CN113754386B - 一种抗紫外辐射混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种抗紫外辐射混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗紫外辐射混凝土，各组分及其所占重量份数包括：水泥250～350份，改性高钛重矿渣粉100～150份，硅灰10～20份，碎石950～1100份，高钛重矿渣砂850～1050份，外加剂6～12份，水性聚氨酯乳液2～5份，水155～180份。本发明以改性高钛重矿渣和水性聚氨酯乳液为主要改性原料，在保证良好工作性能、力学性能的基础上，可有效降低在强紫外线条件下钢筋混凝土碳化钢筋锈蚀等风险；且涉及的制备方法较简单、成本较低，适合推广应用。

Description

一种抗紫外辐射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，具体涉及一种抗紫外辐射混凝土及其制备方法。
背景技术
2018年在西部大开发、基础设施建设及推动青藏高原绿色经济发展大背景下，全面启动川藏铁路规划建设，即将开启高海拔强紫外线区域基础设施建设及青藏高原地区城市建设与发展。
在强紫外线条件下，混凝土碳化将急剧恶化，进而导致对钢筋混凝土保护层的保护作用失效等问题。针对上述问题，通过提高混凝土保护层厚度等方式，会对混凝土刚度存在一定的影响，脆性提高，对混凝土结构不利；而常规的混凝土表面涂层保护工艺，不仅施工繁琐，也将极大地增加工程造价。因此，进一步开发一种具有抗紫外线功能的混凝土，有效减少或防止紫外线对混凝土造成的碳化等问题，具有极大的经济和社会效益。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种抗紫外辐射混凝土，利用改性高钛重矿渣和水性聚氨酯乳液为主要改性原料，在混凝土表层形成抵抗紫外辐射的砂浆层，有效降低在强紫外线条件下钢筋混凝土碳化钢筋锈蚀等风险；且涉及的制备方法较简单、成本较低，适合推广应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种抗紫外辐射混凝土，各组分及其所占重量份数包括：水泥250～350份，改性高钛重矿渣粉100～150份，硅灰10～20份，碎石950～1100份，高钛重矿渣砂850～1050份，外加剂6～12份，水性聚氨酯乳液2～5份，水155～180份。
上述方案中，所述改性高钛重矿渣粉通过将高钛重矿渣砂、氟化钠和2-羟基膦酰基乙酸混合均匀，然后加入硅酸钡和三乙醇进行粉磨、烘干至比表面积400～500m2/kg而成。
上述方案中，所述高钛重矿渣砂、氟化钠和2-羟基膦酰基乙酸的质量比为97:(1.8～1.95):(1.05～1.2)；硅酸钡和三乙醇胺的质量比为98:(2～3)；硅酸钡和三乙醇胺的总质量占高钛重矿渣砂、氟化钠和2-羟基膦酰基乙酸总质量的2～4％。
上述方案中，采用的高钛重矿渣砂为由钙钛矿、透辉石、钙镁钛铝硅氧化物结晶态物质等矿物组成为主形成的无机材料，其中TiO2<20％(质量分数)，SiO2>25％(质量分数)，细度模数为2.5～2.9，密度<3300kg/m3，0.15mm以下所占比例为20～30wt％。
上述方案中，所述水泥可选用P.O.42.5R，比表面积为350～390m2/kg。
上述方案中，所述硅灰可选用加密硅灰，二氧化硅含量大于90wt％，其比表面积控制20～22m2/g。
上述方案中，所述外加剂为聚羧酸减水剂，减水率为20～30％。
上述方案中，所述水性聚氨酯乳液为阴离子型水性聚氨酯，粒径为0.5～1μm，固含量25～30％。
上述方案中，所述碎石为普通石灰岩或花岗岩碎石，为5～31.5mm连续级配。
