CN115259791B - 一种火山灰基耐酸混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及混凝土技术领域，具体公开了一种火山灰基耐酸混凝土及其制备方法。一种火山灰基耐酸混凝土的原料包括水、水泥、超细粉煤灰、石英砂、石英石、硅酸钾、激发剂、玄武岩纤维、纳米SiO₂、聚电解质水凝胶、其制备方法为：将纤维、纳米SiO₂、聚电解质水凝胶搅拌均匀，纳米SiO₂均匀分散在聚电解质水凝胶内部，烘干后，纤维表面均匀包裹聚电解质水凝胶，再将与干拌物与水一起拌合，使得纤维均匀分散在混凝土中。得到的混凝土内部密实耐酸性能好、强度高。

Description

一种火山灰基耐酸混凝土及其制备方法

技术领域

本申请涉及混凝土技术的领域，更具体地说，它涉及一种火山灰基耐酸混凝土及其制备方法。

背景技术

混凝土是一种最为常用的建筑材料，由胶凝材料将集料胶结成整体的工程复合材料，一般都是用水泥作为胶凝材料，砂、石作集料，与水(可含外加剂和掺合料)按一定比例配合经搅拌而得，广泛应用于土木工程，但其服役环境纷繁复杂，众多构筑物在酸性环境下进行服役，酸性介质对混凝土中的碱性化合物存在腐蚀，无机酸、有机酸等有害介质对混凝土材料的耐久性影响巨大。

现有耐酸混凝土一般采用耐酸粉料、钠(钾)水玻璃、耐酸粗细骨料和固化剂按一定比例在现场拌制后施工，但这种材料特性和施工工艺方面存在以下缺陷：a、由于钠水玻璃比较粘稠，在搅拌混凝土的过程中容易和耐酸粉料和耐酸细骨料形成粘黏球状，从而大大影响了耐酸混凝土的和易性，降低了耐酸混凝土的施工性；b、水玻璃类耐酸混凝土对施工环境温度要求太过于苛刻，按照GB 50212-2014《建筑防腐蚀工程施工规范》要求：水玻璃类耐酸混凝土工程施工温度宜为15℃-30℃，钠水玻璃耐酸混凝土不应低于15℃，钾水玻璃耐酸混凝土不应低于20℃，当施工环境温度低于20℃时，混凝土凝结时间长且强度低；当施工环境温度高于30℃时，混凝土凝结时间极短而造成施工异常困难；因此现需一种施工方便耐酸性能良好的混凝土。

发明内容

为了解决现有耐酸混凝土材料施工不便的问题，本申请提供一种火山灰基耐酸混凝土及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种火山灰基耐酸混凝土，采用如下的技术方案：

一种火山灰基耐酸混凝土，包括如下重量份的原料制成：

水60-75份；

水泥30-40份

超细粉煤灰130-150份；

石英砂285-300份；

石英石450-465份；

硅酸钾4-6份；

激发剂1-3份；

纤维5-15份；

纳米SiO₂10-30份；

聚电解质水凝胶10-30份；

所述纳米SiO₂分散在所述聚电解质水凝胶内，所述聚电解质水凝胶包裹在所述纤维表面。

通过采用上述技术方案，本申请采用超细粉煤灰，粉煤灰进行超细粉磨后，能够充分发挥“微集料”效应，填充水泥浆体的孔隙与水泥水化产物Ca(OH)₂发生二次火山灰产生有利于密实浆体结构的CSH凝胶，且超细粉煤灰具有“破壁重组”特性，粉煤灰被超细粉磨后颗粒内部所包裹的更细小的微珠释放出来，这些细小的微珠在激发剂的作用下“重新组合”生成致密的强度晶体，其中除了玻璃相以外，还会有惰性的纳米级石英、莫来石纤维状微晶，改善浆体的密实度，增强浆体的抗渗性，延缓H+等腐蚀性物质的渗入；同时，骨料采用石英砂和石英石，石英砂、石英石质地坚硬、耐磨、化学性质稳定，成分为SiO₂耐酸性能优越，进而保证混凝土结构的整体耐酸性；硅酸钾(K2SiO3)的加入，能够填补混凝土内部水化凝结后有少量游离水蒸发排出形成的毛细通道，进一步提升混凝土的耐酸性能，进一步提高了火山灰基混凝土的耐酸性能；分散有纳米SiO₂的聚电解质水凝胶包裹在纤维表面，纤维填补在混凝土间隙内后，水凝胶吸水溶胀填充水泥基体间隙，且使得聚电解质水凝胶内部的纳米SiO₂均匀分散在混凝土间隙内，纳米SiO₂对水泥水化反应的促进作用，使混凝土水化凝胶体含量更高，改善聚电解质水凝胶内部结构，使得混凝土孔隙更密实，聚电解质水凝胶填充水泥基体内部缝隙提高混凝土的密实性、提高火山灰基混凝土的渗透能力以及耐酸性能的同时，纳米SiO₂增强聚电解质水凝胶与水泥基体的粘结性，与纤维共同作用提高混凝土抗压抗折性能，本申请提供一种力学性能良好的耐酸混凝土。

