CN117447153A - 桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土及制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于混凝土材料技术领域，具体涉及桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土及制备工艺。陶瓷混凝土是将以胶凝材料基体、废弃陶瓷骨料、渗透结晶剂、减水剂、塑钢纤维和水混合并养护得到，胶凝材料基体、废弃陶瓷骨料、渗透结晶剂和减水剂的质量比为1:1:0.01:0.04，塑钢纤维和胶凝材料的体积百分比为0.03:1，胶凝材料基体是以水泥和废弃陶瓷粉质量比为3:1混合而成。本发明通过塑钢纤维阻止原生裂纹产生、废弃陶瓷粉减少收缩裂纹、废弃陶瓷骨料减少干缩裂缝，可降低超高混凝土无荷载状态下原生裂纹的产生，荷载裂纹可通过渗透结晶剂实现自修复，不仅能提高桥面伸缩缝混凝土的力学性能、耐久性能及自修复性能。
Description
技术领域
本发明属于混凝土材料技术领域，具体涉及桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土及制备工艺。
背景技术
公路交通极大地促进了我国各个区域之间的经济社会联系，融合了各区域之间的政治文化交流。因此，对我国交通网的进一步完善很有必要。从2005-2020年的统计数字可以看出，中国公路总里程及公路密度逐年上升。在公路的组成结构中，公路桥梁的建造是造价较高。且已有的大量资料和实践表明，交通流量的增加以及桥梁服役环境复杂，桥梁面临着严峻的挑战。特别是桥面伸缩缝所处的位置特殊，成为了桥梁结构中破坏最频繁的部位。据统计江西现役的公路桥梁中，伸缩缝混凝土每年的病害概率为20％-35％。桥面伸缩缝的损伤会加速桥梁支座的破坏从而导致失效，其次酸碱等腐蚀性物质会与伸缩缝处梁端的混凝土发生化学反应，导致混凝土剥落，钢筋锈蚀，桥梁结构破坏，桥面伸缩缝破坏和影响着桥梁构件的正常服役和行车安全，缩短桥梁的使用寿命，因此，用于桥面伸缩缝的混凝土材料面临着越来越严峻的挑战。
目前国内外的桥面伸缩缝通常会做防水层。虽然桥面伸缩缝中使用防水混凝土早就有之，并且近年来大量的公路修建，桥面防水混凝土也逐渐广泛使用。理想上，这对提高结构的使用质量及延长寿命的好处无可厚非，但实际效果并不尽人意，主要体现在裂缝的产生后，导致防水效果不佳，严重影响了桥梁的使用寿命。因此需采用新的技术手段来应对已有的问题，并着力解决以下问题，其一，降低桥面伸缩缝的初始裂缝；其二，限制桥面伸缩缝在荷载下的出现和扩展；其三，修复桥面伸缩缝已出现的裂缝。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有防水混凝土制备过程碳排放量高、收缩和干缩裂缝大、裂缝限制扩展能力差、自修复性能差等技术问题，本发明提供一种桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土及制备工艺，采用废弃陶瓷粉降低水泥水化过程中的水化热，降低桥梁伸缩缝的化学收缩；采用废弃陶瓷骨料多孔吸水的特点降低水泥基体的干缩裂纹；采用均匀筛入的方式能够使得塑钢纤维均匀地分散到混凝土基体中，在基体内相互搭接形成广泛的增强、增韧网络，并且降低行车荷载裂缝的产生和发展；采用渗透结晶剂材料的特性修复荷载过程中产生的裂缝，且日后出现新的裂缝，渗透结晶剂会再次发生反应，达到永久修复裂缝的效果。以上材料的特性提升了桥梁结构的整体性，满足了桥面伸缩缝的功能性，达到提升低碳耐久、延长服役寿命的目的。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的。
本发明的第一个目的是提供一种桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土，所述陶瓷混凝土是将以下原料混合并养护得到；所述原料为胶凝材料基体、废弃陶瓷骨料、渗透结晶剂、减水剂、塑钢纤维和水，所述胶凝材料基体、废弃陶瓷骨料、渗透结晶剂和减水剂的质量比为1:1:0.01:0.04，所述塑钢纤维和胶凝材料的体积百分比为0.03:1，所述胶凝材料基体是以水泥和废弃陶瓷粉质量比为3:1混合而成；所述陶瓷混凝土的水胶比为0.18。
更进一步，所述水泥为硅酸盐水泥，硅酸盐水泥中CaO和SiO2的含量分别为62.8％和20.1％。
更进一步，所述废弃陶瓷粉经废弃瓷砖颗粒粉磨而成，废弃陶瓷粉的粒径为80μm。
更进一步，所述废弃陶瓷骨料经废弃瓷砖破碎而成，废弃陶瓷骨料的粒径≤0.85mm。
更进一步，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
更进一步，所述渗透结晶剂由以下百分比组分制备而成：氧化钙51.8％、氧化镁20.4％、二氧化硅12.3％，其余为有机硅助剂。
