CN100473624C - 混凝土轻硅纤维阻裂增强剂 - Google Patents

Abstract

一种混凝土轻硅纤维阻裂增强剂。本发明属于使用无机材料和有机材料制备的作为混凝土有效成分的轻硅纤维阻裂增强剂。目的在于提供一种高性能混凝外加剂的轻硅纤维阻裂增强剂，是以特种非金属矿物、多种变质矿物，采用特殊工艺而成的阻裂增强剂。特征是由以下成份：无水硫铝酸钙、生明矾石、熟明矾、无水石膏、萘系高效减水剂、硅灰、聚丙烯纤维、木质素磺酸钠、粉煤灰按重量组分制备而成。本发明优点：能降低砼的水灰比，增大塌落度和控制塌落度损失，赋予混凝土高密实度和优异施工性能；能填充胶凝材料的空隙，参与胶凝材料的水化，改善砼的界面结构，提高砼的密实性、强度和耐久性。阻裂效果优异，抗裂系数高；自密实性能好，掺量小，抗拉强度大幅度提高，塌落度损失小。

Description

混凝土轻硅纤维阻裂增强剂

技术领域

本发明属于使用无机材料和有机材料制备的作为混凝土有效成分的轻硅纤维阻裂增强剂。

背景技术

现在，混凝土制品种类的日益增多，结构物的日益复杂及大型化发展，出现了许多超大型的特种混凝土结构物，这些新型混凝土制品和特殊工程，仅仅依靠已有的振动、加压、真空等工艺已不再能满足施工的要求，迫切需要为混凝土制备及施工提供性能各异的高性能混凝土。混凝土的开裂和渗漏是长时期一直未能得到很好解决的技术难题，而混凝土结构的破坏甚至倒塌，亦是从裂缝扩展开始。有害裂缝不仅影响外观，重要的是降低使用寿命，严重甚至裂缝威胁到生命财产安全。据有关资料统计，每年建筑物出问题给我国造成经济损失达500亿元以上。建筑物开裂是混凝土结构的质量通病。水泥混凝土通常由于失水硬化后水泥石内部形成毛细孔通道，干燥使混凝土抗渗等级下降，收缩变形是产生混凝土裂缝的主要原因。自上个世纪八十年代末期以来，我国的建筑工程开始大量使用掺膨胀剂的补偿收缩混凝土，混凝土工程裂渗损害有较大程度改善。九十年代后，随着高性能混凝土的发展，混凝土裂缝问题不但没有减少，相反比以前更多、更突出了，虽然一些工程采用了掺膨胀剂、重视养护、增加水泥用量等，但收效甚微。近几年来，人们也采取了掺抗渗防水剂，因过分依赖减水剂掺加来改善混凝土的抗开裂性，混凝土开裂现象依然普遍。高性能混凝土是一种具有良好施工性能、强度高、体积稳定性好、高耐久性混凝土，是混凝土进入高科技时代的产物，是二十一世纪的重要建筑材料。高性能混凝土最重要的特点是具有优异的耐久性，耐久性可达100-500年，是普通混凝土的3-10倍。混凝土要达到高耐久性，首先要降低水胶比，生产出致密不透水的砼。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能混凝外加剂的轻硅纤维阻裂增强剂，是以特种非金属矿物、多种变质矿物，采用特殊工艺而成的阻裂增强剂。本发明是通过如下方式实现的：一种混凝土轻硅纤维阻裂增强剂，其特征在于它是由以下成份，按重量组分制备而成：

