CN117247249B - 增强型相变混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及一种增强型相变混凝土及其制备方法，本发明液体石蜡作为相变组分，采用改性赤泥作为吸附材料在负压下对相变组分进行吸附，对其表面进行乙基纤维素薄膜包覆后，添加硅酸钠作为改性剂，进一步采用开孔材料作为载体进行二次吸附，得到相变材料，该相变材料坚固无渗漏，将其添加至混凝土中不会降低混凝土力学性能，可提高混凝土抗冻能力和隔热效果。
Description
技术领域
本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及一种增强型相变混凝土及其制备方法。
背景技术
波特兰水泥是当今世界上应用最为广泛的建筑材料之一，用其制作的混凝土结构是目前工程届的主要大宗工程材料。
然而，面对寒冷环境下混凝土工程易遭受冻融破坏和表面积冰覆雪的问题，当下主流的解决办法是播撒除冰盐。
除冰盐可以通过降低混凝土孔溶液的冰点达到融化冰雪的效果。
自二十世纪六十年代以来，除冰盐被广泛应用于道路安全受到季节性冰雪侵蚀的地区，以维持交通***的正常运行。
除冰盐在快速消融冰雪方面具有明显的优势，但以氯盐为主的除冰盐后期将导致混凝土的中的钢筋发生严重锈蚀进而导致混凝土膨胀开裂，其破坏程度和速度远高于普通冻融环境下引起的破坏，进一步缩短混凝土的使用寿命。
除冰盐的危害主要有以下几点：（1）除冰盐会渗透到混凝土中，造成钢筋腐蚀；（2）混凝土的孔中水结冰后，孔隙中的盐浓度增大，与环境形成渗透压，加剧混凝土的受冻破坏；（3）通常使用的除冰盐为氯化钙或氯化钠，这两种组分皆具有较强的化学侵蚀作用。
环境中CaCl2浓度高于20%时，混凝土中的Ca(OH)2会与CaCl2反应生成膨胀性复盐3CaO·CaCl2·15H2O而溶出，极易引起混凝土表面剥落。
同时，复盐的生成消耗大量的Ca(OH)2，进而引起C-S-H凝胶的分解，促进混凝土表面剥蚀，加速混凝土结构的损伤和衰退，降低混凝土机械性能。
（4）破坏植被，污染沿线生态环境。
使用除冰盐得不偿失且会耗费相当大的人力物力及财力，因此许多研究人员将目光放至相变材料。
相变材料是一种潜热储能材料，它能够伴随着物态变化发生热能传递，这一过程称为相变。
相比于普通建筑材料，相变材料既可以储存热量，又可以释放热量，将其应用于建构筑物是一种可有效降低建筑能耗的可持续的手段。
利用相变材料开发新型环保节能建筑材料是近年来材料科学和能源利用领域的前沿。
相变材料具有较高的储热密度和较小的体积变化，在相变过程中能够保持自身温度的恒定，还应具有较高的化学稳定性、循环稳定性和安全性能。
要成为实际应用的理想材料，相变材料应满足以下特性：（1）相变材料的相变温度满足实际工程要求；（2）相变潜热应尽可能高，储热密度大，单位体积能够存储更多的热量；（3）导热良好，便于相变储能器的能量存储和释放：（4）相变过程可逆；（5）体积变化小，蒸气压低：（6）低过冷度；（8）化学性质稳定，无毒无腐蚀性；（9）取材方便，储量丰富，成本低廉。缓解混凝土结构冻融循环破坏的相变材料与调节建筑室温的相变材料虽然作用机理相似，但相变材料类型却存在本质的区别。应用于缓解混凝土结构冻融破坏的相变材料相变温度应略微高于0 ℃。
此外，与调节室温的相变材料只添加到墙体结构中不同，缓解混凝土结构冻融循环的相变材料可能应用于机场路面，桥面，水坝等易遭受低温破坏的混凝土结构。
现有技术常用多孔骨料作为相变材料的吸附壳，然而，上述多孔材料压碎值较低，且在使用过程中容易导致相变材料逸出，从而降低混凝土的力学性能。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种增强型相变混凝土及其制备方法，本发明液体石蜡作为相变组分，采用改性赤泥作为吸附材料在负压下对相变组分进行吸附，对其表面进行乙基纤维素薄膜包覆后，添加硅酸钠作为改性剂，进一步采用开孔材料作为载体进行二次吸附，得到相变材料，该相变材料坚固无渗漏，将其添加至混凝土中不会降低混凝土力学性能，可提高混凝土抗冻能力和隔热效果。
具体的，本发明增强型相变混凝土的制备方法，包括如下步骤：
1）将赤泥烘干，600-700℃煅烧，得改性赤泥，
2）将改性赤泥加入过量液体石蜡中，真空浸渍，使液体石蜡充分进入改性赤泥孔结构，得改性赤泥/液体石蜡复合结构，