更进一步，所述塑钢纤维的直径为0.2mm，长度为12mm。
本发明的第二个目的是提供上述桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的制备工艺，包括如下步骤：
按照陶瓷混凝土的配比称取各原料；将水和减水剂搅拌混合形成混合液；将水泥、废弃陶瓷粉和渗透结晶剂进行搅拌混合，然后加入混合液搅拌后加入废弃陶瓷骨料搅拌混合均匀得到混合物；
将塑钢纤维以均匀筛入的方式加入上述混合物中搅拌混合得到拌合物，然后将拌合物浇筑注入模具中，振动至表面冒浆后覆膜，固化24h后脱模养护后得到桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土。
更进一步，加入废弃陶瓷骨料搅拌的时间为15min。
更进一步，养护的方式为在19～21℃的水中养护28d。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土不仅可以提高混凝土的力学性能，而且还可以赋予混凝土自修复性能；采用废弃陶瓷粉替代部分水泥降低水化热，降低化学收缩；采用废弃陶瓷骨细骨料具有吸水性，起内养护作用，降低干缩裂缝；采用柔性的塑钢纤维提高混凝土的韧性并限制荷载裂纹的产生和发展；采用渗透结晶剂材料的特性修复荷载过程中产生的裂缝；以上材料协同改性的作用极大提高了混凝土的强度和自修复特性，提升了桥梁结构的整体性，满足了桥面伸缩缝的功能性，达到提升低碳耐久、延长服役寿命的目的。
(2)本发明采用均匀筛入法可以使塑钢纤维在基体中均匀分散，避免纤维团聚，提高混凝土的韧性并限制荷载裂纹的产生和发展，适合大规模生产，本工艺不仅能提高桥面伸缩缝混凝土的力学性能、耐久性能及自修复性能，延长其使用寿命，而且采用废弃陶瓷降低了桥面伸缩缝的造价，可兼顾低碳、经济和超高性能。
(3)本发明利用工业废弃物——废弃陶瓷制备混凝土，高效、快速的解决陶瓷的堆放和对环境污染问题，而且使超高性能混凝土的制备过程低碳化。本发明对提高车辆行驶与桥梁工程的安全性、建筑整个生命周期的绿色低碳化设计具有重要意义。
附图说明
图1为本发明制备的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的裂缝宽度修复率柱状图；
图2为本发明制备的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的裂缝修复显微镜图；图2中，a为实施例1的初始裂缝宽度图，b为实施例1在修复7d后的裂缝宽度图，c为实施例1在修复28d后的裂缝宽度图；
图3为本发明制备的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的裂缝面积修复率柱状图；
图4为本发明制备的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的抗折强度修复率柱状图；
图5为本发明制备的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的抗压强度修复率柱状图；
图6为本发明制备的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的劈裂抗拉强度修复率柱状图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围，除非另有特别说明，本发明以下各实施例中用到的各种原料、试剂、仪器和设备均可通过市场购买得到或者通过现有方法制备得到。本发明采用数码光学显微镜拍摄记录试块修复前后的裂缝情况。依据GB/T 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》检测修复前后的抗折、抗压和劈裂抗拉强度。
一种桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土，是将以下原料混合并养护得到；所述原料为胶凝材料基体、废弃陶瓷骨料、渗透结晶剂、减水剂、塑钢纤维和水，所述胶凝材料基体、废弃陶瓷骨料、渗透结晶剂和减水剂的质量比为1:1:0.01:0.04，所述塑钢纤维和胶凝材料的体积百分比为0.03:1，所述胶凝材料基体是以水泥和废弃陶瓷粉质量比为3:1混合而成；所述陶瓷混凝土的水胶比为0.18。原料配合比如表1所示：
表1桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土原料配合比
