一种高性价比复合混凝土材料裂缝自修复外加剂及其应用

1.本发明涉及防水混凝土材料技术领域，特别是涉及一种高性价比复合混凝土材料裂缝自修复外加剂及其应用。


背景技术：

2.混凝土是建筑上使用的一种黏结物质，由一定比例的细集料加水泥拌和而成，以低成本、高强度的优点在建筑行业被广泛使用，在其成型过程中，常常由于不均匀沉降以及表面与内部温度和湿度的差异等因素产生裂缝，这些微裂缝会成为水分及有害物质进入混凝土的通道，降低混凝土的抗渗性及强度，严重损害混凝土砌体的耐久性。若放任这些裂缝发展，必会造成严重的经济损失。
3.混凝土裂缝是不可避免的，如何在混凝土产生裂缝后对其进行修复以及尽可能降低裂缝的生成数量具有重要的意义。目前国内外常用的修复技术主要集中于表面喷涂，该技术的实施不仅会花费大量的人力、物力和财力去对混凝土进行定期维护，而且对水泥混凝土的内部裂缝无法有效地完成修补工作。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种高性价比复合混凝土材料裂缝自修复外加剂及其应用，以解决上述现有技术存在的问题。本发明选择植物脲酶含量丰富、成本低廉的西瓜籽作为脲酶的来源，以混凝土自身作为钙源，在混凝土裂缝产生后，脲酶诱导产生具有胶凝性质的碳酸钙晶体，完成裂缝修复。同时，添加适量的氧化镁来改性混凝土，协同脲酶诱导碳酸钙沉淀技术完成混凝土内部及表面微裂缝的自愈合，并且本发明是首次利用脲酶诱导碳酸钙沉淀。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明的技术方案之一：一种高性价比复合混凝土材料裂缝自修复外加剂，所述外加剂的成分包括植物脲酶。
7.更进一步地，所述植物脲酶由西瓜籽提供。
8.进一步地，所述的高性价比复合混凝土材料裂缝自修复外加剂，所述外加剂的成分还包括氧化镁。
9.本发明的技术方案之二：一种上述高性价比复合混凝土材料裂缝自修复外加剂在自修复混凝土材料中的应用。
10.进一步地，所述自修复混凝土材料的制备原料，包括以下任意一种：
11.第1种，包括以下质量份数的原料：水泥320份、粉煤灰60份、矿粉40份、砂728份、石子1092份、水160份、减水剂4.2份、尿素4.2份和植物脲酶0.0063份；
12.第2种，包括以下质量份数的原料：水泥320份、粉煤灰60份、矿粉40份、砂728份、石子1092份、水160份、减水剂4.2份、尿素4.2份、植物脲酶0.0063份和氧化镁3～8份。
13.进一步地，所述自修复混凝土材料的制备方法，包括以下任意一种：
14.方法1，采用第1种自修复混凝土材料的制备原料，制备方法包括：按质量份数将砂、石子、水泥、粉煤灰、矿粉、尿素和植物脲酶一次混合，得到混合体系，然后将减水剂和水二次混合后加入混合体系，搅拌均匀，得到所述自修复混凝土材料；
15.方法2，采用第2种自修复混凝土材料的制备原料，制备方法包括：按质量份数将砂、石子、水泥、粉煤灰、矿粉、尿素、植物脲酶和氧化镁一次混合，得到混合体系，然后将减水剂和水二次混合后加入混合体系，搅拌均匀，得到所述混凝土材料。
16.进一步地，所述一次混合的时间为2min，二次混合的时间为20s；所述搅拌的时间为2～5min。
17.在混凝土中增添一定比例的尿素和脲酶，可以诱导生成具有良好的胶凝性质的碳酸钙晶体，这种结晶体能够胶结松散砂粒形成有强度的结构，自动从内部对混凝土裂缝进行修复。另外，氧化镁(活性氧化镁)的加入也可以对裂缝进行修复，提高混凝土性能。氧化镁具有延迟膨胀的特点，遇水作用下将化学能转化为机械能，限制混凝土膨胀，减少裂缝的生成。且氧化镁改性混凝土的自愈合时间会得到延长，在养护初期可以有效地修复一些干缩裂缝。因此，同时利用脲酶诱导碳酸钙沉淀技术和氧化镁的改性作用，可以极大地提高混凝土的自愈合能力
18.本发明公开了以下技术效果：
19.(1)本发明的植物脲酶可以水解尿素生成co2，在碱性条件下co2将转化为co
32-，然后co
32-会与环境中的ca
2+
反应，在裂缝处生成碳酸钙沉淀，大大提高防水和抗渗效果，满足工程需要，提高工程质量。
20.(2)随着水泥水化的进行，本发明的植物脲酶和氧化镁逐渐发挥作用，在碱性条件下，脲酶催化尿素水解产生co
32-，co
32-与环境中的ca
2+
反应在裂缝处生成具有良好胶凝性质的碳酸钙沉淀。氧化镁在混凝土干缩裂缝时能够延迟膨胀，有效减少早期裂缝的产生，且能延长混凝土的自愈合时间。二者协同作用大大减少了裂缝的生成，提高了混凝土自愈合能力，并且性能测试能够满足工程需要，这无疑可以大大提高工程质量。
21.(3)加入本发明的外加剂可以提高自修复混凝土材料的抗渗能力，使材料的防水和抗渗效果满足工程需要，提高工程质量。
22.(4)本发明的自修复混凝土材料结合了脲酶诱导碳酸钙沉淀技术和氧化镁改性混凝土技术，自愈合能力得到极大地提高，具有良好的密实性、防水性和抗渗性；此外，其制备方法简单、成本低廉，提高防水抗渗性能的同时，可以完成施工且不影响其和易性和强度性能。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明实施例1制备的自修复混凝土材料的微观结构图；
25.图2为本发明实施例2制备的自修复混凝土材料的微观结构图；
26.图3为本发明对比例1制备的空白混凝土的微观结构图。
具体实施方式
27.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。
28.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。
