CN114085052A - 一种基于高石粉含量机制砂的超疏水混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高石粉含量机制砂的超疏水混凝土及其制备方法。由如下份数的原材料制备而成：水泥280～350份、粉煤灰微珠80～100份、矿渣粉60～75份、石粉含量为7～20％的机制砂750～830份、碎石1100～1230份、水130～170份、复配有混凝土性能多重改善剂的外加剂5～13份；超疏水涂料用量为10～20m²/kg。通过将50～100目的尼龙网紧贴固定于模具模板内表面，采用以上原料混凝土拌合物浇筑在模具中成型养护后喷涂超疏水涂料制备得到。该超疏水混凝土具有良好的工作性能、力学性能、疏水性能、抗冻性能、抗渗性能、抗侵蚀性能，可提高混凝土的耐久性，具有重要的实际应用价值。

Description

一种基于高石粉含量机制砂的超疏水混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于超疏水混凝土技术领域，具体涉及一种基于高石粉含量机制砂的超疏水混凝土及其制备方法。

背景技术

混凝土是当今世界最大宗的人造建筑材料，在基础设施建设中发挥了巨大的作用。以天然砂为细集料配制的混凝土性能良好，由于天然砂资源匮乏且不利于环境保护，目前已逐渐使用机制砂代替河砂。未经处理的机制砂石粉含量往往超过国家标准中10％的限制，为了符合国家标准，往往采用水洗法洗去部分石粉，但水洗法会严重污染环境、浪费水资源，不符合绿色发展的需要。因此，使用高石粉含量的机制砂，使之符合混凝土的各项指标是一大发展趋势。但是高石粉含量的机制砂会导致混凝土的和易性差，严重的会离析、泌水，大大影响其工作性能和施工性能。

另外，混凝土在服役时不可避免的会受到水分的渗透，若水中含有对混凝土有害的离子，将会造成钢筋锈蚀、混凝土胀裂等腐蚀破坏，使混凝土的耐久性能降低，缩短其服役寿命，造成经济损失。因此，如何提高混凝土耐久性，也是急需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题提供一种基于高石粉含量机制砂的超疏水混凝土及其制备方法，该超疏水混凝土具有良好的工作性能、力学性能、疏水性能、抗冻性能、抗渗性能、抗侵蚀性能，可提高混凝土的耐久性，具有重要的实际应用价值。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种基于高石粉含量机制砂的超疏水混凝土，由如下份数的原材料制备而成：水泥280～350份、粉煤灰微珠80～100份、矿渣粉60～75份、机制砂750～830份、碎石1100～1230份、水130～170份、复配有混凝土性能多重改善剂的外加剂5～13份；超疏水涂料用量为10～20m²/kg；其中：

所述机制砂中石粉含量为7％～20％；

所述复配有混凝土性能多重改善剂的外加剂为高效高保坍聚羧酸减水剂与混凝土性能多重改善剂按质量比(30～40)：(1～3)复配而成；所述混凝土性能多重改善剂为采用阳离子单体(丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵)、阴离子单体(丙烯酸)和内交联剂(N,N”-亚甲基双丙烯酰胺)通过三元自由基聚合成的一种两性混凝土性能多重改善剂；

所述超疏水涂料由如下组分的材料制备而成：硅烷和/或硅氧烷30～40份、硬脂酸乙醇改性纳米无机材料5～10份和水15～25份。

按上述方案，超疏水涂料用于所述超疏水混凝土表面。

按上述方案，所述高效高保坍聚羧酸减水剂为高效聚羧酸减水剂、高保坍聚羧酸减水剂、引气剂按质量比为240～260：140～160：1配制而成。

按上述方案，所述混凝土性能多重改善剂聚合过程中，原料丙烯酸与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵摩尔比为2:1～1:1，内交联剂占单体丙烯酸与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵总质量的1～2％；聚合过程中还包括引发剂和链转移剂(巯基乙酸)，其中引发剂、链转移剂(巯基乙酸)用量分别占单体丙烯酸与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵总质量的1.5～2.5％和0.01～0.03％。

