CN112142494B - 一种轻质高强混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种轻质高强混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种轻质高强混凝土及其制备方法。本发明研制的产品中，包括片状硅酸盐填料；所述片状硅酸盐填料的单片层结构表面接枝有聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯；所述单片层结构之间填充有等电点低于7.0的明胶。其中，片状硅酸盐骨架中金属离子至少部分被氢离子取代。另外，明胶中还分散有弹性体乳液；所述弹性体乳液为室温硫化硅橡胶乳液。本发明所得产品可以在水泥水化过程中，使得片状硅酸盐填料的片状结构之间被撑开并固定，从而在内部形成水分扩散的通道，且在水泥完成水化后，在透水过程中，可以发生一定程度的体积膨胀，使得透水混凝土内部形成相对负压，有利于水分快速向下渗透扩散。

Description

一种轻质高强混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域。更具体地，涉及一种轻质高强混凝土及其制备方法。
背景技术
随着经济发展，城市海绵化进程越来越快，道路规划在城市建设中起着非常重要的作用，传统的路面大多为不透水路面，容易积水，降低舒适性，不仅会对路面自身强度等性能造成干扰，同时也会因为路面及水影响人们出行，给人们的出行带来极大不便，也给生态环境带来负面影响。
与不透水的路面相比，透水混凝土路面具有有效调节地面温湿度，减轻降雨季节道路排水***的负担，吸收车辆行驶时产生的噪音等优点。但目前市场上多数的透水混凝土产品存在以下缺点：强度低、容易塌陷、透水性差、表观密度大、不易施工。目前，GB/T25993-2010《透水路面砖和透水路面板》及CCJ/T 135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》中，对透水混凝土制品及透水混凝土透水系数要求均较低，抗压强度要求分别为20MPa和30MPa两类，但目前采用与普通混凝土相同的原材料，所配制的透水性混凝土制品其抗压强度一般只能达到20MPa左右。
究其本因，为了提升透水路面的透水性能，并保障混凝土路面的强度性能，会尽可能的平衡内部孔隙率，孔隙率过大，虽然透水性能可以得到保障，但是势必导致强度下降；因此，研究胶凝材料的组成、合适的增强剂、轻质骨料等技术应运而生，而如何从根本上解决孔隙率和强度之间的矛盾，成为制约透水混凝土路面性能的瓶颈之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有透水混凝土孔隙率和强度之间无法协调统一的缺陷和不足，提供一种轻质高强混凝土及其制备方法。
本发明的目的是提供一种轻质高强混凝土。
本发明另一目的是提供一种轻质高强混凝土的制备方法。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种轻质高强混凝土，包括水泥质量5-15％的片状硅酸盐填料；
所述片状硅酸盐填料的单片层结构表面接枝有聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯；
所述单片层结构之间填充有等电点为7.0的明胶。
上述技术方案通过在混凝土体系中添加片状硅酸盐填料，片状硅酸盐由多层的单片层结构构成，通过对各单片层结构进行接枝改性，在单片层表面引入聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯，并且在片层结构之间填充等电点为7.0的明胶；在实际使用过程中，由于水泥体系为碱性体系，此时体系中的氢氧根离子与明胶分子结构中的羧基反应，使羧基离子化之后带负电荷，由于同种电荷相互排斥，引起明胶分子的舒展，从而使得明胶发生膨胀，在膨胀过程中将层状硅酸盐撑开，从而在内部形成水分的扩散通道，另外，得益于单片层结构表面的接枝，使得接枝的聚合物分子链可以和水泥水化产生的凝胶网络结构相互制约，缠结，最终使层状硅酸盐膨胀形成的通道被固化；
上述技术方案通过选用特定等电点的明胶，以此来控制明胶的膨胀率，从而保障各相邻单片层结构膨胀产生的间隙可控，仅允许水分通过，不允许水泥等组分进入；而将片状结构缠结固定后，自身又可以作为补强填料，从而在达到透水要求的同时，有效提高强度。
优选地，所述片状硅酸盐为蒙脱土、高岭土、水滑石、白云母中的任意一种。
优选地，所述片状硅酸盐骨架中金属离子至少部分被氢离子取代。
通过使得片状硅酸盐骨架中的金属离子被氢离子取代，使得骨架结构中的Si-O转变为活性的Si-OH，在使用过程中，Si-OH可以参与水泥的水化反应，从而使膨胀产生的孔隙的孔壁与水泥体系有效粘合，避免孔隙的塌陷，从而有效提高产品的透水性能稳定。
