CN116901243A - 混凝土韧性仿生皮层及其原位生长方法和应用 - Google Patents

混凝土韧性仿生皮层及其原位生长方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于混凝土技术领域，具体公开了一种混凝土韧性仿生皮层原位生长方法，将网布浸入新拌混凝土的表面后硬化，利用浸入的纤维网布参与表面的新拌混凝土的硬化，并在混凝土的表面原位形成包埋有所述网布的韧性仿生皮层。本发明所述的方法能够在混凝土表现原位构建韧性和耐久性皮层，其能够改善混凝土的保护效果。

Description

混凝土韧性仿生皮层及其原位生长方法和应用
技术领域
本发明混凝土加工领域，具体涉及韧性混凝土加工领域。
背景技术
钢筋混凝土自1872年由法国人Joseph Monier发明后，使得混凝土成为了一种全世界应用最大的材料，因为钢筋和混凝土能协同工作，由钢筋提供抗拉强度，而混凝土提供抗压强度，从而保证钢筋混凝土能抵御各种静、动荷载。
但混凝土是一种脆性多孔材料，混凝土中的水泥水化产物不稳定，在外界荷载和环境因素的影响下，脆性混凝土容易出现：
(1)开裂：如水分蒸发，温度变化等产生微小形变而导致开裂；动荷载作用下导致的开裂；
(2)耐久性问题：如溶蚀、碳化、硫酸盐、冻融等多种物理、化学侵蚀破坏，海洋环境中氯离子在混凝土渗透导致钢筋生锈破坏混凝土等。
(3)混凝土开裂与混凝土耐久性相互影响，相互加剧。
因此，如果提高混凝土的韧性和耐久性一直是混凝土研究的难点。提高混凝土耐久性，自上世纪中叶以来，混凝土化学外加剂(特别是减水剂)和矿物外加剂(粉煤灰、矿渣和硅粉等)在混凝土中得到推广使用。减水剂通过减少混凝土拌合用水，显著降低混凝土中的孔隙率，提高混凝土抗压强度；矿物外加剂通过形态效应，微集料和火山灰效应，进一步提高混凝土密实性。但减水剂和矿物外加剂等使用降低了混凝土中的用水量，致使混凝土更容易出现由于水分失去而导致开裂；混凝土强度提高但脆性不断增大，更易出现脆性开裂等。因此，外加剂技术虽然提高混凝土的抗压强度和致密性，但混凝土开裂现象越来越明显。
为了提高混凝土韧性和耐久性，另外一种方法是在混凝土中掺加短纤维(如钢纤维、无机矿物纤维和有机纤维等)，但由于纤维自身耐久性(如钢纤维生锈，玻璃纤维的耐碱性)、纤维在混凝土中分散效应限制纤维长度(长纤维更能提高混凝土韧性，长矿物纤维容易发生断裂)、纤维与混凝土之间的粘结性能(有机纤维表层多为憎水，与混凝土之间粘结性能差)和价格昂贵(钢纤维、聚乙烯醇纤维价格高)等都制约了短纤维在混凝土中广泛使用，只能作为特种材料在特点需求环境中小规模应用，如活性粉末混凝土(RPC)，高延性水泥基材料(ECC)等，这些材料虽然具有高延性，但因为价格昂贵，生产条件要求高，应用范围窄。
为了提高混凝土耐久性，还可以采用表面涂层、渗透性模板和一次性模板等方法。表面涂层是高分子物质，涂刷在混凝土表层，由于光热作用，容易老化，失去保护作用。渗透性模板由过滤层、排水层和结构支架所组成，在浇捣过程，混凝土中的空气和多余水分从模板渗透逸出，使混凝土表层的水灰比显著降低，从而提高表层混凝土密实度，这种方法能改善表层混凝土密度性能，但却无法改善混凝土韧性。一次性模板也称为免拆模板，其本质上是指工厂定制各种纤维增强复合材料，代替混凝土浇筑用的钢模或者木模板，新拌混凝土浇筑完成后，免拆模板与混凝土粘结在一起。但这种免拆模板未能进入新拌混凝土中，构成整体，反而还存在新拌混凝土与免拆模板之间的粘结强度问题，在变形的影响下，免拆模板还可能与混凝土之间发生脱粘。而且免拆模板价格昂贵，无法大规模推广使用。
