CN114560661B

CN114560661B - 一种低碳耐蚀混凝土及其制备方法

Info

Publication number: CN114560661B
Application number: CN202210275025.7A
Authority: CN
Inventors: 施锦杰; 周霄骋
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2022-03-21
Filing date: 2022-03-21
Publication date: 2023-02-28
Anticipated expiration: 2042-03-21
Also published as: CN114560661A

Abstract

本发明公开了一种低碳耐蚀混凝土及其制备方法。属于钢筋锈蚀防护技术领域，由水泥、辅助胶凝材料、赤泥耐蚀组分、骨料、减水剂及拌合水混合而成；制备步骤：首先制得赤泥耐蚀组分；然后按照骨料、水泥、辅助胶凝材料的顺序混合搅拌；依次加入拌合水、赤泥耐蚀组分、减水剂继续搅后完成浇筑，经养护得到低碳耐蚀混凝土；本发明通过一种固废材料赤泥与酸性耐蚀剂的协同作用，在中和赤泥中对混凝土耐久性不利的高碱性组分之外，通过在钢筋表面强吸附耐蚀分子及赤泥颗粒实现对钢筋的保护，降低钢筋腐蚀速率；另一方面赤泥颗粒通过改善混凝土孔隙结构并固化侵蚀性氯盐，延缓氯离子等侵蚀性物质到达钢筋表面的时间，提升和保障钢筋混凝土结构耐久性。

Description

一种低碳耐蚀混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于钢筋锈蚀防护技术领域，涉及一种低碳耐蚀混凝土及其制备方法。

背景技术

钢筋混凝土结构是中国乃至全世界占比最多的建筑结构形式，由于其出色的经济性及施工性使得目前国内外对于钢筋混凝土结构的需求仍然十分巨大。然而在高盐、高温高湿、浪溅冲刷等严酷环境作用下，混凝土微结构破坏加剧、胶凝力下降导致钢筋锈蚀速率增加，带来结构未达设计服役年限出现过早失效的风险，结构后续维护与修缮成本巨大；加之混凝土建造所需原材料品质存在劣化趋势，结构建造之初充分考虑混凝土材料与结构的长耐久是实现其可持续发展的重要保障。

出于绿色环保性和良好的生物相容性的长远需求，混凝土低碳的同时实现耐久成为近几年研究的热点。专利CN 108439833 A、专利CN 102976672 B、CN110128072A、专利CN113336488 A通过使用粉煤灰、矿渣、偏高领土等固废材料，并引入纳米级硅土和粘土，运用微集料填充作用、充分的二次水化作用和改善水泥石、界面过渡区微结构以提高混凝土的耐久性，可以看出，低碳高耐久的混凝土大多涉及固体废弃物部分替代水泥并实现高性能化，然而这些专利技术未有涉及材料对钢筋耐蚀性能的影响。

近年来，随着氧化铝工业的迅猛发展，赤泥(RM)作为一种固体废弃物的产量迅速增加。由于拜耳法每生产1吨氧化铝排放赤泥0.8-1.5吨，烧结或联合工艺生产的每吨氧化铝排放赤泥1.5-2.5吨，中国赤泥存量已达7.9亿吨。大部分RM采用常规方法在池塘中处理，导致不利的环境问题，例如地下水污染和存储占用问题。基于绿色、低碳发展的需求，越来越多的研究关注赤泥的再利用，其中研究发现RM可以替代制备水泥和混凝土中的一部分胶凝材料：首先赤泥的主要化学成分(包括SiO₂、Al₂O₃、CaO)均为凝胶成分，可降低混凝土中氯离子的迁移速率；此外，RM中Fe₂O₃的存在稳定了钝化层，并且RM颗粒充当了Ca²⁺的吸附位点。然而赤泥中高碱性Na₂O给赤泥在混凝土中大规模的应用带来了碱骨料反应的风险，限制了赤泥在建筑材料领域的推广与应用。基于赤泥在建筑材料领域的再利用，专利CN113880475 A公开了一种赤泥基磷酸镁水泥及其制备方法，引入赤泥形成含C₄AF固溶体改善水泥水化，提升耐水性能。专利CN 113860783A提出一种赤泥基水泥混凝土后期强度增强胶凝材料的制备方法，使赤泥中形成大量的硅酸二钙(2CaO·SiO₂)胶凝矿物和易通过磁选技术分离的磁性物质，不仅得到了能够显著提升水泥混凝土后期强度的胶凝材料，而且得到了铁精矿，实现了赤泥的资源化利用。专利CN 110627467 A、专利CN 109467324 B、专利CN 113754331 A、CN 112723764 A将赤泥与钢渣、矿粉、石膏等组合用于制备防腐蚀的胶凝材料，低碳环保的同时达到混凝土本身高性能或高耐蚀的特点，少有将钢筋耐蚀防护和基体防腐设计在一起赤泥基混凝土或胶凝材料，但这在实际工程中需求广泛且意义重大。

