CN115521107B - 二氧化碳养护的钢筋混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及二氧化碳养护的钢筋混凝土及其制备方法，混凝土包括以下质量份数的组分：低钙水泥20～35份，再生微粉5～15份，粗骨料80～100份，细骨料80～100份，水15～20份，减水剂0.2～1份，增强‑阻锈双效剂2～8份。本发明提高了钢筋混凝土的早期强度和工艺效率，并且在碳化养护后，缓慢释放阻锈组分，提高内部pH值，降低后期钢筋锈蚀的风险；同时，合理搭配使用建筑垃圾加工得到的再生骨料，一方面，提高了养护过程中混凝土二氧化碳的吸收量，另一方面也有效吸纳了建筑垃圾等固体废弃物。

Description

二氧化碳养护的钢筋混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，更具体地说，涉及一种二氧化碳养护的钢筋混凝土及其制备方法。
背景技术
采用二氧化碳来养护水泥基建筑材料制品的方法具有广泛的应用前景。但目前，采用二氧化碳养护水泥混凝土或相关制品的应用研究主要集中在素混凝土中，即碳化养护的制品中不含有钢筋，这极大地限制了碳化养护混凝土制品的发展。究其原因，在碳化养护过程中，二氧化碳与水泥熟料矿物和水泥水化生成的氢氧化钙反应，降低了混凝土的碱度，使钢筋表面的钝化膜变得不稳定甚至遭到破坏，这样的钢筋混凝土在长期服役中具有极高的锈蚀开裂风险。
目前，常见的钢筋阻锈剂种类繁多，但都集中在应对自然条件下对钢筋不利的因素，包括减少大气中二氧化碳和沿海环境下氯离子对混凝土中钢筋的危害。有别于大气中二氧化碳与水泥混凝土发生的碳化反应，采用二氧化碳养护混凝土的方式属于加速碳化，混凝土深度碳化，甚至超过钢筋保护层厚度，混凝土内部的pH值将在短期内下降到10以下，同时强度得到了极大提高。CN103964729A公开了一种应用于混凝土的包覆型钢筋阻锈颗粒的制备方法，其所述阻锈颗粒是应用于pH为12～13的模拟混凝土溶液中，对于大气中的碳化反应可以起到一定的预防锈蚀作用。文献《离心-包衣法制备聚合物/阻锈剂微胶囊及其阻锈性能的研究》报道了一种聚合物包裹氢氧化物的微胶囊，其所述的微胶囊同样是从初始pH值在12～13的环境中使用，在经过大气中的自然碳化过程中，环境的pH值缓慢降低，微胶囊逐渐发挥功效。但对于二氧化碳养护混凝土，其碳化过程为加速碳化，内部pH值短期内下降到10以下，包覆层破裂，其阻锈颗粒会持续与养护中的二氧化碳反应，致使阻锈功能在短期内失效，难以起到预防钢筋锈蚀的作用。
相比于传统的硅酸盐水泥(以硅酸三钙和β-硅酸二钙为主要矿物相)，低钙水泥煅烧温度更低，具有更低钙硅比，使得其生产过程中消耗更少的石灰石，产生更少的二氧化碳，因此是一种低碳环保的材料。但低钙水泥中的γ-硅酸二钙(γ-C2S)、二硅酸三钙(C3S2)和硅酸钙(CS)不具有水化活性，在加水拌和后，需要特定的工艺和方法才能达到脱模条件，增加了工厂预制周期和制备工艺配置。
