CN116425489A - 一种自修复超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自修复超高性能混凝土及其制备方法和应用,该混凝土的原料包括质量比为(20‑25):(12‑16):2的超塑化剂、微胶囊和固化剂,以及其他组分;该混凝土的制备方法为将水和超塑化剂搅拌均匀后;加入硅酸盐水泥、硅灰和石英粉,搅拌均匀后;加入胶囊和固化剂,搅拌均匀后;加入石英砂,搅拌均匀后;加入钢纤维,搅拌均匀后,得到混合物;将混合物浇筑、成型、养护后,得到自修复超高性能混凝土。与现有技术相比,本发明的平均抗压强度在130MPa以上,微裂缝自修复消除损伤以及修复后抗拉强度的增加会大幅度提高UHPC的耐久性;开裂后静置24小时的平均自修复率在15%以上,能够有效解决新型UHPC材料易出现收缩微裂缝的问题,实现混凝土结构构件的自动修复。

Description

一种自修复超高性能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,具体涉及一种自修复超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)是一种新型超高性能水泥基复合材料,最早由法国BOUYGUES公司于1993年研制成功,当时称活性粉末混凝土(RPC)。与常用的水泥基混凝土材料相比,UHPC在抗拉强度、抗压强度、阻裂性、耐磨性、耐腐蚀性、抗冻性及抗渗性等方面具有更加优越的性能。近年来,UHPC因其良好的使用性能越来越多地在工程结构中使用。
然而,与普通强度混凝土相比,超高性能混凝土的水泥砂具有较高的收缩率,容易产生收缩微裂缝。虽然,由于UHPC中掺有的钢纤维和钢筋网,裂缝较细微,但随着交通荷载的反复作用下,这种早期微裂缝以及后期运营阶段产生的微裂缝都将使得超高性能混凝土的使用寿命急剧缩短。
自修复混凝土(SHC)具有裂纹自动探查和自动修复的能力,可以显著降低基础设施的维护成本,对于隧道和桥梁等经常暴露于水中或腐蚀环境中的基础设施而言有很大的发展前景。在工程应用上,为了获得较理想的材料性能和良好的治愈效果,开裂自愈过程需要设计和优化。然而,目前对混凝土自修复模拟的理论研究尚处于起步阶段,其可靠性达不到工程需要,不足以模拟材料和结构在力和环境耦合作用下的真实规律。同时,根据现有的SHC试验结果,在普通混凝土中掺入微胶囊会降低其抗压强度等多方面性能。因此,如何在不大幅度牺牲混凝土结构力学性能的前提下,将修复材料引入混凝土的损伤之中,并实现开裂后实时修复至关重要。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷中的至少一种而提供一种不大幅度牺牲混凝土结构力学性能,实现混凝土结构构件的自动修复的自修复超高性能混凝土及其制备方法。
发明人发现将SHC材料技术与UHPC材料技术相结合,可以得到一种微裂缝自修复特质UHPC材料,使超高性能混凝土的收缩开裂问题能够得以有效解决。同时UHPC的超高性能也为混凝土中掺入微胶囊后的性能下降提供足够的富余量,使微裂缝自修复消除损伤以及修复后,能够大幅度提高特质UHPC结构的耐久性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
本发明目的之一在于一种自修复超高性能混凝土,该混凝土的原料包括质量比为(20-25):(12-16):2的超塑化剂、微胶囊和固化剂,以及其他组分。
进一步地,按重量份,所述的混凝土的原料包括硅酸盐水泥700-800份、硅灰70-100份、石英粉240-280份、石英砂900-1100份、水150-200份、超塑化剂20-25份、钢纤维140-160份、微胶囊12-16份和固化剂1-3份。
优选地,按重量份,所述的混凝土的原料包括硅酸盐水泥750份、硅灰90份、石英粉263份、石英砂1012份、水178份、超塑化剂23份、钢纤维156份、微胶囊15份和固化剂2份。其中,水可以选用自来水。
进一步地,所述的硅酸盐水泥为P.Ⅱ52.5级硅酸盐水泥;所述的硅灰为超细硅灰,粒径为0.1-0.15μm,二氧化硅质量分数≥85%;所述的钢纤维为短切钢纤维,长度为10-15mm,直径为0.1-0.15mm;优选地,钢纤维的长度为13mm。
