一种锡丝自修复活性粉末混凝土及其制备方法与流程

1.本技术涉及混凝土技术领域，更具体地说，它涉及一种锡丝自修复活性粉末混凝土及其制备方法。


背景技术：

2.随着现代社会的进步和科学技术的快速发展，大量超高层建筑，大跨度桥梁结构、深基坑和深海工程等超级工程越来越多，对混凝土提出了新的要求。混凝土既要有高强度、长期体积稳定性和耐久性，又要具备很好的流动性。因此具有高力学性能和良好耐久性的新型水泥基复合材料——活性粉末混凝土(rpc)应运而生。
3.活性粉末混凝土由水泥、级配石英砂、石英粉、硅灰、高效减水剂和钢纤维等组成，设计过程中通过采用低水胶比，提高颗粒的细度与活性，并在优化颗粒级配的基础上掺短细钢纤维，基于最紧堆积密度理论，减少材料内部缺陷，增加密实度，从而获得高强度、高韧性和高耐久性的活性粉末混凝土。
4.虽然活性粉末混凝土具有高力学性能和良好耐久性，但在实际工程应用中，仍存在一些问题：(1)价格高,传统活性粉末混凝土中用量最大的骨料为不同粒径的石英砂,石英砂的价格约2000元/吨,使得活性粉末混凝土成本远高于普通混凝土；(2)抗火能力差，当温度超过 300℃时，由于活性粉末混凝土原材料基于最紧堆积密度原理，组成材料无粗骨料，结构致密，容易发生爆裂丧失强度，阻碍了其在建筑结构中的使用；(3)收缩大，混凝土表面易出现裂纹；(4)流动性不佳，活性粉末混凝土水灰比较低，掺入钢纤维或混杂纤维后流动性更受影响，难以浇筑密实，这对混凝土现场浇筑造成了困难；(5)生产效率低，现场搅拌需要对所有原材料需要精准称量，严重影响现场搅拌浇筑效率。
5.针对上述中的相关技术，发明人认为，需要提供一种锡丝自修复活性粉末混凝土及其制备方法，具有成本低、抗爆裂能力好等优点。


技术实现要素：

6.为了提高活性粉末混凝土的抗爆裂能力并降低生产成本，本技术提供一种锡丝自修复活性粉末混凝土及其制备方法。
7.第一方面，本技术提供的一种锡丝自修复活性粉末混凝土，采用如下的技术方案：一种锡丝自修复活性粉末混凝土，原料包括干混料，水154.9
‑
195.8重量份和减水剂27.3
‑
34.6 重量份；干混料包括以下重量份的原料：水泥570
‑
720份，粉煤灰199
‑
252份，硅灰142
‑
180 份，机制山砂942
‑
1183份，钢纤维80
‑
160份，锡丝15
‑
44份；且所有原料重量份的基准相同。
8.通过采用上述技术方案，通过优化配比设计，采用大掺量粉煤灰与硅灰替代部分水泥，不仅提高了活性粉末混凝土的和易性与流动性，改善了活性粉末混凝土的工作性能，而且加大了对工业废料的使用率；同时结合减水剂的使用，使得活性粉末混凝土具有自密实的效果；通过加入钢纤维，提高了活性粉末混凝土的强度。
9.通过加入含量较为丰富的山砂，替代价格昂贵的石英砂和石英粉，能显著降低活性粉末混凝土的原材料价格，具有良好的经济效益，且28d抗压强度可达100mpa，完全达到活性粉末混凝土的性能要求。
10.在200℃前，活性粉末混凝土的强度随着温度的升高而增强，当温度超过200℃，活性粉末混凝土内部致密的结构使得水汽无法排出，导致混凝土出现严重的爆裂，从而使混凝土破裂，强度显著降低。已知的抗爆裂解决措施是掺入聚乙烯、聚丙烯纤维等，成本高，且掺入会显著降低混凝土的强度和流动性。本技术通过添加锡丝，锡丝在温度超高200℃时熔化成小珠，使得混凝土内部形成微小通道，水汽可以从上述微小通道中排出，从而明显降低活性粉末混凝土的爆裂行为，提高活性粉末混凝土的抗爆裂能力，从而提高活性粉末混凝土的抗火能力。
11.可选的，锡丝为锡铜合金制成的无铅锡丝，熔点为180
‑
220℃。
12.通过采用上述技术方案，选用锡铜合金制成的无铅锡丝，并限定熔点范围，能够保证锡融化后在混凝土内部形成供水汽逸出的通道，且由于铜的加入，可提升锡丝的抗拉强度，从而与钢纤维协同作用且不会降低混凝土的强度。
13.可选的，干混料中还包括nstj结晶渗透剂6.9
‑
