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CN117865600A - 一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土及其制备方法 Download PDF

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CN117865600A CN202311789683.9A CN202311789683A CN117865600A CN 117865600 A CN117865600 A CN 117865600A CN 202311789683 A CN202311789683 A CN 202311789683A CN 117865600 A CN117865600 A CN 117865600A
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易忠来
蒋金洋
李化建
赵有明
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Southeast University
China Academy of Railway Sciences Corp Ltd CARS
China State Railway Group Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土及其制备方法，涉及建筑材料技术领域，按重量份计，所述混凝土的原料包括：硅酸盐水泥100～500份、洞渣石粉30～300份、细骨料1000～1500份、纳米Fe2O31～5份、吸水性树脂0.5～2份、氢氧化钡3～5份和水200～300份。本发明所提供的纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土实现了洞渣石粉对水泥的替代，能够有效降低CO2排放，并具有良好的力学性能和工作性能，优异的抗硫酸盐侵蚀性能等特点，提高了混凝土结构的服役性能，使建筑物使用寿命大幅提高，特别适用于桥梁工程等对建筑物寿命有较高要求的工程施工。

Description

一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土及其制备方法。
背景技术
随着可持续发展战略在建筑领域的日益觉醒，减少与建筑行业相关的CO2排放量势在必行。波特兰水泥年均产量高达40亿吨，所产二氧化碳占全球人为二氧化碳排放量的8-10％。采用洞渣石粉取代水泥能够有效降低CO2排放。此外，洞渣石粉具有填充、成核和稀释等作用，使基体的密实度得到提高。采用洞渣石粉取代水泥、机制砂替代河砂，是未来工程材料绿色发展的主流趋势。
然而，洞渣石粉的掺入使水泥基材料抵抗硫酸盐侵蚀的能力减弱。洞渣石粉与基体中铝相反应，阻碍了钙矾石向单硫型水化硫铝酸钙的转变。在掺洞渣石粉的水泥基材料中，石膏成为主要侵蚀产物，且生成时间先于钙矾石。此外，掺洞渣石粉水泥基材料更容易出现碳硫硅钙石型破坏。如何在保证混凝土耐硫酸盐侵蚀的前提下，充分利用洞渣石粉，是目前亟待解决的问题。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土，以实现洞渣石粉的有效利用，并解决混凝土在掺入洞渣石粉后不耐硫酸盐侵蚀的问题。
本发明的目的还在于提供上述纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土的制备方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土，按重量份计，包括以下组分：硅酸盐水泥100～500份、洞渣石粉30～300份、细骨料1000～1500份、纳米Fe2O31～5份、吸水性树脂0.5～2份、氢氧化钡3～5份和水200～300份。
优选的，所述硅酸盐水泥为强度等级不低于42.5的普通硅酸盐水泥，所述细骨料为机制砂。
优选的，所述洞渣石粉岩性为白云岩，比表面积≥500m2/kg，CaCO3含量≥85％。
优选的，所述机制砂为洞渣破碎砂，岩性为白云岩，粒径≤5mm。
优选的，所述纳米Fe2O3粒径为10～100nm，纯度≥99％。
优选的，所述吸水性树脂粒径为50～150目。
优选的，所述氢氧化钡为一水合物，纯度≥98％。
优选的，所述水为自来水。
本发明还提供任一上述的一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1、将氢氧化钡充分溶解在水溶液中后，将吸水性树脂加入氢氧化钡溶液中并使其充分分散，得到吸水性树脂-氢氧化钡分散液；
S2、按比例称取硅酸盐水泥、洞渣石粉、吸水性树脂-氢氧化钡分散液、纳米Fe2O3、细骨料倒入混凝土搅拌机干拌，再加水搅拌，即得纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土。
优选的，步骤S1中，采用磁力搅拌器或桨式搅拌器搅拌；步骤S2中，干拌1～2min，加水搅拌2～4min。
有益效果：
