CN117088630A - 一种再生混凝土掺加材料和再生混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种再生混凝土掺加材料和再生混凝土及其制备方法，涉及混凝土材料技术领域。本发明提供的再生混凝土掺加材料，包括煅烧水滑石；所述煅烧水滑石是将水滑石在600℃以下的温度条件下煅烧得到的。本发明将水滑石在适当的温度煅烧后，失去其层间阴离子和水分，得到煅烧水滑石；所述煅烧水滑石的高活性能够吸附多余的氯离子。本发明提供了一种再生混凝土，本发明将煅烧水滑石添加至再生混凝土中不仅能够吸附再生骨料携带氯离子，在再生骨料根源上解决了携带离子的问题，还能够使再生混凝土孔隙结构得到改善，延长再生混凝土的使用寿命，达到改善孔隙率高和提高耐久性的双重效果，对资源节约具有重要的理论和现实意义。

Description

一种再生混凝土掺加材料和再生混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土材料技术领域，尤其涉及一种再生混凝土掺加材料和再生混凝土及其制备方法。

背景技术

随着我国建筑业的发展，混凝土应用随之广泛。为践行资源化利用制度，将废弃混凝土破碎再投入使用成为了一个重要方式。但是这种再生骨料存在众多缺陷，比如：吸水率高、压碎指标高、表面粗糙、孔隙率大等。尤其，再生骨料在母体混凝土服役环境的复杂性导致其携带了氯离子等侵蚀性离子，进而作为腐蚀源进入混凝土内部发生腐蚀扩散，严重影响了再生混凝土的力学性能和耐久性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种再生混凝土掺加材料和再生混凝土及其制备方法。将本发明提供的再生混凝土掺加材料掺加到再生混凝土中，能够吸收氯离子，增强再生混凝土的性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种再生混凝土掺加材料，包括煅烧水滑石；所述煅烧水滑石是将水滑石在600℃以下的温度条件下煅烧得到的。

优选地，所述水滑石的分子式为Mg₆Al₂(CO₃)(OH)₁₆4H₂O。

优选地，所述煅烧的温度为500～600℃，时间为3～5h。

优选地，升温至所述煅烧的温度的升温速率为3～10℃/min。

本发明提供了一种再生混凝土，包括以下质量份数的原料：

以上技术方案所述的再生混凝土掺加材料0.1～2份、水泥15～17份、再生粗骨料40～45份、细骨料30～35份、减水剂0.1～0.3份和水5～8份；所述再生粗骨料为再生混凝土骨料。

优选地，所述水泥为P.O 52.5级硅酸盐水泥。

优选地，所述再生粗骨料的粒径为4.75mm～26.5mm。

优选地，所述细骨料为河砂，细度模量为2.5。

优选地，所述减水剂为聚羧酸基减水剂，减水率为25％。

本发明提供了以上技术方案所述再生混凝土的制备方法，包括以下步骤：

将所述再生粗骨料、细骨料、水泥和再生混凝土掺加材料进行第一混合，得到第一混合料；

将所述第一混合料与水和减水剂进行第二混合，得到第二混合料；

将所述第二混合料振实后养护，得到所述再生混凝土。

本发明提供了一种再生混凝土掺加材料，包括煅烧水滑石；所述煅烧水滑石是将水滑石在600℃以下的温度条件下煅烧得到的。本发明将水滑石在适当的温度煅烧，使其失去其层间阴离子和水分，得到煅烧水滑石；所述煅烧水滑石的高活性能够吸附多余的氯离子。

本发明提供了一种再生混凝土，包括以下质量份数的原料：以上技术方案所述的再生混凝土掺加材料0.1～2份、水泥15～17份、再生粗骨料40～45份、细骨料30～35份、减水剂0.1～0.3份和水5～8份；所述再生粗骨料为再生混凝土骨料。再生骨料携带氯离子进入再生混凝土中会发生侵蚀扩散而导致一系列的问题，本发明以煅烧水滑石(即再生混凝土掺加材料)为吸附剂，主要用于吸收再生骨料溶出的氯离子，发挥水滑石煅烧后失去层间阴离子和水分的高活性特点，达到吸收氯离子功效，在再生骨料根源上解决了携带离子的问题；加入煅烧水滑石后还能吸附外界侵蚀的氯离子，提高混凝土抗氯离子渗透性，还能保证混凝土强度，提高再生混凝土使用寿命；并且，将煅烧水滑石添加至再生混凝土中，能够作为纳米材料发挥填充效应改善再生混凝土的孔隙结构，减少大孔占比，提高再生混凝土密实度，起到改善孔隙率高和提高耐久性的双重效果。此外，本发明实现了资源节约和环境保护，适于全面推广和应用。

