一种抗紫外线抗碳化混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，更具体地，涉及一种抗紫外线抗碳化混凝土及其制备方法。

背景技术

根据相关研究，海拔每上升300m紫外线辐射强度增大4％。我国高原地区平均海拔高度在4000米左右，年太阳辐射总量5000～8000MJ/m

为抵抗紫外线辐照对高原混凝土的劣化，很多工程项目选择准凝土表面喷涂一层有机涂料层，这种做法不仅增大工程量，耗费人力物力，而且极易在冻融环境、干湿循环、大风干燥的其他高原环境作用下开裂、剥落、失效。一些专利提出，使用抗紫外线的掺合料和外加剂制备混凝土，但尚有不足之处需要进一步改善。如专利申请号CN202211035951.3使用苯并三氮唑、高岭土、竹炭纤维制备抗紫外线剂，配合辅助剂制备抗紫外线混凝土，但没有考虑抑制紫外线照射引起的碳化劣化；专利申请号CN202111248629.4公开了一种使用改性高钛重矿渣和水性聚氨酯乳液分别作为矿物掺合料和外加剂的抗紫外辐射混凝土，但忽略了大量掺入使用有机物改性高钛重矿渣对混凝土力学性能的影响。

发明内容

基于现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可以服役于高原环境下抗紫外线抗碳化的混凝土，该混凝土具有抵抗高原环境下紫外线的能力，且缓解混凝土在紫外线辐射下的碳化，并且混凝土体系密实度高，在兼具抗紫外线抗碳化的条件下具备优异的力学性能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种抗紫外线抗碳化混凝土，其每立方所述混凝土包括如下组分：

水泥300～400kg/m

矿物掺合料150～200kg/m

抗紫外线剂 15～25 kg/m

抗碳化剂 6～10 kg/m

细骨料 600～700 kg/m

粗骨料 1000～1300 kg/m

减水剂占水泥和矿物掺合料总量的0.5～2wt％

水≤150kg/m

所述抗紫外线剂由苯并三氮唑、纳米TiO

在一些实施方式中，所述苯并三氮唑、纳米TiO

在一些实施方式中，所述纳米TiO

在一些实施方式中，所述改性T-ZnO晶须为具有纳米SiO

在一些实施方式中，所述苯并三氮唑为2-(2’-羟基-2’-一叔丁基苯基)苯并三氮唑、2-(2’-羟基-一叔丁基苯-5’-甲基苯基-5-一氯)苯并三氮唑、2-(2’-羟基-3’,5’-二叔戊基)苯并三氮唑中的至少一种；特定的苯并三氮唑在270～370nm范围内中波区和长波区的紫外线有较高的吸光指数。

在一些实施方式中，所述水滑石和所述氧化石墨烯的质量比为(30～35)：(1～2)。

在一些实施方式中，所述水滑石为焙烧水滑石，具体为镁铝碳酸根被烧水滑石，由美铝碳酸根型水滑石在500～550℃下焙烧得到；焙烧后水滑石的平均粒径为0.47～0.50μm，比表面积为6～9m

在一些实施方式中，所述氧化石墨烯微观形貌为片层状，片层直径为300～500nm，厚度为0.3～1nm，比表面积为2000～2600m

在一些实施方式中，所述矿物掺合料由粗尺度物料、中尺度物料和细尺度物料组成；所述粗尺度物料的平均粒径为15±5μm，比表面积为1.7～2.0m

按质量百分数计，所述矿物掺合料的组成如下：

粗尺度物料45～65％

中尺度物料20～40％

细尺度物料5～15％。

具体地，所述粗尺度物料为矿粉；所述中尺度物料为稻壳灰，所述细尺度物料为硅灰；更具体地，所述矿粉为高炉矿渣干燥粉磨得到，具有抗碳化的能力；所述稻壳灰为稻壳在少氧(氧浓度≤5vol.％)环境下焚烧得到，磨细稻壳灰为焚烧后稻壳灰经球磨机粉磨得到，其对紫外线具有较强的吸收能力；硅灰为铁合金在冶炼硅铁或工业硅(金属硅)时矿热电炉挥发出的SiO

在一些实施方式中，所述细骨料为河沙和/或机制砂，细度模数为2.8～4.0。

在一些实施方式中，所述粗骨料为石灰岩和/或玄武岩碎石，粒径≤15mm，其中粒径在10～15mm的部分不少于20％。

在一些实施方式中，所述减水剂为聚羧酸系高效减水剂、萘系高效减水剂、三聚氰胺系高效减水剂和氨基酸盐系高效减水剂中的至少一种；减水剂可以吸附在水泥颗粒表面，通过静电排斥作用分散水泥颗粒，减少单位用水量，改善低水胶比混凝土拌合物的流动性。

