CN115849777B - 一种超疏水再生混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及混凝土加工技术领域，具体涉及一种超疏水再生混凝土及其制备方法，包含以下重量份的原料：水泥100‑130份、砂400‑460份、石子600‑680份、再生混凝土颗粒300‑350份、改性碳纤维50‑70份、减水剂0.5‑0.8份、引气剂0.2‑0.4份、水120‑150份。本发明中，通过在混凝土中加入改性碳纤维，能够对混凝土中的微孔进行填充，阻挡水的渗透，同时，改性碳纤维还能够在混凝土中相互搭接形成高密度的交联网络，不仅可以起到骨架支撑作用，提高再生混凝土的强度，同时还可以延长水分子的渗透路径，起到延缓甚至阻碍水分子渗透的作用，而且可以对水分子的渗透起到一定的截留作用，从而进一步阻挡水的渗透，从而实现了混凝土的高强度、高耐久性和高抗渗性。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土加工技术领域，具体为一种超疏水再生混凝土及其制备方法。
背景技术
随着城市的改造，造成城市中大量废弃建筑物形成建筑垃圾，这些建筑垃圾的处理不仅需要大面积的堆场，而且还花费大量的人力物力。随着建筑科学的发展，有效利用建筑垃圾成为一个新的课题。将废弃建筑物混凝土形成的建筑垃圾通过碎化后形成再生混凝土进行循环利用，不仅处理了大量的建筑垃圾，而且也节省了建筑材料。通过将废弃的混凝土块作为再生粗骨料，经过破碎、清洗、分级后，按一定比例与级配混合，部分或全部代替砂石等天然粗骨料，再加入水泥、水等配而成的新混凝土，实现了废旧资源的再利用。
例如现有技术中，一种再生混凝土骨料的制备工艺及应用其的再生混凝土，通过对再生混凝土骨料进行强化处理，降低再生混凝土骨料的孔隙率和吸水率，提高再生混凝土骨料的机械强度，从而提高再生混凝土的机械强度和耐久性，提高再生混凝土适用范围；但是，再生混凝土骨料破碎的过程中，骨料内部会产生微小裂缝，容易造成混凝土的吸水率高、孔隙率大、表观密度低等缺陷，从而导致再生混凝土的强度较低、耐久性较差，只能用于回填、路基等非结构非承重混凝土领域，造成再生混凝土的应用领域受到使得限制，再生混凝土的利用率非常低。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种超疏水再生混凝土及其制备方法，通过在混凝土中加入改性碳纤维，能够对混凝土中的微孔进行填充，由于改性碳纤维具有超强的疏水性能，能够阻挡水的渗透，同时，改性碳纤维还能够在混凝土中相互搭接形成高密度的交联网络，不仅可以起到骨架支撑作用，有效分散和传递应力，提高再生混凝土的强度，同时还可以延长水分子的渗透路径，起到延缓甚至阻碍水分子渗透的作用，而且可以对水分子的渗透起到一定的截留作用，从而进一步阻挡水的渗透，从而使得混凝土具有很好的疏水性，实现了混凝土的高强度、高耐久性和高抗渗性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种超疏水再生混凝土，所述再生混凝土包含以下重量份的原料：水泥100-130份、砂400-460份、石子600-680份、再生混凝土颗粒300-350份、改性碳纤维50-70份、减水剂0.5-0.8份、引气剂0.2-0.4份、水120-150份。
作为本发明的进一步优选方案，所述减水剂为聚羧酸系高效减水剂；
所述引气剂为松香树脂类引气剂、烷基苯磺酸盐类引气剂中任意一种；
作为本发明的进一步优选方案，所述改性碳纤维的制备方法如下：
