一种纳米改性高耐久性混凝土材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种纳米改性高耐久性混凝土材料及其制备方法，属于建筑工程材料技术领域。本发明的混凝土材料包括高致密混凝土保护层A、普通混凝土层B和普通混凝土凿毛处理层C；所述高致密混凝土保护层A位于普通混凝土层B的上方；所述普通混凝土凿毛处理层C位于高致密混凝土保护层A和普通混凝土层B之间。本发明在传统的普通混凝土的基础上，对混凝土进行分层设计，实现材料体系在性能上的均匀过度，进而构成耐久能力增强的混凝土结构，从而实现结构功能一体化。该保护层结构的设计既可以抵抗外界环境有害物质的侵蚀，还可以减少由于制备高性能均一化结构材料而带来的材料性能和成本上的巨大浪费。
【专利说明】
一种纳米改性高耐久性混凝土材料及其制备方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种建筑材料，尤其涉及一种耐久性极好的纳米改性混凝土材料及其 制备方法。
【背景技术】
[0002] 水泥材料是目前用途最广、用量最大的胶凝材料，在基础设施建设中发挥着无可 替代的作用，我国水泥产量较大，近10年来，我国水泥产量约占世界水泥总产量的60%。随着 国家基础设施近投入增大，与水泥、混凝土的需求越来越高，尤其重点工程对耐久性长寿命 的需求日益增大。与此同时，由于环境的影响，每年因水泥基材料性能劣化导致了巨大的经 济损失与资源浪费，并且耐久性问题对结构的安全性造成隐患，故提高水泥基材料的耐久 性具有重要意义。
[0003] 水泥基材料的耐久性受到物理作用（冻融循环、干湿交替和温度变化等)和化学作 用(环境介质腐蚀、碳化、碱骨料反应、钢筋锈蚀等）的综合影响，其本质上是由于水泥基材 料的结构均匀性差和密实度低。因此，要对水泥基材料的结构密实处理，从而改善水泥基材 料的耐久性。
[0004] 研究低渗透性的改性混凝土，采用纳米材料进行改性是一个有效可行的办法，近 年来，纳米改性混凝土得到了广泛的应用，并取得了良好的效果。例如黄功学，谢小鹏在文 献《纳米Si0 2对水工混凝土耐久性影响试验研究》中介绍了纳米改性混凝土的制备过程，并 发现在水工混凝土中加入适量纳米二氧化硅可以改善混凝土微孔结构，封堵混凝土中的孔 隙，提高混凝土的密实程度，增强混凝土的抗渗、抗冻、抗化学侵蚀能力，从而提高水工混凝 土的耐久性 。Saloma在文南犬〈〈Improvement of Concrete Durability by Nanomaterials)) 中详细介绍了纳米二氧化硅改性水泥基材料的制备工艺，并发现在水泥基材料中掺入纳米 二氧化硅将有效提高水泥基材料的抗冻融性能。在上述的低渗透性混凝土制备工艺中虽然 纳米改性水泥基材料会提升材料耐久性，但是却因为整体采用纳米材料导致成品的成本过 高，难以实现工程应用。
[0005] -般而言，水泥基材料性能受环境中有害气体、液体介质损害的影响是由表及里 的过程，与环境接触的部分劣化快，内部结构变化缓慢，从而导致结构性能变化呈明显的梯 度分布特征。因此，提高水泥基材料表层的性能，特别是提高表层水泥基材料的致密程度， 对提高结构整体抗环境影响能力具有显著作用。
