CN117886560B - 含温敏型sap的地聚物混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及含温敏型SAP的地聚物混凝土及其制备方法，本发明采用钢渣粉、矿粉作为活性原料，大量消耗炼钢工业副产物，添加水玻璃作为激发剂，并添加粗细骨料构成混凝土构架，添加减水剂提高混凝土流动性，制备专用温敏型SAP颗粒，可随温度变化产生体积变化，吸附离子提高孔溶液浓度配合SAP孔降低冰点，提高地聚物混凝土抗冻效果。
Description
技术领域
本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及含温敏型SAP的地聚物混凝土及其制备方法。
背景技术
地聚物混凝土是由钢渣、矿渣、石子、河砂和碱性激发剂等原材料混合而成，具备出色的力学性能、耐久性，且环保效果显著。
钢铁生产过程中产生了大量的钢渣、矿渣，这些废弃物不仅占用了大量土地，还对土壤和地下水造成了潜在的污染威胁。
但若将这些废料用于制备地聚物混凝土，不仅能获得一种新型的低碳建筑材料，还能显著降低制备过程中的碳排放。
与传统的混凝土相比，该地聚物的制备碳排放量仅为其30%~40%。
此外，通过这种方式，钢渣、矿渣的利用率得以提高，从而有效解决了因废物堆存而引发的环境问题。
然而，在寒冷地区，地聚物孔隙率偏高，抗冻性较弱。
地聚物混凝土容易受到冻融循环的影响，导致其性能下降，甚至产生开裂、剥落等破坏现象。
文献1（Hongduo Zhao,Fan Yang,Xin Qian, et al. A bio-inspired mineralprecipitation method to improve the freeze-thaw resistance of cement concretepavement[J]. Journal of Cleaner Production, 2023, 419: 138277.）公布了一种提高混凝土抗冻性能的方法。
矿物沉淀法作为一种有效的表面处理技术，能够有效降低硅酸盐水泥混凝土的孔隙率，进而显著增强其抗冻融性能。
这种方法通过添加细颗粒矿物材料和精确的化学反应控制，实现了对混凝土内部结构的优化，提高了其耐久性和稳定性。
文献2（Jerzy Wawrzeńczyk,Agnieszka Molendowska,Adam Kłak. Effect ofGround Granulated Blast Furnace Slag and Polymer Microspheres onImpermeability and Freeze-thaw Resistance of Concrete[J]. ProcediaEngineering, 2016, 161: 79-84.）公布了一种提高混凝土抗冻性的方法。
采用基于聚合物微球的空气夹带的方法来提供稳定的孔隙结构，微球起到了气孔的作用，从而提高混凝土的抗冻性能。
文献3（李昊,周一,张园,等. 混杂纤维风积沙混凝土抗冻性研究及寿命预测[J].排灌机械工程学报）公布了一种提高混凝土抗冻性的方法。
学者们发现在混凝土中掺入纤维能够明显抑制裂纹的萌生和扩展，从而增强混凝土材料的抗冻性。
上述技术存在的不足在于：（1）文献1矿物沉淀涉及复杂的化学反应，pH值是影响矿物沉淀效果的重要因素。
在pH值过高的情况下，可能会导致沉淀物溶解或结构不稳定，从而影响混凝土的性能。
此外，pH值过高还可能引起其他化学反应，如水解反应或溶解反应，这可能会进一步影响沉淀物的形成和混凝土的性能。
在pH值过低的情况下，可能会导致沉淀物形成不均匀或结构不完整，从而影响混凝土的性能。
此外，pH值过低还可能导致其他副反应的发生，如形成其他矿物相或发生化学腐蚀反应。
（2）文献2中微球在混凝土中容易聚集或破碎，将影响其空气夹带的效果和混凝土的抗冻性能。
而且如果微球与混凝土的相容性不好，可能会导致混凝土的内部结构不均匀，影响其力学性能和抗冻性能。
（3）文献2聚合物微球在混凝土中的分布和稳定性易受到影响，微球的流失或聚集可能降低空气夹带的效果，进而导致孔隙内空气的滞留，在反复冻融条件下，这些滞留的气体会形成冰晶，从而损害混凝土的结构。
（4）文献3中掺入纤维会影响混凝土的稠度和工作性能。
