CN117466588A - 一种低收缩高强自愈合混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低收缩高强自愈合混凝土及其制备方法，包括：步骤1、将2‑4份渗透结晶型防水剂和100‑200份水混合搅拌均匀得到溶液A；步骤2、将6‑20份的纳米二氧化硅和3‑4份的减水剂混合进行超声分散，得到悬浊液B；步骤3、140‑280份铁尾矿砂和700‑800份河砂复配；然后将复配后的铁尾矿砂、河砂与600‑700份粗骨料、300‑400份水泥和100‑150份粉煤灰混合搅拌均匀得到干混料C；步骤4、将溶液A加入干混料C中搅拌均匀，得到浆料D；步骤5、将悬浊液B加入浆料D中搅拌均匀，得到浆料E；步骤6、将7‑18份的膨胀剂加入浆料E中搅拌均匀，得到低收缩高强自愈合混凝土。本发明的混凝土在保证混凝土体积稳定密实，保持良好的力学性能的同时，还具备优异的裂缝自愈合性能。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种低收缩高强自愈合混凝土及其制备方法。
背景技术
在当前工程中发现，高强混凝土由于高凝胶材料的用量、低水灰比以及后期内部水分的不断蒸发，容易导致混凝土的收缩值变大，引起体积变化，使得混凝土出现裂缝，增加了混凝土结构的不稳定性，具有破坏风险。
混凝土裂缝的传统修复方式可分为被动修复和主动修复两种：
被动修复即为混凝土开裂后，再进行人工修复，此类修复具有延迟性，修复的过程中会造成新的环境污染，且还会出现有机成分与混凝土成分难以相容的问题；
主动修复则是通过主动感知裂缝并进行裂缝修复的自愈合行为，具有修复效率高、经济环保等优势。
相比与被动修复，主动修复具有预先修复的优点，可以避免混凝土裂缝较大后才被发现，在开裂的过程中不断自我修复，避免混凝土结构出现安全隐患。
基于此，本发明提出一种低收缩高强自愈合混凝土及其制备方法，该混凝土在保证混凝土体积稳定密实，保持良好的力学性能的同时，还具备优异的裂缝自愈合性能。
发明内容
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种低收缩高强自愈合混凝土及其制备方法，本发明的技术目的是通过以下技术方案实现的：
一种低收缩高强自愈合混凝土，包括按照重量份数配置的材料：300-400份的水泥、6-20份的纳米二氧化硅、100-150份的粉煤灰、700-800份的河砂、140-280份的铁尾矿砂、600-700份的粗骨料、3-4份的减水剂、2-4份的渗透结晶型防水剂、7-18份的膨胀剂、100-200份的水。
进一步地，渗透结晶型防水剂包括按照重量份数比混合的沉淀反应剂、络合物、和钙离子补偿剂，所述沉淀反应剂、络合物和钙离子补偿剂的比例为3:2:5。
进一步地，渗透结晶型防水剂还包括表面活性剂，表面活性剂在渗透结晶型防水剂中含量占比0.1％-1％。
进一步地，沉淀反应剂为硅酸钠、碳酸钠和磷酸钾的混合物，重量份数混合比例6-8：3-4：1-2。
进一步地，络合物为酒石酸钠钾和葡糖糖酸钠的混合物，酒石酸钠钾和葡糖糖酸钠的重量份数混合比例不超过35：1。
进一步地，钙离子补偿剂为乙酸钙和氢氧化钙的混合物，乙酸钙和氢氧化钙的重量份数混合比为3:7。
进一步地，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。
进一步地，膨胀剂包括氧化钙、三氧化硫和二氧化硅，氧化钙的含量为50％-70％，三氧化硫的含量为10％-20％，二氧化硅的含量为3％-10％。
进一步地，膨胀剂为固态粉末，密度为2.85g/cm3，比表面积为336m2/kg。
进一步地，纳米二氧化硅的纯度大于98％，粒径在6-30nm，比表面积为300m2，折光率不低于1.45％。
进一步地，河砂的细度模数为2.6，堆积密度为1410kg/m3，表观密度为2763kg/m3，石粉含量1.9％，吸水率1.3％。
进一步地，铁尾矿砂的二氧化硅含量大于75％，细度模数为2.5，堆积密度为1398kg/m3，表观密度2650kg/m3，石粉含量1.8％，吸水率4.6％。