27.6重量份，所述nstj结晶渗透剂由水泥、edta、硅酸钠、氢氧化钙、氢氧化镁、纳米材料组成，所述纳米材料为纳米二氧化硅或纳米碳酸钙，且水泥：edta：硅酸钠：氢氧化钙：氢氧化镁：纳米材料的重量配比为1： (0.4
‑
0.8)：(0.8
‑
1.3)：(0.5
‑
1)：(0.5
‑
1.1)：(0.1
‑
0.22)。
14.通过采用上述技术方案，nstj结晶渗透剂可与钙离子反应生产络合物，当活性粉末混凝土出现裂缝，通过渗水可以使络合物到达裂缝出现的空隙内与未发生水化反应的水泥发生水化反应形成结晶体，使裂缝愈合；由于活性粉末混凝土的内部结构致密，通过加入纳米材料可使得络合物更容易渗透，从而提高活性粉末混凝土的裂缝自修复能力。
15.可选的，纳米二氧化硅粒径为10
‑
50nm。
16.可选的，纳米碳酸钙粒径为10
‑
100nm。
17.通过采用上述技术方案，上述粒径范围内的纳米二氧化硅或纳米碳酸钙能使得络合物渗透效果更好，且成本较低。
18.可选的，机制山砂粒径为0.2
‑
1mm。
19.通过采用上述技术方案，具有上述粒径的机制山砂能更好地改善活性粉末混凝土的力学性能。
20.可选的，钢纤维为微丝平直镀铜纤维。
21.通过采用上述技术方案，选用微丝平直度铜纤维能更好地改善活性粉末混凝土的力学性能。
22.第二方面，本技术提供一种锡丝自修复活性粉末混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：一种锡丝自修复活性粉末混凝土的制备方法，包括如下步骤：s1、按配比，将除钢纤维和锡丝之外的其他干混料原料搅拌，使其混合均匀，得到干粉料；s2、将钢纤维和锡丝掺入步骤s1所述干粉料中，搅拌，使其混合均匀，得到干混料；s3、将减水剂和水混合均匀得到混合溶液；
s4、将步骤s3所述混合溶液倒入步骤s2所述干混料中，搅拌，得到混凝土浆料；s5、将步骤s4所述混凝土浆料，在标准养护条件下养护28d，得到锡丝自修复活性粉末混凝土。
23.通过采用上述技术方案，活性粉末混凝土为了获得超高强度，往往需要热水养护或蒸压养护，使得施工现场需要特殊的养护设备，提高了施工成本，本技术只需采用标准养护即可获得高强度的活性粉末混凝土，因此降低了成本。
24.可选的，步骤s5中标准养护条件为：温度20
±
3℃，湿度大于90％潮湿环境。
25.通过采用上述技术方案，采用常温高湿条件养护，保证活性粉末混凝土在强度增长较快的早期处于湿润的环境，使其水化反应更加的充分，而且不需要蒸汽和高温高压养护，大大降低了养护成本，更适合实际施工过程。
26.可选的，步骤s2还包括将干混料装袋包装的工序。
27.通过采用上述技术方案，将干粉料和钢纤维、锡丝均匀混合制备成干混料，并装袋包装，不仅方便运输，而且在进行现场施工时只需加入特定量的水和减水剂搅拌即可浇筑，减少了搅拌前的称量，大大提高了施工效率；此外，形成活性粉末混凝土材料产品体系有助于该种材料的推广应用。综上所述，本技术具有以下有益效果：1、本技术通过选用含量较为丰富的山砂，充分利用岩石资源，做到因地制宜，合理利用，在一定程度上减少对天然砂资源的需求，有利于生态环境的保护；机制山砂替代价格昂贵的石英砂和石英粉，能显著降低活性粉末混凝土的原料价格，具有良好的经济效益，且28d抗压强度可达100mpa，完全达到活性粉末混凝土的性能要求；2、本技术通过在活性粉末混凝土中掺入锡丝，不仅成本低，且抗拉强度明显高于掺入聚丙烯纤维；锡丝优选采用锡铜合金制成的无铅锡丝，由于铜的加入，可显著提升锡丝的抗拉强度，从而锡铜合金与钢纤维共同去提高活性粉末混凝土的力学性能，实现锡丝与钢纤维的协调作用，提高了活性混凝土的抗爆裂能力和抗火能力；3、本技术通过添加nstj结晶渗透剂，其与钙离子反应生产络合物，当活性粉末混凝土出现裂缝，通过渗水可以使络合物到达裂缝出现的空隙内与未发生水化反应的水泥发生水化反应形成结晶体，使裂缝愈合；由于活性粉末混凝土的内部结构致密，通过加入纳米材料可使得络合物更容易渗透，从而提高活性粉末混凝土的裂缝自修复能力；4、本技术通过采用常温高湿条件养护，保证活性粉末混凝土在强度增长较快的早期处于湿润的环境，使其水化反应更加的充分，并不需要蒸汽和高温高压养护，大大的降低了养护成本，且更适合实际施工过程；5、本技术通过将干粉料和钢纤维、锡丝混合均匀制备成干混料，并装袋包装，不仅方便运输，而且在进行现场施工时只需加入特定量的水和减水剂搅拌即可浇筑，减少了搅拌前的称量，大大提高了施工效率；此外形成活性粉末混凝土材料产品体系有助于该种材料的推广应用。
