CN115536307A - 一种用于高抗渗海工混凝土的掺合料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高抗渗海工混凝土的掺合料及其制备方法，将硅烷偶联剂的水溶液与粉煤灰的乙醇悬浮液混合搅拌，过滤、洗涤、干燥制得硅烷改性粉煤灰；所得硅烷改性粉煤灰加入氧化石墨烯的水分散液混合搅拌，过滤、洗涤、干燥制得氧化石墨烯/硅烷改性粉煤灰复合材料，即用于高抗渗海工混凝土的掺合料；其中所用原料按质量百分数计如下：硅烷偶联剂10‑15％、粉煤灰70‑85％、氧化石墨烯5‑10％；本发明在赋予海工混凝土高抗渗性的同时能够提升基体的致密度，改善其力学性能，显著提升海工混凝土的耐久性；另外还能够减轻市面上粉煤灰质量参差不齐引发的质量问题，实现粉煤灰在水泥基材料中的高效应用，具有较高的经济效益与环保效益。

Description

一种用于高抗渗海工混凝土的掺合料及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种混凝土掺合料及其制备方法。
背景技术
混凝土作为一种非均质多孔材料，其本身具有较高的渗透性，这为外界水分以及各类有害侵蚀离子提供了传输通道。依据过往工程实例，混凝土的高渗透性显著降低了建筑工程的耐久性，造成严重的安全事故与极大的经济损失。
特别地，氯离子引发的钢筋锈蚀是造成钢筋混凝土结构破坏的首要因素。因此，对于海洋工程而言，由于海水中含有大量的氯离子，制备具有高抗渗性的海工混凝土显得尤为重要。目前，提高海工混凝土抗渗性与耐久性的主要方式为表面涂覆，其中硅烷类材料表现出优异的防护性能。然而，由于海工混凝土的服役环境较为恶劣，硅烷涂覆等表面防护手段常因风浪荷载等因素而提前失效，导致海工混凝土的抗渗性与耐久性大幅降低。
相比于表面防护的方法，整体疏水混凝土更适用于提升严酷海洋环境下建筑工程的抗渗性与耐久性。目前，国内外关于整体疏水混凝土的研究依然较为缺乏，大多围绕内掺硅烷等疏水物质进行整体疏水混凝土的制备。虽然内掺硅烷对于提升海工混凝土的抗渗性具有显著的效果，但硅烷对早期水化的抑制作用不利于混凝土的力学性能与长期耐久性。因此实现海工混凝土整体疏水的同时能够满足其力学性能的需求成为亟待解决的问题，对于提高海洋工程的耐久性、降低海洋腐蚀损失具有重大而深远的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对水分与有害离子侵蚀导致的混凝土耐久性问题，提供一种用于高抗渗海工混凝土的掺合料及其制备方法，该方法在赋予海工混凝土高抗渗性的同时能够提升基体的致密度，改善其力学性能，显著提升海工混凝土的耐久性；另外本发明还能够减轻市面上粉煤灰质量参差不齐引发的质量问题，实现粉煤灰在水泥基材料中的高效应用，具有较高的经济效益与环保效益。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
一种用于高抗渗海工混凝土的掺合料，按以下方式制备而来：
(1)将硅烷偶联剂的水溶液与粉煤灰的乙醇悬浮液混合搅拌，过滤、洗涤、干燥制得硅烷改性粉煤灰；
(2)所得硅烷改性粉煤灰加入氧化石墨烯的水分散液混合搅拌，过滤、洗涤、干燥制得氧化石墨烯/硅烷改性粉煤灰复合材料，即用于高抗渗海工混凝土的掺合料；
其中，所用原料按质量百分数计如下：硅烷偶联剂10-15％、粉煤灰70-85％、氧化石墨烯5-10％。
按上述方案，所述硅烷偶联剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)，其以Si原子为核心，由1个氨丙基与3个乙氧基所构成，外观为无色透明液体。
