CN107827384A - 一种用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂，由如下质量百分含量的组分混合而成：0.01％～3％核酸、0％～0.003％三羟甲基氨基甲烷、0％～0.003％乙二胺四乙酸、0％～0.003％盐酸以及水余量；所述核酸骨架上串联有重复碱基结构。本发明外加剂无毒无害，是一种成本低廉、制备简单、易于保存，且有效期长的环境友好型外加剂；经过实验验证，在水泥混凝土材料中添加本发明外加剂后其28天抗拉强度比不添加外加剂的水泥混凝土材料提高了13.7％～44.6％，同时拉压比(抗拉强度/抗压强度)提高了13.5％～44.4％，360天后的抗拉强度比不添加外加剂的水泥混凝土材料提高了12.3％～24.6％，同时拉压比(抗拉强度/抗压强度)提高了11.5％～24.4％。

Description

一种用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂及其制备方法和 应用

技术领域

本发明涉及一种用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂，还涉及上述外加剂的制备方法和应用，属于水泥混凝土材料技术领域。

背景技术

水泥基材料是当今土木工程领域用途最广、用量最大的建筑材料之一，发挥着其他材料无法替代的功能和作用。但是，水泥基材料是典型的脆性材料，其抗压强度高，抗拉强度相较于抗压强度低得多。在实际工程应用中，水泥混凝土材料由于应力集中或者受力不均匀等原因出现许多的裂纹，这会直接导致结构的耐久性和可靠性下降。目前人们都是通过添加外加剂来提升水泥混凝土材料的抗裂性能。专利CN104609759B报道了一种由有机聚合物核作为内层，无机复合氧化物或有机官能团共价连接的无机复合氧化物作为外层的外加剂，该外加剂能够提高水泥基材料抗拉强度，但是制备过程比较复杂；专利CN1326795C采用亚硝酸钙、萘磺酸甲醛缩合物、木质素磺酸钙等制备出了能提高混凝土抗折强度的外加剂，然而此方法使用的物料，如亚硝酸盐钙是致癌物质，对于环境破坏极大；专利CN103130436A提出采用石墨烯和氧化石墨烯来改性水泥基材料，能够提高水泥基材料的抗折、抗拉强度，但是该材料制备成本过高，不能在工程中广泛使用。另外现有能提高水泥基材料抗裂性能的外加剂在提高水泥基材料抗裂性能的同时会降低水泥基材料的抗压强度。因此，一种制备工艺简单、成本低廉、环境友好，且能显著提升水泥基材料抗拉强度和拉压比的外加剂的开发很有必要。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂，该外加剂能显著提升水泥基材料的抗拉强度和拉压比。

本发明还要解决的技术问题是提供上述用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂的制备方法。

本发明最后要解决的技术问题是提供上述用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂在增强水泥基材料抗裂性能和拉压比方面的应用。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段如下：

一种用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂，由如下质量百分含量的组分混合而成：0.01％～3％核酸、0％～0.003％三羟甲基氨基甲烷、0％～0.003％乙二胺四乙酸、0％～0.003％盐酸以及水余量；所述核酸骨架上串联有重复碱基结构。

其中，所述核酸为长度20～2000个碱基的脱氧核糖核酸。

其中，所述核酸结构为线状结构、环状结构、单链结构、双链结构或单双链混合结构。

上述用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，将配方量的三羟甲基氨基甲烷、乙二胺四乙酸和盐酸加入到水中，充分搅拌后得到核酸缓冲液；三羟甲基氨基甲烷、乙二胺四乙酸和盐酸配制得到稳定的核酸缓冲液，核酸缓冲液能够有效保证核酸在溶液中的活性；

步骤2，将配方量的核酸加入到步骤1的核酸缓冲液中，将混合液置于水浴中，充分搅拌后得到核酸分散液，将核酸分散液冷藏待用，温度过高容易导致核酸失效，因此冷藏保存来保证核酸的活性。

