一种环保型自感知混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于混凝土技术领域，具体涉及一种环保型自感知混凝土及其制备方法。

背景技术

建筑工程的发展离不开材料科学的推动。随着城市化和基础设施建设的不断扩张，对建筑材料性能的需求也日益迫切。普通混凝土是一种脆性材料，在裂缝形成后会突然失去承载能力，工程水泥基复合材料(以下简称ECC)的出现填补了这一不足，与传统混凝土相比，ECC具有类似金属的应力-应变响应，其应变硬化发生在屈服强度之后。ECC的高延展性使其能够承受较大的形变而不会出现严重的破坏，这为传感器的设计提供了有利条件。通过将导电材料整合到ECC中，利用导电性能来监测材料内部的应变和变化。当外部力或形变作用于ECC传感器时，导电材料内部的电阻值会发生变化。通过测量电阻值的变化，推断出材料所受的力或形变程度，便于对结构的健康进行实时监测。相比于嵌入式传感器，ECC传感器的检测范围更广，耐久性更长，因材料本身就是传感器，所以不会破坏结构的完整性，对力学性能没有负面影响。

通常在ECC的制备中应避免使用大尺寸骨料，大尺寸骨料的堆积会降低界面摩擦力，从而降低产生应变硬化的可能性，影响ECC的力学性能。因此ECC中常用超细硅砂作为骨料，但硅砂的造价高昂，且生产过程复杂会加大碳排放。玻璃砂的出现恰好解决了这一问题。废旧玻璃需要一百万年才能自然分解，这不仅造成资源浪费，而且污染环境。将废旧玻璃制成玻璃砂，既解决了废旧玻璃二次回收使用的问题，又解决了ECC中硅砂价格高昂的问题，且废旧玻璃砂替代超细硅砂大大减少了碳排放。

因此，有必要研发一种环保型自感知混凝土，能够在实现混凝土内部损伤自我感知的基础上，融合环保材料。与此同时，还要满足混凝土在高韧性、卓越耐久性和可持续发展性方面的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环保型自感知混凝土及其制备方法。本发明通过在原有工程水泥基复合材料的基础上加入碳纤维，既可以增加混凝土的导电性，又增加了混凝土的力学性能。碳纤维的加入使混凝土具有一定自感知能力，可代传统传感器，弥补传统传感器造价高、感知范围小、破坏结构完整性的等缺陷。同时本发明使用玻璃砂代替传统硅砂，大大减少了碳排放，同时也增加废旧玻璃的二次使用率，降低了环境污染。与普通混凝土相比本发明提供的产品在保证基本力学性能的同时大大提高了混凝土的弯曲韧性，为结构设计、结构补强、结构检测提供一种新的选择。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明技术方案之一：提供一种环保型自感知混凝土，原料包括：水泥、粉煤灰、硅灰、玻璃砂、聚丙烯纤维、碳纤维、水、减水剂、分散剂和消泡剂。

优选地，所述原料按质量份数计，包括：水泥480份、粉煤灰576份、硅灰144份、玻璃砂1～432份、聚丙烯纤维2.275～13.65份、碳纤维12.53～19.69份、水360份、减水剂15～20份、分散剂0.42份和消泡剂0.18份。

粉煤灰的加入可以提高混凝土的后期强度，这得益于粉煤灰的水化反应较慢。在混凝土使用过程中产生细微裂缝时，未反应的粉煤灰遇水后会继续水化修补裂缝。粉煤灰的低活性会导致混凝土的早期强度较低，原因是粉煤灰与水泥的二次水化反应有限，因其低活性可以有效降低水化热，防止构件在养护过程中开裂，同时粉煤灰可以提高ECC的弯曲韧性，降低混凝土的弹性模量。适量的粉煤灰会提升混凝土的弯曲韧性，当粉煤灰含量为60％到65％时，基体的断裂韧性降低，极限拉伸应变有所提高，极限弯曲荷载逐渐下降，同时试件挠度则表现出增大的趋势，因此本发明将粉煤灰用量控制为在胶凝材料中占比48％。

本发明中的聚丙烯纤维具有弹性模量低、强度高、延展性好、耐久性好、熔点低、化学性质稳定、价格低廉等特点，以其作为主要受力纤维，在混凝土变形时起到荷载传递的作用，当混凝土开裂时聚丙烯纤维会有效桥接裂缝，抑制裂缝的扩展，使混凝土表现出类似金属的应力-应变响应，此外当纤维掺量较高时，纤维内部会相互桥接，进一步提升混凝土的弯曲韧性，减少裂缝的产生。

