一种超导热蓄热混凝土及其制备方法与流程

1.本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种超导热蓄热混凝土及其制备方法。


背景技术：

2.随着工程建设的发展，混凝土冬季施工比较普遍，特别是在我国北方地区，漫长的冬期寒冷季节给工程建设带来了许多问题。在《钢筋混凝土工程施工及验收规范》中规定：当室外日平均气温接连5天保持小于5℃时，混凝土和钢筋混凝土的建设项目，按照冬季施工的有关规定执行。这是因为，当平均温度小于或等于5℃时，混凝土强度发展缓慢；当最低气温在-1～2℃的情况下，新鲜混凝土遭受冻害可能性极大。
3.目前混凝土冬季施工保温措施主要包括蓄热法、综合蓄热法、电加热法、电极加热法、电热毯法、工频涡流法、线圈感应加热法、暖棚法以及负温养护法。这些方法的基本原理都是为保证混凝土水化时的温度，保证混凝土水化进程的持续进行。此类方法较多采用外界手段来解决混凝土温度较低的问题，需要借助较多的人力和物力，同时存在一定的局限性：传统混凝土蓄热材料的主要问题是单位储热量小，所需体积较大，需引入的换热管道较多，造成对应的加工成本、安装和运输成本等较高；而熔融盐腐蚀性较大，对管道的要求较高，极大提高了成本；有机物存在导热系数低等问题，使用时需添加提高导热系数的材料，进一步增加其应用成本。
4.作业领域用蓄热材料，必须考虑各项综合性能，才能为大范围应用提供前提条件。如何抛弃现有较为繁琐的保温养护方法，降低混凝土蓄热成本并提高蓄热效率，使混凝土能够在水化初期储存多余的热量，并在后期混凝土温度较低时释放所储存的热量，成为亟需研究的问题。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种超导热蓄热混凝土，可快速吸收并存储混凝土水化产生的热量，使冬季施工混凝土能够在不受冻的情况下快速达到受冻临界强度，并有效解决吸附蓄热的传热传质性能较差等难题并同时兼顾所得混凝土的综合使用性能；且涉及的施工方法简单、成本较低，适合推广应用。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种超导热蓄热混凝土，各组分及其所占质量百分比包括：铝酸盐水泥10～16％，白炭黑 6～11％，磨细凝灰岩粉5～10％，铁尾矿砂30～35％，破碎火山岩25～32％，超导热蓄热材料 3～5％，水4～6％；外加占胶凝材料质量1.5～2.2％的减水剂。
8.上述方案中，所述超导热蓄热材料通过将介孔二氧化硅加入氯化锶溶液中进行真空浸泡处理，再与镓基合金膏进行超声共混得到；具体包括如下制备步骤：
9.1)介孔二氧化硅的预处理；将介孔二氧化硅在100～110℃条件下干燥直至恒重，以去除介孔二氧化硅中的水分和其它气体，取出介孔二氧化硅，放置于室温(20～25℃)真空干燥箱中冷却干燥；
10.2)将所得介孔二氧化硅在5～8kpa条件下静置，然后加入饱和六水氯化锶溶液进行真空浸泡处理，然后恢复至常压条件，进行常压浸泡处理；
11.3)将步骤2)所得产物与镓基合金膏在超声条件下进行共混，即得所述超导热蓄热材料。
12.上述方案中，所述介孔二氧化硅、饱和六水氯化锶溶液的质量比为1:(3～5)。
13.上述方案中，所述静置时间为2.5～3h。
14.上述方案中，所述真空浸泡处理时间为2.5～3h。
15.上述方案中，所述常压浸泡处理时间为18～20h。
16.上述方案中，步骤2)所得产物与镓基合金膏的质量比为1:(4～7)。
17.上述方案中，所述超声频率为45～60khz；共混温度为20～25℃，时间为3～3.5h。
18.上述方案中，所述镓基合金膏中主要合金元素及其所占质量百分比包括：镓80～85％，铟 10～14％，锡1～7％，铜2～5％，锌1～4％。