1)在室温下，将适量的乙醇和氨水混合均匀，然后加入正硅酸乙酯和去离子水，搅拌3-5h，形成二氧化硅溶胶；
2)将适量的二氧化硅溶胶和乙醇倒入容器中，搅拌均匀后加入棕榈酸，在水浴条件下搅拌2-5h，再将适量的预水解的3-氨丙基三甲氧基硅烷加入到容器中，继续搅拌反应15-30min，待反应结束后冷却至室温，烘干后研磨成细粉，得到复合二氧化硅颗粒；
3)将适量地复合二氧化硅颗粒分散在乙醇中，然后加入环氧树脂和固化剂，将形成的溶液超声处理30-50min，得到处理液，将碳纤维经预处理后，加入到处理液中，控制固液比为1：(30-60)g/mL，继续超声处理20-30min，取出后在50-60℃烘箱中固化2-4h，即可得到改性碳纤维。
更进一步，步骤1)中，所述二氧化硅溶胶中，乙醇、氨水、正硅酸乙酯以及去离子水的比例为(100-150)mL：(1.5-4.5)mL：(80-120)mL：(100-130)mL；
所述氨水的浓度为25-28wt％。
更进一步，步骤2)中，所述二氧化硅溶胶、乙醇、棕榈酸以及预水解的3-氨丙基三甲氧基硅烷的比例为(30-50)mL：(50-80)mL：(10-13)g：(5-8)mL；
所述水浴温度为85-90℃。
更进一步，步骤3)中，所述处理液中，复合二氧化硅颗粒、乙醇、环氧树脂、固化剂的比例为(2-5)g：(30-50)mL：(2-4)mL：(0.5-0.8)mL；
所述固化剂为乙二胺、己二胺、二乙烯三胺中至少一种。
作为本发明的进一步优选方案，所述碳纤维的预处理，具体操作如下：
1)称取适量的金刚石粉末，超声分散于甘油中，得到悬浮液，将碳纤维加入到悬浮液中，机械搅拌1-3h，再超声处理80-130min，待处理结束后，用去离子水进行反复冲洗；
2)将上述处理过的碳纤维用氮气干燥后，转移至反应腔体中，采用气相沉淀法，在碳纤维表面沉积纳米金刚石颗粒，其通入的气体为丙酮和氢气，丙酮采用氢气鼓泡的方式带入反应腔体中，待处理结束后即可。
更进一步，步骤1)中，所述金刚石粉末地粒径为1-5μm；
所述悬浮液地浓度为1-3g/L；
所述碳纤维与悬浮液的质量体积比为1：(30-50)g/mL；
所述机械搅拌的转速为1000-2000r/min；
所述超声处理的功率为500-800W。
更进一步，步骤2)中，所述丙酮和氢气的流量比为(90-110)：200；
所述反应腔体中，气压为1.3-2.5kPa，钽丝高度为6-8mm，生长功率为1900-2100W，生长时间为15-25min。
一种超疏水再生混凝土的制备方法，具体制备方法如下：
将砂、石子、再生混凝土颗粒和水进行混合搅拌，搅拌1-2h，得第一混合物，将减水剂、水泥、引气剂加入第一混合物中，搅拌均匀，得第二混合物，将改性碳纤维加入第二混合物内，搅拌1-2h，即得混凝土。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中，通过棕榈酸和3-氨丙基三甲氧基硅烷对二氧化硅颗粒进行表面处理，利用棕榈酸具有一个疏水端和一个亲水端的特点，将棕榈酸的亲水端接枝到二氧化硅表面，使得二氧化硅表现出疏水性，并且棕榈酸的短链可以在二氧化硅上提供更致密的涂层，并且可以以相似的体积负载更多的纳米颗粒，从而进一步增强二氧化硅的疏水性，然后将碳纤维浸泡在复合二氧化硅颗粒和环氧树脂中，在搅拌和超声辅助作用下，对碳纤维表面进行修饰，从而在碳纤维表面形成超疏水涂层，使得碳纤维具有超强的疏水性能，同时，使用环氧树脂能够大大提高涂层的耐久性，使得涂层在外力作用下依然可以保持结构的完整性，从而使得改性后的碳纤维应用于混凝土中时，在与各种原料进行混合搅拌时，原料颗粒在对碳纤维表面的涂层进行撞击、摩擦时，涂层不易发生破损，从而使得改性碳纤维依然可以保持优良的疏水性能；而且，在对碳纤维进行改性处理后，改性碳纤维表面由于低表面能和粗糙结构，使得水无法润湿碳纤维，在水中会在表面形成一层气膜，水与改性碳纤维表面的接触面积大大减小，使得改性碳纤维能够把受到腐蚀的影响大大降低，从而使得改性碳纤维在呈碱性的混凝土中依然具有很好的疏水性能。
