一种添加凹凸棒石基触变剂制备滑膜施工用混凝土的方法

本发明涉及一种滑膜施工用混凝土的制备方法，尤其涉及一种添加凹凸棒石基触变剂制备滑膜施工用混凝土的方法，属于绿色、低碳建筑材料领域。

背景技术：

1、随着我国社会经济和科学技术的快速发展，基建工程结构更加复杂且向多维方向发展，施工工艺逐步向机械化、智能化以及一体化发展，建筑行业也更加注重科技创新驱动提质增效升级和高质量发展。而滑模施工是现浇混凝土工程的一项施工工艺，采用滑模摊铺机将运输至施工现场的新拌混凝土一次性密实摊铺成型，堪称“水泥混凝土的3d打印机”，倍受各界青睐。滑模施工具有机械化程度高、施工速度快、结构整体性好、表面光洁度高、线形美观直顺等优势，相比人工支模的传统工艺，在降低劳动强度、减少材料消耗、提高施工质量和效率、保障安全作业以及提升综合效益等方面具有无可比拟的优势。

2、滑模摊铺在混凝土路面、道路、桥梁护栏、路缘石、边坡和沟渠等附属结构施工上已有应用示范，但随着该技术的推广与应用，混凝土制品质量和施工现场技术问题也随之而来。譬如在滑模施工铺筑具有一定的垂直高度（约1.2m）的混凝土防撞护栏时，对混凝土拌合物的工作性要求较高，应具有低坍落度、高黏聚性、早强快硬、快速成型的特性。而且混凝土护栏作为道路和桥梁小尺寸构件，具有很长的纵向连续长度，要严格控制构件的外观质量，满足内实外光、尺寸准确、线性顺直以及色泽—致等原则。然而，在护栏滑模铺筑过程中，为便于施工，往往采用干硬性混凝土（塌落度宜控制在30±10mm），过小的坍落度导致混凝土进、出搅拌运输车罐体困难，且运输过程中易粘罐，难于采用砼搅拌运输车运输，只能采用槽车运至现场后再使用挖掘机进行布料，大幅增加混凝土运输和布料的操作难度和成本，而且摊铺过程中由于振动液化不充分，还会造成护栏下部形成空洞，甚至使新铺筑的混凝土护栏产生沉降；而选择坍落度过大的混凝土会造成黏聚性差、麻面离析、线型扭曲变形、早期开裂和收缩等问题，混凝土的工作性能、硬化后强度和耐久性会降低，为交通行车安全埋下了安全隐患，还会增加后期的维护和修复的经济成本。

3、在整个滑膜施工过程，混凝土拌合物既要满足在运输和布料过程中具有良好的流动性、包裹性和保水性，还要求在振捣、挤压摊铺过程中保证良好的黏聚性、密实型和保型性。而在滑模施工设备已相当成熟的前提下，滑模施工工艺的技术难点就在于混凝土拌合物的配合比设计、和易性和触变性等工作性能的调控。只有滑模施工混凝土具备优异的工作性能（如和易性、易密性、强度以及稳定性）满足滑模施工各阶段的施工要求，配合滑模摊铺机的平稳运行，才能充分展现滑模施工过程的高质量和高效率。同时，还应根据运距、环境、气候等条件选用适宜的外加剂来保证和提升混凝土拌合物的工作性能，单一聚羧酸高性能减水剂的减水率较高，使混凝土具有较高的流动度，但保塑性较差，严重影响了滑模施工的施工进度与施工质量，这就需要优选相容性好、绿色环保的功能组分得到一种复合外加剂，来改善混凝土的和易性和保型性。因此，配制一种既能满足滑膜施工工作性能要求，又具有良好保塑性及较高早期强度的滑模施工混凝土具有重要的现实意义。