本发明还提供了上述任一实施方式的抗紫外线抗碳化混凝土的制备方法，该方法包括以下步骤：

S1、将苯并三氮唑、纳米TiO

S2、将所述水滑石、氧化石墨烯和余下的水混合，得到第二分散液；

S3、将所述水泥和矿物掺合料充分混合，得到干粉混合物；

S4、将所述干粉混合物、粗骨料、细骨料混合，搅拌均匀，然后加入所述第一分散液和第二分散液，混匀，进行模型浇注，养护，得到所述抗紫外线抗碳化混凝土。

在一些实施方式中，所述制备方法包括以下步骤：

S1、将苯并三氮唑、纳米TiO2、改性T-ZnO晶须、减水剂和1/2的水混合，以500～1000r/min的转速磁力搅拌10～20min，再置于超声波细胞破碎仪中，保持功率60～70％，保持温度80℃，超声分散15～20min，得到第一分散液；

S2、将所述水滑石、氧化石墨烯和剩余1/2的水混合，以500～1500r/min的转速磁力搅拌均匀，得到第二分散液；

S3、将所述水泥和矿物掺合料充分混合，得到干粉混合物；

S4、将所述干粉混合物、粗骨料、细骨料混合，搅拌均匀，然后加入所述第一分散液和第二分散液，搅拌2～5min，混匀，进行模型浇注，养护，得到所述抗紫外线抗碳化混凝土。

需要说明的是，本申请的技术方案，可结合现场施工条件，选择标准养护或蒸汽养护。当进行标准养护时，将成型试件置于温度20±2℃、相对湿度≥95％的环境养护至规定龄期；当进行蒸汽养护时，先将成型试件置于20±2℃的环境下静停1～3h，控制蒸汽养护箱以20℃/h的升温速率经过养护达到峰值温度60～80℃，维持峰值温度养护8h后自然降温，转移至标准养护环境继续养护至规定龄期。

相较于现有技术，本发明的有益效果如下：

本申请的技术方案中，以苯并三氮唑、纳米TiO

而通过将水滑石、氧化石墨烯作为抗碳化剂添加至混凝土中，作为抵御紫外线劣化混凝土的第二道防线。抗碳化剂具有“兜底”作用，减缓紫外线加速混凝土碳化的速度。首先，水滑石的结构重建能力和阴离子交换能力可以吸收侵入混凝土中的CO

通过特定组分和配比，本发明在物理填充方面，基于最紧密堆积理论合理安排颗粒级配，减少体系孔隙数量，改善混凝土界面过渡区；在化学改性方面，可以吸收、散射、反射大范围、强辐照的紫外线，吸收CO

进一步地，不同尺度的特定矿物掺合料、抗紫外线剂、抗碳化剂均具有双重功能：(1)抗紫外线或抗碳化(2)密实填充与改性。首先，混凝土体系基于最紧密堆积理论，使用粗、中、细三个尺度的矿物掺合料实现颗粒最紧密堆积，细化混凝土孔结构；同时，稻壳灰可以吸收紫外线，矿粉、硅灰可以降低混凝土碳化深度，以共同减轻紫外线对混凝土的劣化；在水化反应方面，早期以硅灰的二次水化反应为主，中后期以矿粉和稻壳灰的二次水化反应为主，前后搭配使得水化反应更彻底，优化了水泥石的界面结构，降低孔隙率，增大毛细管通道阻力，结构密实性更好。更关键的是，本发明通过抗紫外线剂、抗碳化剂的添加，一方面可以实现抗紫外线抗碳化的效果，另一方面可以补充微米级、纳米级的颗粒进一步完善最紧密堆积体系的粒径分布，同时引入了片层状结构的水滑石、氧化石墨烯和三维四针状结构的改性T-ZnO晶须，为C-S-H凝胶的生长提供了零维、二维、三维的成核位点，点-面-体三个层次材料的杂乱分布构建了更为坚固的C-S-H凝胶生长骨架，可以进一步促进水泥水化，增加密实效果。

附图说明

图1为实施例1和对比例1得到的混凝土试件的热重分析曲线。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