无水硫铝酸钙——生产的硫铝酸盐水泥熟料，主要矿物为无水硫铝酸钙膨胀组分C₄A₃S、β-C₂S：280-680；

生明矾石——天然明矾石K₂SO₄·Al₂(SO₄)₃·4Al(OH)₃：160-300；

熟明矾——天然明矾石在400-600°C煅烧后得到：50-200；

无水石膏——天然石膏在600°C煅烧后得到，主要矿物为γ-CaS04：40-150；

萘系高效减水剂——高效减水剂：50-150；

硅灰——链式晶状结构硅酸盐粘土矿物轻硅纤维组分：180-500；

聚丙烯纤维：10-50；

木质素磺酸钠——有机减水憎水组分：20-100；

粉煤灰——无机增密组分：50-200。

本发明有如下优点：能降低砼的水灰比，增大塌落度和控制塌落度损失，赋予混凝土高密实度和优异施工性能；能填充胶凝材料的空隙，参与胶凝材料的水化，改善砼的界面结构，提高砼的密实性、强度和耐久性。它具有阻裂效果优异，抗裂系数是0.95；自密实性能好，掺量小，抗拉强度大幅度提高，塌落度损失小等特点。是安全可行的、高性能的优质混凝土阻裂剂。混凝土轻硅纤维阻裂增强剂的开发应用，使砼进入了高性能时代：1.轻硅纤维阻裂增强剂组分具有补偿收缩混凝土和纤维阻裂的功效，防止混凝土开裂，提高密实性和抗渗能力。2.能有效改善混凝土孔结构，同时析出凝胶，堵塞混凝土内部毛细孔通道，抗渗性能与基准混凝土相比，抗渗等级>P25，其防水效果特别显著。3.弹性模量提高6.4％，抑制龟裂，改善脆性、提高韧性、提高耐久性，能有效防止混凝土开裂。4.与基准混凝土比，泌水率小，和易性好、显著改善混凝土的工作性。可满足混凝土的泵送要求。5.补偿功能：具有微补偿收缩功能，适宜的限制膨胀率，在0.010％～0.10％之间可调，膨胀能量大，膨胀稳定性快。6.降低水化热，推迟水化热高峰期和收缩起始时间，从而削弱混凝土温差收缩，扩大温控范围，控制温差裂缝抑制混凝土开裂。7.外观呈综灰色粉状，含水量<2％，无易燃物，无有毒物质，使用时对环境无污染、无碱集料反应，对钢筋锈蚀有阻锈作用。8.具有含碱低。采用轻硅纤维阻裂增强剂不需添加任何外加剂，与水泥相容性好，配用简单，使用方便，易于掌握，安全可靠，是一种安全耐久性好的外加剂。可配制成无收缩纤维抗裂混凝土，应用于铁路、公路、隧道、地铁、地下工程、各型水池、墙楼面等。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的详细说明。本发明是由SiO2—Al2O3—CaSO3—H2O等无机化合物组成，采用优质硅原料，经煅烧成熟料，与Al2O3、45.Q2.nH2O.R4N等粉磨成混凝土轻硅纤维阻裂增强剂。其中活性硅起到提高至密性与阻裂增强作用。含有载体，对优学组分适应性强，分散性能优异，能加速水泥及含致密晶体结构形成。含碱量小于0.5％，对防止碱骨料反应及降低水化热速率有利。同时该体系经水化反应可生成较多结晶水化物及集料形态效益和三维网络结构，支撑集料沉降，减少混凝土表面泌水，抑制混凝土离析，减少甚至完全阻止混凝土裂缝产生。从而克服了水泥水化热引发的冷缩及化学减缩、干缩，及自收缩等形成的各类体积失稳问题。本发明混凝土轻硅纤维阻裂增强剂主要性能如下表：

 

项目	执行标准TC·474—1999	实测值
			泌水率比(％)≤	70	47
凝结时间差(mm)≥初凝	—90	210
			终凝	—	—
抗压强度比≥3d	90	130
			7d	100	147
28d	90	135
			渗透高度比≤28d	40	28
28d收缩率比(％)≤	135	115

混凝土轻硅纤维阻裂增强剂的研制：

1.原材料

无水硫铝酸钙：生产的硫铝酸盐水泥熟料，主要矿物为无水硫铝酸钙钙膨胀组分C₄A₃S、β-C₂S：280-680；

生明矾石——天然明矾石K₂SO₄·Al₂(SO₄)₃·4Al(OH)₃：160-300；

熟明矾——天然明矾石在400-600°C煅烧后得到：50-200；

无水石膏——天然石膏在600°C煅烧后得到，主要矿物为γ-CaS04：40-150；

萘系高效减水剂——高效减水剂：50-150；

硅灰——链式晶状结构硅酸盐粘土矿物轻硅纤维组分：180-500；

聚丙烯纤维：10-50；

木质素磺酸钠——有机减水憎水组分：20-100；

粉煤灰——无机增密组分：50-200。

2.实验方法

砂浆抗渗性实验：采用在一定时间和压力下的最大透水压力或透过试件的渗水高度表示。实验时开始压力为0.2MPa，2h以后每隔1h加压0.1MPa，直至渗透为止；若在1.5MPa水压下仍未渗水，则把试件劈开，测量其渗水高度。