综上所述，现有技术措施基本已无法再进一步提升对混凝土耐久性和韧性。
发明内容
针对提升混凝土韧性和耐久性困难的问题，本发明一种混凝土韧性仿生皮层原位生长方法，旨在在混凝土的表面原位构建具有优异韧性以及耐久性的韧性仿生皮层。
本发明第二目的在于，提供所述制备方法制备的韧性仿生皮层、原位复合有所述韧性仿生皮层的混凝土及其应用。
一种混凝土韧性仿生皮层原位生长方法，将网布浸入新拌混凝土的表面后硬化，利用浸入的纤维网布参与表面的新拌混凝土的硬化，并在混凝土的表面原位形成包埋有所述网布的韧性仿生皮层。
本发明提供了一种通过构建仿生皮层来保护混凝土，改善其韧性和耐久性的全新思路，其创新地在新拌混凝土硬化终凝前在其表面浸入网布，利用网布提供的网络骨架参与并诱导表面的新拌混凝土的硬化，从而利于在混凝土的表面形成原位复合有网布的特殊结构、兼顾优异韧性和耐久性的仿生皮层(类似于在混凝土外层包覆韧性仿生皮肤)。本发明中，得益于所述的原位构建的仿生皮层的保护作用，有助于改善混凝土的耐久性、韧性。
本发明中，所述的网布无纺土工布。
优选地，所述的网布的密度为10～200g/m2；进一步优选为20～150g/m2。
本发明中，预先将网布浸入新拌混凝土的表面(也即是网布的厚度方向进入新拌混凝土的表面)是利用其网络骨架诱导原位形成仿生皮层的关键。本发明中，所述的网布沿厚度方向全部浸入新拌混凝土中。
本发明中，可采用以下两种典型的方式将网布浸入新拌混凝土：A：可将网布预设在模板的内壁，随后再浇筑新拌混凝土，利用新拌混凝土渗透浸渍所述的网布，使网布浸入新拌混凝土的表面；
和/或，B：将网布通过挤压或振动方式压入并浸渍在浇筑完成的新拌混凝土表面。
本发明方式A中，所述的网布和模板通过双面胶带或其他方式临时固定。所述的临时固定指浇筑前，所述的网布固定在模板内壁，待浇筑、固化以及脱模后，网布浸入新拌混凝土的表面形成仿生皮层而和模板内壁剥离。
本发明中，所述的网布以整片式或者分片拼接式复合在模板的内壁。所述的分片拼接式采用的网布可以具有规则形貌或者不规则表面形状。
优选地，所述的网布覆盖模板内壁100％的面积。
以模板为L1(长)*L2(宽)*H(高)的长方体柱体为例，其可以采用尺寸为(2L1+2L2)*H尺寸的整片式网布对模板内壁进行覆盖(整片式复合)。也可以采用尺寸为2*L1*H+2*L2*H的四片网布按模板周长方向依次搭接对模板内壁进行覆盖(四片式复合)。也可以采用尺寸为2(LI+L2)*H或者((LI+L2+L1)*H+L2*H)的两片网布按模板周长方向依次搭接对模板内壁进行覆盖(两片式复合)。本发明研究意外发现，采用所述的两片式复合方式，能够意外地获得更优的方式皮层增韧效果。
本发明中，所述的新拌混凝土可以是行业内常规的混凝土拌合料，例如可以为包含水泥、沙和水的拌合料，其中的拌合料中也允许添加有允许添加的骨料、助剂(如减水剂、缓凝剂等)等成分。
