CN110054456A - 一种具有高温损伤自修复功能的水泥基面层材料 - Google Patents

一种具有高温损伤自修复功能的水泥基面层材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种具有高温损伤自修复功能的水泥基面层材料。其特征在于：主要包括微米级的碳酸钙晶须、纳米碳酸钙、水泥浆体和骨料；其中碳酸钙晶须与纳米碳酸钙两者的质量比为1：1～5；水泥浆体由水泥、掺合料、水和减水剂组成；骨料最大粒径为2mm；水泥、微纳米碳酸钙、骨料、掺合料、水和减水剂之间的质量比为1：0.1～0.3：0～1：0.1～0.4：0.36～0.7：0.004～0.009，减水剂也可根据拌合物的施工性要求适量添加。本发明的水泥基复合材料由于加入了微纳米碳酸钙具有很好的阻裂以及高温受损后自修复功能，同时可改善水泥基体面层材料的美观度。因此，有很好的市场推广价值。

Description

一种具有高温损伤自修复功能的水泥基面层材料
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种具有高温损伤自修复功能的水泥基面层材料。
背景技术
目前，一些纳米材料，例如：纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米二氧化锆、纳米碳酸钙、石墨烯以及碳纳米管等被用作增强材料加入到水泥基体中。这些纳米材料可以通过微观改性及增强作用改善水泥基材料的宏观性能。但是以上纳米材料的成本均较高，阻碍其在工程应用中的推广。相对而言，纳米碳酸钙成本最低且原材料来源广泛，具有较高性价比，是当前最具潜力可大规模应用于水泥基材料中的纳米材料。
火灾属于高频灾害且极具破坏性，特别是对于高层、超高层建筑物以及深大地下建(构)筑物，火灾的发生往往造成巨大的经济损失和人员伤亡。火灾常常造成建筑材料性能的急剧劣化，尤其是与明火直接接触的建(构)筑物面层。建(构)筑物的灾后修复工作，需要经历受损检测、安全评估及修复方案制定等一系列复杂且繁琐的过程，这必将投入大量时间以及人力物力；且灾后的修复过程往往占用大量的场地空间，给人们的生活及生产带来不便。同样地，长期处于高温环境中的特殊建(构)筑物也面临其建筑材料性能劣化的危害，例如：炼钢厂房、锅炉房、砖窑，烟囱等。相比于普通建(构)筑物来说，这些特殊建(构)筑物面层的修复工作往往存在施工困难、施工危险性较高、施工可操作性差且工期较长的缺点。此外，对于特殊的建(构)筑物的修补工作通常需要由特殊的工种来完成，会增加一些额外的作业费用，成本较高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种具有高温损伤自修复功能的水泥基面层材料，不仅可实现高温受损后水泥基面层的原位自修复，还兼具耐高温、低成本以及良好装饰效果的特点。
本发明采用如下技术方案：
一种具有高温损伤自修复功能的水泥基复合材料，包括微纳米碳酸钙、水泥浆体和骨料；所述的微纳米碳酸钙包括微米级的碳酸钙晶须和纳米碳酸钙颗粒；其中碳酸钙晶须为针状纤维，长度20μm-30μm，直径0.5μm-2μm，长径比10-60；纳米碳酸钙粒径为10nm-100nm；二者之间的质量比为1：1～5；所述的水泥浆体由水泥、掺合料和水构成；所述骨料最大粒径为2mm。水泥、微纳米碳酸钙、骨料、掺合料和水的质量比为1：0.1～0.3：0～1：0.1～0.4：0.36～0.7；减水剂可根据拌合物的施工性要求适量添加。
所述水泥为通用硅酸盐水泥。
所述掺合料为一级粉煤灰。
所述骨料为细骨料。
所述减水剂为高效减水剂。
上述的具有高温损伤自修复功能的水泥基面层材料制备方法，包括以下步骤：
(1)按原料配比后，将微纳米碳酸钙加入1/2减水剂和1/2水的混合溶液中，快速搅拌120s，使微纳米碳酸钙能够在减水剂的水溶液中均匀分散；
(2)利用超声波设备将上述微纳米碳酸钙悬浮液进行超声处理不低于6h后待用；
(3)将通用硅酸盐水泥、骨料和掺合料加入搅拌锅，均匀搅拌60s；
(4)将剩余1/2减水剂和1/2水的混合溶液加入到上述干拌混合料中，慢速搅拌120s；
(5)继续慢速搅拌60s，期间将超声处理后的微纳米碳酸钙悬浮液分2～3次加入到水泥砂浆中；
(6)最后快速搅拌120s，之后浇筑成型，经适当养护，获得具有高温后自修复功能的微纳米碳酸钙增强水泥基面层材料。