[0006] 近年来，混凝土保护层的应用已越来越受到广大研究者的重视，为了提高水泥基 材料的表层性能，常采用在其表面涂覆有机、无机防护材料，而有机防护层的耐候性差，保 护层易脱落;无机防护层对环境有较高的依赖性，其中所含的碱金属离子可增加材料性能 劣化的风险。例如王信刚、马保国、陈礼和在《梯度结构混凝土的离子传输性能与微观结构》 中设计了 2种高抗渗保护层材料LPC与MIF，并进行实验研究。实验结果表明采用保护层结构 的HPC耐久性能提升，但是提升效果不明显，并且没有研究表明MIF与LPC与普通混凝土具有 较好的协同工作性能。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种纳米改性高耐久性混凝土材料。 该混凝土材料在传统普通混凝土的基础上，采用梯度结构使结构不同的部位材料具备不同 主要功能，从而实现结构功能一体化。该梯度结构的设计既可以抵抗外界环境有害物质的 侵蚀，还可以减少由于制备高性能均一化结构材料而带来的材料性能和成本上的巨大浪 费。
[0008] 本发明还提供了上述混凝土材料的制备方法。
[0009] 本发明采用以下技术方案： 一种纳米改性高耐久性混凝土材料，其特征在于，它包括高致密混凝土保护层A、普通 混凝土层B和普通混凝土凿毛处理层C;所述高致密混凝土保护层A位于普通混凝土层B的上 方;所述普通混凝土凿毛处理层C位于高致密混凝土保护层A和普通混凝土层B之间；所述普 通混凝土B层为C40混凝土材料制成，其材料配比为：水8.3%、水泥20.4%、砂24.3%、石子 47.0%； 所述高致密混凝土保护层A是由以下重量百分比的原料制成:水泥20.63~20.75%、粉煤 灰5 · 25~5 · 28%、矿渣7 · 51~7 · 55%、硅灰4 · 13~4 · 15%、纳米二氧化硅0 · 38%~0 · 75%、砂子52 · 53% ~52 · 83%、减水剂 0 · 75%~0 · 94%、水8 · 26~8 · 31%。
[0010] 优选的，所述高致密的混凝土保护层A的厚度为5mm-15mm〇
[0011 ] 优选的，所述纳米二氧化娃为阿拉丁亲水型气象纳米Si〇2，粒径为7-40nm，平均粒 径25nm〇
[0012] 一种上述的纳米改性高耐久性混凝土材料的制备方法，它包括以下步骤： (1) 将水、水泥、砂、石子按照重量配比混合制成普通混凝土浆料备用； (2) 将水泥、粉煤灰、矿渣、硅灰、纳米二氧化硅、砂子按照配比添加到搅拌机搅拌桶内 干拌3min，使各基体材料分散均勾，再将溶有减水剂的一半水混合加入搅拌桶内搅拌4min， 将另一半水混合加入搅拌4min，形成均匀流动性较好的高致密混凝土保护层浇筑浆体料备 用； (3) 将混凝土浆料浇筑于模板中，利用震动棒振动成型，预留出5-15mm以便于高致密混 凝土保护层的浇筑； (4) 将振动成型的普通混凝土养护至3d龄期，用斩斧在已经完成的普通混凝土结构面 凿出数条凹痕，形成普通混凝土凿毛处理层C; (5) 在步骤(4)处理后得到的凿毛处理层上方将步骤(3)制备的高致密混凝土保护层的 浆料浇筑至模具中至充满整个模具； (6) 将上述模具中混凝土结构按照常规养护方法进行养护后即得成品。
[0013] 所述步骤(4)中普通混凝土凿毛处理层C上凹痕四周间距为10~15cm，凹痕尺寸要 求为：水平尺寸4cm，深度3cm 〇
[0014] 近几年来住宅产业化已经逐渐成为建筑产业的发展要点，实施住宅产业化不仅是 转变建筑业发展方式，促进产业结构调整，提升产业科技含量的需要，而且有利于实现文明 施工，保证工程质量，各级建设行业主管部门已出台一系列的经济政策和技术政策，为实现 住宅产业化的健康发展奠定了良好基础。目前，住房和城乡建设部正在研究制定推进建筑 产业现代化发展纲要和十三五的住宅产业发展规划以及以城市为载体的国家住宅产业化 试点城市和基地企业的管理办法等相关文件。整体装配式建筑与构件的研究将大大提升住 宅产业化的步伐，本发明可应用于预制构件耐久性提升，有利于住宅产业化的实施与发展。
