纳米二氧化硅复合增强抗冻低碳混凝土及其制备方法

本发明涉及混凝土制备，具体为纳米二氧化硅复合增强抗冻低碳混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、混凝土由于具有取材方便、价格低廉、生产工艺简单、抗压强度高、耐久性好等特点，成为当前最主要的建筑材料，除各种建筑工程外，混凝土还被广泛用于船舶工业、机械工业、海洋开发和地热工程等领域，混凝土冻融损伤是全球范围内影响混凝土耐久性最重要的因素之一，在寒冷地区，混凝土结构的冻融极易引起混凝土构件表层剥落和内部裂隙扩大，加快混凝土的碳化速度，降低构件强度和材料特征参数，成为影响混凝土耐久性的重要因素。

2、我国地域辽阔、地形地貌复杂多样、气温变化大，在长江以北约有我国国土面积60％的地区混凝土结构处于平均气温正负交替环境，不仅东北、西北以及华北地区，冻融破坏是影响混凝土结构和服役寿命的主要因素之一，传统混凝土结构常因内部孔隙水结冰产生的膨胀应力而开裂、剥落，导致耐久性急剧劣化，缩短服役寿命，华东、华中等地广泛存在着中小型水工建筑物混凝土冻融破坏问题，除水工结构外，严寒地区的厂房、道路、水电站、桥梁等混凝土建筑物，都会受到冻融破坏的作用，每年都需要消耗巨额的维修费用，用于维修加固的费用远超建筑物本身造价，我国正处于大规模基础设施建设时期，更要重视混凝土结构物的抗冻耐久性，以避免造成重大经济损失。

3、为提升混凝土的抗冻性能，常规做法是引入引气剂并降低水胶比，但这些措施在应对极端冻融循环时往往效果有限，且为实现高强度而增加水泥用量的做法，又会进一步加剧碳排放，近年来，纳米材料技术为混凝土高性能化提供了新途径，纳米二氧化硅因其极高的火山灰活性和微填充效应，能显著细化混凝土孔隙结构，提升密实度与强度，从而间接增强抗冻性，然而，单一掺加纳米二氧化硅存在易团聚、工作性损失大且对微观裂纹的抑制能力有限等问题，制约了其应用效果，此外，单一的增强机制难以在多尺度上协同优化混凝土的韧性与抗渗性，限制了其在高抗冻等级要求下的性能表现。

4、因此，研发一种在保证低碳排放的前提下，同时实现高强度、高韧性与优异抗冻耐久性的混凝土材料，已成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供纳米二氧化硅复合增强抗冻低碳混凝土及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。通过纳米二氧化硅与多壁碳纳米管、亲水性聚合物纤维的复配，构建了多尺度增强体系，纳米二氧化硅致密化基体，碳纳米管桥接微裂纹，纤维抑制宏观裂缝，三者协同作用，大幅提高了混凝土的抗压、抗拉强度和韧性，增强了其抗渗、抗冻等耐久性能，纳米二氧化硅通过优化孔结构减少可冻结水，引气剂引入的稳定微气泡则能有效缓冲冻融产生的膨胀压力，多尺度纤维网络进一步抑制了冻融循环引起的损伤扩展，使得混凝土在经过多次冻融循环后仍能保持很高的动弹性模量，延长了结构服役寿命，胶凝材料中使用粉煤灰、矿渣粉等工业废料作为辅助性胶凝材料，显著降低了高能耗水泥的用量，符合绿色建筑材料的发展方向，实现废物的资源化利用，还直接减少了混凝土生产过程中的碳排放，环境效益显著，亲水性聚合物纤维的加入在增强增韧的同时，其亲水特性减少了对新拌混凝土工作性的不利影响，结合聚羧酸系高效减水剂的强力分散与塑化作用，确保在低水胶比和复杂添加剂体系下，混凝土仍具有良好的流动性与可泵送性，易于现场施工成型，采用预分散、干混、分步润湿的精细化制备方法，有效解决了纳米材料易团聚、纤维分散不均的难题，保证了各增强组分在混凝土基体中的均匀分布，从而使得混凝土的最终性能稳定、可靠。

2、为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明提供纳米二氧化硅复合增强抗冻低碳混凝土及其制备方法。