微米级的碳酸钙晶须和纳米碳酸钙颗粒加入到水泥基体中，不仅可以共同发挥两者在不同尺度上的填充作用，两者还可以分别发挥各自的优势。一方面，碳酸钙晶须的高抗拉强度、高弹性模量以及较大长径比能够在水泥基体中起到微纤维的作用，通过晶须拔出、裂纹偏转以及裂纹桥联三种主要机制，有效地抑制水泥基体中微裂缝的产生，实现对水泥基体的增强增韧。另一方面，纳米碳酸钙具有晶核作用，能够使水化硅酸钙(C-S-H)凝胶和氢氧化钙(CH)等水化产物在其表面生长，因此加快了水泥中硅酸三钙(C3S)的水化速度，缩短了C3S水化的诱导期；同时，纳米碳酸钙的存在，可增加C-S-H凝胶在水泥石-骨料界面中的含量，改善了其中CH的定向排列，优化了界面性能；其次，纳米碳酸钙可与水泥中的铝相反应形成碳铝酸盐，增加水化产物的体积，同时抑制钙矾石(AFt)向单硫型产物(AFm)转化，从而显著提高水泥基面层材料的力学性能。
高温作用下，微纳米碳酸钙在400℃-600℃时会发生晶型转变，由文石转变成为稳定的方解石，从而提高其与水泥砂浆基体的结合程度，改善高温后水泥基体的力学性能。当温度达到800℃，水泥基体中几乎所有的水化产物都已分解，因此水泥基复合材料的性能急剧劣化。此时，对受损后的水泥基面层材料进行淋水再养护，受损面层中微纳米碳酸钙高温分解产生的氧化钙可与其中的粉煤灰发生火山灰反应形成正常的水泥水化产物，同时可有效缓解氧化钙再水化造成的体积膨胀。并且，经高温活化的粉煤灰胶凝性提升，再养护时生成大量的C-S-H凝胶，可修复面层中因高温作用产生的结构缺陷，使水泥基面层材料的微观结构、宏观性能和耐久性得以恢复，其修复程度较普通水泥基复合材料都有显著提升。
此外，微纳米碳酸钙的加入还可提高水泥基面层的饱满度、光洁度以及耐用性。因此，可应用于有较高防火要求的超高层建筑物、深大地下建(构)筑物以及耐高温建(构)筑物的面层结构。同时，微纳米碳酸钙的原材料来源广泛，可为我国碳酸钙矿产资源的大规模开发利用开辟新的途径。
附图说明
图1为实施案例1中样本的加热程序；
图2为实施案例1中800℃高温前后及再养护样本图片；
其中：(a)高温处理前的样品(AT)；(b)高温处理后的样品(AE)；
(c)高温后再养护的样品(AR)。
图3为实施案例1中高温前后及再养护样本抗折强度结果。
图4为实施案例1中高温前后及再养护样本抗压强度结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来说明本发明的实施例。
【实施例1】
本发明采用原材料的重量配比组分为：5份微纳米碳酸钙、50份通用硅酸盐水泥、5份掺合料、24份水以及0.2份减水剂。首先，将5份微纳米碳酸钙加入到12份水和0.1份减水剂的均匀混合液中，快速搅拌120s使微纳米碳酸钙均匀分散；随后，利用超声波设备将上述微纳米碳酸钙悬浮液超声处理8h后待用；将称量的通用硅酸盐水泥和掺合料加入搅拌锅，均匀搅拌60s；紧接着将剩余的12份水和0.1份减水剂的均匀混合液加入到上述干拌混合料中，慢速搅拌120s；继续慢速搅拌60s，期间将超声处理后的微纳米碳酸钙悬浮液分3次加入到水泥拌合料中，之后快速搅拌120s，最后浇筑成型40mm×40mm×160mm的试验样本；在温度20℃±1℃，相对湿度95％以上环境中养护至28天，获得具有高温损伤自修复功能的微纳米碳酸钙增强水泥基面层材料。
同样地，按照上述搅拌程序，制备相同数量未掺加纳米碳酸钙的试件，作为对比样本。
将上述样本放入高温炉中，按照如图1所示的加热程序进行高温处理。高温处理的样本冷却至室温后从高温炉中取出，进行淋水再养护。
高温处理前(AT)、高温处理后(AE)、高温处理后再养护(AR)样品的外观形貌如图2所示。相比于图2(a)的AT，可以明显看出图2(b)的AE样本表面出现严重劣化，布满网状裂缝。经淋水再养护后图2(c)的AR样本表面裂缝有所减少，说明样本经高温作用造成的结构劣化有所缓解。
依照GB/T 17671的规定，测试高温处理前(AT)、高温处理后(AE)、高温处理后再养护(AR)样品的抗折强度及抗压强度，试验结果如图3和图4所示。可以看出，相对于AE，AR样本的抗折强度和抗压强度均得到较大程度上的提升，该试验结果充分体现了该水泥基面层材料在经历高温损伤后的强度自修复功能。
本发明的水泥基复合材料由于加入了微纳米碳酸钙具有很好的阻裂以及高温受损后自修复功能，同时可改善水泥基体面层材料的美观度。因此，有很好的市场前景。

