一种高强度透光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，具体涉及一种高强度透光混凝土及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的发展，混凝土的强度等级一直在不断地提高，同时，混凝土也不再局限于满足单纯的建筑材料强度的基本需要，而对其多元化功能、环保节能、艺术美学提出更高层次的要求。如在混凝土中加入透光材料，当透光材料(透光材料如玻璃光纤、聚丙烯透光纤维)掺量占混凝土总体积较小时，对透光混凝土的抗压强度影响较小，可以忽略不计；当透光材料掺量较高时，混凝土抗压强度随着透光材料体积掺量的增大而降低，同时，透光性能也随着混凝土材料的厚度增大而降低。为解决这个问题，部分专家将混凝土中增加树脂材料以高幅度提高混凝土的抗压强度，但是不能解决老化耐久性问题。如中国专利CN107687226B公开的具有自清洁功能的透光水泥板及其制备方法，其由用作导光的预制透光树脂单元、用作主体的自密实水泥砂浆基体和用作罩面层的超疏水自清洁透明图层组成，其中，预制透光树脂单元整体嵌入在自密实水泥砂浆基体的接触面需涂刷界面改性剂进行界面增强。

总之，现有的透光混凝土或者存在耐久性问题或者存在强度低的问题或者存在透光性能问题，进而限制了透光混凝土的推广应用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足而提供一种抗压、抗折强度高，较好的耐久性及高透光性的透光混凝土及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种透光混凝土，包括混凝土基体及设置在所述混凝土基体内的透光纤维，按重量份计，所述混凝土基体的原料配方包括以下组分：

根据本发明的一些实施方面，所述混凝土基体中，所述硅酸盐水泥为600～750份。更优选地，所述硅酸盐水泥为700份。

根据本发明的一些实施例方面，所述硅酸盐水泥为为P·Ⅱ硅酸盐水泥；更优选地，所述硅酸盐水泥为P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥。

根据本发明的一些实施方面，所述混凝土基体中，所述硅灰为180～280份。更优选地，所述硅灰为200份。

根据本发明的一些实施例方面，所述硅灰为普通硅灰；更优选地，所述硅灰为45μm方孔筛筛余率≤3％，二氧化硅含量＞96％，比表面积为18000-22000m

根据本发明的一些实施方面，所述混凝土基体中，所述矿粉为80～150份。更优选地，所述矿粉为100份。

根据本发明的一些实施例方面，所述矿粉选自普通矿粉；更优选地，所述矿粉为比表面积＞500m

根据本发明的一些实施方面，所述混凝土基体中，所述聚羧酸减水剂为3～15份。更优选地，所述聚羧酸减水剂为7份。

根据本发明的一些实施例方面，所述聚羧酸减水剂选自聚羧酸高效减水剂；更优选地，所述聚羧酸减水剂为降粘型聚羧酸减水剂，最优选为降粘型聚羧酸高效减水剂。

根据本发明的一些实施方面，所述混凝土基体中，所述细砂为1050～1300份。优选地，所述细砂为1200份。

根据本发明的一些实施例方面，所述细砂选自普通河砂；更优选地，所述细河砂为最大粒径≤1mm的天然河沙或者石英砂。

根据本发明的一些实施方面，所述混凝土基体中，所述钢纤维为80～150份。优选地，所述钢纤维为100份。

根据本发明的一些实施例方面，所述钢纤维为超细镀铜钢纤维，其长度为7mm-15mm，直径为0.1mm-0.2mm；更优选地，所述超细镀铜钢纤维的长度为7mm-13mm，直径为0.12mm-0.15mm。

根据本发明的一些实施例方面，所述纳米二氧化硅或纳米碳酸钙经球磨和增加表面活性剂以提高其分散性。

根据本发明的一些实施方面，所述混凝土基体中，所述纳米二氧化硅为5～20份。优选地，所述纳米二氧化硅为10份。

根据本发明的一些实施方面，所述混凝土基体中，所述纳米碳酸钙为20～40份。优选地，所述纳米碳酸钙为30份。

根据本发明的一些优选实施方面，所述混凝土基体的原料配方包括以下组分：

根据本发明的优选实施方面，所述混凝土基体中，当添加所述纳米二氧化硅时，所述纳米二氧化硅的质量占混凝土基体中的胶凝材料总重量的0.5～1.5％；当添加所述纳米碳酸钙时，所述纳米碳酸钙的质量占混凝土基体中的胶凝材料总重量的2～4％，所述胶凝材料为硅酸盐水泥、硅灰和矿粉。

根据本发明的优选实施方面，所述混凝土基体中，所述矿粉占胶凝材料总重量的10～20％。优选地，所述矿粉占所述胶凝材料的10～17％。

根据本发明的优选实施例方面，所述混凝土基体的原料配方包括以下组分：硅酸盐水泥700份、硅灰200份、矿粉100份、水200份、聚羧酸减水剂7份、细砂1200份、钢纤维100份、纳米碳酸钙30份或纳米二氧化硅10份。

