微胶囊对高性能、多功能混凝土性能的影响研究

摘要

为建设“资源节约型、环境友好型”社会，发展高性能、多功能混凝土已经成为现代混凝土制备技术的研究热点和重要发展趋势，并成为解决资源短缺、环境危机、节能减排、走绿色可持续发展道路的重要措施。与普通混凝土相比，高性能、多功能混凝土可具有更高的强度和更好的耐久性，以及传统混凝土所不具备的能量存储、防霉防菌、自修复、高耐久性等功能。高性能、多功能混凝土的制备方法通常是在拌合过程中，掺入具有特定功能的外加剂与水泥、砂石以及水共同拌合并浇筑成型。然而，外加剂与混凝土的不兼容性是当前制备高性能、多功能混凝土的一大难题。为克服外加剂与混凝土基体间的“副作用”，微胶囊技术通过将外加剂封装在微型容器中，隔绝外加剂与基体间的非预期接触，避免“副作用”的发生，对外加剂进行可控的释放或激发，从而增强混凝土的性能。研究表明，微胶囊技术在制备高性能、多功能混凝土方面具有极强的技术优势和广阔的应用前景。
　　然而，使用物理、化学方法合成的混凝土外加剂胶囊体（此外还有多孔材料和超吸水树脂）存在成本过高、制备过程复杂、条件要求苛刻、胶囊壳体刚度和强度较低以及孔隙结构复杂、装载量低、外加剂的释放不可控等缺点，制约了高性能、多功能混凝土的发展。为克服以上缺点，促进高性能、多功能混凝土的发展和应用，本文发展了多孔漂珠和球霰石型碳酸钙作为混凝土外加剂微型容器，并分别研究了以下内容:
　　提出了基于氟酸腐蚀制备和收集多孔漂珠的方法，使用SEM，XRD，XRF，BET，LPSA等表征手段分析了漂珠及多孔漂珠的物理、化学和几何特征，并测试了漂珠及多孔漂珠的筒压强度和密度。研究结果表明，漂珠通常为单腔封闭结构，颗粒内腔体积约占全部体积的51.2％，主要化学组成为SiO2和Al2O3，晶型成分为莫来石、石英及无定形态SiO2，化学性质较为稳定。所提出的多孔漂珠制备和收集方法具有操作方便、条件简单、适用性强以及较强的规模化应用前景等特点。此外，粒径是影响漂珠及多孔漂珠筒压强度的重要因素，粒径越小，漂珠的筒压强度和堆积、表观密度则越大，而多孔漂珠筒压强度降低幅度也越大。
　　使用多孔漂珠装载水制备了多孔漂珠内养护微胶囊，对高强混凝土实施了内养护。研究了多孔漂珠内养护微胶囊的吸水/释水特性及其对高强混凝土早期自收缩、抗压强度、微观结构和氯离子渗透性等方面的影响。结果表明，多孔漂珠颗粒结构简单、孔隙分布广、吸水率高（约为120％，是传统轻细骨料吸水率的5～24倍)，是一种优良内养护材料。在高强混凝土中掺入多孔漂珠内养护微胶囊，可高效治愈其早期自干燥现象，消除自收缩。掺量越大，自收缩降低幅度则越大，且对28 d抗压强度影响较小。多孔漂珠具有一定的强度和刚度，在高强混凝土微结构中的工作性能优异，能够较好地分散在微结构中，与水泥浆紧密连接，生存率极高。通过将内养护水释放到周边水泥浆中，多孔漂珠内养护微胶囊促进了水泥的水化，减小了未水化水泥颗粒的体积，提高了与之连接的水泥浆的密实性，有效地提高了高强混凝土抗氯离子渗透性能。
　　以石蜡为芯材，多孔漂珠为载体，水泥浆为封装材料制备了石蜡相变微胶囊，研究了其相变特性，并测试了掺入石蜡相变微胶囊对砂浆吸热储能性能以及抗压强度的影响。结果表明，“四步法”制备石蜡相变微胶囊简单高效，可避免石蜡液化后出现泄露问题。该胶囊的相变潜热为8.135 J/g，相变温度为26.25℃，为人体适宜温度。在混凝土中掺入石蜡相变微胶囊，可降低水泥的水化温度，推迟峰值温度出现的时间，不影响水泥的水化历程，且对混凝土抗压强度，特别是28 d抗压强度影响较小。
　　提出了改进的CO2气泡法高效制备球霰石，分析了反应溶液结束pH值和CO2气流速率对球霰石纯度和产率的影响，确定了最优制备参数。使用SEM，FETEM等表征手段研究了在最优制备条件下，球霰石颗粒的微观形貌和不同湿度环境对球霰石晶型的影响。结果表明，反应溶液结束pH值越高、CO2气流速率越大，所制备的球霰石纯度越高。当CO2气流速率为11 l/min，反应溶液结束pH值高于8.6时，所制备的球霰石纯度超过90％。综合考虑球霰石的纯度和产率，确定优化球霰石制备条件为:CO2气流速率为11 l/min，反应溶液结束pH为8.6。本文提出的改进的CO2气泡法简单高效、成本低廉，具有规模化应用的广阔前景。SEM和FETEM分析揭示了本方法对制备多孔或中空球霰石具有较好的优势。球霰石的保质条件对湿度非常敏感，它会在湿度环境中逐渐发生相变，湿度越高，则相变越快。建议使用N2保护包装法保存球霰石。
　　以制备高品质再生骨料所产生的废液为钙源，研究了在不同乙醇浓度条件下，使用CO2气泡法制备球霰石。分析了球霰石颗粒的融合生长现象，使用球霰石颗粒吸附水制备了球霰石内养护微胶囊，并对高强混凝土实施了内养护。结果表明，本文提出的处理再生骨料的方法，不仅具有成本低廉、操作简单等优点，还能同时制备高附加值球霰石并吸储CO2，具有重要的经济价值和环保意义。乙醇是一种高效的表面活性剂，可促进球霰石的形成，并使得组成球霰石的纳米颗粒排列更加有序。本方法处理1kg再生骨料可制备76.6 g球霰石并吸储33.7 g CO2。球霰石作为内养护材料的可行性得到了验证，为使用球霰石装载混凝土外加剂制备球霰石微胶囊提供了技术依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 混凝土中的胶囊技术