4、在建筑行业，常通过加入化学改性剂（例如羟乙基纤维素醚、羟丙基甲基纤维素醚）或聚合物助剂来提高胶凝材料的工作性能。与化学类添加剂不同，天然的微-纳米结构黏土矿物具有优异的表面效应、体积效应、尺寸效应以及填充效应等特性，已成为环境友好型功能材料和新型辅助填料的首选。其中，凹凸棒石是一种具有层链状结构的含水富镁铝硅酸盐黏土矿物，是一种天然的一维纳米结构材料，其独特的纳米棒状晶体形貌、孔道结构以及荷电性质使其具有优良的胶体性能、吸附性能以及对高分子材料的补强增韧等性能，广泛应用于石油、化工、环保、医药、食品、能源等各工业领域。研究表明，绿色环保、成本低廉的凹凸棒石可以提升混凝土材料的工作性能和应用性能，例如利用凹凸棒石制备桥梁高墩滑模混凝土的触变剂、利用凹凸棒石等黏土矿物制备混凝土的增稠剂、以凹凸棒石为混凝土组分来提升混凝土强度或利用凹凸棒石提升混凝土砌块的保温隔热性能。正如一种高速公路桥梁高墩滑模混凝土及其制备力法（cn118221399a）、一种可喷射施工的超高性能混凝土组合物（cn114075059a）、一种含有改性玄武岩纤维的胶凝材料及其制备方法（cn113173749b）、一种触变性胶体为模板剂的纳米多孔混凝土及制备方法（cn105294141a）、一种混凝土复合外加剂及其制备方法（cn113292273a）、一种混凝土及其制备方法（cn107879690 a）、一种纳米凹凸棒石再生混凝土制备方法（cn113773016a）、一种赤泥／凹凸棒石陶粒混凝土空心保温砌块及其制备方法（cn103253907b）等专利均涉及此项内容。但上述利用凹凸棒石提升混凝土工作性能的技术方案中，仅利用凹凸棒石的黏度、高温煅烧凹凸棒石的活性或采用凹凸棒石去表面修饰玄武岩纤维来增加表面活性等技术特征，并未实现真正意义上的高效利用凹凸棒石自身特有的结构特征、理化性能和微-纳米效应。

5、事实上，并非所有的凹凸棒石在低浓度下都具有增黏和触变性能，仅发育较为完善、纯度较高、棒晶长/径比大且具有三八面体晶体结构的明光凹凸棒石具备优异的增黏、触变性能；而增加凹凸棒石添加量必然会提升悬浮液的黏度和触变性，也超过一定的添加量（如≥2%）会使混凝土拌合物瞬间变得干硬、失去流动性，给后续施工带来极大的困扰。同时，鉴于滑膜施工工艺的特殊性以及所用混凝土工作性能的高要求，还需要重视滑模施工用混凝土原材料的选配和质量控制、配合比的设计、功能外加剂的复配和拌合过程等关键控制因素，这对于滑模施工技术在建筑行业的推广和应用具有重要现实意义。基于此，本发明通过添加明光凹凸棒石触变剂浆液、调控复合外加剂中功能组分和比例、优化配合比以及分步拌合等多重策略，定量分析凹凸棒石触变剂添加量、复合外加剂中关键功能组分比例、配合比等关键因素与混凝土拌合物的工作性能之间的构效关系，成功制备出具有优异保坍性、密实性、和易性以及强度的混凝土，在滑模施工、3d打印、复杂构件制造等领域均具有良好的应用前景。

技术实现思路

1、针对上述的混凝土拌合物无法同时满足滑膜施工中运输、布料、摊铺、成型阶段中特定工作性能要求，严重限制了滑模施工工艺施工速度、施工质量、综合经济效益等方面优势的充分发挥，本发明在深刻理解滑膜施工工艺过程、滑膜施工用混凝土的特定工作性能要求以及明光凹凸棒石的理化特性的基础上，提供了一种添加凹凸棒石基触变剂制备滑膜施工用混凝土的方法，首先对明光凹凸棒石进行酸活化和表面微疏水化处理后得到触变剂浆液，然后将优化配比的水泥、粉煤灰、砂子、碎石、水、复合外加剂（由聚羧酸减水剂、葡萄糖酸钠、六偏磷酸钠、硼砂和α--烯烃磺酸钠复配而成）和触变剂浆液等物料分步添加和拌合，得到滑膜施工用混凝土。