而且纤维的掺量过多或纤维的长度过长，可能会导致混凝土的稠度增大，从而影响其施工性能。
而且如果纤维与混凝土的相容性不好，可能会导致纤维在混凝土中的聚集或结团，从而影响其增强效果。
发明人前期研究在地聚物混凝土中添加SAP颗粒形成微孔，从而提高地聚物混凝土抗冻性，随着研究的深入，发明人发现，普通SAP颗粒引入的微孔在冻融循环后期的抗冻效果会逐渐变差。
发明内容
为克服现有技术中的问题，本发明提供了含温敏型SAP的地聚物混凝土及其制备方法，具体的，本发明采用钢渣粉、矿粉作为活性原料，大量消耗炼钢工业副产物，添加水玻璃作为激发剂，并添加粗细骨料构成混凝土构架，添加减水剂提高混凝土流动性，制备专用温敏型SAP颗粒，可随温度变化产生体积变化，吸附离子提高孔溶液浓度配合SAP孔降低冰点，提高地聚物混凝土抗冻效果。
具体的，本发明含温敏型SAP的地聚物混凝土，由以下重量份原料组成：
钢渣粉280-350份，矿粉300-400份，水玻璃70-100份，粗骨料900-1200份，细骨料700-900份，减水剂18-25份，水150-180份，温敏型SAP颗粒7-12份。
其中，所述温敏型SAP颗粒制备工艺为：
①配制质量分数25%的氢氧化钠溶液、质量分数为2.8%过硫酸铵溶液，
②将丙烯酸与氢氧化钠溶液混合，制备质量分数40%的丙烯酸钠溶液，
③在100份丙烯酸钠溶液中加入23-27份丙烯酰胺、7份乙二胺和130份水，搅拌均匀，加热至80℃，同时滴加适量过硫酸铵溶液和5-6份Triton X-100，反应得到凝胶，
④将凝胶使用去离子水清洗至中性，再放入乙醇中进行除杂，
⑤球磨至10-30μm，浸泡至木质素磺酸钠溶液，烘干，再浸泡至脂肪酸聚乙二醇酯溶液中，烘干，即得。
发明人在前期研究中添加分散性良好的SAP颗粒引入微纳米级SAP孔提高地聚物混凝土抗冻性，进一步研究表明，在冻融循环后期，由于孔中仍存在SAP颗粒，其在冻融循环过程中同样会吸附部分渗透进入地聚物内部的水分，因此在经历300次冻融循环后便开始出现明显加快的质量损失率，为后续冻融破坏埋下隐患。
为此，本发明研究制备一种温敏型SAP颗粒，其随温度变化发生体积变化，且在地聚物混凝土制备和养护阶段，温敏型SAP颗粒可吸附地聚物浆料和水化过程产生的金属离子，释水后金属离子在温敏型SAP颗粒中比普通SAP颗粒具有更高的保留率，当温度降低时，温敏型SAP颗粒发生进一步收缩，形成更多孔空间，水进入SAP孔后部分被温敏型SAP颗粒吸收，形成浓度更高的离子溶液，且温敏型SAP颗粒的吸水膨胀率在低温下更低，可使SAP孔富有更多孔容，配合离子溶液进一步降低冰点，最终提高地聚物混凝土多次冻融后的抗冻效果。
优选的，所述钢渣粉粒径小于75μm。
优选的，所述矿粉为S95级、S105级矿粉的至少一种。
优选的，所述水玻璃模数为2.6-3.1，固含量为50-55%。
优选的，所述粗骨料为碎石、卵石、再生粗骨料的至少一种，粒径为5-20mm连续集配。
优选的，所述细骨料为河砂、石英砂、机制砂的至少一种，细度模数为2.0-2.3。
优选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率≥25%。
优选的，步骤⑤中木质素磺酸钠溶液质量浓度为40-50%。
优选的，步骤⑤脂肪酸聚乙二醇酯溶液质量浓度为20-25%。
本发明还涉及上述含温敏型SAP的地聚物混凝土的制备方法，具体的，包括如下步骤：
S1将钢渣粉、矿粉加入搅拌机混合均匀，加入温敏型SAP颗粒，
S2加入粗骨料、细骨料，混合均匀，
S3将水玻璃、减水剂溶于水，得溶液，
S4将溶液加入搅拌机，混合均匀，得地聚物浆料，
S5将地聚物浆料成型、养护，即得。
优选的，步骤S5养护采用标准养护至28d。
本发明具有以下技术优势：
1.本发明温敏型SAP颗粒制备工艺简单，分散效果好，可直接与地聚物混凝土胶凝材料进行干拌混合均匀，
2.本发明温敏型SAP颗粒随温度变化具有体积变形能力，且离子吸附能力强，协同提高地聚物混凝土抗冻性，
3.本发明地聚物混凝土可消纳大量工业固废，且经历长期冻融循环具有良好的质量保持率，后期抗冻效果良好。
具体实施方式
