CN113896488A - 适用于长期污水环境下的uhpc及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于长期污水环境下的UHPC及其制备工艺，该UHPC的组分包括水、水泥、细骨料、矿物掺合料、金属纤维、外加剂和抗菌剂；其中抗菌剂是粒径为0.005～0.015μm的β型酞菁蓝，水泥为普通硅酸盐水泥和铝酸钙水泥的混合物。本发明创造性的引入与UHPC相匹配的抗菌剂酞菁蓝，结合UHPC的高性能，使其具有良好的抵抗生物腐蚀的性能，同时提高其流动性和强度；使用部分铝酸钙水泥代替普通硅酸盐水泥，使得UHPC具有较低的生物侵蚀速率，进一步提高其耐侵蚀的期限。本发明的UHPC更适合在污废处理工况下服役，可大大提高构件耐各种腐蚀的性能，延长结构使用寿命，降低后期维护成本，有广阔的市场前景。

Description

适用于长期污水环境下的UHPC及其制备工艺

技术领域

本发明涉及建筑材料防腐技术领域，尤其涉及一种适用于长期污水环境 下的UHPC及其制备工艺。

背景技术

混凝土作为当前应用最为广泛的建筑材料，对城市建设、生产发展以及 人类生活水平的提高都有重要的作用。但是，现有技术中的混凝土存在一定 的缺陷：因混凝土具有一定的渗水性，故在盐类存在的环境下不能很好地保 护钢筋，其中氯盐会使钢筋锈蚀，进而导致结构损坏；而硫酸盐进入混凝土 内部，往往会发生盐胀破坏作用。同时，混凝土虽然是由无机材料构成，但 硫氧化细菌(SOB)、硫酸盐还原菌(SRB)等细菌依然可以腐蚀混凝土，这些微 生物的代谢产物会导致钢筋混凝土的腐蚀，使钢筋混凝土表面污损、表层疏松、砂浆脱落、骨料外露，严重时会产生开裂和钢筋锈蚀，缩短了钢筋混凝 土设施的服役寿命，增加了维护成本，从而导致严重的经济损失。

随着中国城镇化进程，大量的污废随之产生，这些污废的收集、处理很 大部分采用混凝土结构，这就导致了大量混凝土结构被化学或生物作用侵蚀、 破坏的现象；这不仅直接影响到城市污废的处理工程，而且重建或者维修都 会产生巨大的经济和环境成本。所以建设市场需要一款混凝土产品，能同时 满足抵抗化学与生物作用侵蚀的性能，并可以在污水环境下的具有较长的服 役寿命。

近年来UHPC(超高性能混凝土)因其优异性能受到广泛关注，其超高 的强度及耐久性远远超过普通混凝土，尤其是几乎不渗水、不与外界有物质 交换的特点，使得UHPC几乎不存在氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀的现象，成为 越来越多建筑工程的首选。但是，强酸环境可对UHPC造成侵蚀，强酸、强 碱是国家明令禁止的排放物，生产与生活污废中是几乎不存在的，只有环境 中存在的硫氧化菌(SOB)、硫酸盐还原菌(SRB)等细菌的新陈代谢才会形成的 生物硫酸，而这些物质会造成UHPC的侵蚀损害。

有鉴于此，有必要设计一种改进的适用于长期污水环境下的UHPC及其 制备工艺，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于长期污水环境下的UHPC及其制备工 艺，通过添加抗菌剂酞菁蓝，并使用部分铝酸钙水泥代替普通硅酸盐水泥， 使制得的UHPC具有长效抵抗硫氧化菌和硫酸盐还原菌等细菌微生物的侵蚀， 流动性和强度高的优点，且产品的服役寿命长，大大降低了后期的维护成本， 产生较高的经济效益。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种适用于长期污水环境下的 UHPC，该UHPC按重量份包括：水25～26.5份、水泥100份、细骨料150～155 份、矿物掺合料35～45份、金属纤维21.4～23.5份、外加剂1.554～2.23份和 抗菌剂酞菁蓝0.05～0.75份。

