一种性能全面增强型自修复混凝土及其制备方法
| 专利类型 | 发明授权 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 授权; |
| 专利有效性 | 有效专利 | 当前状态 | 授权 |
| 申请号 | CN202211698754.X | 申请日 | 2022-12-28 |
| 公开(公告)号 | CN115925366B | 公开(公告)日 | 2024-08-20 |
| 申请人 | 中冶武汉冶金建筑研究院有限公司; 中国一冶集团有限公司; | 申请人类型 | 企业 |
| 发明人 | 张剑峰; 李少祥; 刘仕琪; 程铠; 贾洋; | 第一发明人 | 张剑峰 |
| 权利人 | 中冶武汉冶金建筑研究院有限公司,中国一冶集团有限公司 | 权利人类型 | 企业 |
| 当前权利人 | 中冶武汉冶金建筑研究院有限公司,中国一冶集团有限公司 | 当前权利人类型 | 企业 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：湖北省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：湖北省武汉市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：湖北省武汉市38街坊八大家花园44号楼5-9层 | 邮编 | 当前专利权人邮编：430080 |
| 主IPC国际分类 | C04B28/04 | 所有IPC国际分类 | C04B28/04 ; C04B40/00 ; C04B22/00 ; C04B24/32 ; C04B24/24 ; C04B103/30 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | B |
| 专利代理机构 | 湖北武汉永嘉专利代理有限公司 | 专利代理人 | 李艳景; |
| 摘要 | 本 发明 公开了一种性能全面增强型自修复 混凝土 及其制备方法，属于 建筑材料 技术领域。该混凝土包括以下重量份数的组分： 水 泥210‑400份、掺合料110‑160份、多功能自修复剂8‑16份、外加剂8‑14份、砂680‑850份、石1000‑1100份、微纳米气泡水150～185份；其中多功能自修复剂包括有机膦酸盐、土类膨胀剂、 钙 类膨胀剂、混杂 纤维 及氟 硅 酸盐胶联剂； 水泥 中，粒径介于20‑80μm的水泥颗粒占比10‑30％；所述外加剂为含微米气泡引气剂的 减水剂 。本发明所得混凝土工作性好、强度高、抗裂性好、耐久性优，同时具备较强的内、外裂缝自修复能 力 。 | ||
| 权利要求 | 1.一种性能全面增强型自修复混凝土，其特征在于，包括以下重量份的各组分：水泥 |
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| 说明书全文 | 一种性能全面增强型自修复混凝土及其制备方法技术领域[0001] 本发明属于自修复混凝土技术领域，具体涉及一种性能全面增强型自修复混凝土及其制备方法。 背景技术[0002] 混凝土具有较高抗压强度，有极好的塑造性，加之原材料易得且价格适宜，使得混凝土广泛作为结构材料应用于工程建设的各个方面。然而，混凝土结构的服役环境复杂多变，在外部荷载、内部应力及有害离子等因素的共同作用下，混凝土结构极易出现开裂的问题，初始的微裂纹对混凝土的伤害有限，但如不能及时修复，裂缝的继续扩大将形成较宽较深的有害裂缝，有害裂缝将影响混凝土结构的安全，甚至引发各种严重的事故。另一方面，随着建设需求的提升及环保要求的提高，用于拌制混凝土的原材料质量每况愈下，在此情况下，要保证混凝土本体优良的工作性能、强度和良好的耐久性的难度不断增加。 [0003] 为改善混凝土的工作性，在原材料尤其是骨料不方便更换的情况下，一般采用增加混凝土的粉体总量，或引入一定的空气，但诸如此类的方法可能增加混凝土的成本，更有可能损害混凝土的耐久性，而且在施工环境较为复杂的情况下，上述方法反而不利于实际浇筑时候的混凝土工作性。传统的裂缝修复方法有涂敷、加固和灌浆，但这些都属于出现问题后的修补，而且主要用于较大的裂缝修复，因此人工修复的效果有限。近年来逐渐兴起的混凝土裂缝自修复技术主要有微生物自修复、中空或微胶囊自修复、电化学自修复、形状记忆合金自修复等，这些技术具有先进的代表性但目前大多集中在实验室研究中，实际工程应用案例极少。 发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种性能全面增强型自修复混凝土及其制备方法，可以有效改善混凝土的工作性，提高混凝土的强度和抗裂性，具备良好的耐久性，同时具备极强的损伤修复和裂缝自修复能力。 [0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： [0006] 提供一种性能全面增强型自修复混凝土，包括以下重量份的各组分：水泥210‑400份、掺合料110‑160份、多功能自修复剂8‑16份、外加剂8‑14份、砂680‑850份、石1000‑1100份、微纳米气泡水150 185份；其中：~ [0007] 所述多功能自修复剂组分为：有机膦酸盐0.15‑0.60%、土类膨胀剂3‑5%、钙类膨胀剂71‑76%、混杂纤维20‑23%、氟硅酸盐胶粘剂0.4‑1.1%；所述混杂纤维为硫酸钙晶须和短切聚丙烯纤维混合物，两者质量比为85‑95:5‑15； [0011] 按上述方案，所述混杂纤维中，硫酸钙晶须直径为1 10μm，长度为50 200μm；短切~ ~聚丙烯纤维长度为6 8mm。 ~ [0012] 按上述方案，所述水泥为42.5普通硅酸盐水泥。 [0014] 优选地，所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰。 [0015] 优选地，所述矿粉为S95级矿粉。 [0016] 按上述方案，所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，减水率≥25%。 [0017] 按上述方案，微米气泡引气剂为聚醚酯引气剂。 [0018] 按上述方案，所述外加剂中，微米气泡引气剂用量占比减水剂质量的1‑3‰。 [0019] 按上述方案，所述微纳米气泡水中，水中气泡粒径＜20μm。 [0020] 按上述方案中，所述砂为天然河砂、机制砂或两者的混合物，细度模数为2.3‑3.0，含泥量≤3%。 [0021] 按上述方案中，所述石为5‑25mm连续级配碎石，含泥量≤1%。 [0022] 本发明还提供了一种性能全面增强型自修复混凝土的制备方法，包括如下步骤： [0023] 1)按配合比称量各原材料； [0024] 2)将有机膦酸盐、土类膨胀剂、钙类膨胀剂、混杂纤维及氟硅酸盐胶粘剂通过混料机混合均匀，得到多功能自修复剂； [0025] 3)将气体按照一定的速度、气量和时间通过曝气的方式通入自来水中，得到微纳米气泡水； [0026] 4)将水泥、掺合料、砂、石加入强制搅拌机中拌合30 45s混合均匀；~ [0027] 5)向搅拌机内加入步骤2）所得多功能自修复剂，拌合30 45s；~ [0028] 6)向搅拌机内加入步骤3）所得微纳米气泡水和外加剂，拌合90 120s后得到性能~全面增强型自修复混凝土。 [0029] 本发明提供了一种性能全面增强型自修复混凝土，工作机理如下： [0030] 一方面，本发明在水泥中加入10‑30%粒径介于20‑80μm的粗颗粒水泥，不仅有利于减少混凝土用水量和前期温度应力，而且此部分粗颗粒水泥在较长时间内缓慢溶解并持续水化有利于密实混凝土的内部结构，更重要的是，大量的缓慢水化的水泥颗粒为络合剂和胶粘剂提供了大量的钙离子原料，为络合结晶产物的快速、大量形成提供了基础。 [0031] 另一方面，本发明通过外加剂引入的微米气泡和水引入的微纳米气泡在混凝土施工阶段通过物理填充在不增加粉体的情况下丰富了混凝土的浆体总量，改善了混凝土的包裹性，另外圆形的微纳米气泡又起到了滚珠效应，改善了混凝土的流动性，而且分散的微纳米气泡不会影响混凝土的强度，还有利于提升混凝土的抗冻性。而本发明中通过外加剂引入的微米气泡和水引入的微纳米气泡还具有良好的协同配合作用，其中：引气剂本身产生的气泡尺寸不可控，偶尔存在的较大的气泡对混凝土的力学性能和耐久性是不利的，通过协同尺寸可控的微纳米气泡水，一方面可以减少引气剂的用量，避免过多大气泡的不良影响，更为重要的是，水中的气泡都是尺寸可控的对混凝土性能有提升的微纳米尺寸气泡，对于混凝土性能的全面增强有利；但是，水引入的气泡稳定性不佳，随着时间的延长，气泡会慢慢破裂消失，而外加剂的气泡保持的时间较长，可以直至施工的结束，两种气泡在早期和晚期相互补充，协同提升混凝土性能。 [0032] 此外，本发明中多功能自修复剂由有机膦酸盐、土类膨胀剂、钙类膨胀剂、混杂纤维及氟硅酸盐胶粘剂等混合而成，其在混凝土的施工阶段和服役阶段均发挥重要作用，具体为： [0033] 本发明中选择有机膦酸盐，可以作为钙离子络合剂，当裂缝中有微量水进入后，其由沉睡状态迅速苏醒，与溶解在水中的钙离子大量络合后在裂缝到处游走，当遇到碳酸根离子或未水化的水泥颗粒时，其送出钙离子生成碳酸钙和C‑S‑H凝胶等晶体，此两种物质为修复裂缝的主要结晶物质，送出钙离子后有机膦酸盐络合剂又持续络合更多的钙离子为结晶物质的快速生长作“搬运工”直至裂缝的完全修复，由于有机膦酸盐实质上不参与反应，所以不会消耗，因此，在混凝土全寿命周期内络合物均能发挥裂缝修复作用。 [0034] 同时，氟硅酸盐胶粘剂既可以通过水解生成硅酸胶体改善混凝土的内部结构使混凝土早期和后期强度提高，又能够解离出F‑促进钙离子的溶解从而生成CaF覆盖在水化产物表面，一定程度延缓了水泥的快速水化，保证了混凝土的工作性，而且促进溶出的钙离子同样能成为裂缝修复结晶物的反应物质。 [0035] 此外，本申请中选择土类膨胀剂和钙类膨胀剂两种膨胀剂，两种膨胀剂分别从物理和化学层面协同修复裂缝；其中：首先是土类膨胀剂在混凝土开裂后渗水的最早期就通过高吸水引起巨大的体积膨胀堵塞裂缝的大部分空间，从而阻止了更多的水分对混凝土内部的侵入，一方面为结晶修复物质的形成和生长提供了一个稳定的环境；另一方面，钙类膨胀剂能够在稳定吸水、储水且体积膨大的土类膨胀剂内部和水一起产生化学反应，生成的产物能够保持土类膨胀剂的膨大状态，从而协同土类膨胀剂一起堵塞裂缝，另外，钙类膨胀剂也能提供大量的钙离子溶解于水中，与络合剂和胶粘剂一起发生化学反应形成修复晶体。 [0036] 最后，本发明选择混杂纤维，将小粒径的硫酸钙晶须和大粒径的短切纤维通过合理比例复配，其中：一方面硫酸钙晶须属于比水泥颗粒粒径小的微米级纤维，其不仅能够作为级配改良组分填充混凝土中的细小孔隙，又可以通过其优良的力学性能阻止微裂缝的产生和扩大化发展，进而改善了混凝土的内部微观结构；同时硫酸钙属于微溶性晶体，为后期可能出现的混凝土裂缝修复能够提供一部分反应离子；另一方面，短切纤维长度小于10mm，较低的掺量即在混凝土中引入了大量的“小钢筋”，嵌入混凝土中的“小钢筋”有利于限制细观裂缝的发展，提高混凝土的韧性，又因为其较强的极性可以作为混凝土裂缝修复过程中结晶产物快速形成和生长的基床。 [0037] 本发明的有益效果如下： [0038] 1.