其中，步骤2中，所述水浴的温度不高于25℃。

上述用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂在增强水泥基材料抗裂性能和拉压比方面的应用。

其中，将制备好的外加剂加入到水泥基材料的拌合水中，于≤30℃下搅拌均匀后，将含有外加剂的拌合水等分成2份依次加入到水泥基材料中，每次加入后搅拌一段时间充分混合。

其中，水泥基材料中外加剂的掺杂量为水泥基材料质量的0.001％～0.5％。

其中，搅拌时间为60～120s。

同现有技术相比，本发明技术方案所具有的有益效果为：

本发明外加剂无毒无害，是一种成本低廉、制备简单、易于保存，且有效期长的环境友好型外加剂；经过实验验证，在水泥混凝土材料中添加本发明外加剂后其28天抗拉强度比不添加外加剂的水泥混凝土材料提高了13.7％～44.6％，同时拉压比(抗拉强度/抗压强度)提高了13.5％～44.4％，90天后抗拉强度比不添加外加剂的混凝土提高了13.5％～44.2％，同时拉压比(抗拉强度/抗压强度)提高了13.2％～43.6％；360天后的抗拉强度比不添加外加剂的水泥混凝土材料提高了12.3％～24.6％，同时拉压比(抗拉强度/抗压强度)提高了11.5％～24.4％；本发明外加剂在提高水泥基材料抗裂性能的同时还能有效保证水泥基材料的抗压强度，不会造成水泥基材料的抗压强度的降低；最后本发明外加剂还能使水泥基材料中的外加剂掺量大幅降低；通过本发明外加剂能够得到一种具有高抗拉强度和高抗压比的水泥混凝土材料，进而提高水泥混凝土结构的耐久性和可靠性。

附图说明

图1为在水泥基材料中加入核酸后水泥水化产物的微观结构图。

具体实施方式

以下本发明的技术方案做进一步说明，但是本发明所要求保护的范围并不局限于此。

实施例1

本发明用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂，由核酸、三羟甲基氨基甲烷、乙二胺四乙酸、盐酸和水混合而成；外加剂中各组分的质量百分含量为：核酸0.01％，三羟甲基氨基甲烷0.002％，乙二胺四乙酸0.002％，盐酸0.002％，余量为蒸馏水；核酸为长度500个碱基的脱氧核糖核酸，核酸结构为单链结构。

上述用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，将配方量的三羟甲基氨基甲烷、乙二胺四乙酸和盐酸加入到蒸馏水中，匀速搅拌10min后再超声分散5min得到核酸缓冲液；

步骤2，将配方量的核酸缓慢加入加入到步骤1的核酸缓冲液中，慢速搅拌10min后再超声分散5min，超声分散过程中，混合液外部的水浴温度不超过25℃，得到核酸分散液，将核酸分散液冷藏待用。

上述用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂的应用：将得到的核酸分散液(外加剂)加入水泥基材料的拌合水中，匀速搅拌10～15min后再超声分散5～10min，超声分散过程中，混合液外部的水浴温度不超过30℃；将含有外加剂的拌合水等分成2份依次加入到水泥基材料中，每次加入后搅拌60～120s充分混合。

实验方法：原材料选用中国水泥厂生产的海螺牌PII：42.5硅酸盐水泥、细度模数为2.5的河沙、5～15mm连续级配的碎石，水灰比为0.5，每m³混凝土的配合比为：水泥336kg，水168kg，河沙650kg以及碎石1220kg；制作的试件尺寸以及力学性能测试方法均参照标准GBT 50081-2002。将实施例1的外加剂加入到该水泥混凝土材料中，外加剂的加入量为水泥混凝土材料质量的0.005％，经过实验验证，与未添加外加剂的试件相比，添加本实施例1外加剂的水泥混凝土材料的28d抗拉强度提高了19.3％，拉压比(抗拉强度/抗压强度)提高了19.1％，90天抗拉强度提高了18.6％，拉压比(抗拉强度/抗压强度)提高了18.5％；180天抗拉强度提高了17.6％，拉压比(抗拉强度/抗压强度)提高了17.5％；360天抗拉强度提高了15.5％，拉压比(抗拉强度/抗压强度)提高了15.4％。说明本发明外加剂能显著提升水泥基材料的抗拉强度和拉压比，且有效期长。

实施例2

本发明用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂，由核酸、三羟甲基氨基甲烷、乙二胺四乙酸、盐酸和水混合而成；外加剂中各组分的质量百分含量为：核酸0.05％，三羟甲基氨基甲烷0.002％，乙二胺四乙酸0.002％，盐酸0.002％，余量为蒸馏水；核酸为长度500个碱基的脱氧核糖核酸，核酸结构为单链结构。

