CN108516723A - 一种混凝土触变剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混凝土触变剂，还公开了其制备方法，制备方法包括三个步骤：步骤1，酯化：长链脂肪酸及醇胺类化合物在酸性复合催化剂作用下制得一种酯化中间体；步骤2，季铵化：所制备的酯化中间体在乙基化剂作用下得到季铵盐聚合物；步骤3，调配：在季铵盐聚合物中加入超细粉体、纤维后高速分散得到稳定均匀的混凝土触变剂溶液。所得的混凝土触变剂触变性好，用于无砟轨道底座板时可提高混凝土的施工与使用性能，进而实现混凝土在泵送、浇筑、振捣等动态处理时，具有良好的流变性能，便于施工；在完成抹坡、收坡处理后静态放置时，具有良好的形状保持能力，便于坡度定型，即混凝土经抹坡、收坡处理后，排水或超高坡度都能够有效保持。

Description

一种混凝土触变剂及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料中的混凝土外加剂技术领域，具体涉及一种混凝土触变剂，特别涉及该种触变剂的制备方法。
背景技术
自密实混凝土简称SCC，是指拌合物具有高的流动性、间隙通过性和抗离析性，浇筑时仅靠其自重作用而无需振捣便能均匀密实成型，且硬化后具有和传统振捣混凝土相当力学性能、耐久性能以及体积稳定性的混凝土。自密实混凝土是一种高工作性的混凝土，通常混凝土的坍落扩展度＞550mm。由于自密实混凝土突出的自填充性能，适用于密集配筋、无法振捣、薄壁异性复杂以及要求无噪音施工等结构。
与传统的自密实混凝土施工及控制不同的是，板式无砟轨道充填层用自密实混凝土必须具有高自流平、高抗离析、高间隙通过能力、超长距离流动能力、高体积稳定性及高耐久性的特点，这与CRTSⅢ板式无砟轨道结构有关，具体表现在：
(1)CRTSⅢ板式无砟轨道充填层属于狭长的封闭板腔，施工空间狭窄，无法进行振捣密实；
(2)轨道结构具有特殊的高密集配筋结构，包括板底的门形筋和充填层中的复杂钢筋网络；
(3)充填层板底土工布加大了自密实混凝土的灌注阻力，流态混凝土必须具备尽可能低的屈服剪切应力和适当的塑性粘度系数，以保证在流动和充模密实成型过程的均匀性和超长距离流动能力。
尤其是无砟轨道曲线段超高底座板施工中的形态与高程控制，是现场混凝土施工中的难点。为了达到设计超高，除按设计调整底座钢模板外，在混凝土浇筑振捣后，需对底座进行多次“收坡”处理。目前用于底座施工的混凝土经“收坡”处理后，静置时仍具有一定流动性，混凝土所成坡度在硬化前无法有效保持与定型，导致收坡后的排水坡度、曲线超高消失殆尽。因此需要一种高触变性混凝土：混凝土在进行泵送、浇筑、振捣等动态处理时，具有良好的流变性能，便于施工；在抹坡、收坡处理完成后静态放置时，具有良好的形状保持能力，便于坡度定型。这种高触变混凝土应具有相对较高的静态屈服应力和较低的动态屈服应力。
目前国内外能够克服普通混凝土在无砟轨道底座板施工时出现的上述问题技术措施不多。专利“一种水泥基体系用触变剂及其制备方法”提供的触变剂仅能保证混凝土在大流动性条件下不离析、不泌水，不能提高新拌混凝土的坡度保持能力；专利“一种预拌砂浆保水触变剂及其制备方法”提供的触变剂仅改善砂浆的保水性和粘聚性，也不能提高新拌砂浆的坡度保持能力，且不适于底座板混凝土的应用。
因而，针对上述问题，发明出一种混凝土触变剂，用于无砟轨道底座板时可提高混凝土的施工与使用性能，进而实现混凝土在泵送、浇筑、振捣等动态处理时，具有良好的流变性能，便于施工；在完成抹坡、收坡处理后静态放置时，具有良好的形状保持能力，便于坡度定型，即混凝土经抹坡、收坡处理后，排水或超高坡度都能够有效保持，从而为现场解决上述底座施工问题提供简单、有效、可靠的技术途径。