进一步地，粗骨料为粒径在5-20mm的连续级配的玄武岩、花岗岩、麻岩、安山岩碎石中的一种或2种复配，压碎指标为5.5％，堆积密度为1410kg/m3。
进一步地，粉煤灰为二级粉煤灰，其中三氧化硫的含量为0.45％，比表面积为570m2/kg，需水比92％，烧失量4.2％。
进一步地，水泥为P.Ⅱ52.5硅酸盐水泥，水泥中二氧化硅、氧化钙和氧化铝的质量总占比不低于80％，水泥的比表面积为385m2/g，表观密度为3010kg/m3，28d强度≥55MPa。
进一步地，减水剂为复合型聚羧酸高效减水剂，具有分子拓扑结构，减水率＞25％，含固量为20％±2％。
本发明还提供了一种低收缩高强自愈合混凝土的制备方法，按照重量份数比量取各原料，该方法包括以下步骤：
步骤1、将渗透结晶型防水剂和水混合搅拌均匀得到溶液A；
步骤2、将纳米二氧化硅和减水剂混合进行超声分散，得到悬浊液B；
步骤3、将所述铁尾矿砂和河砂复配至细度模数为2.2-2.6，复配后的孔隙率小于40％；然后将复配后的铁尾矿砂、河砂与粗骨料、水泥和粉煤灰混合搅拌均匀得到干混料C；
步骤4、将溶液A加入干混料C中搅拌均匀，得到浆料D；
步骤5、将悬浊液B加入浆料D中搅拌均匀，得到浆料E；
步骤6、将所述膨胀剂加入浆料E中搅拌均匀，得到低收缩高强自愈合混凝土。
相比与现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本发明使用的纳米二氧化硅本身具有纳米尺寸和高火山灰活性，搭配粉煤灰使用可以更高效率的发挥火山灰效应，同时消耗氢氧化钙晶体，产生更多的C-S-H凝胶，细化水化产物，改善界面过渡区，降低总孔隙率和临界孔隙率，使得结构更加致密，提高了混凝土体积稳定性；纳米二氧化硅可以促进水泥基中晶体成核与晶体生长，促使水化反应速率增加，提高水泥基材料的早期强度和耐久性。
2、本发明中铁尾矿砂通过水化作用生成的C-S-H凝胶结构，使得在凝胶材料包裹下的水化产物均匀分布，水化产物相互连接，填充骨料和砂浆之间界面过渡区的裂缝和孔洞，降低了微观结构上的有害孔，进一步优化了孔结构。另外铁尾矿砂本身微观结构松散且多孔，还可以充当一部分载体，吸附渗透结晶型防水剂中的活性化学物质均匀分布在水泥基材中。合理利用尾矿砂，不仅可以减少铁尾矿砂的囤积，保护生态环境，而且可以减少建筑材料的消耗，积极响应双碳政策，降低了工程经济成本。
3、本发明中渗透结晶型防水剂由多种活性物质构成，沉淀反应剂在水泥中为Ca2+生成沉淀物，如C-S-H、碳酸钙、硅酸钙、磷酸钙等。钙离子补偿剂中氢氧化钙是碱性，仅使用氢氧化钙时对水泥基会造成强碱反应，抑制水化过程，而乙酸钙具备弱酸性的特征，除了提供生成沉淀物所需的Ca2+外，还可对碱性进行中和，保证水泥基水化的正常进行。二者提供的Ca2+对混凝土内外造成Ca2+浓度差，渗透压则有助于碳酸盐离子的渗透，进而生成更多的结晶体。
4、本发明中渗透结晶型防水剂中的十六烷基三甲基溴化铵具有良好的表面稳定性，有利于提高渗透结晶型防水剂整体活性物质的均质性，并且在强碱中依旧保持稳定。
5、在混凝土出现裂缝时，渗透型结晶剂与Ca2+反应生成不溶性白色晶体，可即时、重复、主动靶向修补填充0.5mm以下的裂缝，免去了裂缝出现后人工被动修复的工作，节约了成本，提升了混凝土的使用安全性和使用寿命。
6、本发明的混凝土各组分合理调配，堆积紧密，达到了理想的力学性能，使用的复合型聚羧酸高效减水剂具备分子拓扑结构，减少混凝土内部骨料间的摩擦阻力，提高对水泥颗粒的吸附性，降低混凝土黏度，促进浆体分散，利于混凝土各组分与渗透结晶剂的融合与均匀分布，对混凝土的自愈合起到辅助作用。
附图说明
图1是本发明实施例2中混凝土三点弯曲破坏产生的裂缝示意图。
图2是本发明实施例2的混凝土裂缝养护28天后的自愈合情况示意图。
图3是本发明对比例5中混凝土三点弯曲破坏产生的裂缝示意图。
图4是本发明对比例5中混凝土裂缝养护28天后的自愈合情况示意图。