发明内容

发明目的：本发明的目的是基于建筑材料低碳绿色发展与钢筋混凝土结构长期耐久性保障的双重需求，基于赤泥与耐蚀剂对钢筋腐蚀协同抑制及赤泥对混凝土孔隙的优化调控机制，将固废材料赤泥再利用并提升钢筋混凝土整体耐蚀防腐性能，提供一种低碳耐蚀混凝土及其制备方法。

技术方案：本发明所述的一种低碳耐蚀混凝土，由水泥、辅助胶凝材料、赤泥耐蚀组分、骨料、减水剂及拌合水混合而成；其各组分按质量份数比具体如下：

上述各组分的质量份数之和为2400份。

进一步的，所述水泥选自硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥的任意一种；

所述辅助胶凝材料选自矿渣、粉煤灰、硅灰及偏高岭土的任意一种或以上的任意比例组成的混合物；

所述减水剂选自萘系高效减水剂、脂肪族高效减水剂、氨基高效减水剂、聚羧酸高性能减水剂的任意一种；

所述拌合水选自饮用水、地表水、地下水的任意一种。

进一步的，所述赤泥耐蚀组分由下列各组分按质量份数混合组成：

其中，所述赤泥为拜耳法赤泥、烧结法赤泥、混联法赤泥中的任意一种或以上的任意比例组成的混合物；

所述耐蚀剂为植酸、柠檬酸、硅酸、氨基酸、聚天冬氨酸的任意一种或以上的任意比例组成的混合物；

所述稳定剂选自聚碳酸酯。

进一步的，所述氨基酸选自甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、撷氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、色氨酸、丝氨酸、谷氨酞胺、苏氨酸、半肌氨酸、天冬酞胺、络氨酸、天冬氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸中任意一种以上任意比例组成的混合物。

进一步的，所述骨料由下列各组分按质量份数混合组成：

粗骨料 800-1300份

细骨料 500-700份；

其中，所述粗骨料选自碎石、卵石的任意一种或以上的任意比例组成的混合物；

所述细骨料选自天然砂、机制砂的任意一种或以上的任意比例组成的混合物。

进一步的，一种低碳耐蚀混凝土的制备方法，其具体制备步骤如下：

(1)、将赤泥耐蚀组分中的稳定剂加入水中，并加热至25-70℃搅拌0.1-3小时，然后加入赤泥，在温度25-65℃下搅拌0.1-2小时得到赤泥混合液；

(2)、将赤泥耐蚀组分中的耐蚀剂加入步骤1所得的赤泥混合液中继续以25-65℃搅拌0.1-2小时得到赤泥耐蚀组分；

(3)、按照权力要求称取水泥、辅助胶凝材料、赤泥耐蚀组分、骨料、减水剂及拌合水；

(4)、按照骨料、水泥、辅助胶凝材料的顺序混合搅拌均匀(30s-10min)，然后依次加入拌合水、赤泥耐蚀组分、减水剂继续搅拌1-5min后完成浇筑，经养护得到低碳耐蚀混凝土。

