一种高寿命混凝土及其制备方法与流程

1.本发明涉及建筑材料领域，尤其涉及一种高寿命混凝土及其制备方法。


背景技术：

2.混凝土是应用最为广泛的建筑材料之一，其耐久性是人们最为重视的性能之一。
3.由于混凝土的抗拉强度低、延性差、可靠性低以及开裂后裂纹宽度难以控制，许多混凝土结构(例如，路、桥和建筑物)还在服务年限内甚至是初期建设过程中就出现了形式各异、不同破损的裂缝。这些裂缝不但会影响混凝土结构的强度，还会缩短寿命，严重的还有可能产生严重的灾难性事故。即混凝土的耐久性问题归根结底源于其基体易开裂容易产生裂缝导致的。
4.因此，为延长混凝土的寿命，有必要控制混凝土出现裂缝的概率和开裂后的裂缝宽度。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种高寿命混凝土及其制备方法，通过调整混凝土的各原料配比，从而降低混凝土出现裂缝的概率和开裂后的裂缝宽度。
6.本发明提供一种高寿命混凝土，其原料包括凝胶材料、砂、碎石、水和外加剂，所述凝胶材料由水泥、矿渣粉、粉煤灰和硅灰组成，所述砂的质量占砂和碎石总质量的30-32％，单方混凝土中凝胶材料、砂和水的质量比为550-560：500-540：160-165。
7.本发明研究发现，控制砂率即砂占砂和碎石的质量百分比为30-32％，选用多级配，尽量降低填充空隙和包裹骨料的浆体量，同时，选择由水泥、矿渣粉、粉煤灰和硅灰四组分组成的凝胶材料，具有足够的早期强度和施工性能，有助于降低应力裂缝出现的频率。另一方面，提高混凝土的延性(即极限抗拉应变)，有助于降低混凝土开裂后的裂纹宽度。大掺量的矿物掺合料具有“活性效应”、“界面效应”、“微填效应”和“减水效应”等诸多综合效应，硅灰等矿物掺合料不仅可以改善流变性能，降低水化热，降低坍落度损失，还可以改善混凝土结构的孔结构和力学性能，提高后期强度和耐久性。且掺合料能够对水泥起到“稀释效应”，通过改善混凝土的热物理性能(主要是减少水化早期放热总量)提高混凝土的抗裂性能，从而改善混凝土的抗渗性能。
8.采用低水胶比的方法来提高混凝土的长期使用性能，对于大体积混凝土(如坝体、桥梁墩身及承台等)，降低水胶比能够通过增加溶液中水化产物浓度(主要是ch的含量)来延缓水泥水化过程，利于放热峰值的滞后，使内部热量能及时导出，从而减小温度应力的产生。
9.根据本发明提供的高寿命混凝土，所述凝胶材料中，水泥占比67-69％，矿渣粉占比10-12％，粉煤灰占比13-14％，余量为硅灰。
10.进一步控制四种凝胶材料的用量在上述范围内，有利于提高混凝土性能，预制混凝土构件28d收缩值不大于300*10-6
，氯离子迁移系数不大于3.0*10-12
m2/s，56d电通量不大
于1000c。
11.根据本发明提供的高寿命混凝土，所述外加剂由聚羧酸高性能减水母液、保坍母液、葡萄糖酸钠、糊精、纤维素醚和α-烯基磺酸钠组成。
12.根据本发明提供的高寿命混凝土，所述聚羧酸高性能减水母液、保坍母液、葡萄糖酸钠、糊精、纤维素醚和α-烯基磺酸钠的质量比为130-150：60-80：20-25：5-8：7-10：0.4-0.6。
13.采用上述特定的外加剂，可适当增加保坍(预制构件混凝土坍落度180-200mm)、增稠(控制减水指标28-30％)和优质引气组分，优化混凝土中含气量和气泡分布，含气量不小于6.0％，具有良好的引入和稳定微小气泡的能力，提高低砂率混凝土包裹性和柔性，混凝土中稳定的微气泡能够缓解侵蚀过程中由于侵蚀产物体积膨胀或者盐类结晶而产生的膨胀应力，起到缓和硫酸盐侵蚀和干湿、冻融循环侵蚀的作用。
14.根据本发明提供的高寿命混凝土，所述原料还包括自修复胶囊，所述自修复胶囊的质量占所述凝胶材料的质量的2.5-2.7％。
15.自修复胶囊可以在材料长期服役过程中对内部产生的初始裂缝作出直接、快速反应，愈合剂流出进入缝隙，封堵粘接裂缝，从而恢复基体的力学性能，延缓有害裂缝扩展。故发展自修复混凝土来实现基体开裂及性能发生劣化时的自动感知及修复对确保混凝土的耐久性能具有重要的经济及社会效益。控制所述自修复胶囊的质量占所述凝胶材料的质量的2.5-2.7％，可显著降低混凝土的渗透系数，养护龄期28d时，渗透系数与未掺加的试样相比，可降低70％。预制裂缝实验结果显示，自修复混凝土的渗透系数恢复率可达到初始值的138％。
16.根据本发明提供的高寿命混凝土，所述自修复胶囊具有三维网状结构，骨架为海藻酸钙，内部由众多孔道相互联通，环氧树脂填充在孔道当中。
17.本发明采用上述具有三维网状结构的自修复胶囊，相较于现有的囊芯囊壳设计的胶囊，具有缺陷率低，完整性和强度高，充分满足使用过程中强度要求，同时增加材料的施工性能等优点，所得自修复胶囊具有显著的内部微裂缝自修复功能。
