CN102674744A

CN102674744A - 多功能混凝土耐酸凝胶粉

Info

Publication number: CN102674744A
Application number: CN201210141641XA
Authority: CN
Inventors: 刘加平; 石亮; 刘建忠; 吴烨; 崔巩; 陈翠翠
Original assignee: NANJING DAOLU CONSTRUCTION MATERIAL FACTORY; Sobute New Materials Co Ltd; Jiangsu Bote New Materials Co Ltd; Jiangsu Research Institute of Building Science Co Ltd
Current assignee: Sobute New Materials Co Ltd
Priority date: 2012-05-09
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明涉及一种多功能混凝土耐酸凝胶粉，由下述组分按重量百分比配制而成：碱度调控矿物掺合料：45％～80％、活性火山灰类物质：12％～35％、惰性填料：5％～10％、反应型填料：2％～6％、活性化合物：1％～4％。本发明能显著提升水泥混凝土的抗酸腐蚀能力，降低混凝土在酸性环境侵蚀条件下发生表面胀裂、剥落、强度下降的风险，对混凝土基体的抗渗透性能及体积稳定性有明显的改善，施工方便、经济效益明显。本发明可广泛应用于酸性环境下服役的港口、码头、厂房、污水处理、隧道、道路、桥梁、民用建筑等混凝土工程。

Description

多功能混凝土耐酸凝胶粉

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种多功能混凝土耐酸凝胶粉。

背景技术

混凝土是现代工程界应用最广泛的建筑材料，其服役环境纷繁复杂，众多构筑物在酸性环境下进行服役。众所周知，酸性介质对混凝土中的碱性化合物存在腐蚀，无机酸、有机酸等有害介质对混凝土材料的耐久性影响巨大，混凝土基体的抗酸腐蚀能力直接决定着构筑物的使用寿命，采用耐酸增强技术改善混凝土材料的抗酸侵蚀能力是实现基体本身高耐久的重要途径之一。

混凝土材料耐酸增强技术的实现途径主要有使用水玻璃混凝土、聚合物混凝土的外防护技术，以及使用混凝土耐酸粉料的内强化技术等。外防护技术采用的水玻璃混凝土，其材料自身的耐酸性能很好，但它的抗渗性能不佳，内部孔隙率普遍在10％至20％，若在钢-混结构上使用，混凝土内部钢筋受不到有效的保护；聚合物类混凝土是很好的耐酸外防护材料，但是它的成本很高，在结构混凝土上大范围使用不现实。以上的混凝土外防护耐酸技术虽已较为成熟，但应用部位仅局限在混凝土外部，遇到混凝土现浇过程中需要通过内掺耐酸材料来提升结构整体耐酸腐蚀性能时则无能为力。

使用混凝土耐酸凝胶粉是近些年出现的一种在保证混凝土工作性能以及其它性能不受影响的前提下，有效提升混凝土基体耐酸腐蚀性能的内掺防护方法。目前国内混凝土耐酸凝胶粉尚无统一定义，它的作用主要表现在能够改善混凝土胶凝体系的组成，调节体系的整体碱度，使混凝土在自身化学组成层面满足耐酸性介质腐蚀的要求，保障服役于酸性环境中的混凝土结构服役寿命。

申请者认为：混凝土基体耐酸腐蚀性能的提升除胶凝体系化学耐腐蚀性能的改善外，基体抗渗性能及体积稳定性能的提升也十分重要。混凝土基体抗渗性能的优劣决定着混凝土耐久性能的好坏，基体致密的混凝土能够更好的抵御外界有害介质的侵入，保护钢筋等内部结构不受损伤，混凝土基体抗渗性能不佳将导致外界有害介质通过开放孔隙或裂缝通道渗入混凝土内部，影响混凝土结构的耐久性。此外，混凝土基体的体积稳定性也十分重要，良好的基体体积稳定性可保证混凝土在侵蚀介质作用下不产生膨胀，降低了混凝土基体开裂的风险，减小了外界有害介质侵入的可能，保证了混凝土的整体质量。因此，研发一种可显著提升混凝土基体自身化学耐酸腐蚀性能，同时又可大幅改善混凝土基体抗渗与体积稳定性的多功能混凝土耐酸凝胶粉成为本领域技术人员孜孜以求的目标。

