CN114573288B - 一种高气密性混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高气密性混凝土及其制备方法，其中的高气密性混凝土包括以下重量份数计的组分：骨料1600～1700份，胶凝材料1020～1080份，水168～190份，特性组分28‑34份，高吸水性树脂12.4～18.6份和羧酸系高效减水剂23～25份；所述骨料包括：石英砂和石灰石；所述胶凝材料包括：硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉和硅灰；所述特性组分包括：密实增强粉体、消泡组分和聚合物乳胶粉。应用本发明可以使得混凝土在长期低真空环境中保持高气密性和稳定性，可以适用于真空管道超高速磁悬浮桥梁。

Description

一种高气密性混凝土及其制备方法
技术领域
本申请涉及混凝土材料施工技术领域，尤其涉及一种高气密性混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土作为最广泛使用的建筑材料之一，其耐久性与工程结构寿命有密切关系。混凝土的耐久性与其自身孔隙结构以及孔隙内部发生的物质传输与交换过程密切相关，当具有侵蚀性的介质通过各种传输通道进入混凝土的内部时，具有侵蚀性的介质会破坏混凝土材料的性能或锈蚀钢筋，严重影响工程结构的服役寿命；而气体渗透性则直接物理表征了气体介质在压力作用下在水泥基孔隙材料中的迁移能力，是描述与气体介质迁移相关的混凝土耐久性的基础参数，也是衡量混凝土材料气密性的理想物理参数。理论上，混凝土的抗气体渗透性能与气密性同义。
随着现代化建设发展和特殊领域工程建设需要，如瓦斯隧道衬砌、核电安全壳体、桶式基础结构、陆地粮食浅圆仓等领域，对混凝土密封性和抗气体渗透性能的要求也越来越高，使得传统混凝土的气密性已难以满足要求。因此，部分学者对混凝土气密性进行研究，专利文件CN108455926A公开了一种气密性混凝土，是通过气密防腐剂增强混凝土抗压性能和气密性，可用于抵抗瓦斯隧道内可燃气体穿透混凝土；专利文件CN110698137A公开了一种气密性混凝土材料，采用特种引气剂引入弹性气泡，提高隧道混凝土对有害气体和压力水的抗渗能力。
此外，随着经济和技术的发展，现代社会对于交通运输速度的要求越来越高。低真空管道超高速磁悬浮运输系统将悬浮列车技术和低气压(1000Pa以下)管道技术有效结合，最大限度地减小列车高速运行时的摩擦阻力和气动阻力，能有效弥补400～800km/h之间(高铁和航空)的速度空白，具有广阔的应用前景和市场价值。目前，真空管道磁悬浮桥梁常采用钢管与混凝土组合的nu梁形式，如图1所示，上方采用n型钢管，下方采用u型单箱混凝土作为梁体，连接处采用环氧树脂等黏结剂进行密封。想要保持管道内大空间、长时间的真空度，除对管道本身结构有要求外，对混凝土气密性和耐久性能也提出相应要求。
但是，目前针对长期处于低真空环境下的混凝土的力学性能和气体渗透性能的演变规律的研究较少，根据已有混凝土在高原地区的应用研究表明，低气压环境会降低引气剂的气泡稳定性，增大混凝土孔隙率，对孔结构产生不利影响。另外，根据道尔顿分压定律可知，水分蒸发速率与气压成反比，由于超高速磁悬浮运输系统的真空管道内部的气压相比高原地区的气压低几十倍甚至上百倍，使得混凝土应用条件更加恶劣，从而导致现有技术中的混凝土难以满足长期处于低真空环境中的气密性要求，且上述专利文件公开的两种防止隧道瓦斯和压力水穿透的高气密性混凝土也并不适用。
综上可知，由于现有技术中的混凝土仍具有不足和缺陷，无法长期在低真空环境中保持较高的气密性，因此，提出一种更好的高气密性混凝土，从而可以在长期低真空环境中保持高气密性和稳定性，可以适用于真空管道超高速磁悬浮桥梁，是本领域中亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高气密性混凝土及其制备方法，从而可以在长期低真空环境中保持高气密性和稳定性，可以适用于真空管道超高速磁悬浮桥梁。
