CN101990524A - 用于混凝土和水泥配制剂的改性剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于混凝土和水泥配制剂的蜡乳液改性剂及其制备方法。该改性剂适用于用于制造工业楼板、水坝和道路的碾压混凝土(RCC)。本发明还涉及常规的硅酸盐水泥混凝土配料设计或者用于成形的结构形状的其它应用的混凝土混合料以及运输道路配料设计，提供含水相的更快的脱水，不牺牲强度，同时提供在应用时仍然可加工的更高密度。本发明的改性剂可以用于原始土壤/水泥基料或用于最终/完成的铺筑。

Description

用于混凝土和水泥配制剂的改性剂及其制备方法
相关申请数据
本申请要求2008年3月19日提交的流水号为No.61/037,761的美国临时申请的权益，其全部内容在此通过引用纳入本文。
技术领域
本发明涉及用于混凝土和水泥配制剂的蜡乳液改性剂并涉及其制备方法。该改性剂适用于用于制造工业楼板(industrial floor slab)、水坝和道路的碾压混凝土(RCC)。本发明还涉及常规的硅酸盐水泥混凝土配料设计或者用于成形的结构形状的其它应用的混凝土混合料以及运输道路配料设计，提供含水相的更快的脱水，不牺牲强度，同时提供在应用时仍然可加工的更高密度。本发明的改性剂可以用于原始土壤/水泥基料或用于最终/完成的铺筑(placement)。
背景技术
碾压混凝土(RCC)是混凝土，但是它通过非常规方法铺筑，该方法需要更干或更硬的稠度。RCC可以具有比常规铺筑的混凝土更宽的材料性能范围，例如，它可以使用不符合正常要求的骨料，它可以在很高的生产率下进行铺筑，并且它可以很便宜。
根据定义，RCC是包含水泥、砂子、骨料(例如砾石、石料、砂子等)以及水的混合物的混凝土，其具有使其可以用重型振动辊(vibrarotyroller)(例如用于沥青和颗粒基料的10吨辊)压实的稠度。RCC通常以连续工艺而不是分批工艺进行混合，用卡车或输送车进行输送，用推土机铺展成层，并用振动辊产生最终的压实。
RCC通常已用于诸如水坝建造、路面和桥面建造的应用，这些应用需要厚的面层(thick topping)(通常为两英寸)作为基本元件以获得所需的外板层(exterior slab)的疲劳寿命和强度。
常规的浇注的大体积混凝土通过使用水和添加剂被设计为具有最高的流动性，RCC配制剂具有与常规混凝土相同的成分，即水泥、水和骨料，但是与常规混凝土不同的是，它是具有足够的硬度以被振动辊压实的较干的混合料。在混合料的压实阶段过程中施加的压力意味着需要最高可能的初始密度以保证出色的耐压强度，这可以通过降低水含量来实现，但是如果该含量低于水合含量，那么固化的混凝土将达不到最佳性能。因此，目前的RCC混合料仍然具有这样的水含量：该水含量最多是振动辊的施加过程中混凝土的最低坍落和完全固化之间的折中。在工业中需要这样的RCC配制剂：它具有适量的水以获得合适量的水合并且还具有最高的初始耐压强度。
表面活性剂降低对过量的水的需求，同时使得混凝土混合料可浇注，如同存在过量的水。当将表面活性剂引入混凝土中时，结果是多孔性较低且强度在一定程度上更高的产品。强度的提高是由于较低的水/水泥之比以及孔隙率的降低。尽管表面活性剂改善耐水渗透性，但是单独的表面活性剂提供太低的改善以至于不能被认为是问题的解决方案。
已尝试通过向混合料中加入加速剂例如氯化钙三乙醇胺或硅酸钠，或者使产品经受水蒸气，或者使用III型水泥，以提高水泥骨料产品、特别是混凝土块、混凝土圬工单元(masonry unit)等的早期强度。然而，这些加速剂的添加或者水蒸气的使用提高了产品的生产成本并且通常提高其生产时间。