19.上述方案中，所述铝酸盐水泥(ca-60)的比表面积300～350m2/kg。
20.上述方案中，所述白炭黑的比表面积为200～300m2/g。
21.上述方案中，所述磨细凝灰岩粉的比表面积为550～650m2/kg。
22.上述方案中，所述铁尾矿砂的粒径为1～5mm；其中主要成分及其所占质量百分比包括： sio2≥58.76％，al2o3≥11.84％，fe2o3≥10.41％，cao≤5.14％，mgo≤6.11％，k2o≤1.62％， na2o≤2.71％，so3≤0.1％。
23.上述方案中，所述破碎火山岩的粒径为5～20mm；通过将火山岩进行破碎而成；其主要成分及其所占质量百分比包括：sio2≥65％，al2o3≥12％，fe2o3≥15％，cao≤7％，mgo≤8％。
24.上述一种超导热蓄热混凝土的制备方法，包括如下步骤：
25.1)原料的称取，各原料及其所占质量百分比包括：铝酸盐水泥10～16％，白炭黑6～11％，磨细凝灰岩粉5～10％，铁尾矿砂30～35％，破碎火山岩25～32％，超导热蓄热材料3～5％，，水4～6％；外加占胶凝材料质量1.5～2.2％的减水剂；
26.2)首先将称取的铝酸盐水泥、白炭黑、磨细凝灰岩粉以及超导热蓄热材料加入单卧轴强制式搅拌机中，搅拌15～25s，搅拌均匀后称取铁尾矿砂以及破碎火山岩搅拌20～35s，最后加入水和减水剂继续搅拌50s～1min，即得所述蓄热型混凝土。
27.上述方案中，所述介孔二氧化硅的孔型为二维六方孔型，孔径为4～10nm，比表面积为877～900m2/g。
28.本发明的原理为：
29.1)本发明首先将饱和六水氯化锶溶液与介孔二氧化硅混合，依次进行静置、真空浸泡和常压浸泡处理，使氯化锶颗粒吸附在介孔二氧化硅表面，显著提升蓄热密度；由于介孔二氧化硅表面的非均一性，伴随着氯化锶吸附过程产生能量的转化效应(吸附热)，在吸附脱附循环中，可通过热量储存、释放过程来改变热量的品位和使用时间，实现蓄热、供热等目的；再进一步引入镓基合金膏对所得改性二氧化硅进行包覆改性，改善所得导热性蓄热材料的导热性能，使蓄放热的速率更快，有效提升所得蓄热材料的蓄放热性能；
30.2)进一步利用超导热蓄热材料的微珠效应提高混凝土拌合物的流动性以及白炭黑大比表面积(200～300m2/g)提高混凝土拌合物稳定性能，有效减小混凝土拌合物泌水
率，抑制浆骨分离跑浆，同时提高浆体对骨料的包裹性；同时可填充一部分混凝土的空隙，进一步提高混凝土密实性；磨细凝灰岩可有效提高混凝土的热稳定性，并同时降低原材料成本；以铁尾矿砂为细集料和破碎火山岩为粗骨料来进一步提高混凝土导热性能与热稳定性；铝酸盐水泥在有效提供混凝土的强度的同时可进一步提供早期的储备热能；上述原料共同作用，最终获得具有较好综合使用性能的超导热蓄热混凝土。
31.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
32.1)本发明所得超导热蓄热材料掺入混凝土中，能够快速吸收并储存混凝土水化产生的热量，在混凝土遭受低温环境时再进行放热，使混凝土在一定时间内温度保持恒定；
33.2)本发明所得超导热蓄热材料在混凝土生产时引入，操作简单方便，节省了冬季施工时的一系列保温措施，使冬季施工混凝土能够在不受冻的情况下快速达到受冻临界强度；
34.3)本发明所得超导热蓄热材料具有较好的化学稳定性及较高的蓄放热能力，并与其他组分共同作用，有效保证所得混凝土的综合使用性能；
35.4)本发明涉及的制备成本较低，施工方法简单，适合推广应用。
附图说明
图1为实施例1所述介孔二氧化硅表面的电镜图。
具体实施方式
