一种纳米增强相变抗冻混凝土拌合料及其制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土技术领域，具体涉及一种纳米增强相变抗冻混凝土拌合料及其制备方法。

背景技术

在寒冷地区，冻融作用往往是导致混凝土破坏的主要因素之一，所以混凝土的抗冻融性能成为了寒区混凝土耐久性的一项重要指标，同时也成为混凝土耐久性研究工作的重中之重。

传统的改善混凝土抗冻融性能的方法包括在水泥基材中加入引气剂、使用矿物掺合料、改善外部条件和控制施工质量等，另外加入纤维可以抑制冻胀裂纹的产生，为防道路结冰也采用除冰盐等手段，但传统方法已不能满足现有工程需求，掺加纤维会降低混凝土强度，而除冰盐的使用会导致盐在水泥基材内部孔隙中结晶产生内部应力，对混凝土耐久性不利。

相变材料是一种节能环保的最佳绿色环保载体，可通过改变其物质状态而吸收或释放大量的潜热。将相变材料作为掺合料加入混凝土中可对其进行调温控温，改变混凝土的热学性能，同时对混凝土抗冻性能有较好效果。但现有添加技术在提高混凝土抗冻性能的同时大幅降低了混凝土自身的强度，不能保证工程结构的安全性。因此，如何在利用相变材料提高混凝土抗冻融性能的同时，保证工程结构所需要的混凝土强度是一个亟需解决的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种纳米增强相变抗冻混凝土拌合料及其制备方法，通过相变材料和纳米材料的配合，改善混凝土的热学性能，提高混凝土抗冻融性能，同时保证混凝土具有工程结构所需的强度。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种纳米增强相变抗冻混凝土拌合料，包括如下重量份的原料：水泥365份、碎石1031份、砂732.5-735.5份、水165份、粉煤灰75份、减水剂8份、相变材料36.5份以及纳米材料4-7份。

所述的相变材料为微胶囊相变材料，以PMMA材质作为微米级胶囊外壳，以正构十四烷为芯材；其中正构十四烷纯度98％，潜热200kJ/kg；PMMA与正构十四烷质量比为2：8；成型后微胶囊相变材料粒径范围为5-10μm，相变温度约为5℃。

所述的纳米材料选用粒径为30nm亲水性纳米二氧化硅颗粒。

所述的水泥为普通硅酸盐水泥。

所述的粉煤灰为F类Ⅱ级粉煤灰。

所述的减水剂选用聚羧酸高效单体减水剂。

所述的砂为II区中砂，表观密度为2630kg/m

所述的碎石为5-25mm连续级配，碎石的表观密度为2835kg/m

一种纳米增强相变抗冻混凝土拌合料的制备方法，包括如下步骤：

取水泥365份、碎石1031份、砂732.5-735.5份、水165份、粉煤灰75份、减水剂8份、相变材料36.5份以及纳米材料4-7份混合均匀后，得到纳米增强相变抗冻混凝土拌合料。

本发明利用相变材料高温吸热、低温放热的特性，在混凝土冻融循环过程中，延缓或降低混凝土内部最低温度和最高温度的出现，使混凝土孔隙内部的水与冰形态转化时，体积变化所产生的膨胀应力趋于稳定；这种情况下，冻融循环对混凝土内部破坏大大减小，只会表面产生轻微剥蚀作用，从而增加混凝土的耐久性；利用微胶囊相变材料高温吸热、低温放热的特性，还可以使寒区建筑减少能源浪费，增加居住的舒适度；通过加入纳米材料，高效抗冻混凝土骨料和水泥之间的界面结构以及水泥石的孔隙结构均可得到改善，对于混凝土这类致密结构，纳米材料可以填充骨料与水泥间的间隙，使得混凝土更加坚硬。

本发明相比于现有技术具有以下有益效果：

1、本发明一种纳米增强相变抗冻混凝土，在提升混凝土的抗冻性能、热学性能的同时还保证混凝土的力学性能；

2、本发明使用的微胶囊相变材料是一种节能环保的绿色环保材料，其相变点较低，且潜热量大，热性能良好，相变材料通过材料的物质形态变化的方式使其相变潜热或放热；

3、本发明利用相变材料高温吸热、低温放热的特性，减少寒区住宅区对能源的浪费，增加居住的舒适性；

4、本发明一种纳米增强相变抗冻混凝土克服了相变材料在混凝土中的渗漏问题和随着冻融次数增加材料性能缩减问题；

5、本发明一种纳米增强相变抗冻混凝土中掺入纳米材料，解决了掺入相变材料混凝土强度降低问题；

6、本发明一种纳米增强相变抗冻混凝土拌合料，是基于普通混凝土生产工艺条件下实现的，取材简单方便，有较好的社会经济效益。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：一种纳米增强相变抗冻混凝土拌合料，包括如下重量份的原料：水泥365份、碎石1031份、砂735.5份、水165份、粉煤灰75份、减水剂8份、相变材料36.5份以及纳米材料4份。