图5是本发明的一种低收缩高强自愈合混凝土制备方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案进行进一步描述：
一种低收缩高强自愈合混凝土，包括按照重量份数配置的材料：300-400份的水泥、6-20份的纳米二氧化硅、100-150份的粉煤灰、700-800份的河砂、140-280份的铁尾矿砂、600-700份的粗骨料、3-4份的减水剂、2-4份的渗透结晶型防水剂、7-18份的膨胀剂、100-200份的水。
其中，渗透结晶型防水剂包括按照重量份数比混合的沉淀反应剂、络合物、和钙离子补偿剂，沉淀反应剂、络合物和钙离子补偿剂的重量份数比例为3:2:5。渗透结晶型防水剂还包括表面活性剂，表面活性剂在渗透结晶型防水剂中含量占比0.1％-1％，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵，通过表面活性剂有利于渗透结晶型防水剂整体活性物质的均质性。沉淀反应剂为硅酸钠、碳酸钠和磷酸钾的混合物，沉淀反应剂中硅酸钠、碳酸钠和磷酸钾的重量份数混合比例为6-8:3-4:1-2；络合物为酒石酸钠钾和葡糖糖酸钠的混合物，酒石酸钠钾和葡糖糖酸钠的重量份数混合比例不超过35：1；钙离子补偿剂为乙酸钙和氢氧化钙的混合物，乙酸钙和氢氧化钙的重量份数混合比例为3:7。为了更好地理解本发明，下面给出一组实施例数据：
所添加的渗透结晶型防水剂为100kg，表面活性剂的含量为1％，也即含有1kg表面活性剂，剩余99按照3:2:5重量份数比配置的沉淀反应剂、络合物和钙离子补偿剂，沉淀反应剂29.7kg,络合物19.8kg，钙离子补偿剂49.5kg；沉淀反应剂中硅酸钠、碳酸钠和磷酸钾按照6:3:1的比例混合，硅酸钠17.82kg,碳酸钠8.91kg，磷酸钾2.97kg；酒石酸钠钾和葡萄糖酸钠的比例不超过35:1，也即酒石酸钠钾的最大含量为19.25kg；乙酸钙和氢氧化钙分别为14.85kg和34.65kg。
膨胀剂为氧化钙类膨胀剂，膨胀剂为白色固态粉末，密度为2.85g/cm3，比表面积为336m2/kg。膨胀剂包括氧化钙、三氧化硫和二氧化硅，氧化钙的含量为50％-70％，三氧化硫的含量为10％-20％，二氧化硅的含量为3％-10％。
纳米二氧化硅的纯度大于98％，粒径在6-30nm，比表面积为300m2，折光率不低于1.45％。
河砂的细度模数为2.6，堆积密度为1410kg/m3，表观密度为2763kg/m3，石粉含量1.9％，吸水率1.3％。
铁尾矿砂的二氧化硅含量大于75％，细度模数为2.5，堆积密度为1398kg/m3，表观密度2650kg/m3，石粉含量1.8％，吸水率4.6％，铁尾矿砂的浸出液毒性需要满足固体废弃物的要求。
粗骨料为粒径在5-20mm的连续级配的玄武岩碎石、花岗岩碎石、麻岩碎石、安山岩碎石中的一种或两种复配，压碎指标为5.5％，堆积密度为1410kg/m3。
粉煤灰为二级粉煤灰，其中三氧化硫的含量为0.45％，比表面积为570m2/kg，需水比92％，烧失量4.2％。
水泥为P.Ⅱ52.5硅酸盐水泥，水泥中二氧化硅、氧化钙和氧化铝的质量总占比不低于80％，所述水泥的比表面积为385m2/g，表观密度为3010kg/m3，28d强度≥55MPa。
减水剂为复合型聚羧酸高效减水剂，具有分子拓扑结构，减水率＞25％，含固量为20％±2％。
本实施例还提供了一种低收缩高强自愈合混凝土的制备方法，按照上述实施例中的重量份数比量取各原料，如图5所示，该方法包括以下步骤：
步骤1、将渗透结晶型防水剂和水混合搅拌均匀得到溶液A；
步骤2、将纳米二氧化硅和减水剂混合进行超声分散，得到悬浊液B；
步骤3、将铁尾矿砂和河砂复配至细度模数为2.2-2.6，复配后的孔隙率小于40％；然后将复配后的铁尾矿砂、河砂与粗骨料、水泥和粉煤灰混合搅拌均匀得到干混料C；
步骤4、将溶液A加入干混料C中搅拌均匀，得到浆料D；
步骤5、将悬浊液B加入浆料D中搅拌均匀，得到浆料E；
步骤6、将所述膨胀剂加入浆料E中搅拌均匀，得到低收缩高强自愈合混凝土。