36.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
37.以下实施例中，采用的介孔二氧化硅的孔型为二维六方孔型，孔径为4nm，比表面积为877m2/g；
38.采用的饱和六水氯化锶溶液的浓度为1.06g/ml，溶解焓为-176.2cal/g；
39.采用的镓基合金膏为昂星新型碳材料常州有限公司提供的镓基合金超级导热膏，其中主要合金元素及其所占质量百分比包括：镓80％，铟10％，锡3％，铜2％，锌4％；
40.采用的白炭黑比表面积为250m2/g；磨细凝灰岩比表面积为580m2/kg；
41.采用新疆中建西部建设建材有限公司生产的破碎火山岩颗粒级配5～20mm，其中sio265％，al2o312％，fe2o315％，cao1％，mgo1％；
42.新疆中建西部建设水泥制造有限公司所生产的铝酸盐水泥(ca-60)比表面积350m2/kg；
43.采用新疆中建西部建设建材有限公司生产的铁尾矿砂粒度1～5mm，其中sio258.76％，al2o311.84％，fe2o310.41％，cao5.14％，mgo6.11％，k2o1.62％，na2o2.71％，so30.1％；
44.采用的减水剂为中建西部建设新材料科技有限公司生产的聚羧酸减水剂，其减水率为33％。
45.实施例1
46.一种超导热蓄热混凝土，其制备方法包括如下步骤：
47.1)超导热蓄热材料的制备：
48.将介孔二氧化硅置于电加热干燥箱中进行预处理，干燥温度为105
±
5℃，直至恒重，以去除介孔二氧化硅中的水分和其它气体，取出介孔二氧化硅放置于真空于燥箱中冷却至室温；将预处理所得25g介孔二氧化硅放入真空容器中，然后抽真空至7kpa保持真空状态3h，在此真空状态下将75g饱和六水氯化锶溶液注入真空容器进行浸泡处理2.5h(介孔二氧化硅与饱和六水氯化锶溶液的质量比为1:3)，然后恢复常压状态，在常压条件下继续浸泡18h，使氯化锶主要吸附在介孔二氧化硅表面(介孔二氧化硅，其电镜图见图1)；再加入500g镓基合金膏(改性介孔二氧化硅与镓基合金膏质量比为1:5)，在温度为20℃，超声频率为45khz 的条件下进行超声共混处理3h，即得所述超导热蓄热材料；
49.2)混凝土的制备：
50.按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：白炭黑8％，磨细凝灰岩8％，铁尾矿砂34％，破碎火山岩29％，铝酸盐水泥12％，水5％，超导热蓄热材料4％，外加聚羧酸减水剂1.8％(以胶凝材料总量计)；
51.将称取的铝酸盐水泥、白炭黑、磨细凝灰岩粉以及超导热蓄热材料加入单卧轴强制式搅拌机中，搅拌20s，搅拌均匀后称取铁尾矿砂以及破碎火山岩搅拌30s，最后加入水和减水剂继续搅拌1min，即得所述超导热蓄热型混凝土。
52.本实施例所得蓄热型混凝土的检测蓄热密度为1380kj/kg，比热容为3.87j/(g
·
℃)。
53.实施例2
54.一种超导热蓄热混凝土，其制备方法包括如下步骤：
55.1)超导热蓄热材料的制备：
56.将介孔二氧化硅置于电加热干燥箱中进行预处理，干燥温度为105
±
5℃，直至恒重，以去除介孔二氧化硅中的水分和其它气体，取出介孔二氧化硅放置于真空于燥箱中冷却至室温；将预处理所得20g介孔二氧化硅放入真空容器中，然后抽真空至8kpa保持真空状态2.5h，在此真空状态下将80g饱和六水氯化锶溶液注入真空容器进行浸泡处理3h(介孔二氧化硅与饱和六水氯化锶溶液的质量比为1:4)，然后恢复至常压状态，在常压条件下继续浸泡20h，使氯化锶主要吸附在介孔二氧化硅表面；再将所得产物加入400g镓基合金膏(改性介孔二氧化硅与镓基合金膏质量比为1:4)，在温度为20℃，超声频率为55khz的条件下进行超声共混处理3.5h，即得所述超导热蓄热材料，其蓄热密度为1010kj/kg；