有益效果：本发明与现有技术相比，本发明的特点是：1、本发明采用赤泥与耐蚀剂协同在钢筋表面强吸附实现钢筋腐蚀速率降低，耐点蚀能力提升的同时，酸性的耐蚀剂中和赤泥的高碱性，降低了混凝土中碱激发反应风险，提高结果长期耐久性；2、本发明采用经酸性耐蚀剂中和的赤泥，对于钢筋的作用为：一方面通过影响钝化膜的组成提升钢筋耐蚀性，一方面通过赤泥颗粒在钢筋表面的附着阻碍侵蚀性氯离子的侵蚀；对于混凝土的作用表现为调控孔隙结构，提高混凝土抗渗、抗氯离子侵蚀性能；3、本发明掺加的赤泥属于工业固体废弃物，缓解赤泥带来的环境污染问题的同时，通过取代水泥减少生产水泥带来的碳排放，从而达到低碳的效果；4、本发明所采用的原材料具有优异的环保性能和生物相容性。

附图说明

图1是本发明的制备流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

一种低碳耐蚀混凝土，记为A；其组成包括：水泥、辅助胶凝材料、赤泥耐蚀组分、骨料、减水剂及拌合水，质量份数为：水泥380份，辅助胶凝材料80份，赤泥耐蚀组分110份，骨料1680份，减水剂10份，拌合水140份；其中，水泥为P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥，辅助胶凝材料选自矿渣、粉煤灰、硅灰1：1：1等质量混合；赤泥耐蚀组分中赤泥选自拜耳法赤泥，88.8份；耐蚀剂1份，由植酸组成；稳定剂0.2份，水20份；粗骨料由碎石组成，980份；细骨料由天然砂组成，700份。

其制备步骤为：

(1)、将赤泥耐蚀组分中的稳定剂加入水中，并加热至30℃搅拌0.1小时，然后加入赤泥，在温度30℃下搅拌0.5小时得到赤泥混合液；

(2)、将赤泥耐蚀组分中的耐蚀剂加入步骤1所得的赤泥混合液中继续以35℃搅拌1小时得到赤泥耐蚀组分；

(4)、按照骨料、水泥、辅助胶凝材料的顺序混合搅拌均匀(1min)，然后依次加入拌合水、赤泥耐蚀组分、减水剂继续搅拌3min后完成浇筑，经养护得到低碳耐蚀混凝土。

实施例2

一种低碳耐蚀混凝土，记为B；其组成包括：水泥、辅助胶凝材料、赤泥耐蚀组分、骨料、减水剂及拌合水，质量份数为：水泥340份，辅助胶凝材料110份，赤泥耐蚀组分110份，骨料1700份，减水剂10份，拌合水130份；其中，水泥为P·O 52.5普通硅酸盐水泥，辅助胶凝材料选自偏高岭土；赤泥耐蚀组分中赤泥选自烧结法赤泥、混联法赤泥等质量比的混合，88.8份；耐蚀剂1份，由植酸、柠檬酸、聚天冬氨酸组成，摩尔比为5：2：3；稳定剂0.2份，水20份；粗骨料由碎石、卵石按1：1等质量比混合组成，1100份；细骨料由天然砂与机制砂以1：2质量比混合组成，600份。

其制备步骤为：

(1)、将赤泥耐蚀组分中的稳定剂加入水中，并加热至25℃搅拌0.1小时，然后加入赤泥，在温度25℃下搅拌0.5小时得到赤泥混合液；

(2)、将赤泥耐蚀组分中的耐蚀剂加入步骤1所得的赤泥混合液中继续以30℃搅拌1小时得到赤泥耐蚀组分；

(4)、按照骨料、水泥、辅助胶凝材料的顺序混合搅拌均匀(3min)，然后依次加入拌合水、赤泥耐蚀组分、减水剂继续搅拌2min后完成浇筑，经养护得到低碳耐蚀混凝土。

