CN103396029A - 一种矿物基混凝土增密剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿物基混凝土增密剂及其制备方法，属于混凝土外加剂技术领域。矿物基混凝土增密剂包含如下按质量百分比计的组分：矿物活性组分65～75%，表面活性剂物质3～5%，纳米晶种20～30%，分散稳定剂1～2%。通过将表面活性剂物质、纳米晶种和分散稳定剂预先均化20～30min，然后在上述预混物料中加入所述质量百分比的矿物活性组分均化20～30min，得到矿物基混凝土增密剂。本发明的矿物基混凝土增密剂以矿物基为主要组分，无氯碱、无毒，对使用环境无不利影响；其可以显著提高混凝土抗渗、抗冻、抗化学侵蚀及抗冲磨等耐久性能，适用于具有耐久性要求的水工混凝土结构部位。
Description
技术领域
本发明属于混凝土外加剂技术领域，具体涉及一种矿物基混凝土增密剂及其制备方法。
背景技术
混凝土是一种各相异构非匀质多孔性材料，其特殊的孔结构分布（孔径范围攘括纳米级孔至微米级孔）决定了其特殊的传质能力，即使在无外界压力情况下，仍可通过毛细管张力与外界流体发生迁移、渗透交换。而混凝土耐久性的各种破坏过程（冻融、碳化、化学侵蚀等）几乎都与流体（气或者液相）在混凝土中的运移能力密切相关，损伤劣化经由材料层面会逐渐向结构层面发展，如果不加以控制，会造成其服役性能的降低，乃至结构的失效。随着现代混凝土概念的提出及混凝土技术越来越多的在恶劣环境（高寒、高侵蚀离子浓度、高水头等）中的应用，混凝土工程耐久性已成为国际工程界关注的重大课题。基于混凝土劣化机制的研究，混凝土的微结构（水化产物组成、孔结构和界面）影响着外界气体、液体渗透扩散的每个阶段。因此，控制混凝土的微结构对提升混凝土耐久性和延长建筑物服役寿命有着重要意义。
目前改善混凝土微结构的措施较多，主要措施基本为矿物掺合料改性、膨胀剂改性及防水剂改性。常用矿物掺合料中粉煤灰和矿渣普遍存在掺量较大，并影响混凝土早期强度发展，硅粉严重影响混凝土的流变特性，并一定程度上增大了混凝土的开裂几率。膨胀剂种类较多，包括硫铝酸钙类膨胀剂、MgO类膨胀剂、石灰系膨胀剂、铁粉系列膨胀剂、复合膨胀剂等主要通过自身膨胀堵塞孔结构达到自密实效果，但多数存在膨胀历程和膨胀量难以控制，在非约束区运用易导致结构变形甚至破坏。目前国内混凝土防水剂的品种已有数十种，包括无机质型（氯盐、铝盐、硫酸盐类）、有机质型（高分子物质、憎水性表面防水剂和成膜类聚合物乳液及水溶性树酯），无机物类产品多为氯化物类，存在使钢筋锈蚀、收缩率大等问题，有机物防水效果较好但价钱昂贵且掺入量较大时降低钢筋混凝土强度等缺陷，合成过程中极易带入碱和有毒化学试剂，且多数施工基于喷涂技术，防水能力受限于材料本身的渗透性能和混凝土表面特性。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种矿物基混凝土增密剂。本发明的矿物基混凝土增密剂在不影响混凝土变形性能和力学性能基础上，通过影响水泥水化、密实堆聚以及原位增强等作用机制调控混凝土微结构，达到提高混凝土耐久性（冻融、碳化、化学侵蚀、冲磨等）功能。
本发明的另一目的在于提供上述矿物基混凝土增密剂的制备方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种矿物基混凝土增密剂，包含如下按质量百分比计的组分：矿物活性组分65～75%，表面活性剂物质3～5%，纳米晶种20～30%，分散稳定剂1～2%。
所述的矿物活性组分为矿渣或粉煤灰中的一种或几种，所述的矿渣或粉煤灰的比表面积S≥750m2/kg。
所述的表面活性剂物质为烷基聚氧乙烯醚羧酸钠、十二烷基苯磺酸钠或十二烷基磺酸钠中的一种。