附图说明
28.图1是活性粉末混凝土拉伸应力
‑
应变关系图；图2是活性粉末混凝土压缩应力
‑
应变关系图。
具体实施方式
29.以下结合实施例对本技术作进一步详细说明。
30.原料来源水泥为海螺水泥有限公司po42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为315m2/kg，3d抗压强度平均值为22mpa，抗折强度为4mpa，28d抗压强度平均值为43mpa，抗折强度为6.5mpa。
31.机制山砂为湖南宁乡山砂，二氧化硅含量大于80％，含泥量小于1％，通过破碎机器研磨，选用粒径为0.2
‑
1mm，石粉含量5
‑
10％的机制山砂，筛余量百分比如表1所示。
32.表1机制山砂各孔径筛筛余筛孔尺寸4.75mm2.36mm1.18mm0.6mm0.3mm0.15mm机制山砂013.524.928.116.111.5粉煤灰为ii级粉煤灰，比表面积为1500
‑
5000cm2/g，氧化铝和二氧化硅含量为60
‑
88％，烧失量<8％。
33.硅灰，二氧化硅质量分数大于90％，比表面积为15
‑
22m2/g，活性指数大于85％。
34.减水剂为聚羧酸高效减水剂，淡黄色液态，减水率40％。
35.钢纤维为平直镀铜纤维，直径为0.2mm，长度为13mm，抗拉强度3000mpa。
36.无铅锡丝，成分为99％的锡和1％的铜合金，熔点为180
‑
220℃，密度为7280kg/m3，直径0.3mm，长度15mm。
37.有铅锡丝，成分为63％锡和37％铅组成的合金，熔点为183℃。
38.edta为乙二胺四乙酸的钠盐，无色结晶性粉末，购自济南兴隆达化工有限公司；纳米二氧化硅为白色粉末状，粒径为10
‑
50nm，购自广州南硅化工有限公司；纳米碳酸钙为白色粉末状，粒径为10
‑
100nm，购自上海紫一试剂厂。
39.结晶渗透剂购自盐城市凯博威防水材料厂。
40.结晶渗透剂制备例制备例1nstj结晶渗透剂由水泥：edta：硅酸钠：氢氧化钙：氢氧化镁：纳米二氧化硅按照重量配比为1：0.4：0.8：0.5：0.5：0.1的比例混合而成，纳米二氧化硅的粒径为10nm。
41.制备例2nstj结晶渗透剂由水泥：edta：硅酸钠：氢氧化钙：氢氧化镁：纳米二氧化硅按照重量配比为1：0.8：1.3：1：1.1：0.22的比例混合而成，纳米二氧化硅的粒径为50nm。
42.制备例3nstj结晶渗透剂由水泥：edta：硅酸钠：氢氧化钙：氢氧化镁：纳米二氧化硅按照重量配比为1：0.5：1：0.75：0.75：0.15的比例混合而成，纳米二氧化硅的粒径为30nm。
43.制备例4nstj结晶渗透剂由水泥：edta：硅酸钠：氢氧化钙：氢氧化镁：纳米碳酸钙按照重量配比为1：0.4：0.8：0.5：0.5：0.1的比例混合而成，纳米碳酸钙的粒径为10nm。
44.制备例5nstj结晶渗透剂由水泥：edta：硅酸钠：氢氧化钙：氢氧化镁：纳米碳酸钙按照重量配比为1：0.8：1.3：1：1.1：0.22的比例混合而成，纳米碳酸钙的粒径为100nm。
45.制备例6
nstj结晶渗透剂由水泥：edta：硅酸钠：氢氧化钙：氢氧化镁：纳米碳酸钙按照重量配比为1：0.5：1：0.75：0.75：0.15的比例混合而成，纳米纳米碳酸钙的粒径为50nm。实施例