常用的触变剂如纤维素醚、甲基纤维素、聚丙烯酰胺、黄原胶、温轮胶等，均存在掺量高、触变性能一般、与减水剂相容性差、混凝土粘性大、流动性损失快等问题，不能完全满足高触变性混凝土的需求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种混凝土触变剂来制备高触变性混凝土，解决普通混凝土在硬化前无法有效保持与定型，导致底座板设计超高不满足要求及排水坡度不能顺利实现以及处理起来费工、费时、费力等难题。
本发明涉及一种混凝土触变剂及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)酯化：长链脂肪酸及醇胺类化合物在酸性复合催化剂作用下制得一种酯化中间体；(2)季铵化：所制备的酯化中间体在乙基化剂作用下得到季铵盐聚合物；(3)调配：在季铵盐聚合物中加入超细粉体、纤维后高速分散得到稳定均匀的混凝土触变剂溶液。
更具体的，包括以下步骤：
(1)酯化：向容器中加入长链脂肪酸及醇胺类化合物并加热至60℃～80℃搅拌溶解，加入酸性复合催化剂并继续搅拌一段时间；除去容器中的氧气；搅拌升温至90℃～100℃回流，反应至无水分产生，停止反应即得酯化中间体；
(2)季铵化：向容器中加入制备的酯化中间体，边搅拌边加热至50℃～70℃，滴加乙基化剂，在20分钟～60分钟内恒速滴完；滴完后继续在50℃～70℃保温2小时～4小时；加水冷却，得到季铵盐聚合物；
(3)调配：在季铵盐聚合物中加入超细粉体、纤维后在转速为600rpm～900rpm下高速分散15分钟～30分钟，得到稳定均匀的混凝土触变剂。
所述酯化步骤中：加入酸性复合催化剂并继续搅拌15分钟；通入氮气除去容器中的氧气。所述季铵化步骤中：加水冷却至30℃。
本发明公开一种混凝土触变剂，反应原料的重量份数如下：
所述长链脂肪酸为硬脂酸、油酸、亚油酸、棕榈酸或豆蔻酸的一种。
所述醇胺类化合物为三乙醇胺、二乙醇胺或乙醇胺中的一种。
所述复合酸性催化剂为对氨基苯磺酸、对甲苯磺酸及亚磷酸中的一种以上的混合物，其用量为长链脂肪酸与醇胺类化合物质量之和的0.2～0.4％。
所述乙基化剂为硫酸二乙酯，其摩尔比为n(硫酸二乙酯)：n(酯化物)＝0.7～1.0/1。
所述超细粉体为气相法二氧化硅，其比表面积为110m2/g～300m2/g，平均粒径为8nm～20nm。
所述纤维为木质素纤维，其长度为200μm～500μm。
采用本发明的混凝土触变剂制备的高触变性混凝土具有以下优点：
(1)在提高新拌混凝土静态屈服应力的情况下，降低了动态屈服应力，新拌混凝土坡度保持能力得以改善。
(2)用于无砟轨道底座板浇筑施工，在施工性能无明显变化的情况下，硬化后的曲线段超高坡度、排水坡度等保持率在95％以上，明显优于普通混凝土。这有利于确保底座板乃至其上充填层的施工质量以及服役性能。
(3)该混凝土在动态处理时，具有良好的流变性能，便于施工；在静态放置时，具有良好的形状保持能力，便于坡度定型，即混凝土经抹坡、收坡处理后，排水或超高坡度都能够有效保持，从而为现场解决上述底座施工问题提供简单、有效、可靠的技术途径，进而确保了无砟轨道底座板的施工质量与效率。
综上所述，本发明通过采用触变剂制备高触变性混凝土以改善混凝土施工质量，提高用于底座板混凝土的施工与使用性能，进而实现混凝土在泵送、浇筑、振捣等动态处理时，具有良好的流变性能，便于施工；在完成抹坡、收坡处理后静态放置时，具有良好的形状保持能力，便于坡度定型，即混凝土经抹坡、收坡处理后，排水或超高坡度都能够有效保持，具有施工快捷、成本经济、耐久环保、实用可靠、适用性高等诸多优势，技术经济性显著，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
以下用具体实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
