CN115304325A - 一种防开裂耐腐蚀的海洋混凝土 - Google Patents

一种防开裂耐腐蚀的海洋混凝土 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防开裂耐腐蚀的海洋混凝土，其特征在于，包括按以下重量份数配比的成分：水泥55‑60份，粉煤灰20‑25份，矿渣粉25‑40份，粗骨料195‑205份，细骨料272‑322份，减水剂1‑3份，水30‑45份，PMMA包覆二氧化钛纳米颗粒3‑7份，所述PMMA包覆二氧化钛纳米颗粒的粒径为30‑80nm。本发明的海洋混凝土抗开裂、耐腐蚀性能优异。

Description

一种防开裂耐腐蚀的海洋混凝土
技术领域
本发明涉及海洋混凝土技术领域，尤其是一种防开裂耐腐蚀的海洋混凝土。
背景技术
海洋混凝土又称海工混凝土，是海洋工程所用的一种混凝土。具体的，如海岸工程、近海工程、海洋平台、海底构筑物、跨海大桥、以及经常受到浪花溅击的岸结构等所用混凝土。
而海洋工程，由于长期受到氯盐的腐蚀，容易导致海洋混凝土被氯离子渗透，而出现裂缝产生开裂，使得钢筋暴露被锈蚀降低使用寿命。现有技术中的海洋混凝土，其原料多为水泥、砂石经搅拌混合脱模成型的，其表面以及内部存在较大较大的孔隙，导致其非常容易被渗透腐蚀。现有技术中，为了改善混凝土的开裂防腐性能，会采用在混凝土表面涂防腐涂料，以形成疏水膜，起到阻隔效果。但随着海水的冲刷以及涂层的脱落，防腐涂层的防腐耐久性不长，需要隔几年就要重新补刷或重新涂，其抗裂、耐腐蚀性能较差。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种防开裂耐腐蚀的海洋混凝土。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种防开裂耐腐蚀的海洋混凝土，其特征在于，包括按以下重量份数配比的成分：
水泥 55-60份，
粉煤灰 20-25份，
矿渣粉 25-40份，
粗骨料 195-205份，
细骨料 272-322份 ，
减水剂 1-3份，
水 30-45份，
PMMA包覆二氧化钛纳米颗粒 3-7份，所述PMMA包覆二氧化钛纳米颗粒的粒径为30-80nm。
上述结构中，PMMA包覆二氧化钛纳米颗粒粒径在30-80纳米，作为增强材料填充于海洋混凝土中的孔隙中，起到粘结作用，提高了混凝土整体的韧性，降低了混凝土的孔隙率，有效提高其抗裂、耐腐蚀性能。
进一步的，所述纳米颗粒的外层厚度为15-60nm，PMMA包覆二氧化钛纳米颗粒的内层厚度为15-22nm。
上述结构中，PMMA包覆于二氧化钛外层，起到缓冲粘结的作用，同时二氧化钛内核层需要一定的厚度来提升混凝土的结构强度。
进一步的，所述PMMA包覆二氧化钛纳米颗粒的外层厚度与PMMA包覆二氧化钛纳米颗粒的内层厚度比为3:1-1:1。
上述结构中，当PMMA层和二氧化钛层的厚度比在2:1时，达到最佳的抗裂、耐腐蚀效果。
进一步的，所述PMMA包覆二氧化钛纳米纳米颗粒的原料包括按质量比为4:1-1:1的PMMA和纳米二氧化钛。
进一步的，所述粉煤灰的密度为2.4g/cm³，比表面积为455㎡/kg，所述矿渣粉的密度为2.8g/cm³，比表面积为500m²/kg。
进一步的，所述粗骨料为碎石，碎石粒径为5-20mm，连续级配，所述细骨料为砂子，砂子细度模数为2.5。
另一方面，本发明还提供了一种制备如上的防开裂耐腐蚀的海洋混凝土的制备方法，其包括以下步骤：①制备纳米颗粒：将4-5份二氧化钛加入100份乙二醇中超声处理15min，离心取上清液后得到胶体溶液，于胶体溶液加入聚乙烯醇后，胶体溶液与聚乙烯醇的质量比为1:1-1:2，经生物膜孔过滤，超声离心处理3min，取上清液，得到含有纳米二氧化钛颗粒的溶液，将该溶液蒸发得到纳米二氧化钛颗粒；
②将1-4份PMMA溶解于35-50份DMF溶剂中形成混合液，然后将1-2份纳米二氧化钛颗粒加入混合液中，搅拌均匀，然后加入分散剂分散均匀，持续搅拌，自然冷却沉降，得到含有PMMA包覆纳米二氧化钛颗粒的溶液，将该溶液经蒸馏去除溶剂，并经清洗沉降，减压抽滤烘干后，制得PMMA包覆二氧化钛的纳米颗粒；③将该纳米颗粒进行研磨至粒径为30-80nm；
④按比例称量水泥、粉煤灰、矿渣粉、粗骨料、细骨料、减水剂、水后，将水泥、粉煤灰、矿渣粉、粗骨料、细骨料、加入搅拌机预搅拌30s 后，加入减水剂、水、PMMA包覆纳米二氧化钛颗粒后搅拌90-120s后形成混凝土，将混凝土装入模具中，最后将模具中的混凝土振实成型。