所述的水泥选择质量性能稳定的P·O42.5普通硅酸盐水泥，水泥性能指标(包括细度、MgO含量、SO

所述的砂作为骨料，采用颗粒圆滑、级配良好、质地坚硬的中砂，砂的品质要符合规范规定，表观密度为2630kg/m

所述的碎石采用致密坚硬、强度高、表面粗糙、针片状少、级配良好的石灰岩，级配选择范围5～25mm，碎石的表观密度为2835kg/m

所述的粉煤灰采用F类Ⅱ级粉煤灰。

所述的减水剂选择聚羧酸高效单体减水剂，使用前先使其溶于水，再掺入进行拌合。

所述的相变材料选用PMMA材质为胶囊外壳，正构十四烷为芯材的微胶囊相变材料；其中正构十四烷纯度98％，潜热200kJ/kg；PMMA与正构十四烷质量比为2：8；成型后微胶囊相变材料粒径范围为5-10μm，相变温度约为5℃；克服了相变材料在混凝土中的渗漏导致随着冻融次数增加材料性能缩减问题和掺入相变材料混凝土强度降低问题。

所述的纳米材料选择30nm的亲水性纳米二氧化硅，使用前先与水充分搅拌均匀，在加入混凝土中；纳米材料和微胶囊相变材料的粒径都很小，可以很好地填充在混凝土的孔隙中，这样就大大降低了混凝土内部孔隙，间接的减小了混凝土内部的水分，增强了混凝土的抗冻性和强度。

所述的水选用自来水，其质量符合混凝土拌合用水标准。

一种纳米增强相变抗冻混凝土拌合料的制备方法，包括如下步骤：

取水泥365份、碎石1031份、砂735.5份、水165份、粉煤灰75份、减水剂8份、相变材料36.5份以及纳米材料4份，混合均匀后，得到纳米增强相变抗冻混凝土拌合料。

实施例2：一种纳米增强相变抗冻混凝土拌合料，包括如下重量份的原料：水泥365份、碎石1031份、砂734.5份、水165份、粉煤灰75份、减水剂8份、相变材料36.5份以及纳米材料5份；原材料和实施例1相同。

一种纳米增强相变抗冻混凝土拌合料的制备方法，包括如下步骤：

取水泥365份、碎石1031份、砂734.5份、水165份、粉煤灰75份、减水剂8份、相变材料36.5份以及纳米材料5份，混合均匀后，得到纳米增强相变抗冻混凝土拌合料。

实施例3：一种纳米增强相变抗冻混凝土拌合料，包括如下重量份的原料：水泥365份、碎石1031份、砂732.5份、水165份、粉煤灰75份、减水剂8份、相变材料36.5份以及纳米材料7份；原材料和实施例1相同。

一种纳米增强相变抗冻混凝土拌合料的制备方法，包括如下步骤：

取水泥365份、碎石1031份、砂732.5份、水165份、粉煤灰75份、减水剂8份、相变材料36.5份以及纳米材料7份，混合均匀后，得到纳米增强相变抗冻混凝土拌合料。

对比例1：对比例1与实施例1的不同之处在于，原料中未添加相变材料和纳米材料，砂776份，其他原料重量份相同。

对比例2：对比例2与实施例1的不同之处在于，原料中未添加纳米材料，砂739.5份，其他原料重量份相同。

性能测试按照如下方法，对实施例1-3及对比例1-2制备的混凝土拌合料的性能进行测试，将测试结果示于表1。

抗冻性能：根据SL191-2008《水工混凝土结构设计规范》中的规定测定其抗冻等级。

抗压强度：根据GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》制作标准试块，并测量标准试块养护28天的抗压强度。

热学性能：根据DL/T5150-2017《水工混凝土试验规程》分别测定其7d和14d的导温系数、导热系数和比热容以及14d和28d的绝热温升。

表1

F300表示混凝土能够承受反复冻融循环次数为300次，由表1可知，该技术制备的一种纳米增强相变抗冻混凝土，在确保其所具备基本强度的前提下，有效地提升了混凝土的抗冻性能和热学性能。

对比例1的原料中未添加相变材料和纳米材料；相较于实施例1-3，对比例1中混凝土的抗冻等级明显下降，说明相变材料的加入可以大幅提高混凝土的抗冻融性能。

对比例2的原料中未添加纳米材料；相较于实施例1-3，对比例2中混凝土的强度较小，说明纳米材料的加入可以改善相变材料加入带来的混凝土强度损失。