本发明的技术方案具体是这样实现的：
一种高气密性混凝土，包括以下重量份数计的组分：骨料1600～1700份，胶凝材料1020～1080份，水168～190份，特性组分28-34份，高吸水性树脂12.4～18.6份和羧酸系高效减水剂23～25份；
所述骨料包括：石英砂和石灰石；
所述胶凝材料包括：硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉和硅灰；
所述特性组分包括：密实增强粉体、消泡组分和聚合物乳胶粉。
较佳的，所述密实增强粉体包括：纳米SiO2和/或纳米钙基微晶高岭石；所述消泡组分是聚醚改性有机硅消泡剂；所述聚合物乳胶粉是乙酸乙烯酯与乙烯的共聚物。
较佳的，所述特性组分中的各组分重量份比例为，密实增强粉体：消泡组分：聚合物乳胶粉＝21:6:4。
较佳的，所述骨料中的各组分重量份比例为，石英砂：石灰石＝42:58。
较佳的，所述石英砂包括：粒度为20-40目的石英砂A、粒度为40-70目的石英砂B和粒度为70-100目的石英砂C；按重量份比计，石英砂A：石英砂B：石英砂C＝2:3:5。
较佳的，所述石灰石平均粒径分布为5～10mm。
较佳的，所述胶凝材料中的各组分重量份比例为，硅酸盐水泥：粉煤灰：矿渣粉：硅灰＝65:10:5:20。
较佳的，所述硅酸盐水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为I级低钙粉煤灰；所述矿渣粉为S95矿渣粉。
较佳的，所述硅灰粒径为100～200nm，SiO2含量≥96％。
较佳的，所述羧酸系高效减水剂的减水率≥30％。
较佳的，所述高吸水性树脂由高吸水性树脂粉提前加水预处理制成；所述高吸水性树脂粉为聚丙烯酸盐吸水树脂。
较佳的，所述聚丙烯酸盐吸水树脂，其粒径≤150μm，吸水倍率≥400倍。
较佳的，所述高气密性混凝土包括以下重量份数计组分：骨料1650份，胶凝材料1050份，水175份，特性组分31份，高吸水性树脂15.5份，羧酸系高效减水剂24份。
一种高气密性混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下所述步骤：
按各组分的重量份数分别计量高气密性混凝土材料的各组分；
将骨料和胶凝材料投入强制式搅拌机预拌第一时长，得到混合干料；
将水和羧酸系高效减水剂加入所述混合干料中搅拌第二时长；
加入特性组分和高吸水性树脂搅拌第三时长至混合均匀；
对混凝土进行密实成型和标准养护。
较佳的，所述第一时长是60s，所述第二时长是120s，第三时长是180s以上。
较佳的，所述所述特性组分由密实增强粉体、消泡组分和聚合物乳胶粉制成，所述消泡组分是聚醚改性有机硅消泡剂；
所述聚醚改性有机硅消泡剂的制备方法为：
配置氯铂酸-异丙醇催化剂；
以甲苯为溶剂，加入烯丙基聚醚，采用滴加方式加入含氢硅油，滴加第四时长，加入所述氯铂酸-异丙醇催化剂，得到混合液；
将混合液在氮气气氛中加热至85～90℃，反应3～3.5h；
真空蒸馏脱去溶剂，得到聚醚改性有机硅消泡剂。
较佳的，所述甲苯的质量分数为50％；所述第四时长为0.5～1h。
较佳的，所述聚醚和所述硅油的比例为(1.2～1.3)：1。
如上可见，在本发明中的高气密性混凝土及其制备方法中，通过向混凝土组分中加入所述特性组分以及由高吸水性树脂粉提前加水预处理制成高吸水性树脂，从而优化了混凝土组成和微观孔隙结构，能够以低水胶比配置满足拌合物工作性能和基本力学性能的同时，还具有优异的气密性和长期低真空环境下的稳定性，为真空管道磁悬浮桥梁的建设提供一定的保障。
附图说明
图1为真空管道磁悬浮桥梁钢管与混凝土组合的nu梁示意图。
图2为本发明实施例中的高气密性混凝土制备方法的流程图。
图3为本发明实施例中的聚醚改性有机硅消泡剂制备方法的流程图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
为使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供了一种高气密性混凝土及其制备方法。
