CN101456696A - 减水型三膨胀源混凝土膨胀剂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减水型三膨胀源混凝土膨胀剂，其特征在于包括硬石膏、高铝熟料、高钙硫铝熟料、煅烧菱镁矿等制备原材料及其重量份比例，以及外掺减水剂和保水剂。该发明的制备方法包括破碎步骤、普通配料步骤、混合粉磨和外掺配料成品步骤。本发明产品的碱含量低，具有优异的膨胀性能，补偿收缩作用同步，与水泥的适应性强，新拌混凝土的泌水率小，浆体的粘稠性高，浆体对骨料的包裹和承托的作用强，大大减少粗骨料下沉现象的发生，使新拌混凝土在施工过程保持良好的匀质性，硬化后力学性能均衡，施工使用操作简便，易于控制质量。适用于各种建筑用混凝土。

Description

减水型三膨胀源混凝土膨胀剂

技术领域

本发明涉及混凝土，尤其是混凝土膨胀剂。

技术背景

随着我国商品和高性能混凝土的大规模应用，突出的矛盾是混凝土工程裂缝出现的机率增多，而有害裂缝与结构耐久性有直接关系，商品住宅已涉及民生问题，对此用户反映强烈。近年来，建设部和工程界对混凝土裂缝控制十分重视。从材料角度来说，混凝土膨胀剂、减缩剂、钢纤维和合成有机纤维都是减免或分散裂缝的有效措施，但从材料价格和施工便利方面，膨胀剂更有优势。我国吴中伟院士指出“混凝土内部微裂缝到可见裂缝，对安全使用期是有害的，尤其对腐蚀、反复荷载、动力作用等严酷条件，裂缝发展常是不耐久的主要原因，加入适量膨胀剂有利于减免早期内部裂缝”，“到2010年我国基础设施建设与住宅建筑需要大量优质混凝土，高性能混凝土(HPC)将大量应用，将膨胀剂掺入HPC是必然趋势，只有重视膨胀剂质量，积极创新，才能加速这一发展进程”。

世界建筑市场在中国，混凝土收缩开裂是客观存在的突出问题，以减免结构裂缝为目的的膨胀剂随之出现和发展，正好适应建筑市场之需要。我们相信，混凝土膨胀剂是有着广阔的应用前景，是可持续发展的行业。中国的补偿收缩混凝土的理论和实际，也将推广到国际建筑市场。一九八五年混凝土膨胀剂在我国由中国建筑材料研究总院首先研制成功，随着我国经济和建筑行业的发展，膨胀剂行业也在逢勃发展，目前膨胀剂已发展成为用量最大的混凝土外加剂之一，年销量已突破100万吨。经过二十多年的推广应用，膨胀剂的生产技术和应用技术日臻成熟，同时也在不断发展过程中，已从初期的“高碱高掺”、“中碱中掺”的发展阶段进入到“低碱低掺”的发展阶段。现已有部分科研机构、企业已着手研制生产二膨胀源膨胀剂或三膨胀源膨胀剂，为满足部分特殊用户的需要及方便施工需要，产品多功能也成为膨胀剂的一个发展方向。

目前，在配制泵送型补偿收缩混凝土时，一般膨胀剂要与减水剂共配使用。对于现场搅拌、现场泵送的工程，具体如没有搅拌站的小城市城镇的工程、公路隧道等野外工程，用户要分别购买减水剂、膨胀剂及其他外加剂，使用时分别计量、分别掺加。这样使用存在问题多：①操作复杂；②现场计量准确性差，由于减水剂等外加剂的掺量小，计量误差大时会对混凝土的性能影响大；③膨胀剂与减水剂之间存在相容性问题，一旦两者相容性不好，既会影响混凝土的施工性能，又影响硬化混凝土的物理性能。

