一种改性层状双氢氧化物及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及混凝土抗碳化材料领域，尤其涉及一种用于提升混凝土抗碳化性能的改性层状双氢氧化物及其制备方法与应用。
背景技术
在城市和工业区，环境污染导致二氧化碳浓度很高，碳化引发的钢筋锈蚀问题日益严重。混凝土的碳化是指空气中的酸性气体CO2与混凝土液相中的碱性物质发生反应，使得混凝土碱性下降的中性化反应过程。当中性化深度大于混凝土的保护层厚度，就会破坏保护层下钢筋表面的钝化膜，伴随着水和空气的共同作用，钢筋就会出现锈蚀。锈蚀产生的体积膨胀将导致钢筋长度方向出现纵向裂缝，并使保护层剥落，继而使得构件的截面减小、承载能力降低，最终将使结构构件破损或者失效。因此，混凝土碳化对结构产生的危害是一个不可忽视的问题，研究混凝土的碳化具有深刻意义。
近年来，人们认识到人为二氧化碳对气候变化的影响，这导致了在全球范围内承诺减少二氧化碳(CO2)和其他温室气体的必要性。因此，目前各机构正在进行研究，以开发新的和改进的建筑材料、修复和修复技术，并更好地了解导致恶化的物理和化学机制。
层状双金属氢氧化物(LDH)是水滑石和类水滑石化合物的统称，由这些化合物插层组装的一系列超分子材料称为水滑石类插层材料(LDHs)。LDHs有较大的比表面积和较高的阴离子交换能力，灵活的层间域可以容纳各种类型的阴离子和极性分子，具有主体层板的化学组成、层间客体阴离子的种类和数量、插层组装体的粒径尺寸和分布可调变的特点，其对阴离子表现出选择性，顺序为CO3 2->SO4 2->HPO4 2->F->Cl->B(OH)4->NO3-，不失为一种可用于提高混凝土抗碳化性能的材料。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于提升混凝土抗碳化性能的改性层状双氢氧化物及其制备方法与应用。
本发明的技术方案如下：
一种用于提升混凝土抗碳化性能的改性层状双氢氧化物的制备方法，其中，包括步骤：
制备Mg-Fe-CO3型LDHs；
将所述Mg-Fe-CO3型LDHs进行煅烧4～6h，升温速率为5～10℃/min，煅烧温度为400～500℃，制得改性Mg-Fe-CO3型LDHs。
可选地，以九水合硝酸铁、六水合硝酸镁、氢氧化钠、碳酸钠、去离子水为原料，采用水热合成法制备得到所述Mg-Fe-CO3型LDHs；
其中，按质量份计，各原料的质量份数为：
可选地，所述Mg-Fe-CO3型LDHs的制备方法具体包括：
按上述比例称取九水合硝酸铁、六水合硝酸镁和去离子水，配成200～400ml混合盐溶液，超声分散4～6min，再按上述比例称取氢氧化钠、碳酸钠和去离子水，配成200～400ml混合碱溶液，超声分散4～6min；
将分散好的混合盐溶液和分散好的混合碱溶液同时倒入高压釜中进行反应，高压釜的时间设定为1～4h，温度设定为150～200℃，转速设定为400～600r/min，压力设定为1～5MPa；
反应结束后，将高压釜中的混合液倒出，然后用去离子水将混合液反复抽滤、洗涤4～6次至溶液呈中性，将滤饼置于80～105℃的真空干燥箱中干燥至恒重，研磨后得到Mg-Fe-CO3型LDHs。
可选地，采用超声分散仪进行超声分散，所述超声分散仪的功率为120W。
一种用于提升混凝土抗碳化性能的改性层状双氢氧化物，其中，采用本发明所述的方法制备得到。
一种本发明所述的改性层状双氢氧化物在混泥土抗碳化中的应用。
可选地，按所述改性层状双氢氧化物占混泥土的质量比为0.5～2％，将所述改性层状双氢氧化物与混泥土进行混合。
有益效果：本发明改性层状双氢氧化物作为掺合料加入混凝土中能明显提升混凝土的抗碳化性能，这是因为混凝土碳化过程实际上是空气中CO2气体渗透到混凝土内，与其碱性物质Ca(OH)2发生化学反应后生成碳酸盐CaCO3和水，使混凝土碱性降低的过程称为混凝土碳化，而Mg-Fe-CO3型LDHs在高温煅烧后，层间水完全失去，羟基大量脱离，形成了三维网络状的混合氧化物，提供了较高的表面积，并在层间位置出现了大量的碱性位点，极大提升了吸附CO2的能力。当空气中的CO2气体渗透到混凝土内时，由于改性Mg-Fe-CO3型LDHs的阴离子吸附能力为CO3 2->OH-，这使得CO3 2-会被吸附于改性Mg-Fe-CO3型LDHs的层间结构中，能有效地减少混凝土的碳化深度，避免了碱性物质的流失，在提升混凝土抗碳化性能方面具有很好的应用前景；另外，本发明制备方法成熟稳定、反应过程简单、操作方便、能耗低、易于处理、无二次污染。在提升混凝土抗碳化性能方面具有很好的应用前景，为提升混凝土抗碳化性能的方法提供一条新的途径。