优选的，所述聚电解质水凝胶为Ph敏感型水凝胶。

通过采用上述技术方案，Ph敏感型水凝胶对Ph变化极具敏感性，在混凝土持续实用过程中，当混凝土收到酸性侵蚀使得混凝土内部Ph降低时，这类水凝胶中含有酸(碱)性基团能重新结合体系内的氢离子或者发生电离，导致凝胶大分子链之间的静电排斥力发生改变，从而致使水凝胶的体积变化，Ph敏感型水凝胶体积变化进一步填充水泥基体内部孔隙，使得Ph敏感型水凝胶内部的纳米SiO₂进一步填充间隙并发挥作用，进一步提升水泥基体的密实性能，阻止酸性离子侵入，进而提升混凝土的耐酸性能。

优选的，所述聚电解质水凝胶为羧甲基壳聚糖水凝胶。

通过采用上述技术方案，采用羧甲基壳聚糖水凝胶表面含有大量羧基以及氨基，易与纳米SiO₂表面的硅羟基反应使得纳米SiO₂在聚电解质水凝胶内分布更稳定，使用得到混凝土综合性能最佳。

优选的，所述纳米SiO₂为表面改性纳米SiO₂，由如下方法制得：将二氧化硅、无水乙醇以及乙烯基三乙氧基硅烷置于三颈烧瓶中搅拌均匀，并加入稀盐酸调节Ph至4～5，在 45℃～65℃下反应回流反应1～2h，冷却抽滤得到表面改性纳米SiO₂。

通过采用上述技术方案，由于纳米二氧化硅微粒表面存在不饱和的残键及硅羟基基团，因而表面呈亲水性、极性强，容易吸水形成分子间的作用力很强的相互联结成立体网状结构，所以纳米二氧化硅微粒易于发生团聚，不利于在聚电解质水凝胶中的分散，因此，利用乙烯基三乙氧基硅烷对纳米SiO₂微粒的表面进行改性，使得乙烯基三乙氧基硅烷上的双键与纳米SiO₂表面的羟基反应，将乙烯基三乙氧基硅烷长链接枝在纳米SiO₂表面，降低纳米SiO₂表面的羟基浓度，从而有效地阻止了纳米微粒的团聚，以提高其分散稳定性，使得纳米SiO₂均匀分散在聚电解质水凝胶中。

优选的，所述纤维可以为玄武岩纤维、聚丙烯纤维以及钢纤维中的一种或多种。

通过采用上述技术方案，通过采用上述技术方案，聚电解质水凝胶包裹在纤维表面，纤维有助于提高聚电解质水凝胶的力学性能，且包裹聚电解质水凝胶的纤维拌合分散在混凝土中填充混凝土孔隙内后，聚电解质水凝胶溶胀进一步填充纤维周围与混凝土之间的孔隙提高混凝土的密实性能。

优选的，所述纤维为玄武岩纤维。

通过采用上述技术方案，玄武岩纤维具有高弹性模量，使其在混凝土基体内的分布更密集，能够更大程度地抑制混凝土内部裂缝的产生和发展，且玄武岩纤维为亲水性纤维与聚电解质水凝胶的黏结强度更高，能够显著提高混凝土的抗压强度。

