CN116813377A - 一种促进混凝土裂缝自愈合的活性材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种促进混凝土裂缝自愈合的活性材料及其制备方法和应用。该活性材料包括碳酸钠、硅酸钠、甲酸钙、纳米二氧化硅、甘氨酸和三乙醇胺。该活性材料修复能力强，在混凝土拌合时加入所述活性材料，能够在标准养护条件下，甚至是海洋环境条件中减小混凝土表面开裂后裂缝的宽度，并显著提升混凝土结构的力学性能、抗渗性能和耐久性等性能。材料的制备方法简单，成本低廉，适合工业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种混凝土修复用活性材料，尤其涉及一种促进混凝土裂缝自愈合的活性材料，还涉及其制备方法，属于建筑材料技术领域。
技术背景
随着现代化和城镇化的进程，基础设施建设从快速发展进入了稳步前进期。混凝土作为建(构)筑物的主要建筑材料，它的耐久性问题受到了越来越多的关注，并且耐久性与其抗渗性密切相关。由于温度、湿度以及各种工况的复杂作用，混凝土结构可能会产生不同尺寸、位置分布的微裂缝。裂缝为侵蚀性介质的侵入提供了通道，进而破坏混凝土结构的完整性，造成内部包裹的钢筋锈蚀破坏，降低结构的抗渗性。因此，裂缝的存在要求混凝土结构具有高耐久性和强抗渗透性，这也为混凝土开裂后的修复技术提出了巨大挑战。
目前主要有两种修复技术，一是在水泥基材料的拌合期间掺入具有特定功能的材料，在服役期间不需要进行多余的人工干预就能够在混凝土开裂后实现自行愈合。常见的外加剂材料包括活性矿物掺合料、膨胀剂、高吸水性聚合物、微生物材料等。然而这些外加剂材料在实现自愈合功能方面存在效率低、稳定性差和成本高等问题。二是在混凝土结构表层涂刷防护材料，例如抗冲磨材料、表面自洁净材料，但是表层修复材料自身的耐久性问题仍然是一大难题，在海洋环境等复杂服役条件下的修复尤其困难，因此第一类修复技术具有较好的应用前景。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种促进混凝土裂缝自愈合的活性材料。该活性材料修复能力强，能够显著提升混凝土材料的力学性能和抗渗性能。
本发明的另一个目的是提供一种促进混凝土裂缝自愈合的活性材料的制备方法。该方法操作方便，成本低廉，适合工业化应用。
本发明的第三个目的是提供一种促进混凝土裂缝自愈合的活性材料的应用。该材料作为促进混凝土裂缝自愈合的功能材料应用，仅添加少量就能够提高混凝土材料的裂缝自愈合效率、力学性能和抗渗性能，可广泛应用于海洋工程。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种促进混凝土裂缝自愈合的活性材料，其包括碳酸钠、硅酸钠、甲酸钙、纳米二氧化硅、甘氨酸和三乙醇胺。
本发明中，碳酸钠和硅酸钠均为可溶性无机盐，能够与钙离子反应生成不溶性无机盐，增加固相成分从而填充裂缝区域；甲酸钙不仅能作为自愈合结晶物质的钙源补充剂，加快裂缝自愈合进程，而且所提供羧基能够渗透经过熟料表面形成的早期水化产物，从而加快C2S、C3S水化反应速率；甘氨酸和三乙醇胺作为离子络合剂，具有协同作用，能够络合更多种类的离子，同时甘氨酸能够为三乙醇胺提供更好的作用环境(如pH值)，提高离子络合效率，有助于改善混凝土材料的力学性能和渗透性。该活性材料能够从混凝土基体中传输至开裂后的裂缝表面，使得裂缝附近发生沉淀-络合反应，生成自愈合产物，从而修补裂缝、恢复结构的完整性。
作为一个优选的方案，所述活性材料包括以下质量份组分：
碳酸钠0.5～1.5份；
硅酸钠0.5～1.5份；
甲酸钙0.5～1份；
纳米二氧化硅0.5～1.5份；
甘氨酸0.5～1.5份；
三乙醇胺0.02～0.1份。
各组成材料需要有良好的配伍，其用量不宜超出给定的范围。任何组分用量过低均会导致活性材料不能有效发挥作用，而各组分用量过高可能会产生负作用，影响活性材料使用效果。例如，在基体水化程度相近的情况下，合适掺量的三乙醇胺(≤0.05份)和甘氨酸(≤1.0份)可以使Ca(OH)2晶体的层状结构更大、更致密；与此相反，过量掺入三乙醇胺和甘氨酸，会使Ca(OH)2的晶体结构变得更小、更疏松、扭曲呈放射状分布，进而导致孔结构不良，从而影响混凝土的强度。
作为一个优选的方案，所述活性材料包括以下质量份组分：
碳酸钠1～1.5份；
硅酸钠1～1.5份；