为了进一步提高改性碳纤维的疏水性，以及提高涂层在碳纤维表面的结合强度，本发明中还对碳纤维进行了预处理，采用气相沉淀的方法，在碳纤维表面形成大量单个颗粒状的纳米金刚石，并且通过控制反应功率以及反应时间，调控纳米金刚石颗粒的粒径以及颗粒间距，从而在碳纤维表面形成由一定间距的金刚石颗粒形成的三维立体结构，能够将液滴支撑起到，从而有效提高了碳纤维表面的接触角，从而有助于进一步提高改性碳纤维的疏水性；而且，碳纤维表面沉积的纳米金刚石也增大了碳纤维表面的粗糙度，从而有利于提高后期涂层在碳纤维表面的附着力，使得碳纤维表面可以形成牢固的疏水涂层。
本发明中，通过在混凝土中加入改性碳纤维，能够对混凝土中的微孔进行填充，由于改性碳纤维具有超强的疏水性能，能够阻挡水的渗透，同时，改性碳纤维还能够在混凝土中相互搭接形成高密度的交联网络，不仅可以起到骨架支撑作用，有效分散和传递应力，提高再生混凝土的强度，同时还可以延长水分子的渗透路径，起到延缓甚至阻碍水分子渗透的作用，而且可以对水分子的渗透起到一定的截留作用，从而进一步阻挡水的渗透，从而使得混凝土具有很好的疏水性，实现了混凝土的高强度、高耐久性和高抗渗性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为改性碳纤维用量混凝土抗渗性能的影响图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种超疏水再生混凝土，所述再生混凝土包含以下重量份的原料：水泥100份、砂400份、石子600份、再生混凝土颗粒300份、改性碳纤维50份、聚羧酸系高效减水剂0.5份、十二烷基苯磺酸钠0.2份、水120份。
其中，改性碳纤维的制备方法如下：
1)在室温下，将100mL乙醇和1.5mL浓度为25wt％的氨水混合均匀，然后加入80mL正硅酸乙酯和100mL去离子水，以100r/min搅拌3h，形成二氧化硅溶胶；
2)将30mL二氧化硅溶胶和50mL乙醇倒入容器中，搅拌均匀后加入10g棕榈酸，并在85℃水浴下以50r/min搅拌2h，再将5mL预水解的3-氨丙基三甲氧基硅烷加入到容器中，继续搅拌反应15min，待反应结束后冷却至室温，烘干后研磨成细粉，得到复合二氧化硅颗粒；
3)将2g复合二氧化硅颗粒分散在30mL乙醇中，然后加入2mL环氧树脂和0.5mL固化剂，将形成的溶液在200W超声处理30min，得到处理液，将碳纤维经预处理后，加入到处理液中，控制固液比为1：30g/mL，继续超声处理20min，取出后在50℃烘箱中固化2h，即可得到改性碳纤维。
上述，碳纤维的预处理，具体操作如下：
1)称取适量粒径为1μm的金刚石粉末，超声分散于甘油中，得到1g/L的悬浮液，按照质量体积比为1：30g/mL，将碳纤维加入到悬浮液中，在1000r/min下机械搅拌1h，再经500W超声处理80min，待处理结束后，用去离子水进行反复冲洗；
2)将上述处理过的碳纤维用氮气干燥后，转移至反应腔体中，采用气相沉淀法，在碳纤维表面沉积纳米金刚石颗粒，其通入的气体为丙酮和氢气，丙酮采用氢气鼓泡的方式带入反应腔体中，丙酮和氢气的流量比为90：200，气压为1.3kPa，钽丝高度为6mm，生长功率为1900W，生长时间为15min，待处理结束后即可。