附图说明
图1是本发明中的改性Mg-Fe-CO3型LDHs的结构示意图；其中，1为改性Mg-Fe-CO3型LDHs，2为碳酸根离子。
图2为不同掺量的改性Mg-Fe-CO3型LDHs对砂浆试块碳化到不同龄期的抗压强度对比图。
具体实施方式
本发明提供一种用于提升混凝土抗碳化性能的改性层状双氢氧化物及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种用于提升混凝土抗碳化性能的改性层状双氢氧化物的制备方法，其中，包括步骤：
S10、制备Mg-Fe-CO3型LDHs；
S20、将所述Mg-Fe-CO3型LDHs进行煅烧4～6h(指总煅烧时间)，升温速率为5～10℃/min，煅烧温度为400～500℃，制得改性Mg-Fe-CO3型LDHs，其结构见图1。
混凝土碳化过程实际上是空气中CO2气体渗透到混凝土内，与其碱性物质Ca(OH)2发生化学反应后生成碳酸盐CaCO3和水，使混凝土碱性降低的过程称为混凝土碳化。
本发明实施例改性层状双氢氧化物作为掺合料加入混凝土中能明显提升混凝土的抗碳化性能，这是因为Mg-Fe-CO3型LDHs在高温煅烧后，层间水完全失去，羟基大量脱离，有序层状结构被破坏，形成了三维网络状的混合氧化物，提供了较高的表面积，孔容增加，并在层间位置出现了大量的碱性位点，极大提升了吸附CO2的能力。当空气中的CO2气体渗透到混凝土内时，由于改性Mg-Fe-CO3型LDHs的阴离子吸附能力为CO3 2->OH-，这使得CO3 2-会被吸附于改性Mg-Fe-CO3型LDHs的层间结构中，能有效地减少混凝土的碳化深度，避免了碱性物质的流失，在提升混凝土抗碳化性能方面具有很好的应用前景。
本发明实施例制备方法成熟稳定、反应过程简单、操作方便、能耗低、易于处理、无二次污染。在提升混凝土抗碳化性能方面具有很好的应用前景，为提升混凝土抗碳化性能的方法提供一条新的途径。
步骤S10中，在一种实施方式中，以九水合硝酸铁、六水合硝酸镁、氢氧化钠、碳酸钠、去离子水为原料，采用水热合成法制备得到所述Mg-Fe-CO3型LDHs。
其中，按质量份计，上述各原料的质量份数为：
在一种实施方式中，所述Mg-Fe-CO3型LDHs的制备方法具体包括：
S11、按上述比例称取九水合硝酸铁、六水合硝酸镁和去离子水，配成200～400ml混合盐溶液，超声分散4～6min，再按上述比例称取氢氧化钠、碳酸钠和去离子水，配成200～400ml混合碱溶液，超声分散4～6min；
S12、将分散好的混合盐溶液和分散好的混合碱溶液同时倒入高压釜中进行反应，高压釜的时间设定为1～4h，温度设定为150～200℃，转速设定(高压釜内放置有用于旋转的转子)为400～600r/min，压力设定为1～5MPa；
S13、反应结束后，将高压釜中的混合液倒出，然后用去离子水将混合液反复抽滤、洗涤4～6次至溶液呈中性，将滤饼置于80～105℃的真空干燥箱中干燥至恒重，研磨后得到Mg-Fe-CO3型LDHs。
需说明的是，上述步骤中所用到试剂的纯度均为分析纯。
在一种实施方式中，上述步骤中，采用超声分散仪进行超声分散，所述超声分散仪的功率为120W。
在一种实施方式中，真空干燥时所用的真空度为-0.1mpa。
本发明实施例提供一种用于提升混凝土抗碳化性能的改性层状双氢氧化物，其中，采用本发明实施例所述的方法制备得到。
本发明实施例提供一种如上所述的改性层状双氢氧化物在混泥土抗碳化中的应用。本发明实施例将改性Mg-Fe-CO3型LDHs作为掺合料加入混凝土中，利用该掺合料对CO3 2-的吸附效果，能有效地减少混凝土的碳化深度，避免了碱性物质的流失，在提升混凝土抗碳化性能方面具有很好的应用前景。