(1)本发明以洞渣石粉为粉料，利用其填充、成核和稀释效应，以及纳米Fe2O3的填充和火山灰效应、吸水性树脂的内养护效应、氢氧化钡的化学效应，影响水泥基材料的水化产物，增大物相体积，从而减小水泥基材料的孔隙率，改善孔径分布，提高水泥基材料整体密实度，能够提高水泥基材料的强度，降低体积收缩，提高混凝土的后期强度和耐久性能，有效阻碍SO4 2-等有害离子在毛细孔中的迁移，提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能；
(2)本发明提供的纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土具有良好的工作性能和体积稳定性，机制砂在浆体中分布均匀，并具有高稳健自密实的性能，具有优异的力学性能和耐久性能，应用于桥梁工程时能够为建筑的服役寿命提供保障。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明针对目前洞渣混凝土存在的抵抗硫酸盐侵蚀能力弱的问题，提供一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土，按重量份计，包括以下组分：硅酸盐水泥100～500份(例如110份、150份、200份、250份、300份、350份、400份、450份、490份)、洞渣石粉30～300份(例如40份、70份、100份、130份、160份、190份、200份、230份、260份、290份)、细骨料1000～1500份(例如1010份、1050份、1100份、1150份、1200份、1250份、1300份、1350份、1400份、1450份、1490份)、纳米Fe2O31～5份(例如1.1份、1.5份、2.0份、2.5份、3.0份、3.5份、4.0份、4.5份、4.9份)、吸水性树脂0.5～2份(例如0.6份、0.8份、1.0份、1.2份、1.4份、1.6份、1.8份、1.9份)、氢氧化钡3～5份(例如3.1份、3.3份、3.5份、3.7份、3.9份、4.0份、4.1份、4.3份、4.5份、4.7份、4.9份)和水200～300份(210份、220份、230份、240份、250份、260份、270份、280份、290份)。
本发明优选实施例中，硅酸盐水泥为强度等级不低于42.5的普通硅酸盐水泥，细骨料为机制砂。
本发明优选实施例中，洞渣石粉岩性为白云岩，比表面积≥500m2/kg(例如500m2/kg、510m2/kg、550m2/kg)，CaCO3含量≥85％(例如85％、86％、89％)。
本发明优选实施例中，机制砂为洞渣破碎砂，岩性为白云岩，粒径≤5mm(例如0.1mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm、5mm)。
本发明优选实施例中，纳米Fe2O3粒径为10～100nm(例如11nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、99nm)，纯度≥99％(例如99％、99.1％、99.9％、99.99％)。
本发明优选实施例中，吸水性树脂粒径为50～150目(例如51目、60目、70目、80目、90目、100目、110目、120目、130目、140目、149目)。
本发明优选实施例中，氢氧化钡为一水合物，纯度≥98％(例如98％、98.1％、98.5％、99.0％、99.5％、99.9％、99.99％)，也可以使用无水氢氧化钡代替。
本发明优选实施例中，水为自来水。
本发明还提供任一上述的一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1、将氢氧化钡充分溶解在水溶液中后，将吸水性树脂加入氢氧化钡溶液中并使其充分分散，得到吸水性树脂-氢氧化钡分散液；
S2、按比例称取硅酸盐水泥、洞渣石粉、吸水性树脂-氢氧化钡分散液、纳米Fe2O3、细骨料倒入混凝土搅拌机干拌，再加水搅拌，即得纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土。
本发明优选实施例中，步骤S1中，采用磁力搅拌器或桨式搅拌器搅拌；步骤S2中，干拌1～2min(例如1.1min、1.2min、1.3min、1.4min、1.5min、1.6min、1.7min、1.8min、1.9min)，加水搅拌2～4min(例如2.1min、2.3min、2.5min、2.7min、2.9min、3.0min、3.1min、3.3min、3.5min、3.7min、3.9min)。
下面通过具体实施例对本发明一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土及其制备方法进行详细说明。
下面实施例及对比例中：
使用的硅酸盐水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级42.5，洞渣石粉岩性为白云岩，比表面积为500m2/kg，CaCO3含量≥85％，细骨料为洞渣破碎砂，岩性为白云岩，粒径≤5mm；吸水性树脂购自浙江宁波台塑吸水树脂有限公司，粒径为50～150目；氢氧化钡购自上海麦克林生化科技股份有限公司，纯度≥98％。
实施例1