[0015] 本发明由两种水泥基材料分层组合而成，其结构要点：用高致密纳米改性水泥基 材料作为外保护层取代普通混凝土，内部结构层仍为普通混凝土，并采用特殊的界面处理 措施，实现材料体系在性能上的均勾过渡，保护层的厚度为5mm -15mm。
[0016] 本发明的有益效果是:在传统的普通混凝土的基础上，对混凝土进行分层设计，用 高致密的纳米改性混凝土代替部分外部C40混凝土，主要结构层仍为普通C40混凝土，采用 凿毛处理技术，实现材料体系在性能上的均匀过度，进而构成耐久能力增强的混凝土结构， 从而实现结构功能一体化。该保护层结构的设计既可以抵抗外界环境有害物质的侵蚀，尤 其是其抗氯离子渗透性能，还可以减少由于制备高性能均一化结构材料而带来的材料性能 和成本上的巨大浪费。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明混凝土材料结构示意图。
[0018] 图2是本发明实施例高致密混凝土保护层A的干燥收缩率与自生收缩率随时间变 化图。
[0019] 图1中，A为高致密纳米改性混凝土保护层，B为普通C40混凝土层，C为普通混凝土 凿毛处理层。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0021] 实施例1 一种纳米改性高耐久性混凝土材料，它包括高致密混凝土保护层A、普通混凝土层B和 普通混凝土凿毛处理层C;所述高致密混凝土保护层A位于普通混凝土层B的上方;所述普通 混凝土凿毛处理层C位于高致密混凝土保护层A和普通混凝土层B之间； 上述高致密混凝土保护层A原料各个组分的重量比为水泥20.75%、粉煤灰5.28%、矿渣 7.55%、硅灰4.15%、纳米二氧化硅0.38%、砂子52.83%、减水剂0.75%、水8.31%。
[0022] 上述普通混凝土层B为C40混凝土材料制成，其材料配比为:水8.3%、水泥20.4%、砂 24.3%、石子 47.0%; 上述纳米改性高耐久性混凝土材料具体的制备方法如下： (1) 将水、水泥、砂、石子按照重量配比混合制成普通混凝土浆料备用； (2) 将水泥、粉煤灰、矿渣、硅灰、纳米二氧化硅、砂子按照配比添加到搅拌机搅拌桶内 干拌3min，使各基体材料分散均勾，再将溶有减水剂的一半水混合加入搅拌桶内搅拌4min， 将另一半水混合加入搅拌4min，形成均匀流动性较好的高致密混凝土保护层浇筑浆体料备 用； (3) 将混凝土浆料浇筑于模板中，利用震动棒振动成型，预留出10mm以便于高致密混凝 土保护层的饶筑； (4) 将振动成型的普通混凝土养护至3d龄期，用斩斧在已经完成的普通混凝土结构面 凿出数条凹痕，形成普通混凝土凿毛处理层c; (5) 在步骤(4)处理后得到的凿毛处理层上方将步骤(3)制备的高致密混凝土保护层的 浆料浇筑至模具中至充满整个模具； (6) 将上述模具中混凝土结构按照常规养护方法进行养护后即得成品。
[0023] 实施例2 一种纳米改性高耐久性混凝土材料，它包括高致密混凝土保护层A、普通混凝土层B和 普通混凝土凿毛处理层C;所述高致密混凝土保护层A位于普通混凝土层B的上方;所述普通 混凝土凿毛处理层C位于高致密混凝土保护层A和普通混凝土层B之间； 上述高致密混凝土保护层A原料各个组分的重量比为水泥20.63%、粉煤灰5.25%、矿渣 7 · 51%、硅灰4 · 13%、纳米二氧化硅0 · 75%、砂子52 · 53%、减水剂0 · 94%、水8 · 26%。