3）将10质量份改性赤泥/液体石蜡复合结构与100-150质量份乙基纤维素/无水乙醇溶液混合，加入20-30份开孔填料、2-5份硅酸钠，震荡，真空浸渍，过滤，烘干，得相变材料，
4）按质量比称取胶凝材料、粗骨料、细骨料、相变材料、外加剂、水，
5）将各原料混合均匀，成型，养护，得增强型相变混凝土。
本发明采用液体石蜡作为相变组分，其是由石油所得精炼液态烃的混合物，主要为饱和的环烷烃与链烷烃混合物，密度0.86-0.89，主要元素为C和H，赤泥是拜耳法炼铝后排出的工业固体废物，pH值为10-12，属于碱性胶凝材料。
本发明首先对赤泥进行烘干，充分脱除赤泥中的水分，再经600-700℃煅烧，提高赤泥孔容量，提高液体石蜡的吸附量，降低赤泥杂质含量，并可对赤泥进行微活化，后对其表面进行乙基纤维素包覆，降低液体石蜡熔出率，而后添加硅酸钠作为改性剂，添加开孔填料作为载体进行二次吸附，得到相变材料，硅酸钠与复合结构的赤泥渗入开孔填料中，开孔填料对相变组分进行再次包覆，硅酸钠在复合结构表面和开孔填料孔洞中进行附着，可实现在混凝土浆体中对复合结构进行封堵，并且随着混凝土的水化与凝结硬化，改性赤泥表面可发生部分火山灰反应，从而对开孔填料进行增强，提高其抗压碎能力。
优选的，步骤1）烘干温度为50-70℃，烘干时间为20-40h。
优选的，步骤1）煅烧时间为10-15h。
本发明对赤泥进行煅烧可提高其孔容量，并进行微活化，但煅烧温度不宜过高，否则会提高赤泥的玻璃化程度，导致其毛细孔壁坍塌堵塞，降低孔容量，降低对液体石蜡的吸附效果。
优选的，步骤2）真空浸渍真空度为-0.01MPa。
优选的，乙基纤维素/无水乙醇溶液中乙基纤维素质量浓度为3-5%。
优选的，步骤3）开孔填料为开孔珍珠岩、膨胀蛭石、陶砂的至少一种。更优选的，开孔填料粒径为1-4mm。
优选的，步骤3）震荡为机械震荡、超声震荡的至少一种。
优选的，步骤3）真空浸渍真空度为-0.01MPa，烘干温度为50-70℃，烘干时间为6-10h。
优选的，步骤4）胶凝材料为水泥、掺合料的混合物。
优选的，步骤4）水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥的至少一种。
优选的，步骤4）掺合料为粉煤灰、矿粉、硅灰、偏高岭土、稻壳灰的至少一种。
优选的，步骤4）所述外加剂为减水剂、缓凝剂、速凝剂、引气剂、消泡剂、膨胀剂、早强剂的至少一种。
优选的，步骤5）养护为标准养护至28d。
本发明还涉及增强型相变混凝土，具体的，由上述制备方法制备得到。
本发明还涉及相变材料，具体的，由以下步骤制备而得：
a. 将赤泥烘干，700-800℃煅烧，得改性赤泥，
b. 将改性赤泥加入过量液体石蜡中，真空浸渍，使液体石蜡充分进入改性赤泥孔结构，得改性赤泥/液体石蜡复合结构，
c. 将10质量份改性赤泥/液体石蜡复合结构与100-150质量份乙基纤维素/无水乙醇溶液混合，加入20-30份开孔填料、2-5份硅酸钠，震荡，真空浸渍，过滤，烘干，得相变材料。
本发明还涉及上述想变材料的应用，具体的，按胶凝材料10-30%质量比例加入到混凝土中。
本发明具有以下技术优势：
1. 本申请选用液体石蜡作为相变组分，原料稳定，在200℃以下稳定性好，
2. 本申请对赤泥进行改性，提高其吸附量并进行微活化，
3. 本申请采用乙基纤维素对复合结构进行包覆，降低液体石蜡熔出率，提高负载效果，
4. 本申请添加硅酸钠，采用开孔填料进行二次吸附，进一步提高液体石蜡负载效果，并提高开孔填料抗压碎能力，
5. 本发明混凝土力学性能不会因相变材料的加入造成下降，并且具有良好的抗冻性能和隔热效果，可提高混凝土低温抗冻融效果。
具体实施方式
为表征本发明技术效果，制备相变材料并制备混凝土试件进行相应性能检测。
制备例1
相变材料，由以下步骤制备而得：
a. 将赤泥于60℃烘干24h，700-800℃煅烧12h，得改性赤泥，
b. 将改性赤泥加入过量液体石蜡中，-0.01MPa真空浸渍，使液体石蜡充分进入改性赤泥孔结构，得改性赤泥/液体石蜡复合结构，
c. 将10质量份改性赤泥/液体石蜡复合结构与120质量份质量浓度4%的乙基纤维素/无水乙醇溶液混合，加入25份1-2mm开孔珍珠岩、4份硅酸钠，机械震荡，-0.01MPa真空浸渍，过滤，60℃烘干8h，得相变材料。