在本发明的技术方案中，提供了一种高气密性混凝土，包括以下重量份数计的组分：骨料1600～1700份，胶凝材料1020～1080份，水168～190份，特性组分28-34份，高吸水性树脂12.4～18.6份和羧酸系高效减水剂23～25份；
所述骨料包括：石英砂和石灰石；
所述胶凝材料包括：硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉和硅灰；
所述特性组分包括：密实增强粉体、消泡组分和聚合物乳胶粉。
在本发明的技术方案中，可以使用多种实现方法来实现上述的高气密性混凝土。以下将以其中的几种实现方式为例对本发明的技术方案进行详细的介绍。
例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述高气密性混凝土包括以下重量份数计组分：
骨料1650份，胶凝材料1050份，水175份，特性组分31份，高吸水性树脂15.5份，羧酸系高效减水剂24份。
例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述骨料中的各组分重量份比例为，石英砂：石灰石＝42:58；
所述石英砂包括：粒度为20-40目的石英砂A、粒度为40-70目的石英砂B和粒度为70-100目的石英砂C；按重量份比计，石英砂A：石英砂B：石英砂C＝2:3:5；
所述石灰石平均粒径分布为5～10mm。
本申请提供的高气密性混凝土，运用密实堆积理论和特性组分协同工作原理，采用不同级配的石英砂和石灰石组成混凝土的骨架支撑体系。其中，由石灰石搭接为骨架主体，粒径较粗的石英砂A对石灰石间隙进行填充，中等粒径的石英砂B和粒径最细的石英砂C也分别填充，通过骨料粒径曲线和密实堆积理论计算出石灰石和不同石英砂的比例情况，使得固体颗粒的堆积密实度达到最大，形成孔隙最小的混凝土骨料支撑体系，也减少气体渗透通道。
例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述胶凝材料中的各组分重量份比例为，硅酸盐水泥：粉煤灰：矿渣粉：硅灰＝65:10:5:20；
所述硅酸盐水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；
所述粉煤灰为I级低钙粉煤灰；
所述矿渣粉为S95矿渣粉；
所述硅灰粒径为100～200nm，SiO2含量≥96％。
以硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉和硅灰组成硬化浆体填充体系，在以硅酸盐水泥作为基本胶凝组分的条件下，添加具有火山灰活性的粉煤灰、矿渣粉和硅灰等矿物掺合料，可与水化产物Ca(OH)2发生二次水化反应，有效改善混凝土结构的内部孔隙结构，增加混凝土气密性。其中，掺入上述规格的表面光滑的球状粉煤灰能填充水泥颗粒孔隙并起“滚珠”效应，且矿渣粉有利于增大浆体可塑性。掺入硅灰能显著减小颗粒空隙间填充的水量，但是，硅灰掺量过高会使浆体粘度增大，而根据上述比例配置的胶凝材料可以使得混凝土固体颗粒体系堆积密实度较大，填充在颗粒空隙间的水较少，有利于降低浆体的屈服剪应力和塑性粘度，水泥浆体的和易性高，施工性能好，硬化后的混凝土气密性也较好。因此，选用上述规格的硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉和硅灰及上述配置比例，能得到工作性和强度更加优异的高气密性混凝土。
再例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述特性组分中的各组分重量份比例为，密实增强粉体：消泡组分：聚合物乳胶粉＝21:6:4；
所述密实增强粉体可以是纳米SiO2和纳米钙基微晶高岭石中的一种或两种；
所述消泡组分可以是聚醚改性有机硅消泡剂；
所述聚合物乳胶粉可以是乙酸乙烯酯与乙烯的共聚物。
