CN113968709A - 一种混凝土及其制备方法与应用 - Google Patents

一种混凝土及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混凝土及其制备方法与应用，该混凝土包括以下制备原料：胶凝材料、粗骨料、细集料、纳米气泡水和减水剂；其中，所述纳米气泡水的制备原料为气体、水和稳定剂。本发明提供的一种混凝土及其制备方法，与相关技术相比，本发明具有以下有益效果：利用纳米气泡水、气体、外加剂和制备方法的改进，在充分利用纳米气泡水的形态作用和物化特性、保证混凝土工作性能的同时，提高混凝土的力学性能和耐久性能，具有成本低、步骤简单的优点。

Description

一种混凝土及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种混凝土及其制备方法与应用。
背景技术
混凝土作为使用最为广泛的建筑材料之一，因其造价低、耐久性好和可塑性强等显著有点，广泛应用于建筑、道路、港口、大坝和机场等基础建设当中。
相关技术中通过掺合料和外加剂等材料来提升混凝土的性能，但鲜有从拌合水的角度来研究入手的，相关技术中通过“纳米气泡水”的方法来实现混凝土性能的提升，例如：利用主引气剂、非离子引气剂和表面活性剂制备微纳米气泡引气剂，在混凝土中应用而提高低标号混凝土和易性、耐久性的方法；相关技术中还利用纳米气泡水溶液和混凝土添加剂的混合溶液提高混凝土耐久性的方法。上述方法虽然利用了纳米气泡的特性，但明显存在以下问题：首先，纳米气泡水仅作为外加剂的溶液，未完全替代混凝土的拌合水，未能利用纳米气泡水作拌合水的优势；同时单纯选用纳米气泡水作为拌合水会对混凝土的强度等性能产生不利影响。
因此，需要开发一种利用纳米气泡水为拌合水的混凝土，该混凝土的早期强度高。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种混凝土，该混凝土的早期强度高。
本发明还提供了上述混凝土的制备方法。
本发明还提供了上述混凝土在制备建筑材料中的应用。
本发明第一方面提供了一种混凝土，包括以下制备原料：胶凝材料、粗骨料、细集料、纳米气泡水和减水剂；
其中，所述纳米气泡水的制备原料为气体、水和稳定剂。
本发明利用纳米气泡水中的纳米气泡群构造在浆体内部起到了良好的滚珠润滑促进作用，有效降低了拌合物摩擦黏聚力；提高了混凝土的力学性能和耐久性能；同时在纳米气泡水中添加稳定剂，显著降低了气液界面的表面张力，有助于减小纳米气泡的粒径，增加其稳定性，进一步提升了混凝土的性能。
根据本发明的一些实施方式，所述混凝土包括以下质量份数的制备原料：胶凝材料300份～400份、粗骨料850份～1050份、细集料800份～1000份，纳米气泡水140份～180份和减水剂10份～20份。
根据本发明的一些实施方式，所述胶凝材料包括水泥、粉煤灰和硅灰中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述水泥的强度等级为42.5以上。
根据本发明的一些实施方式，所述水泥为硅酸盐水泥。
根据本发明的一些实施方式，所述硅酸盐水泥的强度为42.5。
根据本发明的一些实施方式，所述水泥和所述粉煤灰的重量比为10～15:2。
根据本发明的一些实施方式，所述水泥和所述粉煤灰的重量比为25～30:4。
根据本发明的一些实施方式，所述水泥和所述粉煤灰的重量比为25～26:4。
根据本发明的一些实施方式，所述粉煤灰为II级粉煤灰。
根据本发明的一些实施方式，所述水泥和所述矿粉的重量比为4～6:1。
根据本发明的一些实施方式，所述水泥和所述矿粉的重量比为5～6:1。
根据本发明的一些实施方式，所述水泥和所述矿粉的重量比为25～26:5。
根据本发明的一些实施方式，所述矿粉为S90矿粉。
根据本发明的一些实施方式，所述水和所述稳定剂的质量比为5000:1～2。
