一种纳米二氧化钛增强活性粉末混凝土及其制备方法与流程

本发明涉及建筑材料技术领域，特别涉及一种纳米二氧化钛增强活性粉末混凝土及其制备方法。

背景技术：

水泥混凝土作为目前用量最大的建筑材料之一，从1824年发明至今，为人类的进步及经济的发展做出了巨大贡献。改革开放以来，水泥产量的高速增长，有力地支撑了我国经济的快速发展，但是，水泥工业生产中存在的生产资源消耗大，能源消耗大及环境污染严重等问题，成为了制约我国水泥工业发展的不利因素，如何更多地节约水泥熟料，减少环境污染，更多地使制成的混凝土发挥高性能的优势，使人们更多的将关注点转向发展高性能混凝土。活性粉末混凝土是一种新型建筑材料,它具有高强度，在承载力相同的条件下，可以减少水泥的用量，进而减少水泥生成中的生产资源消耗，能源消耗及环境污染，近年来在工程中得到了广泛的重视。

但在实际的应用中，一些因素会制约活性粉末混凝土的推广。一方面由于活性粉末混凝土通常需要使用热水养护或蒸压养护，使得在施工中需要采用特殊的养护设备，增加了工程成本，另一方面，活性粉末混凝土通常和钢纤维共同使用，而钢纤维虽然可以增强活性粉末混凝土的力学性能，但是其在恶劣的环境下易于腐蚀，也在一定程度上影响了活性粉末混凝土的耐久性。

技术实现要素：

根据上述提出的技术问题，而提供一种纳米二氧化钛增强活性粉末混凝土及其制备方法。

本发明采用的技术手段如下：

一种纳米二氧化钛增强活性粉末混凝土，含有水泥、纳米二氧化钛、硅灰、粉煤灰、砂、减水剂和水。

含有以下重量份的物质：

水泥1份、

纳米二氧化钛0.002-0.1份、

硅灰0.2-0.4份、

粉煤灰0.1-0.2份、

砂1-2份、

减水剂0.003-0.01份、

水0.3-0.38份。

所述纳米二氧化钛的晶型为金红石型、锐钛型或金红石型和锐钛型混晶型，金红石型的所述纳米二氧化钛的粒径范围为10-1500nm、锐钛型的所述纳米二氧化钛的粒径范围为10-500nm、金红石型和锐钛型混晶型的所述纳米二氧化钛的粒径范围为10-500nm。

所述纳米二氧化钛中二氧化钛的含量大于99％。

所述硅灰的粒径为100-200nm。

所述粉煤灰的粒径为0.12-0.83mm。

所述砂包括石英砂Ⅰ、石英砂Ⅱ和石英砂Ⅲ，所述石英砂Ⅰ的粒径范围为0.125-0.18mm、所述石英砂Ⅱ的粒径范围为0.18-0.425mm、所述石英砂Ⅲ的粒径范围为0.425-0.85mm，所述石英砂Ⅰ、所述石英砂Ⅱ和所述石英砂Ⅲ之间的质量比为1:1:1。

所述减水剂为聚羧酸减水剂。

所述水泥优选为普通硅酸盐水泥。

本发明还公开了一种制备所述的一种纳米二氧化钛增强活性粉末混凝土的方法，具有如下步骤：

S1、称取所述重量份的物质，将水、减水剂、纳米二氧化钛倒入搅拌锅，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌20s，然后将硅灰倒入搅拌锅中，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌60s，之后再将水泥和粉煤灰依次加入到搅拌锅中，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌2min后，再将搅拌转速换为285±10r/min，搅拌2min，最后将砂倒入搅拌锅中，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌1min后，再将搅拌转速换为285±10r/min，搅拌4min；

S2、把步骤S1中得到的拌合物浇注到模具中，再将模具置于振动台上，振动至表面有气泡冒出；

S3、将模具放入养护箱中，在温度为20±1℃，湿度大于95％的条件下养护24小时后拆模，得所述的纳米二氧化钛增强活性粉末混凝土试件。

为了检测所述的一种纳米二氧化钛增强活性粉末混凝土的性能，可在步骤S3之前，根据模具内拌合物的尺寸，插入用于连接外部电路的两个电极，再次振动，确保电极和拌合物接触良好。所述电极为导电的网状电极片，其材质优选为不锈钢。

本发明结合纳米二氧化钛和活性粉末混凝土两者的优点，利用纳米二氧化钛及活性粉末混凝土的自身增强机理以及相互协同的促进增强作用，最终制备了使用常规养护方法、高强度、高韧性、高耐久性，并且兼具电学特性的纳米二氧化钛增强活性粉末混凝土。