本发明提供了以上技术方案所述再生混凝土的制备方法，本发明采用外掺的方式加入煅烧水滑石(即再生混凝土掺加材料)，制备方便。

附图说明

图1为实施例中LDHs和LDOs的热重曲线、x射线粉末衍射图谱和扫描电镜图像，图1中(a)为LDHs的TG和DTG曲线，(b)为LDHs和LDOs的x射线粉末衍射图谱，(c)为LDHs的扫描电镜图像，(d)为LDOs的扫描电镜图像；

图2为实施例2中养护28天的再生混凝土RAC-C30-00、RAC-C30-03、RAC-C60-00和RAC-C60-03抗压强度柱状图；

图3为实施例2中掺加LDOs前以及掺加不同量LDOs后的再生混凝土的氯离子渗透系数曲线图。

具体实施方式

本发明提供了一种再生混凝土掺加材料，包括煅烧水滑石；所述煅烧水滑石是将水滑石在600℃以下的温度条件下煅烧得到的。

本发明对所述水滑石的来源没有特别的要求，采用本领域熟知的市售商品即可。在本发明中，所述水滑石的分子式优选为Mg₆Al₂(CO₃)(OH)₁₆4H₂O。

本发明主要利用的水滑石“结构记忆效应”，水滑石是由带正电荷的金属氢氧化物层板和层板之间的阴离子堆积而成的层状双金属氢氧化物(Layered double hydroxides，简称LDHs)。水滑石在适当的温度煅烧后会失去层间阴离子和水分，而在有水分和阴离子的环境下(将煅烧后的分解产物与相应的适量碱溶液和阴离子混合进行再水化)，又会吸附固化部分阴离子和水分恢复到LDHs原有的形貌和结构。本发明将水滑石的煅烧温度控制在600℃以下，当超过600℃时，水滑石的层状结构无法复原，出现镁铝尖晶石固溶液。在本发明实施例中，所述煅烧的温度优选为500～600℃，时间优选为3～5h；升温至所述煅烧的温度的升温速率优选为3～10℃/min，更优选为5℃/min；所述煅烧优选在马弗炉中进行。

在本发明中，水滑石煅烧后，即所述煅烧水滑石失去层间阴离子和水分，具有高活性特点，能够吸收氯离子，提高再生混凝土抗渗透性，非常适用于再生混凝土，能够作为改善再生混凝土性能的一种有效的纳米掺加材料。

本发明提供了一种再生混凝土，包括以下质量份数的原料：

以上技术方案所述的再生混凝土掺加材料0.1～2份、水泥15～17份、再生粗骨料40～45份、细骨料30～35份、减水剂0.1～0.3份和水5～8份；所述再生粗骨料为再生混凝土骨料。

以质量份数计，本发明提供的再生混凝土(即RAC)包括水泥15～17份，优选为15～16份。在本发明中，所述水泥优选为P.O 52.5级硅酸盐水泥。

以所述水泥的质量份数为基准，本发明提供的再生混凝土包括所述再生混凝土掺加材料0.1～2份，优选为0.1～1份。

以所述水泥的质量份数为基准，本发明提供的再生混凝土包括再生粗骨料40～45份，优选为40.5～42.5份。在本发明中，所述再生粗骨料为再生混凝土骨料(即RCA)，本发明对所述再生混凝土骨料没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的再生混凝土骨料即可。在本发明中，所述再生粗骨料的粒径优选为4.75mm～26.5mm。在本发明中，所述再生粗骨料会携带氯离子进入再生混凝土中发生侵蚀扩散，本发明利用所述再生混凝土掺加材料(即煅烧水滑石)的高活性吸附再生骨料携带的氯离子，起到增强再生骨料性能的作用，并且利用所述再生混凝土掺加材料作为纳米材料所具有的小尺寸效应和其本身对离子的吸附固化作用实现对再生骨料的改善作用。