57.2)混凝土的制备：
58.按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：白炭黑10％，磨细凝灰岩粉8％，铁尾矿砂32％，破碎火山岩28％，铝酸盐水泥14％，水4％，超导热蓄热材料4％；外加聚羧酸减水剂2.0％(以胶凝材料计)；
59.将称取的铝酸盐水泥、白炭黑、磨细凝灰岩粉以及超导热蓄热材料加入单卧轴强制式搅拌机中，搅拌20s，搅拌均匀后称取铁尾矿砂以及破碎火山岩搅拌30s，最后加入水和减水剂继续搅拌1min，即得所述超导热蓄热型混凝土。
60.本实施例所得蓄热型混凝土的蓄热密度为1320kj/kg，比热容为3.54j/(g
·
℃)。
61.实施例3
62.一种超导热蓄热混凝土，其制备方法包括如下步骤：
63.1)超导热蓄热材料的制备：
64.将介孔二氧化硅置于电加热干燥箱中进行预处理，干燥温度为105
±
5℃，直至恒重，以去除介孔二氧化硅中的水分和其它气体，取出介孔二氧化硅放置于真空于燥箱中冷却至室温；将预处理所得17g介孔二氧化硅放入真空容器中，然后抽真空至8kpa保持真空状态3h，在此真空状态下将83g饱和六水氯化锶溶液注入真空容器进行浸泡处理3h(介孔二氧化硅与饱和六水氯化锶溶液的质量比为1:4.88)，然后恢复常压状态，在常压条件下继续浸泡20h，使氯化锶主要吸附在介孔二氧化硅表面；再将所得产物加入600g镓基合金膏(改性介孔二氧化硅与镓基合金膏质量比为1:6)，在温度为20℃，超声频率为50khz的条件下进行超声共混处理3.5h，即得所述超导热蓄热材料，其蓄热密度为1205kj/kg；
65.2)混凝土的制备：
66.按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：白炭黑11％，磨细凝灰岩粉5％，铁尾矿砂32％，破碎火山岩27％，铝酸盐水泥16％，水4％，超导热蓄热材料5％；聚羧酸减水剂2.1％(以胶凝材料计)；
67.将称取的铝酸盐水泥、白炭黑、磨细凝灰岩粉以及超导热蓄热材料加入单卧轴强制式搅拌机中，搅拌20s，搅拌均匀后称取铁尾矿砂以及破碎火山岩搅拌30s，最后加入水和减水剂继续搅拌1min，即得所述超导热蓄热型混凝土。
68.本实施例所得蓄热型混凝土的蓄热密度为1460kj/kg，比热容为4.02j/(g
·
℃))。
69.实施例4
70.一种超导热蓄热混凝土，其制备方法包括如下步骤：
71.1)超导热蓄热材料的制备：
72.将介孔二氧化硅置于电加热干燥箱中进行预处理，干燥温度为105
±
5℃，直至恒重，以去除介孔二氧化硅中的水分和其它气体，取出介孔二氧化硅放置于真空于燥箱中冷却至室温；将预处理所得17g介孔二氧化硅放入真空容器中，然后抽真空至8kpa保持真空状态3h，在此真空状态下将83g饱和六水氯化锶溶液注入真空容器进行浸泡处理2.5h(介孔二氧化硅与饱和六水氯化锶溶液的质量比为1:4.88)，然后恢复常压状态，在常压条件下继续浸泡18h，使氯化锶主要吸附在介孔二氧化硅表面；再将所得产物加入700g镓基合金膏(改性介孔二氧化硅与镓基合金膏质量比为1:7)，在温度为20℃，超声频率为50khz的条件下进行超声共混处理3h，即得所述超导热蓄热材料，其蓄热密度为1100kj/kg；
73.2)混凝土的制备：
74.按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：白炭黑6％，磨细凝灰岩10％，铁尾矿砂30％，破碎火山岩32％，铝酸盐水泥11％，水6％；超导热蓄热材料5％；聚羧酸减水剂1.6％(以胶凝材料计)；
