CN102815883A - 一种纤维复合渗透结晶型膨胀剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纤维复合渗透结晶型膨胀剂及其制备方法,纤维复合渗透结晶型膨胀剂含有以下重量份的组分：硫铝酸盐熟料65—85份，无水石膏10—25份，填充料5—8份，氧化镁3～8份，活性渗透结晶材料5—25份，1—2份减缩剂，纤维素醚0.1—0.3份，纤维2—3份。本发明的纤维复合渗透结晶型膨胀剂在混凝土中使用，其具有膨胀能高，掺量少，绝湿膨胀大，在混凝土固化成型过程中的各个时期膨胀速率适中，膨胀性能长期稳定，在混凝土的使用期内抗裂防渗性能优异，且其中掺入的活性渗透结晶材料能长期自行修复因各种原因所造成的混凝土体内0.4mm以下的裂缝，能赋与混凝土寿命期内的抗裂防渗功能。

Description

一种纤维复合渗透结晶型膨胀剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种纤维复合渗透结晶型膨胀剂，同时还涉及一种该纤维复合渗透结晶型膨胀剂的制备方法。

背景技术

混凝土在硬化的初期，由于水和水泥反应形成的结晶体化合物的体积比原材料的体积要小，因此引起混凝土体积的收缩。在硬化的早、中期，又由于混凝土内自由水分的蒸发而引起干缩、温度变化等，这一系列的问题导致混凝土易开裂。混凝土膨胀剂是一种矿物外加剂，具有抗裂防渗的作用，其在混凝土拌制过程中与水泥、水拌和后经水化反应生成钙矾石、氢氧化钙和氢氧化镁，使混凝土产生体积膨胀。用它配制的混凝土称为膨胀混凝土，目前在国内应用非常广泛，对提高混凝土建筑的质量起到了积极的作用。使用混凝土膨胀剂可以配制补偿收缩混凝土、填充混凝土、填充砂浆、自应力混凝土和防水混凝土。在我国膨胀剂被大量用于补偿收缩混凝土，补偿收缩混凝土是由膨胀组分和水泥水化产物反应产生体积膨胀，通过膨胀能对限制力作功，产生的限制膨胀抵消混凝土干燥、降温以及荷载等作用引起的限制收缩，一般在所使用的配筋条件下能使混凝土内部建立0.2-0.7MPa的压应力，主要是对干燥收缩进行补偿。补偿收缩混凝土与普通混凝土的主要区别在于：1．由于限制膨胀的作用，改善了混凝土的应力状态；2.由于膨胀性晶体的填充作用使水泥石中的大孔变小，总孔隙率下降，改善了混凝土的孔结构，从而提高了混凝土的抗渗性，它具有一般防水混凝土无法相比的抗裂能力。

目前市场上大多数的膨胀剂是由少量的铝酸钙（高铝水泥熟料）或硫铝酸钙（硫铝水泥熟料）和大量的明矾石，含铝矿渣、煅烧矾土、高铝煤矸石、高铝粉煤灰、煅烧高岭土、地开石等混合而成，其特点是膨胀能低，膨胀速率慢，绝湿膨胀小，膨胀稳定性差。经过二十年来的开发应用，我国混凝土膨胀剂得到较广泛的应用，但随着用量的增大补偿收缩混凝土工程裂渗事故有随用量激增而增多之势，究其原因，有多种原因可造成这一现象，如膨胀剂膨胀能小，掺量不够，容易使混凝土在固化成型过程中开裂；膨胀剂各成份配比不合理，在混凝土固化过程的各个时期，膨胀剂不能有效补混凝土体积的变化导致混凝土开裂；还有产品干缩大，后期抗裂性能差，容易造成混凝土开裂，还有影响膨胀性能的因素太多，如材料配合性差、施工条件差、混凝土养护不当，环境，内、外部应力等多种因素都会造成混凝土开裂渗漏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能赋与混凝土寿命期内的抗裂防渗功能的纤维复合渗透结晶型膨胀剂。

另外，本发明的目的还在于提供一种该纤维复合渗透结晶型膨胀剂的制备方法。

为了实现以上目的，本发明的技术方案采用了一种纤维复合渗透结晶型膨胀剂，含有以下重量份的组分：

硫铝酸盐熟料65—85份，无水石膏10—25份，填充料5—8份，氧化镁3～8份，活性渗透结晶材料5—25份，1—2份减缩剂，纤维素醚0.1—0.3份，纤维2—3份。

