CN115745521A - 一种超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种超高性能混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高性能混凝土及其制备方法，本发明采用碱木质素作为生物炭源，碱木质素来源于造纸黑液，呈碱性，裂解所得到的生物炭具有一定的碱度，有利于促进水泥水化，更有利于混凝土早期强度发展；所制备的改性生物质炭具有良好的吸水性能和吸附性，对粉煤灰和矿粉等轻质材料具有一定的吸附能力，避免轻质材料上浮造成的分层离析、沁水等问题，并且在水化过程中，缓慢释放水分，同时改性生物质炭、改性二氧化硅与胶凝材料进行反应，填充生物质炭因释水而残留的孔洞，从而提高混凝土的强度。

Description

一种超高性能混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土制备技术领域，具体涉及一种超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土是现代建筑工程领域应用极为广泛的基础材料。其中，超高性能混凝土作为一种新型混凝土材料，通常是通过掺杂增强纤维、优化配合比达到性能提升的目的，具备超高强度、超高韧性以及超高耐久性能等优异性能，在建筑工程实际应用中有着深远的应用前景。
超高性能混凝土与普通混凝土相比，虽然在力学性能和耐久性上取得了非常大的进步，但其仍具有混凝土自身的固有缺陷。混凝土在浇筑和养护过程中的收缩开裂在超高性能混凝土中依然存在，特别是超高性能混凝土具有水泥用量大、水胶比低等特点，随之而来的水化放热量高、自收缩大，其早期的收缩开裂比一般混凝土更加严重，极大制约了超高性能混凝土的发展应用。
针对超高性能混凝土减小收缩量的技术方法主要从以下几个方面考虑：降低水胶比，改善内部结构；掺入外加剂；改善拌合和养护条件，混凝土收缩开裂与内部的水量息息相关，外加剂的研究应用中，高吸水树脂(SAP)具有良好的吸水和保水功能，将其应用于混凝土时，同时也是良好的养护条件的实现，从而有效抑制混凝土的自收缩，提高混凝土的抗裂性能，是一种具有广阔应用前景的混凝土外加剂，生物质炭的物理性质和高吸水树脂相似，目前已有将污泥生物炭、玉米芯生物炭用于混凝土的报道，但是还没有将木质素基生物炭应用于混凝土的研究。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超高性能混凝土及其制备方法，将木质素基生物炭引入到混凝土中，所制备的混凝土具有良好的低收缩性、耐久性好、强度高、应用前景广阔。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种超高性能混凝土，以重量份计，包括如下组分的原料：水泥460-550份、粉煤灰40-50份、矿粉120-150份、天然砂600-650份、碎石800-900份、减水剂12-15份、钢纤维6-12份、改性生物质炭10-15份、改性纳米二氧化硅5-8份、水220-260份。
优选的，所述改性生物质炭的制备方法，包括如下步骤：将碱木质素置于马弗炉中，在氮气气氛中进行高温热裂解，得到生物质炭；然后将生物质炭加入到含硅烷偶联剂的混合溶剂中，搅拌反应，待反应完成后，进行过滤、洗涤、干燥，即得到改性生物质炭。
优选的，高温热裂解温度为500-600℃，高温热裂解时间为3-4h。
优选的，生物质炭与混合溶剂的质量比为10-15:100，所述混合溶剂由水和无水乙醇所组成，水和无水乙醇的质量比为1:1-1.5。
优选的，混合溶剂中硅烷偶联剂的含量为3-6wt％，其中硅烷偶联剂为KH550、KH560或KH570中的一种或多种。
优选的，所述改性纳米二氧化硅的制备方法，包括如下步骤：
(1)将纳米二氧化硅置于4-6mol/L的硝酸溶液中，加热回流反应，待反应结束后，进行洗涤、干燥，得到活化纳米二氧化硅；
(2)将活化纳米二氧化硅分散在甲苯溶剂中，加入γ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷，在50-80℃下搅拌反应8-12h，再加入对氨基苯磺酸溶液，继续搅拌反应16-24h，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，得到改性纳米二氧化硅。
优选的，步骤(1)中，加热回流反应温度为70-90℃，加热回流反应时间为3-5h。