46.实施例1一种锡丝自修复活性粉末混凝土，其配比如表2所示，制备方法包括以下步骤：s1、按配比，将水泥、粉煤灰、硅灰、机制山砂在搅拌机中搅拌3min，使其混合均匀，得到干粉料；s2、将钢纤维和无铅锡丝掺入步骤s1所得的干粉料中，在搅拌机中搅拌5min，使其混合均匀，得到干混料；s3、将减水剂和水混合均匀得到混合溶液；s4、将步骤s3所得的混合溶液倒入步骤s2中的干混料中，启动搅拌机搅拌6min，得到具有一定流动性的混凝土浆料；s5、将步骤s4得到的混凝土浆料注入100mm立方体试模中和100mm*100mm*400mm试模中，每装入一次浆料后使用振动台振动60秒，经过一天固化后拆模，在20
±
3℃，湿度95％潮湿环境中养护28d。
47.实施例2
‑
6一种锡丝自修复活性粉末混凝土，与实施例1的区别仅在于各原料配比不同，保持水胶比不变，具体配比如表2所示。
48.表2实施例1
‑
6配比(单位kg/m3) 原料实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6水泥570600630660690720粉煤灰199210221231240252硅灰142150157165172180机制山砂1183113410861038992942钢纤维120120120120120120减水剂27.328.830.231.733.0634.6水154.9163.2171.4179.5187.4195.8无铅锡丝151822293644实施例7一种锡丝自修复活性粉末混凝土，与实施例5的区别仅在于钢纤维的添加量为80kg/m3。
49.实施例8一种锡丝自修复活性粉末混凝土，与实施例5的区别仅在于钢纤维的添加量为160kg/m3。
50.实施例9一种锡丝自修复活性粉末混凝土，与实施例5的区别仅在于锡采用的为有铅锡丝。
51.实施例10
‑
16一种锡丝自修复活性粉末混凝土，与实施例5的区别在于还添加了结晶渗透剂。
52.表3实施例10
‑
16配比(单位kg/m3)
对比例对比例1一种锡丝自修复活性粉末混凝土，与实施例5的区别在于，未添加锡丝。
53.对比例2一种锡丝自修复活性粉末混凝土，与实施例5的区别在于，使用聚丙烯纤维替代锡丝。
54.检测方法实施例1
‑
16和对比例1
‑
2制备的锡丝自修复活性粉末混凝土作为待测样品，进行流动性能测试、抗压强度测试、二次抗压强度测试、高温爆裂试验。
55.流动性能测试锡丝自修复活性粉末混凝土的流动度测试按照gbt2419
‑
2005水泥胶砂流动度测定方法，采用跳桌跳动25下，用卡尺测量胶砂底面最大扩散直径及与其垂直的直径，计算平均值，取整数，即为该水量的水泥胶砂流动度。从胶砂拌和开始到测量扩散直径结束，应在5min内完成。
56.抗压强度测试锡丝自修复活性粉末混凝土的抗压强度用t/cbmf 37
‑
2018《超高性能混凝土基本性能与试验方法》中的方法进行抗压强度试验。
57.将混凝土拌合物装入100mm
×
100mm
×
400mm 2组3联模中，每个样品共6个试件，在振动台上振捣成型。所有试件振捣成型后，用不透水的塑料薄膜遮盖，在室温下静置48h 后进行拆模，拆完模之后把试件做好标记，放入标养箱中，箱内环境为温度为20
±
3℃，湿度95％，养护时间为28d。
58.启动压力试验机，在试验过程中连续均匀地加荷，加荷速率为8.0
‑
10.0mpa/s，当试件接近破坏时，停止调整压力试验机油门,直至试件被破坏，记录破坏荷载，每个样品记录6组数据，取与平均值偏差小于15％的试件平均值作为测定值，最终取平均值即为每个实施例的抗压强度。
59.二次抗压强度和强度恢复率待测样品先标准养护28天，进行抗压强度测试，然后对待测样品的混凝土试块施加极限荷载 (100％p)，浸水修复28天，再次按照抗压强度测试的方法进行抗压强度测试试验，从而得到二次抗压强度，然后计算得到强度恢复率。
60.4.高温爆裂试验待测样品混凝土试件浇筑完成标准养护28天后进行高温爆裂试验，升温速度为8
℃/min，目标温度分别为200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃，每个目标温度下恒温2 小时。每组测试四个试件，分别统计爆裂情况、爆裂概率、爆裂初试温度、爆裂最大深度、平均爆裂面积率、高温后抗压强度。
