一种用于海工自修复混凝土的矿物胶囊及制备方法与应用

本发明属于土木工程材料，具体涉及一种用于海工自修复混凝土的矿物胶囊及制备方法与应用。

背景技术：

1、混凝土是建设海岸工程、跨海大桥、海洋平台等海洋基础设施的重要材料，但其脆性较大、抗拉强度较低，在外部荷载、温度变化、环境等因素的作用下，极易产生裂缝。而海洋环境中存在大量的氯离子和硫酸根离子，混凝土一旦开裂，这些侵蚀性离子就会迁移到基体中，不仅与水泥水化产物发生反应，导致基体剥落，还会进一步破坏钢筋表面的钝化膜，致使钢筋锈蚀，从而严重降低混凝土结构的服役寿命。为了缓解这一问题，通常需要对开裂的混凝土进行修复，但人工修复成本较大，效率较低，且开裂位置不易发现。因此，科研人员开发了多种适用于海洋环境的自修复剂，并制备了具有裂缝自修复能力的海工混凝土。

2、公告号为cn 111087192 b的发明专利公开了一种用于海工混凝土的微生物自修复剂，其以珊瑚礁钙质砂作为微生物的载体，通过形成性质稳定的方解石，实现了裂缝自修复，提高了混凝土耐久性。然而，海洋环境可能会对微生物的存活率产生影响，从而降低裂缝修复效率。公告号为cn 113880480 b的发明专利公开了一种含氧化铝的火山灰材料和石灰的自修复载体，该载体可与海水中的硫酸根离子反应生成钙矾石，进而填充并封闭裂缝，避免硫酸盐对海工水泥基材料的侵蚀。但该专利未分析自修复载体对海水中浓度较大的氯离子的作用效果，限制了自修复载体的应用环境。

技术实现思路

1、本发明要解决的问题是实现海工混凝土裂缝自修复和海水中侵蚀性离子固化，提出一种用于海工自修复混凝土的矿物胶囊及制备方法与应用。

2、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种用于海工自修复混凝土的矿物胶囊，包括囊芯和包覆囊芯的囊壁，所述囊芯由修复剂和黏结剂组成，所述修复剂包括氧化镁膨胀剂、生石灰和偏高岭土，所述黏结剂为由部分偏高岭土和硅酸钠溶液反应生成的偏高岭土地聚物，所述囊壁由环氧树脂和细砂组成，原材料的重量份数分别为28～32份的氧化镁膨胀剂、28～32份的生石灰、38～42份的偏高岭土、32～36份的硅酸钠溶液、20～24份的环氧树脂、80～90份的细砂。

4、进一步的，所述原材料的重量份数分别为30份的氧化镁膨胀剂、30份的生石灰、40份的偏高岭土、34份的硅酸钠溶液、22份的环氧树脂、85份的细砂。

5、进一步的，用模数为2的硅酸钠配置的硅酸钠溶液的浓度为30 wt%。

6、进一步的，所述环氧树脂的型号为e51型环氧树脂。

7、进一步的，所述细沙的粒径为0.15～0.6 mm。

8、一种用于海工自修复混凝土的矿物胶囊的制备方法，包括如下步骤：

9、步骤1、按照重量份数分别称量28～32份的氧化镁膨胀剂、28～32份的生石灰、38～42份的偏高岭土、32～36份的硅酸钠溶液、20～24份的环氧树脂、80～90份的细砂，待用；

10、步骤2、将步骤1称量好的氧化镁膨胀剂、生石灰和偏高岭土放入圆盘造粒机中，在圆盘造粒机工作条件下混合均匀，得到第一混合物，待用；

11、步骤3、在圆盘造粒机工作条件下，将步骤2得到的第一混合物缓慢喷洒硅酸钠溶液，使部分偏高岭土和硅酸钠溶液反应生成偏高岭土地聚物，得到矿物颗粒，烘干后待用；

12、步骤4、将步骤3得到的矿物颗粒按照先后顺序包覆环氧树脂和细砂，然后进行烘干、筛分，得到所述的用于海工自修复混凝土的矿物胶囊。

13、进一步的，步骤2和步骤3中圆盘造粒机工作条件为设置圆盘造粒机直径为500mm，倾角为40°，转速为50 r/min，圆盘造粒机中的第一混合物的质量为940～1060 g，造粒时间为20 min，步骤2中缓慢喷洒硅酸钠溶液的喷洒速度为20 g/min，喷洒时间为16～18min。

14、进一步的，步骤3和步骤4中烘干的温度为60℃，烘干时间为24 h。

15、进一步的，步骤4中包覆环氧树脂和细砂的方法为首先将步骤3得到的矿物颗粒浸没于环氧树脂中2 min，然后取出沥干10 min，然后放入铺有细砂的容器中，左右晃动5min，得到所述的用于海工自修复混凝土的矿物胶囊。

16、一种用于海工自修复混凝土的矿物胶囊的应用，用于海工混凝土裂缝自修复和海水中侵蚀性离子固化，所述一种用于海工自修复混凝土的矿物胶囊取代部分河砂使用，将水泥、水、河砂、所述一种用于海工自修复混凝土的矿物胶囊混合，制备水泥砂浆，以水泥砂浆作为海工混凝土的代表性材料。