Claims (6)

1.一种具有高温损伤自修复功能的水泥基面层材料，其特征于，包括微纳米碳酸钙、水泥浆体和骨料；所述的微纳米碳酸钙包括微米级的碳酸钙晶须和纳米碳酸钙颗粒；其中碳酸钙晶须为针状纤维，长度20μm-30μm，直径0.5μm-2μm，长径比10-60；纳米碳酸钙颗粒的直径为10nm-100nm；两者之间的质量比为1：1～5；所述的水泥浆体由水泥、掺合料、水构成；所述骨料最大粒径为2mm；水泥、微纳米碳酸钙、骨料、掺合料、水之间的质量比为1：0.1～0.3：0～1：0.1～0.4：0.36～0.7。
2.根据权利要求1所述的一种具有高温损伤自修复功能的水泥基面层材料，其特征在于，所述水泥为通用硅酸盐水泥。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有高温损伤自修复功能的水泥基面层材料，其特征在于，所述掺合料为一级粉煤灰。
4.根据权利要求1或2所述的一种具有高温损伤自修复功能的水泥基面层材料，其特征在于，所述骨料为细骨料。
5.根据权利要求3所述的一种具有高温损伤自修复功能的水泥基面层材料，其特征在于，所述骨料为细骨料。
6.权利要求1-5任一所述的一种具有高温损伤自修复功能的水泥基复合材料制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)按原料配比后，将微纳米碳酸钙加入1/2减水剂和1/2水的混合溶液中，快速搅拌120s，使微纳米碳酸钙能够在减水剂的水溶液中均匀分散；
(2)利用超声波设备将上述微纳米碳酸钙悬浮液进行超声处理不低于6h后待用；
(3)将通用硅酸盐水泥、骨料和掺合料加入搅拌锅，均匀搅拌60s；
(4)将剩余1/2减水剂和1/2水的混合溶液加入到上述干拌混合料中，慢速搅拌120s；
(5)继续慢速搅拌60s，期间将超声处理后的微纳米碳酸钙悬浮液分2～3次加入到水泥砂浆中；
(6)最后快速搅拌120s，之后浇筑成型，经适当养护，获得具有高温损伤自修复功能的微纳米碳酸钙增强水泥基面层材料。
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