根据本发明的一些实施方式，所述水和所述稳定剂的质量比为100000:23～40。
根据本发明的一些实施方式，所述水和所述稳定剂的质量比为100000:23～31。
根据本发明的一些实施方式，所述纳米气泡水的气泡直径为100nm～1000nm。
根据本发明的一些实施方式，所述纳米气泡水的气泡直径为100nm～800nm。
根据本发明的一些实施方式，所述纳米气泡水的气泡直径为200nm～800nm。
根据本发明的一些实施方式，所述纳米气泡水的气泡浓度为1×105颗粒/mL～1×107颗粒/mL。
选择上述浓度的纳米气泡水，主要是两种原因，一是该浓度制备容易可得，高浓度制备难度较高；气泡浓度对于混凝土的性能影响是双面的(容度越高，工作性越差，强度耐久性越好)；因此，为平衡各性能，需选择合适的气泡浓度。
根据本发明的一些实施方式，所述纳米气泡水的气泡浓度为1×105颗粒/mL～1×107颗粒/mL。
根据本发明的一些实施方式，所述纳米气泡水的气泡浓度为1×106颗粒/mL～1×107颗粒/mL。
根据本发明的一些实施方式，所述纳米气泡水的气泡浓度为1×106颗粒/mL～3×106颗粒/mL。
根据本发明的一些实施方式，所述纳米气泡水的气泡浓度为1×106颗粒/mL～2.5×106颗粒/mL。
根据本发明的一些实施方式，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
根据本发明的一些实施方式，所述减水剂的固含量为10％～15％。
根据本发明的一些实施方式，所述减水剂的减水率为25％～30％。
根据本发明的一些实施方式，所述稳定剂包括仲辛醇和十二烷基硫酸钠中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述气体包括氮气、氧气和二氧化碳中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述气体中二氧化碳的体积浓度在30％以上。
根据本发明的一些实施方式，所述气体为二氧化碳。
根据本发明的一些实施方式，所述纳米气泡水的制备方法，包括以下步骤：
S01、将稳定剂加入水中，拌合均匀后，制得稳定剂分散液；
S02、控制混合压力下，将所述气体和步骤S01所得稳定剂分散液并流添加至反应器中，即得。
根据本发明的一些实施方式，所述混合压力≤1MPa。
根据本发明的一些实施方式，所述混合压力为0.9MPa～1MPa。
根据本发明的一些实施方式，所述气体的流量为1L/min～5L/min。
根据本发明的一些实施方式，所述气体的流量为4L/min～5L/min。
根据本发明的一些实施方式，所述稳定剂分散液的流量为10L/min～15L/min。
选用二氧化碳的原因为其对有利于胶凝材料的水化和强度提升。
首先，二氧化碳溶于水中形成碳酸，这个是放热反应，大约每摩尔产生160kJ的热量。具体反应式如下：
Figure BDA0003383682350000041
在二氧化碳注入后的前3min，C3S与碳酸发生剧烈的反应，反应生成碳酸钙晶体。C2S与C3S类似，这个反应也是放热反应。因此，形成碳酸钙晶体的过程中会放出大量的热，大约放热288kJ/mol。
Figure BDA0003383682350000042
3min后，C-S-H凝胶发生碳化反应，改变了体系的组分。
Figure BDA0003383682350000043
式中x、y、x’和y’表示体系中组分变化。
随后，C-S-H凝胶最终被分解成碳酸钙和硅凝胶。
Figure BDA0003383682350000044
本发明第二方面提供了上述混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1、将所述胶凝材料、所述粗骨料和所述细集料混合，得混合物；
S2、将所述减水剂与部分或全部纳米气泡水混合后，分为至少一份添加至所述混合物中分散，即得。
根据本发明的至少一种实施方式，具备如下有益效果：
