一种高寒地区用防渗抗冻复合混凝土及其制备方法

本发明属于复合混凝土，尤其属于一种高寒地区用防渗抗冻复合混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、高寒地区年均低温周期长、冻融循环次数多，交通、水利、市政等领域基础设施的混凝土构件长期面临冻胀开裂、渗漏水侵蚀的双重失效风险，是制约高寒地区工程耐久性提升的核心痛点，行业对兼具高抗渗、高抗冻性能的长寿命混凝土材料需求迫切。

2、目前主流的高寒地区混凝土技术主要分为两类：第一类为单一组分引气型抗冻混凝土，其工作原理是通过掺加引气剂在混凝土内部引入均匀微米级气泡，缓冲水结冰产生的冻胀应力，实现方式为在普通混凝土配合比中添加0.01%~0.1%的松香类、皂甙类引气剂，调整混凝土含气量至4%~6%，目前广泛应用于高寒地区路基、桥涵等线性工程，现有优势为制备工艺简单、原料成本较低。但该类技术为保障抗冻性引入的开孔孔隙会显著降低混凝土抗渗性能，同时引气剂引入的气泡稳定性较差，拌合、振捣过程中易破裂合并形成连通孔隙，无法同时兼顾抗渗与抗冻需求，长期服役过程中渗漏后冻胀破坏速率进一步加快。

3、第二类为双层结构防渗抗冻混凝土，其工作原理是外层设置致密抗渗层阻隔外界水分侵入，内层设置结构混凝土承载力学荷载，实现方式为先后浇筑外层防水混凝土与内层结构混凝土，两层之间涂刷环氧树脂类界面剂提升粘接强度，多用于高寒地区地下管廊、水库坝体等有严格防渗要求的工程，现有优势为抗渗性能较单组分混凝土提升明显。但该类技术的内层普通混凝土抗冻缓冲性能不足，外层一旦出现微裂缝渗漏后，内层冻胀会直接导致两层界面脱粘，且未考虑低温环境下界面粘接失效、微裂缝自修复能力不足的问题，服役过程中耐久性劣化问题突出。

4、现有两类技术均无法同时实现高寒地区混凝土高抗渗、高抗冻、界面高粘接、低温自修复的协同性能要求，无法满足高寒地区基础设施长寿命服役的核心需求，亟需开发适配高寒地区特殊服役环境的新型复合混凝土材料。

技术实现思路

1、针对现有高寒地区混凝土无法兼顾抗渗抗冻性能、双层结构界面易脱粘、低温下微裂缝无自修复能力的不足，本发明提供了一种高寒地区用防渗抗冻复合混凝土及其制备方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种高寒地区用防渗抗冻复合混凝土，采用功能梯度孔隙结构设计，从外至内依次为致密抗渗外层与高闭孔缓冲内层，所述致密抗渗外层的总孔隙率为5%~8%，闭孔孔隙占总孔隙的比例不低于95%，抗渗等级不低于p14；所述高闭孔缓冲内层的总孔隙率为12%~16%，闭孔孔隙占总孔隙的比例不低于85%，高闭孔缓冲内层内部分布有非贯通闭孔，所述非贯通闭孔通过温敏微胶囊与铝粉膏复合发泡体系发泡生成；

4、所述致密抗渗外层中掺加有低温耐候型自修复组分，掺量占外层胶凝材料总质量的2.5%~4%；所述致密抗渗外层与高闭孔缓冲内层之间设置有机械咬合-化学桥接复合界面，通过界面浆液原位水化反应形成化学键合结构，配合外层浆体嵌入内层粗糙表面形成的微观机械咬合共同作用。

5、进一步的，所述致密抗渗外层按重量份计包括以下原料：42.5级硅酸盐水泥180~220份，纳米sio2表面沉积改性玄武岩碎石650~750份，河砂280~320份，聚羧酸系高效减水剂3~6份，硅灰15份~25份，水80份~100份，所述低温耐候型自修复组分按质量比10:8:5:1通过氟碳改性聚丙烯酸、纳米硅溶胶、活性钙源、低温早强促进剂复配而成；所述致密抗渗外层的厚度为复合混凝土总厚度的15%~25%。

6、进一步的，所述高闭孔缓冲内层按重量份计包括以下原料：42.5级普通硅酸盐水泥150份~190份，机械活化超细粉煤灰70份~90份，陶粒120份~160份，所述陶粒经硅烷浸渍疏水处理，药剂表层渗透深度为0.1~0.3mm，形成渗透型疏水阻水层，所述陶粒粒径为5~15mm，筒压强度不低于4.5mpa，河砂350份~400份，聚羧酸系减水剂2份~4份，温敏微胶囊-铝粉膏复合发泡剂0.13~0.42份及硬脂酸钙与纳米碳酸钙晶须复配的稳泡增强组分，水95份~115份。