与普通防水混凝土不同的是，本发明桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土采用废弃陶瓷粉替代部分水泥降低水化热，降低化学收缩；废弃陶瓷骨料作为细骨料提供内养护环境，降低干缩裂缝；以上措施可降低桥梁伸缩缝超高性能混凝土的非荷载裂纹产生的概率；采用柔性的塑钢纤维可以提高混凝土的韧性并限制荷载裂纹的产生和发展，从而降低裂纹数量和控制荷载裂纹宽度；通过塑钢纤维阻止原生裂纹产生、废弃陶瓷粉减少收缩裂纹、废弃陶瓷骨料减少干缩裂缝，可降低超高混凝土无荷载状态下原生裂纹的产生。而针对已产生的荷载裂纹，利用引入的渗透结晶剂促进自修复超高性能陶瓷混凝土的自修复行为，实现自修复。以上材料的的协同作用可以增强混凝土的各项性能指标，取得低碳、高强、自修复的技术效果。
在一个具体的实施例中，所述水泥为硅酸盐水泥，硅酸盐水泥中CaO和SiO2的含量分别为62.8％和20.1％。
在一个具体的实施例中，所述所述废弃陶瓷粉经废弃瓷砖颗粒粉磨而成，废弃陶瓷粉的粒径粒径约为80μm。
在一个具体的实施例中，所述废弃陶瓷骨料经废弃瓷砖破碎而成，废弃陶瓷骨料的粒径粒径≤0.85mm。
在一个具体的实施例中，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
在一个具体的实施例中，所述渗透结晶剂由以下百分比组分制备而成：氧化钙51.8％、氧化镁20.4％、二氧化硅12.3％，其余为有机硅助剂，所述有机硅助剂为硅烷类有机硅或硅氧烷类有机硅。
在一个具体的实施例中，所述塑钢纤维的直径为0.2mm，长度为12mm。
上述桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的制备工艺，包括如下步骤：
将水和减水剂搅拌混合2min形成混合液；将水泥、废弃陶瓷粉和渗透结晶剂进行搅拌混合2min，然后加入混合液搅拌2min后加入废弃陶瓷骨料搅拌混合均匀15min得到混合物；
将塑钢纤维以均匀筛入的方式加入上述混合物中搅拌混合5min得到拌合物，然后将拌合物浇筑注入模具中，振动至表面冒浆后覆膜，固化24h后脱模在19～21℃的水中养护28d后得到桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土。本发明在混凝土搅拌机运行的时候，通过筛子晃动，能够将所述纤维均匀单根筛入，均匀筛入法可以使塑钢纤维在基体中均匀分散，避免纤维团聚，提高混凝土的韧性并限制荷载裂纹的产生和发展。
本发明采用电子万能试验机对修复7d和28d龄期的混凝土的进行抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度测试，并计算其强度修复率。其中，抗压强度的加载速率为1.2mm/min、抗折强度的加载速率为0.1mm/min、劈裂抗拉的加载速率为1.2mm/min。在修复7d和28d龄期时，采用数码光学显微镜对实施例的混凝土的裂缝修复情况拍摄记录，并计算其裂缝修复率。
以下通过具体的实施例进行进一步说明。
实施例1
一种桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土，所述陶瓷混凝土的制备原料包括胶凝材料基体、废弃陶瓷骨料、渗透结晶剂、减水剂、塑钢纤维和水，所述胶凝材料基体、废弃陶瓷骨料、渗透结晶剂和减水剂的质量比为1:1:0.01:0.04，所述塑钢纤维和胶凝材料的体积百分比为0.03:1，所述胶凝材料基体是以水泥和废弃陶瓷粉质量比为3:1混合而成；所述陶瓷混凝土的水胶比为0.18。
所述渗透结晶剂由以下百分比组分制备而成：氧化钙51.8％、氧化镁20.4％、二氧化硅12.3％，其余为有机硅助剂，所述有机硅助剂为硅烷类有机硅。所述水泥为硅酸盐水泥，硅酸盐水泥中CaO和SiO2的含量分别为62.8％和20.1％。所述废弃陶瓷粉经废弃瓷砖颗粒粉磨而成，废弃陶瓷粉的粒径粒径约为80μm。所述废弃陶瓷骨料经废弃瓷砖破碎而成，废弃陶瓷骨料的粒径粒径≤0.85mm。所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。所述渗透结晶剂由以下百分比组分制备而成：氧化钙51.8％、氧化镁20.4％、二氧化硅12.3％，其余为有机硅助剂，所述有机硅助剂为硅氧烷类有机硅。所述塑钢纤维的直径为0.2mm，长度为12mm。
上述桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的制备工艺，包括如下步骤：
S1、照设计的配合比称量各种原材料，如表1所示的原料配合比；将水和减水剂搅拌混合2min形成混合液；将水泥、废弃陶瓷粉和渗透结晶剂倒入砂浆搅拌机进行搅拌混合2min，然后加入混合液搅拌2min后加入废弃陶瓷骨料搅拌混合均匀15min得到混合物；
S2、调整所述砂浆搅拌机的转数为45n/min，然后将塑钢纤维以均匀筛入的方式加入混合物中搅拌混合5min得到拌合物，在混凝土搅拌机低速运行的时候，通过筛子晃动，能够将所述纤维均匀单根筛入。