本发明混凝土的制备方法简易，制备的混凝土具有较高的早期强度、更高的力学性能和耐久性能。
减水剂与纳米气泡水混合主要是使得减水剂在拌合时，更容易分散。
将全部的减水剂加入部分或者全部纳米气泡水中；得到的混合物，可以分一次或多次加入拌合设备内。
根据本发明的一些实施方式，所述纳米气泡水需振动处理，所述振动处理的振动频率为1000次/min～3000次/min。
根据本发明的一些实施方式，所述纳米气泡水需振动处理，所述振动处理的振动频率为1500次/min～3000次/min。
根据本发明的一些实施方式，所述振动处理的时间为30s～60s。
根据本发明的一些实施方式，所述振动处理的时间为40s～60s。
根据本发明的一些实施方式，所述分散的时间为60s～90s。
本发明第三方面提供了上述混凝土在制备混凝土预制件中的应用。
根据本发明的一些实施方式，所述混凝土预制件用于制备建筑材料。
根据本发明的一些实施方式，所述建筑材料包括道路建筑材料、港口建筑材料、大坝建筑材料和机场建筑材料中的一种。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
下面详细描述本发明的具体实施例。
本发明实施方式中纳米气泡水利用ZJC-NM系列微纳米气泡发生器(上海众净环保科技有限公司)制备得到。
本发明实施方式中普通硅酸盐水泥购自益阳海螺水泥、II级粉煤灰购自益阳星泰、S90矿粉购自三泓、粗骨料购自桃江成林、细集料购自湖南聚凯鑫和聚羧酸高效减水剂购自东方雨虹。
实施例1
本实施例为一种混凝土及其制备方法。
本实施例的混凝土包括以下制备原料：
胶凝材料350kg/m3(42.5普通硅酸盐水泥260kg/m3、II级粉煤灰40kg/m3、S90矿粉50kg/m3)、粗骨料950kg/m3(连续级配)、细集料850kg/m3(连续级配)，纳米气泡水160kg/m3(气泡直径范围为100nm-800nm，气泡浓度为1.032*106颗粒/mL，静置4天)，聚羧酸高效减水剂12kg/m3(固含量10％、减水率25％)；其中，纳米气泡水由二氧化碳、水和十二烷基硫酸钠制备而成(水：稳定剂(十二烷基硫酸钠)的质量比为100：0.023)。
本实施例中纳米气泡水的制备方法如下：
将稳定剂加入水中，拌合均匀后，得稳定剂溶液；控制纳米气泡发生器的压力为1MPa，将二氧化碳和稳定剂溶液并流添加至发生器中，即得；控制二氧化碳的进气量为5L/min，稳定剂溶液的流量为15L/min。
本实施例中混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1、按上述重量份称取胶凝材料、粗骨料、细骨料、纳米气泡水和聚羧酸高效减水剂，备用；
S2、将称取的纳米气泡水置于振动频率为1500次/min的振动台上，振动40s备用；
S3、将胶凝材料、粗骨料和细骨料置于搅拌机内，拌合均匀；得混合物；
S4、将纳米气泡水和高效减水剂分两次加入搅拌机内，搅拌90s后制得混凝土。
实施例2
本实施例为一种混凝土及其制备方法。
本实施例的混凝土包括以下制备原料：
胶凝材料340kg/m3(42.5普通硅酸盐水泥250kg/m3、II级粉煤灰40kg/m3、S90矿粉50kg/m3)、粗骨料970kg/m3(连续级配)、细集料855kg/m3(连续级配)，纳米气泡水164kg/m3(气泡直径范围为200nm～800nm，气泡浓度为2.331*106颗粒/mL，静置4天)，聚羧酸高效减水剂12.5kg/m3(固含量12％、减水率30％)；其中，纳米气泡水由二氧化碳、水和十二烷基硫酸钠制备而成(水：稳定剂(十二烷基硫酸钠)的质量比为100：0.031)。
本实施例中纳米气泡水的制备方法如下：
将稳定剂加入水中，拌合均匀后，得稳定剂溶液；控制纳米气泡发生器的压力为1MPa，将二氧化碳和稳定剂溶液并流添加至发生器中，即得；控制二氧化碳的进气量为5L/min，稳定剂溶液的流量为15L/min。