根据本发明的一些实施方面，所述透光纤维设置多根，各所述透光纤维沿所述混凝土基体的厚度方向延伸设置。

根据本发明的一些实施方面，多个所述透光纤维在所述混凝土基体内规则或不规则分布。

根据本发明的一些实施方面，所述透光纤维的添加体积为所述透光混凝土的总体积的35％以下。优选地，所述透光纤维的添加体积为所述透光混凝土的总体积的1％～35％。

根据本发明的一些实施方面，所述透光纤维为聚丙烯透光纤维。

聚丙烯透光纤维为宁波时科新材料公司采购。

根据本发明的一些实施方面，各所述透光纤维的横截面积为0.02～20mm

根据本发明的一些实施方面，所述透光混凝土的厚度为大于等于4.5mm的高性能轻质混凝土板材。

本发明采取又一技术方案：上述所述的透光混凝土的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)在模具内设置多根透光纤维，使得各所述透光纤维在所述模具内沿预制透光混凝土的厚度方向延伸设置；

(2)按所述的混凝土基体的原料配方，将各组分混合均匀，制成浆料；

(3)将所述浆料浇注至所述模具内，固化成型，制得半成品；

(4)所述半成品在蒸汽压力0.4±0.1MPa下蒸汽养护8～14h。

进一步地，步骤(4)中，所述蒸汽养护的具体实施为：所述半成品在蒸汽压力0.4±0.1MPa环境下，先在20±2℃下养护3～4h，然后按20℃～30℃/h的升温速率升温至70～80℃，并在70℃～80℃下恒温养护4～6h，然后降温至20±2℃下养护，所述降温的降温速率小于等于30℃/h。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明通过在透光混凝土的混凝土基体中添加特定纳米颗粒，并优化混凝土基体的配方及配合透光纤维的使用，使得透光混凝土具有超高强度、高耐久性能且具有较好的透光性能。采用本发明的透光混凝土可用于应急逃生平台板、混凝土内外墙及装饰板等，应用范围广。

本发明的透光混凝土的制备方法中，混凝土浇筑完成后，采用快速蒸汽养护，相比自然养护能够提高透光混凝土的抗压/抗折强度，加快模具的周转率，且还节约时间。

附图说明

图1为实施例1的透光混凝土的结构示意图；

1、混凝土基体；2、透光纤维。

图2为本发明制备方法中采用的蒸汽养护过程的示意图。

具体实施方式

纳米材料在水泥基材料中的应用，对水泥石结构和性能的影响有重要作用，其作用机理主要有以下几个方面：(1)纳米填充效应。纳米材料可以填充未被水泥颗粒及水化产物所填充的空间，由于其较小的尺寸可以填充内部的毛细孔，密实水泥石结构。比如纳米碳酸钙，纳米碳酸钙作为一种惰性材料，主要是利用尺寸效应，填充水泥基材料的孔隙，优化界面过渡区，从而提升混凝土制品的强度。(2)化学活性。部分活性颗粒，比如纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米氧化铁等，可参与水泥水化反应，且可与二次水化产物反应。由于纳米颗粒比较小，比较面积比较大等特点，相较于微米及更大尺寸的材料具有更高的化学活性，可以最大限度的促进水泥水化，提高水泥基材料的早期强度。(3)晶核作用。纳米材料表面具有较高的活性位点，掺入水泥浆后，水化过程中形成的水化产物以此为晶核，优先沉积到纳米颗粒表面，使C-S-H凝胶由松散结构变成整体均匀的稳定状态。(4)优化界面过渡区结构。纳米材料在水泥基材料中可降低片状水化产物氢氧化钙在水泥颗粒与骨料处的密集分布，从而改善界面过渡区结构，进而提高水泥基材料性能。

纳米材料作为一种新型水泥基材料改性手段，正在逐渐进入人们的视野。本发明也表明掺入一定的纳米材料有利于提高材料的性能，且可根据纳米材料特性差异赋予水泥基材料特殊的功能属性，已成为促进水泥基材料发展的重要方向之一。特别是本发明将纳米材料掺加入透光混凝土中，并提出一种透光混凝土板材的生产工艺和养护制度，填补了国内相关产品的空白。解决了透光混凝土强度低，耐久性差等问题，在不减少强度和耐久性的情况下，可以有效降低透光混凝土的厚度，提高混凝土透光率，设计的一种用于应急安全疏散平台的超高强高性能透光混凝土平台板，是透光混凝土又一创新性的应用领域，具有环保节能、艺术美学、耐久性和安全性高等多元化功能。