进一步地,所述的石英砂包括质量比为(2-2.5):1的粗石英砂和细石英砂。
进一步地,所述的细石英砂粒径为0.15-0.2mm,表观密度为20-25kg/m3;所述的粗石英砂粒径为0.3-0.6mm,表观密度为20-25kg/m3
进一步地,所述的超塑化剂为液态聚羧酸系超塑化剂,固含量>30%,pH值为6.5-7.5,减水率≥30%。
进一步地,所述的微胶囊包括壁材和芯材,壁材为共缩聚树脂预聚体,优选三聚氰胺-尿素-甲醛的共缩聚树脂预聚体,芯材为环氧树脂,优选双酚A环氧树脂(E-51)。
进一步地,所述的固化剂为环氧树脂胺固化剂。
本发明目的之二在于一种如上所述的自修复超高性能混凝土的制备方法,其特征在于,该制备方法包括如下步骤:
将水和超塑化剂搅拌均匀后;加入硅酸盐水泥、硅灰和石英粉,搅拌均匀后;加入胶囊和固化剂,搅拌均匀后;加入石英砂,搅拌均匀后;加入钢纤维,搅拌均匀后,得到混合物;
将混合物浇筑、成型、养护后,得到自修复超高性能混凝土。
具体来说:
(1)将搅拌机器内清理干净,润湿并沥去多余水分;
(2)将硅酸盐水泥、硅灰、石英粉、细石英砂、粗石英砂、水、超塑化剂、钢纤维、微胶囊、固化剂按照设计的配合比称取相应重量;
(3)将水和超塑化剂加入搅拌机,之后启动搅拌机,搅拌5-20秒;
(4)向步骤(3)的混合物缓慢加入水泥、硅灰和石英粉,之后搅拌2-5分钟;
(5)向步骤(4)的混合物加入微胶囊和固化剂,搅拌1-3分钟;
(6)向步骤(5)的混合物加入细石英砂和粗石英砂,搅拌2-5分钟;
(7)向步骤(6)的混合物加入钢纤维,搅拌1-3分钟;
(8)将步骤(7)的混合物浇筑、成型、养护28天即得到自修复超高性能混凝土。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)本发明将超高性能混凝土技术与自修复混凝土技术相结合,将微胶囊掺入超高性能混凝土中,开发出适用于工程应用的能够实现微裂缝自修复的超高性能混凝土材料。以此方法掺加微胶囊制备自修复超高性能混凝土,微胶囊对混凝土流动性和粘性产生的影响可以忽略不计,混凝土流动性不会发生明显降低,立方体抗压试验中,平均抗压强度在130MPa以上,且微裂缝自修复消除损伤以及修复后抗拉强度的增加会大幅度提高UHPC的耐久性。
(2)本发明制备的自修复超高性能混凝土修复效果较快,在开裂后静置24小时的平均自修复率在15%以上,能够有效解决新型UHPC材料易出现收缩微裂缝的问题,实现混凝土结构构件的自动修复,提高混凝土结构构件在长期服役过程中承载能力和使用性能,大幅减少既有结构的运营维护成本。
附图说明
图1为实施例中自修复超高性能混凝土使用微胶囊的自主式自愈示意图;
图2为实施例中采用裂缝观测仪观测自修复超高性能混凝土第一次开裂的裂缝;
图3为实施例中采用裂缝观测仪观测自修复超高性能混凝土第一次开裂后静置24h后的裂缝。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
一种自修复超高性能混凝土,其配方如表1所示。
表1实施例组分表
Figure BDA0004202623550000041
一种自修复超高性能混凝土的制备方法
按重量份,将178重量份的水和23重量份的超塑化剂加入搅拌机,之后启动搅拌机,搅拌10秒;缓慢加入750重量份的水泥、90重量份的硅灰和263重量份的石英粉,之后搅拌3分钟;加入15重量份的微胶囊和2重量份的固化剂,搅拌2分钟;加入304重量份的细石英砂和708重量份的粗石英砂,搅拌3分钟;加入156重量份的钢纤维,搅拌2分钟;分别浇筑成5个40×40×160mm的长方体试块和5个100×100×100mm的立方体试块,以分别进行自修复试验和立方体抗压试验,观察自修复效果和28天抗压强度。
表2实施例中试块的测试结果
Figure BDA0004202623550000051
从表2可以得知,抗压强度的均值为130.08MPa,修复率的均值为17.6。
图1为使用微胶囊自主式自愈方法图示。将愈合剂摄入到嵌在混凝土基底材料上离散的微胶囊中,见图1a。当混凝土出现裂缝后,微胶囊的外壳则被破坏,此时内部的愈合剂即可释放出来,见图1b;由于裂缝产生的毛细管虹吸作用迅速渗入裂缝,在催化剂的作用下产生交联聚合,使附近的损伤部分得到愈合,由此达到裂缝自动修复的效果,见图1c。