优选的，所述激发剂由纯碱以及硅酸钠按照1:1复配得到。

通过采用上述技术方案，纯碱(NaCO₃)和硅酸钠(NaSiO₂)的组合能最大限度的激发矿渣粉煤灰的活性。

第二方面，本申请提供一种火山灰基耐酸混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：

一种火山灰基耐酸混凝土的制备方法，制备步骤如下：

S1：将纤维、纳米SiO₂、聚电解质水凝胶搅拌均匀后烘干，得到被均匀分散有表面改性纳米SiO₂的聚电解质水凝胶均匀包裹的纤维；

S2：将水泥、超细粉煤灰、激发剂、石英砂以及石英石混合搅拌均匀；

S3：将水、硅酸钾以及S1中的纤维倒入S2中，搅拌均匀。

通过采用上述技术方案，纤维、纳米SiO₂、聚电解质水凝胶搅拌均匀，纳米SiO₂均匀分散在聚电解质水凝胶内部，烘干后，纤维表面均匀包裹聚电解质水凝胶，再将与干拌物和水一起拌合，使得纤维均匀分散在混凝土中。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、由于本申请采用超细粉煤灰取代水泥，骨料采用石英砂和石英石，混凝土中拌合纤维材料，且分散有纳米SiO₂的聚电解质水凝胶包裹在纤维表面，纤维填补在混凝土间隙内后，水凝胶吸水溶胀填充水泥基体间隙，且使得聚电解质水凝胶内部的纳米SiO₂均匀分散在混凝土间隙内，纳米SiO₂对水泥水化反应的促进作用，使混凝土水化凝胶体含量更高，改善聚电解质水凝胶内部结构，且使得混凝土孔隙更密实，聚电解质水凝胶填充水泥基体内部缝隙提高混凝土的密实性、提高火山灰基混凝土的渗透能力以及耐酸性能的同时，纳米SiO₂增强聚电解质水凝胶与水泥基体的粘结性，与纤维共同作用提高混凝土抗压抗折性能，本申请提供一种力学性能良好的耐酸混凝土。

2、本申请中优选采用羧甲基壳聚糖水凝胶以及表面改性纳米SiO₂，乙烯基三乙氧基硅烷对纳米SiO₂微粒的表面进行改性，将乙烯基三乙氧基硅烷长链接枝在纳米SiO₂表面，降低纳米SiO₂表面的羟基浓度，有效地阻止了纳米微粒的团聚，提高其分散稳定性，使得纳米SiO₂均匀分散在聚电解质水凝胶中，羧甲基壳聚糖水凝胶表面含有大量羧基以及氨基，易与表面改性纳米SiO₂表面的硅羟基反应使得纳米SiO₂在聚电解质水凝胶内更稳定，使用得到混凝土综合性能最佳。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明，本申请实施例中原料除特殊说明外，均可通过市售获得。

水泥：P·O42.5硅酸盐水泥；

超细粉煤灰：1μm～10μm；

石英石：粒径5～20mm；

石英砂：10-40目：

表面改性纳米SiO₂由如下制备方法制备：

将无水乙醇以及乙烯基三乙氧基硅烷按照体积比为2:1混合，加入一定量二氧化硅置于三颈烧瓶中搅拌均匀，并加入0.1mol/L的稀盐酸调节Ph至4.5±0.1，在50℃下反应回流反应2h，冷却抽滤得到表面改性纳米SiO₂。

实施例

实施例1

一种火山灰基耐酸混凝土，由如下重量的原料制成：水67kg；水泥35kg；超细粉煤灰 140kg；石英砂291kg；石英石459kg；硅酸钾5kg；NaCO₃1kg；NaSiO₂1kg；玄武岩纤维 10kg；表面改性纳米SiO₂15kg；羧甲基壳聚糖水凝胶20kg。

一种火山灰基耐酸混凝土的制备方法包括以下步骤：

S1：将玄武岩纤维、表面改性纳米SiO₂、羧甲基壳聚糖水凝胶搅拌均匀后烘干，得到被均匀分散有表面改性纳米SiO₂的羧甲基壳聚糖水凝胶包裹的玄武岩纤维；

S2：将水泥、超细粉煤灰、纯碱、硅酸钠、石英砂以及石英石混合搅拌均匀；

S3：将水、硅酸钾以及S1中的纤维倒入S2中，搅拌均匀。

实施例2-3

一种火山灰基耐酸混凝土，与实施例1的不同之处在于，其原料各组分及其相应的重量份数如表1所示。

表1实施例1-3中各原料及其重量(kg)