还尝试提供用于改善水泥骨料产品的早期强度的组合物和方法，其在于具有表面活性剂的稳定化水乳液，所述表面活性剂例如为脂肪酸的碱金属盐、硫酸化脂肪酸的碱金属盐、碱金属烷基硫酸盐、碱金属烷基磺酸盐、碱金属芳基磺酸盐、碱金属烷基月桂基磺酸盐、烷基化萘的碱金属盐、木质素磺酸的碱金属盐、聚烷撑二醇和环氧乙烷的缩合产物、脂肪酸甘油酯、脂肪酸酰胺、脂肪酸的聚乙烯山梨醇酯、卤化季铵、山梨聚糖酯、磺化或硫酸化脂肪酸酯或酰胺，以及磺酸。使用木质素磺酸钠作为表面活性剂，特别是在乳液中使用疏松石蜡(slack wax)作为蜡状物质获得了结果。
现有技术指出，将溶剂中的蜡引入用于生产混凝土产品的水、水泥和骨料的组合物中，导致产生的混凝土具有比没有蜡的基本相同的组合物生产的混凝土产品显著地低的强度。据信，蜡涂布到骨料颗粒上并抑制水泥浆对骨料的黏附，导致通过耐压强度的测试所测量的弱化。因此，在用于RCC应用的水泥配制剂中使用蜡在以前是不可取的。
发明内容
在一种实施方案中，本发明提供水乳液，该水乳液可用于提供具有至少2400psi的初始耐压强度的水泥质组合物，该水乳液包含链烷烃蜡、可皂化蜡、皂化剂和任选的分散剂。
在另一种实施方案中，本发明提供水乳液，该水乳液可用于提供具有至少2400psi的初始耐压强度的水泥质组合物，该水乳液基本只包含链烷烃蜡、可皂化蜡、皂化剂、分散剂和水。
在另一种实施方案中，本发明提供水乳液的制备方法，该水乳液提供具有至少2400psi的初始耐压强度的水泥质组合物，该方法包括如下步骤：将水、链烷烃蜡、可皂化蜡和皂化剂合并，将合并物料加热到约185°F(85℃)至约205°F(96.1℃)的温度，然后将混合物均化。
在另一种实施方案中，本发明提供水泥质组合物，其包含与每立方码约1至约25加仑的水乳液混合的干水泥，所述水乳液包含链烷烃蜡、可皂化蜡、皂化剂和任选的分散剂。
具体实施方式
已发现，当将本发明的包含链烷烃蜡、可皂化蜡、皂化剂和任选的分散剂的水乳液改性剂混合到混凝土设计配料中时，提供改善的性能和优点。
在一种实施方案中，链烷烃蜡具有约50℃至约70℃范围内的熔点。在另一种实施方案中，链烷烃蜡含有一种或多种CnH2n+2烃，其中n是18至42的整数。链烷烃蜡可以占乳液的约20至约60wt％。在另一种实施方案中，链烷烃蜡可以占乳液的约30至约50wt％。
在一种实施方案中，第二种蜡是蒙旦蜡，也称为褐煤蜡，其具有70℃至100℃范围内的熔点和大于25的酸值，以及大于85的皂化值。第二种蜡也可以来自这样一类蜡：其特征在于它具有酸值和皂化值两者，例如巴西棕榈蜡、小烛树蜡、杨梅-桃金娘(bayberry-myrtle)蜡、日本蜡等。第二种蜡也可以是这些可皂化蜡的组合或任何子集。在一种实施方案中，第二种蜡以每100份链烷烃蜡约0.01至约20重量份的量存在于乳液中。在另一种实施方案中，第二种蜡以每100份链烷烃蜡约0.01至约10重量份的量存在。在另一种实施方案中，第二种蜡以每100份链烷烃蜡约0.5至约7重量份的量存在。在另一种实施方案中，第二种蜡以每100份链烷烃蜡约0.02至约5重量份的量存在。
如本领域中所知，这样的蜡的皂化可以通过将蜡与强碱性材料合并而实现，所述强碱性材料例如为氢氧化铵或碱金属氢氧化物例如氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化锂。需要的皂化剂的量可以基于蜡的皂化值进行计算。例如，皂化值除以1000等于每克蜡要加入的氢氧化钾的克数。对于蒙旦蜡，每份蒙旦蜡需要至少0.1重量份氢氧化钾，或者少于1重量份氢氧化钠，或多于0.1重量份氢氧化铵。碱金属氢氧化物或氢氧化铵的实际需要量可以容易地由本领域技术人员确定。