硅灰的加入能够有效提升混凝土的早期强度，硅灰的高活性会促进水化反应加速进行，使混凝土早期强度迅速上升，弥补ECC早期强度过低的问题。过量的硅灰对弯曲韧性有较大影响，当硅灰含量超过胶凝材料体积分数的13％时，ECC弯曲韧性明显降低，原因是水化产物与纤维过度融合，当混凝土受到外力时纤维拔出现象减弱，无法有效桥接裂缝。

碳纤维的加入可以有效提高混凝土的机械性能，当碳纤维掺量为0.9％时，混凝土的抗压、劈拉、抗折性能有明显提高。同时碳纤维作为导电媒介可以有效降低混凝土的电阻率，本发明选用的碳纤维用量在混凝土中表现出良好的压敏和弯敏特性。在弯曲韧性方面，碳纤维可以有效地提高初裂强度，这与碳纤维的高弹性模量有关。

减水剂可以有效降低混凝土的用水量，降低水胶比。同时，减水剂在水泥颗粒表面的吸附膜可以与水分子形成稳定的溶剂化水膜。这种水膜具有良好的润滑作用，能有效降低水泥颗粒间的滑动阻力，从而进一步提高混凝土的流动性。当混凝土中的自由水过多时，养护过程中蒸发的自由水会导致混凝土内部形成许多微小气孔，降低混凝土强度，减水剂的加入会有效降低用水量，进而增加混凝土强度。

本发明的配合比中有大量的纤维加入，过量的纤维会导致纤维凝结成团，降低混凝土机械性能，降低混凝土和易性。分散剂的加入可以有效分散纤维，使纤维充分与胶凝材料结合，提高混凝土强度。而分散剂的加入会使拌合物变稠，在搅拌过程中胶凝材料会包裹空气在混凝土内部形成气孔降低强度，消泡剂的加入可以有效降低内部孔隙形成，提升强度。

优选地，所述水泥为PO42.5水泥；所述粉煤灰的细度为10.6。

优选地，所述玻璃砂的粒径为100目。

优选地，所述碳纤维的电阻率为1.2×10

优选地，所述减水剂为聚羧酸系高效减水剂。

优选地，所述分散剂为甲基纤维素钠；所述消泡剂为磷酸三丁酯。

本发明技术方案之二：提供一种上述环保型自感知混凝土的制备方法，步骤包括：

将水泥、粉煤灰、硅灰、玻璃砂、聚丙烯纤维和碳纤维混合后干拌均匀；将水、减水剂、分散剂和消泡剂搅拌均匀；最后将所有原料混合，搅拌均匀，即得环保型自感知混凝土。

纤维的干拌可以有效促进纤维在混凝土中的分散，辅助以分散剂后基本可以使纤维完全分散开，纤维完全分散后均匀分散在混凝土机体内部，在混凝土受到外部荷载时候有效抑制裂缝产生，提高混凝土机械强度。

本发明的有益技术效果如下：

本发明用粉煤灰代替部分水泥，粉煤灰的低活性会降低水化反应，防止混凝土养护过程中开裂，粉煤灰降低了纤维-基体界面之间的结合，提高了拉伸应变性能。粉煤灰的水化反应较慢，当混凝土受到荷载产生细微裂缝时，未完全反应的粉煤灰遇水后会继续水化修复裂缝，使混凝土有一定自修复能力。

此外碳纤维的加入使混凝土具有一定自感知能力，可以检测结构内部损伤。传统传感器需要预埋进混凝土中，对结构的完整性产生破环，降低力学强度，同时检测范围较小。本发明制得产品的优势在于结构本身就是传感器，不会对破坏构件完整性，同时监测范围更广，维护成本更低。

常规ECC使用硅砂作为细骨料，但硅砂造价高昂，且生产工艺复杂，增加碳排放量，玻璃砂的出现可以有效降低硅砂的使用量。且每年全球有大量的废旧玻璃未被合理利用，这些玻璃完全将降解需要一百万年，未回收利用的玻璃不仅会污染环境，还会造成资源浪费，本发明为废旧玻璃再利用提供了一个全新的思路，将废旧玻璃二次生产为玻璃砂能够有效提高废旧玻璃的利用率，降低环境污染的同时还可以减少碳排放，实现了可持续发展。同时废旧玻璃也可以提高混凝土的耐高温性能。

附图说明

图1为实施例1制备的环保型自感知混凝土的弯曲变形和电阻率变换率对应关系图。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。

