混凝土第六组分

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简介

混凝土第六组分是指除砂、石、水泥、水及化学外加剂之外的,用于改善混凝土性能或增加其功能或赋予其智能的成分。

混凝土第六组分

分类

按其特性可分为改性型、功能型和智能型三大类。

改性型第六组分

改性型第六组分主要作用是显著改善混凝土物理力学性能,主要有矿物外加剂、聚合物和各类纤维。

超细微粒矿物外加剂

超细微粒矿物外加剂是将高炉矿渣、粉煤灰、液态渣、沸石粉等超细粉磨而成,其比表面积一般大于500m2/kg,可等量代替水泥15%~50%,是配置高性能混凝土必不可少的组分。掺入混凝土中后可以产生化学效应和物理效应,化学效应是指它们在水泥硬化过程中发生化学反应,产生胶凝性;物理效应是指它们可填充水泥颗粒间的空隙,起微集料作用,使混凝土形成紧密堆积体系。

随着超细微粒掺和料的品种、细度和掺量的不同,其作用效果有所不同,一般具有显著改善混凝土的力学性能、显著改善混凝土的耐久性、改善混凝土的和易性、抑制碱-骨料反应等。

聚合物混凝土

在水泥基材料中掺入有机聚合物已有较长的历史,早在20世纪40年代就出现了有关聚合物混凝土的报道,60年代后期得到了迅速的发展,20世纪80年代初,英国的Birchll和其合作者研制了宏观无缺陷水泥(Macro-Ddfect-Free Cement,MDF),并用这种材料支撑了世界上第一根水泥弹簧,在水泥基材料学术界引起了很大的震动,被认为是对水泥基材料研究开发的一个重大突破。

聚合物混凝土主要有聚合物水泥混凝土和聚合物浸渍混凝土。

(1)聚合物水泥混凝土。聚合物水泥混凝土是用聚合物乳液和水拌和水泥,并掺入砂或其他骨料而制成的一种混凝土。所用聚合物可以是由一种单体聚合物而成的均聚物,也可以是由两种或更多的单体聚合而成的共聚物。目前聚合物水泥混凝土中用的聚合物主要有:丙烯酸酯共聚乳液、聚氯丁二烯胶乳、聚苯乙烯胶乳、氯乙烯偏氯乙烯共聚乳液、BJ乳液、BHC乳液、苯丙乳液等。典型的聚合物乳液是由水、单体、引发剂、表面活性剂及其他成分组成。聚合物水泥混凝土的性能主要是受聚合物的种类、掺量的影响。聚合物水泥混凝土具有较高的抗折强度和抗拉强度,尤其对老混凝土的黏结度极好,且具有抗水及抗氯离子渗透、抗冻融性等良好的耐久性,是一种性能优异的新型补强材料。

(2)聚合物浸渍混凝土。聚合物浸渍混凝土(PIC)是以混凝土为基材,将有机单体掺入混凝土中,并使其聚合而制成的一种混凝土。许多不同品种的有机单体已成功地用以生产聚合物浸渍混凝土,目前,使用较多的单体是甲基丙烯酸甲酯(MMA)和苯乙烯。

聚合物浸渍混凝土的性能除与有机单体种类有关外,还与其浸填率有关,完全浸渍的混凝土,其抗拉强度、抗压强度、抗折强度可能增长2~4倍。此外,它还具有很高的抗渗性、耐久性及很小徐变和收缩。聚合物浸渍混凝土具有较好的力学性能,主要是由于聚合物在水泥基体中的增塑、增韧、填孔和固化作用产生的。

纤维混凝土

纤维混凝土由水泥、水、粗细骨料以及各种有机、无机或金属的不连续短切纤维组成的材料,被称为纤维增强混凝土。普通混凝土往往在受荷载之前已含有大量微裂缝,在不断增大的外力作用下,这些微裂缝迅速扩大并形成宏观裂缝,最终导致材料破坏。当普通混凝土中加入适量的纤维后,材料的力学性能会发生变化。在水泥基材料中应用的纤维材料按其性质可分为金属纤维(钢纤维和不锈钢纤维)、无机纤维(包括石棉等天然矿物纤维、抗碱玻璃纤维、抗碱矿棉、碳纤维等人造纤维)和有机纤维(主要包括聚乙烯、聚丙烯、尼龙、芳族聚酰亚胺等合成纤维等)。