作为本发明的进一步改进，所述抗菌剂酞菁蓝为β型酞菁蓝，粒径为 0.005～0.015μm。

作为本发明的进一步改进，所述水泥为质量比为1:(0.03～0.07)的普通 硅酸盐水泥和铝酸钙水泥的混合物。

作为本发明的进一步改进，所述矿物掺合料包括25～30份的高活性矿物 掺合料和10～15份的低活性填缝料；所述外加剂包括1.33～2.0份的减水剂和 0.224～0.23份的消泡剂。

作为本发明的进一步改进，所述金属纤维为钢纤维，直径为0.18～0.22mm， 长度为12～15mm，抗拉强度为1500～2000MPa。

作为本发明的进一步改进，所述细骨料为石英砂，表观密度为2630kg/m³～2660kg/m³，粒径范围为：0.15mm～0.4mm。

作为本发明的进一步改进，所述高活性矿物掺合料包括质量比为1:1的 超细矿粉和磨细粉煤灰；所述超细矿粉的粒径分布为1～10μm，比表面积为 800～1000m²/kg，表观密度为2.72g/cm³，活性指数为135；所述磨细粉煤灰 的粒径分布为1～15μm，比表面积为800～900m²/kg，表观密度为2.65g/cm³， 活性指数为130。

作为本发明的进一步改进，所述低活性填缝料包括质量比为(2.8～3):1 的超细重钙粉和石英粉；所述超细重钙粉的比表面积为370～380m²/kg，粒 径范围为0.0425～0.045mm，表观密度为2.6g/cm³；所述石英粉的比表面积为 350～380m²/kg，粒径范围为0.0374～0.0425mm，表观密度为2.68g/cm³。

作为本发明的进一步改进，所述减水剂包括普通混凝土用高性能聚羧酸 类减水剂，所述消泡剂包括普通混凝土用醚类乳液消泡剂。

一种上述任一项所述的适用于长期污水环境下的UHPC的制备工艺，包 括以下步骤：

S1、将水泥、细骨料、矿物掺合料按照质量比为1:(1.50～1.55):(0.35～0.45) 的比例加入到搅拌机内，进行预搅拌1～3min；

S2、将外加剂和抗菌剂酞菁蓝按照与步骤S1中加入水泥的质量比为 (0.01554～0.0223):(0.0005～0.0075):1的比例加入到步骤S1的混合物中搅 拌1～2min，后加入水搅拌3～5min；添加的水量与所述水泥的质量比为 (0.250～0.265):1；

S3、将金属纤维按照与所述水泥质量比为(0.214～0.235):1的比例加入 到步骤S2得到的混合物中，搅拌1～2min，即得适用于长期污水环境下的所 述UHPC。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的适用于长期污水环境下的UHPC及其制备工艺，UHPC 的组分包括水、水泥、细骨料、矿物掺合料、金属纤维、外加剂和抗菌剂酞 菁蓝；其中，水泥为普通硅酸盐水泥和铝酸钙水泥的混合物。本发明创造性 的引入与UHPC相匹配的抗菌剂酞菁蓝，结合UHPC的高性能以及抗菌剂的 生物防腐作用，使得UHPC具有良好的抵抗生物腐蚀的性能，同时可以有效 提高UHPC的流动性和强度；使用部分铝酸钙水泥代替普通硅酸盐水泥，使 得UHPC具有较低的生物侵蚀速率，进一步提高其抵抗生物侵蚀的期限，在 污水环境下的服役寿命延长，大大降低了后期的维护成本，产生较高的经济 效益。

