CN121159200B - 一种高性能沙漠砂泡沫混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高性能沙漠砂泡沫混凝土及其制备方法，混凝土包括如下重量份的组成：硅酸盐水泥70份、粉煤灰30份、沙漠砂20‑100份、咸水25‑35份、发泡剂0.2‑0.5份、复合激发剂5‑12份、碱激发偏高岭土复合微珠5‑15份、糙化PET聚合物纤维0.5‑2份；其中，复合激发剂的配方为按重量比，煅烧磷石膏：碱渣：纳米二氧化硅：硅灰：5%质量浓度的聚乙烯醇=(40‑50)：(30‑40)：(10‑15)：(5‑10)：(10‑15)；碱激发偏高岭土复合微珠的配方为按重量比，粉煤灰漂珠：偏高岭土：水玻璃：氢氧化钠：去离子水=100：(20‑30)：(15‑25):(3‑5):(20‑30)。特别适用于隧道工程中初期支护与二次衬砌之间的缓冲泄压填充层，从而有效降低作用在隧道衬砌结构上的高地应力与地层荷载。

Description

一种高性能沙漠砂泡沫混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土技术领域，具体而言，涉及一种高性能沙漠砂泡沫混凝土及其制备方法。

背景技术

泡沫混凝土最初被广泛用做工程保温材料，如高寒地区隧道结构保温层、高地应力软岩隧道结构耗能层、路基填充层及建筑物保温外墙。近几年来，泡沫混凝土又扩展应用到路基填筑中作换填层及高地应力软岩隧道衬砌结构中作缓冲耗能层。在高寒、高纬度沿海及盐湖地区的基础设施建设中，泡沫混凝土因其轻质、良好保温的特性而备受关注。然而，这些地区普遍存在的低温、冻融循环以及淡水资源匮乏（仅能使用当地咸水）的极端环境，对传统泡沫混凝土技术构成了严峻挑战。现有技术中的泡沫混凝土在面对这些复合型环境因素时，主要存在以下三方面的技术瓶颈：

1. 低温环境下水化停滞与早期强度发展不足

常规泡沫混凝土在低于5℃的环境下，水泥水化反应速率急剧下降，导致早期强度发展极其缓慢，甚至完全停滞。这不仅延长了拆模和施工周期，更使得混凝土在获得足够强度之前极易遭受冻害。虽然现有技术中采用早强剂、防冻剂（如氯盐、亚硝酸盐）等手段来促进低温水化，但这些外加剂往往引入有害离子，对长期耐久性构成威胁，且在高浓度咸水环境下可能因盐类结晶而产生副作用。

2. 严酷冻融环境下耐久性急剧劣化

泡沫混凝土内部多孔结构在饱水状态下，经受冻融循环时，孔隙水反复相变产生的膨胀应力会导致孔壁开裂、剥落，动弹性模量迅速下降。传统技术主要通过引入引气剂来创建闭孔气泡缓冲冻胀应力。然而，在采用细度模数小、颗粒级配不良的沙漠砂时，固体颗粒沉降与气泡上浮并存，难以形成稳定、均匀的孔结构体系。单一的物理引气措施在长期冻融和咸水盐分结晶共同作用下，其耐久性提升效果十分有限。

3. 咸水拌和引发内部化学环境恶化与盐冻损伤

直接采用海水、盐湖水或地下咸水拌和混凝土，虽然解决了淡水短缺问题，但引入了高浓度的氯离子、硫酸根离子等有害组分。这些离子不仅会破坏水泥水化产物的稳定性，导致后期强度倒缩，更会与冻融循环耦合产生盐冻效应，即盐分结晶压力与冰胀应力的叠加，加速材料破坏。此外，游离的氯离子极大地提高了内部钢筋的锈蚀风险。现有固氯技术（如掺入硝酸盐、阻锈剂）多在常温淡水环境下验证有效，其在低温、咸水、冻融多因素耦合作用下的长期效能尚不明确，且无法解决盐结晶导致的物理膨胀问题。

综上所述，现有技术方案多为解决单一问题而设计，缺乏对低温冻融咸水这一复合环境的系统性应对策略。例如，促进低温水化的措施可能加剧盐结晶，而改善抗冻性的引气手段又可能不利于强度发展。各技术手段之间缺乏协同，甚至相互掣肘，难以满足极地、寒区盐湖等特殊环境下工程材料的长寿命、高耐久性要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有泡沫混凝土难以对抗低温冻融咸水这一复合环境的强度、耐久性要求，为克服以上现有技术的缺陷，本发明提供一种高性能沙漠砂泡沫混凝土及其制备方法。