组分	实施例1	实施例2	实施例3
				水	67	60	75
水泥	35	30	40
				超细粉煤灰	140	130	150
石英砂	291	285	300
				石英石	459	450	465
硅酸钾	5	4	6
				NaCO3	1	0.5	1.5
NaSiO2	1	0.5	1.5
				纤维	10	5	15
纳米SiO2	15	10	30
				羧甲基壳聚糖水凝胶	20	10	30

实施例4

一种火山灰基耐酸混凝土，与实施例1不同之处在于，由如下重量的原料制成：水67kg；水泥35kg；超细粉煤灰140kg；石英砂291kg；石英石459kg；硅酸钾5kg；NaCO₃2kg；玄武岩纤维10kg；表面改性纳米SiO₂15kg；羧甲基壳聚糖水凝胶20kg。

实施例5

一种火山灰基耐酸混凝土，与实施例1不同之处在于，由如下重量的原料制成：水67kg；水泥35kg；超细粉煤灰140kg；石英砂291kg；石英石459kg；硅酸钾5kg；NaSiO₂2kg；玄武岩纤维10kg；表面改性纳米SiO₂15kg；羧甲基壳聚糖水凝胶20kg。

实施例6

一种火山灰基耐酸混凝土，与实施例1不同之处在于，由如下重量的原料制成：水67kg；水泥35kg；超细粉煤灰140kg；石英砂291k；石英石459kg；硅酸钾5kg；NaCO₃1kg；NaSiO₂1kg；聚丙烯纤维10kg；表面改性纳米SiO₂15kg；羧甲基壳聚糖水凝胶20kg。

实施例7

一种火山灰基耐酸混凝土，与实施例1不同之处在于，由如下重量的原料制成：水67kg；水泥35kg；超细粉煤灰140kg；石英砂291k；石英石459kg；硅酸钾5kg；NaCO₃1kg；NaSiO₂1kg；钢纤维10kg；表面改性纳米SiO₂15kg；羧甲基壳聚糖水凝胶20kg。

实施例8

一种火山灰基耐酸混凝土，与实施例1的不同之处在于，由以下步骤制备：

S1：将水泥、超细粉煤灰、纯碱、硅酸钠、石英砂以及石英石混合搅拌均匀；

S2：将水、纤维、纳米SiO₂、羧甲基壳聚糖水凝胶以及硅酸钾加入S1中搅拌均匀。

对比例

对比例1

一种火山灰基耐酸混凝土，与实施例1的不同之处在于，水67kg；水泥35kg；超细粉煤灰 140kg；石英砂291kg；石英石459kg；硅酸钾5kg；NaCO₃1kg；NaSiO₂1kg。

对比例2

一种火山灰基耐酸混凝土，与实施例1的不同之处在于，水67kg；水泥35kg；超细粉煤灰 140kg；石英砂291kg；石英石459kg；硅酸钾5kg；NaCO₃1kg；NaSiO₂1kg；玄武岩纤维10kg；纳米SiO₂15kg；羧甲基壳聚糖水凝胶20kg。

对比例3

一种火山灰基耐酸混凝土，与对比例2的不同之处在于，由以下步骤制备：

S1：将水泥、超细粉煤灰、纯碱、硅酸钠、石英砂以及石英石混合搅拌均匀；

S2：将水、纤维、纳米SiO₂、羧甲基壳聚糖水凝胶以及硅酸钾加入S1中搅拌均匀。

性能检测试验

1、抗压强度测试：对实施例1-8及对比例1-3制得的混凝土进行14d抗压强度测试，根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019)，对立方体试样进行抗压强度试验。

2、抗折强度：对实施例1-8及对比例1-3制得的混凝土进行抗折强度测试，根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019)，对立方体试样进行抗压强度试验。

3、耐酸性能测试：对实施例1-8及对比例1-3制得的混凝土进行抗压强度测试，采用 99.5％的浓醋酸配制pH＝3的酸性溶液进行酸侵蚀试验,在侵蚀过程中,为保持溶液浓度的稳定性,每隔7d调整1次浸泡溶液浓度,调整之前测量浸泡溶液的pH值,每隔30d更换1次浸泡溶液,浸泡周期为60d，将醋酸溶液侵蚀60d后的试块取出,擦去表面水分并按照抗压强度测试方法进行抗压强度试验，以14d抗压强度为初始值计算抗压强度损失量。