发明内容

本发明的目的是针对现有主要的混凝土耐酸增强技术只可在混凝土外防护中应用，且材料自身抗渗性不佳、成本高、不能在水泥混凝土直接内掺使用的缺点，提出一种多功能混凝土耐酸凝胶粉，同时具备耐酸侵蚀、抗渗、减小积变形功能，并具有可直接掺入混凝土中，易施工、掺量少、成本低等特点。

申请人经研究发现：混凝土耐酸腐蚀性能不佳的主要原因是混凝土胶凝体系中可与酸反应的化学组分过多，导致酸与混凝土基体材料之间发生快速的化学中和反应，混凝土基体被腐蚀。此外，混凝土基体因密实程度不够或体积稳定性不佳而导致混凝土多孔或出现微细裂纹，酸性介质渗入混凝土内部对其内部钢筋结构造成破坏，引发钢筋腐蚀。

基于上述研究，本发明以碱度调控矿物掺合料改善混凝土内部胶凝体系的组成为基础，根据胶凝体系的不同碱度及化学组成要求选择合适的活性火山灰类物质，通过提升混凝土胶凝体系的后期水化程度，改善基体的密实性，稳固初步建立的耐酸胶凝体系；并通过采用惰性填料及反应型填料使胶凝体系更加稳定，降低酸对混凝土基体化学腐蚀的发生几率；同时引入活性化合物，与混凝土内部毛细孔内残余的孔溶液反应，生成化学产物抑制混凝土内部微细裂纹的产生，改善混凝土的体积稳定性，进一步提升基体的耐酸性能。

实现本发明的技术方案是：

一种多功能混凝土耐酸凝胶粉，其组分及重量百分数为：

上述碱度调控矿物掺合料为粉煤灰或超细矿粉，二者任选其一；上述活性火山灰类物质为加密硅微粉或无定型二氧化硅粉，二者任选其一；上述惰性填料为无水硅酸铝粉或辉绿岩粉，二者任选其一；上述反应型填料为氧化钙粉为或超细碳酸钙粉，二者任选其一；上述活性化合物为β-萘磺酸甲醛缩合物或烯丙醇聚氧乙烯醚，二者任选其一。

优选1d活性指数≥100％，比表面积≥800m²/kg的超细矿粉作为碱度调控矿物掺合料，上述超细矿粉的1d活性指数参考《高强高性能混凝土用矿物外加剂》(GB/T 18736-2002)附录C进行检测；比表面积采用激光粒度分析仪测定其粒度分布，并按仪器说明书给定的计算方法计算出比表面积。

采用加密硅微粉或无定型二氧化硅粉作为活性火山灰类物质可使碱度调控矿物掺合料在水泥混凝土胶凝体系中形成的胶凝物质更加稳定，改善混凝土的碱度组成，从根本上构建起抗酸腐蚀的化学防护体系屏障。

作为优选，加密硅微粉密度为500kg/m³-600kg/m³，SiO₂含量≥95％，烧失量≤3.0％。

作为优选，上述无定型二氧化硅粉的平均粒径为0.20μm-0.40μm，SiO₂含量≥93％，需水量比≤105％。

上述无定型二氧化硅粉需水量比参考《高强高性能混凝土用矿物外加剂》(GB/T18736-2002)附录C进行检测。

采用无水硅酸铝粉或辉绿岩粉作为惰性填料可在已建立的耐酸凝胶体系中引入另一层防护带，抵御酸性介质的侵蚀，使体系的化学耐酸腐蚀性能得到进一步提升。

优选密度为200kg/m³-300kg/m³，平均粒径为1.0μm-2.0μm的无水硅酸铝粉作为惰性填料。

优选密度为2500kg/m³-3500kg/m³，平均粒径为500μm-1000μm的辉绿岩粉作为惰性填料。

采用氧化钙粉或超细碳酸钙粉作为反应型填料可在现有的化学耐酸防护体系外层增加牺牲层，当酸与体系进行反应时，氧化钙粉或超细碳酸钙粉作为牺牲层物质可优先与酸进行反应，使主体胶凝体系避免过早受到酸性介质的冲击，生成的反应产物还可以留在原氧化钙粉或超细碳酸钙粉的位置，不会对基体产生孔隙率增大的危害。