为方便现场搅拌现场泵送的工程和用户，膨胀剂生产企业在生产过程中直接把减水剂复配到膨胀剂中制成复合膨胀剂，用户在施工时只加一种复合膨胀剂即可，既方便采购又方便使用。但目前市场上的复合膨胀剂也存在不足：①膨胀率偏低；②碱含量偏高；③复配所用的膨胀剂是单膨胀源膨胀剂，补偿收缩作用不够同步。还有部分复合膨胀剂其各组分的相容性不理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种减水型三膨胀源混凝土膨胀剂，可克服目前市场上减水类复合膨胀剂膨胀率偏低、补偿收缩作用不够同步，碱含量偏高等技术缺陷，该膨胀剂具有膨胀效能大、碱含量低、补偿收缩作用同步，各组分相容性好、对水泥适应性强等性能特点，方便现场搅拌、现场泵送使用。

本发明是通过选材和调整配方等技术措施来增加和提高产品的性能，其技术方案为：

①减水剂方面，选用相容性好适应性强的第三代高效减水剂聚羧酸盐减水剂，解决减水组分与膨胀组分的相容性问题；另聚羧酸盐减水剂的碱含量很低，选用聚羧酸盐减水剂同时解决了碱含量问题；

②对膨胀剂，选用具有三个膨胀源的膨胀剂，提高产品的膨胀率，提高补偿收缩作用的同步性；

③添加纤维素醚作保水组分，进一步改善混凝土的和易性，增加混凝土自身内养护作用。

具体为：

一种减水型三膨胀源混凝土膨胀剂，其特征在于包括以下制备原材料及其重量份比例：

硬石膏30～70份      高铝熟料5～30份      高钙硫铝熟料5～30份

煅烧菱镁矿2～4份    水渣0～30份；

外掺：减水剂聚羧酸盐2～5份    保水剂纤维素醚HPMC0.01～0.05份。

本发明的制备方法包括以下步骤：

破碎步骤，将高铝熟料、高钙硫铝熟料、硬石膏和煅烧菱镁矿各大块状的原材料分别进行破碎成可入磨的小块或颗粒状；同时，将水渣经烘干机干燥成粉或沙状，置入库斗中；

普通配料步骤，根据制备原材料及其重量份比例，通过微机控制将各库斗中的小块或颗粒状的硬石膏、高铝熟料、高钙硫铝熟料、煅烧菱镁矿和水渣按上述重量份比例配好料；

混合粉磨步骤，分别将配好料的各小块或颗粒状原材料和水渣，经磨机混合并磨成粉料，经磨机粉磨和混合均匀得普通膨胀剂；

外掺配料成品步骤，在普通膨胀剂中通过外掺的方式，按外掺重量份比例将减水剂和保水剂一起加入到间歇磨机中，充分混合和粉磨后制得减水型三膨胀源膨胀剂；成品包装。

本发明的产品的优点主要表现在以下几个方面：

①本发明产品的碱含量低，可大大降低发生碱——集料反应的风险；氯离子含量低，不会对钢筋产生锈蚀作用，利于提高钢筋混凝土的安全性和耐久性；

②具有优异的膨胀性能，能使混凝土各龄期产生的收缩均能得到同步补偿，利于提高混凝土的抗裂性能和抗渗性能；

③本产品中膨胀组分与减水组分的相容性好，与水泥的适应性强；

④在聚羧酸盐减水剂和保水剂的共同作用下，新拌混凝土的泌水率小，浆体的粘稠性高，浆体对骨料的包裹和承托的作用强，大大减少粗骨料下沉现象的发生，使新拌混凝土在施工过程保持良好的匀质性，硬化后力学性能均衡；