按上述方案，所述混凝土性能多重改善剂制备包括以下步骤：在去离子水中加入阳离子单体(丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵)、阴离子单体(丙烯酸)和内交联剂(N,N”-亚甲基双丙烯酰胺)和链转移剂(巯基乙酸)，在60～70℃下搅拌至单体全部溶解，然后在氮气环境下加入一定量的过硫酸铵，恒温聚合反应3～5h后，降温至35～45℃，然后将溶液pH值中和为7，得到混凝土性能多重改善剂。

按上述方案，所述超疏水涂料中，硅烷为N-丙基三甲氧基硅烷，硅氧烷为聚甲基氢硅氧烷。

按上述方案，所述硬脂酸乙醇改性纳米无机材料中，纳米无机材料为纳米二氧化硅和银掺杂量为0.3％～0.6％的银掺杂纳米二氧化钛。优选地，纳米二氧化硅和银掺杂量为0.3～0.6％的银掺杂纳米二氧化钛质量比为1：(2～3)。

按上述方案，所述超疏水涂料的制备步骤为：将纳米二氧化硅、银掺杂纳米二氧化钛在浓度为1％～2wt％的硬脂酸乙醇溶液中超声分散40～60min，然后搅拌6～8h，静置2～4h后离心分离，收集沉淀物在105～110℃下干燥4～6h，得到改性无机纳米材料；将改性无机纳米材料加入到水中，超声分散40～60min，在搅拌条件下加入硅烷和/或硅氧烷，搅拌8～10h，即得所述混凝土用超疏水涂料。

按上述方案，所述粉煤灰微珠的比表面积≥1300m²/kg，活性指数≥101％，需水量比≤95％，晶体结构为非晶态。

按上述方案，所述机制砂为II区级配，MB值≤1.4。

提供一种上述基于高石粉含量机制砂的超疏水混凝土具体制备方法，包括如下步骤：

(1)将50～100目的尼龙网紧贴固定于模具模板内表面；

(2)将碎石、机制砂干混20～30s后加入水泥、粉煤灰微珠、矿渣粉拌和均匀；

(3)继续加入水和复配有混凝土性能多重改善剂的外加剂，持续搅拌120s～180s；

(4)将步骤3)所得混凝土拌合物浇筑入步骤1)中的模具中成型、养护；

(5)拆模后将尼龙网拆下，并清洁混凝土表面，根据需要养护至规定龄期后，在干燥状态下将超疏水涂料均匀喷涂至混凝土表面，待自然晾干后制得高石粉含量机制砂超疏水混凝土。

按上述方案，所述步骤2)中，碎石、机制砂干混20～30s。

本发明提供一种基于高石粉含量机制砂的超疏水混凝土，采用高石粉含量机制砂，一方面利于环境保护、契合绿色发展，另一方面高石粉含量机制砂的加入可改善混凝土的孔隙结构，增加密实度，在一定程度上增加混凝土的力学性能和抗渗性能。但是具有较多棱角性的机制砂可能使混凝土流动性不佳，为此引入粉煤灰微珠，利用其滚珠效应改善拌合物的流动性。另外，高石粉含量机制砂的掺入增大了混凝土离析、泌水的风险，为此，利用混凝土性能多重改善剂的反聚电解质效应调控混凝土和易性、增加粘聚性、改善其匀质性，并且多重性能改善剂分子中的内交联剂的引入使得其与水泥颗粒形成三维网状结果，提高了混凝土的稳定性。此外，利用超疏水涂料提升混凝土的超疏水性能，超疏水涂料中的硅烷、硅氧烷本身具有良好的疏水性，同时配合硬脂酸乙醇改性纳米无机材料，纳米无机材料本身具有超疏水性能，再利用低表面能剂——硬脂酸乙醇溶液修饰纳米颗粒，可以赋予无机纳米材料更低的表面能，提升其超疏水能力。进一步地，纳米无机材料包括银掺杂纳米二氧化钛，对纳米二氧化钛进行银掺杂修饰可大幅提高其超疏水能力。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供一种基于高石粉含量机制砂的超疏水混凝土，采用高石粉含量机制砂，可增加混凝土的力学性能和抗渗性能，利用粉煤灰微珠的滚珠效应改善拌合物的流动性，利用混凝土性能多重改善剂调控混凝土和易性、增加粘聚性、改善其匀质性，提高混凝土的稳定性；同时配合超疏水涂料增加超疏水性能；所得超疏水混凝土具有优异的超疏水性能，能有效阻挡水分以及水中的离子入侵，使得混凝土具有良好的防水性、抗冻性、抗腐蚀性，提高混凝土的耐久性，延长混凝土构筑物的服役寿命，减少因此问题造成的经济损失，具有重要的实际应用价值和较好的推广应用前景。