一种超疏水再生混凝土的制备方法，具体制备方法如下：
将砂、石子、再生混凝土颗粒和水进行混合搅拌，搅拌1h，得第一混合物，将减水剂、水泥、引气剂加入第一混合物中，搅拌均匀，得第二混合物，将改性碳纤维加入第二混合物内，搅拌1h，即得混凝土。
实施例2
一种超疏水再生混凝土，所述再生混凝土包含以下重量份的原料：水泥120份、砂430份、石子650份、再生混凝土颗粒320份、改性碳纤维60份、聚羧酸系高效减水剂0.7份、十二烷基苯磺酸钠0.3份、水140份。
其中，改性碳纤维的制备方法如下：
1)在室温下，将120mL乙醇和3mL浓度为26wt％的氨水混合均匀，然后加入100mL正硅酸乙酯和120mL去离子水，以150r/min搅拌4h，形成二氧化硅溶胶；
2)将40mL二氧化硅溶胶和60mL乙醇倒入容器中，搅拌均匀后加入12g棕榈酸，并在87℃水浴下以70r/min搅拌3h，再将7mL预水解的3-氨丙基三甲氧基硅烷加入到容器中，继续搅拌反应20min，待反应结束后冷却至室温，烘干后研磨成细粉，得到复合二氧化硅颗粒；
3)将3g复合二氧化硅颗粒分散在40mL乙醇中，然后加入3mL环氧树脂和0.7mL固化剂，将形成的溶液在260W超声处理40min，得到处理液，将碳纤维经预处理后，加入到处理液中，控制固液比为1：50g/mL，继续超声处理25min，取出后在55℃烘箱中固化3h，即可得到改性碳纤维。
上述，碳纤维的预处理，具体操作如下：
1)称取适量粒径为3μm的金刚石粉末，超声分散于甘油中，得到2g/L的悬浮液，按照质量体积比为1：40g/mL，将碳纤维加入到悬浮液中，在1500r/min下机械搅拌2h，再经700W超声处理100min，待处理结束后，用去离子水进行反复冲洗；
2)将上述处理过的碳纤维用氮气干燥后，转移至反应腔体中，采用气相沉淀法，在碳纤维表面沉积纳米金刚石颗粒，其通入的气体为丙酮和氢气，丙酮采用氢气鼓泡的方式带入反应腔体中，丙酮和氢气的流量比为100：200，气压为1.8kPa，钽丝高度为7mm，生长功率为2000W，生长时间为20min，待处理结束后即可。
一种超疏水再生混凝土的制备方法，具体制备方法如下：
将砂、石子、再生混凝土颗粒和水进行混合搅拌，搅拌1.5h，得第一混合物，将减水剂、水泥、引气剂加入第一混合物中，搅拌均匀，得第二混合物，将改性碳纤维加入第二混合物内，搅拌1.5h，即得混凝土
实施例3
一种超疏水再生混凝土，所述再生混凝土包含以下重量份的原料：水泥130份、砂460份、石子680份、再生混凝土颗粒350份、改性碳纤维70份、聚羧酸系高效减水剂0.8份、十二烷基苯磺酸钠0.4份、水150份。
其中，改性碳纤维的制备方法如下：
1)在室温下，将150mL乙醇和4.5mL浓度为28wt％的氨水混合均匀，然后加入120mL正硅酸乙酯和130mL去离子水，以180r/min搅拌5h，形成二氧化硅溶胶；
2)将50mL二氧化硅溶胶和80mL乙醇倒入容器中，搅拌均匀后加入13g棕榈酸，并在90℃水浴下以100r/min搅拌5h，再将8mL预水解的3-氨丙基三甲氧基硅烷加入到容器中，继续搅拌反应30min，待反应结束后冷却至室温，烘干后研磨成细粉，得到复合二氧化硅颗粒；
3)将5g复合二氧化硅颗粒分散在50mL乙醇中，然后加入4mL环氧树脂和0.8mL固化剂，将形成的溶液在300W超声处理50min，得到处理液，将碳纤维经预处理后，加入到处理液中，控制固液比为1：60g/mL，继续超声处理30min，取出后在60℃烘箱中固化4h，即可得到改性碳纤维。