75.将称取的铝酸盐水泥、白炭黑、磨细凝灰岩粉以及超导热蓄热材料加入单卧轴强制式搅拌机中，搅拌20s，搅拌均匀后称取铁尾矿砂以及破碎火山岩搅拌30s，最后加入水和减水剂继续搅拌1min，即得所述超导热蓄热型混凝土。
76.本实施例所得蓄热型混凝土的蓄热密度为1300kj/kg，比热容为3.68j/(g
·
℃)。
77.对比例1
78.一种蓄热混凝土，其制备方法包括如下步骤：
79.1)按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：白炭黑6％，磨细凝灰岩粉
9％，铁尾矿砂35％，破碎火山岩32％，铝酸盐水泥12％，水6％，外加1.6％的聚羧酸减水剂(以胶凝材料计)；
80.2)将称取的铝酸盐水泥、白炭黑、磨细凝灰岩粉加入单卧轴强制式搅拌机中，搅拌20s，搅拌均匀后称取铁尾矿砂以及破碎火山岩搅拌30s，最后加入水和减水剂继续搅拌50s，即得所述蓄热混凝土。
81.经测试，本实施例所得混凝土的检测蓄热密度为450kj/kg，比热容为1.34j/(g
·
℃)。
82.对比例2
83.一种蓄热混凝土，其制备方法包括如下步骤：
84.1)蓄热材料的制备：将经上述预处理所得介孔二氧化硅与镓基合金膏按1:6的质量比进行超声共混处理，超声共混采用的温度为20℃，超声频率为50khz，时间为3h；即得所述蓄热材料，经检测蓄热密度为470kj/kg；
85.2)混凝土的制备：
86.按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：磨细凝灰岩12％；铁尾矿砂34％；破碎火山岩34％，铝酸盐水泥8％；水7％；蓄热材料5％，外加聚羧酸减水剂2.4％(以胶凝材料计)；
87.将称取的铝酸盐水泥、白炭黑、磨细凝灰岩粉以及蓄热材料加入单卧轴强制式搅拌机中，搅拌20s，搅拌均匀后称取铁尾矿砂以及破碎火山岩搅拌30s，最后加入水和减水剂继续搅拌 1min，即得所述蓄热混凝土。
88.经检测蓄热密度为580kj/kg，比热容为1.45j/(g
·
℃)。
89.对比例3
90.一种蓄热型混凝土，其制备方法包括如下步骤：
91.1)超导热蓄热材料的制备：
92.将经预处理所得介孔二氧化硅与饱和六水氯化锶溶液按1:5的质量比混合后浸泡26h；然后与镓基合金膏按1:6的质量比，进行超声共混处理，超声共混采用的温度为20℃，超声频率为50khz，时间为3～3.5h；即得所述超导热蓄热材料，经检测蓄热密度为710kj/kg；
93.2)混凝土的制备：
94.按配比称取各原料，各原料及其所占质量百分比为：白炭黑11％，磨细凝灰岩5％，铁尾矿砂32％，破碎火山岩27％，蓄热材料5％，铝酸盐水泥16％，水4％；外加聚羧酸减水剂 2.1％(以胶凝材料计)；
95.将称取的铝酸盐水泥、白炭黑、磨细凝灰岩粉以及超导热蓄热材料加入单卧轴强制式搅拌机中，搅拌20s，搅拌均匀后称取铁尾矿砂以及破碎火山岩搅拌30s，最后加入水和减水剂继续搅拌1min，即得所述蓄热混凝土。
96.经检测蓄热密度为920kj/kg，比热容为1.86j/(g
·
℃)。
97.将实施例1～4和对比例1～3所得混凝土分别进行力学性能、抗冻性能等测试，结果见表 1。
98.表1实施例1～4和对比例1～3所得混凝土的性能测试结果
[0099][0100]
上述结果表明，本发明所得蓄热混凝土可快速吸收并储存混凝土水化初期产生的热量，使混凝土在一定时间内温度保持恒定；同时可有效保证所得混凝土的力学性能和耐久性能。
[0101]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。