一种有机-无机复合增韧材料及其在混凝土中的应用的制作方法

1.本发明涉及建筑材料技术领域，特别涉及一种有机-无机复合增韧材料及其在混凝土中的应用。


背景技术：

2.混凝土作为用途最广、用量最大的土木工程材料，其韧性差、延性小、易开裂、干燥收缩大，从而严重影响建筑物的整体安全和服役寿命。
3.混凝土增韧包括纤维增韧和基体增韧，前者成本高且实际应用效果较差，后者主要通过加入聚合物和纳米改性材料来实现。聚合物混凝土具有较高的韧性和抗折强度，但是聚合物的加入往往会导致抗压强度的显著降低。在混凝土中引入无机纳米材料可以改善基体和界面过渡区的微观结构，降低孔隙率，减少裂缝的产生，但实际增韧效果不明显。
4.因此，在保证混凝土抗压强度的前提下，发明高效的混凝土增韧材料具有重要意义。
5.专利cn111517703a“高抗折水泥基材料及其制备方法”，公开了一种高抗折水泥基材料。该发明通过引发剂和加速剂使聚合单体在水泥水化过程中形成聚合物，并与水泥水化物发生化学键合，使得水泥净浆28天抗折强度提高64％～220％，抗压强度降低1％～32％。然而该方案中制得的水泥砂浆28天抗折强度最多提高46％，对应的抗压强度降低37％，且该方法未针对更加复杂的混凝土体系进行研究，作用效果尚不明确。
6.专利cn109250963b“一种复合增韧混凝土及其制备方法”，公开了一种复合增韧混凝土。该发明以增强增韧性能优异的氮化硼为基础材料作为混凝土添加材料，赋予混凝土良好的微观界面结合、韧性和抗疲劳性，且制备得到的混凝土28天抗压强度可以达到30 60mpa。然而氮化硼的使用不仅提高了混凝土的生产成本，同时实际工程操作性较差，进而限制其在实际工程中的推广与应用。