上述一种抗紫外辐射混凝土的制备方法，包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各组分及其所占重量份数包括：水泥250～350份，改性高钛重矿渣粉100～150份，硅灰10～20份，碎石950～1100份，高钛重矿渣砂850～1050份，外加剂6～12份，水性聚氨酯乳液2～5份，水155～180份；
2)将首先称取部分水和水性聚氨酯乳液与碎石、硅灰拌合均匀，再加入水泥、改性高钛重矿渣粉、高钛重矿渣砂和外加剂进行二次拌合(40～50s)，最后掺入剩余的拌合水和水性聚氨酯乳液，拌合35～45s至混凝土状态满足施工要求。
上述方案中，步骤2)中首先加入1/3～2/3用量的水和水性聚氨酯乳液。
上述方案中，采用分步拌制工艺，通过调控原料加料顺序、分步加水量条件及搅拌时间等条件控制所得混凝土拌合物性能满足压力泌水率3-5％，并在温度10～30℃，湿度大于70％的条件下正常养护至可脱模，即形成具有抗紫外线辐射的混凝土。
本发明的原理为：
1)本发明首先利用氟化钠与2-羟基膦酰基乙酸一定程度上腐蚀高钛重矿渣砂表面，并形成具有调节水化进展作用的氟硅酸盐；进一步结合2-羟基膦酰基乙酸盐综合调控胶凝材料水化；同时引入的高钛重矿渣砂可一定程度实现钡离子在其中的插层作用，促进钡离子等组分在混凝土中的均匀、稳定分散；
2)通过调节混凝土的泌水性，促使部分水性聚氨酯乳液自主均匀地暴露于空气接触面，形成第一保护屏障，有效抵抗混凝土初期抗紫外线辐射；进一步结合改性高钛重矿渣粉的活性特征以及钡离子在钙镁钛铝硅氧化物等层状结构中的插层作用特征，与胶凝材料和水反应形成可抵挡紫外线辐射的致密性第二道屏障，在保证所得混凝土良好工作性能、力学性能的基础上，有效提升其抗紫外辐射性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明所述混凝土通过混凝土泌水率控制，促进第一层保护屏障的自生成，可显著减少表面涂层处理工作量，节约涂层材料成本和人工成本；
2)本发明通过对高钛重矿渣砂等工业废渣进行改性处理，实现有效离子均匀、稳定地分布，极大地提高混凝土抗紫外线辐射等级；同时有效控制水化产物结晶过程，优化水化产物孔结构及密实性，强化表面强度，进一步抑制了腐蚀介质的迁移；
3)本发明所得混凝土具有良好的抗紫外辐射能力，能减缓或防止混凝土在紫外线辐射条件下碳化加急等问题，适用于高海拔强紫外辐射的区域基础设施或房屋建设等领域。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中，采用的水泥为普通硅酸盐水泥P·O 42.5R，其比表面积为380m2/kg；
采用的硅灰为加密硅灰硅灰中二氧化硅含量大于90wt％，比表面积为22m2/g；
碎石采用5-31.5mm连续级配的石灰岩碎石；
外加剂采为中建西部建设新材料科技有限公司生产的聚羧酸高效减水剂，型号1A07，减水率为26％；
采用的水性聚氨酯乳液的粒径为0.5～1μm，固含量为25％(常规水性聚氨酯产品)。
以下实施例中，通过将高钛重矿渣砂、氟化钠和2-羟基膦酰基乙酸溶液混合均匀，然后加入硅酸钡和三乙醇胺溶液进行粉磨、烘干至比表面积400～500m2/kg而成；其中高钛重矿渣砂、氟化钠和2-羟基膦酰基乙酸的质量比为97:(1.8～1.95):(1.05～1.2)；硅酸钡和三乙醇胺的质量比为98:2；硅酸钡和三乙醇胺的总质量占高钛重矿渣砂、氟化钠和2-羟基膦酰基乙酸总质量的2～4％。
其中，采用的高钛重矿渣砂为钙钛矿、透辉石、钙镁钛铝硅氧化物结晶态物质，其中TiO2为16.4％，SiO2为25.57％，细度模数为2.8，密度<3250kg/m3，0.15mm以下比例24wt％；由钢城集团凉山瑞海实业有限公司提供；所述改性高钛重矿渣的具体配方和比表面积分别见表1。
表1实施例中采用的改性高钛重矿渣粉的配方及比表面积测试结果