混凝土抗渗性实验：在静水压1.2MPa下恒压24h，然后每隔24h加压1.2MPa，最后1次升至5.0MPa，恒压24h，试件若仍未透水，则把试件劈开，测量渗透的高度，取平均值。

混凝土收缩实验的试件尺寸为100mm×100mm×515mmm，在标准条件下养护14d后，移至湿度为60％±5％的空气中养护，并进行各龄期自由膨胀率(收缩率)的测定。

3.研制路线

研究外加剂的分子结构与其性能的关系，最终达到根据性能要求来设计分子结构。加强外加剂的作用机理的研究。主要应从以下几个方面进行：一是从流变学角度研究外加剂对新拌混凝土的作用。涉及外加剂分子在水泥颗粒表面的吸附动力学以及水泥颗粒的分散机理。二是研究外加剂对水泥水化动力学的作用，最终目的是导出水化动力学模型。三是研究外加剂对硬化水泥浆体的作用。主要是外加剂对水化产物大小、形态、化学成份、比表面积、聚合度以及微观结构的影响，从而解释外加剂对混凝土工程力学性能的作用机理。

因此，减少混凝土孔隙率、改善孔结构、改善集料—水泥石界面结构、减少收缩、减少裂缝，是提高混凝土阻裂抗渗性能的关键所在。

基于上述混凝土开裂原因的分析，本研究采用有机减水憎水组分、无机增密组分以提高混凝土密实性、改善工作性、改善孔结构和界面结构；采用膨胀组分、轻硅纤维以减少收缩、减少裂缝，并进行三者优化复合的设计路线来研制高性能阻裂增强外加剂。

4.实验用水泥砂浆及混凝土性能测试结果见表1、表2。

表1 砂浆的物理力学性能

表2 混凝土自由膨胀率×10^-4

注：14d前为水中养护，养护温度为20±2℃；14d后为空气中养护，养护温度20±2℃、湿度60％±5％。

5.高性能阻裂抗渗外加剂的研制及其性能实验

以生明矾、硫铝酸盐水泥熟料、天然二水石膏、CaO等作为膨胀组分，无机材料作为增密组分，有机组分作为有机减水憎水阻孔组分，纤维作为阻裂组分，采用复合技术，设计了多组阻裂抗渗外加剂的配方，制成相应的水泥砂浆和混凝土试件，进行凝结时间、强度、变形率、抗渗等性能实验，以确定阻裂抗渗外加剂的最优配方。

6.水泥砂浆实验

掺加不同阻裂抗渗外加剂配制的水泥砂浆的实验结果如表3和表4所示。

7.混凝土实验

混凝土实验的配合比及其实验结果如表5和表6所示。实验中，总胶凝材料用量保持不变。

混凝土轻硅纤维阻裂增强剂阻裂机理：

1.膨胀组分对材料阻裂增强性能的影响

加入自行研制的膨胀组分后，材料的抗吸水性、抗渗性尤其是抗裂性能得到提高。比较表3、表4中M1和M2的数据，加入膨胀组分之后，砂浆的膨胀规律得到了明显的改善，有利于提高砂浆的阻裂抗渗能力。同时，M2样吸水量降为85.3％，最大透水压力也由空白砂浆的0.4MPa提高到0.6MPa。