上述结构中，纳米二氧化钛溶于乙醇经超声形成胶体溶液，胶体溶液加入聚乙烯醇后，对其未固化的形态大小先进行过滤，使其最后成型的二氧化钛颗粒形状更圆同时粒径更均匀，保证纳米增强材料在对混凝土结构强度上具有更稳定均衡的支撑力，PMMA包覆于二氧化钛表面之外后经球磨达到目标粒径，然后将各成分制成混凝土。
进一步的，所述步骤①中生物膜孔径为10-50，生物膜孔径比蒸发得到纳米二氧化钛颗粒的平均粒径小5-10nm。
在制备纳米二氧化钛颗粒时，通过生物膜过滤，可以制得粒径均匀且粒径可控的颗粒，但由于经生物膜过滤之后，胶体溶液未成形固化，会存在扩大的情况，故可通过控制生物膜孔径偏小的方式得到目标粒径。
进一步的，所述步骤③中将纳米颗粒经初次球磨15min，初次球磨转速为1000-1500r/min，然后加入乙醇，经二次球磨30min，二次球磨转速为6500-7000r/min。
上述结构中，当PMMA层包覆于二氧化钛层之外后，通过初次球磨使得颗粒外观更贴近球状，有助于颗粒之间的均匀排列，若纳米颗粒存在较大异形颗粒，会导致颗粒粒径过大或不均，而当其填充于混凝土的空隙中后，对于降低混凝土空隙率的效益就起不到有效的改善；通过初次球磨，使其形状更接近球形，再经二次球磨使得粒径均匀达到目标所需的粒径，加入乙醇二次静磨时，可以使得球形颗粒表面更为光滑，若表面存在较多凹凸不平，会使得其表面容易受侵蚀而降低使用寿命。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
具体实施方式
本发明下述的是防开裂耐腐蚀的海洋混凝土，其按以下重量份数配比配置其各成分：
水泥 55-60份，P.O42.5硅酸盐水泥，
粉煤灰 20-25份，密度为2.4g/cm³，比表面积为455㎡/kg，
矿渣粉 25-40份，密度为2.8g/cm³，比表面积为500m²/kg，
粗骨料 195-205份，粗骨料为碎石，碎石粒径为5-20mm，连续级配，
细骨料 272-322份 ，细骨料为砂子，砂子细度模数为2.5，
减水剂 1-3份，聚羧酸减水剂，减水率为25%，
水 30-45份，
PMMA包覆二氧化钛纳米颗粒 3-7份，PMMA包覆二氧化钛纳米颗粒的粒径为30-80nm。纳米颗粒的外层厚度为15-60nm，PMMA包覆二氧化钛纳米颗粒的内层厚度为15-22nm。PMMA包覆二氧化钛纳米颗粒的外层厚度与PMMA包覆二氧化钛纳米颗粒的内层厚度比为3:1-1:1。
PMMA包覆二氧化钛纳米纳米颗粒的原料包括按质量比为4:1-1:1的PMMA和纳米二氧化钛。
按以下步骤制备上述的防开裂耐腐蚀的海洋混凝土：①制备纳米颗粒：将4-5份二氧化钛加入100份乙二醇中超声处理15min，离心取上清液后得到胶体溶液，于胶体溶液加入聚乙烯醇后，胶体溶液与聚乙烯醇的质量比为1:1-1:2，经生物膜孔过滤，生物膜孔径为10-50，生物膜孔径比蒸发得到纳米二氧化钛颗粒的平均粒径小5-10nm，超声离心处理3min，取上清液，得到含有纳米二氧化钛颗粒的溶液，将该溶液蒸发得到纳米二氧化钛颗粒；
②将1-4份PMMA溶解于35-50份DMF溶剂中形成混合液，然后将1-2份纳米二氧化钛颗粒加入混合液中，搅拌均匀，然后加入0.6份分散剂丙二醇分散均匀，持续搅拌，自然冷却沉降，得到含有PMMA包覆纳米二氧化钛颗粒的溶液，将该溶液经蒸馏去除溶剂，并经清洗沉降，减压抽滤烘干后，制得PMMA包覆二氧化钛的纳米颗粒；
③将该纳米颗粒进行研磨至粒径为30-80nm，具体的，先将纳米颗粒经初次球磨15min，初次球磨转速为1000-1500r/min，然后加入乙醇，经二次球磨30min，二次球磨转速为6500-7000r/min；
④按比例称量水泥、粉煤灰、矿渣粉、粗骨料、细骨料、减水剂、水后，将水泥、粉煤灰、矿渣粉、粗骨料、细骨料、加入搅拌机预搅拌30s 后，加入减水剂、水、PMMA包覆纳米二氧化钛颗粒后搅拌90-120s后形成混凝土，将混凝土装入模具中，最后将模具中的混凝土振实成型。
具体实施的原料配比按下列表1所示，
表1-纳米颗粒的原料配比
Figure 158427DEST_PATH_IMAGE001
表2-混凝土的原料配比
Figure 357327DEST_PATH_IMAGE002
将表2中各实施例按照《ASTM1202混凝土抗Cl-渗透性电测法》和《JTJ275-2000海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》中Cl-渗透性快速测定方法测定电通量。强度等性能试验方法参照GB/T50081-2019 《混凝土物理力学性能试验方法》和GBT 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法》。