2、本发明的添加凹凸棒石基触变剂制备滑膜施工用混凝土的方法，其特征在于：混凝土由下述重量份数原料拌合而成：水泥315-320份，粉煤灰55～60份，砂子（含泥量≤1.0%）840～850份，碎石（5～10mm）305～315份，碎石（10～20mm）720～725份，水180～190份，复合外加剂5～6份，凹凸棒石基触变剂1.5～3.0份。所述的水泥为硅酸盐水泥、白水泥和硫铝酸盐水泥中任意一种及以上混合，脱硫石膏和醇胺类助磨剂掺量分别≤6%和0.1%；粉煤灰为f级粉煤灰，需水比（%）≤90；碎石中含泥量≤1.0%。所述砂子为天然砂或水洗砂，以中粗砂为主，细度模数为2.6～3.2，其中水洗砂中的絮凝剂含量≤0.5%。所述的复合外加剂是碳六型聚羧酸减水剂（减水率为25～35%）和葡萄糖酸钠、六偏磷酸钠、硼砂和α-烯烃磺酸钠（aos）按质量比为100：2～4：2～3：1～2：0.25～1.0搅拌复配而成。上述配合比的设计是依据原材料的基本技术性能及滑模施工特定条件，结合混凝土初步配合比设计和实验室配合比试验，系统考察了水胶比、单位用水量、砂率、外加剂组分以及添加量的变化对混凝土的和易性、坍落度以及机械强度等关键工作性能影响后，最终确定出能够满足滑模施工所要求的施工条件、力学性能以及其他技术经济指标的组成材料的用量。

3、其中，若细骨料砂子中的含泥量过大，其中的泥质矿物吸附复合外加剂中的功能组分，大幅降低复合外加剂中的功效以及组分间的协同增强效应，甚至导致外加剂失效，因此需要控制砂子中含泥量≤1.0%；同时砂子的颗粒形状及表面特征会影响其与水泥的粘结及混凝土拌合物的流动性，为满足滑模施工混凝土的流动性，优选以中粗砂为主，细度模数为2.6～3.2，以适量的中粒径砂填充粗砂间的空隙，总空隙率及总表面积减小，不仅水泥浆用量较少，而且还可提高混凝土的密实性与强度；而若选用水洗砂，需要限定水洗砂中的絮凝剂含量≤0.5%，这是因为砂子含有的微量絮凝剂会降低混凝土的强度，导致滑模施工过程中混凝土的保型性受损。此外，粗骨料的最大粒径受结构型式和配筋疏密限制，粗骨料的表面状况还与强度密切相关，考虑到滑模施工过程中由螺旋布料器完成进料，而摊铺过程中混凝土穿过绑扎钢筋网并将钢筋紧紧包裹起来，所以对骨料中碎石的最大粒径进行优化控制，选5～10mm和10～20mm两种粒径的碎石并按照质量比3：7进行配施，既保证了滑模施工过程的进料和摊铺时的可操作性，同时满足了滑模施工混凝土具有足够的强度和光滑的表面。同时，为了满足滑模施工混凝土需兼具流动性（运输过程）和快速黏聚立模（摊铺时）等要求，还限定水泥中脱硫石膏和醇胺类助磨剂的掺量以及粉煤灰的需水比等技术特征，保证滑模施工用混凝土具有优异的工作性能。

4、凹凸棒石基触变剂的制备方法如下：明光凹凸棒石原矿经制浆酸活化和表面微疏水化处理后，以固含量5～7%分散在水中并搅拌水化至少12h得到触变剂浆液，并以浆液形式添加。所述明光凹凸棒石原矿中凹凸棒石含量≥75%，以xrf测试化学组成中mgo的质量分数在10～14%。所述制浆酸活化是将明光凹凸棒石原矿粉碎至100目后，超声分散在ph值为3.5～4.0的硫酸或磷酸水溶液中搅拌反应4～8h。所述表面微疏水化处理过程为：首先，将油酸甘油酯或硅烷偶联剂加入醇水混合溶液（醇/水体积比=8：2）中得到均一的改性溶液；然后，将酸活化凹凸棒石以固含量7%超声分散到上述改性溶液中，加温（80～90℃）回流搅拌反应6～8h后，离心、干燥得到表面微疏水化处理粉体，其中油酸甘油酯或硅烷偶联剂的加入量为酸活化凹凸棒石质量的0.5～2.0%。