17、本发明的有益效果：

18、本发明所述的一种用于海工自修复混凝土的矿物胶囊，囊芯含有氧化镁膨胀剂、生石灰和偏高岭土三种矿物修复剂，与单一修复剂相比具有较大的修复优势；由环氧树脂和细砂组成的囊壁，可避免囊芯修复剂过早反应，有效保证了矿物胶囊的修复潜力。矿物胶囊破裂后，修复剂与海水接触，可反应生成friedel盐、钙矾石、水滑石、水镁石等多种修复产物，这些产物在裂缝处逐渐沉积填充，进而实现了裂缝自修复；同时，friedel盐和钙矾石的生成使得海水中氯离子和硫酸根离子被有效固化，进一步缓解了这些离子对混凝土基体的侵蚀。由于矿物胶囊所具备的裂缝自修复和侵蚀性离子固化的双重效应，其广泛应用可显著提高海工混凝土的耐久性，延长海工混凝土的服役寿命，具有重要的研究价值和深远的实际意义。

技术特征：

1.一种用于海工自修复混凝土的矿物胶囊，其特征在于，包括囊芯和包覆囊芯的囊壁，所述囊芯由修复剂和黏结剂组成，所述修复剂包括氧化镁膨胀剂、生石灰和偏高岭土，所述黏结剂为由部分偏高岭土和硅酸钠溶液反应生成的偏高岭土地聚物，所述囊壁由环氧树脂和细砂组成，原材料的重量份数分别为28～32份的氧化镁膨胀剂、28～32份的生石灰、38～42份的偏高岭土、32～36份的硅酸钠溶液、20～24份的环氧树脂、80～90份的细砂。

2.根据权利要求1所述的一种用于海工自修复混凝土的矿物胶囊，其特征在于，所述原材料的重量份数分别为30份的氧化镁膨胀剂、30份的生石灰、40份的偏高岭土、34份的硅酸钠溶液、22份的环氧树脂、85份的细砂。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于海工自修复混凝土的矿物胶囊，其特征在于，用模数为2的硅酸钠配置的硅酸钠溶液的浓度为30 wt%。

4.根据权利要求3所述的一种用于海工自修复混凝土的矿物胶囊，其特征在于，所述环氧树脂的型号为e51型环氧树脂。

5.根据权利要求3所述的一种用于海工自修复混凝土的矿物胶囊，其特征在于，所述细沙的粒径为0.15～0.6 mm。

6.一种权利要求1-5之一所述的一种用于海工自修复混凝土的矿物胶囊的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种用于海工自修复混凝土的矿物胶囊的制备方法，其特征在于，步骤2和步骤3中圆盘造粒机工作条件为设置圆盘造粒机直径为500 mm，倾角为40°，转速为50 r/min，圆盘造粒机中的第一混合物的质量为940～1060 g，造粒时间为20 min，步骤2中缓慢喷洒硅酸钠溶液的喷洒速度为20 g/min，喷洒时间为16～18 min。

8.根据权利要求7所述的一种用于海工自修复混凝土的矿物胶囊的制备方法，其特征在于，步骤3和步骤4中烘干的温度为60℃，烘干时间为24 h。

9.根据权利要求8所述的一种用于海工自修复混凝土的矿物胶囊的制备方法，其特征在于，步骤4中包覆环氧树脂和细砂的方法为首先将步骤3得到的矿物颗粒浸没于环氧树脂中2 min，然后取出沥干10 min，然后放入铺有细砂的容器中，左右晃动5 min，得到所述的用于海工自修复混凝土的矿物胶囊。

10.一种权利要求1-5之一所述的一种用于海工自修复混凝土的矿物胶囊的应用，其特征在于，用于海工混凝土裂缝自修复和海水中侵蚀性离子固化，所述一种用于海工自修复混凝土的矿物胶囊取代部分河砂使用，将水泥、水、河砂、所述一种用于海工自修复混凝土的矿物胶囊混合，制备水泥砂浆，以水泥砂浆作为海工混凝土的代表性材料。

技术总结
一种用于海工自修复混凝土的矿物胶囊及制备方法与应用，属于土木工程材料技术领域。为实现海工混凝土裂缝自修复和海水中侵蚀性离子固化，本发明包括囊芯和包覆囊芯的囊壁，所述囊芯由修复剂和黏结剂组成，所述修复剂包括氧化镁膨胀剂、生石灰和偏高岭土，所述黏结剂为由部分偏高岭土和硅酸钠溶液反应生成的偏高岭土地聚物，所述囊壁由环氧树脂和细砂组成，原材料的重量份数分别为28～32份的氧化镁膨胀剂、28～32份的生石灰、38～42份的偏高岭土、32～36份的硅酸钠溶液、20～24份的环氧树脂、80～90份的细砂。本发明可显著提高海工混凝土的耐久性，延长海工混凝土的服役寿命。

技术研发人员：关新春,李静卢,白帅
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16