[0024]上述纳米改性高耐久性混凝土材料具体的制备方法如下： (1) 将水、水泥、砂、石子按照重量配比混合制成普通混凝土浆料备用； (2) 将水泥、粉煤灰、矿渣、硅灰、纳米二氧化硅、砂子按照配比添加到搅拌机搅拌桶内 干拌3min，使各基体材料分散均勾，再将溶有减水剂的一半水混合加入搅拌桶内搅拌4min， 将另一半水混合加入搅拌4min，形成均匀流动性较好的高致密混凝土保护层浇筑浆体料备 用； (3) 将混凝土浆料浇筑于模板中，利用震动棒振动成型，预留出10mm以便于高致密混凝 土保护层的饶筑； (4) 将振动成型的普通混凝土养护至3d龄期，用斩斧在已经完成的普通混凝土结构面 凿出数条凹痕，形成普通混凝土凿毛处理层C; (5) 在步骤(4)处理后得到的凿毛处理层上方将步骤(3)制备的高致密混凝土保护层的 浆料浇筑至模具中至充满整个模具； (6) 将上述模具中混凝土结构按照常规养护方法进行养护后即得成品。
[0025] 测试例 将本发明实施例1和实施例2混凝土材料中的高致密混凝土保护层的性能进行测试，其 中F1为实施例1中的保护层材料配比，F2为实施例2中的保护层材料配比。具体结果见表1、 表2和图2。其中表1是高致密混凝土保护层的抗压抗折强度测试数据，表2是高致密混凝土 保护层砂浆与普通混凝土的粘结抗折强度与流动度测试数据。
[0026] 表1高致密混凝土保护层材料的抗压抗折强度与流动度测试数据
从表1中数据可以看出在纳米二氧化硅掺量越高，试件的抗压抗折强度提升越多，F2的 28天抗压强度达到68.58MPa，强度的提升反应了混凝土内部密实度的提升，表明纳米二氧 化硅的掺入增加了材料的密实度。F1的流动度为233.0mm，F2流动度为203.4mm，工作性能良 好。
[0027] 表2高致密砂浆与普通混凝土抗折粘结强度实验结果
表2是本发明实施例1和2所制备的混凝土结构养护28天后的产品，美国德州要求修补 材料的粘结抗折强度2 3MPa。我国的《混凝土裂缝用环氧树脂灌浆材料》规范要求干粘结强 度2 3.0MPa。实验表明高致密混凝土与C40混凝土的粘结抗折强度大于3MPa，达到使用要 求。
[0028] 从图2数据中可以看到，随着纳米材料的掺量增多，自生收缩与干燥收缩加剧，28 天干缩率达到0.62%X 10-3，自生收缩率为0.2 % X 10-3，一般情况下，C40普通混凝土的28天 干燥收缩率在0.3 X 10-3%~0.4%Χ 10-3，保护层的收缩率与普通混凝土的收缩率在同一数量 级，可能是因为粉煤灰的掺入抑制了砂浆的收缩。这说明保护层与普通混凝土有良好的协 同工作性能。
[0029] 本发明还对实施例1和实施例2所制的纳米改性高耐久性混凝土材料的氯离子抗 渗透性能进行测试，结果如表3所示。其中C40为单层结构普通混凝土，F1、F2分别对应实施 例1、2中的混凝土保护层材料，以及10mmFl+40mmC40，10mmF2+40mmC40分别为实施例1和2所 制备的混凝土结构养护56d龄期后的产品。
[0030]表3氯离子传输性能试验结果
从表3中的数据可以看出，单层结构(C40，F1，F2)的Cr扩散系数Drcm和6h导电量Q 依次下降。与C40普通混凝土的Drcm相比，F1、F2的Drcm下降了 1个数量级，与C40的Q相 比，F1和F2的Q下降了 2个数量级。与单层高致密结构相比，带有保护层结构的10mmFl+ 40mmC40，10mmF2+40mmC40组Cl-扩散系数Drcm和6 h导电量Q稍有提高。与普通C40混凝 土的Drcm相比，带有保护层结构的10mmFl+40mmC40,10mmF2+40mmC40组Drcm下降了 1个数量 级，Q下降了2个数量级。