以密实增强粉体、消泡组分和聚合物乳胶粉组成浆料界面连接和孔隙填充体系，密实增强粉体中的纳米SiO2和/或纳米钙基微晶高岭石可对骨料与浆体间微纳米结构的孔隙进一步填充，并为胶凝材料水化产物生长提供额外成核位点，纳米SiO2还具有火山灰活性，可以生成更多的C-S-H凝胶，减少微观孔隙缺陷。消泡组分中采用的聚醚改性有机硅消泡剂具有消泡效力强、相容性好、稳定性好等优点，可降低新拌混凝土液膜强度并破坏气泡稳定性，导致气泡在搅拌时破裂或合并，增加混凝土密实性。聚合物乳胶粉采用乙酸乙烯酯与乙烯的共聚物乳胶粉，能在水中再分散，抗皂化能力强，能使混凝土拌合时产生的气泡空腔填充聚合物乳液，使混凝土具有良好可塑性和施工性；另外，在其凝结硬化时乳液失水形成薄膜从而强化空腔，防止气体从空腔渗透，增大气密性，改善混凝土的工作性和强度。以上三种特性组分按上述比例配置能更好地协同工作，纳米SiO2和/或纳米钙基微晶高岭石填充微小孔隙，聚醚改性有机硅消泡剂破坏尽可能多的气泡，乙酸乙烯酯与乙烯的共聚物乳胶粉水化后期对更加微小的气泡空腔填充强化和封闭。
较佳地，所述聚醚改性有机硅消泡剂可以通过以下步骤制备得到：将氯铂酸溶于异丙醇溶液中，配置40ppm氯铂酸-异丙醇溶液，进行除水处理，得到催化剂；以50％质量分数的甲苯为溶剂，加入烯丙基聚醚，并采用滴加方式加入含氢硅油，滴加时间为0.5～1h，其中聚醚和硅油的比例为(1.2～1.3)：1，并加入氯铂酸-异丙醇催化剂，得到混合液；将混合液在氮气气氛中加热至85～90℃，反应3～3.5h，并通过真空蒸馏脱去溶剂，得到聚醚改性有机硅消泡剂。
通过采用上述技术方案，充分利用了有机硅类破泡能力强和聚醚类抑泡能力强的优点，能够制得消泡效力强、相容性好且稳定性强的聚醚改性有机硅消泡剂。采用滴加含氢硅油的方式能使反应体系更加稳定，在0.5～1h内滴加，可以防止含氢硅油大量存在时容易受热歧化产生凝胶；聚醚和硅油比例增大有利于产物的转化率、消泡性和抑泡性，但是，当比例超过1.3时，过多的聚醚在空间中产生空间阻位作用使转化率增幅不大，且没有发生反应的聚醚中双键会发生聚合等副反应，影响反应产物，故控制两者比例为(1.2～1.3)：1较佳。反应温度高于85℃使催化剂具有催化活性，但温度过高会产生凝胶化现象，影响反应产物，故控制反应温度为85～90℃为适宜温度。反应速度初始较慢，由于催化剂活性未完全发挥，但后期会逐渐加快，当反应时间超过3h后反应速度变缓，由此，根据反应产物性能控制反应时间为3～3.5h。
另外，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述高吸水性树脂由高吸水性树脂粉提前加水预处理制成；所述高吸水性树脂粉为聚丙烯酸盐吸水树脂。所述高吸水性树脂可以通过如下步骤预处理得到：按重量份计，向1份高吸水性树脂粉中加入25～30份去离子水，在1000r/min下搅拌5min，得到糊状高吸水性树脂。
较佳地，所述高吸水性树脂粉为聚丙烯酸盐吸水树脂，粒径≤150μm，吸水倍率≥400倍。
由于高吸水性树脂通过预吸水处理吸收了大量的水分，因此当硬化混凝土在低真空环境内干燥失水时，经过预吸水处理的高吸水性树脂可将预吸收的水分逐步释放出来以满足混凝土的后期水化要求，并使混凝土进一步密实。对高吸水性树脂进行预吸水处理时，将所述高吸水性树脂预吸水倍率控制在25倍左右(比如，向1份高吸水性树脂粉中加入25～30份去离子水)，不会影响混凝土的工作性能，在适宜的搅拌速率和时间下可使树脂较均匀分散地吸水；将高吸水性树脂加入混凝土中，当混凝土处于真空干燥环境内，内部水分散失时，所述高吸水性树脂所预吸收的水分会释放，促进水泥进一步水化并填充孔隙，防止混凝土结构在真空环境服役过程中因水分蒸发发生收缩产生缺陷，而导致气密性降低。
由于高吸水性树脂粉的吸水倍率过低时不能充分发挥树脂的内养护作用，在真空干燥环境下也易受干燥影响，故控制其吸水倍率≥400倍。另外，高吸水性树脂粉粒度过大会影响混凝土工作性能，释水后产生的空隙缺陷也大，故控制其粒径≤150μm。