采用裂缝观测仪测量自修复超高性能混凝土第一次开裂的裂缝,见图2,以及自修复超高性能混凝土第一次开裂后静置24h后的裂缝,见图3,可以看出,愈合剂使裂缝得到有效闭合,修复效果比较明显。
实施例2
实施例2与实施例1的基本相同,不同之处在于,实施例2中微胶囊与水泥、硅灰和石英粉混合后加入到搅拌机内,制得的混凝土的强度为131.46MPa。故微胶囊加入的时间并不影响混凝土的强度。
对比例1
对比例1与实施例1的基本相同,不同之处在于,对比例1中不加入微胶囊,制得的无微胶囊的细骨料超高性能混凝土强度为170.62MPa。
故加入微胶囊会降低得到的混凝土强度,但是在工程应用领域,实施例1制得的混凝土的强度仍处在可接受范围内。
综上所述,本实施例将超高性能混凝土技术与自修复混凝土技术相结合,将微胶囊掺入超高性能混凝土中,开发出适用于工程应用的能够实现微裂缝自修复的超高性能混凝土材料。以此方法掺加微胶囊制备自修复超高性能混凝土,微胶囊对混凝土流动性和粘性产生的影响可以忽略不计,混凝土流动性不会发生明显降低,立方体抗压试验中,平均抗压强度在130MPa及以上,且微裂缝自修复消除损伤以及修复后抗拉强度的增加会大幅度提高UHPC的耐久性。该自修复超高性能混凝土修复效果较快,在开裂后静置24小时的平均自修复率在15%以上,能够有效解决新型UHPC材料易出现收缩微裂缝的问题,实现混凝土结构构件的自动修复,提高混凝土结构构件在长期服役过程中承载能力和使用性能,大幅减少既有结构的运营维护成本。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非是对本发明作其它形式的限制,任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型,仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种自修复超高性能混凝土,其特征在于,该混凝土的原料包括质量比为(20-25):(12-16):2的超塑化剂、微胶囊和固化剂,以及其他组分。
2.根据权利要求1所述的一种自修复超高性能混凝土,其特征在于,按重量份,所述的混凝土的原料包括硅酸盐水泥700-800份、硅灰70-100份、石英粉240-280份、石英砂900-1100份、水150-200份、超塑化剂20-25份、钢纤维140-160份、微胶囊12-16份和固化剂1-3份。
3.根据权利要求2所述的一种自修复超高性能混凝土,其特征在于,
所述的硅酸盐水泥为P.Ⅱ52.5级硅酸盐水泥;
所述的硅灰为超细硅灰,粒径为0.1-0.15μm,二氧化硅质量分数≥85%;
所述的钢纤维为短切钢纤维,长度为10-15mm,直径为0.1-0.15mm。
4.根据权利要求2所述的一种自修复超高性能混凝土,其特征在于,所述的石英砂包括质量比为(2-2.5):1的粗石英砂和细石英砂。
5.根据权利要求4所述的一种自修复超高性能混凝土,其特征在于,所述的细石英砂粒径为0.15-0.2mm,表观密度为20-25kg/m3;所述的粗石英砂粒径为0.3-0.6mm,表观密度为20-25kg/m3
6.根据权利要求1所述的一种自修复超高性能混凝土,其特征在于,所述的超塑化剂为液态聚羧酸系超塑化剂,固含量>30%,pH值为6.5-7.5,减水率≥30%。
7.根据权利要求1所述的一种自修复超高性能混凝土,其特征在于,所述的微胶囊包括壁材和芯材,壁材为共缩聚树脂预聚体,芯材为环氧树脂。
8.根据权利要求7所述的一种自修复超高性能混凝土,其特征在于,所述的共缩聚树脂预聚体为三聚氰胺-尿素-甲醛的共缩聚树脂预聚体;所述的环氧树脂为双酚A环氧树脂。
9.根据权利要求1所述的一种自修复超高性能混凝土,其特征在于,所述的固化剂为环氧树脂胺固化剂。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的自修复超高性能混凝土的制备方法,其特征在于,该制备方法包括如下步骤:
将水和超塑化剂搅拌均匀后;加入硅酸盐水泥、硅灰和石英粉,搅拌均匀后;加入胶囊和固化剂,搅拌均匀后;加入石英砂,搅拌均匀后;加入钢纤维,搅拌均匀后,得到混合物;
将混合物浇筑、成型、养护后,得到自修复超高性能混凝土。
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