本发明的纤维复合渗透结晶型膨胀剂还包括分散剂1—5份，所述的分散剂为萘磺酸盐缩合物，氨基磺酸盐，聚羧酸，六偏磷酸盐中的一种或其任意组合。

所述的硫铝酸盐熟料由以下重量份的原料制备而成：铝矿石55—85份，石灰石15—30份，二水石膏5—15份。

所述的填充料为粉煤灰、矿粉、硅粉或石粉中的一种或其任意组合。

所述的活性渗透结晶材料为活性有机硅类材料、Ca(O-R-OH)₂、硅酸钠、硬酯酸盐中的一种或其任意组合。

所述的减缩剂为乙二醇醚类、环氧乙烷甲基附加物、聚亚丙基二醇中一种或其任意组合。

所述的纤维为聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酯纤维、钢纤维或仿钢纤维中的一种。

本发明的技术方案还采用了一种纤维复合渗透结晶型膨胀剂的制备方法，包括如下步骤：

1）将重量份为65-85份硫铝酸盐熟料、10-25份无水石膏和5-8份填充料混合均匀、磨粉；

2）将步骤1）得到的粉料与重量份为3-8份氧化镁，5-25份的活性渗透结晶材料，1—2份减缩剂，1—5份分散剂，0.1—0.3份纤维素醚，2—3份纤维混合，制成混凝土膨胀剂。

步骤1）中的硫铝酸盐熟料是将重量份数为55-85份的铝矿石、15-30份石灰石和5-15份二水石膏混合粉磨，在1350-1450℃的温度条件下煅烧0.5-0.75小时制备而成。

硫铝酸盐熟料制备时需要建筑石膏即二水石膏提供硫与其他原料参与化学反应，而步骤1）混合复配时加入的为无水石膏，成本高，主要是跟氢氧化钙、铝酸钙等反应生成具有膨胀性质的钙矾石，因为无水石膏在水泥浆中溶解缓慢，所以能够持续供给膨胀组分使膨胀应力缓慢释放。

步骤2）中所述的混合采用无重力复合搅拌机混合。

步骤1）所述粉磨的粒度为200目（1.18mm筛筛余≤0.5%）。

本发明的纤维复合渗透结晶型膨胀剂的各原料中，活性渗透结晶材料包括活性有机硅类材料、Ca(O-R-OH)₂、硅酸钠、硬酯酸盐中的一种或多种材料复合而成，在水泥水化过程中，在有水的情况下，活性分子溶于水，并随水进入混凝土的空隙中，随着pH值下降，在水泥（硅酸盐）的催化下，活性物质在混凝土的空隙中逐步聚合，产生结晶体。活性物质所产生的结晶体为松散性的针状组织，所以能因结晶体的填充而提高混凝土的强度，但由于大分子或高分子的结晶体含有较多的疏水基团，致使结晶体不再溶于水。晶体的填充作用使水泥石中的大孔变小，总孔隙率下降，改善了混凝土的孔结构，不溶于水的结晶体对基层缺陷的填充可大大增强基层对液态水的抗渗性能，并达到良好的阻水效果。因水泥的固化速度比活性材料的结晶速度快，所以有很大一部分活性物质，被封堵在混凝土中并未聚合或只产生低聚现象，这样使掺有纤维复合渗透结晶型膨胀剂的混凝土仍具有一定的活性，当结构发生细微变化或渗水压力增大时，涂层内部的活性物质会再次与水接触，并继续化解于水中，在水通道的缺陷处产生进一步缩聚反应，形成聚合度更高的结晶体堵塞透水通道，增强基层的抗渗能力，使基层具有持续的堵塞裂缝等缺陷的功能，保持良好的抗裂防水效果。由于部分活性物质被混凝土包裹而使其暂时失活，其时间可长达几十年甚至上百年，一旦混凝土产生裂纹，水份渗入后，活性物质又重新被激活，聚合结晶堵塞裂缝，使其自动修复。所以掺有纤维复合渗透结晶型膨胀剂的混凝土结构具有与混凝土寿命同期的抗裂防渗功能。

纤维复合渗透结晶型膨胀剂中的CaO-MgO-Al₂O₃-SO₃四种膨胀组分水化的速度不同，前期形成Ca(OH)₂晶体，中期C₄A₃S与CA、CA₂在反应过程中调整了膨胀速度，形成两个钙矾石膨胀源，后期形成Mg(OH)₂晶体，它们在混凝土形成的过程中，能有效的填充在砼的孔隙中，因受到钢筋及邻位的约束，建立起早期、中期、后期不同的微膨胀力，抵消混凝土在形成过程中不同时期的收缩力，所以裂缝难以进一步发展，从而达到了抗裂的作用。