表2

结合实施例1-3和实施例4和实施例5并结合表2可以看出，实施例4以及实施例5中抗压强度以及抗折强度低于实施例1-3，表明以纯碱以及硅酸钠复配得到的激发剂能够充分激发超细粉煤灰的活性，提高混凝土的抗压强度以及抗折强度。

结合实施例1-3和实施例6和实施例7并结合表2可以看出，采用玄武岩纤维的实施例1-3的抗压强度以及抗折强度高于采用聚丙烯纤维的实施例6以及采用钢纤维的实施例7，由于玄武岩纤维为亲水性纤维与聚电解质水凝胶的黏结强度更高，因此与羧甲基壳聚糖水凝胶使用能够显著提高混凝土的抗压强度。

结合实施例1-3和对比例1以及对比例2并结合表2可以看出，对比例1中强度损失量明显高于实施例1-3，表明纳米SiO₂均匀分散在混凝土间隙内，纳米SiO₂对水泥水化反应的促进作用，使混凝土水化凝胶体含量更高，改善聚电解质水凝胶内部结构使得混凝土孔隙更密实，进而提高混凝土的耐酸性能；且对比例2中强度瞬时量高于对比例1表明表面改性纳米SiO₂与胶凝材料的复配使用，改性纳米SiO₂能够均匀且稳定分散在聚电解质水凝胶中，提高混凝土内部的密实性能效果更好，混凝土的耐酸性能更优。

结合实施例1-3和实施例8以及对比例3并结合表2可以看出，实施例8以及对比例3的强度损失量均大于实施例1-2，表明在混凝土制备步骤中，首先将玄武岩纤维、表面改性纳米SiO₂、羧甲基壳聚糖水凝胶搅拌均匀，使得玄武岩纤维表面均匀包裹分散有表面改性纳米SiO₂的羧甲基壳聚糖水凝胶，将纤维拌入混凝土中后，能够使得羧甲基壳聚糖水凝胶膨胀填满孔隙进而使得表面改性纳米SiO₂均匀分散在空隙中发挥作用，提高混凝土的密实性能以及强度性能，提高的耐酸性能。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (3)

1.一种火山灰基耐酸混凝土，其特征在于，包括如下重量份的原料制成：

水60-75份；

水泥30-40份

超细粉煤灰130-150份；

石英砂285-300份；

石英石450-465份；

硅酸钾4-6份；

激发剂1-3份；

纤维5-15份；

纳米SiO₂10-30份；

聚电解质水凝胶10-30份；

所述纳米SiO₂分散在所述聚电解质水凝胶内，所述聚电解质水凝胶包裹在所述纤维表面；

所述聚电解质水凝胶为羧甲基壳聚糖水凝胶；

所述纤维为玄武岩纤维；

所述纳米SiO₂为表面改性纳米SiO₂，由如下方法制得：将二氧化硅、无水乙醇以及乙烯基三乙氧基硅烷置于三颈烧瓶中搅拌均匀，并加入稀盐酸调节pH至4~5，在45℃~65℃下回流反应1~2h，冷却抽滤得到表面改性纳米SiO₂；

一种火山灰基耐酸混凝土的制备步骤如下：

S1：将纤维、纳米SiO₂、聚电解质水凝胶搅拌均匀后烘干，得到被均匀分散有表面改性纳米SiO₂的聚电解质水凝胶均匀包裹的纤维；

S2：将水泥、超细粉煤灰、激发剂、石英砂以及石英石混合搅拌均匀；

S3：将水、硅酸钾以及S1中的纤维倒入S2中，搅拌均匀。

2.根据权利要求1所述的一种火山灰基耐酸混凝土，其特征在于：所述激发剂由纯碱以及硅酸钠按照1:1复配得到。

3.如权利要求1-2任一所述的一种火山灰基耐酸混凝土的制备方法，其特征在于：制备步骤如下：

S1：将纤维、纳米SiO₂、聚电解质水凝胶搅拌均匀后烘干，得到被均匀分散有表面改性纳米SiO₂的聚电解质水凝胶均匀包裹的纤维；

S2：将水泥、超细粉煤灰、激发剂、石英砂以及石英石混合搅拌均匀；

S3：将水、硅酸钾以及S1中的纤维倒入S2中，搅拌均匀。