优选的，步骤(2)中，活化纳米二氧化硅、γ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷和对氨基苯磺酸溶液的质量比为8-10:12-15:40-60。
优选的，步骤(2)中，对氨基苯磺酸溶液的质量分数为10-20％。
本发明还提供上述超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：将水泥、粉煤灰、矿粉、天然砂、碎石、减水剂、改性生物质炭和改性纳米二氧化硅按照重量配比搅拌混合均匀，得到混合料，然后向混合料中加水进行搅拌，搅拌均匀，再加入钢纤维，搅拌均匀后倒入模具中，浇筑成型，即得到超高性能混凝土。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
与采用传统的生物炭相比，本发明采用碱木质素作为生物炭源，碱木质素来源于造纸黑液，呈碱性，裂解所得到的生物炭具有一定的碱度，有利于促进水泥水化，更有利于混凝土早期强度发展；所制备的改性生物质炭具有良好的吸水性能和吸附性，对粉煤灰和矿粉等轻质材料具有一定的吸附能力，避免轻质材料上浮造成的分层离析、沁水等问题，并且在水化过程中，缓慢释放水分，同时改性生物质炭、改性二氧化硅与胶凝材料进行反应，填充生物质炭因释水而残留的孔洞，从而提高混凝土的强度。
本发明通过对纳米二氧化硅进行改性，通过引入活性官能团，与改性生物质炭、胶凝材料进行交联反应，有利于增加混凝土的密实性，同时磺酸基的加入会促进C3S的水化，与改性生物质炭协同作用，共同提高了混凝土的强度。
具体实施方式
以下通过具体较佳实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明并不仅限于以下的实施例。
需要说明的是，无特殊说明外，本发明中涉及到的化学试剂均通过商业渠道购买。
本发明中所使用的水泥为PO52.5普通硅酸盐水泥；
粉煤灰为II级粉煤灰；
矿粉的规格等级为S95级；
天然砂为天然石英砂，粒度为70-120目；
碎石的粒径为4-8mm；
减水剂为聚羧酸系减水剂，产品型号为AM-J1，购自河南亚上新材料有限公司；
钢纤维直径为0.20mm，长度分别为13mm的镀铜钢纤维；
碱木质素购自山东艾利万化工科技有限公司；
纳米二氧化硅的粒径为20nm。
实施例1
一种超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：
将5kg水泥、0.4kg粉煤灰、1.2kg矿粉、6kg天然砂、3kg碎石、120g减水剂、100g改性生物质炭和50g改性纳米二氧化硅混合搅拌240s，得到混合料，然后向混合料中加2.2kg水，搅拌180s，再加入60g钢纤维，继续搅拌300s，接着倒入模具中，浇筑成型，即得到超高性能混凝土；
其中，改性生物质炭的制备方法如下：将碱木质素置于马弗炉中，在氮气气氛中、500℃下高温热裂解3h，得到生物质炭；然后将10g生物质炭加入到50g水和50g无水乙醇的混合溶剂中，混合溶剂中KH550的质量分数为3％，搅拌反应8h，待反应完成后，进行过滤、洗涤、干燥，即得到改性生物质炭；
改性纳米二氧化硅的制备方法如下：
将20g纳米二氧化硅置于200mL，4mol/L的硝酸溶液中，在70℃下加热回流反应3h，待反应结束后，进行洗涤、干燥，得到活化纳米二氧化硅；
将10g活化纳米二氧化硅分散在200mL甲苯溶剂中，加入12gγ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷，在50℃下搅拌反应12h，再加入40g，20wt％的对氨基苯磺酸溶液，在60℃下继续搅拌反应16h，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，得到改性纳米二氧化硅。
实施例2
一种超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：
将4.6kg水泥、0.5kg粉煤灰、1.4kg矿粉、6.2kg天然砂、4kg碎石、150g减水剂、150g改性生物质炭和80g改性纳米二氧化硅混合搅拌240s，得到混合料，然后向混合料中加2.6kg水，搅拌180s，再加入120g钢纤维，继续搅拌300s，接着倒入模具中，浇筑成型，即得到超高性能混凝土；
其中，改性生物质炭的制备方法如下：将碱木质素置于马弗炉中，在氮气气氛中、600℃下高温热裂解3h，得到生物质炭；然后将10g生物质炭加入到50g水和50g无水乙醇的混合溶剂中，混合溶剂中KH550的质量分数为6％，搅拌反应8h，待反应完成后，进行过滤、洗涤、干燥，即得到改性生物质炭；