61.活性粉末混凝土抗拉、抗压应力
‑
应变关系按照实施例12的配比制备干混料，取适量的干混料加入特定量的水和减水剂搅拌，制备活性粉末混凝土拌合物，单轴拉伸的试件装入“狗骨头”试模中，单轴压缩的试件装入棱柱体模具中，抗拉、抗压的试件每种测试三组。
62.加载模式选用位移控制加载，试件对中后，在试件开裂前，按照0.06mm/min的加载速率进行加载；试件开裂后至最大拉力前，按0.2mm/min的加载速率进行加载；达到最大拉力后,按0.5mm/min的加载速率进行加载，至试件拉断。采用应变片记录应力
‑
应变数据，仪器同步采集荷载
‑
位移数据。
63.表4实施例和对比例的流动度和强度实验结果表4实施例和对比例的流动度和强度实验结果
表5实施例和对比例的实验数据表5实施例和对比例的实验数据注：爆裂情况中的数据4(x)，4代表测试件数，x代表爆裂件数。
64.表6实施例12的干混料拉伸、压缩试验数据参数实施例12抗拉强度f
ut
(mpa)7.62极限拉应变ε
u
t0.021抗拉强度f
uc
(mpa)127.19极限拉应变ε
uc
0.0082结合实施例1
‑
6和表4能够看出，在钢纤维添加量相同的情况下，本技术制备的锡丝自修复活性粉末混凝土经过28d养护后，都能达到100mpa以上的强度，符合活性粉末混凝土的强度要求，而且流动度也都能达到自密实的要求。
65.结合实施例5、实施例7、实施例8和表4能够看出，随着钢纤维添加量的增加，流动度在逐渐降低，但是抗压强度，二次抗压强度和强度恢复率都在逐渐提高。综合考虑流动度，抗压强度，二次抗压强度和强度恢复率和生产成本，锡丝自修复活性粉末混凝土选择实施例5的配合比即可。
66.结合实施例5和实施例9并结合表4能够看出，无论是流动度，抗压强度，二次抗压强度，强度恢复率，添加了无铅锡的效果都比有铅锡好，这可能是因为由于无铅锡是锡铜合金，铜可显著提升锡丝的抗拉强度，从而锡铜合金与钢纤维共同去提高活性粉末混凝土的力学性能。
67.结合实施例5和实施例10
‑
16并结合表4可以看出，在锡丝自修复活性粉末混凝土中添加结晶渗透剂会使混凝土的流动度出现一定程度的降低，但是二次抗压强度和强度恢复率也得到大幅度提升，这可能是因为通过渗水可以使结晶渗透剂形成的络合物到达裂缝出现的空隙内与未发生水化反应的水泥发生水化反应形成结晶体，使裂缝愈合，从而提高锡丝自修复活性粉末混凝土的裂缝自修复能力。
68.结合实施例10、实施例12、实施例15并结合表4能够看出，在结晶渗透剂添加量相同的情况下，添加了本技术的结晶渗透剂的活性粉末混凝土的二次抗压强度和强度恢复率效果更好比市售的结晶渗透剂好，这可能是因为本技术的结晶渗透剂加入的纳米材料使得络合物更容易渗透，从而提高了锡丝自修复活性粉末混凝土的裂缝自修复能力。
69.结合实施例10、实施例11、实施例14并结合表4能够看出，结晶渗透剂的添加量对锡丝自修复活性粉末混凝土的裂缝自修复能力也有较大影响，实施例10虽然采用的是市售的结晶渗透剂，但是由于其添加量远高于实施例11和实施例14的添加量，因此其二次抗压强度和强度恢复率效果更好。
70.结合实施例1
‑
6、对比例1和表5能够看出，加入了无铅锡丝的活性粉末混凝土的抗爆裂性能明显好于未添加锡丝的，说明锡丝的加入能够显著改善活性粉末混凝土的抗爆裂性能。
71.结合实施例5、对比例2和表4、表5能够看出，加入了无铅锡丝的活性粉末混凝土的抗爆裂性能明显好于加入聚丙烯纤维的，而且流动度、抗压强度、二次抗压强度、强度恢复率这些力学性能指标也明显优于加入聚丙烯纤维的。这可能是因为由于无铅锡是锡铜合金，铜可显著提升锡丝的抗拉强度，从而锡铜合金与钢纤维共同去提高活性粉末混凝土的力学性能。
72.本具体实施例仅仅是对本技术的解释，其并不是对本技术的限制，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贡献的修改，但只要在本技术的权利要求范围内都受到专利法的保护。