目前发展起来的纤维增强混凝土,应用最广的是指钢纤维增强混凝土、玻璃纤维增强混凝土和聚丙烯类纤维增强混凝土。纤维混凝土与普通混凝土相比,虽有许多优点,但毕竟代替不了钢筋混凝土。人们开始在配有钢筋的混凝土中掺加纤维,使其成为钢筋-纤维复合混凝土,这又为纤维混凝土的应用开发了一条新途径。

(1)钢纤维增强混凝土。

在混凝土拌和物中,掺入适量的钢纤维,可配成一种既可浇筑又可喷射的特种混凝土,这就是钢纤维混凝土。与普通混凝土相比,钢纤维混凝土抗拉、抗弯强度及耐磨、耐冲击、耐疲劳、韧性和抗裂、抗爆等性能都可得到提高。因为大量很细的钢纤维均匀地分散在混凝土中,与混凝土接触的面积很大,因而,在所有的方向,都使混凝土的强度得到提高,大大改善了混凝土的各项性能。

钢纤维的尺寸,主要由强化特性和施工难易性决定。钢纤维如太粗或太短,其强化特性差,如过细或过长,则在搅拌时容易结团。为了增强钢纤维同混凝土之间的黏结强度,常采用增大表面积或将纤维表面加工成凹凸形状,按外形可为平直形、波浪形、压痕形、扭曲形、端钩形、大头形等。按横截面可为圆形、矩形、月牙形及不规则形等。把直径为0.3~1.2mm,长为15~60mm的钢纤维均匀地掺入混凝土中,构成一种新的复合混凝土时,其性能改善尤为明显。

(2)玻璃纤维混凝土。玻璃纤维混凝土是由玻璃纤维与水泥混凝土复合而成的材料。主要用于制作复合外墙板(以岩棉、泡沫聚苯等做芯材)、隔墙板、阳台栏板、垃圾道和通风道、卫生间等。

配制玻璃纤维混凝土应采用抗碱玻璃纤维,因为这种玻璃纤维中含有一定量的氧化锆(ZrO2),在碱液作用下,其表面的氧化锆会转化成含氢氧化锆[Zr(OH)4]的胶状物,并经脱水聚合在其表面,形成致密的膜层,从而减缓了水泥石液相中的氢氧化钙[Ca(OH)2]对玻璃纤维的侵蚀。

(3)聚丙烯纤维混凝土。聚丙烯纤维可以通过大量吸收能量,控制水泥基体内部微裂的生成及发展,大幅度提高混凝土抗裂能力及改善抗冲击性能,并能大幅度提高混凝土抗折强度并降低其脆性,同时也提高了混凝土的抗渗能力、抗冻能力,使混凝土耐久性大大增强。

聚丙烯纤维的主要优点是良好的抗碱性和化学稳定性(它与大多数化学物质无反应),有较高的熔点,且原材料价格低廉。其不足之处是:①耐火性差,当温度超过120℃时,纤维就软化,使聚丙烯纤维增强水泥基复合材料的强度显著下降,因此,用聚丙烯纤维作为水泥基的主要增强材料,要特别注意耐火性能;②在空气或氧气中光照易老化;③弹性模量低,一般只有1~8GPa;④具有憎水性而不易被水泥浆浸湿。但是这些缺点并未阻碍聚丙烯纤维增强水泥基复合材料的发展,因包裹纤维的基体提供了一个保护层,有助于减小对火和其他环境因素的损伤。

功能型第六组分

传统上,混凝土主要是用于建筑承重材料,被用到的性能主要是力学性能。因而,在过去的100多年时间里,以强度为主的力学性能得到了广泛深入的研究和长足的发展。然而,随着人类社会的高度发展,现代建筑对混凝土提出了新的挑战,要求混凝土不仅要承重,最好还具有声、光、电、磁、热等功能,以适应多功能和智能建筑的需要。功能型第六组分可赋予混凝土特殊功能。

导电混凝土

硬化水泥浆体本身是不导电的。因此,制备导电混凝土的方法是在普通混凝土中掺入各种导电组分。目前常用的导电组分基本可以分为三类:聚合物类、碳类和金属类,其中最常用的是碳类和金属类。碳类导电组分包括石墨、碳纤维及炭黑。金属类材料,则有金属微粉末、金属纤维、金属片、金属网等。导电组分的种类、性质、形状、尺寸、掺量、与水泥浆基体的相容性以及材料的复合方法等因素都会影响混凝土的导电性。