为了更好地理解本发明，本事实施例提供了以下实施例及对比例：
实施例1
一种低收缩高强自愈合混凝土，由以下方法制备得到：
步骤1、将2.2份渗透结晶型防水剂和140份水混合倒入磁力搅拌器中400rpm搅拌2min，直至搅拌均匀，得到溶液A，备用；
步骤2、将11份纳米二氧化硅和3.6份减水剂混合进行超声分散，超声波频率为55KHz，功率为130W，作用时间4min，得到悬浊液B，备用；
步骤3、将240份铁尾矿砂、700份粗骨料、350份水泥、730份河砂和120份粉煤灰在搅拌机内混合搅拌均匀，搅拌时间2min，得到干混料C；
步骤4、将溶液A加入干混料C中搅拌均匀，得到浆料D；
步骤5、将悬浊液B加入浆料D中搅拌均匀，得到浆料E；
步骤6、将所述膨胀剂加入浆料E中搅拌均匀，得到低收缩高强自愈合混凝土。
实施例2
将实施例1的混凝土养护28d后的试样进行三点弯曲破坏，制造出0.1-0.5mm的裂缝。
对比例1
一种低收缩高强自愈合混凝土，将实施例1的粉煤灰等量替换为水泥。
对比例2
一种低收缩高强自愈合混凝土，与实施例1的区别在于不添加纳米二氧化硅。
对比例3
一种低收缩高强自愈合混凝土，与实施例1的区别在于不添加膨胀剂。
对比例4
一种低收缩高强自愈合混凝土，与实施例1的区别在于将铁尾矿砂等量替换为河砂。
对比例5
一种低收缩高强自愈合混凝土，与实施例2的区别在于不添加渗透结晶型防水剂。
为了更清楚对比，将实施例1-2及对比例1-5中各混凝土的成分配比汇总在表1中：
对上述实施例1-2以及对比例1-5分别养护在养护28d后进行收缩值(干缩值)检测，对实施例2和对比例5的试样分别进行三点弯曲破坏，制造出0.1-0.5mm的裂缝，并于28d后检测修复率，如表2所示：
从表2可以看到：
实施例1和对比例1相比，对比例1中缺少粉煤灰，对比例1中混凝土养护28d后的收缩值大于实施例1中混凝土养护28d后的收缩值，粉煤灰可以提升混凝土的强度，抑制混凝土的干燥收缩；
对比例2和实施例1相比，对比例2中未添加纳米二氧化硅，对比例2中的混凝土养护28d后收缩值大于实施例1中混凝土养护28d后的收缩值，纳米二氧化硅可以提升混凝土强度，抑制混凝土的干燥收缩；
对比例3和实施例1相比，对比例3中未添加膨胀剂，对比例3中的混凝土养护28d后收缩值大于实施例1中混凝土养护28d后的收缩值，膨胀剂可以提升混凝土强度，抑制混凝土的干燥收缩；
对比例4和实施例1相比，对比例4中未添加铁尾矿砂，对比例4中的混凝土养护28d后收缩值大于实施例1中混凝土养护28d后的收缩值，铁尾矿砂可以提升混凝土的强度，抑制混凝土的干燥收缩；
对比例5和实施例2相比，对比例5中未添加渗透结晶型防水剂，对比例5的混凝土养护28d后的收缩率高于实施例2的混凝土养护28d后的收缩率；养护28天后分别进行三点弯曲破坏，再养护28d后检查对比例5和对比例2的混凝土的裂缝情况，如图1-图4所示，图1为实施例2中的混凝土三点弯曲破坏后产生的裂缝，进行28d的养护后裂缝实现完全自动愈合，愈合情况如图2所示；如3为对比例5中的混凝土三点弯曲破坏后产生的裂缝，进行28d的养护后裂缝也进行自动愈合，但是未完全愈合，愈合情况如图4所示。由实施例2和对比例5可知，渗透结晶型防水剂的添加可以提高混凝土的强度，抑制混凝土的干燥收缩，加速裂缝的自愈合效果。
本实施例只是对本发明的进一步解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性的修改，但是只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (17)
1.一种低收缩高强自愈合混凝土，其特征在于，包括按照重量份数配置的材料：300-400份的水泥、6-20份的纳米二氧化硅、100-150份的粉煤灰、700-800份的河砂、140-280份的铁尾矿砂、600-700份的粗骨料、3-4份的减水剂、2-4份的渗透结晶型防水剂、7-18份的膨胀剂、100-200份的水。