在本发明的某些实施方案中，分散助剂或流动性改性剂可以是有用的。这样的分散剂是强亲脂性的，它因而是良好的消泡剂。一种这样的分散剂是聚(氧-1，2-乙烷二基(ethanedyl))α-苯基-ω-羟基苯乙烯化物(styrenate)。聚萘磺酸(polynaphthalenesulfonic acid)的盐也可以用作分散剂/表面活性剂。该盐可以通过聚萘磺酸和皂化剂的反应而生产。一种市售的聚萘磺酸是DISAL GPS，它可以由加拿大魁北克蒙特利尔的Handy Chemical获得。DURASAR聚萘磺酸钙盐也可以由加拿大魁北克蒙特利尔的Handy Chemical获得，它也可以用作分散剂。在一种实施方案中，分散剂/表面活性剂可以占乳液的约0.1至约5wt％。在另一种实施方案中，分散剂/表面活性剂可以占乳液的约0.25至约5wt％。
在一种实施方案中，干混水泥和本发明的乳液之间的比例为每立方码混合料约1至约25加仑(每立方米混合料约3.8至约94.6升)。在另一种实施方案中，干混水泥和本发明的乳液之间的比例为每立方码混合料约1至约7加仑(每立方米混合料约3.8至约26.6升)。当与水泥、骨料和砂子混合时，本发明的乳液提供至少2400psi的初始耐压强度，它随着固化而进一步提高到设计强度，该设计强度通常为至少约5000psi。
在一种实施方案中，本发明的蜡乳液该性剂与水泥质组合物混合，该组合物通常为硅酸盐水泥和1类飞灰。在另一种实施方案中，本发明的蜡乳液改性剂不施加于水泥质组合物的表面。
在一种实施方案中，在基于水泥的体系中，当混合到混凝土设计中时，据信本发明的蜡乳液改性剂提供润滑性，该润滑性允许更大的压实，导致在同等的压力下更高的密度。在水泥设计中水/水泥之比的降低导致在7天时至少＞40％的更大强度，将最优水分含量降低至少＞35％，通过降低这些混合料体系通常存在的气穴而显著提高密度。这种加入蜡乳液改性剂的体系的益处包括更高的压实密度或者使用较低的压力达到相同的密度，用于压实的较低的水需求，较低的水泥需求以获得同等强度(＞2％)，以及改善的加工性。其它优点包括由于运输较少的水而导致的较低的运输成本，以及由于互联的气穴的减少而导致的降低的渗透性，它改善了耐水性。益处还包括美学优点，例如加入了本发明的蜡乳液改性剂的RCC的表面外观。
在另一种实施方案中，在最终铺筑RCC配料设计中本发明的蜡乳液改性剂的混合导致在7天时至少＞20％以及在28天时至少＞10％的强度增加。向这样的混合料中加入本发明的蜡乳液改性剂使得可以以较低的水泥含量获得同等的强度，使得可以以较低的铺筑厚度承载相同的设计负荷。
实施例
表1列出了实施例中使用的改性剂的配方。在一种典型制备中，将水和水溶性组分合并，然后加热到约185°F(85℃)至约205°F(96.1℃)之间的温度。将蜡化合物加入并且也加热到约185°F(85℃)至约205°F(96.1℃)之间的温度。然后将含水混合物和蜡混合物合并，然后将得到的混合物置于均化器中。通过均化，优选达到约0.6微米至约1.8微米范围内的胶束直径分布。然而，胶束直径分布可以在约0.5微米至约2.5微米范围内。该均化水平可以例如通过使用在约2,000至约4,000psig运行的双孔均化器获得。
表1  改性剂配方
  组分   重量百分比(wt％)
  链烷烃蜡   38.68
  蒙旦蜡   1.00
  DISAL1分散剂   1.00
  45％aq.KOH   0.25
  水   59.07
1DISAL是可从加拿大魁北克蒙特利尔的Handy Chemical获得的聚萘磺酸分散剂。
表2给出了加入了本发明的蜡乳液改性剂的典型的RCC配料设计。
表2  1立方码的RCC配料设计
  材料   磅(kg)
  1型水泥   300(136)
  C类飞灰   125(56.7)
