菌孢子和混凝土，保护微胶囊中的微生物。同时固化的微胶囊外壳具有脆碎性，当混凝土产生裂缝时，脆性的微胶囊外壳更容易破碎，能够充分释放其中的微生物，同时，在裂缝表面喷洒含醇液体，溶解微胶囊外壳中的脲醛树脂，辅助微胶囊外壳破碎，快速修复裂缝。
本发明选用的高效固化微胶囊的壁材为活性硅酸盐-脲醛树脂，在前期制备混凝土过程中，脲醛树脂的高韧性能够保证在搅拌过程中微胶囊不破裂，起到保护微胶囊芯材的作用。
优选的，所述硅酸盐水泥包括普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥或复合硅酸盐水泥中的一种或多种。
优选的，所述减水剂包括木质素磺酸盐、萘磺酸盐或氨基磺酸盐中的一种或多种。
优选的，所述高抗拉强度纤维为长度10～20mm的钢纤维。
本发明通过在混凝土中加入高抗拉强度纤维，使制备的混凝土在养护完成后具有更高的抗拉强度，服役过程中难以开裂，如果因特殊情况产生开裂，混凝土中所加入的高效固化微胶囊能够经含醇液体溶解微胶囊外壳，释放芯材，达到自修复的目的，继续保持混凝土建筑的高强度。
优选的，所述高效固化微胶囊中，活性硅酸盐-脲醛树脂的质量为70～85％，嗜碱性芽孢杆菌孢子的质量为5～10％，乳酸钙质量为2～25％。
优选的，所述活性硅酸盐与脲醛树脂的质量比为(2～3):10。
优选的，所述活性硅酸盐为硅酸钠。
优选的，所述嗜碱性芽孢杆菌孢子包括嗜碱性枯草芽孢杆菌孢子、嗜碱性巴氏芽孢杆菌孢子或嗜碱性科氏芽孢杆菌孢子。
本发明技术方案之二：提供一种上述混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料的制备方法，步骤包括：将所述硅酸盐水泥、粗骨料、细骨料、减水剂和水混合，搅拌均匀，再加入高效固化微胶囊搅拌均匀，制得混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料。
优选的，所述高效固化微胶囊的制备步骤包括：将活性硅酸盐、尿素和氯化铵溶解在水中，得到水相；在水相中滴加混合了嗜碱性芽孢杆菌孢子和乳酸钙的油相，乳化，形成O/W乳液，加入甲醛，反应4～5h，制得高效固化微胶囊。
本发明加入的尿素和甲醛可以在氯化铵的催化下进行交联聚合，得到脲醛树脂。本发明通过将活性硅酸盐溶解在水相中，通过中间制得O/W乳液，使活性硅酸盐在微胶囊外壳中，后期能够与混凝土中游离的氢氧化钙作用，生成硅酸钙，固化微胶囊外壳，保护微胶囊内容物。组成微胶囊外壳的脲醛树脂，能够在高效固化微胶囊于混凝土混合时，保护微胶囊的结构不被破坏，起到稳定微胶囊结构的作用。
本发明技术方案之三：提供一种上述混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料的自修复方法，使用所述混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料后，当出现表观损伤或裂缝时，在表观损伤或裂缝表面喷洒含醇液体，达到自修复目的。
本发明所用高效固化微胶囊的外壳中含有醇溶性的脲醛树脂，因此，在混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料的表观损伤或者裂缝表面喷洒含醇液体，可以溶解脲醛树脂，释放微胶囊的内容物，达到自修复的目的。
优选的，所述含醇液体可以是单纯的液态醇，也可以是醇溶液；所述液态醇为正丁醇，所述醇溶液为正丁醇溶液。
本发明的有益技术效果如下：
本发明提供的混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料能够修复混凝土铺装过程中出现的表观缺陷。其中的高效固化微胶囊在混凝土结构完好时，能够有效隔绝微胶囊中的嗜碱性芽孢杆菌孢子，起到保护作用，当混凝土出现裂缝时，固化形成的脆性外壳更容易破碎，同时在裂缝表面喷洒含醇液体辅助高效固化微胶囊破碎，充分释放微胶囊中的内容物，起到快速修复裂缝的作用。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
以下实施例中所述“份”如无特别说明，均为质量份。
枯草芽孢杆菌孢子粉、科氏芽孢杆菌孢子粉、巴氏芽孢杆菌孢子粉均为商购产品。
实施例1
(1)高效固化微胶囊的制备：在30份的水中加入10份的尿素、0.25份氯化铵和5份硅酸钠，搅拌均匀，得到水相；在20份的油酸中加入2份嗜碱性枯草芽孢杆菌孢子粉和3份乳酸钙，搅拌均匀，再滴加到水相中，滴加过程中同时进行搅拌，搅拌速度为300rpm，得到O/W乳液，加入10份甲醛，反应5h，过滤，加蒸馏水洗涤，自然干燥，得到高效固化微胶囊。
(2)混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料的制备：取42.5R普通硅酸盐水泥300份，粒径≤25mm的碎石(粗骨料)850份，粒径≤2.5的河沙(细骨料)500份，长度10～20mm的钢纤维90份，木质素磺酸钠(减水剂)10份，混合均匀，加入450份水，搅拌15min，再加入步骤(1)制备的高效固化微胶囊10份，搅拌5min，得到混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料。
实施例2
(1)高效固化微胶囊的制备：在30份的水中加入10份的尿素、0.25份氯化铵和4份硅酸钠，搅拌均匀，得到水相；在20份的油酸中加入2份嗜碱性科氏芽孢杆菌孢子粉和4份乳酸钙，搅拌均匀，再滴加到水相中，滴加过程中同时进行搅拌，搅拌速度为300rpm，得到O/W乳液，加入10份甲醛，反应4h，过滤，加蒸馏水洗涤，自然干燥，得到高效固化微胶囊。
(2)混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料的制备：取42.5R粉煤灰硅酸盐水泥350份，粒径≤25mm的碎石(粗骨料)800份，粒径≤2.5的河沙(细骨料)550份，长度10～20mm的钢纤维100份，木质素磺酸钠(减水剂)8份，混合均匀，加入480份水，搅拌15min，再加入步骤(1)制备的高效固化微胶囊10份，搅拌5min，得到混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料。