下面结合具体实施例详细说明本发明的技术方案，以便本领域技术人员更好理解和实施本发明的技术方案，但并不因此将本发明限制在所述的实例范围之中。

以下实施例中使用的部分原料来源如下：

水泥：P·Ⅱ52.5普通硅酸盐水泥，购自深圳海星小野田水泥有限公司。

细砂：粒径分别为20目、40目、80目的机制砂，购自安徽蚌埠。

矿粉：S95矿粉，购自河北友胜耐火材料有限公司。

硅灰：埃肯微硅粉920，容重360kg/m

钢纤维：超细镀铜钢纤维，直径0.2mm，长度12mm，抗拉强度2000Mpa，购自上海真强。

纳米二氧化硅(以下记为NS)：亲水性气相纳米二氧化硅，比表面积380m

纳米碳酸钙(以下记为NC)：粒径40-80nm，堆密度0.40g/ml，购自先丰纳米。

减水剂：德国巴斯夫粉体聚羧酸减水剂，比重1.03-1.07，pH 6-8，购自山东豪建国际贸易有限公司。

光纤为聚丙烯透光纤维：购自宁波时科新材料公司。

实施例1

本实施例提供的透光混凝土，参见图1所示，透光混凝土包括混凝土基体1及设置在混凝土基体1内的透光纤维2，透光纤维2设置多根，各透光纤维2沿混凝土基体1的厚度方向延伸设置，本例中，多根透光纤维2在混凝土基体1内规则分布，如排布成箭头图案。

本例的透光混凝土的原料配方如表1所示，其中，

砂子为20目、40目、80目的细砂按质量比5:3:2的组合。

表1为实施例1的透光混凝土的原料配比

注：NS10-0.5％表示外掺0.5％纳米二氧化硅、10％矿粉(胶凝材料含量)的透光混凝土。

本例的透光混凝土通过以下方法制备得到：

(1)将水泥、砂子、硅灰、矿粉、纳米二氧化硅倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌6min，使之均匀；

(2)将粉体减水剂和水混合，然后倒入步骤(1)得到的混合物中继续搅拌4min；

(3)向步骤(2)得到的混合物中加入超细镀铜钢纤维，继续搅拌3min，得到浆料；

(4)将步骤(3)得到的浆料倒入固定有透光纤维的模具中成型，透光纤维在模具中按图1中的箭头图案的排布。

(5)24h后拆模。

(6)将拆模成型后的试块分别进行自然养护和蒸汽养护制成透光混凝土。

其中，自然养护方法为：将试块放入标准养护箱(20±2℃，相对湿度大于95％)中，在标准养护箱中养护3天。

蒸汽养护方法为：成型试块在蒸汽压力0.4±0.1MPa下蒸汽养护8～14h，分为静停、升温、恒温、降温四个阶段，养护制度流程参见图2所示，试块在蒸汽压力0.4±0.1MPa环境下，先在20±2℃下养护3～4h，然后按20℃～30℃/h的升温速率升温至70～80℃，并在70℃～80℃下恒温养护4～6h，然后降温至20±2℃下养护，所述降温的降温速率小于等于30℃/h。

本例中具体养护制度为：将试块放入蒸汽养护箱中在蒸汽压力0.4±0.1MPa下养护12h，其中，蒸汽养护箱的养护制度如下：在压力0.4MPa蒸汽养护的静停时间控制在3.5h，然后进入升温阶段，升温速度为25℃/h，经过2h进入恒温养护，养护温度约70℃～80℃，恒温养护时间约5h后，降温缓慢进行，降温速度20℃/h。

