CN109574527A - 一种功能性水泥自修复人造骨料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功能性水泥自修复人造骨料及其制备方法。该方法包括步骤：（1）将自修复活性组分混合均匀，再填入压片模具中；（2）用压片机对压片模具加压、保压，脱模得到骨料坯体；（3）将得到的骨料坯体投入PMMA丙酮溶液中进行包覆，取出干燥，重复若干次。得到尺寸为6±1mm的自修复人造骨料。本发明方法生产成本低，工艺简单，将活性粉体压制成骨料，具有较高强度，一方面能抵抗搅拌外力，另一方面对混凝土基体强度的负面作用较小；活性骨料的防水包覆层避免了在开裂前自修复活性组分与基体环境接触从而发生反应提前失效，保证自修复组分在裂缝出现后充分发挥修复裂缝的作用，同时也避免了其膨胀反应导致混凝土提前开裂。

Description

一种功能性水泥自修复人造骨料及其制备方法
技术领域
本发明涉功能性水泥技术领域，具体涉及一种功能性水泥自修复人造骨料及其制备方法。
背景技术
混凝土是当今用量最大的建筑材料之一，发展到现在混凝土除了充当建筑结构的承重作用，还逐渐地向“智能化”、“功能化”发展。如在水泥或混凝土中掺入纳米TiO2、石墨、铁氧体等吸波剂从而使其具有吸收电磁波功能的水泥基复合吸波材料，在民用方面，它既可屏蔽电磁波对人体的辐射，又可防止计算机中心的数据泄露，起到保密作用。在军事上，水泥基复合吸波材料可以起到干扰雷达探测目标，避免敌方的军事打击。再如在各类土木工程结构的长期使用中，环境侵蚀、材料老化、会导致结构材料性能的退化，以至于抵抗自然灾害的能力下降，极端情况下甚至引发灾难性事故。土木工程结构发生事故前，其结构中往往会出现裂缝、不均匀沉淀、钢筋锈蚀等症状。为了避免灾难发生，科学家将水泥基压电复合材料作为传感元件预埋在一些重要建筑中，以对其关键部位应力、位移以及整个结构的动态特性进行实时检测。这种传感器如同骨料一样埋入混凝土结构中而不改变结构特性，与混凝土基体有良好的相容性。
在众多的功能性水泥材料中自修复水泥基材料引起了大量学者的兴趣。众所周知混凝土是一种脆性材料，抗拉强度低，在混凝土结构施工和服役过程中，受温湿度的变化、外部荷载等因素的影响，混凝土会产生不同尺寸的裂缝。这些裂缝为侵蚀性介质（Cl-、SO4 2-、Mg2+等）的扩散提供通道，一方面加快了侵蚀性介质向混凝土内部的扩散速度。另一方面这些侵蚀性介质除了使混凝土本身的性能劣化外，还使钢筋发生锈蚀，从而让钢筋混凝土结构提前失效，甚至造成灾难性事故。为了延长钢筋混凝土结构服役寿命，通常对混凝土裂缝进行人工修复。然而工程实践表明人工修复裂缝的效果并不理想，修复作用通常在较短时间便失效，而且人工修复只能修复混凝土结构表层裂缝，无法修复结构内部裂缝。
因此，有学者提出“混凝土自修复技术”，即在混凝土成型时内置修复剂，当结构服役时开裂，裂缝触发修复剂与外界环境接触发生反应，产生的修复产物封堵裂缝，从而阻止外界侵蚀性介质进入结构内部，延长结构服役寿命。现有的裂缝自修复剂大致可分为三种：
1. 基于微胶囊/玻璃纤维管的裂缝自修复技术：该技术通过向混凝土加入含粘结剂的玻璃纤维管或微胶囊，当结构发生开裂时，玻璃纤维管或微胶囊被裂缝贯穿，内含的粘结剂流出硬化，从而封堵裂缝。然而由于玻璃纤维管或微胶囊的芯材是强度几乎为零的液相粘结剂，难以有效抵抗搅拌过程的剪切与碰撞，且较大程度降低基体强度。
2. 基于微生物的裂缝自修复技术：该技术主要以微生物作为活性组分添加至水泥材料中，通过微生物的矿化作用诱导碳酸钙在裂缝中形成从而封堵裂缝。其难点在于混凝土内部的高碱环境不适合微生物的存活，同时随着水化进程混凝土孔径减小也会致使内部微生物受压致死。因此若将微生物直接添加进水泥材料中将会严重降低微生物的活性，微生物难以长期存活。另一方面，微生物的矿化作用还需要添加如尿素、有机钙等“营养物质”。这些“营养物质”的直接加入会影响水泥混凝土的工作性能。
3.基于添加活性组分的自修复技术：该方法以膨胀型矿物材料和结晶型矿物材料作为活性组分，利用它们的水化反应来实现裂缝自修复。然而，活性组分的直接添加一方面会导致其在混凝土开裂前提早反应，提前失效，自修复作用受限；另一方面对于膨胀性活性组分，膨胀压力导致混凝土基体提前开裂。
由上述可知，活性组分在水泥基材料中的直接添加对水泥混凝土基体和修复剂本身均造成有害影响。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术缺陷及技术空白，提供了一种功能性水泥自修复人造骨料的制备方法。该骨料由自修复活性组分坯体与提供力学强度的防水包覆层组成。采用直接压片法将自修复活性组分压制成骨料坯体，再在其表面包覆若干层PMMA，制备出有一定抗搅拌强度的，防水的水泥基材料自修复骨料。制备方法简单、成本低，通过调整制备工艺可以对自修复骨料的尺寸和强度进行控制。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种水泥基材料自修复骨料的制备方法，包括如下步骤：
1）将自修复活性组分混合均匀，再填入直接压片模具中；
2）用压片机对直接压片模具加压、保压，脱模得到骨料坯体；
3）将得到的骨料坯体投入PMMA丙酮溶液中进行包裹，取出干燥，重复若干次，得到自修复人造骨料。
进一步地，步骤（1）中，以氧化钙、偏铝酸钠和高分子吸水性树脂作为自修复活性组分。
进一步地，步骤（1）中，氧化钙、偏铝酸钠和高分子吸水性树脂的重量比为2-3:1:0-1。
进一步地，步骤（1）中，所述物料混合是采用V型混料机混合。