优选地，所述明胶中分散有弹性体乳液颗粒。
优选地，所述弹性体乳液为室温硫化硅橡胶乳液。
上述技术方案进一步在明胶中引入弹性体乳液，在实际使用过程中，弹性体的存在可以有效提升明胶的黏弹性，提升孔隙的结构稳定；另外，明胶作为吸水体，可以在透水过程中快速吸收水分，并让水分子进入分子结构内部，引起弹性体的膨胀，在膨胀中，一定程度上对明胶形成压力，使得内部水分被挤压排出，形成快速的呼吸式排水过程。
一种轻质高强混凝土的制备方法，具体制备步骤包括：
片状硅酸盐填料的制备；所述片状硅酸盐填料的制备包括接枝反应和明胶填充；
所述接枝反应为：
将片状硅酸盐和聚乙烯醇溶液按质量比为1：5-1：10混合后超声分散，再经喷雾干燥后，煅烧，得煅烧料；
按重量份数计，依次取5-10份浓盐酸，80-100份无水乙醇，10-15份煅烧料，混合后，加热回流反应3-5h，干燥，得改性煅烧料；
按重量份数计，依次取30-40份改性煅烧料，300-400份无水乙醇，3-5份3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MPS)，0.1-0.3份氨水，3-5份甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)；先将改性煅烧料、无水乙醇、MPS和氨水搅拌反应36h，再经过滤，洗涤和干燥，得干燥滤饼；再将干燥滤饼和乙醇溶液按质量比为1：5-1：10混合分散后，再加入干燥滤饼质量0.3-0.5％的硫酸亚铁，和DMAEMA，随后于氮气保护状态下，进行辐照交联反应，再经离心分离，干燥，得单片层结构表面接枝有聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯的片状硅酸盐；
所述明胶填充为：
将单片层结构表面接枝有聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯的片状硅酸盐和等电点低于7.0的明胶溶液按质量比为1：5-1：10混合分散，调节pH至明胶等电点后，过滤，洗涤和干燥，得片状硅酸盐填料。
优选地，所述片状硅酸盐为蒙脱土、高岭土、水滑石、白云母中的任意一种。
优选地，所述片状硅酸盐为预处理片状硅酸盐；所述片状硅酸盐的预处理过程为：将片状硅酸盐和质量分数为3-5％的盐酸按质量比为1：3-1：5混合分散，再经加热搅拌反应后，过滤、洗涤和干燥，得预处理片状硅酸盐。
优选地，所述明胶填充还包括：
将单片层结构表面接枝有聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯的片状硅酸盐和等电点低于7.0的明胶溶液按质量比为1：5-1：10混合分散，并加入明胶溶液质量10-15％的弹性体乳液，调节pH至明胶等电点后，过滤，洗涤和干燥，得片状硅酸盐填料；
所述弹性体乳液固含量为35-55％。
优选地，所述弹性体乳液为室温硫化硅橡胶乳液。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明产品不添加引气剂或发泡剂等组分，通过利用明胶在偏离等电点过程中的体积膨胀，引起片层状结构的硅酸盐剥离，利用片状结构相邻片层层间距的增大，形成水分扩散通道，在实现补强的同时，达到轻质，透水的效果，有效解决了轻质和高强的这一矛盾；
(2)本发明产品透水迅速，且结构稳定，透水通道不易被堵塞，且通道可以在透水过程中发生一定程度的体积变化，强化排水过程。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1
将片状硅酸盐和质量分数为3％的盐酸按质量比为1：3混合分散，再于温度为85℃，转速为400r/min条件下，加热搅拌反应2h后，过滤、洗涤和干燥，得预处理片状硅酸盐；所述片状硅酸盐为蒙脱土；
将预处理片状硅酸盐和质量分数为1％的聚乙烯醇溶液按质量比为1：5混合后，于频率为55kHz条件下超声分散1h，再经喷雾干燥后，于温度为200℃条件下煅烧45min，得煅烧料；
按重量份数计，依次取5份质量分数为37％的浓盐酸，80份无水乙醇，10份煅烧料，混合后，于温度为75℃条件下，加热回流反应3h，干燥，得改性煅烧料；