本发明的技术方案为：一种高性能沙漠砂泡沫混凝土，包括如下重量份的组成：

硅酸盐水泥70份、粉煤灰30份、沙漠砂20-100份、咸水25-35份、发泡剂0.2-0.5份、复合激发剂5-12份、碱激发偏高岭土复合微珠5-15份、糙化PET聚合物纤维0.5-2份；

其中，复合激发剂的配方为按重量比，煅烧磷石膏：碱渣：纳米二氧化硅：硅灰：5%质量浓度的聚乙烯醇=(40-50)：(30-40)：(10-15)：(5-10)：(10-15)；

碱激发偏高岭土复合微珠的配方为按重量比，粉煤灰漂珠：偏高岭土：水玻璃：氢氧化钠：去离子水=100：(20-30)：(15-25):(3-5):(20-30)；

糙化PET聚合物纤维为将废弃PET塑料经熔融纺丝制成纤维后、经碱处理引入羧基官能团、再通过水热法在纤维表面生长纳米级草酸钙所得。

复合激发剂中的纳米二氧化硅可有效促进水化产物沉积，降低低温条件下的成核势垒；磷石膏分解释放SO₄ ^2-，促进钙矾石形成并伴随放热，有助于在负温环境中维持体系温度并持续提升密实度，从而保障混凝土早期强度的发展。糙化PET纤维能够细化冰晶，缓解冻胀应力，并与碱激发偏高岭土复合微珠协同实现应力的分散与吸收，共同增强抗冻融性能。改性粉煤灰漂珠内部闭孔结构为冰晶膨胀提供缓冲空间，进一步吸收冻胀能量。三者协同作用，显著提升混凝土的抗冻融能力。此外，体系水化形成以C-S-H凝胶、地质聚合物及钙矾石为主的致密微观结构，有效阻隔氯离子迁移；碱激发偏高岭土复合微珠凭借其离子交换能力固定游离氯离子，结合体系高碱环境促使氯离子稳定化，大幅降低孔隙液中自由氯离子浓度，抑制盐结晶与钢筋锈蚀风险。

在一种可能的实施方式中，发泡剂为十二烷基硫酸钠或α-烯烃磺酸盐。

在一种可能的实施方式中，复合激发剂为核壳颗粒，其内核为缓释型硫酸盐晶体，中间层为碱渣细粉，外壳为纳米二氧化硅与硅灰的复合层，且核壳颗粒的粒径为30-80μm。外壳首先溶解提供成核位点，中间层建立碱性环境激活胶凝材料，内核缓慢释放硫酸根离子持续促进强度发展，形成"由表及里、由快到慢"的精准激发过程。

在一种可能的实施方式中，复合激发剂由如下方法制备得到：S11、将煅烧磷石膏、碱渣分别粉磨，将纳米二氧化硅与硅灰在干态下混合均匀，备用；S12、将煅烧磷石膏粉末放入流化床造粒机中，并喷入雾化的PVA溶液，造粒形成母核；S13、造粒过程中持续喷入PVA溶液，并投入碱渣细粉，在母核外形成中间层；S14、保持流化状态，喷入稀PVA溶液，并投入纳米二氧化硅和硅灰混合物，在中间层外形成外壳；S15、将造粒完成的湿颗粒干燥、烧结，得到核壳颗粒。

上述方案中，煅烧磷石膏提供缓释硫酸根离子，碱渣提供碱性激发，纳米二氧化硅提供早期成核位点，控制离子迁移，硅灰与纳米二氧化硅协同作用，填充并增强外壳致密性，PVA溶液作为粘合剂将这些功能组分粘到母核中。

在一种可能的实施方式中，母核颗粒粒径控制为30-50μm，

和/或，PVA溶液的浓度为5%质量浓度，

和/或，稀PVA溶液的浓度为3%质量浓度，

和/或，干燥温度为80-100℃，烧结温度为600-700℃，烧结时间为0.5-2h。

在一种可能的实施方式中，碱激发偏高岭土复合微珠由如下方法制备得到：S21、将氢氧化钠溶于部分去离子水中，待冷却至室温后，缓慢加入水玻璃，搅拌均匀，静置陈化，得复合碱激发剂；S22、将偏高岭土与剩余的去离子水混合，搅拌均匀，加入复合碱激发剂，继续搅拌形成碱激发偏高岭土浆料；S23、将粉煤灰漂珠放入低速搅拌机或包衣锅中，边搅拌边喷入碱激发偏高岭土浆料，得到浆料包裹漂珠；S24、将步骤S23所得的浆料包裹漂珠在室温下密封养护，后干燥除水，得到碱激发偏高岭土复合微珠。