实施例3

一种低碳耐蚀混凝土，记为C；其组成包括：水泥、辅助胶凝材料、赤泥耐蚀组分、骨料、减水剂及拌合水，质量份数为：水泥330份，赤泥耐蚀组分200份，骨料1700份，减水剂15份，拌合水155份；其中，水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥；赤泥耐蚀组分中赤泥选自拜耳法赤泥，170份；耐蚀剂10份，由硅酸、氨基酸组成，摩尔比为3：2；稳定剂1份，水19份；粗骨料为碎石，1000份；细骨料为天然砂，700份。其中，氨基酸为天冬氨酸、天冬酞胺、撷氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸等质量比例混合而成。

其制备步骤为：

(1)、将赤泥耐蚀组分中的稳定剂加入水中，并加热至35℃搅拌1.5小时，然后加入赤泥，在温度35℃下搅拌1小时得到赤泥混合液；

(2)、将赤泥耐蚀组分中的耐蚀剂加入步骤1所得的赤泥混合液中继续以35℃搅拌2小时得到赤泥耐蚀组分；

(4)、按照骨料、水泥、辅助胶凝材料的顺序混合搅拌均匀(5min)，然后依次加入拌合水、赤泥耐蚀组分、减水剂继续搅拌3min后完成浇筑，经养护得到低碳耐蚀混凝土。

对比例1：

一种不添加赤泥耐蚀组分的混凝土，记为D；其组成包括：水泥、骨料、减水剂及拌合水，质量份数为：水泥570份，骨料1680份，减水剂10份，拌合水140份；其中，水泥为P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥。赤泥耐蚀组分中赤泥选自拜耳法赤泥，88.8份；耐蚀剂1份，由植酸组成；稳定剂0.2份，水20份；粗骨料由碎石组成，980份；细骨料由天然砂组成，700份。

其制备步骤为：

(1)、按照权力要求称取水泥、辅助胶凝材料、骨料、减水剂及拌合水；

(2)、按照骨料、水泥、辅助胶凝材料的顺序混合搅拌均匀(1min)，然后依次加入拌合水、减水剂继续搅拌3min后完成浇筑，经养护得到对比例混凝土。

对比例2：

一种赤泥耐蚀组分不添加耐蚀剂的混凝土，记为E；其组成包括：水泥、辅助胶凝材料、赤泥耐蚀组分、骨料、减水剂及拌合水，质量份数为：水泥340份，辅助胶凝材料110份，赤泥耐蚀组分110份，骨料1700份，减水剂10份，拌合水130份；其中，水泥为P·O 52.5普通硅酸盐水泥，辅助胶凝材料选自偏高岭土；赤泥耐蚀组分中赤泥选自烧结法赤泥、混联法赤泥等质量比的混合，89.8份；稳定剂0.2份，水20份；粗骨料由碎石、卵石按1：1等质量比混合组成，1100份；细骨料由天然砂与机制砂以1：2质量比混合组成，600份。

其制备步骤为：

(1)、将稳定剂加入水中并加热至25℃搅拌0.1小时，然后加入赤泥，在温度25℃下搅拌0.5小时得到不添加耐蚀剂的赤泥耐蚀组分；

(2)、按照权力要求称取水泥、辅助胶凝材料、不添加耐蚀剂的赤泥耐蚀组分、骨料、减水剂及拌合水；

(3)、按照骨料、水泥、辅助胶凝材料的顺序混合搅拌均匀(3min)，然后依次加入拌合水、不添加耐蚀剂的赤泥耐蚀组分、减水剂继续搅拌2min后完成浇筑，经养护得到对比例混凝土。

将各实施例及对比例制得的混凝土中预埋钢筋，钢筋一侧留有导线以便进行电化学测试，经养护后进行氯离子干湿循环侵蚀实验，实验过程中进行线性极化测试得到钢筋的腐蚀电流密度，试验结束时进行动电位循环极化测试得到钢筋的点蚀电位，动电位循环极化测试结束后剖开混凝土取靠近钢筋位置的混凝土样品进行压汞(MIP)测试。