序号 高钛重矿渣砂 氟化钠 2-羟基膦酰基乙酸 硅酸钡+三乙醇胺 比表面积m<sup>2</sup>/kg
G1 97份 1.8份 1.2份 2％ 450
G2 97份 1.9份 1.1份 3％ 460
G3 97份 1.95份 1.05份 4％ 465
实施例1
一种抗紫外辐射混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数包括：水泥280份，改性高钛重矿渣粉100份，硅灰10份，碎石1030份，高钛重矿渣砂G1 950份，外加剂6.8份，水性聚氨酯乳液2份，水180份；具体配方要求见表2；
2)将90份称取的拌合水和1份水性聚氨酯乳液与碎石与硅灰拌合20s后，再加入水泥、改性高钛重矿渣粉、高钛重矿渣砂和外加剂拌合45s，最后掺入剩余的拌合水和水性聚氨酯乳液搅拌35s，通过控制最后两次加料条件及搅拌时间，调节所得拌合物的压力泌水率为4％，并在温度10～30℃，湿度大于70％的条件下正常养护至可脱模。
实施例2
一种抗紫外辐射混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数包括：水泥280份，改性高钛重矿渣粉100份，硅灰10份，碎石1030份，高钛重矿渣砂G2 950份，外加剂6.8份，水性聚氨酯乳液3.5份，水180份；具体配方要求见表2；
2)将90份的拌合水和1.75份水性聚氨酯乳液与碎石与硅灰拌合20s后，再加入水泥、改性高钛重矿渣粉、高钛重矿渣砂和外加剂拌合45s，最后掺入剩余的拌合水和水性聚氨酯乳液搅拌45s，通过控制最后两次加料条件及搅拌时间，调节所得拌合物的压力泌水率为4％，并在温度10～30℃，湿度大于70％的条件下正常养护至可脱模。
实施例3
一种抗紫外辐射混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数包括：水泥280份，改性高钛重矿渣粉100份，硅灰10份，碎石1030份，高钛重矿渣砂G3 950份，外加剂6.8份，水性聚氨酯乳液5份，水180份；具体配方要求见表2；
2)将90份的拌合水和2.5份水性聚氨酯乳液与碎石与硅灰拌合20s后，再加入水泥、改性高钛重矿渣粉、高钛重矿渣砂和外加剂拌合45s，最后掺入剩余的拌合水和水性聚氨酯乳液搅拌40s，通过控制最后两次加料及搅拌时间，调节所得拌合物的压力泌水率为4％，并在温度10～30℃，湿度大于70％的条件下正常养护至可脱模。
对比例1
一种抗辐射混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)以水泥、硅灰、石粉、机制砂、碎石、外加剂和水为原料，按表2所述配方条件称取各原料用量；
2)将称取的足量的碎石与硅灰，将90份拌合水与碎石与硅灰拌合20s后，再称取其他组分拌合40s，最后掺入剩余的拌合水搅拌35s，通过控制两次加料及搅拌时间，调节所得拌合物的压力泌水率为均4％；并在温度10～30℃，湿度大于70％的条件下正常养护至可脱模。
对比例2
一种抗辐射混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)以水泥、硅灰、高钛重矿渣砂、改性高钛重矿渣粉、碎石、外加剂和水为原料，按表2所述配方条件称取各原料用量；
2)将称取的足量的碎石与硅灰，80份拌合水与碎石与硅灰拌合20s后，再称取其他组分拌合40～50s，最后掺入剩余的拌合水搅拌30s，通过控制两次加料及搅拌时间，调节所得拌合物的压力泌水率为4％；并在温度10～30℃，湿度大于70％的条件下正常养护至可脱模。
对比例3
一种抗辐射混凝土，其制备方法与实施例2大致相同，不同之处在于：改性高钛重矿渣粉利用高钛重矿渣砂直接粉磨至460m2/kg，并与氟化钠、2-羟基膦酰基乙酸溶液、硅酸钡和三乙醇胺进行混合、烘干均化制得。
对比例4