2.本发明提供一种超疏水混凝土的制备方法，在混凝土成型之前将50～100目的尼龙网覆盖在模板内表面，以此近似在微纳尺度上制造出粗糙表面，符合目前主流的“低表面能+粗糙表面”的二元协同理论，赋予混凝土优异的超疏水性能，同时制备方法简便可适用性强，便于工业化推广。

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。

以下实施例中，原料指标如下：

水泥为42.5级硅酸盐水泥；矿渣粉为S95级；碎石为5～25mm连续级配玄武岩碎石；机制砂为II区级配，MB值≤1.4，实施例1中石粉含量为12％，实施例2中石粉含量为15％；粉煤灰微珠的比表面积≥1300m²/kg，活性指数≥101％，需水量比≤95％，晶体结构为非晶态。

复配有混凝土性能多重改善剂的外加剂为高效高保坍聚羧酸减水剂与混凝土性能多重改善剂按质量比35：2复配而成。其中：

高效高保坍聚羧酸减水剂为高效聚羧酸减水剂、高保坍聚羧酸减水剂、引气剂按质量比为250：150：1配制而成，其中高效聚羧酸减水剂、高保坍聚羧酸减水剂、引气剂均为湖北西建新材料科技有限公司生产。

混凝土性能多重改善剂的制备为：在去离子水中加入阳离子单体(丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵)、阴离子单体(丙烯酸)、内交联剂(N,N”-亚甲基双丙烯酰胺)和链转移剂(巯基乙酸)，在65℃下搅拌至单体全部溶解，然后在氮气环境下加入一定量的过硫酸铵，恒温聚合反应4h后，降温至40℃，然后将溶液pH值中和为7左右，得到混凝土性能多重改善剂，其中丙烯酸与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵摩尔为2:1，引发剂、链转移剂、内交联剂用量分别占单体丙烯酸与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵总质量的2％、0.02％、1.5％。

实施例1

提供一种超疏水涂料的制备方法，具体包括以下步骤：

将银掺杂量为0.4％的4份银掺杂纳米二氧化钛、2份纳米二氧化硅在浓度为2wt％的硬脂酸乙醇溶液中超声分散60min，然后搅拌8h，静置2h后离心分离，收集沉淀物在105℃下干燥4h，得到改性无机纳米材料；将6份改性无机纳米材料加入到25份水中，超声分散60min，在搅拌条件下缓慢加入10份聚甲基氢硅氧烷、28份N-丙基三甲氧基硅烷，搅拌10h，即得超疏水涂料。

提供一种高石粉含量机制砂超疏水混凝土，由如下份数的原材料制备而成：水泥300kg、粉煤灰微珠92kg、矿渣粉68kg、机制砂776kg、碎石1164kg、水147.2kg、复配有混凝土性能多重改善剂的外加剂9.2kg，超疏水涂料用量为10m²/kg，具体制备步骤如下：