表3  掺阻裂外加剂砂浆的收缩情况

注：养护条件为水中养护

表4  砂浆的其它性能

注：养护条件为水中养护。

表5  实验混凝土配合比

表6  实验混凝土性能

表5、表6中C2和C3数据对比表明，膨胀组分的加入，有利于提高混凝土的早期强度。这是由于该组分的加入，不但可以在水化硬化过程中显著增加水泥水化产物中钙矾石及Ca(OH)2的含量，使混凝土能够补偿收缩及产生微膨胀，改变混凝土硬化过程中的应力应变状态，从根本上克服混凝土本身的缺陷，减少收缩裂缝的产生。而且大量形成的Ca(OH)2有利于激发粉煤灰的火山灰活性，促进混凝土的早期强度发展，增加混凝土的密实度。此外，该膨胀组分还可起到填充切断毛细孔缝的作用，使大孔变小孔，改善混凝土中孔结构分布，从而提高混凝土的力学强度和抵抗开裂的能力。

2.轻硅纤维对材料阻裂性能的影响

比较表3、表4中的M2、M3数据以及表5、表6中的C4、C5、C6数据，我们可以发现：轻硅纤维的加入改善人砂浆和混凝土的工作性，这与其表面形状和水化热低有关。轻硅纤维的加入进一步提高了材料的抗吸水性和抗渗性，如加入轻硅纤维后，砂浆吸水量比由M2样的85.3％降低为M3样的69.0％，最大透水压力由M2样的0.6MPa提高到M3样的0.8MPa；在一定范围内，随着轻硅纤维用量的增加，混凝土吸水量比由C5样的54.9％降为C4样的51.0％，并进一步降为C6样的40.8％，5.0MPa下混凝土渗透高度由2.4cm降为2.2cm。这与轻硅纤维的火山灰效应进一步提高了密实性，降低了Ca(OH)2含量，改善了界面结构有关。此外，在低水灰比条件下，轻硅纤维的加入能显著降低水化热，有利于水化产物的均匀分布，并能显著减少由于温度应力造成的裂缝。未反应的轻硅纤维还起到了填充孔隙、切断孔隙、减少孔隙率、改善孔结构的作用。

3.有机减水憎水组分对材料阻裂性能的影响

比较表3、表4中M3、M4的数据可以看出，砂浆中加入自行研制的有机减水憎水组分后，吸水量比由M3的69.0％显著降为M4的45.2％，最大透水压力由M3的0.8MPa提高到M4的1.5MPa水压下仍未渗水，把试件劈开，其渗水高度也仅有1.5cm。这主要是由于研制的有机减水憎水组分对微粒子具有高度分散能力，又能维持粒子的高分散性能，即既有高的减水率，大幅度提高混凝土的密实性，又能获得高的工作性能，且能控制坍落度损失。此外，该有机憎水阻孔组分可产生均匀而微小的气泡，使混凝土的粘滞性增大，抑制沉降泌水作用，而这些气泡又是非开放性的，由于气泡的阻隔，改变了毛细管的数量与特性，减少了混凝土的渗水通道。该组分不能使混凝土中的毛细管壁憎水化，阻碍混凝土的吸水作用，使砂浆和混凝土的抗吸水性、抗渗性进一步得到了加强。

4.高性能阻裂抗渗外加剂的阻裂抗渗机理分析

混凝土浇注后由于泌水的原因会在其内部形成很多毛细泌水通道，当混凝土表面水份的蒸发速度大于水份向表面的迁移速度时，混凝土失水将由表及里向深处发展，毛细孔内水的弯液面的曲率也将随之逐渐增大。根据毛细原理，毛细管内水的张力作用将使凹液面有缩小的趋势，这种趋势造成的孔内负压将使毛细管壁受到持续增长的压缩作用。当这种压缩作用受到约束时，混凝土的表面将会因为处于受拉状态而开裂，这是混凝土产生收缩并最终发展为裂缝的微观原因。由于轻硅纤维阻裂增强剂的加入，可以显著的减少甚至完全消除混凝土浇注后所产生的裂缝。其原因为：(1)掺本剂配制的自防水混凝土水化过程中，与“三钙”反应生成的胶体物质能分解硫铝酸盐及凝胶的生成，增大了粒子粘结力和握裹力，混凝土振捣时达到同频振动、均质结剂的特效。安定性稳定，无收缩。解决了混凝土内部的化学腐蚀，耐久性好(2)析出轻硅纤维，轻硅纤维在混凝土中呈现微观三维网络结构，起到了“支撑”集料的作用，其作用效果是阻止了集料的沉降；同时可以减少混凝土表面的析水。这种水、料的离析使得表层失水迅速而发生较大的沉降，从而导致表面出现比较多的裂缝，这种裂缝常称为沉降裂缝。由于轻硅纤维阻裂增强剂加人可以有效的防止和抑制混凝土的离析倾向，故而也就减少甚至完全阻止了混凝土表层的裂缝产生。轻硅纤维在塑性状态的混凝土中承受干缩而产生拉应力，因而减少裂缝的数量。塑性状态的混凝土强度很低，当水分蒸发时，混凝土因收缩而发生拉应力，极易引起裂缝。大量均匀分散在混凝土中的轻硅纤维可承受此种拉应力，减少与防止裂缝的产生和发展。