腐蚀电流密度越低代表钢筋均匀腐蚀越不显著，点蚀电位越高代表钢筋耐点蚀能力越强，结果如表1所示。

表1掺入各实施例及对比例混凝土中的钢筋腐蚀电流密度及点蚀电位

混凝土	腐蚀电流密度/mA·cm<sup>-2</sup>	点蚀电位/mV vs SCE
			A	50	597
B	80	560
			C	30	613
D	1000	234
			E	300	400

由表1可知，实施例中腐蚀电流密度低于对比例的，点蚀电位高于对比例的，说明了实施例中的低碳耐蚀混凝土对钢筋均匀腐蚀及点蚀的双重抑制效应。

将各实施例及对比例制得的混凝土，养护28天后进行混凝土渗水高度试验，以对比其孔隙致密性，渗水高度越低代表混凝土致密性及抗侵蚀性能越佳，试验结果如表2所示。

表2实施例及对比例混凝土渗水高度

混凝土	渗水高度/mm
		A	5
B	9
		C	8
D	20
		E	25

由表2可知，与对比例相比，实施例具有更低的渗水高度，表明实施例的混凝土具有更致密的孔隙结构，抗离子侵蚀能力更强。

压汞测试是依靠外加压力使汞克服表面张力进入混凝土孔隙来测定混凝土孔隙的孔径和分布，测试结果如表3所示。

表3实施例及对比例混凝土孔隙率及平均孔径

混凝土	孔隙率/％	平均孔径/nm
			A	15.32	23.12
B	16.89	28.23
			C	17.23	26.78
D	12.53	45.45
			E	16.13	27.25

由表3可知，添加了赤泥的实施例组及对比例E相较不添加赤泥的对比例D具有更高的孔隙率，但其平均孔径显著低于不添加赤泥的对比例D，说明添加赤泥增加了混凝土中孔径尺寸较小的有益孔，显著优化了混凝土孔隙结构。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种低碳耐蚀混凝土，其特征在于，由水泥、辅助胶凝材料、赤泥耐蚀组分、骨料、减水剂及拌合水混合而成；其各组分按质量份数比具体如下：

上述各组分的质量份数之和为2400份；

其中，所述水泥选自硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥的任意一种；

所述赤泥耐蚀组分由下列各组分按质量份数混合组成：

所述稳定剂选自聚碳酸酯；所述减水剂选自萘系高效减水剂、脂肪族高效减水剂、氨基高效减水剂、聚羧酸高性能减水剂的任意一种；

所述拌合水选自饮用水、地表水、地下水的任意一种；

所述氨基酸选自甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、撷氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、色氨酸、丝氨酸、谷氨酞胺、苏氨酸、半肌氨酸、天冬酞胺、络氨酸、天冬氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸中任意一种以上任意比例组成的混合物；

所述骨料由下列各组分按质量份数混合组成：

粗骨料 800-1300份

细骨料 500-700份；

所述细骨料选自天然砂、机制砂的任意一种或以上的任意比例组成的混合物；

其制备方法的具体制备步骤如下：

(1)、将稳定剂加入至水中加热至25-70℃后搅拌0.1-3小时，加入赤泥，在25-65℃的温度下搅拌0.1-2小时，得到赤泥混合液；

(2)、再将耐蚀剂加入制得的赤泥混合液中，在25-65℃的温度下搅拌0.1-2小时，从而制得赤泥耐蚀组分；

(3)、称取水泥、辅助胶凝材料、赤泥耐蚀组分、骨料、减水剂及拌合水；

(4)、按照顺序将骨料、水泥、辅助胶凝材料进行混合，搅拌30s-10min至其搅拌均匀，然后依次加入拌合水、赤泥耐蚀组分及减水剂继续搅拌1-5min后完成浇筑，经养护后最终得到低碳耐蚀混凝土。