为表征本发明技术效果，制备地聚物混凝土并对其性能进行测试，其中，钢渣粉粒径小于75μm，矿粉为S95级矿粉，水玻璃模数为2.8，固含量为50%，所述粗骨料5-20mm碎石，细骨料为细度模数2.3的河砂，减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为28%。
地聚物混凝土配合比为：钢渣粉320份，矿粉350份，水玻璃90份，粗骨料1100份，细骨料850份，减水剂23份，水165份， SAP颗粒10份。
实施例1
SAP颗粒制备工艺为：
①配制质量分数25%的氢氧化钠溶液、质量分数为2.8%过硫酸铵溶液，
②将丙烯酸与氢氧化钠溶液混合，制备质量分数40%的丙烯酸钠溶液，
③在100份丙烯酸钠溶液中加入27份丙烯酰胺、7份乙二胺和130份水，搅拌均匀，加热至80℃，同时滴加适量过硫酸铵溶液和6份Triton X-100，反应得到凝胶，
④将凝胶使用去离子水清洗至中性，再放入乙醇中进行除杂，
⑤球磨至10-30μm，浸泡至质量浓度40%的木质素磺酸钠溶液，烘干，再浸泡至质量浓度20%的脂肪酸聚乙二醇酯溶液中，烘干，即得。
经检测，混凝土28d抗压强度48.5MPa，100次冻融循环相对动弹性模量99.5%，质量损失率0.2%，200次冻融循环相对动弹性模量96.8%，质量损失率0.5%，300次冻融循环相对动弹性模量93.4%，质量损失率0.8%，350次冻融循环相对动弹性模量91.7%，质量损失率1.1%。
实施例2
SAP颗粒制备工艺为：
①配制质量分数25%的氢氧化钠溶液、质量分数为2.8%过硫酸铵溶液，
②将丙烯酸与氢氧化钠溶液混合，制备质量分数40%的丙烯酸钠溶液，
③在100份丙烯酸钠溶液中加入23份丙烯酰胺、8份乙二胺和130份水，搅拌均匀，加热至80℃，同时滴加适量过硫酸铵溶液和5份Triton X-100，反应得到凝胶，
④将凝胶使用去离子水清洗至中性，再放入乙醇中进行除杂，
⑤球磨至10-30μm，浸泡至质量浓度40%的木质素磺酸钠溶液，烘干，再浸泡至质量浓度20%的脂肪酸聚乙二醇酯溶液中，烘干，即得。
经检测，混凝土28d抗压强度45.5MPa，100次冻融循环相对动弹性模量99.3%，质量损失率0.3%，200次冻融循环相对动弹性模量95.9%，质量损失率0.6%，300次冻融循环相对动弹性模量93.1%，质量损失率1.0 %，350次冻融循环相对动弹性模量90.4%，质量损失率1.2%。
对比例1
采用发明人在先专利申请（CN115784651A）中0.5-5μm聚丙烯酸交联丙烯酰胺型SAP颗粒（购自胜利油田长安控股有限公司Wote-Ⅰ型）。
经检测，混凝土28d抗压强度42.5MPa，100次冻融循环相对动弹性模量98.5%，质量损失率0.4%，200次冻融循环相对动弹性模量92.7%，质量损失率0.7%，300次冻融循环相对动弹性模量89.3%，质量损失率1.3%，350次冻融循环相对动弹性模量72.6%，质量损失率3.4%。
对比例2
SAP颗粒制备工艺为：
①配制质量分数25%的氢氧化钠溶液、质量分数为2.8%过硫酸铵溶液，
②将丙烯酸与氢氧化钠溶液混合，制备质量分数40%的丙烯酸钠溶液，
③在100份丙烯酸钠溶液中加入23份丙烯酰胺和130份水，搅拌均匀，加热至80℃，同时滴加适量过硫酸铵溶液，反应得到凝胶，
④将凝胶使用去离子水清洗至中性，再放入乙醇中进行除杂，
⑤球磨至10-30μm，浸泡至质量浓度40%的木质素磺酸钠溶液，烘干，再浸泡至质量浓度20%的脂肪酸聚乙二醇酯溶液中，烘干，即得。
经检测，混凝土28d抗压强度37.6MPa，100次冻融循环相对动弹性模量97.1%，质量损失率0.5%，200次冻融循环相对动弹性模量93.3%，质量损失率0.9%，300次冻融循环相对动弹性模量80.2%，质量损失率2.5 %，350次冻融循环相对动弹性模量71.2%，质量损失率4.4%。
对比例3
SAP颗粒制备工艺为：
①配制质量分数25%的氢氧化钠溶液、质量分数为2.8%过硫酸铵溶液，
②将丙烯酸与氢氧化钠溶液混合，制备质量分数40%的丙烯酸钠溶液，
③在100份丙烯酸钠溶液中加入23份丙烯酰胺、8份乙二胺和130份水，搅拌均匀，加热至80℃，同时滴加适量过硫酸铵溶液和5份Triton X-100，反应得到凝胶，
④将凝胶使用去离子水清洗至中性，再放入乙醇中进行除杂，
⑤球磨至10-30μm，即得。