甲酸钙0.5～1份；
纳米二氧化硅1～1.5份；
甘氨酸1～1.5份；
三乙醇胺0.02～0.08份。
采用上述优选的组分配比能够使活性材料具有更优异的促进混凝土裂缝自愈合效果。
作为一个优选的方案，所述纳米二氧化硅的比表面积为200～250m2/g。
作为一个优选的方案，所述纳米二氧化硅为气相纳米二氧化硅。气相纳米二氧化硅粉的颗粒尺寸为纳米级，溶解在水中形成悬浊液。
本发明还提供了一种促进混凝土裂缝自愈合的活性材料的制备方法，该方法是将包含碳酸钠、硅酸钠、甲酸钙、纳米二氧化硅、甘氨酸在内的原料混合，再加入三乙醇胺混合，即得。
通过超声混合能够使所有活性材料的成分在水中均匀分散。超声分散时间主要对产品的均匀性有影响，原材料包含多种类粉体混合和固液混合，具体的超声分散时间可以根据原材料的数量进行调整。
本发明还提供了一种促进混凝土裂缝自愈合的活性材料的应用，其作为促进混凝土裂缝自愈合的功能材料应用。将该材料作为混凝土裂缝自愈合的功能材料应用时，可显著提升混凝土裂缝自愈合效率、力学性能和抗渗性能。
作为一个优选的方案，所述促进混凝土裂缝自愈合的功能材料的添加用量不超过混凝土胶凝材料的5wt％。将功能材料添加用量控制在合适的范围能够使混凝土裂缝自愈合效果较好，掺量过高不仅会增加成本，而且影响混凝土的凝结硬化，而掺杂量过低则会使得混凝土裂缝自愈合效果较差。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)能够在不同养护条件下达到减小裂缝宽度，甚至是闭合表面裂缝的功能，并且与混凝土材料体系有很好的相容性，在成型混凝土时加入该活性材料，能够使得构件开裂后具有较好的自发的裂缝修补能力，尤其是在海洋环境中，可显著提高基体的自修复能力；
(2)有助于提高混凝土材料的力学性能和抗渗性能，可广泛应用于海洋工程，降低工程维护成本；
(3)材料制备方法简单，原料易得，操作方便，显著降低工艺成本。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
本发明中所使用的原材料在市面上均可购得，选用市售产品即可。
本发明的具体实施例中，采用普通硅酸盐水泥P.O 42.5，细度模数为2.76的河砂。在性能试验中，对标准养护3天的水泥胶砂试件人工施加微裂缝作为缺陷。选择不同的后续养护条件，包括标准养护、自来水浸泡、自来水干湿循环、海水浸泡、海水干湿循环，观察水泥胶砂试件28天内裂缝宽度变化情况，另外，对水泥胶砂试件进行相关的力学性能测试和渗透性测试。
实施例1
(1)原材料配制(按质量份计算)：水泥94.96份，碳酸钠1份，硅酸钠1份，甲酸钙0.5份，纳米二氧化硅1份，甘氨酸1份，三乙醇胺0.04份，砂200份，水40份，聚羧酸减水剂0.4份，聚丙烯纤维掺入体积率为0.2％(相对于混合原料)；
(2)活性材料制备：将上述质量份的碳酸钠、硅酸钠、甲酸钙、纳米二氧化硅、甘氨酸混合形成混合粉料，然后向粉料中添加液体组分三乙醇胺0.04份，以及全部拌合水，然后使用超声分散仪超声10分钟，得到活性材料备用；
(3)水泥胶砂制备：砂浆搅拌过程参照GB/T 17671，先用胶砂搅拌机混合好水泥和砂，备用；将活性材料、砂浆以及减水剂倒入搅拌锅内混合搅拌均匀后，将砂浆浇注到模具中。
将本实施例所制备的一种能够促进混凝土裂缝自愈合的活性材料应用于标准养护3天后预开裂的水泥胶砂试件，为开裂后的试件继续提供标准养护条件，水泥胶砂试件应用该活性材料前后的裂缝宽度及抗渗性的变化如下：
(1)活性材料对预开裂水泥胶砂裂缝愈合的影响
表1
由表1可知，在拌合期间加入所述活性材料，随着龄期的增加能够增强基体自身的裂缝修复能力。裂缝宽度愈合率28天时相较于普通水泥胶砂，增加了51.35％。其中，掺加了活性材料的水泥胶砂试件3天预开裂，裂缝可控制在200微米，标准养护28天过程中裂缝宽度逐渐变小，最终28天裂缝宽度平均值达到33微米。
(2)活性材料对预开裂水泥胶砂抗压强度的影响
表2
| 检验项目 | 未应用活性材料 | 应用活性材料 |
| 3天抗压强度(MPa) | 20.1 | 31.8 |
| 28天(修复)抗压强度(MPa) | 37.6 | 47.8 |
根据GB/T 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测得试件的抗压强度，由表2可知，应用活性材料对开裂后的水泥胶砂基体本身有强度提升效果。掺加活性材料后，水泥胶砂修复28d抗压强度更高，有助于混凝土开裂后力学性能的恢复。