另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

本发明的实施例及对比例中所用原料均可通过市售购买。

所用水泥为PO42.5水泥，比表面积为362m

所用粉煤灰的细度为10.6，烧失量为0.77％，强度活性指数为74％；

所用玻璃砂的粒径为100目，熔点为730℃，主要成分包括二氧化硅、氧化钾、氧化钠、氧化钙、氧化镁、氧化铁、氧化铝；

所用硅灰的二氧化硅含量为90.14％，烧失量为1.37％；

所用聚丙烯纤维长12mm，直径200μm，密度0.91g/cm

所用碳纤维长6mm，直径6μm，密度1.79g/cm

所用减水剂为聚羧酸系高效减水剂，含固量38％，减水率30％，含气量3％，泌水率比10％；

所用分散剂为甲基纤维素钠，粘度300mPa·s；

所用消泡剂为磷酸三丁酯，H+计，mmol/10g≤0.2％。

实施例1

一种环保型自感知混凝土的制备方法，步骤如下：

(1)称取480kg PO42.5水泥、576kg粉煤灰、144kg硅灰进行第一次干拌搅拌，搅拌后加入432kg玻璃砂再次进行搅拌，待胶凝材料和玻璃砂充分混合后加入2.275kg聚丙烯纤维和12.53kg碳纤维继续干拌，将纤维充分分散后得到混凝土拌合干料。

(2)再次称取15.6kg减水剂和360kg水配置成溶液，在混合液中加入0.42kg分散剂和0.18kg消泡剂拌合均匀后加入到混合干料中，进行高速搅拌，搅拌至流动的奶油状水泥砂浆后即可得到环保自感知混凝土。

实施例2

一种环保型自感知混凝土的制备方法，步骤如下：

(1)称取480kg PO42.5水泥、576kg粉煤灰、144kg硅灰进行第一次干拌搅拌，搅拌后加入432kg玻璃砂再次进行搅拌，待胶凝材料和玻璃砂充分混合后加入2.275kg聚丙烯纤维和16.11kg碳纤维继续干拌，将纤维充分分散后得到混凝土拌合干料。

(2)再次称取15.6kg减水剂和360kg水配置成溶液，在混合液中加入0.42kg分散剂和0.18kg消泡剂拌合均匀后加入到混合干料中，进行高速搅拌，搅拌至流动的奶油状水泥砂浆后即可得到环保自感知混凝土。

实施例3

一种环保型自感知混凝土的制备方法，步骤如下：

(1)称取480kg PO42.5水泥、576kg粉煤灰、144kg硅灰进行第一次干拌搅拌，搅拌后加入432kg玻璃砂再次进行搅拌，待胶凝材料和玻璃砂充分混合后加入2.275kg聚丙烯纤维和19.69kg碳纤维继续干拌，将纤维充分分散后得到混凝土拌合干料。

(2)再次称取15.6kg减水剂和360kg水配置成溶液，在混合液中加入0.42kg分散剂和0.18kg消泡剂拌合均匀后加入到混合干料中，进行高速搅拌，搅拌至流动的奶油状水泥砂浆后即可得到环保自感知混凝土。

实施例4

一种环保型自感知混凝土的制备方法，步骤如下：

(1)称取480kg PO42.5水泥、576kg粉煤灰、144kg硅灰进行第一次干拌搅拌，搅拌后加入432kg玻璃砂再次进行搅拌，待胶凝材料和玻璃砂充分混合后加入4.55kg聚丙烯纤维和12.53kg碳纤维继续干拌，将纤维充分分散后得到混凝土拌合干料。

(2)再次称取15.6kg减水剂和360kg水配置成溶液，在混合液中加入0.42kg分散剂和0.18kg消泡剂拌合均匀后加入到混合干料中，进行高速搅拌，搅拌至流动的奶油状水泥砂浆后即可得到环保自感知混凝土。

实施例5

一种环保型自感知混凝土的制备方法，步骤如下：

(1)称取480kg PO42.5水泥、576kg粉煤灰、144kg硅灰进行第一次干拌搅拌，搅拌后加入432kg玻璃砂再次进行搅拌，待胶凝材料和玻璃砂充分混合后加入4.55kg聚丙烯纤维和16.11kg碳纤维继续干拌，将纤维充分分散后得到混凝土拌合干料。

(2)再次称取15.6kg减水剂和360kg水配置成溶液，在混合液中加入0.42kg分散剂和0.18kg消泡剂拌合均匀后加入到混合干料中，进行高速搅拌，搅拌至流动的奶油状水泥砂浆后即可得到环保自感知混凝土。