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6、从不同凹凸棒石的理化性质（表1）和sem图像（图1）对比可知，三八面体棒晶结构的明光凹凸棒石具有高纯度、棒晶长/径比大、mgo含量高以及比表面积和孔体积大等特性，在相同的处理条件（7%固含量，11000rpm下搅拌20分钟）下，明光凹凸棒石悬浮液的初始粘度分别是盱眙凹凸棒石和临泽混维凹凸棒石黏土悬浮液的20和100倍，低添加量（2%）下2h内几乎无沉降，并展现出极为优异的悬浮稳定性，这都要归结于明光凹凸棒石特有的高纯度、长棒晶和晶体结构等性质。同时，特有的结构特征和理化性质有利于在静止状态下明光凹凸棒石纳米棒晶和棒晶束相互缠绕、交错形成絮凝的团聚体，将大量的水分子束缚在网状结构中，形成低流动性和高承载力的凝胶体，而经过反复剪切或者搅动，形成的三维网络结构被破坏，将其中水分子释放又会提升复合物的流动性，即有利于展现出滑膜施工中至关重要的混凝土触变性特征。使用流变仪（anton-paar mcr102）测试水泥浆体的流变性能，将其初始应力/平衡应力的比值定义为触变性指数，可定量描述静态和动态屈服应力之间的关系，触变性指数越大，说明该复合水泥浆体材料越易静止增稠和剪切变稀，复合水泥浆体的触变性越好。将上述三种凹凸棒石以0.5%的质量分数高速分散在水泥浆体中，发现水泥净浆的触变性指数仅为1.93，而添加明光凹凸棒石基对水泥净浆的触变性指数提升幅度最大（约25%），证实了添加明光凹凸棒石更易于得到低动态屈服应力、高静态屈服应力和触变性的水泥基胶凝材料，这使其在滑膜施工和3d打印等触变性混凝土应用领域具有良好的发展潜力。

7、本技术选择具有长棒晶、高黏度和触变性等特性明光凹凸棒石来制备混凝土的触变剂，并以水化饱和浆液的形式添加（降低本体吸水对混凝土水胶比的影响），这既不会影响其与混凝土其他基材之间的相容性，又可以充分发挥明光凹凸棒的纳米晶体结构和胶体特性。同时，明光凹凸棒石吸附性能不如其他两种凹凸棒石，当添加到混凝土拌合物中时，其对减水剂、引气剂等功能组分的吸附能力弱，更有利于功能组分发挥相应的功效。其中，明光凹凸棒石经酸活化可除去原矿中不稳定的碳酸盐、可溶盐等杂质，酸活化浆液的电导率值明显降低，证实其中可溶盐数量减少，而且孔道结构疏同也有利于与微疏水化改性剂的结合；而限定酸活化溶液的ph值在3.5～4.0也为了防止酸化过程中凹凸棒石黏度大幅降低，影响在滑模施工的实际应用性能。而酸活化凹凸棒石再经表面微疏水化处理，一方面可削弱凹凸棒石对混凝土体系中游离水和自由水的强吸附，使体系中有充足水分进行水化、水合和润滑，另一方面可使凹凸棒石变成两亲性、高分散性触变剂，矿物一端亲水，接枝的长链有机物分子的另一端不但可以通过静电斥力作用将凹凸棒石基触变剂均匀分散在水泥浆体和骨料间隙，还可以与复合外加剂中游离组分结合，提升触变性能和保水性能。最终，以经酸活化和表面微疏水化处理后的明光凹凸棒石充分水化后，以触变剂浆液的形式添加到混凝土中，即解决了凹凸棒石亲水性强导致混凝土拌合物快速干硬，不具滑模施工运输的流动性要求，同时高分散性触变剂浆液可以快速分散和作用于无机-有机材料之间，在振捣和摊铺过程中展现出优异的触变性、填充效应和增韧补强效应。

8、复合外加剂是将优化比例的缓凝剂、保塌剂、引气剂、消泡剂添加到高效碳六型聚羧酸减水剂中复配而成的。混凝土拌合过程如下：首先向混合均匀的水泥、砂子、碎石、粉煤灰干料中加入80%的水和复合外加剂后搅拌2～3min，然后加入凹凸棒石基触变剂浆液再次搅拌2～3min，得到滑膜施工用混凝土。而坍落度、密实性和强度是衡量滑模施工用混凝土拌合物工作性能和质量控制的关键技术指标，其中，初始坍落度和坍落度经时变化直观体现了混凝土的和易性、自密实和保型能力，而高强度混凝土不仅能够保障建筑工程质量，还能为建筑安全提供有力保障。从所制备混凝土的坍落度经时变化情况（图2）可以看出，对比例1选用现场支模浇筑法所用配合比，制备混凝土拌合物会出现轻微泌水，1h后坍落度变为30mm，混凝土试件表面有部分小凹陷，该混凝土流动性和自密实性欠佳，无法满足滑模施工混凝土的要求。对比例2是在同样配合比下添加明光凹凸棒石（胶凝材料质量的0.5%）浆液，混凝土拌合物的和易性明显提升，虽1h后的坍损很大，依旧无法满足滑模施工混凝土的施工要求，但坍落后的混凝土试件表面更为光滑、密实，说明加入凹凸棒石可明显提升混凝土的和易性和密实性。进一步，从实施例1～3的混凝土的坍落度经时变化（图2）可以明显看出，添加微疏水化处理的明光凹凸棒石触变剂浆液和复合外加剂的混凝土拌合物均未出现快速黏聚或干硬化，而在2h内始终展现出优异的和易性、黏聚性和保型性，坍落度保持在130～190mm之间，水泥浆体与骨料的包裹性较好，尤其是实施例3中坍落后的混凝土试件堆积形态为近似理想圆台型，试件表面更为光滑、致密、无塌陷，具有优异的触变性和自密实能力，完全可以满足滑模施工混凝土的工作性能要求。