本发明提供了一种性能全面增强型自修复混凝土，通过各组分协同配合，有效改善了混凝土的工作性能，提供了混凝土的强度和抗裂性，具备良好的耐久性，同时还具有极强的损伤修复和裂缝自修复能力，应用前景广泛。 [0039] 2.本发明中多功能自修复剂由有机膦酸盐、土类膨胀剂、钙类膨胀剂、混杂纤维及氟硅酸盐胶粘剂等混合而成，其在混凝土的施工阶段和服役阶段均发挥重要作用，其中氟硅酸盐胶粘剂解离出F‑促进了钙类膨胀剂、矿物掺合料和未水化水泥颗粒内钙离子的溶解，有机膦酸盐络合剂及氟硅酸盐胶粘剂通过大量捕捉水中的钙离子后促进生成碳酸钙、C‑S‑H凝胶和CaF晶体，这些物质通过堆积堵塞作用，同膨胀剂一起共同起到修复裂缝的目的。而且由于有机膦酸盐实质上不参与反应，所以不会消耗，因此，在混凝土全寿命周期内络合物均能发挥裂缝修复作用。 [0040] 3.本发明通过外加剂引入微米气泡和水引入微纳米气泡两种方式协同引入气泡，降低了引气剂的使用，避免了大量大气泡对于混凝土的不良影响，保证了气泡的尺寸可控，同时两种气泡在早期和晚期相互补充，实现了气泡在施工全程中的作用，协同提升混凝土性能。 [0041] 4. 本发明在水泥中加入10‑30%粒径介于20‑80μm的粗颗粒水泥，有利于混凝土性能的同时还为络合剂和胶粘剂提供了大量的钙离子原料，为络合结晶产物的快速、大量形成提供了基础。 具体实施方式[0042] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例，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。 [0043] 实施例1 [0044] 一种性能全面增强型自修复混凝土，包括以下重量份的各组分：水泥225份、矿粉70份、粉煤灰80份、多功能自修复剂9份、外加剂9.4份、砂830份、石1080份、微纳米气泡水 180份。其中： [0045] 所述水泥为42.5普通硅酸盐水泥，其中粒径介于20‑80μm的水泥颗粒占比28%。 [0046] 所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，45μm筛余量23%。 [0047] 所述矿粉为S95级矿粉，28d活性指数97%。 [0048] 所述多功能自修复剂组分为：氨基三甲叉膦酸0.19%、200目的钙质膨润土3.31%、生石灰74.69%、混杂纤维21.34%、氟硅酸镁0.47%。所述混杂纤维为4‑10μm硫酸钙晶须和8mm短切聚丙烯纤维按质量比93:7复合。 [0049] 所述外加剂为含聚醚酯引气剂的聚羧酸系高性能减水剂，减水剂的减水率≥25%。 [0050] 所述引气剂用量为减水剂质量的3‰。 [0051] 所述砂为机制砂，细度模数为3.0，含泥量2.1%。 [0052] 所述石为5‑25mm连续级配碎石，含泥量0.8%。 [0053] 所述微纳米气泡水中，气泡粒径＜20μm。 [0054] 一种性能全面增强型自修复混凝土的制备方法，包括如下步骤： [0055] 1)按配合比称量各原材料； [0056] 2) 将有机膦酸盐、土类膨胀剂、钙类膨胀剂、混杂纤维及氟硅酸盐胶粘剂通过混料机混合均匀，得到多功能自修复剂； [0057] 3)将气体按照一定的速度、气量和时间通过曝气的方式通入自来水中，得到微纳米气泡水； [0058] 4)将水泥、掺合料、砂、石加入强制搅拌机中拌合30s混合均匀； [0059] 5)向搅拌机内加入多功能自修复剂，拌合30s； [0060] 6)向搅拌机内加入微纳米气泡水和外加剂，拌合90s后得到性能全面增强型自修复混凝土。 [0061] 对比例1 [0062] 一种普通混凝土，包括以下重量份的各组分：市售普通42.5水泥225份、矿粉70份、粉煤灰80份、普通聚羧酸外加剂9.4份、砂830份、石1080份、自来水180份，粉煤灰、矿粉、砂、石品质与实施例1一致。