(1)首先将80目的尼龙网紧贴固定于模具模板内表面；

(2)然后按照称量的配比将碎石、机制砂干混30s后加入水泥、粉煤灰微珠、矿渣粉拌和均匀；

(3)将水、复配有混凝土性能多重改善剂的外加剂缓慢加入搅拌锅，持续搅拌180s；

(4)将混凝土拌合物浇筑入步骤(1)中的模具中成型、养护；

(5)拆模后小心将尼龙网拆下，并清洁混凝土表面，清除尘屑，养护28d，然后在干燥状态下将超疏水涂料按用量10m²/kg均匀喷涂至混凝土表面，待自然晾干后制得高石粉含量机制砂超疏水混凝土。

经检测，本实施例中的超疏水混凝土接触角为165°，滚动角为8°。

对本实施例中的高石粉含量机制砂超疏水混凝土进行力学性能、耐久性能检测，其28d抗压强度59.5MPa，冻融200次强度损失率4.2％、质量损失率1.8％，抗蚀等级＞KS120。

实施例2

提供一种超疏水涂料的制备方法，具体包括以下步骤：

将银掺杂量为0.4％的6份银掺杂纳米二氧化钛、1份纳米二氧化硅在浓度为2wt％的硬脂酸乙醇溶液中超声分散60min，然后搅拌6h，静置2h后离心分离，收集沉淀物在105℃下干燥5h，得到改性无机纳米材料；将6份改性无机纳米材料加入到20份水中，超声分散60min，在搅拌条件下缓慢加入12份聚甲基氢硅氧烷、26份N-丙基三甲氧基硅烷，搅拌10h，即得超疏水涂料。

提供一种高石粉含量机制砂超疏水混凝土，由如下份数的原材料制备而成：水泥325kg、粉煤灰微珠100kg、矿渣粉75kg、机制砂798kg、碎石1102kg、水165kg、复配有混凝土性能多重改善剂的外加剂10.5kg，超疏水涂料用量为10m²/kg，具体制备步骤如下：

(1)首先将100目的尼龙网紧贴固定于模具模板内表面；

(2)然后按照称量的配比将碎石、机制砂干混30s后加入水泥、粉煤灰微珠、矿渣粉拌和均匀；

(3)将水、复配有混凝土性能多重改善剂的外加剂缓慢加入搅拌锅，持续搅拌180s；

(4)将混凝土拌合物浇筑入步骤(1)中的模具中成型、养护；

(5)拆模后小心将尼龙网拆下，并清洁混凝土表面，清除尘屑，养护28d，然后在干燥状态下将超疏水涂料按用量10m²/kg均匀喷涂至混凝土表面，待自然晾干后制得高石粉含量机制砂超疏水混凝土。

经检测，本实施例中的超疏水混凝土接触角为169°，滚动角为7°。

对本实施例中的高石粉含量机制砂超疏水混凝土进行力学性能、耐久性能检测，其28d抗压强度68.6MPa，冻融200次强度损失率2.2％、质量损失率1.1％，抗蚀等级＞KS120。

上述结果表明，利用本发明技术制备的高石粉含量机制砂超疏水混凝土性能优异，具有自清洁功能，能有效防止水的侵入、提高抗冻性和抗侵蚀能力，有利于提升混凝土的耐久性。

上述实施例仅是为了清楚地说明本发明所做的实例，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 (10)

1.一种基于高石粉含量机制砂的超疏水混凝土，其特征在于，由如下份数的原材料制备而成：水泥280～350份、粉煤灰微珠80～100份、矿渣粉60～75份、机制砂750～830份、碎石1100～1230份、水130～170份、复配有混凝土性能多重改善剂的外加剂5～13份；超疏水涂料用量为10～20m²/kg；其中：