技术实现要素：

7.针对现有混凝土外加剂的增韧效果有限，且显著影响抗压强度的问题，本发明提供一种有机-无机复合增韧材料及其在混凝土中的应用。
8.本发明提供了一种有机-无机复合增韧材料，包括聚合单体、交联剂、引发剂及微界面强化剂；
9.其中引发剂占聚合单体质量的2％～7％，交联剂占聚合单体质量的0.05％～0.15％，微界面强化剂占聚合单体质量的20％～100％；
10.所述聚合单体选自丙烯酰胺、丙烯酸盐和甲基丙烯酸酯中的任意一种以上混合；
11.所述微界面强化剂选自纳米硅灰石、碳酸钙晶须、硫酸钙晶须中的任意一种以上混合。
12.本发明所述引发剂为无机过氧化物，具体选自过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠中的任意一种以上混合。
13.所述交联剂选自n,n'-亚甲基双丙烯酰胺、2,5-二甲基-2,5二叔丁基过氧化己烷、二乙烯基苯、二异氰酸酯中的任意一种以上混合。
14.本发明提供上述有机-无机复合增韧材料在混凝土中的应用，可应用于各种强度等级的混凝土，用于保证混凝土增韧效果的同时不影响抗压强度，所述有机-无机复合增韧材料中的聚合单体在引发剂和交联剂的作用下在水泥混凝土中原位聚合形成高分子聚合物，其中聚合单体占水泥质量的1％～5％。
15.本发明所述混凝土优选为c30混凝土。
16.本发明还提供了一种包含上述有机-无机复合增韧材料的混凝土的制备方法，包括以下步骤：
17.(1)聚合单体和交联剂加水混合搅拌至完全溶解得到溶液ⅰ，引发剂单独加水搅拌至完全溶解得到溶液ⅱ，微界面强化剂单独加水搅拌成悬浮液ⅲ；
18.(2)将水泥、细骨料和粗骨料倒入混凝土搅拌机中混合5～10分钟得到混合物；
19.(3)向步骤(2)中所得的混合物中加水、步骤(1)所得的三个溶液及混凝土外加剂，搅拌3～9分钟，制得本发明所述混凝土。
20.本发明所述混凝土中的水泥优强度等级32.5及以上的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥中的任意一种以上混合；
21.本发明所述混凝土中的细骨料优选粒径0.075～4.75mm的连续级配砂，选自石英砂、河砂、石榴石砂、高强机制砂中的任意一种以上混合；
22.本发明所述混凝土中的粗骨料优选花岗岩、辉绿岩、玄武岩、石灰岩中的任意一种，颗粒粒径为4.75～9.5mm；
23.本发明所述混凝土中的混凝土外加剂优选聚羧酸减水剂、有机硅类消泡剂、聚醚类消泡剂中的任意一种以上混合。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
25.(1)本发明通过聚合物单体在引发剂及交联剂下的原位聚合和微界面强化剂的组合作用，有效提升混凝土的韧性；
26.(2)采用本发明的有机-无机复合增韧材料，聚合单体在引发剂和交联剂的作用下在水泥混凝土中原位聚合形成的聚合物网状结构与混凝土各组分粘结在一起，显著提高混凝土的抗弯应力，减少裂缝的产生；微界面强化剂可以优化基体和骨料之间的界面过渡区，发生裂缝偏转现象，使得28天的抗压强度基本不损失；
27.(3)采用本发明所述复合增韧材料制得的混凝土在提高抗弯应力及断裂能的同时，不影响或不降低抗压强度，改善现有混凝土材料抗折强度低、韧性差等问题；
28.(4)采用本发明技术制得的c30混凝土的抗弯应力可提高约40％，断裂能可提高约103％。
具体实施方式
29.为了更充分的解释本发明的实施，提供有机-无机复合增韧材料制备混凝土的实施例。这些实施实例仅仅是解释，而不是限制本发明的范围。
30.实施例1
31.一种有机-无机复合增韧材料，包括聚合单体、交联剂、引发剂及微界面强化剂；
32.所述聚合单体为丙烯酰胺；
33.所述微界面强化剂为纳米硅灰石；
34.所述引发剂为过硫酸铵；
35.所述交联剂为n,n'-亚甲基双丙烯酰胺。
36.实施例2
37.一种有机-无机复合增韧材料，包括聚合单体、交联剂、引发剂及微界面强化剂；
38.所述聚合单体为丙烯酸盐；
39.所述微界面强化剂为碳酸钙晶须；
40.所述引发剂为过硫酸钾；
41.所述交联剂为2,5-二甲基-2,5二叔丁基过氧化己烷。
42.实施例3
43.一种有机-无机复合增韧材料，包括聚合单体、交联剂、引发剂及微界面强化剂；
44.所述聚合单体为甲基丙烯酸酯；