然后将拌合物浇筑注入浇筑注入相应的模具中(40mm×40mm×160mm)，振动至表面冒浆，随后用保鲜膜覆盖表面防止水分蒸发，将装有拌合物的模具放在标准环境下养护24h后脱模，脱模后的试件置于20±1℃的水中养护28d，随后将试件进行预裂后继续水中养护，得到桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土，修复到相应龄期进行各项性能测试。
对实施例1制备的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的各项性能测试结果进行分析，如图1-6所示。
图1为本发明实施例1制备的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的裂缝宽度修复率柱状图。由图1可知，实施例1中，当渗透结晶剂掺量为1.0wt.％时，桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的7d和28d裂缝宽度修复率分别为15.7％和100.2％。
图2为本发明实施例1制备的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的裂缝修复显微镜图，图2中，a为实施例1的初始裂缝宽度图，b为实施例1在修复7d后的裂缝宽度图，c为实施例1在修复28d后的裂缝宽度图。如图2所示，当渗透结晶剂掺量为1.0wt.％时，桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的裂缝宽度随着修复龄期的增长逐渐变窄。
图3为本发明实施例1制备的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的裂缝面积修复率柱状图。由图3可知，实施例1中，掺入1.0wt.％渗透结晶剂的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的7d和28d裂缝面积修复率分别为10.0％和95.8％。
图4为本发明实施例1制备的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的抗折强度修复率柱状图。由图4可知，实施例1中，掺入1.0wt.％渗透结晶剂的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的7d和28d抗折强度修复率分别为95.3％和108.2％。
图5为本发明实施例1制备的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的的抗压强度修复率柱状图。由图5可知，实施例1中，掺入1.0wt.％渗透结晶剂的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的7d和28d抗压强度修复率分别为130.0％和148.2％。
图6为本发明实施例1制备的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的的劈裂抗拉强度修复率柱状图。由图6可知，实施例1中，掺入1.0wt.％渗透结晶剂的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的7d和28d劈裂抗拉强度修复率分别为96.7％和103.9％。
现有技术如Ferrara Ferrara L,Krelani V,Carsana M.A“fracture testing”based approach to assess crack healing of concrete with and withoutcrystalline admixtures[J].Construction and Building Materials,2014,68:535-551.指出采用3％掺量渗透结晶剂的混凝土(水泥、粗骨料、细骨料、渗透结晶剂)在修28d的抗折强度修复率仅为75％，比本发明降低了33.2％。这是由于本发明采用的废弃陶瓷骨料具有降低干缩裂缝的作用以及废弃陶瓷粉具有降低收缩裂缝的作用提升了自修复效率和效果，其次塑钢纤维也在源头上减少了裂缝的产生。
杨敏毅,曾俊杰,王胜年,等.渗透结晶材料对混凝土裂缝自愈合的影响[J].硅酸盐通报,2017,36(10):3542-3547.指出采用8％高掺量渗透结晶剂的混凝土(水泥、砂、石、渗透结晶剂)在修复7d和28d的抗压强度修复率仅为114.0和81.0％，比本发明分别降低了16.0％和67.2％。这是由于本发明的采用的塑钢纤维减少了初始裂缝的产生以及废弃陶瓷的内养护作用提升了自修复性能。