按上述方案，所述粉煤灰为电厂燃料燃烧所产生烟气灰分中的细微固体颗粒物，其中SiO2质量百分含量比>50wt％，Al2O3质量百分含量比>30wt％，45μm方孔筛筛余<20％。
按上述方案，所述氧化石墨烯为粉状的氧化石墨烯纳米片，其纯度>99％，粒径为0.6～1.2nm，单层片径为0.5～9.5μm，可剥离率>95％。
上述用于高抗渗海工混凝土的掺合料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅烷偶联剂的水溶液与粉煤灰的乙醇悬浮液混合搅拌，过滤、洗涤、干燥制得硅烷改性粉煤灰；
(2)所得硅烷改性粉煤灰加入氧化石墨烯的水分散液混合搅拌，过滤、洗涤、干燥制得氧化石墨烯/硅烷改性粉煤灰复合材料。
按上述方案，步骤1中硅烷偶联剂的水溶液为硅烷偶联剂KH-550与蒸馏水按体积比1:3～1:4混合而成。
按上述方案，步骤1中粉煤灰的乙醇悬浮液为粉煤灰与无水乙醇按质量比1:4～1:5搅拌分散而成。
按上述方案，步骤1于40～50℃下以600～650rpm的速率搅拌6～8h。
按上述方案，步骤2中氧化石墨烯的水分散液为氧化石墨烯粉末与蒸馏水按质量比1:49～1:99搅拌分散而成。
按上述方案，步骤2于40～50℃下以600～650rpm的速率搅拌3～4h。
硅烷偶联剂分子结构中的烷基能够有效阻碍外界水分的侵入，而水分本身作为氯离子等有害离子的传输介质，阻碍水分的传输即有效抑制了有害离子向混凝土内部的渗透；粉煤灰的粒径小于水泥颗粒，能够填充水泥颗粒之间的空隙，改善混凝土基体的致密度，并且其火山灰效应能够与水泥水化生成的氢氧化钙反应产生更多的水化硅酸钙凝胶，同时优化基体的孔隙结构；氧化石墨烯作为纳米材料，可以填充纳米级孔隙，进一步提升混凝土的密实度与抗渗性。
氧化石墨烯纳米片具有较高的弹性模量，同时能够发挥纳米材料的填充效应，将其掺入混凝土中能够显著提升混凝土基体的抗压强度以及抗折强度。此外，氧化石墨烯对Ca2+存在吸附作用，可以促进粉煤灰的火山灰反应，生成更多的水化硅酸钙凝胶，优化基体的孔隙结构。硅烷发挥桥接作用，连接粉煤灰与氧化石墨烯，同时连接水化产物与氧化石墨烯/硅烷改性粉煤灰复合材料，使基体内部形成致密的凝胶网络结构，从而改善基体的力学性能与耐久性。
相对于现有技术，本发明有益效果如下：
分散于混凝土中的硅烷基团提供优异的整体疏水性；粉煤灰发挥填充效应与火山灰效应，优化基体孔隙结构，提高致密度；氧化石墨烯在纳米尺度发挥填充效应、形态效应与阻裂作用，进一步提高混凝土的致密度。硅烷偶联剂、粉煤灰以及氧化石墨烯协同提升混凝土的抗渗性。
硅烷偶联剂发挥桥接作用，连接粉煤灰与氧化石墨烯，同时连接水化产物与氧化石墨烯/硅烷改性粉煤灰复合材料；在水化进程中，氧化石墨烯吸附孔溶液中的Ca2+促进粉煤灰的火山灰效应，生成更多的水化硅酸钙凝胶，同时弥补氢氧化钙定向排列导致的内部结构缺陷。硅烷偶联剂、粉煤灰以及氧化石墨烯使基体内部形成致密的凝胶网络结构，协同提升混凝土的力学性能与耐久性。
本发明掺合料可赋予混凝土优异的整体抗渗性能，相较于表面防护手段，其防护能力受严酷海洋服役环境的影响更小，具有更持久的长期抗渗性能。
本发明掺合料将疏水性物质以粉体的形式应用于混凝土，在实现良好抗渗的同时，能够有效减轻硅烷对早期水泥水化的抑制作用，避免因早期水化过慢导致水分与有害离子侵入混凝土内部，进而提升基体的力学性能与耐久性。
本发明掺合料还能够减轻市面上粉煤灰质量参差不齐引发的质量问题，实现粉煤灰在水泥基材料中的高效应用，具有较高的经济效益与环保效益。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