本实施例中混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1、按上述重量份称取胶凝材料、粗骨料、细骨料、纳米气泡水和聚羧酸高效减水剂，备用；
S2、将称取的纳米气泡水置于振动频率为1500次/min的振动台上，振动40s备用；
S3、将胶凝材料、粗骨料和细骨料置于搅拌机内，拌合均匀；得混合物；
S4、将纳米气泡水和高效减水剂分两次加入搅拌机内，搅拌90s后制得混凝土。
对比例1
与实施例1相比，除拌合水由纳米气泡水改为自来水外，其余全部与实施例1相同。
对比例2
与实施例1相比，除纳米气泡水中气泡直径在1000nm～2000nm外，其余全部与实施例1相同。
本对比例中纳米气泡水的制备方法如下：
将稳定剂加入水中，拌合均匀后，得稳定剂溶液；控制纳米气泡发生器的压力为0.7MPa，将二氧化碳和稳定剂溶液并流添加至发生器中，即得；控制二氧化碳的进气量为5L/min，稳定剂溶液的流量为15L/min。
对比例3
与实施例1相比，除纳米气泡水气泡浓度为1.253*103颗粒/mL外，其余全部与实施例1相同。
本对比例中纳米气泡水的制备方法如下：
将稳定剂加入水中，拌合均匀后，得稳定剂溶液；控制纳米气泡发生器的压力为1MPa，将二氧化碳和稳定剂溶液并流添加至发生器中，即得；控制二氧化碳的进气量为3.5L/min，稳定剂溶液的流量为15L/min。
对比例4
与实施例1相比，除制备混凝土方法中没有将纳米气泡水处理(即实施例1中步骤S2中振动处理)外，其余全部与实施例1相同。
对比例5
与实施例1相比，除未添加聚羧酸高效减水剂外，其余全部与实施例1相同。
对比例6
与实施例1相比，除纳米气泡水不添加稳定剂外，其余全部与实施例1相同。
本对比例中纳米气泡水的制备方法如下：
控制纳米气泡发生器的压力为1MPa，将二氧化碳和水并流添加至发生器中，即得；控制二氧化碳的进气量为5L/min，进水量为15L/min。
对比例7
与实施例1相比，除纳米气泡水中气泡浓度为2.011*104颗粒/mL，其余全部与实施例1相同。
本对比例中纳米气泡水的制备方法如下：
将稳定剂加入水中，拌合均匀后，得稳定剂溶液；控制纳米气泡发生器的压力为1.1MPa，将二氧化碳和稳定剂溶液并流添加至发生器中，即得；控制二氧化碳的进气量为8L/min，稳定剂溶液的流量为15L/min。
对比例8
与实施例1相比，除纳米气泡水气体为空气，其余全部与实施例1相同。
本对比例中纳米气泡水的制备方法如下：
将稳定剂加入水中，拌合均匀后，得稳定剂溶液；控制纳米气泡发生器的压力为1MPa，将空气和稳定剂溶液并流添加至发生器中，即得；控制空气的进气量为5L/min，稳定剂溶液的流量为15L/min。
为评价本发明实施例1～2和对比例1～8中制得的混凝土性能，采用《普通混凝土拌合物性能试验方法标准GB/T50080-2016》中的坍落度和坍落扩展度法进行稠度试验测试；
采用《混凝土物理力学性能试验方法标准GB/T50081-2019》进行试件的制作和养护，以及抗压强度试验的测试；
试件的制作和养护的方法如下：
试件成型后应在温度为20℃士5℃、相对湿度大于50％的室内静置ld～2d，试件静置期间应避免受到振动和冲击、静置后编号标记、拆模，当试件有严重缺陷时.应按废弃处理。
试件拆模后应立即放入温度为20℃士2℃.相对湿度为95％以上的标准养护室中养护，或在温度为20℃土2℃的不流动氢氧化钙饱和溶液中养护。标准养护室内的试件应放在支架上、彼此间隔10mm～20mm.试件表面应保持潮湿.但不得用水直接冲淋试件。
养护7d后和养护28d后测试抗压强度。
采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准GB/T 50082-2009》进行试件的制作和养护，以及混凝土抗水渗透试验。
本发明实施例1～2和对比例1～8制得的混凝土性能测试结果，如表1所示。