按重量份数计，依次取30份改性煅烧料，300份无水乙醇，3份3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MPS)，0.1份质量分数为10％的氨水，3份甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)；先将改性煅烧料、无水乙醇、MPS和氨水于室温条件下，搅拌反应36h，再经过滤，洗涤和干燥，得干燥滤饼；再将干燥滤饼和质量分数为30％的乙醇溶液按质量比为1：5混合分散后，再加入干燥滤饼质量0.3％的硫酸亚铁，和DMAEMA，随后于氮气保护状态下，进行辐照交联反应，再经离心分离，干燥，得单片层结构表面接枝有聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯的片状硅酸盐；
将单片层结构表面接枝有聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯的片状硅酸盐和等电点为7.0的质量分数为3％的明胶溶液按质量比为1：5混合分散，并加入明胶溶液质量10％的弹性体乳液，调节pH至明胶等电点后，过滤，洗涤和干燥，得片状硅酸盐填料；
所述弹性体乳液固含量为35％；所述弹性体乳液为室温硫化硅橡胶乳液；
按重量份数计，依次取30份片状硅酸盐填料，60份42.5普通硅酸盐水泥，10份中砂，10份粗砂，1份聚羧酸减水剂，8份粒径为10mm的卵石，搅拌混合均匀，即得轻质高强混凝土。
实施例2
将片状硅酸盐和质量分数为4％的盐酸按质量比为1：4混合分散，再于温度为88℃，转速为500r/min条件下，加热搅拌反应3h后，过滤、洗涤和干燥，得预处理片状硅酸盐；所述片状硅酸盐为高岭土；
将预处理片状硅酸盐和质量分数为3％的聚乙烯醇溶液按质量比为1：8混合后，于频率为65kHz条件下超声分散1.5h，再经喷雾干燥后，于温度为205℃条件下煅烧50min，得煅烧料；
按重量份数计，依次取8份质量分数为37％的浓盐酸，90份无水乙醇，12份煅烧料，混合后，于温度为78℃条件下，加热回流反应4h，干燥，得改性煅烧料；
按重量份数计，依次取35份改性煅烧料，350份无水乙醇，4份3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MPS)，0.2份质量分数为12％的氨水，4份甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)；先将改性煅烧料、无水乙醇、MPS和氨水于室温条件下，搅拌反应36h，再经过滤，洗涤和干燥，得干燥滤饼；再将干燥滤饼和质量分数为50％的乙醇溶液按质量比为1：8混合分散后，再加入干燥滤饼质量0.4％的硫酸亚铁，和DMAEMA，随后于氮气保护状态下，进行辐照交联反应，再经离心分离，干燥，得单片层结构表面接枝有聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯的片状硅酸盐；
将单片层结构表面接枝有聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯的片状硅酸盐和等电点为7.0的质量分数为5％的明胶溶液按质量比为1：8混合分散，并加入明胶溶液质量12％的弹性体乳液，调节pH至明胶等电点后，过滤，洗涤和干燥，得片状硅酸盐填料；
所述弹性体乳液固含量为45％；所述弹性体乳液为室温硫化硅橡胶乳液；
按重量份数计，依次取40份片状硅酸盐填料，70份42.5普通硅酸盐水泥，15份中砂，15份粗砂，2份聚羧酸减水剂，9份粒径为20mm的卵石，搅拌混合均匀，即得轻质高强混凝土。
实施例3
将片状硅酸盐和质量分数为5％的盐酸按质量比为1：5混合分散，再于温度为90℃，转速为600r/min条件下，加热搅拌反应4h后，过滤、洗涤和干燥，得预处理片状硅酸盐；所述片状硅酸盐为水滑石；
将预处理片状硅酸盐和质量分数为5％的聚乙烯醇溶液按质量比为1：10混合后，于频率为85kHz条件下超声分散2h，再经喷雾干燥后，于温度为210℃条件下煅烧60min，得煅烧料；
按重量份数计，依次取10份质量分数为37％的浓盐酸，100份无水乙醇，15份煅烧料，混合后，于温度为80℃条件下，加热回流反应5h，干燥，得改性煅烧料；
按重量份数计，依次取40份改性煅烧料，400份无水乙醇，5份3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MPS)，0.3份质量分数为15％的氨水，5份甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)；先将改性煅烧料、无水乙醇、MPS和氨水于室温条件下，搅拌反应36h，再经过滤，洗涤和干燥，得干燥滤饼；再将干燥滤饼和质量分数为60％的乙醇溶液按质量比为1：10混合分散后，再加入干燥滤饼质量0.5％的硫酸亚铁，和DMAEMA，随后于氮气保护状态下，进行辐照交联反应，再经离心分离，干燥，得单片层结构表面接枝有聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯的片状硅酸盐；