1、纳米二氧化钛，具有高的比表面积和反应活性，其可以通过填充效应和晶核效应等来促进水化反应，增加水化产物，减少氢氧化钙晶体尺寸大小和改变氢氧化钙晶体的取向性(比较图1、图2及图3可知)，使活性粉末混凝土基体更加密实，从而提高活性粉末混凝土基体的强度。

2、纳米二氧化钛可以显著提高活性粉末混凝土的抗折强度和抗压强度，在金红石型、锐钛型、金红石型和锐钛型混晶型纳米二氧化钛中，金红石型纳米二氧化钛对活性粉末混凝土的增强效果最好，在早期抗折强度、后期抗折强度、早期抗压强度、后期抗压强度方面提高效果都很显著。锐钛型纳米二氧化钛对活性粉末混凝土早期抗折强度和后期抗压强度提高较大，其中早期抗折强度提高幅度可达到65.29％，后期抗压强度提高幅度可达到24.91％。混晶型纳米二氧化钛对活性粉末混凝土早期抗折强度和抗压强度提高较大，其中早期抗折强度提高幅度可达到58.54％，早期抗压强度提高幅度可达到18.53％。

3、纳米二氧化钛本身为半导体，有一定的导电性，由于其同时具有小尺寸效应，能够在活性粉末混凝土内部形成导电网络，提高导电性，从而使活性粉末混凝土电阻率减小，赋予其电学特性。

4、活性粉末混凝土内部结构致密、缺陷少、重量轻，不仅使纳米材料更好的发挥效果，使导电网络更为完整稳定，而且可以减少结构的自重，符合结构材料今后的发展方向。

5、本发明纳米二氧化钛增强活性粉末混凝土电阻率会随着掺量的增加而先减少后增加，但电阻率始终小于空白活性粉末混凝土的电阻率。

基于上述理由本发明可在建筑材料技术领域广泛推广。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为试件1中氢氧化钙的微观扫描电镜照片；

图2为试件2中氢氧化钙的微观扫描电镜照片；

图3为试件4中氢氧化钙的微观扫描电镜照片；

图4为试件尺寸及电极布置示意图；

图5为3天、28天龄期试件抗折强度随纳米二氧化钛掺量变化的曲线；

图6为3天、28天和60天龄期试件抗压强度随纳米二氧化钛掺量变化的曲线；

图7为纳米二氧化钛增强活性粉末混凝土电阻率随纳米二氧化钛掺量变化的曲线。

具体实施方式

一种纳米二氧化钛增强活性粉末混凝土，含有水泥、纳米二氧化钛、硅灰、粉煤灰、砂、减水剂和水。

含有以下重量份的物质：

水泥1份、

纳米二氧化钛0.002-0.1份、

硅灰0.2-0.4份、

粉煤灰0.1-0.2份、

砂1-2份、

减水剂0.003-0.01份、

水0.3-0.38份。

所述纳米二氧化钛的晶型为金红石型、锐钛型或金红石型和锐钛型混晶型，金红石型的所述纳米二氧化钛的粒径范围为10-1500nm、锐钛型的所述纳米二氧化钛的粒径范围为10-500nm、金红石型和锐钛型混晶型的所述纳米二氧化钛的粒径范围为10-500nm。

所述纳米二氧化钛中二氧化钛的含量大于99％。

所述硅灰的粒径为100-200nm。

所述粉煤灰的粒径为0.12-0.83mm。

所述砂包括石英砂Ⅰ、石英砂Ⅱ和石英砂Ⅲ，所述石英砂Ⅰ的粒径范围为0.125-0.18mm、所述石英砂Ⅱ的粒径范围为0.18-0.425mm、所述石英砂Ⅲ的粒径范围为0.425-0.85mm，所述石英砂Ⅰ、所述石英砂Ⅱ和所述石英砂Ⅲ之间的质量比为1:1:1。

所述减水剂为聚羧酸减水剂。

一种制备所述的一种纳米二氧化钛增强活性粉末混凝土的方法，具有如下步骤：

S1、称取所述重量份的物质，将水、减水剂、纳米二氧化钛倒入搅拌锅，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌20s，然后将硅灰倒入搅拌锅中，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌60s，之后再将水泥和粉煤灰依次加入到搅拌锅中，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌2min后，再将搅拌转速换为285±10r/min，搅拌2min，最后将砂倒入搅拌锅中，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌1min后，再将搅拌转速换为285±10r/min，搅拌4min；