29.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。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
30.在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本技术说明书和实施例仅是示例性的。
31.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。
32.以下实施例所述的“份”均为“质量份”。
33.本发明以下实施例中采用的西瓜籽中植物脲酶的含量约为0.15wt.％。
34.本发明以下实施例及对比例采用的水泥为标号42.5的普通硅酸盐水泥；本发明以下实施例采用的砂为中砂，石子的粒径为5～20mm，粉煤灰为ⅱ级粉煤灰，矿粉为s95矿粉。
35.实施例1
36.一种自修复混凝土材料的制备方法：
37.(1)将728份砂、728份石子、320份水泥、60份粉煤灰、40份矿粉、4.2份尿素和4.2份西瓜籽(粉状、含有植物脲酶0.0063份)混合2min，得到混合体系a。
38.(2)将4.2份减水剂和160份水混合20s，在25s内加到混合体系a中，室温下搅拌3min，得到自修复混凝土材料(c40护栏混凝土，容积密度为2400kg/m3，水胶比0.38，砂率40％)。
39.实施例2
40.一种自修复混凝土材料的制备方法：
41.(1)将728份砂、728份石子、320份水泥、60份粉煤灰、40份矿粉、4.2份尿素、4.2份西瓜籽(粉状、含有植物脲酶0.0063份)和5份氧化镁混合2min，得到混合体系a。
42.(2)将4.2份减水剂和160份水混合20s，在25s内加到混合体系a中，室温下搅拌3min，得到自修复混凝土材料(c40护栏混凝土，容积密度为2400kg/m3，水胶比0.38，砂率40％)。
43.对比例1
44.空白混凝土的制备：
45.(1)将728份砂、728份石子、320份水泥、60份粉煤灰和40份矿粉混合2min，得到混
合体系a。
46.(2)将4.2份减水剂和160份水混合20s，在25s内加到混合体系a中，室温下搅拌3min，得到空白混凝土。
47.测定本发明实施例1～2及对比例1制备的混凝土的性能，结果见表1。
48.性能测定依据的标准为：gb/t50080-2016普通混凝土拌合物性能试验方法标准；gb/t50081-2019混凝土物理力学性能试验方法标准。
49.表1
[0050][0051]
采用本发明对比例1的混凝土制备的具有7d龄期的胶砂试块的内部结构疏松孔隙多，不密实(图3)；采用本发明实施例1的自修复混凝土材料制备的具有7d龄期的混凝土试块的孔隙明显减少，表明该自修复混凝土试块的内部结构更加密实，这是由于自修复混凝土内部为高碱性环境，其ph值可达12～13，西瓜籽释放的脲酶水解尿素生成co2，碱性条件进一步可将co2转化为碳酸根离子，然后碳酸根离子与周围溶液中的ca
2+
反应生成碳酸钙沉淀，沉淀填充了混凝土试块内部的孔隙，使孔隙更少，成型后的试块的结构更密实(图1)。
[0052]
本发明的含有西瓜籽的自修复混凝土材料成型早期，随着水泥水化的进行，西瓜籽逐渐发挥作用，西瓜籽分泌脲酶，脲酶水解尿素生成co2，在碱性条件下co2将转化为co
32-，然后co
32-会与环境中的ca
2+
反应，在裂缝处生成碳酸钙沉淀。因此，本发明的自修复混凝土材料可大大提高防水和抗渗效果，满足工程需要，提高工程质量。
[0053]
采用本发明实施例2的自修复混凝土材料制备的具有7d龄期的试块的孔隙明显减少，表明该自修复混凝土浇筑的试块的内部结构更加密实，这得力于脲酶诱导碳酸钙沉淀与氧化镁改性混凝土协同技术在该体系中的应用。在高碱性环境(ph12～13)的混凝土内部，西瓜籽释放的脲酶会催化尿素水解生成co
32-，co
32-与周围溶液中的ca
2+
反应生成碳酸钙沉淀，进而填充混凝土试块内部的孔隙，使孔隙更少(图2)。氧化镁在混凝土干缩裂缝时能够延迟膨胀，有效减少早期裂缝的产生，且能延长混凝土的自愈合时间。因此，归因于这两方面的协同作用，成型后的混凝土试块的结构更密实。
[0054]
本发明的含有西瓜籽和氧化镁的自修复混凝土材料成型早期，随着水泥水化的进行，西瓜籽分泌的脲酶和氧化镁逐渐发挥作用，在碱性条件下，脲酶催化尿素水解产生co
32-，co
32-与环境中的ca
2+
反应在裂缝处生成具有良好胶凝性质的碳酸钙沉淀。氧化镁在混凝土干缩裂缝时能够延迟膨胀，有效减少早期裂缝的产生，且能延长混凝土的自愈合时间。二者协同作用大大减少了裂缝的生成，提高了混凝土自愈合能力，并且性能测试能够满足工程需要，这无疑可以大大提高工程质量。
[0055]
效果例2
[0056]
根据gb/t50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准对实施例1～
2和对比例1制备的混凝土进行抗渗性能测试。
[0057]
测试方法如下：按配合比称量20l40护栏混凝土，用试验用搅拌机搅拌，检测坍落度、含气量等指标后，成型1组抗渗试块3块(刷水性脱模剂)；1d后脱模，用钢丝刷刷去两端面的水泥浆膜，随即送入标准养护室进行养护；第14d取出进行抗渗性能试验。
[0058]
表2抗渗性能
[0059]
试验编号渗水高度/mm对比例132.8实施例129.2实施例225.7
[0060]
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。