上述方案中，粉煤灰漂珠作为轻骨料，提供空心结构用于力学缓冲，偏高岭土提供活性氧化铝和二氧化硅，形成具有离子交换能力的凝胶，水玻璃作为碱激发剂和粘结剂将偏高岭土粘结到轻骨料上，氢氧化钠调节水玻璃模数，提供额外的碱度，去离子水作为溶剂调节浆料粘度。

在一种可能的实施方式中，步骤S24中密封养护的条件为15-25℃，湿度＞90%，时间20-28h；干燥温度为60-80℃，干燥时间为6-8h。

在一种可能的实施方式中，糙化PET聚合物纤维制备参数为：熔融纺丝温度为260-280℃，纺丝速度为200-400 m/min，纤维直径为20-50 μm；纺丝后采用5-8%质量浓度的氢氧化钠溶液，在70-80℃下处理纤维1-2 h，以引入羧基官能团；将碱处理后的纤维浸入0.1-0.3 mol/L的草酸钠和氯化钙混合溶液中，在120-150℃下水热反应2-4 h，得到糙化PET聚合物纤维。

本发明还提供一种高性能沙漠砂泡沫混凝土的制备方法，包括如下步骤：

S1、将硅酸盐水泥、粉煤灰、沙漠砂、复合激发剂干混，转速150-250rpm，时间2-3min；

S2、往步骤S1干混所得物质中加入咸水、碱激发偏高岭土复合微珠，继续搅拌混合，转速300-400rpm，时间3-4min；

S3、在步骤S2混合所得物质中加入糙化PET聚合物纤维和发泡剂，继续搅拌混合，转速80-150rpm，时间1-2min，得到高性能沙漠砂泡沫混凝土。

在一种可能的实施方式中，每个步骤间静止30s，所有步骤的总搅拌时间控制在6-9min。

本发明的有益效果为：

本发明通过复合激发剂、糙化PET纤维与碱激发偏高岭土复合微珠三者协同作用，系统解决低温、冻融与咸水环境下的技术难题：复合激发剂在促进低温水化的同时释放热量，为体系提供早期温度保障；纤维与微珠协同缓冲，通过细化冰晶、分散应力与吸收膨胀，显著增强抗冻融性；微珠进一步与体系高碱环境协同固化氯离子，有效抑制盐结晶与钢筋锈蚀，实现强度发展与耐久性能的整体提升。

具体实施方式

沙漠砂取自腾格里沙漠，咸水取自青海柴达木盆地盐湖地区，其主要化学组成（以离子浓度计）为：Cl^-150-200 g/L、SO₄ ^2- 20-40 g/L、Na⁺ 80-120 g/L、Mg²⁺ 30-50 g/L、K⁺10-20 g/L，总盐度范围为 300-450 g/L。

检测标准：抗压强度按GB/T 50081；冻融循环性能按GB/T 50082；游离氯离子含量按GB/T 50476。

实施例1

本实施例采用以下质量份数的原料：硅酸盐水泥70份，粉煤灰30份，沙漠砂60份，咸水30份，十二烷基硫酸钠0.35份，复合激发剂（组分A）8份，碱激发偏高岭土复合微珠（组分B）10份，糙化PET聚合物纤维（组分C）1份。

组分A的制备过程如下：将煅烧磷石膏、碱渣分别粉磨至比表面积≥400 m²/kg，将纳米二氧化硅与硅灰在干态下混合均匀，备用；将煅烧磷石膏粉末放入流化床造粒机中，并喷入雾化的5%质量浓度聚乙烯醇（PVA）溶液，造粒形成粒径为30-50μm的母核；造粒过程中持续喷入5%质量浓度PVA溶液，并投入碱渣细粉，在母核外形成中间层；保持流化状态，喷入3%质量浓度稀PVA溶液，并投入纳米二氧化硅和硅灰混合物，在中间层外形成外壳；将造粒完成的湿颗粒在90℃下干燥1h，随后在650℃下烧结1h，得到核壳颗粒的复合激发剂，粒径为30-80μm。