2、本发明在UHPC原料中添加的抗菌剂酞菁蓝，酞菁蓝具有耐强酸、耐 强碱、不与水泥基材料发生化学反应、无毒或低毒的特点。酞菁蓝的粒径小， 范围为0.005～0.015μm，所以其需水量小、能更好填充UHPC内部细小空隙， 不仅能提高混凝土的和易性，增加UHPC流动性、强度及耐久性；还对引起 混凝土腐蚀的主要微生物具有高效的灭菌率，且酞菁蓝在UHPC中的保留率 高，使得在污水环境下的UHPC产品具有长效抵抗微生物腐蚀的效果。

3、本发明采用部分铝酸钙水泥代替普通硅酸盐水泥，相较于普通硅酸盐 水泥，铝酸钙水泥的氧化铝含量高；在微生物诱发的生物硫酸腐蚀下，铝酸 钙水泥基混凝土的生物腐蚀速率随水泥掺量的增大而减小，所以铝酸钙水泥 抵抗硫氧化菌和硫酸盐还原菌等微生物的侵蚀具有更加明显的优势；因此， 采用部分铝酸钙水泥作为UHPC的原料，可以使其有效抵抗生物腐蚀，提高 UHPC产品在污水环境中的服役寿命。

4、本发明的适用于长期污水环境下的UHPC，通过添加抗菌剂酞菁蓝，使 用部分铝酸钙水泥代替普通硅酸盐水泥，使其更适合在污废处理工况下服役， 可大大提高构件耐各种腐蚀的性能，延长结构使用寿命，降低后期维护成本， 利于市场推广。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例 对本发明进行详细描述。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体 意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或 者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还 包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

一种适用于长期污水环境下的UHPC，按重量份包括：水25～26.5份、 水泥100份、细骨料150～155份、矿物掺合料35～45份、金属纤维21.4～23.5 份、外加剂1.554～2.23份和抗菌剂酞菁蓝0.05～0.75份。其中，抗菌剂为β型 酞菁蓝，粒径为0.005～0.015μm；水泥为普通硅酸盐水泥和铝酸钙水泥的混 合物，普通硅酸盐水泥和铝酸钙水泥的质量比为1:(0.03～0.07)。本发明创 造性的引入与UHPC相匹配的抗菌剂酞菁蓝，结合UHPC的高性能以及抗菌 剂的生物防腐作用，使得UHPC不仅可以抵抗氯盐、硫酸盐、强碱与一般酸 性物质侵蚀，还能有效克服硫氧化菌和硫酸盐还原菌的侵蚀，具有良好的抵 抗生物腐蚀的性能，同时酞菁蓝的加入可以有效提高UHPC的流动性和强度。 使用部分铝酸钙水泥代替普通硅酸盐水泥，使得UHPC具有较低的生物侵蚀 速率，进一步提高其抗生物侵蚀的期限，在污水环境下的服役寿命延长，大 大降低了后期的维护成本，产生较高的经济效益。

具体地，矿物掺合料包括25～30份的高活性矿物掺合料和10～15份的低 活性填缝料。其中，高活性矿物掺合料包括质量比为1:1的超细矿粉和磨细 粉煤灰；超细矿粉粒径分布为1～10μm，比表面积为800～1000m²/kg，表观密 度为2.72g/cm³，活性指数为135；磨细粉煤灰粒径分布为1～15μm，比表面 积为800～900m²/kg，表观密度为2.65g/cm³，活性指数为130。低活性填缝料 包括质量比为(2.8～3):1的超细重钙粉和石英粉；超细重钙粉比表面积为 370～380m²/kg，粒径范围为0.0425～0.045mm，表观密度为2.6g/cm³；石英 粉比表面积为350～380m²/kg，粒径范围为0.0374～0.0425mm，表观密度为 2.68g/cm³

金属纤维为钢纤维，直径为0.18～0.22mm，长度为12～15mm，抗拉强度 为1500～2000MPa。外加剂包括1.33～2.0份的减水剂和0.224～0.23份的消泡 剂。细骨料为石英砂，表观密度为2630kg/m³～2660kg/m³，粒径范围为： 0.15mm～0.4mm。减水剂包括普通混凝土用高性能聚羧酸类减水剂，消泡剂 包括普通混凝土用醚类乳液消泡剂。