优选地，将硬化后的混凝土进行养护处理。
本发明中，还提供了所述的制备方法制得的韧性仿生皮层。
本发明还提供了表面原位形成有所述韧性仿生皮层的混凝土。
本发明所述的方法，在混凝土上原位形成了仿生皮层，如此能够地改善混凝土的韧性以及耐久性。
本发明中，还包括所述的制备方法制得的表面原位形成有仿生皮层的混凝土的应用，其可以用于任意混凝土应用场景，特别是可以用作常规混凝土难于满足要求的高原地区、水坝、隧道、高铁、寒冷地区等高要求场景的混凝土。
本发明以整体论、仿生学和“材料-结构-功能”一体化为基础，提出了本发明的理念：将钢筋混凝土看成一个整体或躯体，其中钢筋是钢筋混凝土的骨架，脆性混凝土是基体，如能在脆性混凝土表层原位生成一层韧性、致密的皮层，整个钢筋混凝土构件将变成骨架+基体+皮层三部分，皮层是在混凝土生长过程中(浇筑→凝结硬化→强度发展)原位生成，与混凝土基体之间如同动物皮肤和躯体之间成为整体，实现“材料-结构-功能”一体化。通过这层韧性、致密的皮层将能有效避免混凝土的脆性破坏，大幅提升混凝土的耐久性。
有益效果
本发明针对混凝土韧性和耐久性提升困难的现状，通过简单有效的方法，基于长纤维水泥基材料的方法，原位生成韧性混凝土皮层，构成具有韧性皮层的复合混凝土，提高混凝土的韧性和耐久性。具体为：
一、技术效应
本发明与现有技术相比，具有的技术效应是：
(1)通过韧性混凝土皮层的增韧效应，能显著提高混凝土韧性，解决混凝土脆性破坏问题。
(2)通过韧性混凝土皮层的阻碍效应，能显著提高混凝土的抗渗能力，阻止水分的蒸发与进入混凝土，提高混凝土耐久性。
二、经济与社会效应
本发明采用的土木纤维网布价格便宜，并不会增加太多施工成本。
本发明所述的韧性混凝土皮层原位复合方法简单易行，施工上容易实现。
本发明可广泛应用于基础建设，特别是适用于我国西部地区高原地区(如川藏铁路建设)，高原地区干燥、地下水富含硫酸盐等侵蚀物质，采用本发明，可以解决混凝土干燥收缩开裂，隔断混凝土硫酸盐侵蚀。
本发明可广泛应用于水坝、隧道衬砌和海洋环境混凝土抗渗设计施工。
本发明可广泛应用于大面积混凝土，特别是我国高铁建设中双块式无砟轨道道床抗裂要施工、CRTSIII型无砟轨道结构底座板抗裂要求施工，我国寒冷地区大面积混凝土抗冻要求施工。
附图说明
图1为实施例1模拟模板组成方式生成韧性混凝土皮层
图2为实施例1韧性混凝土皮层对混凝土应力应变的影响
图3为实施例2试件破坏后形貌
图4为实施例4韧性混凝土皮层对混凝土失水率和吸水率的影响
图5为实施例5试验测试图
图6为实施例5韧性皮层对新拌砂浆毛细孔压力的影响
具体实施方式：
本发明提供了一种韧性混凝土皮层及其原位自生方法，通过在模板表面临时固定纤维网布，新拌混凝土渗透浸渍纤维网布，凝结硬化后，在混凝土表层形成韧性混凝土皮层；或将纤维网布通过平板振动压入浇筑完成的新拌混凝土表层，直至新拌混凝土完全浸渍纤维网布，混凝土硬化后，在混凝土表层形成韧性混凝土皮层。构成的韧性混凝土皮层是混凝土的一部分，如同人体肌肉的皮肤层，能显著提高混凝土韧性；韧性混凝土皮层致密，能有效阻断混凝土与外部环境之间的水分迁移(如蒸发和渗透等)，能有效阻止混凝土开裂。
本发明中，所述的一种韧性混凝土皮层，其特征在于是一种纤维网布复合混凝土。