  混凝土砂子   1263(572.9)
  尺寸57的未破碎的砾石   2195(995.6)
  水   109(49.4)
  本发明的蜡乳液改性剂   21.25(9.64)
表3说明本发明的蜡乳液改性剂在同等的压力情况下提供更高的密度。在土壤/水泥设计中水/水泥之比的降低导致了在7天时＞40％的更高强度，将最优水分含量降低＞35％，通过降低这些混合料体系通常存在的气穴而显著提高了密度。(ALDOT 416-05土壤-水泥)。
当使用本发明的乳液时，将乳液中所含的水量从没有乳液的组合物的初始水量中扣除。继续进行混合直到混合物稠度均匀并且已通过混合料的稠度的视觉变化注意到已发生水合。
表3  ALDOT 416-05土壤-水泥置换(Replacement)
Figure BPA00001234696600061
表4给出了耐压强度评价中使用的混料设计，结果见表5。
表4  耐压强度评价测试的混料设计
 每1立方码混料设计，磅   磅   磅
  ASTM坍落/强度评价   对照   有添加剂
  水泥   300   285
  C类飞灰   125   119
  混凝土砂子   1263   1263
  #57砾石，无水分调节   2195   2195
  水   148.5   132.5
  本发明的蜡乳液改性剂   21.25
表5  ASTM C 1176耐压强度
  ASTM C 1176
  测试圆柱6×12英寸ASTM C 31
  两个样品的平均
  对照   有添加剂
  7天老化
  耐压强度，PSI   1970   2405
  28天老化
  耐压强度，PSI   3035   3475
尽管参照具体实施方案和实施例对本发明进行了描述和举例说明，但是本领域技术人员将会理解，本发明还涵盖未必在本说明书中进行举例说明的变化方案。因此，应当仅仅参照附带的权利要求来确定本发明的实际范围。

Claims (10)

1.水乳液，其用于提供具有至少2400psi的初始耐压强度的水泥质组合物，该水乳液包含：
(a)链烷烃蜡，
(b)可皂化蜡
(c)皂化剂，和
(d)任选的分散剂。
2.权利要求1的水乳液，其中：
(a)链烷烃蜡具有约50℃至约70℃的熔点，并且
(b)可皂化蜡是蒙旦蜡，其具有约70℃至约100℃范围内的熔点、大于25的酸值以及大于85的皂化值。
3.权利要求1的水乳液，其中该皂化剂是氢氧化铵或碱金属氢氧化物。
4.权利要求2的水乳液，其中蒙旦蜡以每100份链烷烃蜡约0.01至约20重量份的量存在。
5.权利要求1的水乳液，其中分散剂是以基于乳液重量约0.1至约5wt％的量存在的聚萘磺酸。
6.权利要求1的水乳液，其包含：
(a)基于乳液重量约20至约60wt％的链烷烃蜡，
(b)每100份链烷烃蜡约0.01至约20重量份的可皂化蜡，
(c)皂化剂，
(d)基于乳液重量约0.1至约5wt％的聚萘磺酸，以及
(e)水。
7.水乳液的制备方法，该水乳液用于提供具有至少2400psi的初始耐压强度的水泥质组合物，该方法包括将水、链烷烃蜡、可皂化蜡和皂化剂合并，将合并物料加热到约185°F(85℃)至约205°F(96.1℃)的温度，然后将混合物均化。
8.权利要求7的方法，其中链烷烃蜡以基于乳液重量约20至约60wt％的量存在，可皂化蜡以每100份链烷烃蜡约0.01至约20重量份的量存在。
9.水泥质组合物，其包含干水泥和权利要求1的水乳液，其中将该乳液与该组合物混合并且该乳液以每立方码水泥约1至约25加仑的量存在。
10.权利要求9的水泥质组合物，其中该组合物是碾压混凝土。
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