建筑垃圾大部分堆放在垃圾填埋场，回收利用率不到5％。而废弃混凝土、砂浆虽然经历了长时间的水化，但仍然存在大量活性组分，如Ca(OH)2和C-S-H凝胶等仍然可以继续与CO2进行反应，生成稳定的碳酸盐。选择合适的技术方案对建筑垃圾进行二次利用，对于实现我国废弃建筑垃圾高效再生利用和开辟建材领域低碳路径具有十分重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种二氧化碳养护的钢筋混凝土及其制备方法，提高了钢筋混凝土的早期强度和工艺效率，并且在碳化养护后，缓慢释放阻锈组分，提高内部pH值，降低后期钢筋锈蚀的风险。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种二氧化碳养护的钢筋混凝土，包括以下质量份数的组分：低钙水泥20～35份，再生微粉5～15份，粗骨料80～100份，细骨料80～100份，水15～20份，减水剂0.2～1份，增强-阻锈双效剂2～8份。
按上述方案，所述低钙水泥为非水化活性的碳化活性水泥，其钙硅比为1.0～2.0，勃氏比表面积为300～450m2/kg。
按上述方案，所述的再生微粉为废弃混凝土和砂浆经破碎、筛分后粒径在75μm以下的颗粒。
按上述方案，所述的粗骨料为再生粗骨料与天然碎石的混合物，再生粗骨料与天然碎石的质量比为0.11～0.43:1，所述再生粗骨料为废弃混凝土和砂浆经破碎、筛分后粒径在4.75mm～25mm的颗粒。
按上述方案，所述的细骨料为再生细骨料与机制砂的混合物，再生细骨料与机制砂的质量比为0.11～0.67:1，所述再生细骨料为废弃混凝土和砂浆经破碎、筛分后粒径在4.75mm以下的颗粒。
按上述方案，所述的增强-阻锈双效剂包括增强组分、缓释层、阻锈组分和辅助组分，增强组分、缓释层、阻锈组分和辅助组分的质量比为0.2～0.4：0.05～0.15：1：0.8～1.2，所述增强组分为硅酸三钙，所述的缓释层为聚甲基丙烯酸甲酯，所述的阻锈组分为氢氧化钙，所述的辅助组分为微晶纤维素和羟丙基甲级纤维素。
按上述方案，所述的增强-阻锈双效剂通过离心式制粒包衣机制备，制备方法包括：(1)将微晶纤维素置于离心造粒机内，将氢氧化钙粉末放入料斗内，通过喷枪的2％羟丙基甲基纤维素水溶液为粘合剂，将氢氧化钙粉末沉积在微晶纤维素表面，调节离心转速和供粉速度使颗粒放大到0.5～1.0mm，整形、干燥，得到氢氧化钙微丸；(2)将聚甲基丙烯酸甲酯溶液通过喷雾包衣在氢氧化钙微丸上，喷雾包衣完成后，干燥，制得氢氧化钙缓释微粒；(3)将硅酸三钙粉末置于料斗内，通过喷枪的2％羟丙基甲基纤维素水溶液为粘合剂，将硅酸三钙沉积在氢氧化钙缓释微粒表面，调节离心转速和供粉速度使微粒到0.6～1.6mm，整形、快速干燥，得到增强-阻锈双效剂。
本发明还提供了一种二氧化碳养护的钢筋混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)拌和搅拌：先将按照配比称量的粗骨料、细骨料、再生微粉和一半的水加入搅拌机内进行充分混合；再将低钙水泥、减水剂、增强-阻锈双效剂和剩余水加入搅拌机内充分混合搅拌，得到混凝土拌和物；
(2)入模成型：将步骤(1)得到的混凝土拌合物浇筑至预先埋有钢筋的模具中成型；将所述钢筋混凝土在温度20℃±5℃下，带模养护20h～24h；
(3)二氧化碳养护：将步骤(2)中的混凝土脱模后，放入二氧化碳反应釜中养护得到成品。
实施本发明的二氧化碳养护的钢筋混凝土及其制备方法，具有以下有益效果：
1、本发明提供了一种二氧化碳养护的钢筋混凝土及其制备方法，可使混凝土内部pH值保持在12左右，钢筋腐蚀电流密度长期保持低锈蚀速率状态，解决了碳化养护钢筋混凝土中钢筋锈蚀风险较大的问题，为发展碳化养护混凝土及制品提供了一种全新技术方案；
2、增强-阻锈双效剂有效提高早期强度，同时可采用浇筑成型方式，缩短制备拆模周期，提高工艺效率；缓慢释放碱性阻锈成分，维持钢筋钝化膜稳定存在的pH值，降低钢筋锈蚀风险；