实施例2

本实施例提供的透光混凝土，其原料配方如表2所示，其他同实施例1。

表2为实施例2的透光混凝土的原料配方

注：NS10-1％，表示外掺1％纳米二氧化硅、10％矿粉(胶凝材料含量)的透光混凝土。

本例的透光混凝土的制备方法同实施例1。

实施例3

本实施例提供的透光混凝土，其原料配方如表3所示，其他同实施例1。

表3为实施例3的透光混凝土的原料配方

注：NS10-1.5％，表示外掺1.5％纳米二氧化硅、10％矿粉(胶凝材料含量)的透光混凝土。本例的透光混凝土的制备方法同实施例1。

实施例4

本实施例提供的透光混凝土，其原料配方如表4所示，其他同实施例1。

表4为实施例4的透光混凝土的原料配方

注：NC10-2％，表示外掺2％纳米碳酸钙、10％矿粉(胶凝材料含量)的透光混凝土。

本例的透光混凝土的制备方法同实施例1。

实施例5

本实施例提供的透光混凝土，其原料配方如表5所示，其他同实施例1。

表5为实施例5的透光混凝土的原料配方

注：NC10-3％，表示外掺3％纳米碳酸钙、10％矿粉(胶凝材料含量)的透光混凝土。

本例的透光混凝土的制备方法同实施例1。

实施例6

本实施例提供的透光混凝土，其原料配方如表6所示，其他同实施例1。

表6为实施例6的透光混凝土的原料配方

注：NC10-4％，表示外掺4％纳米碳酸钙、10％矿粉(胶凝材料含量)的透光混凝土。

本例的透光混凝土的制备方法同实施例1。

实施例7

本实施例提供的透光混凝土，其原料配方如表7所示，其他同实施例1。

表7为实施例7的透光混凝土的原料配方

注：NS17-1％，表示外掺1％纳米二氧化硅、17％矿粉(胶凝材料含量)的透光混凝土。

本例的透光混凝土的制备方法同实施例1。

实施例8

本实施例提供的透光混凝土，其原料配方如表8所示，其他同实施例1。

表8为实施例8的透光混凝土的原料配方

注：NS17-3％，表示外掺3％纳米碳酸钙、17％矿粉(胶凝材料含量)的透光混凝土。

本例的透光混凝土的制备方法同实施例1。

对比例1

本实施例提供的透光混凝土，其原料配方如表9所示，其他同实施例1。

表9为对比例1的透光混凝土的原料配方

注：C10-2代表对比样，即掺10％矿粉、未掺加纳米材料、掺加2％(体积比)聚丙烯纤维的透光混凝土；本例的透光混凝土的制备方法同实施例1。

对比例2

本实施例提供的透光混凝土，其原料配方如表10所示，其他同实施例1。

表10为对比例2的透光混凝土的原料配方

注：C10-0代表对比样，即掺10％矿粉、未掺加纳米材料、未掺加光纤的混凝土本例的透光混凝土的制备方法同实施例1。

对比例3

本实施例提供的透光混凝土，其原料配方如表11所示，其他同实施例1。

表11为对比例3的透光混凝土的原料配方

注：C17-2代表对比样，即掺17％矿粉(胶凝材料)、掺加2％光纤(体积掺量)、未掺加纳米材料的透光混凝土。

本例的透光混凝土的制备方法同实施例1。

对比例4

本实施例提供的透光混凝土，其原料配方如表12所示，其他同实施例1。

表12为对比例4的透光混凝土的原料配方

注：C17-0代表对比样，即掺17％矿粉、未掺加纳米材料未掺加光纤的混凝土。

本例的透光混凝土的制备方法同实施例1。

性能测试

对采用实施例1～8和对比例1～4的制备方法和不同养护制度(分别为自然养护3天后和蒸汽养护结束后3天)的透光混凝土进行性能测试。

1、透光率检测：将实施例1～8和对比例1～4制备的混凝土切割成5×5×1cm

2、抗压/抗折强度检测：将实施例1～8和对比例1～4制备的混凝土切割成4×4×16cm

表13为实施例1～8和对比例1～4的混凝土的性能测试结果

由表13可以看出，采用实施例1-8所得到的透光混凝土的透光性能要优于对比例1-4所得到的透光混凝土的透光性能，但是加入光纤材料的透光混凝土的机械强度较未加光纤材料的混凝土低，这是由于光纤的加入在纤维和胶砂界面引入了孔隙，增加了混凝土的孔隙率，从而降低了混凝土的机械强度。

实施例1-3与对比例1相比，纳米二氧化硅的加入，提高了透光混凝土的机械强度，并且纳米二氧化硅的最优掺量为1％，掺加1％纳米二氧化硅的超高强混凝土标准养护3天后的抗压、抗折强度分别较未掺加纳米材料的超高强混凝土高20％，23％；掺加1％纳米二氧化硅的超高强混凝土蒸汽养护后3天的抗压、抗折强度分别较未掺加纳米材料的超高强混凝土高16％，17％，标准养护3天后掺加纳米二氧化硅的超高强混凝土抗压强度都在100Mpa以上，蒸汽养护后3天，掺加1％纳米二氧化硅的超高强混凝土强度达到156Mpa。

实施例4-6与对比例1相比，纳米碳酸钙的加入，同样提高了透光混凝土的机械强度，并且纳米碳酸钙的最优掺量为3％，掺加3％纳米碳酸钙的超高强混凝土标准养护3天后的抗压、抗折强度分别较未掺加纳米材料的超高强混凝土高11％，32％；掺加3％纳米碳酸钙的超高强混凝土蒸汽养护后3天的抗压、抗折强度分别较未掺加纳米材料的超高强混凝土高8％和30％，蒸汽养护后3天，掺加纳米碳酸钙的超高强混凝土抗折强度达到25Mpa。

由于实施例1-6得出纳米二氧化硅和纳米碳酸钙的最优掺量分别为1％、3％，故实施例7-8设置不同的胶凝材料掺量，纳米二氧化硅和纳米碳酸钙掺量分别为1％、3％，实施例7-8与对比例3相比，不同养护制度下的抗折强度都有所提升。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。