表1本发明实施例1～2和对比例1～8制得的混凝土性能测试结果
Figure BDA0003383682350000091
对比例1与实施例1的差异在于：将纳米气泡水改为自来水，从而导致硬化后的混凝土从微观上不存在纳米级的封闭孔洞，而这些纳米级的封闭孔洞能显著提高混凝土的强度和耐久性，而纳米气泡水可增大水与水泥的接触面积啊，加快水化反应，增加稠度，降低流动性，因为表现出更好的坍落度和拓展度，但强度和抗渗性降低(耐久性)。
对比例2与实施例1的差异在于：纳米气泡水中气泡的粒径在1000nm～2000nm，大于实施例1中纳米气泡水中气泡直径，从而导致硬化混凝土存在较大气泡(尺寸达到对强度和耐久性有害级别)，因而强度和耐久性降低。
对比例3与实施例1的差异在于：气泡浓度变为1.253*103颗粒/mL，从而导致水的比表面积与实施例1相比更小，对工作性、力学性能和耐久性的影响没有实施例1那么大。
对比例4与实施例1的差异在于：在制备过程中未对纳米气泡水振动处理，从而导致残存较大尺寸的气泡，导致混凝土耐久性和力学性能降低。
对比例5与实施例1的差异在于：未添加聚羧酸高效减水剂，从而导致流动性更差，表现为坍落度和拓展度更小。
对比例6与实施例1的差异在于：未添加稳定剂，从而导致纳米气泡水的浓度降低，对硬化混凝土的作用和影响相应变化。
对比例7与实施例1的差异在于：纳米气泡水浓度为2.011*104颗粒/mL，从而导致对硬化混凝土的作用和影响相应降低。
对比例8与实施例1的差异在于：纳米气泡水中气体为空气，从而导致只有少数二氧化碳能参与二次水化反应，对混凝土的强度和耐久性不利。
综上所述，本发明混凝土的制备方法简易，制备的混凝土具有较高的早期强度、更高的力学性能和耐久性能。
上面结合具体实施方式对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种混凝土，其特征在于：包括以下制备原料：胶凝材料、粗骨料、细集料、纳米气泡水和减水剂；
其中，所述纳米气泡水的制备原料为气体、水和稳定剂。
2.根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于：包括以下质量份数的制备原料：胶凝材料300份～400份、粗骨料850份～1050份、细集料800份～1000份，纳米气泡水140份～180份和减水剂10份～20份。
3.根据权利要求2所述的混凝土，其特征在于：所述胶凝材料包括水泥、粉煤灰和硅灰中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的混凝土，其特征在于：所述水和稳定剂的质量比为5000:1～2。
5.根据权利要求2所述的混凝土，其特征在于：所述纳米气泡水的气泡直径为100nm～1000nm；优选地，所述纳米气泡水的气泡浓度为1×105颗粒/mL～1×107颗粒/mL。
6.根据权利要求2所述的混凝土，其特征在于：所述稳定剂包括仲辛醇和十二烷基硫酸钠中的至少一种。
7.根据权利要求2所述的混凝土，其特征在于：所述气体包括氮气、氧气和二氧化碳中的至少一种。
8.一种制备如权利要求1至7任一项所述的混凝土的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将所述胶凝材料、所述粗骨料和所述细集料混合，得混合物；S2、将所述减水剂与部分或全部纳米气泡水混合后，分为至少一份添加至所述混合物中分散，即得。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述纳米气泡水需振动处理，所述振动处理的振动频率为1000次/min～3000次/min；优选地，所述振动处理的时间为30s～60s。
10.一种如权利要求1至7任一项所述的混凝土在制备混凝土预制件中的应用。
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