Chandra Sekhara Reddy T,Ravitheja A.Macro mechanical properties ofself healing concrete with crystalline admixture under differentenvironments.Ain Shams Engineering Journal.2019,10(1),23-32.指出采用1.1％掺量渗透结晶剂的混凝土(水泥、粗骨料、细骨料、钢纤维、渗透结晶剂)在修复28d的抗压强度修复率和劈裂抗拉强度恢复率仅为90％、80％，比本发明分别降低了58.2％和23.9％。虽然此方案也利用钢纤维降低了初始裂缝的扩展，但是不及本发明的修复效果。这是由于本发明采用的废弃陶瓷的内养护和水化热低的作用促进了自修复行为的发生。
以上三个对比例的基体均为普通混凝土，且采用的渗透结晶剂掺量均高于本方案(最大掺量甚至达8％)。而本发明采用废弃陶瓷、塑钢纤维和低掺量渗透结晶剂制备的混凝土。从原材料本身和渗透结晶剂掺量上，均体现了本发明在绿色低碳和自修复性能上的优势。
由上述可知，通过上述对混凝土材料配合比和制备工艺的设计，可以获得绿色自修复超高性能混凝土，桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土不仅可以提高混凝土的力学性能，而且还可以赋予混凝土自修复性能；采用废弃陶瓷粉替代部分水泥降低水化热，降低化学收缩；采用废弃陶瓷骨细骨料具有吸水性，起内养护作用，降低干缩裂缝；采用柔性的塑钢纤维提高混凝土的韧性并限制荷载裂纹的产生和发展；采用渗透结晶剂材料的特性修复荷载过程中产生的裂缝；以上材料协同改性的作用极大提高了混凝土的强度和自修复特性，提升了桥梁结构的整体性，满足了桥面伸缩缝的功能性，达到提升低碳耐久、延长服役寿命的目的。
需要说明的是，本发明中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用，由于采用的步骤方法与实施例相同，为了防止赘述，本发明描述了优选的实施例。尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土，其特征在于，所述陶瓷混凝土是将以下原料混合并养护得到；所述原料为胶凝材料基体、废弃陶瓷骨料、渗透结晶剂、减水剂、塑钢纤维和水，所述胶凝材料基体、废弃陶瓷骨料、渗透结晶剂和减水剂的质量比为1:1:0.01:0.04，所述塑钢纤维和胶凝材料的体积百分比为0.03:1，所述胶凝材料基体是以水泥和废弃陶瓷粉质量比为3:1混合而成；所述陶瓷混凝土的水胶比为0.18。
2.根据权利要求1所述的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥，硅酸盐水泥的CaO和SiO2的含量分别为62.8％和20.1％。
3.根据权利要求1所述的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土，其特征在于，所述所述废弃陶瓷粉经废弃瓷砖颗粒粉磨而成，废弃陶瓷粉的粒径为80μm。
4.根据权利要求1所述的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土，其特征在于，所述废弃陶瓷骨料经废弃瓷砖破碎而成，废弃陶瓷骨料的粒径≤0.85mm。
5.根据权利要求1所述的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
6.根据权利要求1所述的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土，其特征在于，所述渗透结晶剂由以下百分比组分制备而成：氧化钙51.8％、氧化镁20.4％、二氧化硅12.3％，其余为有机硅助剂。
7.根据权利要求1所述的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土，其特征在于，所述塑钢纤维的直径为0.2mm，长度为12mm。
8.一种权利要求1所述的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
按照陶瓷混凝土的配比称取各原料；将水和减水剂搅拌混合形成混合液；将水泥、废弃陶瓷粉和渗透结晶剂进行搅拌混合，然后加入混合液搅拌后加入废弃陶瓷骨料搅拌混合均匀得到混合物；
将塑钢纤维以均匀筛入的方式加入上述混合物中搅拌混合得到拌合物，然后将拌合物浇筑注入模具中，振动至表面冒浆后覆膜，固化24h后脱模养护后得到桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土。
9.根据权利要求8所述的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的制备工艺，其特征在于，加入废弃陶瓷骨料搅拌的时间为15min。
10.根据权利要求8所述的桥面伸缩缝用自修复型陶瓷混凝土的制备工艺，其特征在于，养护的方式为在19～21℃的水中养护28d。
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