在本发明实施例中，是通过以下方法来模拟携带有氯离子的再生粗骨料的：将原始混凝土标准固化28天后，进行破碎和筛分，将得到的骨料在氯化钠溶液中浸泡后进行干燥，得到所述再生粗骨料。本发明对所述原始混凝土的原料及配比没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的混凝土原料及配比即可。在本发明中，所述氯化钠溶液的质量分数优选为3.5％，浸泡的时间优选为30天。

以所述水泥的质量份数为基准，本发明提供的再生混凝土包括细骨料30～35份，优选为30.5～32.5份。在本发明中，所述细骨料优选为河砂，细度模量优选为2.5。

以所述水泥的质量份数为基准，本发明提供的再生混凝土包括减水剂0.1～0.3份，优选为0.1～0.2份。在本发明中，所述减水剂优选为聚羧酸基减水剂，减水率优选为25％。

以所述水泥的质量份数为基准，本发明提供的再生混凝土包括水5～8份，优选为5.5～7份。

本发明提供的再生混凝土具有耐久性好和强度高的特点，并具有改善的孔隙结构，密实度高。

本发明提供了以上技术方案所述再生混凝土的制备方法，包括以下步骤：

将所述再生粗骨料、细骨料、水泥和再生混凝土掺加材料进行第一混合，得到第一混合料；

将所述第一混合料与水和减水剂进行第二混合，得到第二混合料；

将所述第二混合料振实后养护，得到所述再生混凝土。

在本发明中，所述第一混合和第二混合均优选为搅拌混合，所述搅拌混合优选在搅拌机中进行；所述第一混合的时间优选为1min，所述第二混合的时间优选为3min。本发明优选将所述第二混合料装入模具中振实。在本发明中，所述养护的温度优选为20±2℃，湿度优选不低于95％。

为了进一步说明本发明，下面结合实例对本发明提供的再生混凝土掺加材料和再生混凝土及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

煅烧水滑石制备及表征

水滑石(LDHs)为网上购买所得，分子式为Mg₆Al₂(CO₃)(OH)₁₆4H₂O。对LDHs进行了热重分析(TG)，以确定其煅烧温度。然后，用马弗炉对LDHs进行煅烧处理，以5℃/min的升温速率达到500℃后煅烧3h，得到煅烧水滑石(记为LDOs)。最后，对煅烧前后的两种材料都进行了扫描电镜(SEM)和x射线粉末衍射(XRD)检测，结果如图1所示。

图1中(a)为LDHs的TG和DTG曲线，由DTG曲线可以看出，在210.37℃、298.7℃和407.14℃有三个明显的失重峰，四个阶段的质量损失率分别为13.732％、9.82％、13.431％和8.249％，并且600℃以上质量基本不再变化。

图1中(b)为煅烧前后水滑石的x射线粉末衍射图谱，其中a)代表LDHs、b)代表LDOs，显示物相组成。可以看出，原始Mg-Al-CO₃ ^2-LDHs有着LDHs的特征峰(003)和(006)，其层间距d₀₀₃＝0.76nm，对应的层间物质为碳酸根；经过500℃煅烧后，从衍射图谱可以观察到LDHs的层状结构塌陷，失去了LDHs的特征衍射峰，出现了MgO和MgAl₂O₄。

图1中(c)和(d)为煅烧前后水滑石的扫描电镜图像(SEM图像)，其中(c)对应LDHs，(d)对应LDOs，由图1中(c)和(d)可以看出，煅烧前后水滑石的形貌基本不变，尺寸大概在1μm～3μm之间。