所述机制砂中石粉含量为7～20％；

所述复配有混凝土性能多重改善剂的外加剂为高效高保坍聚羧酸减水剂与混凝土性能多重改善剂按质量比(30～40)：(1～3)复配而成；所述混凝土性能多重改善剂为采用阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、阴离子单体丙烯酸和内交联剂N,N”-亚甲基双丙烯酰胺通过三元自由基聚合成的一种两性混凝土性能多重改善剂；

所述超疏水涂料由如下组分的材料制备而成：硅烷和/或硅氧烷30～40份、硬脂酸乙醇改性纳米无机材料5～10份和水15～25份。

2.根据权利要求1所述的超疏水混凝土，其特征在于，所述高效高保坍聚羧酸减水剂为高效聚羧酸减水剂、高保坍聚羧酸减水剂、引气剂按质量比为240～260：140～160：1配制而成。

3.根据权利要求1所述的超疏水混凝土，其特征在于，所述混凝土性能多重改善剂聚合过程中，原料丙烯酸与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵摩尔比为2:1～1:1，内交联剂占单体丙烯酸与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵总质量的1～2％；聚合过程中还包括引发剂和链转移剂巯基乙酸，其中引发剂、链转移剂巯基乙酸用量分别占单体总质量的1.5～2.5％和0.01～0.03％。

4.根据权利要求1所述的超疏水混凝土，其特征在于，所述混凝土性能多重改善剂制备包括以下步骤：在去离子水中加入阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、阴离子单体丙烯酸、内交联剂N,N”-亚甲基双丙烯酰胺和链转移剂巯基乙酸，在60～70℃下搅拌至单体全部溶解，然后在氮气环境下加入一定量的过硫酸铵，恒温聚合反应3～5h后，降温至35～45℃，然后将溶液pH值中和为7，得到混凝土性能多重改善剂。

5.根据权利要求1所述的超疏水混凝土，其特征在于，所述超疏水涂料中，硅烷为N-丙基三甲氧基硅烷，硅氧烷为聚甲基氢硅氧烷。

6.根据权利要求1所述的超疏水混凝土，其特征在于，所述硬脂酸乙醇改性纳米无机材料中，纳米无机材料为纳米二氧化硅和银掺杂量为0.3～0.6％的银掺杂纳米二氧化钛。

7.根据权利要求6所述的超疏水混凝土，其特征在于，纳米二氧化硅和银掺杂量为0.3～0.6％的银掺杂纳米二氧化钛质量比为1：(2～3)。

8.根据权利要求1所述的超疏水混凝土，其特征在于，所述超疏水涂料的制备步骤为：将纳米二氧化硅、银掺杂纳米二氧化钛在浓度为1～2wt％的硬脂酸乙醇溶液中超声分散40～60min，然后搅拌6～8h，静置2～4h后离心分离，收集沉淀物在105-110℃下干燥4～6h，得到改性无机纳米材料；将改性无机纳米材料加入到水中，超声分散40～60min，在搅拌条件下加入硅烷和/或硅氧烷，搅拌8～10h，即得所述混凝土用超疏水涂料。

9.根据权利要求1所述的超疏水混凝土，其特征在于，所述粉煤灰微珠的比表面积≥1300m²/kg，活性指数≥101％，需水量比≤95％，晶体结构为非晶态；所述机制砂为II区级配，MB值≤1.4。

10.一种权利要求1-9任一项所述的基于高石粉含量机制砂的超疏水混凝土具体制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将50～100目的尼龙网紧贴固定于模具模板内表面；

2)将碎石、机制砂干混后加入水泥、粉煤灰微珠、矿渣粉拌和均匀；

3)继续加入水和复配有混凝土性能多重改善剂的外加剂，持续搅拌120～180s；

4)将步骤3)所得混凝土拌合物浇筑入步骤1)中的模具中成型、养护；

5)拆模后将尼龙网拆下，并清洁混凝土表面，根据需要养护至规定龄期后，在干燥状态下将超疏水涂料均匀喷涂至混凝土表面，待自然晾干后制得高石粉含量机制砂超疏水混凝土。