2.根据权利要求1所述的一种低收缩高强自愈合混凝土，其特征在于，所述渗透结晶型防水剂包括按照重量份数比混合的沉淀反应剂、络合物、和钙离子补偿剂，所述沉淀反应剂、络合物和钙离子补偿剂的重量份数比例为3:2:5。
3.根据权利要求2所述的一种低收缩高强自愈合混凝土，其特征在于，所述渗透结晶型防水剂还包括表面活性剂，表面活性剂在渗透结晶型防水剂中含量占比0.1％-1％。
4.根据权利要求3所述的一种低收缩高强自愈合混凝土，其特征在于，所述沉淀反应剂为硅酸钠、碳酸钠和磷酸钾的混合物，混合重量份数比例6-8：3-4：1-2。
5.根据权利要求3所述的一种低收缩高强自愈合混凝土，其特征在于，所述络合物为酒石酸钠钾和葡糖糖酸钠的混合物，酒石酸钠钾和葡糖糖酸钠的混合重量份数比例不超过35：1。
6.根据权利要求3所述的一种低收缩高强自愈合混凝土，其特征在于，所述钙离子补偿剂为乙酸钙和氢氧化钙的混合物，所述乙酸钙和氢氧化钙的重量份数混合比为3:7。
7.根据权利要求3所述的一种低收缩高强自愈合混凝土，其特征在于，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。
8.根据权利要求1所述的一种低收缩高强自愈合混凝土，其特征在于，所述膨胀剂包括氧化钙、三氧化硫和二氧化硅，所述氧化钙的含量为50％-70％，三氧化硫的含量为10％-20％，二氧化硅的含量为3％-10％。
9.根据权利要求8所述的一种低收缩高强自愈合混凝土，其特征在于，所述膨胀剂为固态粉末，密度为2.85g/cm3，比表面积为336m2/kg。
10.根据权利要求1所述的一种低收缩高强自愈合混凝土，其特征在于，所述纳米二氧化硅的纯度大于98％，粒径在6-30nm，比表面积为300m2，折光率不低于1.45％。
11.根据权利要求1所述的一种低收缩高强自愈合混凝土，其特征在于，所述河砂的细度模数为2.6，堆积密度为1410kg/m3，表观密度为2763kg/m3，石粉含量1.9％，吸水率1.3％。
12.根据权利要求1所述的一种低收缩高强自愈合混凝土，其特征在于，所述铁尾矿砂的二氧化硅含量大于75％，细度模数为2.5，堆积密度为1398kg/m3，表观密度2650kg/m3，石粉含量1.8％，吸水率4.6％。
13.根据权利要求1所述的一种低收缩高强度自愈合混凝土，其特征在于，所述粗骨料为粒径在5-20mm的连续级配的玄武岩、花岗岩、麻岩、安山岩碎石中的一种或2种复配，压碎指标为5.5％，堆积密度为1410kg/m3。
14.根据权利要求1所述的一种低收缩高强自愈合混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为二级粉煤灰，其中三氧化硫的含量为0.45％，比表面积为570m2/kg，需水比92％，烧失量4.2％。
15.根据权利要求1所述的一种低收缩高强自愈合混凝土，其特征在于，所述水泥为P.Ⅱ52.5硅酸盐水泥，所述水泥中二氧化硅、氧化钙和氧化铝的质量总占比不低于80％，所述水泥的比表面积为385m2/g，表观密度为3010kg/m3，28d强度≥55MPa。
16.根据权利要求1所述的一种低收缩高强自愈合混凝土，其特征在于，所述减水剂为复合型聚羧酸高效减水剂，具有分子拓扑结构，减水率＞25％，含固量为20％±2％。
17.一种如权利要求1-16任意一项所述的低收缩高强自愈合混凝土的制备方法，其特征在于，按照重量份数比量取各原料，该方法包括以下步骤：
步骤1、将渗透结晶型防水剂和水混合搅拌均匀得到溶液A；
步骤2、将纳米二氧化硅和减水剂混合进行超声分散，得到悬浊液B；
步骤3、将所述铁尾矿砂和河砂复配至细度模数为2.2-2.6，复配后的孔隙率小于40％；然后将复配后的铁尾矿砂、河砂与粗骨料、水泥和粉煤灰混合搅拌均匀得到干混料C；
步骤4、将溶液A加入干混料C中搅拌均匀，得到浆料D；
步骤5、将悬浊液B加入浆料D中搅拌均匀，得到浆料E；
步骤6、将所述膨胀剂加入浆料E中搅拌均匀，得到低收缩高强自愈合混凝土。
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