4、第一方面，本发明提供一种技术方案：纳米二氧化硅复合增强抗冻低碳混凝土，包括如下分量原料：胶凝材料18％—21％、骨料73.65％—75.58％、水5.52％—6.1％、纳米二氧化硅0.8％—0.9％、多壁碳纳米管0.004％—0.005％、亲水性聚合物纤0.1％—0.3％、添加剂0.55％—0.63％。

5、进一步的，所述胶凝材料由以下成分组成：水泥50％—70％、辅助性胶凝材料25％—45％、纳米二氧化硅1％—3％。

6、进一步的，所述辅助性胶凝材料包括粉煤灰、矿渣粉、硅灰、改性沸石粉。

7、进一步的，所述骨料包括粗骨料、细骨料，所述粗骨料为连续级配碎石，所述粗骨料的粒径为5—20mm，所述粗骨料的含泥量<1.0％，所述细骨料为中砂，所述细骨料的细度模数为2.3-3.0，所述细骨料的含泥量<2.0％。

8、进一步的，所述添加剂包括聚羧酸系高性能减水剂、引气剂。

9、第二方面，根据上述第一方面本发明还提供一种技术方案：纳米二氧化硅复合增强抗冻低碳混凝土的制备方法，包括以下步骤：

10、步骤一、原料准备：根据配比称取对应分量的所有原料。

11、步骤二、纳米原料预分散：通过高速剪切机将所述纳米二氧化硅、水和减水剂混合均匀，获得预混浆液。

12、步骤三、骨料混合：将所述骨料、多壁碳纳米管、亲水性聚合物纤维、水搅拌混合均匀，获得湿混骨料。

13、步骤四、胶凝材料混合：将所述胶凝材料投入湿混骨料中分别进行慢速和快速搅拌混合，获得干湿混合物。

14、步骤五、关键浆料引入：将所述预混浆液和引气剂一同加入干湿混合物中快速搅拌，获得纳米二氧化硅复合增强抗冻低碳混凝土。

15、进一步的，在步骤二中，所述高速剪切机的转速为2000-3000rpm，所述高速剪切机的剪切时间为3—5min，所述水占总比的80％。

16、进一步的，所述步骤三中，搅拌混合步骤为：

17、s301、将所述骨料、多壁碳纳米管、亲水性聚合物纤维投入搅拌机进行干拌混合，使其混合均匀，获得干混骨料；

18、s302、向所述干混骨料中加入水后进行搅拌混合，使骨料和纤维表面被水充分润湿，获得湿混骨料

19、进一步的，在步骤三中，所述干拌混合时间为30—45s，所述搅拌混合时间为60—90s。

20、进一步的，在步骤四中，所述慢速搅拌混合速度为15-30rpm，所述慢速搅拌混合时间为30—45s，所述快速搅拌混合速度为35-60rpm，所述快速搅拌混合时间为90—120s。

21、本发明提供了纳米二氧化硅复合增强抗冻低碳混凝土及其制备方法，具备以下有益效果：

22、1.通过纳米二氧化硅与多壁碳纳米管、亲水性聚合物纤维的复配，构建了多尺度增强体系，纳米二氧化硅致密化基体，碳纳米管桥接微裂纹，纤维抑制宏观裂缝，三者协同作用，大幅提高了混凝土的抗压、抗拉强度和韧性，增强了其抗渗、抗冻等耐久性能。

23、2.纳米二氧化硅通过优化孔结构减少可冻结水，引气剂引入的稳定微气泡则能有效缓冲冻融产生的膨胀压力，多尺度纤维网络进一步抑制了冻融循环引起的损伤扩展，使得混凝土在经过多次冻融循环后仍能保持很高的动弹性模量，延长了结构服役寿命。

24、3.胶凝材料中使用粉煤灰、矿渣粉等工业废料作为辅助性胶凝材料，显著降低了高能耗水泥的用量，符合绿色建筑材料的发展方向，实现废物的资源化利用，还直接减少了混凝土生产过程中的碳排放，环境效益显著。

25、4.亲水性聚合物纤维的加入在增强增韧的同时，其亲水特性减少了对新拌混凝土工作性的不利影响，结合聚羧酸系高效减水剂的强力分散与塑化作用，确保在低水胶比和复杂添加剂体系下，混凝土仍具有良好的流动性与可泵送性，易于现场施工成型。

26、5.采用预分散、干混、分步润湿的精细化制备方法，有效解决了纳米材料易团聚、纤维分散不均的难题，保证了各增强组分在混凝土基体中的均匀分布，从而使得混凝土的最终性能稳定、可靠。