3、合理利用废弃混凝土和砂浆制成的再生骨料和再生微粉，有效吸纳固废垃圾，每方混凝土中大约可利用300～700公斤；
4、采用以硅酸二钙(C2S)、二硅酸三钙(C3S2)、硅酸钙(CS)为熟料矿物的低钙水泥，在生产环节可降低二氧化碳排放30％以上；采用低钙水泥、再生微粉和再生骨料使混凝土在碳化养护过程中吸收15％～30％二氧化碳。从两方面显著地降低了混凝土的碳足迹。
综上，本发明克服上述技术中二氧化碳养护混凝土中的钢筋锈蚀，低钙水泥混凝土制备工艺和废弃混凝土利用率低下等问题，提供了一种二氧化碳养护的钢筋混凝土及其制备方法，提高了钢筋混凝土的早期强度和工艺效率，并且在碳化养护后，缓慢释放阻锈组分，提高内部pH值，降低后期钢筋锈蚀的风险；同时，合理搭配使用建筑垃圾加工得到的再生骨料，一方面，提高了养护过程。
具体实施方式
为了对本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚的理解，现结合具体实施例对本发明进行详细具体的说明。
性能测试
本发明对二氧化碳养护后的混凝土进行抗压强度、腐蚀电流密度和内部pH值测试。抗压强度测试参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2019)。腐蚀电流密度测试采用线性极化原理方法，结果评价参照《建筑结构检测技术标准》(GB/T 50344-2019)。混凝土内部pH值测试是将二氧化碳养护后的钢筋混凝土沿平行于钢筋截面的方向切开，取距离钢筋表面1cm的混凝土位置取样，研磨后，配以10倍的蒸馏水，密封后，静置24h后，过滤取滤液进行pH值测试。
实施例1
一种二氧化碳养护的钢筋混凝土，由以下质量份数的组分：低钙水泥20份，再生微粉8份，粗骨料94份，细骨料98份，水18份，减水剂0.2份，增强-阻锈双效剂2份；
所用的低钙水泥为非水化活性的碳化活性水泥，其平均钙硅比为2.0，勃氏比表面积370m2/kg；
所用的粗骨料中再生粗骨料与天然碎石的质量比为0.11:1；
所用的细骨料中再生细骨料与机制砂的质量比为0.25:1；
所用的减水剂为聚羧酸减水剂；
所用的增强-阻锈双效剂中增强组分、缓释层、阻锈组分和辅助组分的质量比为0.2：0.05：1：0.8；
上述一种二氧化碳养护的钢筋混凝土包括以下制备方法：
(1)拌和搅拌：先将按照配比称量的粗骨料、细骨料、再生微粉和一半的水加入搅拌机内进行充分混合；再将低钙水泥、减水剂、增强-阻锈双效剂和剩余水加入搅拌机内充分混合搅拌，得到混凝土拌合物；
(2)入模成型：将步骤(1)得到的混凝土拌和物浇筑至预先埋有钢筋的模具中成型；将所述钢筋混凝土在温度20℃下，带模养护20h；
(3)二氧化碳养护：将步骤(2)中混凝土脱模后，放入温度为30℃，压力为0.4MPa，二氧化碳浓度为50％的碳化釜中养护24h。
本实施例中的混凝土抗压强度、腐蚀电流密度和内部pH值见表1。
实施例2
一种二氧化碳养护的钢筋混凝土，由以下质量份数的组分：低钙水泥28份，再生微粉12份，粗骨料90份，细骨料90份，水17份，减水剂0.8份，增强-阻锈双效剂5份；
所用的低钙水泥为非水化活性的碳化活性水泥，其平均钙硅比为1.5，勃氏比表面积350m2/kg；
所用的粗骨料中再生粗骨料与天然碎石的质量比为0.25:1；
所用的细骨料中再生细骨料与机制砂的质量比为0.43:1；
所用的减水剂为萘系减水剂；
所用的增强-阻锈双效剂中增强组分、缓释层、阻锈组分和辅助组分的质量比为0.3：0.1：1：1；