优选分子量1000-2000的烯丙醇聚氧乙烯醚作为活性化合物。

本发明的制备方法是将上述组分混合并搅拌均匀即可，制备简单易行，便于推广使用。

本发明从胶凝体系组成改善、碱度调控、抗渗、提升体积稳定性四方面来同时提升混凝土的耐酸腐蚀性能，兼具有耐酸、抗渗和防体积变形等效果；同时克服了原有水玻璃或聚合物类耐酸粉料只可作为外防护措施，在特种混凝土中使用，且施工工艺复杂的缺点，可以在水泥混凝土中直接加水拌合使用，施工操作更加简单；相对于一般的耐酸粉料，具有用量少，耐酸性能好等特点，降低使用成本；本发明在混凝土拌合过程中使用，不会对水泥的正常水化及外加剂的功效发挥产生负面影响；在有效提升混凝土基体耐酸腐蚀性能的同时，增加了抗渗性能及体积稳定性的保持功效。其主要特点如下：

1、具有良好的混凝土耐酸腐蚀性能。由于本发明所述的混凝土耐酸凝胶粉的组成成分中含有碱度调控矿物掺合料，其在混凝土胶凝体系中能够诱导各水化产物成分的生成，调节胶凝体系的碱度，增加体系中抗酸性介质腐蚀的组分生成量，降低易被酸性介质腐蚀的化学产物存在比例，减小混凝土在酸性环境中被腐蚀的风险。除此之外，本发明组成成分中还含有惰性物质组分和反应型填料，能够在混凝土胶凝体系中形成不与酸性介质反应的隔离带及优先与酸反应的牺牲层，阻止混凝土水化凝胶被酸性物质侵蚀。本产品功能上主要区别于其他类型耐酸粉料的是本品可直接用于水泥混凝土胶凝体系中，其自身具有水化活性，加水即可进行反应，不是需要水玻璃等非水性材料进行拌合才能完成胶结的气硬性材料，混凝土耐酸性能提升作用机理有根本上的不同。

2、具有明显增强混凝土基体抗渗性能的功效。本发明的混凝土耐酸凝胶粉含有活性火山灰类物质及活性化合物组分。活性火山灰类物质在混凝土胶凝体系水化后期参与水化反应的进行，消耗硬化混凝土中的自由水及氢氧化钙，生成水化硅酸盐凝胶封堵混凝土中的开放毛细孔或微裂纹，提升混凝土的致密程度，达到增强基体混凝土抗渗性能的功效；活性化合物组分能够迁移至硬化混凝土的毛细孔中，与孔溶液发生化学反应，生成的反应产物封堵毛细孔，提升混凝土基体的抗渗性能。本发明与普通混凝土耐酸粉料的不同之处在于其能够显著降低混凝土基体的孔隙率，在改善混凝土耐酸性能的同时，提升混凝土的抗渗能力。

3、具有明显的减少混凝土体积变形能力。由于本发明中有大量的碱度调控矿物掺合料、惰性填料及活性化合物组分，碱度调控矿物掺合料可在混凝土中水泥的水化过程中降低其水化速率，控制因水化温升而导致的基体温度收缩的出现，降低混凝土出现温度裂缝的风险；惰性填料可在混凝土基体中形成彼此交接的骨架，当混凝土出现体积变形时，可以抑制变形的发展；活性化合物组分与混凝土毛细孔中溶液反应生成水化产物堵塞毛细孔，降低混凝土因毛细孔水分散失而出现的毛细管负压，减小基体的干燥收缩。与普通混凝土耐酸粉料相比，本产品在减小混凝土体积变形方面有显著功效，能够明显抑制混凝土的温度收缩、干燥收缩等体积变形，降低收缩开裂风险，使混凝土耐酸凝胶粉功能趋于多元化。