实施例2

利用实施例1得到的煅烧水滑石作为掺加材料制备再生混凝土：

(1)本实施例通过以下方法来模拟携带有氯离子的再生粗骨料，即再生混凝土骨料(即RCA)，用于后续验证LDOs对其溶出离子的吸附作用以及制备再生混凝土：

将C30和C60强度等级的原始混凝土分别标准固化28天后，进行破碎和筛分，其粒径在4.75mm～26.5mm之间，然后在质量分数为3.5％的氯化钠溶液中浸泡30天，之后洗净干燥，即得再生粗骨料(RCA)，备用。根据采用的原始混凝土的强度等级，将得到的再生粗骨料(RCA)分别记为RCA-C30、RCA-C60。

其中，原始混凝土的配合比如表1所示，原始混凝土采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，水泥密度为3.15g/cm³，比表面积为350m²/kg；粗骨料为天然骨料，具体为粒径5～25mm的花岗岩碎石；细骨料为青岛平度市产的河砂，细度模量为2.5；减水剂为聚羧酸基减水剂，减水率为25％，掺量是水泥质量的1％。

表1原始混凝土配合比

(2)再生混凝土(RAC)使用的原料为P.O 52.5级硅酸盐水泥、(1)中得到的再生粗骨料(RCA)、(1)中的细骨料、减水剂、LDOs和水，其中LDOs为实施例1制备的煅烧水滑石，减水剂为聚羧酸基减水剂，减水率为25％，掺量是水泥质量的1％。

再生混凝土的配合比如表2所示，表2中LDOs的质量分别为水泥和LDOs质量之和的0％、1％、3％和6％，继而将得到的再生混凝土分别标记为RAC-00、RAC-01、RAC-03、RAC-06，同时根据再生粗骨料(RCA)的类型，RAC-00又分为RAC-C30-00和RAC-C60-00，RAC-01又分为RAC-C30-01和RAC-C60-01，RAC-03又分为RAC-C30-03和RAC-C60-03，RAC-06又分为RAC-C30-06和RAC-C60-06。

表2再生混凝土配合比

再生混凝土的制备步骤：将RCA、细骨料、水泥和LDOs按配合比加入搅拌机中搅拌1min后；加入水和减水剂搅拌3min；最后装入模具振实后盖上保鲜膜即可。

(3)开展LDOs吸附再生骨料溶出氯离子试验

将(1)中得到的再生粗骨料分别在pH＝7、10和12的溶液中，以不同的固液比(再生粗骨料与水的质量比分别为1:1、2:1、3:1)浸泡24h，然后对其液体一部分进行过滤做滴定试验测定溶出氯离子含量，另一部分加入实施例1制备的LDOs室温下用磁力搅拌器搅拌，24h后取出离心，液体用于测定剩余氯离子含量，结果如表3所示。

表3不同条件下LDOs吸附效率

由表3可以看出，在不同的三种环境下，RCA-C30比RCA-C60溶出氯离子的含量都明显要高，是因为RCA-C30强度较低在氯化钠溶液中浸泡时更易受侵蚀。当pH＝7，固液比分别为1:1、2:1和3:1时，RCA-C30比RCA-C60溶出氯离子含量高13.73％、8.3％和14.76％；当pH＝10和12时，分别高10.52％和44.33％。此外，在固液比为1:1时，RCA与水接触更充分，氯离子溶出量最多。当pH＝7，固液比从1：1升高到3:1时，RCA-C30和RCA-C60溶出氯离子的含量分别降低了19.01％和20.09％。除此以外，在碱性环境下，随pH的升高，溶出氯离子含量逐渐升高，LDOs的吸附效率逐渐下降。当pH＝7，固液比为1:1，LDOs对再生骨料RCA-C30溶出的氯离子的吸附效率最高达到31.052mg/g，证实了LDOs对再生骨料中氯离子具有良好的吸附作用。

(4)再生混凝土抗压强度实验

对(2)中养护28天的再生混凝土RAC-C30-00、RAC-C30-03、RAC-C60-00和RAC-C60-03抗压强度实验，测试结果如图2所示。根据图2可知，适当掺加LDOs可以提高试样的抗压强度。与空白组(RAC-C30-00、RAC-C60-00)相比，掺量为3％时的试样RAC-C30-03和RAC-C60-03在28d的抗压强度分别增加了3.3％和4.5％。