改性纳米二氧化硅的制备方法如下：
将20g纳米二氧化硅置于200mL，5mol/L的硝酸溶液中，在90℃下加热回流反应3h，待反应结束后，进行洗涤、干燥，得到活化纳米二氧化硅；
将10g活化纳米二氧化硅分散在200mL甲苯溶剂中，加入15gγ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷，在60℃下搅拌反应12h，再加入60g，10wt％的对氨基苯磺酸溶液，在60℃下继续搅拌反应20h，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，得到改性纳米二氧化硅。
实施例3
一种超高性能混凝土的制备方法，包括如下步骤：
将5.2kg水泥、0.45kg粉煤灰、1.5kg矿粉、6.5kg天然砂、5kg碎石、140g减水剂、140g改性生物质炭和60g改性纳米二氧化硅混合搅拌240s，得到混合料，然后向混合料中加2.5kg水，搅拌180s，再加入100g钢纤维，继续搅拌300s，接着倒入模具中，浇筑成型，即得到超高性能混凝土；
其中，改性生物质炭的制备方法如下：将碱木质素置于马弗炉中，在氮气气氛中、550℃下高温热裂解4h，得到生物质炭；然后将10g生物质炭加入到50g水和50g无水乙醇的混合溶剂中，混合溶剂中KH550的质量分数为5％，搅拌反应8h，待反应完成后，进行过滤、洗涤、干燥，即得到改性生物质炭；
改性纳米二氧化硅的制备方法如下：
将20g纳米二氧化硅置于200mL，5mol/L的硝酸溶液中，在80℃下加热回流反应4h，待反应结束后，进行洗涤、干燥，得到活化纳米二氧化硅；
将10g活化纳米二氧化硅分散在200mL甲苯溶剂中，加入14gγ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷，在60℃下搅拌反应12h，再加入50g，20wt％的对氨基苯磺酸溶液，在60℃下继续搅拌反应20h，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，得到改性纳米二氧化硅。
对比例1
一种混凝土的制备方法，包括如下步骤：
将5.2kg水泥、0.45kg粉煤灰、1.5kg矿粉、6.5kg天然砂、5kg碎石和140g减水剂混合搅拌240s，得到混合料，然后向混合料中加2.5kg水，搅拌180s，再加入100g钢纤维，继续搅拌300s，接着倒入模具中，浇筑成型，即得到混凝土。
对比例2
一种混凝土的制备方法，包括如下步骤：
将5.2kg水泥、0.45kg粉煤灰、1.5kg矿粉、6.5kg天然砂、5kg碎石、140g减水剂和140g改性生物质炭混合搅拌240s，得到混合料，然后向混合料中加2.5kg水，搅拌180s，再加入100g钢纤维，继续搅拌300s，接着倒入模具中，浇筑成型，即得到混凝土；
其中，改性生物质炭的制备方法如下：将碱木质素置于马弗炉中，在氮气气氛中、550℃下高温热裂解4h，得到生物质炭；然后将10g生物质炭加入到50g水和50g无水乙醇的混合溶剂中，混合溶剂中KH550的质量分数为5％，搅拌反应8h，待反应完成后，进行过滤、洗涤、干燥，即得到改性生物质炭。
对比例3
一种混凝土的制备方法，包括如下步骤：
将5.2kg水泥、0.45kg粉煤灰、1.5kg矿粉、6.5kg天然砂、5kg碎石、140g减水剂和60g改性纳米二氧化硅混合搅拌240s，得到混合料，然后向混合料中加2.5kg水，搅拌180s，再加入100g钢纤维，继续搅拌300s，接着倒入模具中，浇筑成型，即得到混凝土；
改性纳米二氧化硅的制备方法如下：
将20g纳米二氧化硅置于200mL，5mol/L的硝酸溶液中，在80℃下加热回流反应4h，待反应结束后，进行洗涤、干燥，得到活化纳米二氧化硅；
将10g活化纳米二氧化硅分散在200mL甲苯溶剂中，加入14gγ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷，在60℃下搅拌反应12h，再加入50g，20wt％的对氨基苯磺酸溶液，在60℃下继续搅拌反应20h，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，得到改性纳米二氧化硅。
将实施例1-3和对比例1-3所制备的混凝土进行性能测试，具体如下：