技术特征：
1.一种高性价比复合混凝土材料裂缝自修复外加剂，其特征在于，所述外加剂的成分包括植物脲酶。2.根据权利要求1所述的高性价比复合混凝土材料裂缝自修复外加剂，其特征在于，所述外加剂的成分还包括氧化镁。3.一种权利要求1～2任一项所述的高性价比复合混凝土材料裂缝自修复外加剂在自修复混凝土材料中的应用。4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述自修复混凝土材料的制备原料，包括以下任意一种：第1种，包括以下质量份数的原料：水泥320份、粉煤灰60份、矿粉40份、砂728份、石子1092份、水160份、减水剂4.2份、尿素4.2份和植物脲酶0.0063份；第2种，包括以下质量份数的原料：水泥320份、粉煤灰60份、矿粉40份、砂728份、石子1092份、水160份、减水剂4.2份、尿素4.2份、植物脲酶0.0063份和氧化镁3～8份。5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述自修复混凝土材料的制备方法，包括以下任意一种：方法1，采用第1种自修复混凝土材料的制备原料，制备方法包括：按质量份数将砂、石子、水泥、粉煤灰、矿粉、尿素和植物脲酶一次混合，得到混合体系，然后将减水剂和水二次混合后加入混合体系，搅拌均匀，得到所述自修复混凝土材料；方法2，采用第2种自修复混凝土材料的制备原料，制备方法包括：按质量份数将砂、石子、水泥、粉煤灰、矿粉、尿素、植物脲酶和氧化镁一次混合，得到混合体系，然后将减水剂和水二次混合后加入混合体系，搅拌均匀，得到所述混凝土材料。6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述一次混合的时间为2min，二次混合的时间为20s；所述搅拌的时间为2～5min。

技术总结
本发明公开了一种高性价比复合混凝土材料裂缝自修复外加剂及其应用，属于防水混凝土材料技术领域。高性价比复合混凝土材料裂缝自修复外加剂包括植物脲酶。本发明选择植物脲酶含量丰富、成本低廉的西瓜籽作为脲酶的来源，以混凝土自身作为钙源，在混凝土裂缝产生后，脲酶诱导产生具有胶凝性质的碳酸钙晶体，完成裂缝修复。同时，添加适量的氧化镁来改性混凝土，协同脲酶诱导碳酸钙沉淀技术完成混凝土内部及表面微裂缝的自愈合，并且本发明是首次利用脲酶诱导碳酸钙沉淀。用脲酶诱导碳酸钙沉淀。用脲酶诱导碳酸钙沉淀。


技术研发人员：郭光明 满新杰 吴思 陈成勇 杜荣杰 王业飞 王明法 周洋洋 邓建营 姜凤传 王志文 刘国山 范晓华 徐长靖 王庐岩
受保护的技术使用者：山东高速工程检测有限公司 济南大学
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/9/25