实施例2
采用实施例1的方法制备活性材料及水泥胶砂，不同之处在于：水泥质量份变为55.46份，同时增加粉煤灰25份，矿渣粉15份。
本实施例所制备的促进混凝土裂缝自愈合的活性材料应用于标准养护3天后预开裂的水泥胶砂试件，开裂后的试件继续提供海水全浸泡养护条件，其中根据ASTM D1141-98《Standard Practice for Preparation of Substitute Ocean Water》人工配制海水。应用活性材料造成的水泥胶砂试件裂缝宽度和耐久性性能的变化如下：
表3
由表3可知，相较于普通水泥胶砂，掺加活性材料后能够促进基体自愈合，28天内测得的裂缝宽度愈合率更高。28天时裂缝宽度愈合率已达到70.60％，表明裂缝修复效率较高。添加活性材料后水泥胶砂的二次抗压强度7天提高了160.23％，14天提高了104.81％，28天提高了111.76％，说明活性材料修补裂缝的同时改善了基体的整体性，因此提高了二次抗压强度。
耐久性性能分别根据NT Build 492、ASTM C1585、CNS JTJ270-89测试了氯离子渗透系数、毛细吸水系数、气体渗透系数。活性材料的掺加对抗氯离子渗透性、抗毛细吸水和抗气体渗透性均有所提升。另外，该实施例还表明，在有矿物掺合料的情况下，活性材料的性能依然不受影响。
本发明针对不同组分配比下活性材料对水泥胶砂试件性能影响进行了试验，其中，活性材料组成配比如表4所示。
表4活性材料组成(wt/vt.％)
注：NS为纳米二氧化硅。
水泥胶砂试件基准组和开裂修复组3d和28d抗压强度试验结果如表5所示。
表5水泥胶砂试件的力学性能试验结果
在3天龄期时对水泥胶砂试件进行一次抗渗压力试验，然后将已击穿的试件持续标准养护28天后进行二次抗渗压力试验，试验结果如表6所示。
表6水泥胶砂试件的抗渗性能试验结果
从表5和表6的实验结果可以看出，各组分在优选的控制范围内时，得到的活性材料性能最佳，能够促进混凝土裂缝自愈合，明显提高水泥胶砂的抗压性能以及抗渗性能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解为：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下，可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种促进混凝土裂缝自愈合的活性材料，其特征在于：包括碳酸钠、硅酸钠、甲酸钙、纳米二氧化硅、甘氨酸和三乙醇胺。
2.根据权利要求1所述的一种促进混凝土裂缝自愈合的活性材料，其特征在于：包括以下质量份成分：
碳酸钠0.5～1.5份；
硅酸钠0.5～1.5份；
甲酸钙0.5～1份；
纳米二氧化硅0.5～1.5份；
甘氨酸0.5～1.5份；
三乙醇胺0.02～0.1份。
3.根据权利要求1所述的一种促进混凝土裂缝自愈合的活性材料，其特征在于：包括以下质量份成分：
碳酸钠1～1.5份；
硅酸钠1～1.5份；
甲酸钙0.5～1份；
纳米二氧化硅1～1.5份；
甘氨酸1～1.5份；
三乙醇胺0.02～0.08份。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种促进混凝土裂缝自愈合的活性材料，其特征在于：所述纳米二氧化硅的比表面积为200～250m2/g。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种促进混凝土裂缝自愈合的活性材料，其特征在于：所述纳米二氧化硅为气相纳米二氧化硅。
6.权利要求1～5中任何一项所述的一种促进混凝土裂缝自愈合的活性材料的制备方法，其特征在于：将包含碳酸钠、硅酸钠、甲酸钙、纳米二氧化硅、甘氨酸在内的原料混合，再加入三乙醇胺混合，即得。
7.权利要求1～5中任何一项所述的一种促进混凝土裂缝自愈合的活性材料的应用，其特征在于：作为促进混凝土裂缝自愈合的功能材料应用。
8.根据权利要求7所述的一种促进混凝土裂缝自愈合的活性材料的应用，其特征在于：所述促进混凝土裂缝自愈合的功能材料的添加用量不超过混凝土胶凝材料的5wt％。
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