经检测，混凝土28d抗压强度40.4MPa，100次冻融循环相对动弹性模量95.0%，质量损失率0.5%，200次冻融循环相对动弹性模量88.3%，质量损失率1.0%，300次冻融循环相对动弹性模量70.5%，质量损失率5.2 %，350次冻融循环相对动弹性模量63.9%，质量损失率7.2%。
对比例4
SAP颗粒制备工艺为：
①配制质量分数25%的氢氧化钠溶液、质量分数为2.8%过硫酸铵溶液，
②将丙烯酸与氢氧化钠溶液混合，制备质量分数40%的丙烯酸钠溶液，
③在100份丙烯酸钠溶液中加入11份丙烯酰胺、17份乙二胺和130份水，搅拌均匀，加热至80℃，同时滴加适量过硫酸铵溶液，反应得到凝胶，
④将凝胶使用去离子水清洗至中性，再放入乙醇中进行除杂，
⑤球磨至10-30μm，浸泡至质量浓度40%的木质素磺酸钠溶液，烘干，即得。
经检测，混凝土28d抗压强度46.3MPa，100次冻融循环相对动弹性模量94.0%，质量损失率0.6%，200次冻融循环相对动弹性模量85.2%，质量损失率5.2%，300次冻融循环相对动弹性模量76.7%，质量损失率6.6 %，350次冻融循环相对动弹性模量70.3%，质量损失率7.2%。
对比例5
本对比例与实施例2相比，地聚物混凝土不添加任何SAP颗粒。
经检测，混凝土28d抗压强度47.6MPa，100次冻融循环相对动弹性模量90.5%，质量损失率1.6%，200次冻融循环相对动弹性模量66.2%，质量损失率6.8%，250次冻融循环相对动弹性模量44.5%，质量损失率9.7 %。
最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。
Claims (10)
1.含温敏型SAP的地聚物混凝土，其特征在于，由以下重量份原料组成：
钢渣粉320份，矿粉350份，水玻璃90份，粗骨料1100份，细骨料850份，减水剂23份，水165份，温敏型SAP颗粒7-12份，
所述温敏型SAP颗粒制备工艺为：
①配制质量分数25%的氢氧化钠溶液、质量分数为2.8%过硫酸铵溶液，
②将丙烯酸与氢氧化钠溶液混合，制备质量分数40%的丙烯酸钠溶液，
③在100份丙烯酸钠溶液中加入23-27份丙烯酰胺、7份乙二胺和130份水，搅拌均匀，加热至80℃，同时滴加适量过硫酸铵溶液和5-6份Triton X-100，反应得到凝胶，
④将凝胶使用去离子水清洗至中性，再放入乙醇中进行除杂，
⑤球磨至10-30μm，浸泡至木质素磺酸钠溶液，烘干，再浸泡至脂肪酸聚乙二醇酯溶液中，烘干，即得。
2.根据权利要求1所述的含温敏型SAP的地聚物混凝土，其特征在于，所述钢渣粉粒径小于75μm。
3.根据权利要求1所述的含温敏型SAP的地聚物混凝土，其特征在于，所述矿粉为S95级、S105级矿粉的至少一种。
4.根据权利要求1所述的含温敏型SAP的地聚物混凝土，其特征在于，所述水玻璃模数为2.6-3.1，固含量为50-55%。
5.根据权利要求1所述的含温敏型SAP的地聚物混凝土，其特征在于，所述粗骨料为碎石、卵石、再生粗骨料的至少一种，粒径为5-20mm连续集配。
6.根据权利要求1所述的含温敏型SAP的地聚物混凝土，其特征在于，所述细骨料为河砂、石英砂、机制砂的至少一种，细度模数为2.0-2.3。
7.根据权利要求1所述的含温敏型SAP的地聚物混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率≥25%。
8.根据权利要求1所述的含温敏型SAP的地聚物混凝土，其特征在于，步骤⑤中木质素磺酸钠溶液质量浓度为40-50%，脂肪酸聚乙二醇酯溶液质量浓度为20-25%。
9.根据权利要求1-8任一项所述的含温敏型SAP的地聚物混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1将钢渣粉、矿粉加入搅拌机混合均匀，加入温敏型SAP颗粒，
S2加入粗骨料、细骨料，混合均匀，
S3将水玻璃、减水剂溶于水，得溶液，
S4将溶液加入搅拌机，混合均匀，得地聚物浆料，
S5将地聚物浆料成型、养护，即得。
10.根据权利要求9所述的含温敏型SAP的地聚物混凝土的制备方法，其特征在于，步骤S5养护采用标准养护至28d。
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