下述实施例和对比例中，部分原料的参数为：

水泥的平均粒径为20μm，比表面积为1.6～1.8m

矿粉为高炉矿渣干燥粉磨而得，平均粒径为15μm，比表面积为1.7～2.0m

稻壳灰为焚烧后得到的稻壳灰经球磨机粉磨而得，平均粒径为7μm，比表面积为5.0～6.0m

硅灰为铁合金在冶炼硅铁时，矿热电炉挥发出的SiO

金红石型纳米TiO

改性T-ZnO晶须微观形貌为三维四针状立体结构，针状体长度10-80μm，针状体根部直径为1-5μm；其通过以下方法制备：

将20ml正硅酸乙酯、30ml无水乙醇和5ml去离子水先后加入烧杯中，在60℃的水浴锅中磁力搅拌2h，溶液冷却至室温时加入2ml浓度为1％的H

水滑石为焙烧水滑石，为镁铝碳酸根型水滑石在500℃下焙烧而得，焙烧后水滑石的平均粒径为0.47μm，比表面积为9m

氧化石墨烯微观形貌为片层状，片层直径为300～500nm，厚度为0.3～1nm，比表面积为2600m

细骨料为河沙，细度模数为2.8～4.0；

粗骨料为玄武岩碎石，粒径≤15mm，其中粒径在10～15mm部分不少于20％；

本发明中，kg/m

实施例1

一种抗紫外线抗碳化混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：制备抗紫外线剂分散液

步骤1.1，称料：2-(2’-羟基-2’-一叔丁基苯基)苯并三氮唑用量12kg/m

步骤1.2，磁力搅拌：混合步骤1.1所述材料，置于磁力搅拌器中，在转速1000r/min的条件下磁力搅拌10min；

步骤1.3，超声分散：将步骤1.2制得溶液置于超声波细胞破碎仪中，在功率65％、报警温度80℃的条件下超声分散15min，得到抗紫外线剂分散液；

步骤二：制备抗碳化剂分散液

步骤2.1，称料：焙烧水滑石用量7.5kg/m

步骤2.2，磁力搅拌：混合步骤2.1所述材料，置于磁力搅拌器中，在转速1000r/min的条件下磁力搅拌1h，得到抗碳化剂分散液；

步骤三：混合干粉

按照水泥用量315kg/m

步骤四：成型混凝土与净浆试件

将步骤三的干粉混合物、河沙620kg/m

将步骤三的干粉混合物、步骤一制得的抗紫外线剂分散液和步骤二制得的抗碳化剂分散液等比例混合，使用行星式水泥胶砂搅拌机搅拌4min，制备200ml水泥净浆，进行模型浇筑。

步骤五：养护混凝土和水泥净浆试件

浇筑成型后的混凝土和水泥净浆带模养护1d，拆模后置于温度20±2℃、相对湿度95％以上的标准环境下养护至26d，之后在烘箱中60℃烘48h，使用石蜡密封棱柱体五个面，保留一个面作为辐射碳化面，将试件移入安装有2000μW/cm

碳化深度的测试方法参考GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》并结合相关工程需求，使用100mm×100mm×400mm的棱柱体试件，同一配比设置3个试件。

立方体抗压强度的测试方法参考GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》并结合相关工程需求，使用100mm×100mm×100mm的立方体试件，同一配比设置3个试件。

水泥净浆试件磨粉后使用DZ-TGA101热重分析仪进行测试，测试结果如图1所示。

经测试，本实施例中混凝土28d碳化深度为25mm，抗压强度为65.9MPa，热重分析见图1。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于，抗紫外线剂中2-(2’-羟基-2’-一叔丁基苯基)苯并三氮唑、金红石型纳米TiO

经测试，本实施例中混凝土28d碳化深度为27mm，抗压强度为62.4MPa。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于，抗碳化剂中焙烧水滑石、氧化石墨烯的质量比为35：2，其他与实施例1完全相同。

经测试，本实施例中混凝土28d碳化深度为30mm，抗压强度为60.5MPa。

对比例1

同实施例1，区别仅在于不添加抗紫外线剂和抗碳化剂。

经测试，本实施例中混凝土28d碳化深度为40mm，抗压强度为50.8MPa，热重分析见图1。

对比例2

同实施例1，区别仅在于不添加抗紫外线剂。

经测试，本实施例中混凝土28d碳化深度为36mm,抗压强度为52.3MPa。

对比例3

同实施例1，区别仅在于不添加碳化剂。

经测试，本实施例中混凝土28d碳化深度为33mm，抗压强度为56.7MPa。

结合实施例1和对比例1-3可以看出，特定原料组成的抗紫外线剂和抗碳化剂能有效降低混凝土的碳化深度，但不降低抗压强度；结合实施例1-3可以看出，抗紫外线剂和抗碳化剂均存在组分的最佳搭配。

结合图1和实施例1、对比例1的结果可以看出，混凝土中添加抗紫外线剂和碳化剂后可以减少水化产物中CaCO

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。