⑤施工使用操作简便，易于控制质量。

附图说明

图1是本发明的制备工艺流程图。

具体实施方式

下面结合图1，对本发明作进一步说明。

在图1中可知，制备过程为：将大块状的原材料石膏、高铝熟料、高钙硫铝熟料、煅烧菱镁矿分别通过破碎机进行破碎，为可入磨的小块或颗粒状；又分别经过磨机成粉状后按其主成份的含量入各自的库斗，还经过均化库斗调节主成份的含量，才能成为一种原料粉。原料中的水渣经过烘干机烘干成为粉状后，也各自的库斗和均化库斗调节，成为原料中的活性填料。各原料均化库斗的原料粉在微机的调配下，按比例硬石膏30～70份，高铝熟料5～30份，高钙硫铝熟料5～30份，煅烧菱镁矿2～4份，水渣0～30份，送入磨机中混合磨，由于比例不同其主成份的含量也有不同，又要经过均化库斗调节主成份的含量，从而制成普通膨胀剂。在制成的普通膨胀剂中用外掺的方式，加入减水剂聚羧酸盐2～5份，以及保水剂纤维素醚HPMC0.01～0.05份。其中，高铝熟料的含铝量为》52％，石膏的含CaSO₃量为》50％、高钙硫铝熟料的含CaO量为》40％、经煅烧的菱镁矿含MgO量为》90％，水渣是炼钢铁的水冷却中产生和排出的废水渣，主要含有SiO₂，CaO，Fe₂O₃，MgO等，经干燥后为粉或沙状。外掺的减水剂聚羧酸盐和保水剂纤维素醚HPMC均为粉状，在市面上有售。

产品制备过程主要控制指标：

a.SO₃值：控制在控制值相对量的5％之内；

b.细度<12％；

c.比表面积>250m²/kg；

d.含水率<3％；

e.减水率>15％。

其中的SO₃值的控制是通过调节硬石膏中SO₃含量配比，以及调节与水渣的比例用量来达到的。

在本发明中的发明构思原理为：

A.提高产品中减水组分与膨胀组分的相容性。

产品的膨胀组分中含有无水石膏，而有些减水剂会影响无水石膏的溶解度和溶解速率，一旦当无水石膏在水泥浆体中的浓度偏低时，就会使水泥的凝结时间不正常，严重时会使水泥急凝，影响施工和混凝土的质量。而有些减水剂与膨胀剂共配后，不影响无水石膏的正常溶解，还能进一步激发膨胀剂的膨胀性能。可见减水剂的选择很重要。

本发明选用聚羧酸盐减水剂，该聚羧酸盐减水剂具有独特的分子结构，其侧链上有羧基和聚氧乙烯基，羧基传递静电排斥，聚氧乙烯基传递立体排斥，立体排斥的分散作用比静电排斥更为有效，而其他减水剂具有更大的分散力，减水效果更好。

聚羧酸盐减水剂的碱含量低、氯离子含量低、掺量低、减水率高，与其他外加剂的相容性、与水泥的适应性强，聚羧酸盐减水剂与其他减水剂相比还有一个很大的技术优势：聚羧酸盐减水剂有助于减小混凝土的干缩率，这实际上相当于提高了混凝土的膨胀率。

B.提高膨胀组分的膨胀性能及补偿收缩作用的同步性

本发明的产品是由膨胀剂与减水剂等共配而成。在掺量不变情况下，膨胀组分在水泥中的实际有效含量少了，这会影响产品的膨胀性能。

为提高产品的膨胀性能，本发明选用三膨胀源膨胀剂作膨胀组分。一般的膨胀剂只有一个膨胀源，而三膨胀源膨胀剂共有三个膨胀源，即钙矾石、氢氧化钙和氢氧化镁结晶体，膨胀源生成化学反应式：

CA+CaSO₄+H₂O→C₃A·3CaSO₄·32H₂O(钙矾石)+Al(OH)₃

CaO+H₂O→Ca(OH)₂(结晶体)

MgO+H₂O→Mg(OH)₂(结晶体)

在第一反应式中，硬石膏CaSO₄和高铝熟料中的CA遇水H₂O后，生成第一个膨胀源钙矾石C₃A·3CaSO₄·32H₂O；第二反应式中，高钙硫铝熟料中的CaO遇水H₂O后，生成二个膨胀源氢氧化钙结晶体Ca(OH)₂；第二反应式中，煅烧菱镁矿中含的MgO遇水H₂O后，生成三个膨胀源氢氧化镁结晶体。三个膨胀源在水化形成过程中体积膨胀，从而促使混凝土体积产生均匀的微膨胀。由于生成膨胀源的矿物其结构和活性不同，因此三个膨胀源发挥膨胀作用的时间也不同，分别发挥在混凝土水化硬化的早期、中期和后期，对混凝土不同龄期产生的收缩能进行同步补偿，使混凝土的体积有良好的稳定性。在三个膨胀源中，氢氧化钙形成过程中膨胀倍数是最大的，体积几乎增加1倍，根据这一材料特性可以通过适当调整氧化钙的含量，来提高产品的膨胀性能，改变现有的减水类复合膨胀剂膨胀率偏低这一普通现象。

