CN105712657B - 水泥混凝土内掺型水性增强剂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水泥混凝土内掺型水性增强剂，为双官能团硅烷乳液，所述双官能团硅烷乳液按重量百分比，包括下列组分：1‑65%的硅烷，0.2‑5%的乳化剂，0‑2%的消泡剂以及余量的水。本发明利用硅烷可以与水泥水化产物形成新的硅氧键的特征，从水泥水化产物C‑S‑H凝胶聚合度的角度进行增强，利用有机分子的柔韧性提升混凝土的力学性能。

Description

水泥混凝土内掺型水性增强剂
技术领域
本发明涉及建筑材料行业混凝土外加剂领域，特别涉及一种水泥混凝土内掺型水性增强剂及其制备方法。
背景技术
水泥混凝土是当今世界使用量最大的建筑材料，广泛应用于市政、桥梁、公路、工业民用工程。水泥混凝土硬化后具有极高的抗压强度，但是其抗弯或抗拉强度相对很低，工程中普遍通过使用钢筋的方法增加混凝土结构的抗弯或抗拉强度。钢筋混凝土的使用，在提高混凝土韧性的同时，也带来了一些弊端:一方面，增加了混凝土的成本；另一方面，由于钢筋会发生锈蚀，钢筋锈蚀使钢筋体积增加，会给混凝土结构带来开裂风险，尤其是海工混凝土结构或西部盐碱地环境下的钢筋混凝土结构；最后，钢筋混凝土施工相对复杂，增加了安装、焊接等步骤。
水泥混凝土抗弯强度或抗拉强度低的主要原因是水泥水化产物C-S-H凝胶的本质决定的。一方面，水泥水化产物C-S-H凝胶主要通过钙离子或铝离子通过离子配位键与硅氧四面体形成新键，众所周知的，离子配位键的键能很低；另一方面，更主要的原因是C-S-H凝胶由低聚合度的硅氧四面体组成，聚合度低，导致其抗弯抗拉强度低，在宏观上表现为脆性特征，韧性较差。
实际工程上除通过配筋改善混凝土韧性差的缺点。随着研究的深入，特别是交叉学科的发展，钢纤维及各种聚合物纤维被用于提升混凝土的抗弯或抗拉强度。
中国专利(CN101585680B)公开一种具有均匀金属纤维的混凝土，具有减少混凝土断面并增加对抗应力的刚性作用。
中国专利(CN102603232B)公开了一种用于混凝土的聚甲醛纤维，可以与混凝土的组分发生键合作用，从而提高混凝土性能。
中国专利(CN103641326B)公开了一种混凝土改性剂，主要由膨润土、丙烯酸乳液、聚丙烯纤维和纳米碳粉组成。
掺入各种纤维可以在一定程度上改善混凝土性能，但是需要纤维具有足够的模量，钢纤维具有很大的模量，但是存在分散难，容易锈蚀的风险，高分子聚合物纤维同样存在分散难的问题，且其模量相对较低，最主要的，纤维的使用只是降低了混凝土塑形阶段的抗裂风险，且并不能从根本上解决混凝土韧性差、易开裂的缺陷。
发明内容
本发明针对混凝土自身表现为脆性特征，韧性较差；而添加纤维，又难分散的问题；提供一种水泥混凝土内掺型水性增强剂；从水化产物聚合度角度解决水泥混凝土韧性差的缺点，提出利用分子结构中含有两个硅原子的双官能团硅氧烷化合物改进混凝土韧性差的缺陷。
本发明所述水泥混凝土内掺型水性增强剂，为双官能团硅烷乳液，所述双官能团硅烷乳液按重量百分比，包括下列组分：1-65％的硅烷，0.2-5％的乳化剂，0-2％的消泡剂以及余量的水。
其中，所述硅烷为每个分子结构中含有两个硅原子的双官能团硅氧烷化合物，通式如下：
(R1O)3SiR2NHR3Si(OR4)3
R1为CH3或CH3CH2；R2为(CH2)3OCH2CH(OH)CH2、CH2CH2CH2或
CH2CH2CH(CH2CH2CH(OH)CH2CH2)；R3为CH2CH2CH2或
CH2CH2CH2NHCH2CH2；R4为CH3或CH3CH2；
符合前述通式的硅烷，为双-(γ-三甲氧基硅丙基)胺或双-(γ-三乙氧基硅丙基)胺；
符合前述通式的硅烷，也可以由含有一个环氧基团的硅氧烷和含有端氨基的硅氧烷制备得到，制备条件为：20-80℃条件下，将摩尔比为1：1的含有一个环氧基团的硅氧烷加入搅拌的端氨基的硅氧烷中，保持搅拌30min以上，降温。