根据ASTM C1556_04(Standard Test Method for Determining the Apparent Chloride Diffusion Coefficient of Cementitious Mixtures by Bulk Diffusion, 2004)单层结构(C40，F1，F2)的Cl-渗透性能分别为"高"、"极低"和"极低"，带 有保护层结构试件的C1-渗透性能均为"极低"。根据ASTM C1202-05(Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete's Ability to Resist Chloride Ion Penetration, 2005)，单层结构(FI，F2)以及保护层结构的的Cr渗透性能均为"非常低"。 这说明本发明所制备的高耐久性混凝土材料具有良好的耐久性，实现了材料体系在性能上 的均匀过度，进而构成耐久能力增强的混凝土结构，从而实现结构功能一体化。因而，本发 明制备的混凝土材料既可以抵抗外界环境有害物质的侵蚀，还可以减少由于制备高性能均 一化结构材料而带来的材料性能和成本上的巨大浪费。
【主权项】
1. 一种纳米改性高耐久性混凝土材料，其特征在于，它包括高致密混凝土保护层A、普 通混凝土层B和普通混凝土凿毛处理层C;所述高致密混凝土保护层A位于普通混凝土层B的 上方;所述普通混凝土凿毛处理层C位于高致密混凝土保护层A和普通混凝土层B之间；所述 普通混凝土B层为C40混凝土材料制成，其材料配比为：水8.3%、水泥20.4%、砂24.3%、石子 47.0%； 所述高致密混凝土保护层A是由以下重量百分比的原料制成:水泥20.63~20.75%、粉煤 灰5 · 25~5 · 28%、矿渣7 · 51~7 · 55%、硅灰4 · 13~4 · 15%、纳米二氧化硅0 · 38%~0 · 75%、砂子52 · 53% ~52 · 83%、减水剂 0 · 75%~0 · 94%、水8 · 26~8 · 31%。2. 根据权利要求1所述的混凝土材料，其特征在于，所述高致密的混凝土保护层A的厚 度为 5mm-15mm〇3. 根据权利要求1所述的混凝土材料，其特征在于，所述纳米二氧化硅为阿拉丁亲水型 气象纳米Si〇2,粒径为7_40nm，平均粒径25nm。4. 一种权利要求1所述的纳米改性高耐久性混凝土材料的制备方法，其特征在于，它包 括以下步骤： (1) 将水、水泥、砂、石子按照重量配比混合制成普通混凝土浆料备用； (2) 将水泥、粉煤灰、矿渣、硅灰、纳米二氧化硅、砂子按照配比添加到搅拌机搅拌桶内 干拌3min，使各基体材料分散均勾，再将溶有减水剂的一半水混合加入搅拌桶内搅拌4min， 将另一半水混合加入搅拌4min，形成均匀流动性较好的高致密混凝土保护层浇筑浆体料备 用； (3) 将混凝土浆料浇筑于模板中，利用震动棒振动成型，预留出5-15mm以便于高致密混 凝土保护层的浇筑； (4) 将振动成型的普通混凝土养护至3d龄期，用斩斧在已经完成的普通混凝土结构面 凿出数条凹痕，形成普通混凝土凿毛处理层C; (5) 在步骤(4)处理后得到的凿毛处理层上方将步骤(3)制备的高致密混凝土保护层的 浆料浇筑至模具中至充满整个模具； (6) 将上述模具中混凝土结构按照常规养护方法进行养护后即得成品。5. 根据权利要求4所述的纳米改性高耐久性混凝土材料的制备方法，其特征在于，所述 步骤(4)中普通混凝土凿毛处理层C上凹痕四周间距为10~15cm，凹痕尺寸要求为:水平尺寸 4cm，深度 3cm。
【文档编号】C04B28/00GK105863147SQ201610200387
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】张秀芝, 侯鹏坤, 张蕊, 周宗辉, 程新, 其他发明人请求不公开姓名
【申请人】济南大学