一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土，由包括如下重量份的原料制成：普通硅酸盐水泥405kg、洞渣石粉45kg、洞渣破碎砂1200kg、水250kg、纳米Fe2O33kg、吸水性树脂0.8kg和氢氧化钡5kg。
制备方法如下：
S1、采用磁力搅拌器将氢氧化钡充分溶解在水溶液中后，将吸水性树脂加入氢氧化钡溶液中，并继续搅拌使其充分分散，得到吸水性树脂-氢氧化钡分散液；
S2、按比例称取硅酸盐水泥、洞渣石粉、吸水性树脂-氢氧化钡分散液、纳米Fe2O3、细骨料倒入混凝土搅拌机干拌1min，再加水搅拌2min，即得纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土。
实施例2
一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土，由包括如下重量份的原料制成：普通硅酸盐水泥360kg、洞渣石粉90kg、洞渣破碎砂1200kg、水250kg、纳米Fe2O33kg、吸水性树脂0.8kg和氢氧化钡5kg。
本实施例提供的纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土制备方法同实施例1。
实施例3
一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土，由包括如下重量份的原料制成：普通硅酸盐水泥315kg、洞渣石粉135kg、洞渣破碎砂1200kg、水250kg、纳米Fe2O33kg、吸水性树脂0.8kg和氢氧化钡5kg。
本实施例提供的纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土制备方法同实施例1。
实施例4
一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土，由包括如下重量份的原料制成：普通硅酸盐水泥270kg、洞渣石粉180kg、洞渣破碎砂1200kg、水250kg、纳米Fe2O33kg、吸水性树脂0.8kg和氢氧化钡5kg。
本实施例提供的纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土制备方法同实施例1。
实施例5
一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土，由包括如下重量份的原料制成：普通硅酸盐水泥225kg、洞渣石粉225kg、洞渣破碎砂1200kg、水250kg、纳米Fe2O33kg、吸水性树脂0.8kg和氢氧化钡5kg。
本实施例提供的纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土制备方法同实施例1。
对比例1
一种混凝土，与实施例1的不同之处在于，将洞渣石粉替换为等质量的水泥，且未掺入纳米Fe2O3、吸水性树脂以及氢氧化钡，制备方法参照实施例1中步骤S2。
对比例2
一种洞渣混凝土，由包括如下重量份的原料制成：普通硅酸盐水泥225kg、洞渣石粉225kg、细骨料1200kg、水250kg，其制备方法同对比例1。
对比例3
一种纳米增强洞渣混凝土，由包括如下重量份的原料制成：普通硅酸盐水泥225kg、洞渣石粉225kg、洞渣破碎砂1200kg、水250kg、纳米Fe2O33kg。
本对比例提供的纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土制备方法同对比例1。
对比例4
一种内养护抗硫酸盐洞渣混凝土，由包括如下重量份的原料制成：普通硅酸盐水泥225kg、洞渣石粉225kg、洞渣破碎砂1200kg、水250kg、吸水性树脂0.8kg和氢氧化钡5kg。
本对比例提供的纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土制备方法同实施例1。
对比例5
一种洞渣混凝土，与实施例1的不同之处在于，未掺入纳米Fe2O3、吸水性树脂以及氢氧化钡，制备方法同对比例1。
性能评价：
1.混凝土强度检测：
对实施例1-5及对比例1～5制得的混凝土进行28d抗压强度以及抗折强度测试，测试方法根据GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》。在试验过程中应连续均匀地加荷，加载速率为0.5～0.8MPa/s。当试件接近破坏开始急剧变形时，停止调整试验机油门，直至破坏，然后记录破坏荷载于表1中。
2.抗硫酸盐侵蚀性能检测：
对实施例1-5及对比例1～4制得的混凝土进行抗硫酸盐侵蚀系数测试，侵蚀环境温度为20℃±3℃，硫酸盐浓度为15％(质量分数)，侵蚀龄期为28d，计算混凝土样品的抗硫酸盐侵蚀系数。
抗硫酸盐侵蚀系数计算方式为：将混凝土样品浸泡在15％硫酸钠溶液中，浸泡28d的抗折强度与同龄期浸泡在洁净饮用水中混凝土样品的抗折强度之比，即为抗硫酸盐侵蚀系数。
表1不同混凝土抗压强度、抗硫酸盐侵蚀系数
样品 28d抗压强度(MPa) 28d抗折强度(MPa) 抗硫酸盐侵蚀系数
实施例1 55.2 9.8 0.94
实施例2 50.9 8.5 0.87