上述，碳纤维的预处理，具体操作如下：
1)称取适量粒径为5μm的金刚石粉末，超声分散于甘油中，得到3g/L的悬浮液，按照质量体积比为1：50g/mL，将碳纤维加入到悬浮液中，在2000r/min下机械搅拌3h，再经800W超声处理130min，待处理结束后，用去离子水进行反复冲洗；
2)将上述处理过的碳纤维用氮气干燥后，转移至反应腔体中，采用气相沉淀法，在碳纤维表面沉积纳米金刚石颗粒，其通入的气体为丙酮和氢气，丙酮采用氢气鼓泡的方式带入反应腔体中，丙酮和氢气的流量比为110：200，气压为2.5kPa，钽丝高度为8mm，生长功率为2100W，生长时间为25min，待处理结束后即可。
一种超疏水再生混凝土的制备方法，具体制备方法如下：
将砂、石子、再生混凝土颗粒和水进行混合搅拌，搅拌2h，得第一混合物，将减水剂、水泥、引气剂加入第一混合物中，搅拌均匀，得第二混合物，将改性碳纤维加入第二混合物内，搅拌2h，即得混凝土。
对比例1：本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于，使用普通的碳纤维替换改性碳纤维。
对比例2：本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于，改性碳纤维的制备过程中，不添加棕榈酸。
对比例3：本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于，改性碳纤维的制备过程中，碳纤维未进行预处理。
测试试验1：
按照实施例1-3和对比例1-3的制备方法进行制备混凝土，并且按照相同的养护条件进行养护28天，然后按照如下检测方法对其性能进行检测，其检测结果如表1所示。
抗压强度：按照GB/T50107-2010《混凝土强度检验评定标准》中的试验方法进行检测；抗渗性能：按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的试验方法进行检测，渗透压力为3.5MPa，加压时间为48h；
抗冻融性能：按照JTGE30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中的试验方法进行检测，采用快速冷冻试验机检测混凝土的抗冻性能；其中，一次冻融循环耗时2-5h，冻融温度为-18℃，试样尺寸为100mm×100mm×500mm。
表1实施例1-3和对比例1-3的检测结果
通过上述检测结果可知，本发明中的混凝土抗压强度高达57.8MPa，渗水高度低至1.01mm，并且抗冻融循环300次试验后，质量损失低至0.08％，弹性模量损失低至0.16％；说明本发明中的混凝土的综合性能优异，具有高强度、高耐久性和高抗渗性。
测试试验2：
以实施例1为基础试样，对比混凝土中，改性碳纤维的用量对混凝土抗渗性的影响，如图1，通过图1可以看出，随着改性碳纤维用量的增加，混凝土的渗水高度逐渐降低，但当改性碳纤维用量超过一定数值后，电混凝土的渗水高度呈上升趋势。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (8)
1.一种超疏水再生混凝土，其特征在于，所述再生混凝土包含以下重量份的原料：水泥100-130份、砂400-460份、石子600-680份、再生混凝土颗粒300-350份、改性碳纤维50-70份、减水剂0.5-0.8份、引气剂0.2-0.4份、水120-150份；
所述改性碳纤维的制备方法如下：