18.根据本发明提供的高寿命混凝土，所述自修复胶囊的形状为球形，粒径为0.7-1.8mm。
19.根据本发明提供的高寿命混凝土，所述自修复胶囊采用锐孔成型-凝固浴法制备。
20.所述锐孔成型-凝固浴法具体包括以下步骤：
21.s1：称取一定质量的海藻酸钠和蒸馏水在40℃水浴中充分溶解，将其在55-60℃恒温环境下静置24h，使得海藻酸钠能够完全地吸水溶胀。
22.s2:将海藻酸钠溶液以600r/min的速度进行充分搅拌得到质量分数为1-2％的溶液，加入一定量经稀释剂吸食过的环氧树脂，继续搅拌至均匀的混合乳液。
23.s3：将s2制得的预备乳液放置在设定温度的水浴锅内，以较快的速度倒入容器挤压成型明显球形的液滴，滴入氯化钙溶液中，固化2-3h，经乙醇洗涤后在55-60℃烘干后得到自修复胶囊成品。
24.根据本发明提供的高寿命混凝土，以重量份计，所述原料包括水泥368-386份、矿渣粉55-67份、粉煤灰72-78份、硅灰30-42份、自修复胶囊14-16份、砂500-540份、碎石970-1213份、水160-165份和外加剂8.0-8.5份。
25.采用上述技术方案的高寿命混凝土，能够满足不同水压、干湿、温度等实际工程条件，提高混凝土工程的服役周期，间接达到降低能耗、资源消耗和co2排放的目的。
26.本发明还提供上述高寿命混凝土的制备方法。
27.本发明提供的制备方法包括：将凝胶材料、砂、碎石预混合后，加入预湿后的自修复胶囊(不含自修复胶囊时则省略该步骤)，依次加入水和外加剂充分搅拌不少于60s，得到所述高寿命混凝土。
28.本发明提供了一种高寿命混凝土及其制备方法，通过调整混凝土的原料配伍，从而降低混凝土出现裂缝的概率和开裂后的裂缝宽度，提高混凝土的抗渗透性能和抗裂性，延长服役寿命。进一步地，加入自修复胶囊后，能够快速响应并粘接裂缝，钝化或阻止裂缝的发展，从而保持外观完好并恢复材料性能，应用场景丰富。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.以下实施例中所涉及的原料若无特别说明，均可通过正规商业渠道获得。
31.其中，外加剂由聚羧酸高性能减水母液、保坍母液、葡萄糖酸钠、糊精、纤维素醚和α-烯基磺酸钠组成，各组分的质量比为146：65：21：6：9：0.5。
32.自修复胶囊具有三维网状结构，骨架为海藻酸钙，内部由众多孔道相互联通，环氧树脂填充在孔道当中，所述自修复胶囊的形状为球形，粒径为0.7-1.8mm，其由锐孔成型-凝固浴法制备。
33.实施例1
34.本实施例提供一种高寿命混凝土，以重量份计，其原料组成如下：
35.水泥375份、矿渣粉60份、粉煤灰75份、硅灰40份、自修复胶囊14份、砂520份、碎石1157份、自来水160份和外加剂8.2份。
36.所述高寿命混凝土，其制备方法为将凝胶材料、砂、碎石预混合后，加入预湿后的自修复胶囊，依次加入水和外加剂充分搅拌不少于60s，得到所述高寿命混凝土。
37.实施例2
38.本实施例提供一种高寿命混凝土，以重量份计，其原料组成如下：
39.水泥386份、矿渣粉64份、粉煤灰78份、硅灰32份、自修复胶囊16份、砂505份、碎石1155份、自来水163份和外加剂8.5份。
40.其制备方法同实施例1。
41.实施例3
42.本实施例提供一种高寿命混凝土，以重量份计，其原料组成如下：
43.水泥373份、矿渣粉67份、粉煤灰78份、硅灰42份、自修复胶囊15份、砂540份、碎石1130份、自来水160份和外加剂8.2份。
44.其制备方法同实施例1。
45.实施例4
46.本实施例提供一种高寿命混凝土，以重量份计，其原料组成如下：
47.水泥381份、矿渣粉67份、粉煤灰72份、硅灰30份、自修复胶囊15份、砂540份、碎石1132份、自来水162份和外加剂8.3份。
48.其制备方法同实施例1。
49.对比例1
50.本实施例提供一种高寿命混凝土，以重量份计，其原料组成如下：
51.水泥381份、矿渣粉67份、粉煤灰72份、硅灰30份、砂540份、碎石1132份、自来水162份和外加剂8.3份。
52.其制备方法同实施例1。
53.对比例2
54.本实施例提供一种高寿命混凝土，以重量份计，其原料组成如下：
55.水泥381份、矿渣粉67份、粉煤灰72份、硅灰30份、自修复胶囊15份、砂540份、碎石1132份、自来水162份和外加剂8.3份(外加剂中不添加α-烯基磺酸钠)。
56.其制备方法同实施例1。
57.对比例3