具体实施方式提供了一种用于高抗渗海工混凝土的掺合料及其制备方法：
(1)将硅烷偶联剂的水溶液与粉煤灰的乙醇悬浮液混合搅拌，过滤、洗涤、干燥制得硅烷改性粉煤灰；
(2)所得硅烷改性粉煤灰加入氧化石墨烯的水分散液混合搅拌，过滤、洗涤、干燥制得氧化石墨烯/硅烷改性粉煤灰复合材料，即用于高抗渗海工混凝土的掺合料；
其中，所用原料按质量百分数计如下：硅烷偶联剂10-15％、粉煤灰70-85％、氧化石墨烯5-10％。所述硅烷偶联剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)，其以Si原子为核心，由1个氨丙基与3个乙氧基所构成，外观为无色透明液体。所述粉煤灰为电厂燃料燃烧所产生烟气灰分中的细微固体颗粒物，其中SiO2质量百分含量比>50wt％，Al2O3质量百分含量比>30wt％，45μm方孔筛筛余<20％。所述氧化石墨烯为粉状的氧化石墨烯纳米片，其纯度>99％，粒径为0.6～1.2nm，单层片径为0.5～9.5μm，可剥离率>95％。
具体地，硅烷偶联剂的水溶液为硅烷偶联剂KH-550与蒸馏水按体积比1:3～1:4混合而成。
具体地，步骤1中粉煤灰的乙醇悬浮液为粉煤灰与无水乙醇按质量比1:4～1:5搅拌分散而成。
具体地，步骤1于40～50℃下以600～650rpm的速率搅拌6～8h。
具体地，步骤2中氧化石墨烯的水分散液为氧化石墨烯粉末与蒸馏水按质量比1:49～1:99搅拌分散而成。
具体地，步骤2于40～50℃下以600～650rpm的速率搅拌3～4h。
以下实施例中，采用的水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥；经GB/T17671水泥胶砂强度检验测试，3d抗压强度为29.6MPa，28d抗压强度为49.7MPa。
粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，其中SiO2质量百分含量比>50wt％，Al2O3质量百分含量比>30wt％，45μm方孔筛筛余<20％，烧失量为2.1％，需水比为94％。
细骨料采用级配调整后的水洗砂，细度模数为2.6，MB值为2.25。
粗骨料采用连续级配的普通碎石，压碎指标为8.3％。
减水剂采用聚羧酸系减水剂，其固含量为20％，减水率为17％。
实施例1
一种用于高抗渗海工混凝土的掺合料，各原料及其所占质量百分比为：硅烷偶联剂10％、粉煤灰85％、氧化石墨烯5％；按具体实施方式提供的制备方法得到用于高抗渗海工混凝土的掺合料。
实施例2
一种用于高抗渗海工混凝土的掺合料，各原料及其所占质量百分比为：硅烷偶联剂12％、粉煤灰80％、氧化石墨烯8％；按具体实施方式提供的制备方法得到用于高抗渗海工混凝土的掺合料。
实施例3
一种用于高抗渗海工混凝土的掺合料，各原料及其所占质量百分比为：硅烷偶联剂15％、粉煤灰75％、氧化石墨烯10％；按具体实施方式提供的制备方法得到用于高抗渗海工混凝土的掺合料。
应用实施例1～10
针对实施例1～3，以混凝土试件为考察对象，水胶比取0.4，各原料及其质量为：胶凝材料(水泥+高抗渗海工混凝土掺合料)400kg/m3、砂650kg/m3、石1050kg/m3、减水剂8kg/m3、水160kg/m3；其中高抗渗海工混凝土掺合料由硅烷偶联剂、粉煤灰和氧化石墨烯按质量比制备而成。
应用实施例1作为基准样，其中高抗渗海工混凝土掺合料掺量为0％；应用实施例2～4对应实施例1～3，其中高抗渗海工混凝土掺合料掺量为10％；应用实施例5～7对应实施例1～3，其中高抗渗海工混凝土掺合料掺量为20％；应用实施例8～10对应实施例1～3，其中高抗渗海工混凝土掺合料掺量为30％。