所述的纳米晶种为纳米级SiO2或Al2O3中的一种，所述的纳米级SiO2或Al2O3的比表面积S≥500m2/g。
所述的分散稳定剂优选为硬脂酸镁、硬脂酸钙或单硬脂酸甘油酯中的一种。
所述的矿物基混凝土增密剂的掺量优选为混凝土中胶凝材料质量的0.8～1.5%。
所述的矿物基混凝土增密剂的添加方式可以溶于水后加入，或直接以粉剂加入，但搅拌时间较未掺增密剂时延长20～30秒。
上述矿物基混凝土增密剂的制备方法，包括如下步骤：将所述质量百分比的表面活性剂物质、纳米晶种和分散稳定剂预先均化20～30min，然后在上述预混物料中加入所述质量百分比的矿物活性组分均化20～30min，得到矿物基混凝土增密剂。
本发明主要反应机理及各个组分的作用是：纳米晶种可显著降低水泥水化结晶的表面能，并提供水泥中矿物相的原位成核点，有效促进水泥中C2S和C3S的水化结晶；矿物活性组分在水化初期可类似纳米晶种提供成核点，并由于其较小粒径用于较好的堆积密实效应，有效改善水泥浆体的堆积形式，降低其初始孔隙率，在水泥中后期通过与CH二次水化反应，促进水泥的进一步水化，并生成更多的C-S-H凝胶填充毛细管孔隙，改善水泥石孔径分布及水泥基与骨料界面的密实度和粘结力，使混凝土孔隙率下降，密实程度提高；表面活性剂组分使水泥的分散程度提高，有效促进水泥水化程度的提高，并增加了拌合水的粘度，改善混凝土保水性能，从而降低混凝土干缩；分散稳定剂主要功能在于保持增密剂各组份间相互稳定，提高增密剂在水泥基中的均匀性，防止颗粒之间相互团聚，保证增密剂性能的发挥。
本发明相对于现有技术具有如下优点和效果：
本发明的矿物基混凝土增密剂以矿物基为主要组分，降低或去除了对混凝土耐久性不利的氯、碱及硫酸根离子，无毒，对使用环境无不利影响。本发明的矿物基混凝土增密剂通过接枝聚合、活性效应、密实堆聚以及原位增强等作用机制，在混凝土微/纳米尺度上调控混凝土内部微结构从本质上增加混凝土的密实程度，提高了混凝土的耐久性；其与其它外加剂相容性较好，可显著混凝土抗渗和抗冻性能，并具有较高的耐磨蚀强度。本发明的矿物基混凝土增密剂广泛适用于具有耐久性要求的水工混凝土结构部位。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
矿物基混凝土增密剂组分及质量百分比：矿物活性组分65%，表面活性剂物质5%，纳米晶种28%，分散稳定剂2%。其中，矿物活性组分为矿渣（比表面积S=800m2/kg），表面活性剂物质为十二烷基苯磺酸钠，纳米晶种为纳米级SiO2（比表面积S=600m2/g），分散稳定剂为硬脂酸镁。
将表面活性剂物质、纳米晶种和分散稳定剂预先均化20～30min，然后在上述预混物料中加入矿物活性组分均化20～30min，得到矿物基混凝土增密剂。
实施例2
矿物基混凝土增密剂组分及质量百分比：矿物活性组分70%，表面活性剂物质4%，纳米晶种24.5%，分散稳定剂1.5%。其中，矿物活性组分为粉煤灰（比表面积S=780m2/kg），表面活性剂物质为十二烷基苯磺酸钠，纳米晶种为纳米级Al2O3（比表面积S=600m2/g），分散稳定剂为硬脂酸镁。
将表面活性剂物质、纳米晶种和分散稳定剂预先均化20～30min，然后在上述预混物料中加入矿物活性组分均化20～30min，得到矿物基混凝土增密剂。
实施例3
矿物基混凝土增密剂组分及质量百分比：矿物活性组分75%，表面活性剂物质3%，纳米晶种21%，分散稳定剂1.2%。其中，矿物活性组分为矿渣（比表面积S=800m2/kg），表面活性剂物质为十二烷基苯磺酸钠，纳米晶种为纳米级SiO2（比表面积S=600m2/g），分散稳定剂为硬脂酸钙。
将表面活性剂物质、纳米晶种和分散稳定剂预先均化20～30min，然后在上述预混物料中加入矿物活性组分均化20～30min，得到矿物基混凝土增密剂。