上述一种二氧化碳养护的钢筋混凝土包括以下制备方法：
(1)拌和搅拌：先将按照配比称量的粗骨料、细骨料、再生微粉和一半的水加入搅拌机内进行充分混合；再将低钙水泥、减水剂、增强-阻锈双效剂和剩余加入搅拌机内充分混合搅拌，得到混凝土拌和物；
(2)入模成型：将步骤(1)得到的混凝土拌和物浇筑至预先埋有钢筋的模具中成型；将所述钢筋混凝土在温度20℃下，带模养护24h；
(3)二氧化碳养护：将步骤(2)中混凝土脱模后，放入温度为50℃，压力为0.3MPa，二氧化碳浓度为80％的碳化釜中养护24h。
本实施例中的混凝土抗压强度、腐蚀电流密度和内部pH值见表1。
实施例3
一种二氧化碳养护的钢筋混凝土，由以下质量份数的组分：低钙水泥35份，再生微粉15份，粗骨料88份，细骨料80份，水16份，减水剂1份，增强-阻锈双效剂8份；
所用的低钙水泥为非水化活性的碳化活性水泥，其平均钙硅比为1.0，勃氏比表面积330m2/kg；
所用的粗骨料中再生粗骨料与天然碎石的质量比为0.43:1；
所用的细骨料中再生细骨料与机制砂的质量比为0.67:1；
所用的减水剂为萘系减水剂；
所用的增强-阻锈双效剂中增强组分、缓释层、阻锈组分和辅助组分的质量比为0.4：0.15：1：1；
上述一种二氧化碳养护的钢筋混凝土包括以下制备方法：
(1)拌和搅拌：先将按照配比称量的粗骨料、细骨料、再生微粉和一半的水加入搅拌机内进行充分混合；再将低钙水泥、减水剂、增强-阻锈双效剂和剩余水加入搅拌机内充分混合搅拌，得到混凝土拌和物；
(2)入模成型：将步骤(1)得到的混凝土拌和物浇筑至预先埋有钢筋的模具中成型；将所述钢筋混凝土在温度20℃下，带模养护24h；
(3)二氧化碳养护：将步骤(2)中混凝土脱模后，放入温度为60℃，压力为0.3MPa，二氧化碳浓度为100％的碳化釜中养护20h。
本实施例中的混凝土抗压强度、腐蚀电流密度和内部pH值见表1。
对比例1
本对比例的一种二氧化碳养护的钢筋混凝土及其制备方法，除了未加入增强-阻锈双效剂外，其余组成和制备方法均与实施例1相同，在此不再赘述。
本对比例中的混凝土在带模养护96h后依然不具有拆模强度，无法脱模并进行二氧化碳养护，无有效抗压强度、腐蚀电流密度及内部pH值数据。
对比例2
本对比例的一种二氧化碳养护的钢筋混凝土及其制备方法，除了将5份增强-阻锈双效剂替换为0.5份氢氧化钙及加入5份硅酸三钙外，其余组成和制备方法均与实施例2相同，在此不再赘述。
本对比例中的混凝土抗压强度、腐蚀电流密度和内部pH值见表1。
对比例3
本对比例的一种二氧化碳养护的钢筋混凝土及其制备方法，除了将8份增强-阻锈双效剂替换为2份亚硝酸钙及加入6份硅酸三钙外，其余组成和制备方法均与实施例3相同，在此不再赘述。
本对比例中的混凝土抗压强度、腐蚀电流密度和内部pH值见表1。
表1为实施例1～3和对比例1～3的性能测试结果：
从上述性能测试结果可以看出，实施例1～3的二氧化碳养护混凝土强度可达到34.5～46.9MPa，而对比例1～3中碳化养护的混凝土强度低于实施例；对于碳化后混凝土内部pH值的变化，实施例1～3从1d到90d的pH值略微上升，并且处于12左右，此时钢筋钝化膜能稳定存在，而对比例1～3混凝土碳化后1d的内部pH低于11，且在90d内下降明显，都在10以下，此时钢筋钝化膜会出现破坏；而对于钢筋腐蚀电流密度，实施例1～3碳化后1d时低于0.2μA/cm2，处于钝化状态，实施例1碳化后90d腐蚀电流密度小于0.5μA/cm2，钢筋处于低锈蚀状态，实施例2和3碳化后90d腐蚀电流密度依然小于0.2μA/cm2，表明钢筋依然处于钝化状态；虽然对比例2和3在碳化后1d腐蚀电流密度小于0.2μA/cm2，但90d时腐蚀电流密度大于0.5μA/cm2，钢筋处于中等锈蚀速率。除此之外，对比例1在带模养护时间96h后依然无法达到拆模强度，无法脱模。