按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试混凝土拌合物的坍落度和扩展度；按照GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，用万能压力试验机测试混凝土试件的3/28d抗压强度；按照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试混凝土试件的抗渗性能。
表1掺入高抗渗海工混凝土掺合料后的混凝土性能测试结果
Figure BDA0003910930630000051
Figure BDA0003910930630000061
上述结果表明，本发明所得用于高抗渗海工混凝土的掺合料可有效提升混凝土的抗渗性和力学性能，进而改善海工混凝土的耐久性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于高抗渗海工混凝土的掺合料，其特征在于按以下方式制备而来：
(1)将硅烷偶联剂的水溶液与粉煤灰的乙醇悬浮液混合搅拌，过滤、洗涤、干燥制得硅烷改性粉煤灰；
(2)所得硅烷改性粉煤灰加入氧化石墨烯的水分散液混合搅拌，过滤、洗涤、干燥制得氧化石墨烯/硅烷改性粉煤灰复合材料，即用于高抗渗海工混凝土的掺合料；
其中，所用原料按质量百分数计如下：硅烷偶联剂10-15％、粉煤灰70-85％、氧化石墨烯5-10％。
2.如权利要求1所述用于高抗渗海工混凝土的掺合料，其特征在于所述硅烷偶联剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷。
3.如权利要求1所述用于高抗渗海工混凝土的掺合料，其特征在于所述粉煤灰为电厂燃料燃烧所产生烟气灰分中的细微固体颗粒物，其中SiO2质量百分含量比>50wt％，Al2O3质量百分含量比>30wt％，45μm方孔筛筛余<20％。
4.如权利要求1所述用于高抗渗海工混凝土的掺合料，其特征在于所述氧化石墨烯为粉状的氧化石墨烯纳米片，其纯度>99％，粒径为0.6～1.2nm，单层片径为0.5～9.5μm，可剥离率>95％。
5.如权利要求1所述用于高抗渗海工混凝土的掺合料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将硅烷偶联剂的水溶液与粉煤灰的乙醇悬浮液混合搅拌，过滤、洗涤、干燥制得硅烷改性粉煤灰；
(2)所得硅烷改性粉煤灰加入氧化石墨烯的水分散液混合搅拌，过滤、洗涤、干燥制得氧化石墨烯/硅烷改性粉煤灰复合材料。
6.如权利要求5所述用于高抗渗海工混凝土的掺合料的制备方法，其特征在于步骤1中硅烷偶联剂的水溶液为硅烷偶联剂KH-550与蒸馏水按体积比1:3～1:4混合而成。
7.如权利要求5所述用于高抗渗海工混凝土的掺合料的制备方法，其特征在于步骤1中粉煤灰的乙醇悬浮液为粉煤灰与无水乙醇按质量比1:4～1:5搅拌分散而成。
8.如权利要求5所述用于高抗渗海工混凝土的掺合料的制备方法，其特征在于步骤1于40～50℃下以600～650rpm的速率搅拌6～8h。
9.如权利要求5所述用于高抗渗海工混凝土的掺合料的制备方法，其特征在于步骤2中氧化石墨烯的水分散液为氧化石墨烯粉末与蒸馏水按质量比1:49～1:99搅拌分散而成。
10.如权利要求5所述用于高抗渗海工混凝土的掺合料的制备方法，其特征在于步骤2于40～50℃下以600～650rpm的速率搅拌3～4h。
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