9、ct扫描技术是以一种创新、非破坏的方式来深入研究混凝土的微观结构，能够较好反映出混凝土内部集料和孔隙的空间分布规律以及孔隙结构特征。此外，由于混凝土中水泥砂浆和石子材料的密度不同且内部包含孔隙，混凝土对x射线的吸收系数不同，即ct值不同，而ct值的大小直接反映混凝土材料的密度大小和密实程度，ct值越大，表示混凝土材料密度越大也更密实，相应的机械强度也更大。从不同混凝土的ct扫描图像（图3和4）中可以看出，添加明光凹凸棒石浆液可以增加混凝土的黏聚性，而试块中心胶凝材料较多、集料相对较少，外部的集料分布相对更为均匀，层厚为6和9cm时大直径的孔隙数量较多且集中（图3）；而添加凹凸棒石基触变剂和复合外加剂使混凝土中各个断层中胶凝材料和集料均呈现均匀分布和严密包裹，整个断面中孔隙数量明显减少且多为未联通的小孔隙（图4），这说二者协同改善混凝土的集料和孔隙的空间分布均匀程度以及孔隙结构特征，接枝长链有机物分子的凹凸棒石基触变剂可高效、快速填充在水泥浆体和骨料之间的微间隙，并与复合外加剂中游离组分结合，提升混凝土的和易性、触变性能和保水性能，更有利于形成稳定的致密结构、提升混凝土的强度。这从混凝土的ct值和抗压强度变化上得以充分体现，对比例2所制备的混凝土的ct值和抗压强度分别为1721.52 hu、40.62 mpa，而实施例3中添加凹凸棒石基触变剂和复合外加剂后，混凝土的ct值和抗压强度分别增大至为1905.36hu、46.21mpa，远高于防撞墙c30的强度要求，其他实施例也呈现出相同的趋势，展现出优异的密实性和增韧补强性能。

10、综上所述，本发明与现有技术相比具有以下优点：

11、1、本发明通过在混凝土材料中引入明光凹凸棒石触变剂浆液和多功能复合外加剂，进一步结合各组分质量控制、优化配合比以及分步拌合等多重策略，成功制备出具有优异触变性、保坍性、和易性以及密实性的混凝土，可满足滑模施工、3d打印以及复杂结构构筑物建造所用混凝土的特定工作性能，在提高建筑施工质量和效率、提升综合效益、降低劳动强度以及减少材料消耗等方面具有突出优势；

12、2、本发明依据滑模施工应用场景和现场施工要求，以具备触变性、棒晶长/径比大、高悬浮稳定性的明光凹凸棒石为原料，通过酸活化和表面微疏水化处理得到触变剂浆液，并优选保塌剂、缓凝剂、引气剂等多种组分与高效减水剂复配得到了功能复合外加剂，协同调控混凝土的宏观性能（坍落度变化、强度）和微观特性（内部集料分布、孔隙空间分布），制备出2h内坍落度保持在130～190mm之间、高密实性且高强度的混凝土材料；

13、3、本发明的混凝土制备方法是在常规混凝土拌和工艺基础上进行微调整，在不增加设备投资的基础上，通过添加少量的凹凸棒石基触变剂和功能外加剂等策略，得到了具有特定工作性能的混凝土，可应用于滑模施工或触变性混凝土的其他应用领域。而且上述微调整虽使每方混凝土成本增加70～100元，但解决了滑模施工混凝土的运输、布料、摊铺等多项实际技术难题，环境污染和生态破坏小，具有良好的经济效益和社会效益。