进一步地，步骤（2）中，所述加压的压力为250~750 psi。
进一步地，步骤（2）中，所述保压的压力为250~750 psi，时间为30~60s。
进一步地，步骤（3）中，所述的PMMA丙酮溶液的浓度为0.2~0.3g/mL。
进一步地，步骤（3）中，所述的干燥是在通风橱中干燥。
进一步地，步骤（3）中，所述的重复若干次是3-6次。
一种自修复水泥净浆，所述自修复水泥净浆中掺入上述的功能性水泥自修复人造骨料，且所述自修复骨料以水泥净浆体积分数的3%~5%掺入。
根据上述方法制备得到尺寸为6 ± 1mm的自修复人造骨料与有自修复性能的自修复水泥净浆。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
（1）本发明的生产成本低，工艺简单，将活性粉体压制成骨料，具有较高强度，一方面能抵抗搅拌外力，另一方面对混凝土基体强度的负面作用较小。
（2）本发明将活性组分制备成骨料坯体，外包防水包覆层，以达到基体开裂前隔绝活性组分与基体环境的接触，避免了在开裂前自修复活性组分与基体环境接触从而发生反应提前失效，保证自修复组分在裂缝出现后充分发挥修复裂缝的作用，同时也避免了其膨胀反应导致混凝土提前开裂。
附图说明
图1是发明实施例1所制备的骨料坯体示意图；
图2是发明实施例1所制备的自修复人造骨料示意图；
图3是发明实施例1所制备的自修复人造骨料对裂缝修复前照片；
图4是发明实施例2所制备的自修复人造骨料对裂缝修复后照片。
具体实施方式
以下结合具体实施例以及附图对本发明技术方案作进一步详细描述，但本发明的保护范围及实施方式不限于此。
本发明具体实施例中，采用的氧化钙的纯度为分析纯，粒度为200目；采用的偏铝酸钠的纯度为分析纯，粒度为200目；采用的高分子吸水性树脂为工业级，粒度为50-60目。
实施例1
水泥基材料自修复骨料的制备，具体步骤如下：
（1）以氧化钙、偏铝酸钠、低交联型聚丙烯酸钠（高分子吸水树脂）作为自修复活性组分。分别称量74g氧化钙、25g偏铝酸钠、1g低交联型聚丙烯酸钠，投入V型混料机中混合均匀，取适量混合物料填入直接压片模具中并组装好模具。
（2）用压片机对直接压片模具加压至500 psi，并保压60 s，随后脱模得到骨料坯体，如图1所示。
（3）将骨料坯体浸没在0.2g/mL的PMMA丙酮溶液中，待骨料坯体表面充分润湿后取出骨料坯体，并置于通风橱中干燥至丙酮完全挥发。反复浸没干燥6次，最后得到尺寸为6± 1mm的自修复骨料，如图2所示。
（4）将自修复人造骨料以水泥净浆体积的5%掺入，当硬化浆体开裂时，结合图3可知，自修复人造骨料后使水泥试块修复了600mm的裂缝，能有效阻挡环境侵蚀介质进入基体内部。
实施例2
水泥基材料自修复骨料的制备，具体步骤如下：
（1）以氧化钙、偏铝酸钠、低交联型聚丙烯酸钠（高分子吸水树脂）作为自修复活性组分。分别称量63g氧化钙、25g偏铝酸钠、0.5g低交联型聚丙烯酸钠，投入V型混料机中混合均匀，取适量混合物料填入直接压片模具中并组装好模具。
（2）用压片机对直接压片模具加压至750psi，并保压30 s，随后脱模得到骨料坯体，如图1所示。
（3）将骨料坯体浸没在0.25g/mL的PMMA丙酮溶液中，待骨料坯体表面充分润湿后取出骨料坯体，并置于通风橱中干燥至丙酮完全挥发。反复浸没干燥4次，最后得到尺寸为6± 1mm的自修复骨料，如图2所示。
（4）将自修复人造骨料以水泥净浆体积的4%掺入，当硬化浆体开裂时，结合图4可知，自修复人造骨料后使水泥试块修复了400mm的裂缝，能有效阻挡环境侵蚀介质进入基体内部。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种功能性水泥自修复人造骨料，其特征在于，包括自修复活性组分和防水包覆层，所述自修复活性组分为氧化钙、偏铝酸钠和高分子吸水性树脂，防水包覆层为PMMA，并包覆自修复活性组分。
2.根据权利要求1所述功能性水泥自修复人造骨料，其特征在于，氧化钙、偏铝酸钠和高分子吸水性树脂的重量比为2-3:1:0-1。
3.权利要求1或2所述功能性水泥自修复人造骨料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将自修复活性组分混合均匀，再填入直接压片模具中；
（2）用压片机对直接压片模具加压、保压，脱模得到骨料坯体；
（3）将得到的骨料坯体投入PMMA丙酮溶液中进行包裹，取出干燥，重复若干次，得到自修复人造骨料。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述物料混合是采用V型混料机混合。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述加压的压力为250~750psi。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述保压的压力为250~750psi，时间为30~60s。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述PMMA丙酮溶液的浓度为0.2~0.3g/mL。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述重复若干次是3-6次。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述干燥是在通风橱中干燥。
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