实施例2外加剂的制备方法与应用与实施例1相同。

实施例2实验方法与实施例1实验方法选用的原材料一致，外加剂加入到水泥混凝土材料中质量也与实施例1一致，经过实验验证，与未添加外加剂的试件相比，添加本实施例2外加剂的水泥混凝土材料的28d抗拉强度提高了19.7％，拉压比(抗拉强度/抗压强度)提高了19.6％；360天抗拉强度提高了15.8％，拉压比(抗拉强度/抗压强度)提高了15.4％。

实施例3

实施例3用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂，核酸含量为0.1％，其余成分含量与实施例1相同，且核酸长度与核酸结构也与实施例1相同。

实施例3外加剂的制备方法与应用与实施例1相同。

实施例3实验方法与实施例1实验方法选用的原材料一致，外加剂加入到水泥混凝土材料中质量也与实施例1一致，经过实验验证，与未添加外加剂的试件相比，添加本实施例3外加剂的水泥混凝土材料90d抗拉强度提高20.3％，拉压比提高20.0％。

实施例4

实施例4用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂，核酸含量为1％，其余成分含量与实施例1相同，且核酸长度与核酸结构也与实施例1相同。

实施例4外加剂的制备方法与应用与实施例1相同。

实施例4实验方法与实施例1实验方法选用的原材料一致，外加剂加入到水泥混凝土材料中质量也与实施例1一致，经过实验验证，与未添加外加剂的试件相比，添加本实施例4外加剂的水泥混凝土材料180d抗拉强度提高20.5％，拉压比提高20.4％。

实施例5

实施例5用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂组成、核酸长度与核酸结构与实施例4相同。

实施例5外加剂的制备方法与应用与实施例1相同。

实施例5实验方法与实施例1实验方法选用的原材料一致，不同之处在于外加剂的加入量为水泥混凝土材料质量的0.001％，经过实验验证，与未添加外加剂的试件相比，添加本实施例5外加剂的水泥混凝土材料的90d抗拉强度提高13.7％，拉压比提高13.5％。

实施例6

实施例6用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂组成、核酸长度与核酸结构与实施例4相同。

实施例6外加剂的制备方法与应用与实施例1相同。

实施例6实验方法与实施例1实验方法选用的原材料一致，不同之处在于外加剂的加入量为水泥混凝土材料质量的0.05％，经过实验验证，与未添加外加剂的试件相比，添加本实施例6外加剂的水泥混凝土材料的90d抗拉强度提高了32.4％，拉压比提高了32.1％。

实施例7

实施例7用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂组成、核酸长度与核酸结构与实施例4相同。

实施例7外加剂的制备方法与应用与实施例1相同。

实施例7实验方法与实施例1实验方法选用的原材料一致，不同之处在于外加剂的加入量为水泥混凝土材料质量的0.1％，经过实验验证，与未添加外加剂的试件相比，添加本实施例7外加剂的水泥混凝土材料的48d抗拉强度提高了44.6％，拉压比提高了44.4％。

实施例8

实施例8用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂组成、核酸长度与核酸结构与实施例4相同。

实施例8外加剂的制备方法与应用与实施例1相同。

实施例8实验方法与实施例1实验方法选用的原材料一致，不同之处在于外加剂的加入量为水泥混凝土材料质量的0.5％，经过实验验证，与未添加外加剂的试件相比，添加本实施例8外加剂的水泥混凝土材料的90d抗拉强度提高了37.8％，拉压比提高了37.6％。

实施例9

实施例9用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂组成与实施例1相同，不同之处在于其核酸为长度2000个碱基的脱氧核糖核酸。

实施例9外加剂的制备方法与应用与实施例1相同。

实施例9实验方法与实施例1实验方法选用的原材料一致，外加剂加入到水泥混凝土材料中质量也与实施例1一致，经过实验验证，与未添加外加剂的试件相比，添加本实施例9外加剂的水泥混凝土材料的48d抗拉强度提高了19.7％，拉压比提高了19.6％。

实施例10

实施例10用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂组成与实施例1相同，不同之处在于其核酸结构为双链结构。

实施例10外加剂的制备方法与应用与实施例1相同。

实施例10实验方法与实施例1实验方法选用的原材料一致，外加剂加入到水泥混凝土材料中质量也与实施例1一致，经过实验验证，与未添加外加剂的试件相比，添加本实施例10外加剂的水泥混凝土材料的48d抗拉强度提高了19.6％，拉压比提高了19.4％。