另外，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述羧酸系高效减水剂的减水率≥30％，从而可以改善消泡组分在对混凝土消泡过程中黏度增加的影响。另外，高减水率的羧酸系高效减水剂能够在维持高气密性混凝土坍落度基本不变的条件下，大幅度减少拌合水用量，改善高气密性混凝土拌合物流动性，提高混凝土整体品质。
本申请提供的高气密性混凝土，可使混凝土具有低水胶比、高强度等优点，并能在长期低真空环境中保持高气密性和稳定性，有效解决了传统混凝土在真空管道超高速磁悬浮桥梁上应用的不足和缺陷。
另外，在本发明的技术方案中，还提供了一种高气密性混凝土的制备方法。
图2为本发明实施例中的高气密性混凝土制备方法的流程图。如图2所示，本发明实施例中的高气密性混凝土的制备方法可以包括如下所述步骤：
步骤101：按各组分的重量份数分别计量高气密性混凝土材料的各组分；
步骤102：将骨料和胶凝材料投入强制式搅拌机预拌第一时长，得到混合干料；
步骤103：将水和羧酸系高效减水剂加入所述混合干料中搅拌第二时长；
步骤104：加入特性组分和高吸水性树脂搅拌第三时长至混合均匀；
步骤105：对混凝土进行密实成型和标准养护。
通过采用上述技术方案，利用强制式搅拌机对干料先进行搅拌，后加入水和减水剂，有利于各组分原料混合充分且均匀反应，形成最紧密堆积状态，最后加入特性组分和高吸水性树脂可最大限度降低对混凝土流动性的影响，得到工作性能和力学性能良好的高气密性混凝土。此外，该制备方法操作简单、生产效率高，具有良好的市场应用性。
较佳地，所述第一时长可以是60s，所述第二时长可以是120s，第三时长可以是180s以上。
较佳地，所述特性组分由密实增强粉体、消泡组分和聚合物乳胶粉制成，所述消泡组分可以是聚醚改性有机硅消泡剂，所述聚醚改性有机硅消泡剂的制备方法为：
步骤11：配置氯铂酸-异丙醇催化剂；
步骤12：以甲苯为溶剂，加入烯丙基聚醚，采用滴加方式加入含氢硅油，滴加第四时长，加入所述氯铂酸-异丙醇催化剂，得到混合液；
步骤13：将混合液在氮气气氛中加热至85～90℃，反应3～3.5h；
步骤14：真空蒸馏脱去溶剂，得到聚醚改性有机硅消泡剂。
较佳地，所述甲苯的质量分数为50％；所述第四时长为0.5～1h；所述聚醚和所述硅油的比例为(1.2～1.3)：1。
以下将以具体的几种实现方式为例对本发明的技术方案进行详细的介绍。
制备例1：
一种聚醚改性有机硅消泡剂的制备方法为：
将氯铂酸溶于异丙醇溶液中，配置成40ppm氯铂酸-异丙醇溶液，进行除水处理，得到氯铂酸-异丙醇催化剂；
以50％质量分数的甲苯为溶剂，加入烯丙基聚醚，并采用滴加方式加入含氢硅油，滴加时间为1h，其中聚醚和硅油的比例为1.2：1，并加入所述氯铂酸-异丙醇催化剂，得到混合液；
将混合液在氮气气氛中加热至85～90℃，反应3.5h，并通过真空蒸馏脱去溶剂，得到聚醚改性有机硅消泡剂。
制备例2：
一种聚醚改性有机硅消泡剂的制备方法，与制备例1的区别仅在于，聚醚和硅油的比例为1.4：1。
制备例3：
一种聚醚改性有机硅消泡剂的制备，与制备例1的区别仅在于，将混合液在氮气气氛中加热至110℃。
制备例4：
一种高吸水性树脂的制备方法：
按重量份计，向粒径120μm、吸水倍率700倍的聚丙烯酸盐吸水树脂中加入30份去离子水，在1000r/min下搅拌5min，得到糊状高吸水性树脂。
制备例5：
一种高吸水性树脂的制备方法，与制备例4的区别仅在于，向所述聚丙烯酸盐吸水树脂中加入60份去离子水。
制备例6：
一种高吸水性树脂的制备方法，与制备例4的区别仅在于，向聚丙烯酸盐吸水树脂中加入去离子水后不进行搅拌。
制备例7：
制备一种高气密性混凝土：
S201、按以下重量份数计的组分分别计量混凝土材料的各组分：骨料1600份，胶凝材料1020份，水168份，特性组分28份，高吸水性树脂12.4份和羧酸系高效减水剂23份；
S202、将相应重量份数的骨料和胶凝材料投入强制式搅拌机预拌60s，得到混合干料；
S203、将相应重量份数的水和羧酸系高效减水剂加入混合干料中搅拌120s；