将所需物料按照质量比称量放入强制式搅拌机中搅拌90s后得到普通混凝土。 [0063] 实施例2 [0064] 一种性能全面增强型自修复混凝土，包括以下重量份的各组分：水泥290份、矿粉80份、粉煤灰65份、多功能自修复剂11.6份、外加剂10.9份、砂755份、石1035份、微纳米气泡水170份。其中： [0065] 所述水泥为42.5普通硅酸盐水泥，其中粒径介于20‑80μm的水泥颗粒占比20%，[0066] 所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，45μm筛余量20%。 [0067] 所述矿粉为S95级矿粉，28d活性指数97%。 [0068] 所述多功能自修复剂组分为：氨基三甲叉膦酸0.25%、400目钙质膨润土3.33%、生石灰74.97%、混杂纤维20.82%、氟硅酸镁0.63%。所述复合纤维为4‑8μm硫酸钙晶须和6mm短切聚丙烯纤维按质量比90:10复合。 [0069] 所述外加剂为含聚醚酯引气剂的聚羧酸系高性能减水剂，减水剂的减水率≥25%。 [0070] 所述引气剂用量为减水剂质量的1.5‰。 [0071] 所述砂为机制砂与天然砂1:1混合而成，细度模数为2.8，含泥量1.8%。 [0072] 所述石为5‑25mm连续级配碎石，含泥量0.6%。 [0073] 所述微纳米气泡水中，水中气泡粒径＜20μm。 [0074] 一种性能全面增强型自修复混凝土的制备方法，包括如下步骤： [0075] 1)按配合比称量各原材料； [0076] 2)将有机膦酸盐、土类膨胀剂、钙类膨胀剂、混杂纤维及氟硅酸盐胶粘剂通过混料机混合均匀，得到多功能自修复剂； [0077] 3)将气体按照一定的速度、气量和时间通过曝气的方式通入自来水中，得到微纳米气泡水； [0078] 4)将水泥、掺合料、砂、石加入强制搅拌机中拌合30s混合均匀； [0079] 5)向搅拌机内加入多功能自修复剂，拌合30s； [0080] 6)向搅拌机内加入微纳米气泡水和外加剂，拌合105s后得到性能全面增强型自修复混凝土。 [0081] 对比例2 [0082] 除水泥使用市售普通42.5水泥外，其余材料组成与用量和实施例2相同，操作方法与实施例2相同。 [0083] 对比例3 [0084] 除土类膨胀剂使用1250目的膨润土外，其余材料组成与用量和实施例2相同，操作方法与实施例2相同。 [0085] 对比例4 [0086] 除水使用普通自来水、引气剂用量为减水剂质量的2.5‰外，其余材料组成与用量和实施例2相同，操作方法与实施例2相同。 [0087] 对比例5 [0088] 一种普通混凝土，包括以下重量份的各组分：市售普通42.5水泥290份、普通聚羧酸外加剂10.9份、自来水170份，其余材料组成与用量和实施例2相同。将所需物料按照质量比称量放入强制式搅拌机中搅拌105s后得到普通混凝土。 [0089] 实施例3 [0090] 一种性能全面增强型自修复混凝土，包括以下重量份的各组分：水泥380份、矿粉70份、粉煤灰50份、多功能自修复剂14.8份、外加剂12.5份、砂700份、石1065份、微纳米气泡水155份。 [0091] 所述水泥为42.5普通硅酸盐水泥，其中粒径介于20‑80μm的水泥颗粒占比11%。 [0092] 所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，45μm筛余量18%。 [0093] 所述矿粉为S95级矿粉，28d活性指数97%。 [0094] 所述多功能自修复剂组分为：氨基三甲叉膦酸0.55%、800目钙质膨润土4.56%、生石灰72.0%、混杂纤维21.98%、氟硅酸镁0.91%。 [0095] 所述复合纤维为1‑4μm硫酸钙晶须和6mm短切聚丙烯纤维按质量比87:13复合。 [0096] 所述外加剂为含聚醚酯引气剂的聚羧酸系高性能减水剂，减水剂的减水率≥25%。 [0097] 所述引气剂用量为减水剂质量的1‰。 [0098] 所述砂为天然砂，细度模数为2.5，含泥量1.3%。 [0099] 所述石为5‑25mm连续级配碎石，含泥量0.5%。 [0100] 所述微纳米气泡水中，气泡粒径＜20μm。 [0101] 一种性能全面增强型自修复混凝土的制备方法，包括如下步骤： [0102] 1)按配合比称量各原材料； [0103] 2)将有机膦酸盐、土类膨胀剂、钙类膨胀剂、混杂纤维及氟硅酸盐胶粘剂通过混料机混合均匀，得到多功能自修复剂； [0104] 3)将气体按照一定的速度、气量和时间通过曝气的方式通入自来水中，得到微纳米气泡水； [0105] 4)将水泥、掺合料、砂、石加入强制搅拌机中拌合30s混合均匀； [0106] 5)向搅拌机内加入多功能自修复剂，拌合30s； [0107] 6)向搅拌机内加入微纳米气泡水和外加剂，拌合120s后得到性能全面增强型自修复混凝土。 [0108] 对比例6 [0109] 一种普通混凝土，包括以下重量份的各组分：市售普通42.5水泥380份、矿粉70份、粉煤灰50份、普通聚羧酸外加剂14.8份、砂700份、石1065份、自来水155份，粉煤灰、矿粉、砂、石品质与实施例3一致。将所需物料按照质量比称量后放入强制式搅拌机中搅拌120s后得到普通混凝土。 [0110] 对实施例和对比例按照GB/T 50080‑2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T 50081‑2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》、GB/T 50082‑2019《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》、CCES 01‑2018《混凝土结构耐久性设计与施工指南》、T/CECS 913‑2021 《水泥混凝土自修复性能试验方法标准》分别进行工作性、强度、电通量、塑性收缩开裂、荷载损伤强度恢复试验。 [0111] 抗渗性能恢复按照下述方法进行：取实施例混凝土和对比例混凝土各一部分，分别成型10个φ100*50mm的圆饼试件，到7d龄期后采用施压方式在圆饼中部压出宽度在0.2‑0.5mm的贯穿裂缝，然后通过抗渗装置测试通过贯穿裂缝的初始渗水，再进行泡水养护，并分别测试泡水10d、20d和40d后的裂缝渗水量，最后通过养护后的渗水量与初始渗水量的比值来评价混凝土裂缝的修复程度，比值越低代表裂缝修复得越好，当结果为0时表示裂缝已经修复。每次试验的渗水量均取所有试件的平均值。 [0112] 按照上述试验方法测试各例结果如表1、表2所示： [0113] 表1 实施例与对比例试验结果一 [0114] [0115] 表2 实施例与对比例试验结果二 [0116] [0117] 上述结果表明：实施例的性能全面增强型自修复混凝土的工作性、强度、电通量、塑性收缩开裂、荷载损伤强度恢复、抗渗性能恢复全面优于对比例普通混凝土，具体表现在明显提升混凝土的工作性，长龄期强度，降低混凝土的渗透性，提高混凝土的抗裂性；更为有意义的是能够逐渐修复混凝土内部小缺陷，使受损伤的混凝土基本恢复未受损状态，尤其是泡水养护下能够在40d内修复宽度在0.2‑0.5mm的细微裂缝，且前10d的修复速度最快。 [0118] 以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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