58.本实施例提供一种高寿命混凝土，以重量份计，其原料组成如下：
59.水泥381份、矿渣粉67份、粉煤灰72份、硅灰30份、自修复胶囊15份(采用传统核壳结构)、砂540份、碎石1132份、自来水162份和外加剂8.3份。
60.其制备方法同实施例1。
61.对比例4
62.本实施例提供一种高寿命混凝土，以重量份计，其原料组成如下：
63.水泥380份、矿渣粉62份、粉煤灰73份、硅灰35份、自修复胶囊14份、砂535份、碎石1141份、自来水170份和外加剂8.5份。
64.其制备方法同实施例1。
65.对比例5
66.本实施例提供一种高寿命混凝土，以重量份计，其原料组成如下：
67.水泥370份、矿渣粉67份、粉煤灰78份、硅灰42份、自修复胶囊15份、砂485份、碎石1188份、自来水160份和外加剂8.3份。
68.其制备方法同实施例1。
69.对比例6
70.本实施例提供一种高寿命混凝土，以重量份计，其原料组成如下：
71.水泥360份、矿渣粉85份、粉煤灰84份、硅灰21份、自修复胶囊15份、砂536份、碎石1139份、自来水162份和外加剂8.4份。
72.其制备方法同实施例1。
73.以下将各实施例和对比例提供的混凝土的原料配伍列在表1中。
74.表1
[0075][0076][0077]
注：本文中涉及的百分数(除自修复胶囊的质量占比)均采取四舍五入保留整数，如实施例3中矿渣粉占比为67/(373 67 78 42)*100％＝12.18％≈12％。
[0078]
性能检测
[0079]
对各实施例及对比例所得混凝土进行性能检测，结果如表2所示。
[0080]
1)参考gb/t50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》检测混凝土的28d抗压强度(mpa)；
[0081]
2)参考gb/t 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》检测混凝土的28d的单位面积上的平均裂缝宽度和总开裂面积(mm2/m2)、28d收缩值；
[0082]
3)参考jtj275-2000《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》中抗氯离子渗透性标准试验方法检测混凝土56d电通量(c)；
[0083]
4)参考gb/t50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》检测各实施例和对比例制得的混凝土拌合物出机的工作性能；
[0084]
5)参考gb/t 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》检测各实施例和对比例制得的混凝土干湿循环90次后的抗压强度耐蚀系数(％)，具体地，抗压强度耐蚀系数是90次干湿循环后受硫酸盐腐蚀的混凝土试件(100mm
×
l00mm
×
100mm)28d强度与受硫酸盐腐蚀同龄期的标准养护的一组对比混凝土试件的抗压强度比值。
[0085]
表2
[0086][0087]
由以上结果可知，本发明提供的混凝土能够降低开裂频率和开裂后的裂缝宽度，提高混凝土的抗渗透性能和抗裂性。
[0088]
优选的外加剂可提高材料内部抵抗膨胀应力的作用，有效降低干湿、冻融和硫酸盐侵蚀作用，抗冻耐久性指数不低于85％，56天抗蚀系数不小于0.80。
[0089]
混凝土结构在长期使用过程中，混凝土内部的初始裂缝会在长期荷载或其他作用下扩展，自修复胶囊能够快速响应并粘接裂缝，钝化或阻止裂缝的发展，从而保持外观完好并恢复材料性能，0.5mm以上裂纹产生7天后面积修复率达80％，抗渗压力修复率达到15％，28天后抗渗压力修复率达到80％。
[0090]
本发明满足超高层建筑、市政工程、高频震动枕轨、地震试验基础设施等百年工程应用需求，符合近年来自愈合、自感知、自热自适应、自清洁、空气净化等功能可以被整合到高性能混凝土材料中，从而发展成为具有高性能和多功能性的现代建筑材料，符合绿色建材的发展趋势。
[0091]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例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例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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例技术方案的精神和范围。