4、施工方便、经济效益明显。普通混凝土耐酸粉料的施工与普通水泥混凝土有很大不同，一般采用水玻璃或聚合物作为液态胶凝组分，固相物质采用耐酸填料进行填充，施工过程中需要采用特殊的搅拌设备，并且混凝土成型后需要在干燥条件下进行养护，混凝土孔隙率较高，抗渗性能较差，且多为外层涂覆使用，不能作为结构件进行浇筑，施工复杂、成本较高。本发明的混凝土耐酸凝胶粉可直接用于水泥混凝土的施工中，掺入混凝土中后加水搅拌成型即可，养护与普通混凝土相同，在不影响混凝土的主要性能指标的前提下提升混凝土的耐酸腐蚀性能，施工简便、易于操作，此外本发明的混凝土耐酸凝胶粉用量少，仅为混凝土胶凝材料的10％，使用经济。

本发明的多功能混凝土耐酸凝胶粉可广泛应用于：酸性环境下服役的港口、码头、厂房、污水处理、隧道、道路、桥梁、民用建筑基础等混凝土工程耐酸防腐作业中。

具体实施方式：

下面结合具体实施方式，进一步说明本发明。

实施例1

将下述组分按重量比混合并搅拌均匀，制得本发明所述多功能混凝土耐酸凝胶粉：

其中：碱度调控矿物掺合料为粉煤灰；活性火山灰类物质为无定型二氧化硅粉；惰性填料为辉绿岩粉；反应型填料氧化钙粉；活性化合物为β-萘磺酸甲醛缩合物。

实施例2

其中：碱度调控矿物掺合料为超细矿粉；活性火山灰类物质为加密硅微粉；惰性填料为无水硅酸铝粉；反应型填料超细碳酸钙粉；活性化合物为烯丙醇聚氧乙烯醚。

实施例3

其中：碱度调控矿物掺合料为超细矿粉；活性火山灰类物质为无定型二氧化硅粉；惰性填料为无水硅酸铝粉；反应型填料氧化钙粉；活性化合物为烯丙醇聚氧乙烯醚。

实施例4

其中：碱度调控矿物掺合料为粉煤灰；活性火山灰类物质为加密硅微粉；惰性填料为辉绿岩粉；反应型填料超细碳酸钙粉；活性化合物为β-萘磺酸甲醛缩合物。

相关实验及结果

用实施例1-4的混凝土耐酸凝胶粉，按10％的胶凝材料质量百分比掺入混凝土中，在pH＝3的硫酸溶液中浸泡60d，进行混凝土在酸腐蚀质量变化及强度发展对比实验，同时在20℃室温下进行混凝土体积变形及抗渗性能对比试验，实验结果如下：

1、混凝土在酸腐蚀环境中质量变化实验，结果见表1。

表1各实施例混凝土在酸腐蚀环境中质量变化实验结果

实施例	初始质量(g)	酸浸泡60d质量(g)	质量变化率(％)
				基准	2403.07	2340.59	2.60
实施例1	2393.72	2390.37	0.14
				实施例2	2378.41	2376.75	0.07
实施例3	2406.51	2396.16	0.43
				实施例4	2383.55	2369.73	0.58

表1数据表明：采用本发明可在强酸腐蚀环境下有效减少混凝土因被腐蚀而产生的质量损失。由于本发明的耐酸凝胶粉中含有碱度调控矿物掺合料组分，在混凝土胶凝体系中调节水化产物成分的组成，增加耐酸组分的含量，减少不耐酸组分的含量，同时调节体系碱度以适应酸性环境，当酸性介质侵入时，混凝土胶凝体系在水化产物被消耗的质量减少；此外，本发明中的惰性填料组分在酸性介质侵入时不与介质发生反应，同时作为保护层延缓酸对混凝土基体的侵蚀，使混凝土胶凝体系质量损失减小。

2、混凝土在酸腐蚀环境中强度发展实验，结果见表2。

表2各实施例混凝土在酸腐蚀环境中强度发展实验结果

实施例	标准养护60d强度(MPa)	酸浸泡60d强度(MPa)	抗压强度比(％)
				基准	48.7	41.9	85.97
实施例1	50.5	49.1	97.21
				实施例2	54.6	54.7	100.17
实施例3	52.9	50.4	95.35
				实施例4	48.1	44.5	92.45