上述含有一个环氧基团的硅氧烷选自下述硅烷的任意一种以上任意比例的混合物：3-(2,3环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、3-(2,3环氧丙氧)丙基三乙氧基硅烷、2-(3,4-环氧环己烷基)乙基三甲氧基硅烷、2-(3,4-环氧环己烷基)乙基三乙氧基硅烷；
上述含有端氨基的硅氧烷选自下述硅烷的一种或任意两种以上的混合物：3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)三甲氧基硅烷、N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)三乙氧基硅烷。
所述乳化剂为下述一种以上非离子乳化剂的任意比例的混合物：聚氧乙烯烷基醚、聚氧乙烯烷基苯基醚、聚氧乙烯脂肪酸酯、脱水山梨糖醇脂肪酸酯、聚氧乙烯脱水山梨糖醇脂肪酸酯。具体的讲，可以包括：脱水山梨糖醇单月桂酸酯、脱水山梨糖醇单棕榈酸酯、脱水山梨糖醇单硬脂酸酯、脱水山梨糖醇三硬脂酸酯、脱水山梨糖醇单油酸酯、脱水山梨糖醇三油酸酯、脱水山梨糖醇单倍半油酸酯、聚氧乙烯脱水山梨糖醇三硬脂酸酯、聚氧乙烯脱水山梨糖醇单油酸酯、聚氧乙烯脱水山梨糖醇三油酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇四油酸酯、聚氧乙烯月桂基醚等。
所述消泡剂为C7-C22的高碳醇，聚醚类和有机硅类消泡剂的一种以上任意比例的混合物。
本发明所述水泥混凝土内掺型水性增强剂的制备方法：0-60℃时，将乳化剂溶解分散于水中，向其中加入上述的双官能团硅氧烷化合物；以不小于200rpm的转速搅拌5min以上，至体系呈乳液状，加入消泡剂并补齐余量的水后将温度降至室温。
本发明所述水泥混凝土内掺型水性增强剂，有别于传统的纤维外加剂，主要为水性双官能团硅烷乳液，利用硅烷可以与水泥水化产物形成新的硅氧键，从水泥水化产物C-S-H凝胶聚合度的角度进行增强，利用有机分子的柔韧性提升了混凝土的力学性能。
具体实施例
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
下述实施，例所示均为总量为100份的重量份。
实施例1
30℃水浴条件下，将0.2份脱水山梨糖醇单月桂酸酯乳化剂加入适量的水中，搅拌分散后加入1份双-(γ-三甲氧基硅丙基)胺，300rpm条件下搅拌30min，体系呈均匀的乳液状后，加入0.01份的正十二醇消泡剂和余量的水，得水泥混凝土内掺型水性增强剂1。
实施例2
60℃水浴条件下，将1份脱水山梨糖醇单棕榈酸酯、2份脱水山梨糖醇单硬脂酸酯和2份脱水山梨糖醇三硬脂酸酯乳化剂加入适量的水中，搅拌分散后加入65份双-(γ-三乙氧基硅丙基)胺，1000rpm条件下搅拌5min，体系呈均匀的乳液状后，加入2份的有机硅消泡剂和余量的水，得水泥混凝土内掺型水性增强剂2。
实施例3
20℃条件下，将摩尔比为1：1的3-(2,3环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷加入搅拌的3-氨丙基三甲氧基硅烷中，30min后降温得双官能团硅烷3-1。
30℃水浴条件下，将2份聚氧乙烯脱水山梨糖醇三硬脂酸酯和2份聚氧乙烯脱水山梨糖醇单油酸酯乳化剂加入适量的水中，搅拌分散后加入15份上述双官能团硅烷3-1，800rpm条件下搅拌20min，体系呈均匀的乳液状后，加入0.1份的有机硅消泡剂和余量的水，得水泥混凝土内掺型水性增强剂3。
实施例4
80℃条件下，将摩尔比为1：1的2-(3,4-环氧环己烷基)乙基三乙氧基硅烷加入搅拌的N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)三乙氧基硅烷中，45min后降温得双官能团硅烷4-1。
50℃水浴条件下，将1份聚氧乙烯山梨糖醇四油酸酯和2份脱水山梨糖醇三硬脂酸酯乳化剂加入适量的水中，搅拌分散后加入25份上述双官能团硅烷4-1，2000rpm条件下搅拌45min，体系呈均匀的乳液状后，加入1份的聚醚类消泡剂和余量的水，得水泥混凝土内掺型水性增强剂4。
实施例5
60℃条件下，将3-(2,3环氧丙氧)丙基三乙氧基硅烷和2-(3,4-环氧环己烷基)乙基三甲氧基硅烷的混合物加入搅拌的等摩尔的3-氨丙基三乙氧基硅烷中，60min后降温得双官能团硅烷5-1。
