CN103073212A

CN103073212A - 一种用于水泥基材料裂缝自愈合的矿物外加剂及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN103073212A
Application number: CN2013100319794A
Authority: CN
Inventors: 蒋正武; 韩超; 周磊; 杨凯飞; 杨正宏
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2013-01-28
Filing date: 2013-01-28
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2033-01-28
Also published as: CN103073212B

Abstract

本发明涉及一种用于水泥基材料裂缝自愈合的矿物外加剂，包括以下重量百分比的组分：硅基矿物组分20-55%、硅酸盐矿物组分10-30%、膨胀矿物组分30-60%以及结晶矿物组分5-30%，其制备过程为按计量称取组分原料后，将称量好的各组分倒入搅拌机中搅拌3-10分钟至混合均匀即制得所述矿物外加剂；在水泥基材料中添加所述矿物外加剂，当水泥基材料产生裂缝时在一定环境诱导条件下其在水泥基材料裂缝中生成不溶性的沉积物，填充、封闭水泥基材料裂缝，实现水泥基材料裂缝的自愈合。

Description

一种用于水泥基材料裂缝自愈合的矿物外加剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种用于水泥基材料裂缝自愈合的矿物外加剂及其制备方法与应用，属于建筑材料领域。

背景技术

水泥基材料，如砂浆、混凝土等因其脆性大的弱点，在外部荷载或环境作用下混凝土结构在使用过程中往往开裂，产生不同程度的裂缝。诸多研究并提出了许多适用于各类环境条件下混凝土裂缝修复方法，如加固修补、锚固、粘结、浇注以及阴极保护等方法，这些裂缝修复方法对提高混凝土结构的耐久性起到重要作用。然而，这些方法对水环境中混凝土结构裂缝的修复仍存在很大的局限性。传统的修补方法是很不经济的，在许多情况下甚至是无效的。这些方法主要是后期被动的修复方法。与这些传统的修复方法相比，近些年，许多研究提出的一些混凝土裂缝自修复方法，其是指混凝土在使用过程中能对其产生的损伤裂缝进行主动、自动地诊断，并实现裂缝自愈合的新方法，其是提高混凝土材料结构的整体性能、安全可靠性与耐久性的重要途径之一。

目前，已提出许多水泥基材料自修复方法，这些方法对实现水泥基材料裂缝自修复具有重要的实际意义。这些方法包括微胶囊智能修复、玻璃纤维管修复、热塑管的熔化修复、形状记忆合金自修复和复合材料传感器自修复法等。然而这些主动自修复的新方法目前仍无法解决引入的自修复介质与混凝土基体的相容性差、引起基体结构性能下降等难题。因此，研究开发新型的水泥基材料裂缝自修复方法具有重要的实际意义与应用价值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供一种水泥基材料裂缝的矿物自愈合新方法，即在水泥基材料中添加一种特种矿物外加剂，当水泥基材料产生裂缝（小于0.4毫米）时在一定环境诱导条件下其在水泥基材料裂缝中生成不溶性的沉积物，填充、封闭水泥基材料裂缝，实现水泥基材料裂缝的自愈合。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于水泥基材料裂缝自愈合的矿物外加剂，包括以下重量百分比的组分：

硅基矿物组分20-55%；

硅酸盐矿物组分10-30%；

膨胀矿物组分30-60%；

结晶矿物组分5-30%。

优选的，所述一种用于水泥基材料裂缝自愈合的矿物外加剂包括以下重量百分比的组分：

硅基矿物组分30-50%；

硅酸盐矿物组分10-20%；

膨胀矿物组分30-50%；

结晶矿物组分10-20%。

优选的，所述硅基矿物组分中氧化硅含量大于60wt%、氧化铝含量大于10wt%，氧化钙含量大于10wt%。

优选的，所述硅基矿物组分由硅灰和粉煤灰复配而得。

所述硅基矿物组分能促进未水化水泥继续水化及与水化产物Ca(OH)2反应生产凝胶。

优选的，所述硅酸盐矿物组分为层状硅酸盐矿物，并且层间含有可交换的阳离子，具有离子交换能力；优选为钠基膨润土、钙基膨润土或蒙脱土等。

优选的，所述膨胀矿物组分化学成分中氧化硅含量为25-35wt%、氧化铝含量为10-20wt%，氧化钙含量为15-25wt%、三氧化硫含量为25-35wt%；且所述膨胀矿物组分与水泥矿物及水化产物反应生产膨胀性物质。

优选的，所述膨胀矿物组份可为由硅铝酸盐、氧化铝和硫酸钙复配而得；所述硅铝酸盐为硅铝酸钙。

进一步优选的，所述膨胀矿物组分选自UEA-H膨胀剂。

优选的，所述结晶矿物组分中含有可溶性碳酸盐和络合阴离子组分；有助于促进浆体体系产生沉淀结晶。

优选的，所述结晶矿物组分选自碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂、柠檬酸、酒石酸等。

进一步优选的，所述结晶矿物组分选自碳酸钠和酒石酸。

本发明进一步公开了所述用于水泥基材料裂缝自愈合的矿物外加剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）按计量称取各组分原料；