将单片层结构表面接枝有聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯的片状硅酸盐和等电点为7.0的质量分数为10％的明胶溶液按质量比为1：10混合分散，并加入明胶溶液质量15％的弹性体乳液，调节pH至明胶等电点后，过滤，洗涤和干燥，得片状硅酸盐填料；
所述弹性体乳液固含量为55％；所述弹性体乳液为室温硫化硅橡胶乳液；
按重量份数计，依次取50份片状硅酸盐填料，80份42.5普通硅酸盐水泥，20份中砂，30份粗砂，3份聚羧酸减水剂，10份粒径为30mm的卵石，搅拌混合均匀，即得轻质高强混凝土。
对比例1
本对比例和实施例1相比，区别在于：明胶采用等电点为6.5的明胶，其余条件保持不变。
对比例2
本对比例和实施例1相比，区别在于：采用等质量的气相二氧化硅取代层状硅酸盐，其余条件保持不变。
对比例3
本对比例选用如下配方的混凝土：按重量份数计，依次取60份42.5普通硅酸盐水泥，10份中砂，10份粗砂，1份聚羧酸减水剂，3份乳化剂OP-10，8份粒径为10mm的卵石，搅拌混合均匀，即得轻质高强混凝土。
将实施例1-3及对比例1-3所得产品进行性能测试，具体测试方法和测试结果如下所述：
将实施例1-3及对比例1-3所得产品和水混合，水灰比为0.4，搅拌混合均匀后倒入模具中，振动成型后，室温静置养护28d，脱模，制成直径为10cm，高度为10cm的圆柱体试块；
依据GB/T50081-2009《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行抗压强度试验；按照CJJ/T135-2009《透水水泥混凝土路面技术规程》附录A测定透水系数；具体测试结果如表1所示：
表1：产品性能测试结果
抗压强度/MPa 透水系数/mm/s
实施例1 48.9 4.5
实施例2 52.6 4.6
实施例3 51.8 4.8
对比例1 42.5 3.5
对比例2 38.5 2.5
对比例3 36.6 2.3
由表1测试结果可知，本申请所得产品具有优异的抗压强度，且保持较高的透水性能。
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 (5)

1.一种轻质高强混凝土的制备方法，其特征在于，具体制备步骤包括：
片状硅酸盐填料的制备；所述片状硅酸盐填料的制备包括接枝反应和明胶填充；
所述接枝反应为：
将片状硅酸盐和聚乙烯醇溶液按质量比为1：5-1：10混合后超声分散，再经喷雾干燥后，煅烧，得煅烧料；
按重量份数计，依次取5-10份浓盐酸，80-100份无水乙醇，10-15份煅烧料，混合后，加热回流反应3-5h，干燥，得改性煅烧料；
按重量份数计，依次取30-40份改性煅烧料，300-400份无水乙醇，3-5份3-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷MPS，0.1-0.3份氨水，3-5份甲基丙烯酸二甲氨基乙酯DMAEMA；先将改性煅烧料、无水乙醇、MPS和氨水搅拌反应36h，再经过滤，洗涤和干燥，得干燥滤饼；再将干燥滤饼和乙醇溶液按质量比为1：5-1：10混合分散后，再加入干燥滤饼质量0.3-0.5%的硫酸亚铁和DMAEMA，随后于氮气保护状态下，进行辐照交联反应，再经离心分离，干燥，得单片层结构表面接枝有聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯的片状硅酸盐；
所述明胶填充为：
将单片层结构表面接枝有聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯的片状硅酸盐和等电点低于7.0的明胶溶液按质量比为1：5-1：10混合分散，并加入明胶溶液质量10-15%的弹性体乳液，调节pH至明胶等电点后，过滤，洗涤和干燥，得片状硅酸盐填料；
所述弹性体乳液固含量为35-55%。
2.根据权利要求1所述的一种轻质高强混凝土的制备方法，其特征在于，所述片状硅酸盐为蒙脱土、高岭土、水滑石、白云母中的任意一种。
3.根据权利要求1或2任一项所述的一种轻质高强混凝土的制备方法，其特征在于，所述片状硅酸盐为预处理片状硅酸盐；所述片状硅酸盐的预处理过程为：将片状硅酸盐和质量分数为3-5%的盐酸按质量比为1：3-1：5混合分散，再经加热搅拌反应后，过滤、洗涤和干燥，得预处理片状硅酸盐。
4.根据权利要求1所述的一种轻质高强混凝土的制备方法，其特征在于，所述弹性体乳液为室温硫化硅橡胶乳液。
5.根据权利要求1~4任一项所述的制备方法制备得到的轻质高强混凝土。
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