实施例3
(1)高效固化微胶囊的制备：在30份的水中加入10份的尿素、0.25份氯化铵和2.5份硅酸钠，搅拌均匀，得到水相；在20份的油酸中加入2.5份嗜碱性巴氏芽孢杆菌孢子粉和5份乳酸钙，搅拌均匀，再滴加到水相中，滴加过程中同时进行搅拌，搅拌速度为300rpm，得到O/W乳液，加入10份甲醛，反应5h，过滤，加蒸馏水洗涤，自然干燥，得到高效固化微胶囊。
(2)混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料的制备：取42.5R矿渣硅酸盐水泥330份，粒径≤25mm的碎石(粗骨料)900份，粒径≤2.5的河沙(细骨料)600份，长度10～20mm的钢纤维80份，木质素磺酸钠(减水剂)5份，混合均匀，加入500份水，搅拌15min，再加入步骤(1)制备的高效固化微胶囊8份，搅拌5min，得到混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料。
对比例1
与实施例1的区别在于，制备高效固化微胶囊的过程中不加入硅酸钠，其他条件与实施例1相同。
试验例1
表观损伤自修复性能考察：
将实施例1～3及对比例1制备的混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料制成20*20*20cm的混凝土块，分别在各试块的表面划3道长10cm，宽2mm，深0.5cm的划痕，以喷雾方式在表观损伤处喷洒正丁醇(喷洒量为1L/m2，其中面积为表观损伤的表面积)，在温度20±2℃，湿度90％的条件下养护28天，观察各试块的自修复情况，结果见表1。
表1
Figure BDA0003272380370000081
从表1中可以看出，本发明制备的混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料具备表观损伤自修复功能。
试验例2
混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料长期裂缝修复性能考察：
将实施例1～3及对比例1制备的混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料制成20*20*20cm的混凝土块，在温度20±2℃，湿度90％的条件下养护28天。养护完成后在-5～5℃的条件下循环冻融50次，一次循环24h，用压力机压裂各试块，将裂缝的宽度调整为5mm，以喷雾方式在裂缝处喷洒正丁醇(喷洒量为1L/m2，其中面积为裂缝的表面积)，观察各试块完全修复所需要的时间，结果见表2。
表2
Figure BDA0003272380370000082
Figure BDA0003272380370000091
从表2可以看出，本试验通过循环冻融加速混凝土试块的老化，经老化后，本发明所提供的配方相比不加入硅酸钠的配方，修复时间大大减少，说明实施例1～3中的微生物数量多，表明本发明加入的硅酸钠能够起到保护微胶囊中嗜碱性芽孢杆菌孢子的效果。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料，其特征在于，按质量份数计，原料包括：硅酸盐水泥300～350份、粗骨料800～900份、细骨料500～600份、减水剂5～10份、水450～500份、高抗拉强度纤维80～100份、高效固化微胶囊8～10份；
所述高效固化微胶囊的壁材为活性硅酸盐-脲醛树脂，芯材为嗜碱性芽孢杆菌孢子和乳酸钙。
2.根据权利要求1所述的混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料，其特征在于，所述高效固化微胶囊中，活性硅酸盐-脲醛树脂的质量为70～85％，嗜碱性芽孢杆菌孢子的质量为5～10％，乳酸钙质量为2～25％。
3.根据权利要求1所述的混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料，其特征在于，所述活性硅酸盐与脲醛树脂的质量比为(2～3):10。
4.根据权利要求1所述的混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料，其特征在于，所述活性硅酸盐为硅酸钠。
5.根据权利要求1所述的混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料，其特征在于，所述嗜碱性芽孢杆菌孢子包括嗜碱性枯草芽孢杆菌孢子、嗜碱性巴氏芽孢杆菌孢子或嗜碱性科氏芽孢杆菌孢子。
6.权利要求1～5任一项所述混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料的制备方法，其特征在于，步骤包括：将所述硅酸盐水泥、粗骨料、细骨料、减水剂和水混合，搅拌均匀，再加入高效固化微胶囊搅拌均匀，制得混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述高效固化微胶囊的制备步骤包括：将活性硅酸盐、尿素和氯化铵溶解在水中，得到水相，在水相中滴加混合了嗜碱性芽孢杆菌孢子和乳酸钙的油相，乳化，形成O/W乳液，加入甲醛，反应4～5h，制得高效固化微胶囊。
8.一种权利要求1～6任一项所述混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料的自修复方法，其特征在于，使用所述混凝土铺装表观损伤修复与高效固化材料后，当出现表观损伤或裂缝时，在表观损伤或裂缝表面喷洒含醇液体，达到自修复目的。
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