实施例6

一种环保型自感知混凝土的制备方法，步骤如下：

(1)称取480kg PO42.5水泥、576kg粉煤灰、144kg硅灰进行第一次干拌搅拌，搅拌后加入432kg玻璃砂再次进行搅拌，待胶凝材料和玻璃砂充分混合后加入4.55kg聚丙烯纤维和19.69kg碳纤维继续干拌，将纤维充分分散后得到混凝土拌合干料。

(2)再次称取15.6kg减水剂和360kg水配置成溶液，在混合液中加入0.42kg分散剂和0.18kg消泡剂拌合均匀后加入到混合干料中，进行高速搅拌，搅拌至流动的奶油状水泥砂浆后即可得到环保自感知混凝土。

实施例7

一种环保型自感知混凝土的制备方法，步骤如下：

(1)称取480kg PO42.5水泥、576kg粉煤灰、144kg硅灰进行第一次干拌搅拌，搅拌后加入432kg玻璃砂再次进行搅拌，待胶凝材料和玻璃砂充分混合后加入6.825kg聚丙烯纤维和12.53kg碳纤维继续干拌，将纤维充分分散后得到混凝土拌合干料。

(2)再次称取15.6kg减水剂和360kg水配置成溶液，在混合液中加入0.42kg分散剂和0.18kg消泡剂拌合均匀后加入到混合干料中，进行高速搅拌，搅拌至流动的奶油状水泥砂浆后即可得到环保自感知混凝土。

实施例8

一种环保型自感知混凝土的制备方法，步骤如下：

(1)称取480kg PO42.5水泥、576kg粉煤灰、144kg硅灰进行第一次干拌搅拌，搅拌后加入432kg玻璃砂再次进行搅拌，待胶凝材料和玻璃砂充分混合后加入6.825kg聚丙烯纤维和16.11kg碳纤维继续干拌，将纤维充分分散后得到混凝土拌合干料。

(2)再次称取15.6kg减水剂和360kg水配置成溶液，在混合液中加入0.42kg分散剂和0.18kg消泡剂拌合均匀后加入到混合干料中，进行高速搅拌，搅拌至流动的奶油状水泥砂浆后即可得到环保自感知混凝土。

实施例9

一种环保型自感知混凝土的制备方法，步骤如下：

(1)称取480kg PO42.5水泥、576kg粉煤灰、144kg硅灰进行第一次干拌搅拌，搅拌后加入432kg玻璃砂再次进行搅拌，待胶凝材料和玻璃砂充分混合后加入6.825kg聚丙烯纤维和19.69kg碳纤维继续干拌，将纤维充分分散后得到混凝土拌合干料。

(2)再次称取15.6kg减水剂和360kg水配置成溶液，在混合液中加入0.42kg分散剂和0.18kg消泡剂拌合均匀后加入到混合干料中，进行高速搅拌，搅拌至流动的奶油状水泥砂浆后即可得到环保自感知混凝土。

实施例10

一种环保型自感知混凝土的制备方法，步骤如下：

(1)称取480kg PO42.5水泥、576kg粉煤灰、144kg硅灰进行第一次干拌搅拌，搅拌后加入432kg玻璃砂再次进行搅拌，待胶凝材料和玻璃砂充分混合后加入9.1kg聚丙烯纤维和12.53kg碳纤维继续干拌，将纤维充分分散后得到混凝土拌合干料。

(2)再次称取15.6kg减水剂和360kg水配置成溶液，在混合液中加入0.42kg分散剂和0.18kg消泡剂拌合均匀后加入到混合干料中，进行高速搅拌，搅拌至流动的奶油状水泥砂浆后即可得到环保自感知混凝土。

实施例11

一种环保型自感知混凝土的制备方法，步骤如下：

(1)称取480kg PO42.5水泥、576kg粉煤灰、144kg硅灰进行第一次干拌搅拌，搅拌后加入432kg玻璃砂再次进行搅拌，待胶凝材料和玻璃砂充分混合后加入9.1kg聚丙烯纤维和16.11kg碳纤维继续干拌，将纤维充分分散后得到混凝土拌合干料。

(2)再次称取15.6kg减水剂和360kg水配置成溶液，在混合液中加入0.42kg分散剂和0.18kg消泡剂拌合均匀后加入到混合干料中，进行高速搅拌，搅拌至流动的奶油状水泥砂浆后即可得到环保自感知混凝土。

实施例12

一种环保型自感知混凝土的制备方法，步骤如下：

(1)称取480kg PO42.5水泥、576kg粉煤灰、144kg硅灰进行第一次干拌搅拌，搅拌后加入432kg玻璃砂再次进行搅拌，待胶凝材料和玻璃砂充分混合后加入9.1kg聚丙烯纤维和19.69kg碳纤维继续干拌，将纤维充分分散后得到混凝土拌合干料。