表2数据表明：采用本发明能够有效抑制混凝土在强酸环境作用下的强度下降。本发明的混凝土耐酸凝胶粉中含有碱度调控矿物掺合料组分、活性火山灰类物质及活性化合物组分，碱度调控矿物掺合料能调节混凝土胶凝体系中的化学组成，使体系整体的化学耐酸腐蚀性能得到提升，混凝土的强度得到保障；此外，火山灰类物质能与硬化后期混凝土中的氢氧化钙等碱性物质发生二次火山灰反应，提升混凝土基体的水化程度，活性化合物同样可以与混凝土毛细孔溶液发生反应，生成水化产物堵塞毛孔，使混凝土在酸性环境作用下的强度损失得到控制。

3、混凝土体积变形性能实验，结果见表3。

表3各实施例混凝土体积变形实验结果

表3数据表明：采用本发明可提升混凝土的体积稳定性。本发明的混凝土耐酸凝胶粉掺入混凝土中，其中的碱度调控矿物掺合料组分能够降低水泥的水化速率，使混凝土基体因温度收缩而出现的体积变形减小；此外，活性火山灰类物质和活性化合物能够封堵混凝土的毛细孔，减少基体因水分散失而出现的干燥收缩，因此混凝土的体积稳定性得到提升。

4、混凝土抗渗性能实验，结果见表4。

表4各实施例混凝土抗渗性能实验结果

表4说明，采用本发明的混凝土耐酸凝胶粉，混凝土的抗介质渗透性能得到提升，表现为氯离子渗透深度降低，氯离子扩散系数减小。本发明的混凝土耐酸凝胶粉掺入混凝土中，其内部的活性火山灰类物质与混凝土中的碱性成分发生反应，生成的水化产物封堵混凝土中开放毛细孔及微裂纹，提升混凝土的抗渗性能；此外，活性化合物与混凝土

毛细孔溶液相互作用生成水化产物，毛细孔的连通性降低，增加的了混凝土基体的密实程度，混凝土的抗渗性能得到提升。

表1-4数据表明，采用本发明可使混凝土在酸性介质侵蚀作用下的质量与强度损失减少，混凝土的耐酸性能得到大幅提升，同时混凝土因收缩而产生的体积变形得到抑制，混凝土的抗有害介质侵入能力得到显著改善。

Claims

1.一种多功能混凝土耐酸凝胶粉，其特征在于：以重量百分数计其组分包括：

其中：碱度调控矿物掺合料选自粉煤灰或超细矿粉；活性火山灰类物质为加密硅微粉或无定型二氧化硅粉；惰性填料为无水硅酸铝粉或辉绿岩粉；反应型填料氧化钙粉为或超细碳酸钙粉；活性化合物为β-萘磺酸甲醛缩合物或烯丙醇聚氧乙烯醚。

2.根据权利要求1所述的多功能混凝土耐酸凝胶粉，其特征在于所述超细矿粉的1d活性指数≥100％，比表面积≥800m²/kg。

3.根据权利要求1所述的多功能混凝土耐酸凝胶粉，其特征在于加密硅微粉的密度为500kg/m³-600kg/m³，SiO₂含量≥95％，烧失量≤3.0％。

4.根据权利要求1所述的多功能混凝土耐酸凝胶粉，其特征在于二氧化硅粉的平均粒径为0.20μm-0.40μm，SiO₂含量≥93％，需水量比≤105％。

5.根据权利要求1所述的多功能混凝土耐酸凝胶粉，其特征在于无水硅酸铝粉的密度为200kg/m³-300kg/m³，平均粒径1.0μm-2.0μm。

6.根据权利要求1所述的多功能混凝土耐酸凝胶粉，其特征在于辉绿岩粉密度为2500kg/m³-3500kg/m³，平均粒径500μm-1000μm。

7.根据权利要求1所述的多功能混凝土耐酸凝胶粉，其特征在于烯丙醇聚氧乙烯醚的分子量为1000-2000。