S204、继续加入相应重量份数的特性组分和高吸水性树脂搅拌180s以上至混合均匀；
S205、经密实成型和标准养护可得高气密性混凝土。
制备例8：
一种高气密性混凝土的制备方法，与制备例7的区别仅在于，特性组分和高吸水性树脂与水和羧酸系高效减水剂同时加入到混合干料中搅拌300s。
实施例1
一种高气密性混凝土，通过制备例7的方法制备得到。其中，
骨料包括：粒度20-40目石英砂A、粒度40-70目石英砂B、粒度70-100目石英砂C和平均粒径分布为5～10mm的石灰石；
胶凝材料包括：P.O 42.5普通硅酸盐水泥、I级低钙粉煤灰、S95矿渣粉和粒径为100～200nm和SiO2含量≥96％的硅灰；
特性组分包括：密实增强粉体、消泡组分和聚合物乳胶粉，分别采用纳米SiO2、通过制备例1制备得到的聚醚改性有机硅消泡剂、乙酸乙烯酯与乙烯的共聚物；
高吸水性树脂通过制备例4制备得到；
羧酸系高效减水剂减水率为35％。
各组分具体用量见表1。
实施例2
一种高气密性混凝土，与实施例1的区别在于，各组分用量不同，具体用量见表1。
实施例3
一种高气密性混凝土，与实施例1的区别在于，各组分用量不同，具体用量见表1。
表1实施例1～3中混凝土各组分配比
Figure BDA0003471602370000131
实施例4
一种高气密性混凝土，与实施例2的区别在于，特性组分中的聚醚改性有机硅消泡剂采用制备例2制备得到。
实施例5
一种高气密性混凝土，与实施例2的区别在于，特性组分采用制备例3制备得到的聚醚改性有机硅消泡剂。
实施例6
一种高气密性混凝土，与实施例2的区别在于，高吸水性树脂通过制备例5制备得到。
实施例7
一种高气密性混凝土，与实施例2的区别在于，高吸水性树脂通过制备例6制备得到。
实施例8
一种高气密性混凝土，与实施例2的区别在于，3种石英砂采用同级配石英砂，粒径范围为40-70目。
实施例9
一种高气密性混凝土，与实施例2的区别在于，胶凝材料中按重量份比例计，硅酸盐水泥：粉煤灰：矿渣粉：硅灰＝70:10:5:15。
实施例10
一种高气密性混凝土，与实施例2的区别在于，胶凝材料中按重量份比计，硅酸盐水泥：粉煤灰：矿渣粉：硅灰＝65:10:10:15。
实施例11
一种高气密性混凝土，与实施例2的区别在于，密实增强粉体包括：纳米SiO2和纳米钙基微晶高岭石，二者比例为1:1。
实施例12
一种高气密性混凝土，与实施例2的区别在于，消泡组分的重量份数为12。
实施例13
一种高气密性混凝土，与实施例2的区别在于，聚合物乳胶粉的重量份数为8。
对比例1
一种高气密性混凝土，与实施例2的区别在于，采用等量水泥替代硅灰。
对比例2
一种高气密性混凝土，与实施例2的区别在于，未添加密实增强粉体。
对比例3
一种高气密性混凝土，与实施例2的区别在于，未添加消泡组分。
对比例4
一种高气密性混凝土，与实施例2的区别在于，未添加聚合物乳胶粉。
对比例5
一种高气密性混凝土，与实施例2的区别在于，未添加高吸水性树脂。
对比例6
一种高气密性混凝土，与实施例2的区别在于，高吸水性树脂未经过预吸水处理。
对比例7
一种高气密性混凝土，与实施例2的区别在于，高吸水性树脂的重量份数为31。
对比例8
一种高气密性混凝土，与实施例2的区别在于，其由骨料、胶凝材料、特性组分、高吸水性树脂、水和羧酸系高效减水剂通过制备例8方式制备得到。
养护方式：根据GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》对混凝土进行标准养护28d，养护完成后，部分试件进行试验，另一部分试件移入真空养护箱，在(100～500)Pa环境下继续养护28d后进行试验。
试验方法：
(1)抗压强度试验：根据GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》对不同养护条件下的混凝土试件进行抗压强度试验。
(2)气体渗透性试验：目前暂未有针对低真空环境混凝土气体渗透性标准试验方法，参考JTJ 270-1998《水运工程混凝土试验规程》和达西公式，采用气体渗透系数测试装置测试混凝土气体渗透系数，具体试验方法如下：