(2)再次称取15.6kg减水剂和360kg水配置成溶液，在混合液中加入0.42kg分散剂和0.18kg消泡剂拌合均匀后加入到混合干料中，进行高速搅拌，搅拌至流动的奶油状水泥砂浆后即可得到环保自感知混凝土。

实施例13

一种环保型自感知混凝土的制备方法，步骤如下：

(1)称取480kg PO42.5水泥、576kg粉煤灰、144kg硅灰进行第一次干拌搅拌，搅拌后加入432kg玻璃砂再次进行搅拌，待胶凝材料和玻璃砂充分混合后加入13.65kg聚丙烯纤维和12.53kg碳纤维继续干拌，将纤维充分分散后得到混凝土拌合干料。

(2)再次称取15.6kg减水剂和360kg水配置成溶液，在混合液中加入0.42kg分散剂和0.18kg消泡剂拌合均匀后加入到混合干料中，进行高速搅拌，搅拌至流动的奶油状水泥砂浆后即可得到环保自感知混凝土。

实施例14

一种环保型自感知混凝土的制备方法，步骤如下：

(1)称取480kg PO42.5水泥、576kg粉煤灰、144kg硅灰进行第一次干拌搅拌，搅拌后加入432kg玻璃砂再次进行搅拌，待胶凝材料和玻璃砂充分混合后加入13.65kg聚丙烯纤维和16.11kg碳纤维继续干拌，将纤维充分分散后得到混凝土拌合干料。

(2)再次称取15.6kg减水剂和360kg水配置成溶液，在混合液中加入0.42kg分散剂和0.18kg消泡剂拌合均匀后加入到混合干料中，进行高速搅拌，搅拌至流动的奶油状水泥砂浆后即可得到环保自感知混凝土。

实施例15

一种环保型自感知混凝土的制备方法，步骤如下：

(1)称取480kg PO42.5水泥、576kg粉煤灰、144kg硅灰进行第一次干拌搅拌，搅拌后加入432kg玻璃砂再次进行搅拌，待胶凝材料和玻璃砂充分混合后加入13.65kg聚丙烯纤维和19.69kg碳纤维继续干拌，将纤维充分分散后得到混凝土拌合干料。

(2)再次称取15.6kg减水剂和360kg水配置成溶液，在混合液中加入0.42kg分散剂和0.18kg消泡剂拌合均匀后加入到混合干料中，进行高速搅拌，搅拌至流动的奶油状水泥砂浆后即可得到环保自感知混凝土。

对比例1

一种环保型自感知混凝土的制备方法：

与实施例1的区别在于，省略聚丙烯纤维和碳纤维的加入，其余步骤与实施例1相同。

效果验证

各实施例及对比例制备的环保型自感知混凝土进行浇筑养护，待混凝土达到养护龄期后进行力学强度测试，根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T50081-2019对实施案例1-15和对比案例1所制备的环保型自感知混凝土进行抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度进行测试，测试结果如表1所示。

表1

关于自感知检测裂缝性能的试验案例：

因材料中都掺入了碳纤维所以就以实施例1以作为本次自感知试验的配合比，其他案例的试验效果是相同的。

试验首先打造一块400mm×100mm×15mm的混凝土板，养护28d后对其进行弯曲韧性测试，弯曲韧性测定参考《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》GB/T15231-2008，在弯曲韧性的测试过程中在混凝土板两端接入直流电源和电流表，随着荷载的增加，混凝土的跨中挠度逐渐增加，弯曲变形加大，其弯曲变形和电阻率变换率的对应关系如图1所示。

其中FCR为电阻率变换率，其表达式为：

式中：R－电阻，Ω；

U－试件两电极端的电压，V；

I－通过试件电流，A；

ρ－电阻率，Ω·cm；

S－试件横截面积，cm2；

L－电极间距，cm

ρ－试件加载过程中基体电阻率，Ω·cm；

ρ

从图1中可以看出，当混凝土受到荷载变形时，电流会发生显著变化，对结构安全起到良好的检测作用。

从表1中能够看出，采用本发明所制备的环保型自感知混凝土的劈拉强度、抗折强度的最优组均高于对比例1。尤其在劈裂抗拉强度和抗折强度上实施例均高于对比例，证明纤维对混凝土的弯曲韧性有明显提高，采用玻璃砂制备ECC的方案是可行的。

本发明在保证材料性能的基础上，采用粉煤灰部分代替水泥、玻璃砂完全代替硅砂，不仅对废旧玻璃进行了二次利用还对环境保护做出了贡献，进一步推广了建筑行业的可持续发展。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。