通过实施例1～10的数据可以看出，核酸的长度或结构对水泥基材料的抗拉强度和拉压比影响不大，但是在水泥基材料中添加核酸后能够显著提高水泥基材料的抗裂性能，具体表现在增强水泥基材料的抗拉强度和提高拉压比，且有效期长，能够使水泥基材料在180天甚至是360天后仍能保持良好的抗拉强度和拉压比。在水泥基材料中核酸掺量到达某一临界值之前，水泥基材料抗拉强度和拉压比随着核酸掺量的增大而增大；超过临界值之后，水泥基材料抗拉强度和拉压比随着核酸掺量的增大而稍有减少。

本发明利用核酸骨架上的串联重复碱基与水泥水化产物如CSH凝胶相互作用，使得水泥水化产物沿着核酸骨架两侧的碱基横向生长，同时横向发展的产物顺着核酸主链方向蔓延，由此水化产物构成长链状的结构，从而增强水泥水化产物的韧性；另外，核酸主链彼此搭接相互缠绕，使得水泥水化产物相互锁住，进一步提升水泥基材料的抗裂性能，延长水泥基材料的使用年限。本发明采用20～2000个碱基的脱氧核糖核酸，其中碱基的个数只代表核酸的长度，与具体碱基的排列序列无关，此核酸既能够充分的提供核酸骨架上的串联重复的碱基，进而与CSH凝胶产生协同效应，起到提升水泥基材料韧性的作用，而不论是线状结构、环状结构、单链结构、双链结构或者单双链混合结构，只要具有上述串联重复碱基的均能达到上述目的。同时，20～2000个碱基的脱氧核糖核酸能够很好的溶解在水或者溶液中，避免了更大分子的脱氧核糖核酸产生团聚现象，沉积在水泥基材料内部，或者很难溶解在水泥材料孔隙液中，不能很好地分散在水泥基材料中，难以起到提高水泥基材料抗裂性能的效果。

如图1所示，图1表示核酸作用下水泥水化产物的形貌。图中箭头表示水泥水化产物顺着核酸骨架两侧延伸，向主链外部生长；图中实线表示水泥水化产物顺着核酸主链的纵向方向蔓延，形成类似链状的结构。链状的结构相互搭接，彼此交错，增强提高水泥基材料的抗裂性能。

Claims (9)

1.一种用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂，其特征在于：由如下质量百分含量的组分混合而成：0.01％～3％核酸、0％～0.003％三羟甲基氨基甲烷、0％～0.003％乙二胺四乙酸、0％～0.003％盐酸以及水余量；所述核酸骨架上串联有重复碱基结构。

2.根据权利要求1所述的用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂，其特征在于：所述核酸为长度20～2000个碱基的脱氧核糖核酸。

3.根据权利要求2所述的用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂，其特征在于：所述核酸结构为线状结构、环状结构、单链结构、双链结构或单双链混合结构。

4.一种权利要求1所述的用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将配方量的三羟甲基氨基甲烷、乙二胺四乙酸和盐酸加入到水中，充分搅拌后得到核酸缓冲液；

步骤2，将配方量的核酸加入到步骤1的核酸缓冲液中，将混合液置于水浴中，充分搅拌后得到核酸分散液，将核酸分散液冷藏待用。

5.根据权利要求4所述的用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂的制备方法，其特征在于：步骤2中，所述水浴的温度不高于25℃。

6.权利要求1所述用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂在增强水泥基材料抗裂性能和拉压比方面的应用。

7.根据权利要求6所述用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂在增强水泥基材料抗裂性能和拉压比方面的应用，其特征在于：将制备好的外加剂加入到水泥基材料的拌合水中，于≤30℃下搅拌均匀后，将含有外加剂的拌合水等分成2份依次加入到水泥基材料中，每次加入后搅拌一段时间充分混合。

8.根据权利要求7所述用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂在增强水泥基材料抗裂性能和拉压比方面的应用，其特征在于：水泥基材料中外加剂的掺杂量为水泥基材料质量的0.001％～0.5％。

9.根据权利要求7所述用于提高水泥基材料抗裂性能的外加剂在增强水泥基材料抗裂性能和拉压比方面的应用，其特征在于：搅拌时间为60～120s。