一种适用于长期污水环境下的UHPC的制备工艺，包括以下步骤：

S1、将水泥、细骨料、矿物掺合料按照质量比为1:(1.50～1.55):(0.35～0.45) 的比例加入到搅拌机内，进行预搅拌1～3min；

S2、将外加剂和抗菌剂酞菁蓝按照与步骤S1中加入水泥的质量比为 (0.01554～0.0223):(0.0005～0.0075):1的比例加入到步骤S1的混合物中搅拌 1～2min，后加入水搅拌3～5min；添加的水量与水泥的质量比为(0.250～0.265):1；

S3、将金属纤维按照与水泥质量比为(0.214～0.235):1的比例加入到步骤 S2得到的混合物中，搅拌1～2min，即得适用于长期污水环境下的UHPC。

特别地，在UHPC原料中添加的抗菌剂酞菁蓝，酞菁蓝具有耐强酸、耐 强碱、不与水泥基材料发生化学反应、无毒或低毒的特点。酞菁蓝的粒径小， 需水量小、能更好填充UHPC内部细小空隙，不仅能提高混凝土的和易性， 增加UHPC流动性、强度及耐久性；还对引起混凝土腐蚀的主要微生物具有 高效的灭菌率，且酞菁蓝在UHPC中的保留率高，使得在污水环境下的UHPC 产品具有长效抗生物腐蚀的效果。另外，采用部分铝酸钙水泥代替普通硅酸盐水泥，相较于普通硅酸盐水泥，铝酸钙水泥的氧化铝含量高；在微生物诱 发的生物硫酸腐蚀下，铝酸钙水泥基混凝土的生物腐蚀速率随水泥掺量的增 大而减小，所以铝酸钙水泥抵抗硫氧化菌和硫酸盐还原菌等微生物的侵蚀具 有更加明显的优势；因此，采用部分铝酸钙水泥作为UHPC的原料，可以使 其有效抵抗微生物腐蚀，提高UHPC产品的在污水环境中的服役寿命。

实施例1

本实施例提供一种适用于长期污水环境下的UHPC及其制备工艺， UHPC的组分按质量比计如下：水、水泥、石英砂、高活性矿物掺合料、低 活性填缝料、钢纤维、高性能聚羧酸类减水剂、醚类乳液消泡剂和抗菌剂酞 菁蓝的质量比为0.250:1:1.55:0.30:0.10:0.235:0.0133:0.00224:0.005；其中水泥 包括质量比为1:0.06的P·O52.5普通硅酸盐水泥和P·O52.5铝酸钙水泥。

其制备工艺包括以下步骤：

S1、将水泥、细骨料、高活性矿物掺合料和低活性填缝料按照上述质量 比例加入到搅拌机内，进行预搅拌2min；

S2、将减水剂、消泡剂和抗菌剂按上述比例加入步骤S1的混合物中搅 拌1min，后加入水搅拌5min；

S3、将钢纤维按照与加入的水泥质量比为0.235:1的比例加入到步骤S2 得到的混合物中，搅拌2min，即得适用于长期污水环境下的UHPC。

对比例1

对比例1提供的一种UHPC及其制备工艺，与实施例1相比，其不同之 处在于，对比例1中不添加抗菌剂酞菁蓝，其余大致相同，在此不再赘述。

对比例2

对比例2提供的一种UHPC及其制备工艺，与实施例1相比，其不同之 处在于，对比例2中不添加抗菌剂酞菁蓝，且所用水泥为全部的普通硅酸盐 水泥；其余大致相同，在此不再赘述。