实施例3 45.2 7.9 0.82
实施例4 40.9 6.9 0.79
实施例5 34.8 6.4 0.73
对比例1 53.6 9.1 0.88
对比例2 29.0 5.8 0.55
对比例3 40.6 7.0 0.66
对比例4 28.3 5.7 0.61
对比例5 53.4 8.9 未测试
从表1中可以看到，在纳米Fe2O3、吸水性树脂和氢氧化钡添加量不变的情况下，随着洞渣石粉掺入量的增加，混凝土样品的28d抗压强度及28d抗折强度逐渐下降，混凝土力学性能和抗硫酸盐侵蚀性能逐渐降低，但仍保持良好的力学性能和抗硫酸盐侵蚀性能；同时，从实施例5及对比例2可以看到，掺入一定比例的洞渣石粉时，加入纳米Fe2O3、吸水性树脂和氢氧化钡可以提高混凝土的力学性能和抗硫酸盐侵蚀性能。可见，纳米Fe2O3的火山灰效应、吸水性树脂的内养护效应以及氢氧化钡的化学效应能够有效激发水泥和洞渣石粉活性，纳米颗粒和水化产物的填充使基体密实度增大，从而大幅提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。
对比实施例1～5、对比例1发现，在掺入少量洞渣石粉，并加入一定量纳米Fe2O3、吸水性树脂和氢氧化钡后，制备的混凝土力学性能及抗硫酸盐侵蚀性能优于未掺入洞渣石粉以及纳米Fe2O3、吸水性树脂和氢氧化钡制备的混凝土。洞渣石粉与纳米Fe2O3、吸水性树脂和氢氧化钡之间的相互作用，产生了提高混凝土力学性能和抗硫酸盐侵蚀性能的效果。
从对比例2、4可以看到，加入吸水性树脂和氢氧化钡会导致混凝土力学性能下降，但耐硫酸盐侵蚀效果有所上升。此外，申请人在试验中发现，若在对比例4的基础上继续增加吸水性树脂的添加量，混凝土的28d抗压强度及抗折强度均会出现大幅下降，且耐蚀系数也明显降低，显然单独加入吸水性树脂对于提高混凝土的耐硫酸盐侵蚀性能没有帮助。
综上所述：
本发明将吸水性树脂作为内养护材料，并采用氢氧化钡对其进行改性处理，使其在侵蚀后期仍能释放钡离子与侵入的硫酸根离子发生反应形成BaSO4，减少侵蚀产物的形成。纳米Fe2O3能够促进水泥水化反应，在水泥浆体内部形成三维网络结构，使浆体结构更加致密，并与钙矾石反应生成铁钙矾石相，可用钙矾石的减少使碳硫硅钙石型侵蚀发生的概率降低，有效阻碍SO4 2-等有害离子在毛细孔中的迁移，提高了结构的力学性能和抗硫酸盐侵蚀性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土，其特征在于，按重量份计，包括以下组分：硅酸盐水泥100～500份、洞渣石粉30～300份、细骨料1000～1500份、纳米Fe2O31～5份、吸水性树脂0.5～2份、氢氧化钡3～5份和水200～300份。
2.根据权利要求1所述的一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土，其特征在于，所述硅酸盐水泥为强度等级不低于42.5的普通硅酸盐水泥，所述细骨料为机制砂。
3.根据权利要求1所述的一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土，其特征在于，所述洞渣石粉岩性为白云岩，比表面积≥500m2/kg，CaCO3含量≥85％。
4.根据权利要求2所述的一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土，其特征在于，所述机制砂为洞渣破碎砂，岩性为白云岩，粒径≤5mm。
5.根据权利要求1所述的一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土，其特征在于，所述纳米Fe2O3粒径为10～100nm，纯度≥99％。
6.根据权利要求1所述的一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土，其特征在于，所述吸水性树脂粒径为50～150目。
7.根据权利要求1所述的一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土，其特征在于，所述氢氧化钡为一水合物，纯度≥98％。
8.根据权利要求1所述的一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土，其特征在于，所述水为自来水。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将氢氧化钡充分溶解在水溶液中后，将吸水性树脂加入氢氧化钡溶液中并使其充分分散，得到吸水性树脂-氢氧化钡分散液；
S2、按比例称取硅酸盐水泥、洞渣石粉、吸水性树脂-氢氧化钡分散液、纳米Fe2O3、细骨料倒入混凝土搅拌机干拌，再加水搅拌，即得纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土。
10.根据权利要求9所述的一种纳米增强内养护抗硫酸盐洞渣混凝土的制备方法，其特征在于，步骤S1中，采用磁力搅拌器或桨式搅拌器搅拌；步骤S2中，干拌1～2min，加水搅拌2～4min。
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