(5)再生混凝土孔径分布试验

对(2)中养护28天的再生混凝土进行取样做压汞试验，得到再生混凝土不同孔径的分布占比，结果如表4所示。

表4再生混凝土孔径分布表

由表4可以看出，掺加LDOs后，再生混凝土孔径分布向小孔径方向转移，最可几孔径减小，细化了再生混凝土孔隙，表明了LDOs对再生混凝土孔隙具有一定的填充作用。对于RAC-C30-00来说，孔径分布变化的主要是大于10³nm的大孔的占比，与RAC-C30-00相比，RAC-C30-03大孔数量减少了18.8％，孔径在10～10²nm的毛细孔的数量增加了2.8％，主要原因是RAC-C30-00本身含有大孔数量较多，而LDOs的尺寸为1～3μm，所以掺加LDOs后再生混凝土的大孔被填充，减少了大孔占比。RAC-C60-00掺加LDOs后孔径变化不明显，主要是孔径小于10nm的凝胶孔和大孔增多，主要原因是LDOs的掺入增大了水化程度，水化产物增多，凝胶孔占比增大，大孔占比增大的原因可能是3％并不是RAC-C60的最优掺量，导致掺量过高分布不均产生了更多的大孔。

(6)再生混凝土抗氯离子渗透试验(RCM试验)

混凝土的耐久性与其抗渗透性密切相关，对(2)中掺加LDOs前以及掺加不同量LDOs后的再生混凝土(RAC)做快速氯离子迁移实验。结果如图3所示。

由图3可以看出，氯离子渗透系数随原始混凝土设计强度的升高逐渐降低。对比空白组，LDOs的掺入也显著的降低了RAC的氯离子渗透系数，当掺量为1％时分别降低了17.88％和19.84％，掺量为3％时降低了20.6％和39.68％，掺量为6％时降低了12.43％和30.91％。这种优异的性能一方面是LDOs具有填充效应，优化了RAC内部的的孔隙结构，提高了密实度，因此提高了RAC的抗渗性；另一方面原因是LDOs在结构重建的过程中吸附了大量的氯离子，使得氯离子含量减少，渗透系数减小。其中，吸附过程主要发生在制备RAC时对RCA溶出氯离子的吸附和RCM试验中对外界侵蚀离子的吸附。此外可以看出，当掺量达到6％时，氯离子渗透系数反而增大，原因是掺量过高导致LDOs团聚，分布不均，容易形成大孔，一定程度上增大了氯离子渗透系数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种再生混凝土掺加材料，其特征在于，包括煅烧水滑石；所述煅烧水滑石是将水滑石在600℃以下的温度条件下煅烧得到的。

2.根据权利要求1所述的再生混凝土掺加材料，其特征在于，所述水滑石的分子式为Mg₆Al₂(CO₃)(OH)₁₆4H₂O。

3.根据权利要求1所述的再生混凝土掺加材料，其特征在于，所述煅烧的温度为500～600℃，时间为3～5h。

4.根据权利要求3所述的再生混凝土掺加材料，其特征在于，升温至所述煅烧的温度的升温速率为3～10℃/min。

5.一种再生混凝土，其特征在于，包括以下质量份数的原料：

权利要求1～4任意一项所述的再生混凝土掺加材料0.1～2份、水泥15～17份、再生粗骨料40～45份、细骨料30～35份、减水剂0.1～0.3份和水5～8份；所述再生粗骨料为再生混凝土骨料。

6.根据权利要求5所述的再生混凝土，其特征在于，所述水泥为P.O 52.5级硅酸盐水泥。

7.根据权利要求5所述的再生混凝土，其特征在于，所述再生粗骨料的粒径为4.75mm～26.5mm。

8.根据权利要求5所述的再生混凝土，其特征在于，所述细骨料为河砂，细度模量为2.5。

9.根据权利要求5所述的再生混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸基减水剂，减水率为25％。

10.权利要求5～9任意一项所述再生混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述再生粗骨料、细骨料、水泥和再生混凝土掺加材料进行第一混合，得到第一混合料；

将所述第一混合料与水和减水剂进行第二混合，得到第二混合料；

将所述第二混合料振实后养护，得到所述再生混凝土。