用实施例1～3的矿物基混凝土增密剂进行混凝土制备，其中实施例1矿物基混凝土增密剂掺量为混凝土中胶凝材料质量的1.5%，实施例2矿物基混凝土增密剂掺量为混凝土中胶凝材料质量的1.1%，实施例3矿物基混凝土增密剂掺量为混凝土中胶凝材料质量的0.8%。混凝土具体成型过程为：投入经计量的砂、石骨料，搅拌30s后投入水泥、粉煤灰（GB/T1596-2005所规定的Ⅱ级粉煤灰）和矿物基混凝土增密剂，一同搅拌55s（未掺增密剂基准混凝土为30s），再投入拌合水和减水剂（聚羧酸系）共同搅拌90s。测定混凝土拌合物塌落度后，将其装模并测定对应龄期混凝土抗压强度、抗渗、抗冻及抗冲磨性能，性能检测方法参考DL/T5150-2001《水工混凝土试验规程》，其中抗冲磨性能方法为风砂枪法，冲角为90o。试验混凝土具体配合比见表1，试验混凝土技术指标见表2。
表1 试验混凝土配合比
表2 试验混凝土技术指标
以上结果说明，掺矿物基混凝土增密剂能有效改善混凝土的工作性能，与基准混凝土对比，塌落度增加率在10～20%。对比实施例1～3，可以得到矿物基混凝土增密剂中提高混凝土工作性能的有效组分为表面活性剂。对强度而言，掺矿物基混凝土增密剂能有效提高了混凝土7d、28d抗压强度，提高率分别为18～25%、7～11%。对抗渗性能而言，基准混凝土的抗渗等级为W10，而掺矿物基混凝土增密剂混凝土抗渗等级均超过W12。对于28d龄期的掺矿物基混凝土增密剂混凝土，其抗冻能力达F400以上。28d抗冲磨能力也有所提高。
以上结果均表明矿物基混凝土增密剂能有效改善混凝土工作性能、抗压强度、抗渗、抗冻及抗冲磨性能，能显著提高混凝土的耐久性，延长其在恶劣环境中的服役时间，提高混凝土建筑后期安全性、降低维护成本。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种矿物基混凝土增密剂，其特征在于包含如下按质量百分比计的组分：矿物活性组分65～75%，表面活性剂物质3～5%，纳米晶种20～30%，分散稳定剂1～2%。
2.根据权利要求1所述的矿物基混凝土增密剂，其特征在于：所述的矿物活性组分为矿渣或粉煤灰中的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的矿物基混凝土增密剂，其特征在于：所述的矿渣或粉煤灰的比表面积S≥750m2/kg。
4.根据权利要求1所述的矿物基混凝土增密剂，其特征在于：所述的表面活性剂物质为烷基聚氧乙烯醚羧酸钠、十二烷基苯磺酸钠或十二烷基磺酸钠中的一种。
5.根据权利要求1所述的矿物基混凝土增密剂，其特征在于：所述的纳米晶种为纳米级SiO2或Al2O3中的一种。
6.根据权利要求5所述的矿物基混凝土增密剂，其特征在于：所述的纳米级SiO2或Al2O3的比表面积S≥500m2/g。
7.根据权利要求1所述的矿物基混凝土增密剂，其特征在于：所述的分散稳定剂为硬脂酸镁、硬脂酸钙或单硬脂酸甘油酯中的一种。
8.根据权利要求1所述的矿物基混凝土增密剂，其特征在于：所述的矿物基混凝土增密剂的掺量为混凝土中胶凝材料质量的0.8～1.5%。
9.根据权利要求1所述的矿物基混凝土增密剂，其特征在于：所述的矿物基混凝土增密剂的添加方式为溶于水后加入或直接以粉剂加入，搅拌时间较未掺增密剂时延长20～30秒。
10.权利要求1～9任一项所述的矿物基混凝土增密剂的制备方法，其特征在于：将所述质量百分比的表面活性剂物质、纳米晶种和分散稳定剂预先均化20～30min，然后在上述预混物料中加入所述质量百分比的矿物活性组分均化20～30min，得到矿物基混凝土增密剂。
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