磁性混凝土

采用特殊工艺将可磁化粒子混入混凝土中,可制备磁性混凝土。所用的可磁化粒子可分为两类:一类是铁氧体(如钡铁氧体BaO·6Fe2O3和锶铁氧体SrO·6Fe2O3),另一类是稀土类磁性材料[如SmCo5和Sm2(Co,Fe,Cu,Mn)17]。磁性混凝土的磁性性能主要取决于其中可磁化粒子的定向排列的有序化程度,可磁化粒子排列的定向度越高,则材料的磁性越好。磁性混凝土的磁性主要受可磁化粒子的性质、掺量、水泥品种以及制备工艺影响。目前来看,铁氧体类磁性混凝土具有较好的应用前景。

屏蔽磁场混凝土

地下电力传输线和变压器、开关等电力设施可以产生磁场,对人的健康有负面影响。为了使建筑物具有屏蔽磁场的功能,一般采用在混凝土中加入钢丝网的方法。钢丝网可以有效屏蔽磁场,但又严重影响了混凝土的施工。在混凝土中加入钢质的曲别针也可达到屏蔽磁场的目的。由于曲别针为分散的、互不相连的个体,因而不会影响混凝土拌和物的性能和施工,同时,曲别针具有相互连接的倾向,在混凝土的搅拌和浇筑过程中,可以形成由曲别针连接的屏蔽磁场的金属网。在混凝土中掺入5%的钢质曲别针(曲别针长3.18cm,宽0.64cm,钢丝直径0.79mm)即可获得足以和钢丝网(钢丝直径0.6mm,钢丝网孔间距5.64mm)混凝土相媲美的磁场屏蔽效果。

屏蔽电磁波混凝土

随着电子信息时代的到来,各种电器电子设备(广播通信设备、家用电器、电子计算机、电子测量仪器、医疗设备)的数量大量增长,导致电磁波泄露问题越来越严重,而且电磁波泄露场的频率分布极宽,从低频到毫米波,它可能干扰正常的通信和导航,甚至危害人体健康。因此,具有屏蔽电磁波的建筑材料越来越受到重视。

混凝土本身既不能反射也不能吸收电磁波。但是掺入功能型组分后,可使其具有屏蔽电磁波的功能。其中,掺加的功能组分一般为导电粉末(如碳、石墨、铝、铜或镍等)、纤维(如碳、铝、钢或铜-锌等)或絮片(石墨、锌、铝或镍等)。采用铁氧体粉末或碳纤维毡作为吸收电磁波的功能组分,制作的幕墙对电磁波的吸收可达90%以上。带微圆圈的碳纤维也具有优异电磁波吸收功能。

智能型第六组分

智能混凝土是在混凝土原有组分基础上复合智能型组分,使混凝土具有自感知和记忆、自适应、自修复特性的多功能材料。

应力、应变和损伤检测混凝土

将一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入混凝土中,可以使材料具有自感知内部应力、应变和损伤程度的功能。通过对材料的宏观行为和微观结构变化观测,发现混凝土的电阻变化与其内部结构变化是相对应的,如电阻率的可逆变化对应于可逆的弹性变形,而电阻率的不可逆变化对应于非弹性变形和断裂,其测量范围很大。而且这种混凝土可以敏感有效地监测拉、弯、压等工况及静态和动态荷载作用下材料的内部情况。

在疲劳试验中还发现,无论是在拉伸或是压缩状态下,混凝土体积电阻率会随疲劳次数发生不可逆的降低。因此,可以应用这一现象对混凝土的疲劳损伤进行检测。

调湿混凝土

有些建筑物对其室内温度和湿度有严格的要求,如各类展览馆、博物馆及美术馆等。自动调节湿度的混凝土自身即可完成对室内环境的探测,并根据需要对其进行调控。为混凝土带来自动调节环境湿度功能的关键组分是沸石粉。其机理为:沸石粉中的钙硅酸盐含有3~9×10-10m的孔隙,这些孔隙可以对水分、NOx和SOx气体选择性吸附。通过对沸石粉种类(天然的沸石有40多种)进行选择,可以制备符合实际应用需要的自动调节环境湿度的混凝土,它具有如下特点:优先吸附水分,水蒸气压低的地方,其吸湿容量大;吸放湿与温度有关,温度上升时放湿,温度下降时吸湿。这种材料已成功应用于日本月黑雅叙园美术馆、成天山法房美术馆和东京摄影美术馆等的室内壁墙,取得非常好的效果。

仿生自愈伤混凝土

将内含黏结剂的空心玻璃纤维或胶囊掺入混凝土中,一旦材料在外力作用下发生开裂,空心玻璃纤维或胶囊就会破裂而释放黏结剂,黏结剂流向开裂处,使之重新黏结起来,起到愈伤的效果。