试验结果如表3所示：
表3性能试验结果
Figure 557364DEST_PATH_IMAGE003
上述实施例中，电通量在486-598C左右，比现有的海洋混凝土的电通量（700-800C）低，大大提升其耐腐蚀性能。上述实施例中，孔隙率在1.6-2.1%之间，比现有技术的孔隙率（9.8-15%）大大降低，尤其是大于100nm以上的孔隙被上述纳米粒子所填充，大大降低了混凝土整体的孔隙率，对于无法填充的孔隙也将其限制在几十纳米以下，可以有效提高混凝土的防裂性能，此外，整体强度也得到了提升，且性能稳定，可以长期保持。
本发明不局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的，或者凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种防开裂耐腐蚀的海洋混凝土，其特征在于，包括按以下重量份数配比的成分：
水泥 55-60份，
粉煤灰 20-25份，
矿渣粉 25-40份，
粗骨料 195-205份，
细骨料 272-322份 ，
减水剂 1-3份，
水 30-45份，
PMMA包覆二氧化钛纳米颗粒 3-7份，所述PMMA包覆二氧化钛纳米颗粒的粒径为30-80nm。
2.根据权利要求1所述的防开裂耐腐蚀的海洋混凝土，其特征在于：所述纳米颗粒的外层厚度为15-60nm，PMMA包覆二氧化钛纳米颗粒的内层厚度为15-22nm。
3.根据权利要求1或2所述的防开裂耐腐蚀的海洋混凝土，其特征在于：所述PMMA包覆二氧化钛纳米颗粒的外层厚度与PMMA包覆二氧化钛纳米颗粒的内层厚度比为3:1-1:1。
4.根据权利要求1所述的防开裂耐腐蚀的海洋混凝土，其特征在于，所述PMMA包覆二氧化钛纳米纳米颗粒的原料包括按质量比为4:1-1:1的PMMA和纳米二氧化钛。
5.根据权利要求1所述的防开裂耐腐蚀的海洋混凝土，其特征在于所述粉煤灰的密度为2.4g/cm³，比表面积为455㎡/kg，所述矿渣粉的密度为2.8g/cm³，比表面积为500m²/kg。
6.根据权利要求1所述的防开裂耐腐蚀的海洋混凝土，其特征在于所述粗骨料为碎石，碎石粒径为5-20mm，连续级配，所述细骨料为砂子，砂子细度模数为2.5。
7.一种制备如权利要求1所述的防开裂耐腐蚀的海洋混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：①制备纳米颗粒：将4-5份二氧化钛加入100份乙二醇中超声处理15min，离心取上清液后得到胶体溶液，于胶体溶液加入聚乙烯醇后，胶体溶液与聚乙烯醇的质量比为1:1-1:2，经生物膜孔过滤，超声离心处理3min，取上清液，得到含有纳米二氧化钛颗粒的溶液，将该溶液蒸发得到纳米二氧化钛颗粒；
②将1-4份PMMA溶解于35-50份DMF溶剂中形成混合液，然后将1-2份纳米二氧化钛颗粒加入混合液中，搅拌均匀，然后加入分散剂分散均匀，持续搅拌，自然冷却沉降，得到含有PMMA包覆纳米二氧化钛颗粒的溶液，将该溶液经蒸馏去除溶剂，并经清洗沉降，减压抽滤烘干后，制得PMMA包覆二氧化钛的纳米颗粒；③将该纳米颗粒进行研磨至粒径为30-80nm；
④按比例称量水泥、粉煤灰、矿渣粉、粗骨料、细骨料、减水剂、水后，将水泥、粉煤灰、矿渣粉、粗骨料、细骨料、加入搅拌机预搅拌30s 后，加入减水剂、水、PMMA包覆纳米二氧化钛颗粒后搅拌90-120s后形成混凝土，将混凝土装入模具中，最后将模具中的混凝土振实成型。
8.根据权利要求7所述的防开裂耐腐蚀的海洋混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤①中生物膜孔径为10-50，生物膜孔径比蒸发得到纳米二氧化钛颗粒的平均粒径小5-10nm。
9.根据权利要求7或8所述的防开裂耐腐蚀的海洋混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤③中将纳米颗粒经初次球磨15min，初次球磨转速为1000-1500r/min，然后加入乙醇，经二次球磨30min，二次球磨转速为6500-7000r/min。
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