C.利用具有保水和增稠功能的纤维素醚HPMC作为保水剂，进一步改善混凝土的和易性和提高混凝土的匀质性。

纤维素醚HPMC含有亲水性的羧基，羧基吸收水分后HPMC发生溶胀溶解而形成凝胶，凝胶能锁住水分，这样可以起到提高水泥浆体保水性能的作用。另HPMC是高分子聚合物，链比较长，分子量高，溶于水后聚合物长链发生水解，提高水溶液的粘度，从而对水泥浆体产生增稠作用，确保混凝土不泌水、不离析。

实施例1

(1)、制备工艺配方见表1：

表1(单位：公斤)

 

硬石膏	高铝熟料	高钙硫铝熟料	煅烧菱镁矿	水渣	减水剂聚羧酸盐(外掺)	保水剂HPMC(外掺)
							50	10	25	3	12	3.0	0.02

(2)、制备工艺：

将大块状的原材料石膏、高铝熟料、高钙硫铝熟料、煅烧菱镁矿分别依序通

斗→第二道均化库→得普通膨胀剂→按表1配外掺料，外掺减水剂聚羧酸盐和保水剂纤维素醚HPMC→混合于第三道磨机→第三道库斗→第三道均化库→减水型三膨胀源混凝土膨胀剂→包装斗→包装机→仓库→检测→出厂。

(3)、检验数据见表2：

表2     掺量K＝8％

实施例2

(1)、制备工艺配方见表3

表3(单位：公斤)

 

硬石膏	高铝熟料	高钙硫铝熟料	煅烧菱镁矿	水渣	减水剂聚羧酸盐(外掺)	保水剂HPMC(外掺)
							55	10	30	2	3	3.0	0.02

(2)、制备工艺：

将大块状的原材料石膏、高铝熟料、高钙硫铝熟料、煅烧菱镁矿分别依序通

斗→第二道均化库→普通膨胀剂→按表1配外掺料，外掺减水剂聚羧酸盐和保水剂纤维素醚HPMC→混合于第三道磨机→第三道库斗→第三道均化库→减水型三膨胀源混凝土膨胀剂→包装斗→包装机→仓库→检测→出厂。

(3)检验数据见表4：

表4     掺量K＝8％

以上只举了两个实施例，在实际生产中在原料配比的范围内制备的产品都能满足质量的要求。

Claims (2)

1、一种减水型三膨胀源混凝土膨胀剂，其特征在于包括以下制备原材料及其重量份比例：

硬石膏  30～70份     高铝熟料  5～30份   高钙硫铝熟料  5～30份

煅烧菱镁矿 2～4份    水渣  0～30份；

外掺：

减水剂聚羧酸盐2～5份保水剂纤维素醚HPMC0.01～0.05份。

2、根据权利要求1所述的减水型三膨胀源混凝土膨胀剂，其特征在于其制备方法包括以下步骤：

破碎步骤，将高铝熟料、高钙硫铝熟料、硬石膏和煅烧菱镁矿各大块状的原材料分别进行破碎成可入磨的小块或颗粒状；同时，将水渣经烘干机干燥成粉或沙状，置入库斗中；

普通配料步骤，根据制备原材料及其重量份比例，通过微机控制将各库斗中的小块或颗粒状的硬石膏、高铝熟料、高钙硫铝熟料、煅烧菱镁矿和水渣按重量份比例配好料；

混合粉磨步骤，分别将配好料的各小块或颗粒状原材料和水渣，经磨机混合并磨成粉料，经磨机粉磨和混合均匀得普通膨胀剂；

外掺配料成品步骤，在普通膨胀剂中通过外掺的方式，按外掺重量份比例将减水剂和保水剂一起加入到间歇磨机中，充分混合和粉磨后制得减水型三膨胀源膨胀剂；成品包装。

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