7、进一步的，所述温敏微胶囊与铝粉膏的质量比为3:1，总掺量占内层胶凝材料总质量的 0.06%~0.15%，所述温敏微胶囊的相变温度为15~25℃；所述铝粉膏细度≤0.075mm，所述非贯通闭孔的孔径为10μm~80μm。

8、进一步的，所述机械咬合-化学桥接复合界面由偏高岭土、纳米硅溶胶与水按质量比 1:2:0.8配制的界面浆液形成，界面层厚度为0.5~1mm，界面处原位生成连续的c-a-s-h凝胶，两层界面抗拉强度不低于3.0mpa。

9、进一步的，所述致密抗渗外层的弹性模量为32gpa~38gpa；所述高闭孔缓冲内层的弹性模量为20gpa~25gpa，较致密抗渗外层的弹性模量低30%~40%。

10、进一步的，包括以下步骤：

11、s1、按配比称量高闭孔缓冲内层的所有原料，先将水泥、粉煤灰、河砂、经硅烷浸渍疏水处理的陶粒投入搅拌机内干拌60s~90s，再加入水和减水剂湿拌120s~180s，先加入温敏微胶囊搅拌30s，再加入铝粉膏搅拌15s，得到内层混凝土拌合料；

12、将内层混凝土拌合料浇筑至预设的约束模具内，在温度为20℃~30℃的常温条件下静置发泡30~60分钟，形成内层坯体；

13、s2、待内层坯体达到塑性状态时，采用0.2~0.4mpa的雾化压力向内层坯体表面喷涂界面浆液，雾化液滴平均粒径≤100μm，喷涂过程不破坏内层坯体表面的凹凸粗糙结构，喷涂厚度控制为0.5~1mm，喷涂完成后需在内层坯体初凝前完成外层浇筑与振捣；

14、按配比称量致密抗渗外层的所有原料，先将低温耐候型自修复组分预分散于拌合水中，搅拌均匀后备用；再将水泥、硅灰、河砂、纳米sio2表面沉积改性玄武岩碎石投入搅拌机内干拌60s~90s，随后加入含自修复组分的拌合水和减水剂湿拌150s~210s，得到外层混凝土拌合料；

15、将外层混凝土拌合料浇筑至高闭孔缓冲内层坯体的上方，振捣密实后送入养护区域完成养护。

16、进一步的，s1中所述的约束模具采用四周封闭的钢质模具，模具内壁涂抹有脱模剂，内层混凝土拌合料浇筑后，采用平板振动器轻振10~15s，得到上表面为发泡凹凸结构、粗糙度0.5~2mm的内层坯体。

17、进一步的，s2中所述的塑性状态判定标准为高闭孔缓冲内层坯体的贯入阻力值为1.5~3.0mpa，此时内层坯体已完成发泡定型但未进入初凝阶段，当环境温度低于10℃时，s1中静置发泡时间延长至60~90分钟，塑性状态窗口期延长至20~30分钟；

18、所述振捣设备采用插入式振捣棒，振捣频率为50hz~60hz，振捣棒工作端不穿透外层，振捣深度控制在5mm至外层厚度的50%之间，且不大于10mm，振捣时间为15s~25s；全程养护环境相对湿度＞95%；先在15~20℃条件下养护3d，再用≤2℃/d的降温速率降至0~5℃低温养护25d，总养护周期28天。

19、本发明具有如下有益效果：

20、本发明采用功能梯度孔隙双层结构设计，外层设置高闭孔率致密抗渗结构，可有效阻隔外界水分侵入，内层设置高闭孔率缓冲结构，通过复合发泡体系生成稳定非贯通闭孔，为冻胀应力提供释放空间，有效解决了现有单组分引气混凝土无法同时兼顾抗渗与抗冻性能、气泡稳定性差易形成连通孔隙的缺陷。

21、本发明在外层掺加低温耐候型自修复组分，可在低温环境下触发反应自动弥合外层微裂缝，避免渗漏通道形成，同时在内外层之间设置机械咬合-化学桥接复合界面，通过界面浆液原位水化反应生成稳定凝胶形成化学键合，配合外层浆体嵌入内层粗糙表面形成的微观咬合结构提升界面粘接强度，有效解决了现有双层结构混凝土界面易脱粘、外层微裂缝无法在低温环境下自修复的缺陷。

22、本发明通过梯度匹配内外层弹性模量，外层高模量保障整体结构力学承载性能，内层低模量适配冻胀变形需求，配合内层疏水处理骨料的阻水效果，进一步降低水分侵入内层后的冻胀风险，有效解决了现有混凝土长期高寒服役过程中冻胀劣化速率快的缺陷。

23、本发明的复合混凝土适配高寒地区各类极端服役场景，可广泛应用于交通路基、桥涵结构、地下管廊、水库坝体等不同类型工程建设，无需额外增设独立防水抗冻防护层，可降低高寒地区基础设施全生命周期的运维成本，适配现有常规混凝土制备施工工艺，无需新增特殊设备投入，具备较高的行业推广应用价值。