（2）将称量好的各组分倒入搅拌机中搅拌3-10分钟至混合均匀即制得所述矿物外加剂。

本发明所述的水泥基材料裂缝自愈合的矿物外加剂在应用到水泥基材料裂缝自愈合时，按常规掺量掺入地下结构混凝土、水工混凝土或海工混凝土中即可。一般而言，本发明所述的水泥基材料裂缝自愈合的矿物外加剂在水泥基材料中的掺加量为水泥基材料中胶凝材料的8-12wt%。

矿物自愈合法主要愈合机理是充分利用目前水泥基材料中未水化或者部分水化的水泥含量较高的特点，从环境中渗入裂缝的水可促使特种矿物材料及水泥再次发生水化反应，

产生水化物或结晶产物填充、密实混凝土裂缝。当水泥基材料产生裂缝后，硅基矿物组分通过与水泥水化产生的Ca(OH)₂作用形成水化硅酸钙、水化铝酸钙凝胶，这些产物在愈合物中起到骨架和支撑的效果；硅酸盐矿物组分遇水反应，生成钙矾石和氢氧化钙等膨胀的物质，来填充裂缝；另外膨胀矿物组分一方面通过吸胀作用，体积高倍膨胀，使裂缝宽度减小，另一方面通过离子交换，更有利于不溶矿物的结晶沉淀；而结晶矿物组分促进再结晶和颗粒沉淀，可以加速沉淀物的形成速率，同时使生成的愈合产物更加稳定。

本发明所述的水泥基材料裂缝自愈合的矿物外加剂可以广泛应用于水工、海工混凝土结构、地下混凝土结构中。水泥基材料裂缝自愈合的矿物外加剂能使水环境中开裂的混凝土产生自愈合，不仅成本较低，而且效果显著，解决了传统修复方法代价大、效果差的问题，提高了水泥基材料的耐久性。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的技术方案。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

以下实施例的水泥基材料裂缝自愈合的矿物外加剂，由硅基矿物组分、硅酸盐矿物组分、膨胀矿物组分和结晶矿物组分组成，通过在搅拌机中搅拌3-10分钟混合均匀制得；根据所需要愈合的裂缝宽度的不同，通过调整各原料组分的配比，可获得不同组分及效果的矿物外加剂。

将表1中各行列出的组分掺到一起制备配比为Ⅰ-Ⅲ的水泥组合物（水泥和矿物外加剂，水泥为P.O.52.5水泥），再将质量占水泥组合物的43%的水和质量占水泥组合物的200%的天然砂分别加入上述配比Ⅰ-Ⅲ的水泥组合物中搅拌，在70mm×70mm×70mm的模具中成型，24小时后脱模，然后置于标准养护箱中养护，60天后通过劈裂抗拉试验使每个配比的不同试块分别形成0.1-0.2mm和0.3-0.4mm的裂缝，并按表2进行编号，将开裂的试样（编号为1-6组，每组三个试块）在水中养护至各龄期（0、3、7、14、28、60天）。

在各龄期（0、3、7、14、28、60天）对砂浆裂缝进行渗水性能的测试：试样两侧用硅胶进行密封，提供160mm±5mm的水压压头，从上表面进行渗水，测量5min内下表面的渗水量，取三个试块测试结果的平均值，测试结果见表3。

表1水泥组合物的配比

表2不同配比的试块预制不同裂缝宽度时的编号情况

表3不同龄期（天）开裂砂浆试块5min的渗水量/g

如表3，配比为Ⅰ、编号1-2的试样与掺加本发明的矿物外加剂、配比为Ⅱ、Ⅲ、编号为3-6的对比，含有本发明矿物外加剂的试样的裂缝在60天时5分钟渗水量都为0，产生完全自愈合，然而，对比的例子在60天时仍未出现完全自愈合。由此可见矿物外加剂赋予砂浆优良的自愈合能力。另外，对比配比Ⅱ、Ⅲ，配比Ⅱ愈合较小的裂缝效果显著；而配比Ⅲ愈合较大的裂缝效果显著。

其他矿物添加剂配比及在水泥基材料中不同掺量实施例如表4、5所示；对应的编号如表6所示；其测试结果如表7所示：

表4水泥组合物的配比

表5水泥组合物的配比

表6不同配比的试块预制不同裂缝宽度时的编号情况

表7不同龄期（天）开裂砂浆试块5min的渗水量/g

与前述相同测试条件下进行测量，结果表明掺有本发明矿物添加剂的试样均表现出了良好的自愈合能力。