对比例3

对比例3提供一种普通常用C30混凝土，作为对照组。

将实施例1和对比例1-2的UHPC进行性能检测。其中，UHPC耐腐蚀 测试试验的测试步骤：将本发明实施例1和对比例1～2所得UHPC分别一次 性装入试模，装料时用抹刀沿各试模壁插捣，再将试模放在振动台上，分两 次进行振捣，刮去试模口多余的UHPC，然后用抹刀抹平放入混凝土养护箱 内养护24h，拆模，最后移至混凝土标准养护室内进行养护，28天后取出。 将28天后取出的UHPC分别浸泡在pH＝4.0冰醋酸和含硫酸盐还原菌污水中 180天，取出后测试其相关性能指标。

根据GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》等相关规范， 对UHPC进行检测，测试结果如下表所示。

表1实施例1和对比例1-3所得UHPC的测试结果

由表1可知，实施例1和对比例1的测试结果相比，添加抗菌剂酞菁蓝 后的UHPC，流动性和抗压强度皆有所提高，且在浸泡冰醋酸和污水后的强 度提高明显，说明酞菁蓝的加入可以提高UHPC的强度和流动性。从浸泡污 水180天后UHPC的性能可以看出酞菁蓝的加入使其菌落密度降低，从长远 来看可产生较高的经济效益。对比例2中未添加铝酸钙水泥的UHPC浸泡污 水后，其质量损失高于对比例1，说明铝酸钙水泥可以减缓UHPC的微生物 侵蚀速率；从对比例1和对比例2的UHPC流动性和强度来看，铝酸钙水泥 的加入会影响UHPC的流动性和强度，所以铝酸钙水泥的用量需要严格控制， 过多会使UHPC的强度和流动性下降；但是对于服役寿命30～50年的UHPC 结构来说，其降低微生物腐蚀的作用对UHPC结构更具有重要意义。

实施例2-5

实施例2-5提供一种适用于长期污水环境下的UHPC及其制备工艺，与 实施例1相比，不同之处在于，采用正交实验设计方法，UHPC的组分按质 量比计数如下表，其余与实施例1大致相同，在此不再赘述。

表2实施例2-5制备UHPC成分表

采用上述相同的方法对实施例2-5所得UHPC进行性能检测，得到检测 结果如下表所示。

表3实施例1-5和对比例1所得UHPC的测试结果

由表3可知，原料组分不一致，得到的UHPC的流动性和强度不一致， 但所有实施例的UHPC在浸泡污水后，其强度都高于对比例1，且菌落密度 皆低于对比例1，进一步说明酞菁蓝的抗菌效果显著；实施例1和实施例3 的酞菁蓝加入量不同，可以看出在酞菁蓝加入量为0.005时，其强度和抗菌 效果皆优于实施例3加入0.002的酞菁蓝。而由于酞菁蓝的颜色较深，加入 过多对于UHPC的美观性影响较大，且实验证明当加入过高时，对其性能影 响不明显，所以酞菁蓝的加入量在0.004～0.005时，得到的UHPC的强度、 流动性、美观性、耐微生物以及各种腐蚀性最好。

综上所述，本发明提供了一种适用于长期污水环境下的UHPC及其制备 工艺，UHPC的组分包括水、水泥、细骨料、矿物掺合料、金属纤维、外加 剂和抗菌剂；其中，抗菌剂为粒径为0.005～0.015μm的β型酞菁蓝，水泥为普 通硅酸盐水泥和铝酸钙水泥的混合物。酞菁蓝的粒径小，需水量小、能更好 填充UHPC内部细小空隙，不仅能提高UHPC混凝土的和易性，增加其强度 及耐久性；还对引起混凝土腐蚀的主要微生物具有高效的灭菌率，且酞菁蓝在UHPC中的保留率高，使得在污水环境下的UHPC产品具有长效抗生物腐 蚀的效果。部分铝酸钙水泥代替普通硅酸盐水泥，相较于普通硅酸盐水泥， 铝酸钙水泥的氧化铝含量高；在微生物诱发的生物硫酸腐蚀下，铝酸钙水泥 基混凝土的生物腐蚀速率随水泥掺量的增大而减小，所以铝酸钙水泥抵抗硫 氧化菌和硫酸盐还原菌等微生物的侵蚀具有更加明显的优势；因此，采用部 分铝酸钙水泥作为UHPC的原料，可以使其有效抵抗微生物腐蚀，提高UHPC 产品的服役寿命。本发明的适用于长期污水环境下的UHPC，通过添加酞菁 蓝抗菌剂，使用部分铝酸钙水泥代替普通硅酸盐水泥，使其更适合在污废处 理工况下服役，可大大提高构件耐各种腐蚀的性能，延长结构使用寿命，降 低后期维护成本，具有广阔的市场推广前景。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施 例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发 明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范 围。