综上所述，本发明的一种二氧化碳养护的钢筋混凝土碳化后强度达到34.5～46.9MPa，且碳化后混凝土内部pH值缓慢上升，并能长时间维持钢筋钝化膜稳定存在所需要的碱性环境，腐蚀电流密度长时间处于低位，能够有效降低碳化混凝土钢筋锈蚀的风险，并且提高了早期强度和工艺效率。
上面对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种二氧化碳养护的钢筋混凝土，其特征在于，包括以下质量份数的组分：低钙水泥20~35份，再生微粉5~15份，粗骨料80~100份，细骨料80~100份，水15~20份，减水剂0.2~1份，增强-阻锈双效剂2~8份；
所述低钙水泥为非水化活性的碳化活性水泥，其钙硅比为1.0~2.0，勃氏比表面积为300~450m2/kg，所述的再生微粉为废弃混凝土和砂浆经破碎、筛分后粒径在75μm以下的颗粒，所述的粗骨料为再生粗骨料与天然碎石的混合物，再生粗骨料与天然碎石的质量比为（0.11~0.43）:1，所述再生粗骨料为废弃混凝土和砂浆经破碎、筛分后粒径在4.75mm~25mm的颗粒，所述的细骨料为再生细骨料与机制砂的混合物，再生细骨料与机制砂的质量比为（0.11~0.67）:1，所述再生细骨料为废弃混凝土和砂浆经破碎、筛分后粒径在4.75mm以下的颗粒；所述的增强-阻锈双效剂包括增强组分、缓释层、阻锈组分和辅助组分，增强组分、缓释层、阻锈组分和辅助组分的质量比为（0.2~0.4）：（0.05~0.15）：1：（0.8~1.2），所述增强组分为硅酸三钙，所述的缓释层为聚甲基丙烯酸甲酯，所述的阻锈组分为氢氧化钙，所述的辅助组分为微晶纤维素和羟丙基甲基纤维素；
所述的增强-阻锈双效剂通过离心式制粒包衣机制备，制备方法包括：（1）将微晶纤维素置于离心造粒机内，将氢氧化钙粉末放入料斗内，通过喷枪的2%羟丙基甲基纤维素水溶液为粘合剂，将氢氧化钙粉末沉积在微晶纤维素表面，调节离心转速和供粉速度使颗粒放大到0.5~1.0mm，整形、干燥，得到氢氧化钙微丸；（2）将聚甲基丙烯酸甲酯溶液通过喷雾包衣在氢氧化钙微丸上，喷雾包衣完成后，干燥，制得氢氧化钙缓释微粒；（3）将硅酸三钙粉末置于料斗内，通过喷枪的2%羟丙基甲基纤维素水溶液为粘合剂，将硅酸三钙沉积在氢氧化钙缓释微粒表面，调节离心转速和供粉速度使微粒到0.6~1.6mm，整形、快速干燥，得到增强-阻锈双效剂。
2.一种权利要求1所述的二氧化碳养护的钢筋混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）拌和搅拌：先将按照配比称量的粗骨料、细骨料、再生微粉和一半的水加入搅拌机内进行充分混合；再将低钙水泥、减水剂、增强-阻锈双效剂和剩余水加入搅拌机内充分混合搅拌，得到混凝土拌合物；
（2）入模成型：将步骤（1）得到的混凝土拌合物浇筑至预先埋有钢筋的模具中成型；将所述钢筋混凝土在温度20℃±5℃下，带模养护20h~24h；
（3）二氧化碳养护：将步骤（2）中的混凝土脱模后，放入二氧化碳反应釜中养护得到成品。
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