组分B的制备过程如下：将氢氧化钠溶于部分去离子水中，待冷却至室温后，缓慢加入水玻璃，搅拌均匀，静置陈化24h，得复合碱激发剂；将偏高岭土与剩余的去离子水混合，搅拌均匀，加入复合碱激发剂，继续搅拌形成碱激发偏高岭土浆料；将粉煤灰漂珠放入低速搅拌机中，边搅拌边喷入碱激发偏高岭土浆料，得到浆料包裹漂珠；将所得的浆料包裹漂珠在20℃、湿度>90%下密封养护24h，后在70℃下干燥7h，得到碱激发偏高岭土复合微珠。

组分C的制备过程如下：将废弃PET塑料在270℃下熔融纺丝，纺丝速度为300 m/min，得到纤维直径为30 μm的PET纤维；将纤维浸入6%质量浓度的氢氧化钠溶液中，在75℃下处理1.5 h，引入羧基官能团；随后将纤维浸入0.2 mol/L的草酸钠和0.2 mol/L的氯化钙混合溶液中，在130℃下水热反应3 h，使纤维表面生长纳米级草酸钙晶体，得到糙化PET聚合物纤维。

混凝土制备工序，包括：首先将硅酸盐水泥、沙漠砂、组分A干混，转速200rpm，持续时间2.5min；然后加入咸水、组分B继续混合，转速350rpm，持续时间3.5min；最后加入组分C和十二烷基硫酸钠产生的泡沫，转速115rpm，持续时间1.5min。

将制得的高性能沙漠砂泡沫混凝土浇筑，试件在5℃环境中密封养护48小时，随后转移至20℃、湿度≥95%的标准养护箱中继续养护至规定龄期。再进行抗压强度、冻融循环质量损失、游离氯离子测试。

性能结果：经过测试，48小时后的抗压强度5.8MPa，28天抗压强度25.3MPa。

经过50次冻融循环后质量损失率为1.2%，28天龄期时的内部游离氯离子含量为0.052 wt%。

实施例2

本实施例在实施例1基础上适度提高了关键功能组分的掺量，具体为：复合激发剂10份，碱激发偏高岭土复合微珠12份，糙化PET聚合物纤维1.5份，其余原料种类与份数同实施例1。

性能结果：48小时后的抗压强度7.1 MPa，28天抗压强度28.5 MPa。经过50次冻融循环后质量损失率为0.8%，相对动弹性模量为95%。28天龄期时的内部游离氯离子含量为0.041 wt%。

对比例1：

配比：本对比例旨在考察复合激发剂的关键作用，其配比中完全不使用组分A，其他组分与实施例1相同。

性能结果：48小时后的抗压强度0.9 MPa，28天抗压强度18.7 MPa。经过50次冻融循环后质量损失率为4.5%，相对动弹性模量为65%。28天龄期时的内部游离氯离子含量为0.048 wt%。

对比例2：

配比：本对比例移除了化学净化与缓冲单元，即不使用组分B（0份），而其他组分与实施例1相同。

制备与养护：制备流程与养护制度与实施例1保持一致。

性能结果：48小时后的抗压强度5.5 MPa，28天抗压强度24.8 MPa。经过50次冻融循环后质量损失率为2.8%，相对动弹性模量为82%。28天龄期时的内部游离氯离子含量为0.108 wt%。

对比例3：

配比：本对比例移除了纤维增强相，即不使用组分C（0份），而其他组分及用量与实施例1相同。

制备与养护：制备流程与养护制度与实施例1保持一致。

性能结果：48小时后的抗压强度5.3MPa，28天抗压强度25.1 MPa。经过50次冻融循环后质量损失率为3.5%，相对动弹性模量为78%。28天龄期时的内部游离氯离子含量为0.054 wt%。

综上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高性能沙漠砂泡沫混凝土，其特征在于，包括如下重量份的组成：

硅酸盐水泥70份、粉煤灰30份、沙漠砂20-100份、咸水25-35份、发泡剂0.2-0.5份、复合激发剂5-12份、碱激发偏高岭土复合微珠5-15份、糙化PET聚合物纤维0.5-2份；

其中，所述复合激发剂的配方为按重量比，煅烧磷石膏：碱渣：纳米二氧化硅：硅灰：5%质量浓度的聚乙烯醇=(40-50)：(30-40)：(10-15)：(5-10)：(10-15)；