S2、把步骤S1中得到的拌合物浇注到模具中，再将模具置于振动台上，振动至表面有气泡冒出；

S3、将模具放入养护箱中，在温度为20±1℃，湿度大于95％的条件下养护24小时后拆模，得所述的纳米二氧化钛增强活性粉末混凝土试件。

实施例

一种纳米二氧化钛增强活性粉末混凝土

表1原材料重量比配比

注：纳米二氧化钛掺量计算采用内掺法。

S1、称取表1所述物质，将水、减水剂、纳米二氧化钛(试件1不加)倒入搅拌锅，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌20s，然后将硅灰倒入搅拌锅中，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌60s，之后再将水泥和粉煤灰依次加入到搅拌锅中，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌2min后，再将搅拌转速换为285±10r/min，搅拌2min，最后将砂倒入搅拌锅中，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌1min后，再将搅拌转速换为285±10r/min，搅拌4min；

S2、把步骤S1中得到的拌合物浇注到模具1(40mm×40mm×160mm)中，再将模具1置于振动台上，振动至表面有气泡冒出；

S3、根据模具1内拌合物的尺寸，插入用于连接外部电路的两个电极2，再次振动，确保电极2和拌合物接触良好即可。之后，将模具1放入养护箱中，在温度为20±1℃，湿度大于95％的条件下养护24小时后拆模，得试件1、2、3、4。

所述电极2为导电的网状电极片，其材质优选为不锈钢。所述两个电极2与模具1端部平行设置，分别距离模具1端部10mm，如图4所述。

拆模后养护：拆模以后将试件立即放入到20±1℃的水中养护至所需的不同龄期，其中60天龄期的试件在标准养护室养护至28天，然后，从水中取出静放到60天进行试验。

抗折强度：用胶砂抗折仪进行抗折强度测试。

抗压强度：用万能试验机对试件的抗压强度进行测量，位移控制方式，加载速率为1.2mm/min。

电阻：用万用表进行测试，测试方法为，交流，两电极。

电阻率通过公式ρ＝RS/l计算得到。

由图5、图6可知，掺1％纳米二氧化钛增强活性粉末混凝土比纳米二氧化钛水泥基复合材料3天和28天抗折强度分别提高29.51％和44.95％。掺3％纳米二氧化钛增强活性粉末混凝土比纳米二氧化钛水泥基复合材料3天和28天抗折强度分别提高48.05％和49.05％。掺5％纳米二氧化钛增强活性粉末混凝土比纳米二氧化钛水泥基复合材料3天和28天抗折强度分别提高72.68％和85.38％。在抗压强度方面，28天龄期的掺1％、3％和5％纳米二氧化钛增强活性粉末混凝土分别比相同龄期的纳米二氧化钛水泥基复合材料抗压强度提高56.04％、63.76％和80.47％。另外，掺1％纳米二氧化钛增强活性粉末混凝土比空白活性粉末混凝土的3天和28天抗折强度分别提高14.45％和40.05％，而3天、28天和60天抗压强度分别提高10.91％、9.3％和25.56％。掺3％纳米二氧化钛增强活性粉末混凝土比空白活性粉末混凝土3天和28天抗折强度分别提高了42.21％和53.71％，而3天、28天和60天抗压强度分别提高了6.36％、9.59％和30.79％。掺5％纳米二氧化钛增强活性粉末混凝土比空白活性粉末混凝土3天和28天抗折强度分别提高了29.27％和53.52％，而3天、28天和60天抗压强度分别提高了6.64％、8.77％和27.82％。从以上实验数据可知，纳米二氧化钛可以显著提高活性粉末混凝土的抗折强度和抗压强度，其中抗折强度提高幅度高达53.71％，抗压强度提高幅度高达30.79％。此外，活性粉末混凝土内部结构致密、缺陷少，可以使纳米材料更好的发挥效果。与纳米二氧化钛水泥基复合材料相比，其抗折强度提高率高达85.38％，抗压强度提高率高达80.47％。

由图7可知，纳米二氧化钛的掺加可以提高活性粉末混凝土的导电性。其中掺加1％的纳米二氧化钛可以使活性粉末混凝土的28天电阻率降低37.25％。掺加3％的纳米二氧化钛可以使活性粉末混凝土的28天电阻率降低27.46％。掺加5％的纳米二氧化钛可以使活性粉末混凝土的28天电阻率降低22.29％。这说明纳米二氧化钛可以赋予活性粉末混凝土电学特性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。