采用直径为100mm，高为50mm的圆柱体混凝土试件，用研磨机对达到养护龄期的混凝土试件上下表面研磨5min以上，磨去表面浆体，采用环氧树脂固化密封混凝土侧面，将密封完成的试件下底面放置在橡胶圈上，拧紧螺丝使橡胶圈与环氧树脂层完全接触密封，并在试件边缘四周涂上真空硅脂胶，关闭进气阀门，开启抽气阀门，打开并调节真空泵至(100±10)Pa，待真空表的示数稳定后将抽气阀门关闭，立即观测真空表数据变化情况并记录20min以上，采用以下公式计算气体渗透系数k：
Figure BDA0003471602370000161
其中，η为气体动力粘度，取17.9×10-6Pa·s；L为试件厚度，单位为m；VL为低气压真空区体积，单位为m3；A为试件渗透区域面积，单位为m2；PH为常压大气压，取101kPa；PL为低压区气压。
表2各实施例和对比例的试验结果
Figure BDA0003471602370000162
Figure BDA0003471602370000171
结合实施例1～3试验结果可以看出，在本发明各组分范围内的混凝土都具有较高的抗压强度和高气密性，且在28d低真空环境下性能还在逐步提升。
结合实施例2、11和对比例2试验结果可以看出特性组分中密实增强粉体的添加可显著改善混凝土的抗压强度和气密性，纳米SiO2和纳米钙基微晶高岭石对混凝土性能提升都具有较好的效果。
结合实施例2、4、5、12和对比例3试验结果可以看出，特性组分中消泡组分的添加可显著改善混凝土的抗压强度和气密性，但掺量过大反而会适当降低抗压强度，影响气体渗透性；同时，采用本发明中聚醚改性有机硅消泡剂具有最佳效果，但需要注意制备时聚醚与硅油的比例和反应的温度条件。
结合实施例2、13和对比例4试验结果可以看出，特性组分中聚合物乳胶粉的添加可显著改善混凝土的抗压强度和气密性，但掺量过大也会适当降低抗压强度，影响气体渗透性。
结合实施例2和对比例5～7试验结果可以看出，未添加高吸水性树脂或未进行预吸水组混凝土在低真空环境下养护28d后气体渗透系数有所升高，说明高吸水性树脂的添加对混凝土低真空环境下的气密性有着显著影响；由对比例7掺量超过本发明范围内时，树脂释水后形成的缺陷使混凝土抗压强度反而降低，影响混凝土力学性能。结合实施例2、6、7试验结果可以看出，高吸水性树脂通过本发明合适的预吸水量和搅拌方式进行预处理，配置的混凝土抗压强度较高，低真空环境下改善混凝土气密性的效果也更显著。
结合实施例2和实施例8试验结果可以看出，采用级配相同的石英砂所制得的混凝土抗压强度和气密性相对较差；同理，结合实施例2和对比例1试验结果看出，将硅灰完全由水泥取代制得的混凝土抗压强度和气密性也非常差，这是由于混凝土内部组分已经不是最密堆积状态，孔隙存在过多。
结合实施例2、9、10可以看出，胶凝材料以本发明中合理的组分配置，可以获得最密实堆积状态，真空环境下混凝土抗压强度和气密性也较好。
综上所述，在本发明的技术方案中，运用密实堆积理论和特性组分协同工作原理，将骨架支撑体系、硬化浆体填充体系、浆料界面连接和孔隙填充体系三者结合。通过密实增强粉体、消泡组分、聚合物乳胶粉三种特性组分协同作用，充分改善硬化混凝土孔隙结构，减小孔隙和强化气泡空腔，阻碍气体渗透路径，提高混凝土气密性；采用高吸水性树脂预吸水处理，保证混凝土在长期低真空环境水化的进行，减少收缩和干燥失水造成的缺陷，有利于防止气密性降低；从而优化了混凝土组成和微观孔隙结构，能够以低水胶比配置满足拌合物工作性能和基本力学性能的同时，还具有优异的气密性和长期低真空环境下的稳定性，为真空管道磁悬浮桥梁的建设提供一定的保障。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (18)

1.一种高气密性混凝土，其特征在于，包括以下重量份数计的组分：骨料1600～1700份，胶凝材料1020～1080份，水168～190份，特性组分28-34份，高吸水性树脂12.4～18.6份和羧酸系高效减水剂23～25份；