本发明中，所述的纤维网布复合混凝土，其特征在于纤维网布为常用各种无纺布。优选为密度为20～150g/m2，例如，具体可以为20g/m2、30g/m2、40g/m2、50g/m2、60g/m2、80g/m2、100g/m2和150g/m2的无纺土工布其中一种。
本发明中，所述的一种韧性混凝土皮层原位自生方法，其特征在于在混凝土表层铺设纤维网布，新拌混凝土渗透浸渍纤维网布，混凝土硬化后，在混凝土表面原位自生成韧性混凝土皮层。
本发明中，所述的混凝土表层铺设纤维网布，其特征在混凝土浇筑模板上固定一层纤维网布，纤维网布与模板为临时连接，混凝土硬化拆模，韧性混凝土皮层与模板自动脱离。
本发明中，所述的混凝土表层铺设纤维网布，其特征又在于将纤维网布通过平板振动压入浇筑完成的新拌混凝土表层，直至新拌混凝土完全浸渍纤维网布。
具体实施方式一
模拟现场模板组成方式(见图1)，采用150mm×150mm×150mm模具，采用密度为150g/cm2的纤维土工布，将土工布分单独四片(每一片尺寸为150mm×150mm)、对称两片(每一片尺寸为150mm×300mm)、非对称两片(其中一片的尺寸为150mm×150mm，另一片尺寸为150mm×450mm)、整体一片(尺寸为150mm×600mm)通过双面胶带将纤维土工布粘结在模具四周。然后将3组不同配合比混凝土(表1)浇筑到模具内，新拌混凝土渗透浸渍纤维土工布，硬化后，模具与韧性混凝土皮层脱落。然后再放入标准养护室(20℃±2℃，相对湿度≥95％)养护90天后，分别测试韧性混凝土皮层对不同性能的影响。
表1不同对比例混凝土配合比/(kg·m-3)
实施例1
标准养护90天后，测试配合比1和配合比2试件的应力应变，试验结果见图2所示。对应的峰值应变和破坏做功见表2所示。
表2韧性混凝土皮层提升混凝土韧性
从图2可见，对比对照组混凝土，在混凝土达到相同应变的情况下，韧性混凝土表层能显著提升混凝土应力；在混凝土达到相同应力的情况下，韧性混凝土表层能显著提升混凝土的应变。韧性混凝土皮层能显著提混凝土的韧性，其破坏做功受不同的韧性混凝土皮层的组成方式的影响。整体构成的韧性混凝土皮层能显著提升混凝土破坏做功，配合比1混凝土提升46.4％，配合比2混凝土提升42％。
破坏后的混凝土试件见图3所示。
从图3可见，试件受压破坏后，对照组试件完全脆裂，而包裹有韧性混凝土皮层的混凝土保持完成，变混凝土试件脆性破坏为韧性破坏。
实施例2
配合比1混凝土标准养护90d后，对试件进行劈裂抗拉试件，结果见表3所示。
表3韧性混凝土皮层对混凝土劈裂抗裂强度的影响
从图3可见，韧性混凝土皮层能提高混凝土试件的劈裂抗拉强度17％以上，混凝土抗开裂能力显著提高。
实施例3
对配合比1、配合比2和配合比3试件垂直于韧性混凝土皮层面取芯，切割成一个φ50mm×100mm覆盖有韧性混凝土皮层的试件和一个φ50mm×100mm无韧性混凝土皮层的对照试件，对比测试了两个不同试件的抗氯离子渗透电通量，测试结果见表4所示。
表4韧性混凝土皮层对混凝土氯离子电通量的影响
由表4可见，韧性混凝土皮层试件和对照试件都来源于同一混凝土试件，但韧性混凝土皮层能显著降低混凝土的抗氯离子渗透的电通量，平均降低35％以上，这说明韧性混凝土皮层能有效提高混凝土抗渗性能，从而大幅提高混凝土耐久性。