Claims (10)

1.一种适用于长期污水环境下的UHPC，其特征在于，按重量份包括：水25～26.5份、水泥100份、细骨料150～155份、矿物掺合料35～45份、金属纤维21.4～23.5份、外加剂1.554～2.23份和抗菌剂酞菁蓝0.05～0.75份。

2.根据权利要求1所述的适用于长期污水环境下的UHPC，其特征在于，所述抗菌剂酞菁蓝为β型酞菁蓝，粒径为0.005～0.015μm。

3.根据权利要求1所述的适用于长期污水环境下的UHPC，其特征在于，所述水泥为质量比为1:(0.03～0.07)的普通硅酸盐水泥和铝酸钙水泥的混合物。

4.根据权利要求1所述的适用于长期污水环境下的UHPC，其特征在于，所述矿物掺合料包括25～30份的高活性矿物掺合料和10～15份的低活性填缝料；所述外加剂包括1.33～2.0份的减水剂和0.224～0.23份的消泡剂。

5.根据权利要求1所述的适用于长期污水环境下的UHPC，其特征在于，所述金属纤维为钢纤维，直径为0.18～0.22mm，长度为12～15mm，抗拉强度为1500～2000MPa。

6.根据权利要求1所述的适用于长期污水环境下的UHPC，其特征在于，所述细骨料为石英砂，表观密度为2630kg/m³～2660kg/m³，粒径范围为：0.15mm～0.4mm。

7.根据权利要求4所述的适用于长期污水环境下的UHPC，其特征在于，所述高活性矿物掺合料包括质量比为1:1的超细矿粉和磨细粉煤灰；所述超细矿粉的粒径分布为1～10μm，比表面积为800～1000m²/kg，表观密度为2.72g/cm³，活性指数为135；所述磨细粉煤灰的粒径分布为1～15μm，比表面积为800～900m²/kg，表观密度为2.65g/cm³，活性指数为130。

8.根据权利要求4所述的适用于长期污水环境下的UHPC，其特征在于，所述低活性填缝料包括质量比为(2.8～3):1的超细重钙粉和石英粉；所述超细重钙粉的比表面积为370～380m²/kg，粒径范围为0.0425～0.045mm，表观密度为2.6g/cm³；所述石英粉的比表面积为350～380m²/kg，粒径范围为0.0374～0.0425mm，表观密度为2.68g/cm³。

9.根据权利要求4所述的适用于长期污水环境下的UHPC，其特征在于，所述减水剂包括普通混凝土用高性能聚羧酸类减水剂，所述消泡剂包括普通混凝土用醚类乳液消泡剂。

10.一种权利要求1～9中任一项所述的适用于长期污水环境下的UHPC的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将水泥、细骨料、矿物掺合料按照质量比为1:(1.50～1.55):(0.35～0.45)的比例加入到搅拌机内，进行预搅拌1～3min；

S2、将外加剂和抗菌剂酞菁蓝按照与步骤S1中加入水泥的质量比为(0.01554～0.0223):(0.0005～0.0075):1的比例加入到步骤S1的混合物中搅拌1～2min，后加入水搅拌3～5min；添加的水量与所述水泥的质量比为(0.250～0.265):1；

S3、将金属纤维按照与所述水泥质量比为(0.214～0.235):1的比例加入到步骤S2得到的混合物中，搅拌1～2min，即得适用于长期污水环境下的所述UHPC。