所述骨料包括：石英砂和石灰石；
所述胶凝材料包括：硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣粉和硅灰；
所述特性组分包括：密实增强粉体、消泡组分和聚合物乳胶粉。
2.根据权利要求1所述的高气密性混凝土，其特征在于，所述密实增强粉体包括：纳米SiO2和/或纳米钙基微晶高岭石；所述消泡组分是聚醚改性有机硅消泡剂；所述聚合物乳胶粉是乙酸乙烯酯与乙烯的共聚物。
3.根据权利要求1所述的高气密性混凝土，其特征在于，所述特性组分中的各组分重量份比例为，密实增强粉体：消泡组分：聚合物乳胶粉＝21:6:4。
4.根据权利要求1所述的高气密性混凝土，其特征在于，所述骨料中的各组分重量份比例为，石英砂：石灰石＝42:58。
5.根据权利要求1所述的高气密性混凝土，其特征在于，所述石英砂包括：粒度为20-40目的石英砂A、粒度为40-70目的石英砂B和粒度为70-100目的石英砂C；按重量份比计，石英砂A：石英砂B：石英砂C＝2:3:5。
6.根据权利要求1所述的高气密性混凝土，其特征在于，所述石灰石平均粒径分布为5～10mm。
7.根据权利要求1所述的高气密性混凝土，其特征在于，所述胶凝材料中的各组分重量份比例为，硅酸盐水泥：粉煤灰：矿渣粉：硅灰＝65:10:5:20。
8.根据权利要求7所述的高气密性混凝土，其特征在于，所述硅酸盐水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为I级低钙粉煤灰；所述矿渣粉为S95矿渣粉。
9.根据权利要求1所述的高气密性混凝土，其特征在于，所述硅灰粒径为100～200nm，SiO2含量≥96％。
10.根据权利要求1所述的高气密性混凝土，其特征在于，所述羧酸系高效减水剂的减水率≥30％。
11.根据权利要求1所述的高气密性混凝土，其特征在于，所述高吸水性树脂由高吸水性树脂粉提前加水预处理制成；所述高吸水性树脂粉为聚丙烯酸盐吸水树脂。
12.根据权利要求11所述的高气密性混凝土，其特征在于，所述聚丙烯酸盐吸水树脂，其粒径≤150μm，吸水倍率≥400倍。
13.根据权利要求1所述的高气密性混凝土，其特征在于，所述高气密性混凝土包括以下重量份数计组分：
骨料1650份，胶凝材料1050份，水175份，特性组分31份，高吸水性树脂15.5份，羧酸系高效减水剂24份。
14.一种权利要求1～13中任一项所述的高气密性混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下所述步骤：
按各组分的重量份数分别计量高气密性混凝土材料的各组分；
将骨料和胶凝材料投入强制式搅拌机预拌第一时长，得到混合干料；
将水和羧酸系高效减水剂加入所述混合干料中搅拌第二时长；
加入特性组分和高吸水性树脂搅拌第三时长至混合均匀；
对混凝土进行密实成型和标准养护。
15.根据权利要求14所述的高气密性混凝土的制备方法，其特征在于，所述第一时长是60s，所述第二时长是120s，第三时长是180s以上。
16.根据权利要求14所述的高气密性混凝土的制备方法，其特征在于，所述所述特性组分由密实增强粉体、消泡组分和聚合物乳胶粉制成，所述消泡组分是聚醚改性有机硅消泡剂；
所述聚醚改性有机硅消泡剂的制备方法为：
配置氯铂酸-异丙醇催化剂；
以甲苯为溶剂，加入烯丙基聚醚，采用滴加方式加入含氢硅油，滴加第四时长，加入所述氯铂酸-异丙醇催化剂，得到混合液；
将混合液在氮气气氛中加热至85～90℃，反应3～3.5h；
真空蒸馏脱去溶剂，得到聚醚改性有机硅消泡剂。
17.根据权利要求16所述的高气密性混凝土的制备方法，其特征在于，所述甲苯的质量分数为50％；所述第四时长为0.5～1h。
18.根据权利要求16所述的高气密性混凝土的制备方法，其特征在于，所述聚醚和所述硅油的比例为(1.2～1.3)：1。
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