表5、表6的数据表明，由此配制的砂浆和混凝土的各项性能非常优异，尤其是工作性和阻裂抗渗性能。这是由于膨胀组分、轻硅纤维及有机减水憎水组分三者的协同作用材料达到高工作性、高抗渗抗裂等性能的要求。三者的协同作用在于它大幅度降低了水灰比，改善了工作性，提高了混凝土密实度，细化了孔隙，增加了封闭孔和小孔，大幅度降低有害孔含量，并使混凝土中的毛细管壁憎水化。此外，三者的协同作用还在于自行研制的膨胀组分，显著增加了水泥水化产物中钙矾石及Ca(OH)2含量，不但使混凝土能够补偿收缩及产生微膨胀，减少裂缝，而且大量形成的Ca(OH)2有利于激发火山灰活性，促进混凝土的早期强度发展。总之，综上所述：1.本发明应用研制的高性能阻裂抗渗外加剂配制的砂浆，在实验掺量下，24h吸水量比仅为45.2％，1.5MPa水压下降水高度只有15mm，28d抗压强度为空白砂浆的1.11倍。用其配制的混凝土，坍落度达220mm，3h后坍落度达185mm，保水性好，5.0MPa下渗透高度仅22mm，48h吸水量比仅40.8％；与基准混凝土相比，3d、28d抗压强度可提高60％，14d前水中养护，14d后空气中养护，90d龄期时仍有一定的微膨胀。

2.析出轻硅纤维，轻硅纤维在混凝土中呈现微观三维网络结构，起到了“支撑”集料的作用，其作用效果是阻止了集料的沉降；同时可以减少混凝土表面的析水。这种水、料的离析使得表层失水迅速而发生较大的沉降，从而导致表面出现比较多的裂缝。由于轻硅纤维阻裂增强剂加人可以有效的防止和抑制混凝土的离析倾向。轻硅纤维在塑性状态的混凝土中承受干缩而产生拉应力，因而减少裂缝的数量。塑性状态的混凝土强度很低，当水分蒸发时，混凝土因收缩而发生拉应力，极易引起裂缝。大量均匀分散在混凝土中的轻硅纤维可承受此种拉应力，减少与防止裂缝的产生和发展。

3.膨胀组分、轻硅纤维及有机减水憎水组分三者的协同作用可大幅度降低水灰比，改善混凝土工作性和孔结构，提高混凝土密实度促进早期强度发展，并使混凝土能够补偿收缩及产生微膨胀，实现材料达到高工作性、高抗裂等性能的要求。

Claims (1)

1、一种混凝土轻硅纤维阻裂增强剂，其特征在于它是由以下成份，按重量组分制备而成：

无水硫铝酸钙是生产的硫铝酸盐水泥熟料，主要矿物为无水硫铝酸钙膨胀组分C₄A₃S、β-C₂S：280-680；

生明矾石是天然明矾石K₂SO₄·Al₂(SO₄)₃·4Al(OH)₃：160-300；

熟明矾是天然明矾石在400-600°C煅烧后得到：50-200；

无水石膏是天然石膏在600°C煅烧后得到，主要矿物为γ-CaSO4：40-150；

萘系高效减水剂：50-150；

硅灰，其是链式晶状结构硅酸盐粘土矿物轻硅纤维组分：180-500；

聚丙烯纤维：10-50；

木质素磺酸钠：20-100；

粉煤灰：50-200。