所述碱激发偏高岭土复合微珠的配方为按重量比，粉煤灰漂珠：偏高岭土：水玻璃：氢氧化钠：去离子水=100：(20-30)：(15-25):(3-5):(20-30)；

所述糙化PET聚合物纤维为将废弃PET塑料经熔融纺丝制成纤维后、经碱处理引入羧基官能团、再通过水热法在纤维表面生长纳米级草酸钙所得。

2.根据权利要求1所述的高性能沙漠砂泡沫混凝土，其特征在于，

所述发泡剂为十二烷基硫酸钠或α-烯烃磺酸盐。

3.根据权利要求1所述的高性能沙漠砂泡沫混凝土，其特征在于，所述复合激发剂为核壳颗粒，其内核为缓释型硫酸盐晶体，中间层为碱渣细粉，外壳为纳米二氧化硅与硅灰的复合层，且所述核壳颗粒的粒径为30-80μm。

4.根据权利要求3所述的高性能沙漠砂泡沫混凝土，其特征在于，所述复合激发剂由如下方法制备得到：S11、将煅烧磷石膏、碱渣分别粉磨，将纳米二氧化硅与硅灰在干态下混合均匀，备用；S12、将煅烧磷石膏粉末放入流化床造粒机中，并喷入雾化的PVA溶液，造粒形成母核；S13、造粒过程中持续喷入PVA溶液，并投入碱渣细粉，在母核外形成中间层；S14、保持流化状态，喷入稀PVA溶液，并投入纳米二氧化硅和硅灰混合物，在中间层外形成外壳；S15、将造粒完成的湿颗粒干燥、烧结，得到核壳颗粒。

5.根据权利要求4所述的高性能沙漠砂泡沫混凝土，其特征在于，母核颗粒粒径控制为30-50μm，

和/或，所述PVA溶液的浓度为5%质量浓度，

和/或，所述稀PVA溶液的浓度为3%质量浓度，

和/或，干燥温度为80-100℃，烧结温度为600-700℃，烧结时间为0.5-2h。

6.根据权利要求1所述的高性能沙漠砂泡沫混凝土，其特征在于，所述碱激发偏高岭土复合微珠由如下方法制备得到：S21、将氢氧化钠溶于部分去离子水中，待冷却至室温后，缓慢加入水玻璃，搅拌均匀，静置陈化，得复合碱激发剂；S22、将偏高岭土与剩余的去离子水混合，搅拌均匀，加入复合碱激发剂，继续搅拌形成碱激发偏高岭土浆料；S23、将粉煤灰漂珠放入低速搅拌机或包衣锅中，边搅拌边喷入碱激发偏高岭土浆料，得到浆料包裹漂珠；S24、将步骤S23所得的浆料包裹漂珠在室温下密封养护，后干燥除水，得到碱激发偏高岭土复合微珠。

7.根据权利要求6所述的高性能沙漠砂泡沫混凝土，其特征在于，步骤S24中密封养护的条件为15-25℃，湿度＞90%，时间20-28h；干燥温度为60-80℃，干燥时间为6-8h。

8.根据权利要求1所述的高性能沙漠砂泡沫混凝土，其特征在于，糙化PET聚合物纤维制备参数为：熔融纺丝温度为260-280℃，纺丝速度为200-400 m/min，纤维直径为20-50 μm；纺丝后采用5-8%质量浓度的氢氧化钠溶液，在70-80℃下处理纤维1-2 h，以引入羧基官能团；将碱处理后的纤维浸入0.1-0.3 mol/L的草酸钠和氯化钙混合溶液中，在120-150℃下水热反应2-4 h，得到糙化PET聚合物纤维。

9.如权利要求1-8任一项所述的高性能沙漠砂泡沫混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10、将硅酸盐水泥、粉煤灰、沙漠砂、复合激发剂干混，转速150-250rpm，时间2-3min；

S20、往步骤S10干混所得物质中加入咸水、碱激发偏高岭土复合微珠，继续搅拌混合，转速300-400rpm，时间3-4min；

S30、在步骤S20混合所得物质中加入糙化PET聚合物纤维和发泡剂，继续搅拌混合，转速80-150rpm，时间1-2min，得到高性能沙漠砂泡沫混凝土。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，每个步骤间静止30s，所有步骤的总搅拌时间控制在6-9min。