抗压强度：将实施例1-3和对比例1-3所制备的混凝土制成边长为100mm的标准立方体试块，标准条件下养护28d，采用万能试验机进行力学性能测试，加载速率为1MPa/s，测定混凝土在养护7d和养护28d的抗压强度；
收缩应变：将实施例1-3和对比例1-3所制备的混凝土制成直径为100mm、高度为400mm的圆柱形试块，在恒温恒湿环境中进行测试，温度为20℃，相对湿度为60％，在混凝土硬化后用石蜡将表面密封，放于测试支架，利用千分标测试静置4h后的初始长度L0，然后测试7d的长度Lt，根据公式计算收缩应变：N＝(L0-Lt)/L0×106；
试验结果如下表所示：
7d抗压强度(MPa) 28d抗压强度(MPa) 7d自收缩(με)
实施例1 139.1 168.7 23.5
实施例2 143.4 171.3 22.8
实施例3 141.8 169.6 23.1
对比例1 102.5 128.4 39.6
对比例2 117.6 141.2 28.7
对比例3 112.3 144.5 32.9
最后需要说明的是：以上实施例不以任何形式限制本发明。对本领域技术人员来说，在本发明基础上，可以对其作一些修改和改进。因此，凡在不偏离本发明精神的基础上所做的任何修改或改进，均属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种超高性能混凝土，其特征在于，以重量份计，包括如下组分的原料：水泥460-550份、粉煤灰40-50份、矿粉120-150份、天然砂600-650份、碎石300-500份、减水剂12-15份、钢纤维6-12份、改性生物质炭10-15份、改性纳米二氧化硅5-8份、水220-260份。
2.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述改性生物质炭的制备方法，包括如下步骤：将碱木质素置于马弗炉中，在氮气气氛中进行高温热裂解，得到生物质炭；然后将生物质炭加入到含硅烷偶联剂的混合溶剂中，搅拌反应，待反应完成后，进行过滤、洗涤、干燥，即得到改性生物质炭。
3.根据权利要求2所述的超高性能混凝土，其特征在于，高温热裂解温度为500-600℃，高温热裂解时间为3-4h。
4.根据权利要求2所述的超高性能混凝土，其特征在于，生物质炭与混合溶剂的质量比为10-15:100，所述混合溶剂由水和无水乙醇所组成，水和无水乙醇的质量比为1:1-1.5。
5.根据权利要求2所述的超高性能混凝土，其特征在于，混合溶剂中硅烷偶联剂的含量为3-6wt%，其中硅烷偶联剂为KH550、KH560或KH570中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的超高性能混凝土，其特征在于，所述改性纳米二氧化硅的制备方法，包括如下步骤：
（1）将纳米二氧化硅置于4-6mol/L的硝酸溶液中，加热回流反应，待反应结束后，进行洗涤、干燥，得到活化纳米二氧化硅；
（2）将活化纳米二氧化硅分散在甲苯溶剂中，加入γ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷，在50-80℃下搅拌反应8-12h，再加入对氨基苯磺酸溶液，继续搅拌反应16-24h，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，得到改性纳米二氧化硅。
7.根据权利要求6所述的超高性能混凝土，其特征在于，步骤（1）中，加热回流反应温度为70-90℃，加热回流反应时间为3-5h。
8.根据权利要求6所述的超高性能混凝土，其特征在于，步骤（2）中，活化纳米二氧化硅、γ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷和对氨基苯磺酸溶液的质量比为8-10:12-15:40-60。
9.根据权利要求6所述的超高性能混凝土，其特征在于，步骤（2）中，对氨基苯磺酸溶液的质量分数为10-20%。
10.一种如权利要求1-9任一项所述超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将水泥、粉煤灰、矿粉、天然砂、碎石、减水剂、改性生物质炭和改性纳米二氧化硅按照重量配比搅拌混合均匀，得到混合料，然后向混合料中加水进行搅拌，搅拌均匀，再加入钢纤维，搅拌均匀后倒入模具中，浇筑成型，即得到超高性能混凝土。
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