一种抗辐射混凝土，其制备方法与实施例2大致相同，不同之处在于：步骤2)中最后掺入剩余的拌合水和水性聚氨酯乳液搅拌25s，通过控制最后两次加料及搅拌时间，调节所得拌合物的压力泌水率2％，并在温度10～30℃，湿度大于70％的条件下正常养护至可脱模。
表2实施例1～3和对比例所述混凝土的配合比(kg/m3)
Figure BDA0003321967170000051
将实施例1～3和对比例1～4所得混凝土分别进行工作性能、力学性能和抗紫外辐射性能等测试，测试结果见表3；其中抗紫外辐射性能的评价方法包括：将所得混凝土进行14d标准养护后分别在强度为260μW/cm2紫外环境和20％二氧化碳浓度，湿度为65％的环境中养护28d，并检测其抗碳化能力(碳化深度)。
表3实施例1～3和对比例1～4所得混凝土的性能测试结果
Figure BDA0003321967170000052
Figure BDA0003321967170000061
结果表明，采用本发明所述改性高钛重矿渣粉和高钛重矿渣砂配制的混凝土，其碳化深度明显减少，抵抗紫外线对混凝土碳化能力提升明显，同时可有效兼顾良好的工作性能和力学性能。
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)

1.一种抗紫外辐射混凝土，其特征在于，各组分及其所占重量份数包括：水泥250~350份，改性高钛重矿渣粉100~150份，硅灰10~20份，碎石950~1100份，高钛重矿渣砂850~1050份，外加剂6~12份，水性聚氨酯乳液2~5份，水155~180份；
所述改性高钛重矿渣粉通过将高钛重矿渣砂、氟化钠和2-羟基膦酰基乙酸混合均匀，然后加入硅酸钡和三乙醇胺进行粉磨、烘干至比表面积400~500m2/kg而成。
2.根据权利要求1所述的抗紫外辐射混凝土，其特征在于，所述高钛重矿渣砂、氟化钠和2-羟基膦酰基乙酸的质量比为97:(1.8~1.95):(1.05~1.2)；硅酸钡和三乙醇胺的质量比为98:(2~3)；硅酸钡和三乙醇胺的总质量占高钛重矿渣砂、氟化钠和2-羟基膦酰基乙酸总质量的2~4%。
3.根据权利要求1所述的抗紫外辐射混凝土，其特征在于，采用的高钛重矿渣砂中TiO2<20wt%，SiO2>25wt%，细度模数为2.5~2.9，密度<3300kg/m3，0.15mm以下所占比例为20~30wt%。
4.根据权利要求1所述的抗紫外辐射混凝土，其特征在于，所述水泥的比表面积为350~390m2/kg。
5.根据权利要求1所述的抗紫外辐射混凝土，其特征在于，所述硅灰可选用加密硅灰，二氧化硅含量大于90wt%，其比表面积控制20~22 m2/g。
6.根据权利要求1所述的抗紫外辐射混凝土，其特征在于，所述外加剂为聚羧酸减水剂，减水率为20~30%。
7.根据权利要求1所述的抗紫外辐射混凝土，其特征在于，所述水性聚氨酯乳液为阴离子型水性聚氨酯，粒径为0.5~1μm，固含量25~30%。
8.根据权利要求1所述的抗紫外辐射混凝土，其特征在于，所述碎石为石灰岩或花岗岩碎石，为5~31.5mm连续级配。
9.权利要求1~8任一项所述抗紫外辐射混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）按配比称取各原料，各组分及其所占重量份数包括：水泥250~350份，改性高钛重矿渣粉100~150份，硅灰10~20份，碎石950~1100份，高钛重矿渣砂850~1050份，外加剂6~12份，水性聚氨酯乳液2~5份，水155~180份；
2）将首先称取部分水和水性聚氨酯乳液与碎石、硅灰拌合均匀，再加入水泥、改性高钛重矿渣粉、高钛重矿渣砂和外加剂进行二次拌合，最后掺入剩余的拌合水和水性聚氨酯乳液，拌合至混凝土状态满足施工要求。
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