45℃水浴条件下，将1份脱水山梨糖醇单棕榈酸酯、2份脱水山梨糖醇单硬脂酸酯和2份脱水山梨糖醇三硬脂酸酯乳化剂加入适量的水中，搅拌分散后加入30份双-(γ-三乙氧基硅丙基)胺和35份上述双官能团硅烷5-1，3000rpm条件下搅拌30min，体系呈均匀的乳液状后，加入0.5份的有机硅消泡剂和余量的水，得水泥混凝土内掺型水性增强剂5。
应用例：
将上述硅烷乳液按照5wt％的取代水进行混凝土成型及养护，28天后按照GB50081标准测试其力学性能，与基准对照混凝土相比，
对比应用例1
以实施例1所制得的水泥混凝土内掺型水性增强剂1进行混凝土外防护涂敷，用量与上述实施例1相同，涂敷龄期为21天，7天后即龄期为28天时按照GB50081标准测试其力学性能，结果与基准混凝土对比。
结果如下表所示。
基准混凝土的抗压强度和抗折强度为原始绝对数据，上表中的数据为与基准混凝土的相对比。与基准混凝土相比，掺加了本发明专利的混凝土力学性能有了明显的增加，折压比反应的韧性也有了不同程度的提高。
对比例应用例1显示，所制得的水泥混凝土内掺型水性增强剂外涂敷后对混凝土强度无明显影响，比较实施例1与对比例1，所制得的水泥混凝土内掺型水性增强剂通过内掺的添加方式可以更加明显的提升混凝土强度。

Claims (6)

1.一种水泥混凝土内掺型水性增强剂，其特征在于，所述内掺型水性增强剂为双官能团硅烷乳液，所述双官能团硅烷乳液按重量百分比，包括下列组分：1-65％的硅烷，0.2-5％的乳化剂，0-2％的消泡剂以及余量的水；
所述硅烷为每个分子结构中含有两个硅原子的双官能团硅氧烷化合物，通式如下：
(R1O)3SiR2NHR3Si(OR4)3
R1为CH3或CH3CH2；R2为(CH2)3OCH2CH(OH)CH2、CH2CH2CH2或
CH2CH2CH(CH2CH2CH(OH)CH2CH2)；R3为CH2CH2CH2或
CH2CH2CH2NHCH2CH2；R4为CH3或CH3CH2；
所述乳化剂为下述一种以上非离子乳化剂的任意比例的混合物：聚氧乙烯烷基醚、聚氧乙烯烷基苯基醚、聚氧乙烯脂肪酸酯、脱水山梨糖醇脂肪酸酯、聚氧乙烯脱水山梨糖醇脂肪酸酯；
所述消泡剂为C7-C22的高碳醇、聚醚类和有机硅类消泡剂的一种以上任意比例的混合物。
2.根据权利要求1所述水泥混凝土内掺型水性增强剂，其特征在于，符合前述通式的硅烷，为双-(γ-三甲氧基硅丙基)胺或双-(γ-三乙氧基硅丙基)胺。
3.根据权利要求1所述水泥混凝土内掺型水性增强剂，其特征在于，符合前述通式的硅烷，由含有一个环氧基团的硅氧烷和含有端氨基的硅氧烷制备得到，制备条件为：20-80℃条件下，将摩尔比为1：1的含有一个环氧基团的硅氧烷加入搅拌的端氨基的硅氧烷中，保持搅拌30min以上，降温。
4.根据权利要求3所述水泥混凝土内掺型水性增强剂，其特征在于，上述含有一个环氧基团的硅氧烷选自下述硅烷的任意一种以上任意比例的混合物：3-(2,3环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、3-(2,3环氧丙氧)丙基三乙氧基硅烷、2-(3,4-环氧环己烷基)乙基三甲氧基硅烷、2-(3,4-环氧环己烷基)乙基三乙氧基硅烷。
5.根据权利要求3所述水泥混凝土内掺型水性增强剂，其特征在于，上述含有端氨基的硅氧烷选自下述硅烷的一种或任意两种以上的混合物：3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)三甲氧基硅烷、N-(β-氨乙基-γ-氨丙基)三乙氧基硅烷。
6.权利要求1-5中的任一项所述水泥混凝土内掺型水性增强剂的制备方法，其特征在于，具体步骤为，0-60℃时，将乳化剂溶解分散于水中，向其中加入上述的双官能团硅氧烷化合物；以不小于200rpm的转速搅拌5min以上，至体系呈乳液状，加入消泡剂并补齐余量的水后将温度降至室温。
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