1．2．1 内养护高强混凝土研究现状

1．2．2 相变混凝土研究现状

1．3 球霰石微胶囊简介

1．4 主要研究内容

参考文献

第二章 材料与方法

2．1 原材料

2．1．1 化学试剂

2．1．2 仪器设备

2．1．3 水泥基试验材料

2．2 测试方法

2．2．1 漂珠密度测试

2．2．2 漂珠力学强度测试

2．2．3 混凝土抗压强度测试

2．2．4 自收缩测试

2．2．5 饱和多孔漂珠释水特性测试

2．2．6 氯离子电通量测试

2．3 表征分析

2．3．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．4 扫描量热仪(DSC)

2．3．5 其他

参考文献

第三章 多孔漂珠的制备及其性质

3．1 引言

3．2 漂珠原料及多孔漂珠制备和收集方法

3．2．1 漂珠及其性质

3．2．2 多孔漂珠的制备和收集方法

3．3 多孔漂珠的表征分析

3．3．1 SEM

3．3．2 BET比表面积

3．3．3 XRD和XRF

3．3．4 粒径对漂珠的力学强度和密度的影响

3．3．5 多孔漂珠的力学强度和密度

3．4 结论

参考文献

第四章 多孔漂珠内养护微胶囊对高强混凝土性能的影响

4．1 引言

4．2 试验设计

4．3 试验结果及讨论

4．3．1 多孔漂珠吸水及释水特性

4．3．2 高强混凝土自收缩曲线

4．3．3 抗压强度

4．3．4 SEM微结构分析

4．3．5 背散射电镜微结构分析

4．3．6 氯离子渗透深度

4．4 结论

参考文献

第五章 多孔漂珠／石蜡微胶囊对混凝土性能的影响

5．1 引言

5．2 试验设计

5．2．1 石蜡胶囊的制备方法

5．2．2 配合比设计

5．3 试验结果及讨论

5．3．1 SEM

5．3．2 DSC

5．3．3 温升曲线

5．3．4 抗压强度

5．4 结论

参考文献

第六章 改进的CO2气泡法高效制备球霰石

6．1 引言

6．2 试验方法

6．2．1 砂芯装置

6．2．2 球霰石的制备方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 结束pH值对PCC晶型的影响

6．3．2 CO2气流速率对PCC晶型的影响

6．3．3 SEM和FETEM

6．3．4 不同湿度环境对球霰石晶型的影响

6．3 小结

参考文献

第七章 废液制备球霰石及球霰石内养护微胶囊对高强混凝土自收缩影响

7．1 引言

7．2 方法

7．2．1 废液的制备方法

7．2．2 PCC的制备方法

7．3．1 废液化学成分

7．3．2 乙醇浓度对PCC晶型影响

7．3．3 球霰石颗粒的融合生长现象

7．3．4 PCC产量和CO2吸储效率

7．4 球霰石内养护微胶囊对高强混凝土自收缩的影响

7．4．1 方法及试验设计

7．4．2 自收缩曲线

7．5 结论

参考文献

第八章 结论及展望

8．1 全文总结

8．2 主要创新点

8．3 存在的问题及工作展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果