在一种实施方式中，所述应用的方法包括：将所述改性层状双氢氧化物作为外加掺合料，按(0.5～2)：100的质量比加入混泥土中。进一步地，将所述改性层状双氢氧化物作为外加掺合料，按1：100的质量比加入混泥土中。
下面通过具体的实施例对本发明作进一步地说明。
首先制备改性Mg-Fe-CO3型LDHs：
步骤S1.按照上述比例称取71.5g九水合硝酸铁、45.3g六水合硝酸镁和400ml去离子水，配成400ml混合盐溶液，超声分散4min，再按上述比例称取16.8g氢氧化钠、25.4g碳酸钠和400ml去离子水，配成400ml混合碱溶液，超声分散4min；
步骤S2.将分散好的混合盐溶液和分散好的混合碱溶液同时倒入高压釜中进行反应，高压釜的时间设定为2h，温度设定为180℃，转速设定为450r/min，压力设定为2.5MPa；
步骤S3.反应结束后，将高压釜中的混合液倒出，然后用去离子水将混合液反复抽滤、洗涤4次至溶液呈中性，将滤饼置于95℃的真空干燥箱中干燥至恒重，研磨后得到改性Mg-Fe-CO3型LDHs。
实施例1
以0.45水灰比，水泥(硅酸盐水泥)与标准砂质量比(胶砂比)1：3，不掺入改性Mg-Fe-CO3型LDHs，制备水泥砂浆，配料如表1所示；以此为对照组，参照GB/T 50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准进行加速碳化试验，碳化试验条件为：CO2质量分数为20％，温度为20±2℃，湿度为70±5％，测试结果见表2；以此为对照组，对碳化到3d、7d、28d的试块进行抗压强度测试，测试结果见图2。
实施例2
以0.45水灰比，水泥(硅酸盐水泥)与标准砂质量比(胶砂比)1：3，掺入占水泥质量百分比为0.5％的改性Mg-Fe-CO3型LDHs，使其与水泥分级干混，制备水泥砂浆，配料如表1所示；参照GB/T 50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准进行加速碳化试验，碳化试验条件为：CO2质量分数为20％，温度为20±2℃，湿度为70±5％，测试结果见表2；对碳化到3d、7d、28d的试块进行抗压强度测试，测试结果见图2。
实施例3
以0.45水灰比，水泥(硅酸盐水泥)与标准砂质量比(胶砂比)1：3，掺入占水泥质量百分比为1％的改性Mg-Fe-CO3型LDHs，使其与水泥分级干混，制备水泥砂浆，配料如表1所示；参照GB/T 50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准进行加速碳化试验，碳化试验条件为：CO2质量分数为20％，温度为20±2℃，湿度为70±5％，测试结果见表2；对碳化到3d、7d、28d的试块进行抗压强度测试，测试结果见图2。
实施例4
以0.45水灰比，水泥(硅酸盐水泥)与标准砂质量比(胶砂比)1：3，掺入占水泥质量百分比为2％的改性Mg-Fe-CO3型LDHs，使其与水泥分级干混，制备水泥砂浆，配料如表1所示；参照GB/T 50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准进行加速碳化试验，碳化试验条件为：CO2质量分数为20％，温度为20±2℃，湿度为70±5％，测试结果见表2；对碳化到3d、7d、28d的试块进行抗压强度测试，测试结果见图2。
结合表2和图2可以得出结论：添加改性Mg-Fe-CO3型LDHs可以显著增强硅酸盐水泥砂浆的抗碳化性能，且抗碳化性能的提升随掺量大的增大而提高，再综合硅酸盐水泥砂浆碳化后的强度结果来看，当掺量为1％时，砂浆在碳化后的强度保持的最高。
表1、水泥砂浆配料表
表2、不同掺量的改性Mg-Fe-CO3型LDHs对砂浆试块碳化到不同龄期的碳化深度
综上所述，本发明提供的一种用于提升混凝土抗碳化性能的改性层状双氢氧化物及其制备方法与应用。本发明将改性Mg-Fe-CO3型LDHs作为掺合料加入混凝土中，利用该掺合料对CO3 2-的吸附效果，能有效地减少混凝土的碳化深度，避免了碱性物质的流失，在提升混凝土抗碳化性能方面具有很好的应用前景。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