实施例4
将配合比1试件标准养护90天后，放入60℃的烘箱中，测试随时间延长的试件的失水率；然后将烘干试件半浸泡在水中，测试随时间延长试件的吸水率。试验结果见图4所示。
从图4可见，对比对照组，不同方式原位自生的韧性混凝土皮层都能显著降低混凝土试件的失水率(降低约43％)，说明能韧性混凝土皮层能有效组织混凝土试件中水分蒸发而导致的开裂现象。而另一方面，韧性混凝土皮层又能有效阻止水分进入混凝土中，其吸水率也显著降低(也降低约43％)，这说明韧性混凝土皮层能有效隔断外界环境水分(特别是含有硫酸盐，氯盐)进入混凝土内部，显著提高混凝土耐久性。
具体实施方式二
模拟通过挤压方式将纤维布压入新拌混凝土表面，试验研究形成的韧性皮层对新拌混凝土水分蒸发的影响。
实施例5
采用40mm×120mm×160mm的模具模拟大面积混凝土，将配合比为水泥:砂:水＝1:3:0.5的新拌砂浆装入模具中，将密度为100g/cm2的纤维土工布用刮刀慢慢挤压，直至新拌砂浆完全渗透土工布。将毛细管压力测试仪器插入新拌砂浆内，采用风扇加剧砂浆表面水分蒸发，风速为3.1m/s，测试水分蒸发导致砂浆内部毛细孔压力随时间的变化规律。试验测试图见图5所示，试验结果见图6所示。
由图6可见，韧性皮层对新拌砂浆内部的水分产生的毛细孔压力有显著的延后效应，这表明韧性皮层能显著阻止水分蒸发，保持新拌砂浆内部水分充裕，有利于砂浆内部水泥水化，组织砂浆表面开裂。

Claims (10)

1.一种混凝土韧性仿生皮层原位生长方法，其特征在于，将网布浸入新拌混凝土的表面后硬化，利用浸入的纤维网布参与表面的新拌混凝土的硬化，并在混凝土的表面原位形成包埋有所述网布的韧性仿生皮层。
2.如权利要求1所述的混凝土韧性仿生皮层原位生长方法，其特征在于，所述的网布为长丝无纺土工布。
3.如权利要求2所述的混凝土韧性仿生皮层原位生长方法，其特征在于，所述的网布的密度为10～200g/m2；进一步优选为20～150g/m2。
4.如权利要求1～3任一项所述的混凝土韧性仿生皮层原位生长方法，其特征在于，将网布预设在模板的内壁，随后再浇筑新拌混凝土，利用新拌混凝土渗透浸渍所述的网布，使网布完全浸入新拌混凝土的表面；
和/或，将网布通过挤压或振动方式压入并浸渍在浇筑完成的新拌混凝土表面。
5.如权利要求4所述的混凝土韧性仿生皮层原位生长方法，其特征在于，所述的网布和模板通过双面胶带临时固定或其他临时连接固定方式。
6.如权利要求4所述的混凝土韧性仿生皮层原位生长方法，其特征在于，所述的网布以整片式或者分片拼接式复合在模板的内壁。
7.如权利要求6所述的混凝土韧性仿生皮层原位生长方法，其特征在于，所述的网布覆盖模板内壁100％的面积。
8.一种权利要求1～7任一项所述的混凝土韧性仿生皮层原位生长方法形成的韧性仿生皮层。
9.一种表面原位形成有韧性仿生皮层的混凝土，其特征在于，其包括采用权利要求1～7任一项所述的方法制备的韧性仿生皮层。
10.一种权利要求9所述的混凝土的应用，其特征在于，将其用作高原地区、盐渍土、沙漠地区、河流、海洋、水坝、隧道、高铁、寒冷地区中的至少一种使用环境的混凝土。
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