45.所述微界面强化剂为硫酸钙晶须；
46.所述引发剂为过硫酸钠；
47.所述交联剂由二乙烯基苯、二异氰酸酯按质量比1:1混合。
48.实施例4
49.一种有机-无机复合增韧材料，包括聚合单体、交联剂、引发剂及微界面强化剂；
50.所述聚合单体为丙烯酰胺；
51.所述微界面强化剂为纳米硅灰石；
52.所述引发剂为过硫酸铵；
53.所述交联剂为n,n'-亚甲基双丙烯酰胺。
54.应用实施例
55.各实施例及对比例制备的混凝土中各组分的重量份数见表1所示。
56.各实施例及对比例中的“水泥”为p
·
ii52.5硅酸盐水泥。
57.各实施例及对比例中的“细骨料”为河砂，粒径为0.075～4.75mm连续级配砂。
58.各实施例及对比例中的“粗骨料”为石灰岩，颗粒粒径为4.75～9.5mm。
59.各实施例及对比例中的“混凝土外加剂”为聚羧酸类高性能减水剂和有机硅类消泡剂，对比例2和3中混凝土掺入的微界面强化剂为纳米硅灰石，对比例4～7中聚合单体为丙烯酰胺，对比例5～7中引发剂为过硫酸铵，对比例6和7中交联剂为n,n'-亚甲基双丙烯酰胺。
60.表1各实施例及对比例中混凝土组分含量
[0061][0062]
对比例1为基础混凝土，没有掺入复合增韧材料中的任一组分。
[0063]
对比例2和3中掺入微界面强化剂，没有掺入聚合单体、引发剂及交联剂。
[0064]
对比例4中中聚合单体，没有掺入引发剂、交联剂及微界面强化剂。
[0065]
对比例5中掺入聚合单体和引发剂，没有掺入交联剂和微界面强化剂。
[0066]
对比例6中掺入聚合单体、引发剂及交联剂，没有掺入微界面强化剂。
[0067]
对比例7中提高聚合单体和引发剂用量。
[0068]
实施例2中提高过引发剂用量。
[0069]
实施例3中提高微界面强化剂用量。
[0070]
上述对比例1 7和实施例1-4中的材料在制备时，先将聚合单体和交联剂加水混合搅拌，引发剂单独加水搅拌，微界面强化剂单独加水搅拌成悬浮液，将水泥、细骨料和粗骨料在卧轴式或立轴行星式强制搅拌机中混合5分钟，接着向所得的混合物中加入上述三种溶液、减水剂和消泡剂搅拌三分钟，制得所述混凝土。将拌合物进行新拌性能测试后浇筑入模24h折模，放入标准养护环境养护3天、7天和28天后测试综合性能。
[0071]
用上述对比例1 7和实施例1-4中的c30混凝土，进行力学性能的对比试验(以对比例1为基准，规定其力学性能为100％，其余例的力学性能依照基准变化)，试验结果如下：
[0072]
表2各实施例中的c30混凝土力学性能
[0073][0074]
从表2中的试验结果可以看到，将本发明的有机-无机复合增韧材料应用于混凝土中，原位聚合形成的网状结构与混凝土各组分粘结在一起，无机微界面强化剂可以优化基体和骨料之间的界面过渡区，显著提高混凝土的韧性，从而使混凝土不仅保持28天的抗压强度基本持平，同时极大地提高混凝土的抗弯应力，和断裂能，有利于混凝土韧性的提升，具有显著的应用推广价值。
[0075]
对比例1为基准c30混凝土，具有相对较低的抗弯应力和相对较高的抗压强度。
[0076]
对比例2中引入微界面强化剂后，有利于混凝土抗压强度的提高；并且早期断裂能明显提升，但后期基本与对比例1相持平。
[0077]
对比例3中继续引入微界面强化剂后，混凝土的抗压强度进一步提高；抗弯应力有不同程度的降低，但同样的早期断裂能显著提升，后期基本与对比例1持平。
[0078]
对比例4中引入聚合单体后，混凝土的抗弯应力和抗压强度均呈现降低趋势，3天和28天断裂能有所提升，7天断裂能有所降低。
[0079]
对比例5中引入聚合单体和引发剂后，引发剂使聚合单体在基体中发生原位聚合，抗弯应力有所提升，断裂能大幅提升；但抗压强度相对于比例4有所提高，但与比例1相比，仍存在下降趋势。
[0080]
对比例6和7中引入聚合单体、引发剂和交联剂后，同样的提高混凝土的抗弯应力，但抗压强度有所降低。
[0081]
实施例1～4中，随着聚合单体、引发剂、交联剂及微界面强化剂的组合作用，有效提升c30混凝土的韧性，3天和28天的最大抗弯应力分别提升63％和42％；3天和28天最大断裂能提升了约3.5倍和1.2倍；且c30混凝土28天的抗压强度与对比例1基本持平。
[0082]
本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。