为直接表征液体石蜡在改性赤泥中的负载效果，对步骤a的改性赤泥和步骤b的改性赤泥/液体石蜡复合结构仅经质量浓度4%的乙基纤维素/无水乙醇溶液混合30min后过滤烘干得到的包覆结构作为样品，使用北京彼奥德电子技术有限公司生产的SSA-4000型比表面积分析仪进行测试，经检测，改性赤泥比表面积为21.526m2/g，总孔容为0.022146cm3/g，包覆结构比表面积为1.426m2/g，总孔容为0.001873cm3/g，液体石蜡在改性赤泥中吸附良好，且乙基纤维素薄膜可有效阻止液体石蜡泄露。
对比例1
与制备例1相比，区别为步骤a中不进行煅烧，作为对照例1，
与制备例1相比，区别为步骤c不添加乙基纤维素/无水乙醇溶液，作为对照例2，
与制备例1相比，区别为步骤c不添加开孔珍珠岩和硅酸钠，作为对照例3。
检测例1
制备混凝土试件并标准养护至28d进行混凝土导热性能、力学性能检测，试件标准养护24d后在水中浸泡4d进行抗冻性能检测，其中，导热性能采用瞬态平面热源法测试水泥试块的导热系数，所用仪器为湘潭市仪器仪表有限公司生产的湘科DRE-2C型导热系数测定仪，抗冻性能检测将试件置于混凝土慢速冻融试验机中，冻结温度-15℃，融化温度15℃，先气冻后水融，冻结和融化时间均不小于4小时，每两个循环称重一次，30个循环后测试其力学强度。
按P·O42.5水泥250份，粉煤灰100份，S95级矿粉60份，河砂820份，5-20mm碎石1040份，聚羧酸减水剂12份，葡萄糖酸钠6份，水155份制备基准混凝土，
按P·O42.5水泥250份，粉煤灰100份，S95级矿粉60份，河砂730份，5-20mm碎石1040份，聚羧酸减水剂12份，相变材料90份，葡萄糖酸钠6份，水155份制备检测混凝土。
经检测，基准混凝土28d抗压强度43.5MPa，导热系数为1.15W/（m·K），冻融循环后抗压强度31.1MPa。
制备例1作为相变材料的混凝土28d抗压强度为42.6MPa，导热系数为0.92 W/（m·K），冻融循环后抗压强度41.5MPa。
对照例1作为相变材料的混凝土28d抗压强度为40.8MPa，导热系数为0.14W/（m·K），冻融循环后抗压强度38.3MPa。
对照例2作为相变材料的混凝土28d抗压强度为43.0MPa，导热系数为0.11 W/（m·K），冻融循环后抗压强度38.7MPa。
对照例3作为相变材料的混凝土28d抗压强度为36.2MPa，导热系数为0.97W/（m·K），冻融循环后抗压强度33.1MPa。
最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种增强型相变混凝土的制备方法，其特征在于,包括如下步骤：
1）将赤泥烘干，600-700℃煅烧，得改性赤泥，
2）将改性赤泥加入过量液体石蜡中，真空浸渍，使液体石蜡充分进入改性赤泥孔结构，得改性赤泥/液体石蜡复合结构，
3）将10质量份改性赤泥/液体石蜡复合结构与100-150质量份乙基纤维素/无水乙醇溶液混合，加入20-30份开孔填料、2-5份硅酸钠，震荡，真空浸渍，过滤，烘干，得相变材料，
4）按质量比称取胶凝材料、粗骨料、细骨料、相变材料、外加剂、水，
5）将各原料混合均匀，成型，养护，得增强型相变混凝土。
2.根据权利要求1所述增强型相变混凝土的制备方法，其特征在于，步骤1）烘干温度为50-70℃，烘干时间为20-40h。
3.根据权利要求1所述增强型相变混凝土的制备方法，其特征在于，步骤1）煅烧时间为10-15h。
4.根据权利要求1所述增强型相变混凝土的制备方法，其特征在于，步骤2）真空浸渍真空度为-0.01MPa。
5.根据权利要求1所述增强型相变混凝土的制备方法，其特征在于，步骤3）开孔填料为开孔珍珠岩、膨胀蛭石、陶砂的至少一种。
6.根据权利要求1所述增强型相变混凝土的制备方法，其特征在于，步骤3）震荡为机械震荡、超声震荡的至少一种。
7.根据权利要求1所述增强型相变混凝土的制备方法，其特征在于，步骤3）真空浸渍真空度为-0.01MPa，烘干温度为50-70℃，烘干时间为6-10h。
8.根据权利要求1所述增强型相变混凝土的制备方法，其特征在于，步骤4）胶凝材料为水泥、掺合料的混合物，所述外加剂为减水剂、缓凝剂、速凝剂、引气剂、消泡剂、膨胀剂、早强剂的至少一种。
9.根据权利要求1所述增强型相变混凝土的制备方法，其特征在于，步骤5）养护为标准养护至28d。
10.增强型相变混凝土，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述制备方法制备得到。
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