1）在室温下，将适量的乙醇和氨水混合均匀，然后加入正硅酸乙酯和去离子水，搅拌3-5h，形成二氧化硅溶胶；
2）将适量的二氧化硅溶胶和乙醇倒入容器中，搅拌均匀后加入棕榈酸，在水浴条件下搅拌2-5h，再将适量的预水解的3-氨丙基三甲氧基硅烷加入到容器中，继续搅拌反应15-30min，待反应结束后冷却至室温，烘干后研磨成细粉，得到复合二氧化硅颗粒；
3）将适量地复合二氧化硅颗粒分散在乙醇中，然后加入环氧树脂和固化剂，将形成的溶液超声处理30-50min，得到处理液，将碳纤维经预处理后，加入到处理液中，控制固液比为1：（30-60）g/mL，继续超声处理20-30min，取出后在50-60℃烘箱中固化2-4h，即可得到改性碳纤维；
所述碳纤维的预处理，具体操作如下：
a称取适量的金刚石粉末，超声分散于甘油中，得到悬浮液，将碳纤维加入到悬浮液中，机械搅拌1-3h，再超声处理80-130min，待处理结束后，用去离子水进行反复冲洗；
b将上述处理过的碳纤维用氮气干燥后，转移至反应腔体中，采用气相沉淀法，在碳纤维表面沉积纳米金刚石颗粒，其通入的气体为丙酮和氢气，丙酮采用氢气鼓泡的方式带入反应腔体中，待处理结束后即可。
2.根据权利要求1所述的一种超疏水再生混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸系高效减水剂；
所述引气剂为松香树脂类引气剂、烷基苯磺酸盐类引气剂中任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种超疏水再生混凝土，其特征在于，步骤1）中，所述二氧化硅溶胶中，乙醇、氨水、正硅酸乙酯以及去离子水的比例为（100-150）mL：（1.5-4.5）mL：（80-120）mL：（100-130）mL；
所述氨水的浓度为25-28wt%。
4.根据权利要求1所述的一种超疏水再生混凝土，其特征在于，步骤2）中，所述二氧化硅溶胶、乙醇、棕榈酸以及预水解的3-氨丙基三甲氧基硅烷的比例为（30-50）mL：（50-80）mL：（10-13）g：（5-8）mL；
所述水浴温度为85-90℃。
5.根据权利要求1所述的一种超疏水再生混凝土，其特征在于，步骤3）中，所述处理液中，复合二氧化硅颗粒、乙醇、环氧树脂、固化剂的比例为（2-5）g：（30-50）mL：（2-4)mL：（0.5-0.8）mL；
所述固化剂为乙二胺、己二胺、二乙烯三胺中至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种超疏水再生混凝土，其特征在于，步骤a中，所述金刚石粉末的粒径为1-5μm；
所述悬浮液的浓度为1-3g/L；
所述碳纤维与悬浮液的质量体积比为1：（30-50）g/mL；
所述机械搅拌的转速为1000-2000r/min；
所述超声处理的功率为500-800W。
7.根据权利要求1所述的一种超疏水再生混凝土，其特征在于，步骤b中，所述丙酮和氢气的流量比为（90-110）：200；
所述反应腔体中，气压为1.3-2.5kPa，钽丝高度为6-8mm，生长功率为1900-2100W，生长时间为15-25min。
8.根据权利要求1所述的一种超疏水再生混凝土的制备方法，其特征在于，具体制备方法如下：
将砂、石子、再生混凝土颗粒和水进行混合搅拌，搅拌1-2h，得第一混合物，将减水剂、水泥、引气剂加入第一混合物中，搅拌均匀，得第二混合物，将改性碳纤维加入第二混合物内，搅拌1-2h，即得超疏水再生混凝土。
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