纤维复合渗透结晶型膨胀剂中的减缩剂,可减小混凝土中的毛细孔表面张力，减少孔壁的收缩应力，改善毛细孔结构使混凝土在形成的过程中产生更少的毛细孔，混凝土自身更加密实，使膨胀能做更多的有效功，因此能很大程度的减免裂缝，控制初早期有害裂缝出现。

当混凝土浇注到硬化前是混凝土最脆弱的时期，此时混凝土的强度不足以抵抗水泥收缩的应力时，纤维复合渗透结晶型膨胀剂中含有的高强纤维（包括聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酯纤维、钢纤维、仿钢纤维）可以部分抵消内部的应力，抑制裂缝的产生和发展。原因是由于膨胀剂中的单丝纤维在单位体积内较大数量的均匀分布于混凝土内部，呈三维无规则分布，就如同在混凝土中掺入数量巨大的微细筋，收缩的能量被分布到纤维单丝上，有助于削弱混凝土的塑性收缩，抑制了裂缝的产生和发展，也会使产生的微裂缝在发展的过程中必然遭遇到纤维的阻挡，消耗了大部分能量，提高了混凝土的断裂韧性，从而增强了混凝土抗拉、抗折能力。所以掺加纤维可以使混凝土内部的有害微裂缝数量得到有效控制，提高混凝土的抗裂抗渗能力。

纤维复合渗透结晶型膨胀剂中的纤维素醚则可以改善混凝土构件的强度性能，弥补因掺入膨胀剂而给混凝土强度带来的微量损失。

本发明的纤维复合渗透结晶型膨胀剂在混凝土中使用，其具有膨胀能高，掺量少，绝湿膨胀大，在混凝土固化成型过程中的各个时期膨胀速率适中，膨胀性能长期稳定，在混凝土的使用期内抗裂防渗性能优异，且其中掺入的活性渗透结晶材料能长期自行修复因各种原因所造成的混凝土体内0.4mm以下的裂缝，能赋与混凝土寿命期内的抗裂防渗功能。

具体的膨胀机理如下：

主要反应：3CA+3CaSO₄·2H₂O+32H₂O=3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O+2(Al₂O₃·3H₂O)

C₄A₃S+6Ca(OH)₂+8CaSO₄+90H₂O=3(3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O)

其他反应：Al₂O₃·2SiO₂+3Ca(OH)₂+3CaSO₄+26H₂O=3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O+C-S-H

Al₂O₃+3Ca(OH)₂+3CaSO₄+29H₂O=3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O

MgO+H₂O=Mg(OH)₂

CaO+H₂O=Ca(OH)₂

本发明制备纤维复合渗透结晶型膨胀剂方法的特点是:首先占大比重组分的铝熟料和无水石膏进行混合粉磨，然后与其它小比重组分在进行二次混合粉末，可以提高混合均匀度和降低混合成本，当然采用常规的一次混合粉磨也可以得到本发明的混凝土膨胀剂，但混合程度或混合时间需要进行适当的增加。

具体实施方式

实施例1

本实施例的纤维复合渗透结晶型膨胀剂含有以下重量份数的组分:硫铝酸盐熟料65份，无水石膏10份，粉煤灰5份，氧化镁3份，硅酸钠5份，乙二醇醚1份，纤维素醚0.1份，聚丙烯腈纤维2份。其中,硫铝酸盐熟料由以下重量份的原料制备而成：铝矿石55份，石灰石30份，二水石膏15份。

本实施例的纤维复合渗透结晶型膨胀剂的制备方法,包括以下步骤:

1）将重量份数为55份铝矿石，30份石灰石，15份二水石膏混合粉磨，在1350℃条件下煅烧0.5小时，制成硫铝酸盐熟料；

2）将65份硫铝酸盐熟料、10份无水石膏和5份粉煤灰混合粉磨至200目（1.18mm筛筛余≤0.5%）；

3）将步骤2）得到的粉料与3份氧化镁，5份硅酸钠，1份乙二醇醚，0.1份纤维素醚，2份聚丙烯腈纤维混合，制成纤维复合渗透结晶型膨胀剂。

实施例2

本实施例的纤维复合渗透结晶型膨胀剂含有以下重量份数的组分:硫铝酸盐熟料75份，无水石膏15份，硅粉8份，氧化镁5份，硬酯酸钠15份，聚羧酸3份，环氧乙烷甲基附加物1.5份，纤维素醚0.2份，聚丙烯纤维2.5份。其中,硫铝酸盐熟料由以下重量份的原料制备而成：铝矿石70份，石灰石25份，二水石膏5份。

本实施例的纤维复合渗透结晶型膨胀剂的制备方法,包括以下步骤:

1）将重量份数为70份铝矿石，25份石灰石，5份二水石膏混合粉磨，在1400℃条件下煅烧0.6小时，制成硫铝酸盐熟料；

2）将75份硫铝酸盐熟料、15份无水石膏和8份硅粉混合粉磨至200目（1.18mm筛筛余≤0.5%）；

3）将步骤2）得到的粉料与5份氧化镁，15份硬酯酸钠，聚羧酸3份，1.5份环氧乙烷甲基附加物，0.2份纤维素醚，2.5份聚丙烯纤维混合，制成纤维复合渗透结晶型膨胀剂。

实施例3

本实施例的纤维复合渗透结晶型膨胀剂含有以下重量份数的组分:硫铝酸盐熟料85份，无水石膏25份，石粉10份，氧化镁8份，硬酯酸钾25份，六偏磷酸盐2份，聚亚丙基二醇2份，纤维素醚0.2份，仿钢纤维3份。其中,硫铝酸盐熟料由以下重量份的原料制备而成：铝矿石80份，石灰石15份，二水石膏5份。

本实施例的纤维复合渗透结晶型膨胀剂的制备方法,包括以下步骤:

1）将重量份数为80份铝矿石，15份石灰石，5份二水石膏混合粉磨，在1450℃条件下煅烧0.75小时，制成硫铝酸盐熟料；

2）将85份硫铝酸盐熟料、25份无水石膏和10份石粉混合粉磨至200目（1.18mm筛筛余≤0.5%）；

3）将步骤2）得到的粉料与8份氧化镁，25份硬酯酸钾，六偏磷酸盐2份，2份聚亚丙基二醇，0.2份纤维素醚，3份仿钢纤维混合，制成纤维复合渗透结晶型膨胀剂。

实验例

依据GB23439-2009标准，对实施例1～3的混凝土膨胀剂进行各项目指标的测定，符合性能指标I型的标准，具体的测定结果如表1所示：

表1实施例1～3混凝土膨胀剂各项目指标的标准测定

Claims (10)

1. 一种纤维复合渗透结晶型膨胀剂，其特征在于：含有以下重量份的组分：

硫铝酸盐熟料65—85份，无水石膏10—25份，填充料5—8份，氧化镁3～8份，活性渗透结晶材料 5—25份，1—2份减缩剂，纤维素醚0.1—0.3份，纤维2—3份。

2.根据权利要求1所述的纤维复合渗透结晶型膨胀剂，其特征在于：还包括分散剂1—5份。

3.根据权利要求2所述的纤维复合渗透结晶型膨胀剂，其特征在于：所述的分散剂为萘磺酸盐缩合物，氨基磺酸盐，聚羧酸，六偏磷酸盐中的一种或其任意组合。

4.根据权利要求1所述的纤维复合渗透结晶型膨胀剂，其特征在于：所述的硫铝酸盐熟料由以下重量份的原料制备而成：铝矿石55—85份，石灰石15—30份，二水石膏5—15份。

5. 根据权利要求1所述的纤维复合渗透结晶型膨胀剂，其特征在于：所述的填充料为粉煤灰、矿粉、硅粉或石粉中的一种或其任意组合。

6.根据权利要求1所述的纤维复合渗透结晶型膨胀剂，其特征在于：所述的活性渗透结晶材料为活性有机硅类材料、Ca(O-R-OH)₂、硅酸钠、硬酯酸盐中的一种或其任意组合。

7.根据权利要求1所述的纤维复合渗透结晶型膨胀剂，其特征在于：所述的减缩剂为乙二醇醚类、环氧乙烷甲基附加物、聚亚丙基二醇中一种或其任意组合。

8.根据权利要求1所述的纤维复合渗透结晶型膨胀剂，其特征在于：所述的纤维为聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酯纤维、钢纤维或仿钢纤维中的一种。

9.一种如权利要求1所述纤维复合渗透结晶型膨胀剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）将重量份为65—85份硫铝酸盐熟料、10—25份无水石膏和5—8份填充料混合均匀、磨粉；

2）将步骤1）得到的粉料与重量份为3—8份氧化镁，5—25份的活性渗透结晶材料，1—2份减缩剂，1—5份分散剂，0.1—0.3份纤维素醚，2—3份纤维混合，制成混凝土膨胀剂。

10.根据权利要求9所述纤维复合渗透结晶型膨胀剂的制备方法，其特征在于：步骤1）中的硫铝酸盐熟料是将重量份数为55—85份的铝矿石、15—30份石灰石和5—15份二水石膏混合粉磨，在1350—1450℃的温度条件下煅烧制备而成。