实施例1
(1)酯化：向装有温度计、搅拌器、恒压漏斗、氮气导入管、回流冷凝器的四口烧瓶中加入226.0份硬脂酸及183.8份二乙醇胺并加热至75℃～80℃搅拌溶解，加入0.62份对甲苯磺酸和0.58份亚磷酸并继续搅拌15分钟；通氮气除去体系中的氧气；搅拌升温至90℃～100℃回流，反应3小时～4小时至无水分产生，停止反应即得酯化中间体。
(2)季铵化：酯化中间体边搅拌边降温至65℃～70℃，滴加85.8份硫酸二乙酯，在25分钟～30分钟内恒速滴完；滴完后继续在65℃～70℃保温3小时～3.5小时；加水500份并搅拌冷却至30℃。
(3)调配：在季铵盐聚合物中加入0.8份粒径为220±25nm的气相法二氧化硅、2.4份长度为240μm的木质素纤维后在转速为600rpm～900rpm下高速分散15分钟～30分钟，即得到稳定均匀的混凝土触变剂溶液。
实施例2
(1)酯化：向装有温度计、搅拌器、恒压漏斗、氮气导入管、回流冷凝器的四口烧瓶中加入148.4份棕榈酸及276.4份三乙醇胺并加热至70℃～75℃搅拌溶解，加入0.43份对甲苯磺酸和0.47份对氨基苯磺酸并继续搅拌15分钟；通氮气除去体系中的氧气；搅拌升温至90℃～95℃回流，反应3.5小时～4小时至无水分产生，停止反应即得酯化中间体。
(2)季铵化：酯化中间体边搅拌边降温至60℃～65℃，滴加71.4份硫酸二乙酯，在20分钟～25分钟内恒速滴完；滴完后继续在60℃～65℃保温3小时～3.5小时；加水500份并搅拌冷却至30℃。
(3)调配：在季铵盐聚合物中加入1.2份粒径为160±25nm的气相法二氧化硅、1.7份长度为280μm的木质素纤维后在转速为600rpm～900rpm下高速分散15分钟～30分钟，即得到稳定均匀的混凝土触变剂溶液。
实施例3
(1)酯化：向装有温度计、搅拌器、恒压漏斗、氮气导入管、回流冷凝器的四口烧瓶中加入182.5份豆蔻酸及201.7份二乙醇胺并加热至60℃～65℃搅拌溶解，加入0.52份对氨基苯磺酸和0.48份亚磷酸并继续搅拌15分钟；通氮气除去体系中的氧气；搅拌升温至90℃～95℃回流，反应3小时～4小时至无水分产生，停止反应即得酯化中间体。
(2)季铵化：酯化中间体边搅拌边降温至50℃～60℃，滴加110.0份硫酸二乙酯，在40分钟～50分钟内恒速滴完；滴完后继续在50℃～60℃保温3.5小时～4小时；加水500份并搅拌冷却至30℃。
(3)调配：在季铵盐聚合物中加入2.2份粒径为110±10nm的气相法二氧化硅、1.6份长度为280μm的木质素纤维后在转速为600rpm～900rpm下高速分散15分钟～30分钟，即得到稳定均匀的混凝土触变剂溶液。
实施例4
(1)酯化：向装有温度计、搅拌器、恒压漏斗、氮气导入管、回流冷凝器的四口烧瓶中加入260.8份亚油酸及90.9份乙醇胺并加热至75℃～80℃搅拌溶解，加入0.54份对甲苯磺酸和0.56份亚磷酸并继续搅拌15分钟；通氮气除去体系中的氧气；搅拌升温至95℃～100℃回流，反应3.5小时～4小时至无水分产生，停止反应即得酯化中间体。
(2)季铵化：酯化中间体边搅拌边降温至65℃～70℃，滴加143.5份硫酸二乙酯，在50分钟～60分钟内恒速滴完；滴完后继续在65℃～70℃保温3.5小时～4小时；加水500份并搅拌冷却至30℃。
(3)调配：在季铵盐聚合物中加入2.1份粒径为150±25nm的气相法二氧化硅、1.6份长度为200μm的木质素纤维后在转速为600rpm～900rpm下高速分散15分钟～30分钟，即得到稳定均匀的混凝土触变剂溶液。
实施例5
(1)酯化：向装有温度计、搅拌器、恒压漏斗、氮气导入管、回流冷凝器的四口烧瓶中加入167.1份油酸及264.9份三乙醇胺并加热至60℃～80℃搅拌溶解，加入0.78份对氨基苯磺酸和0.92份亚磷酸并继续搅拌15分钟；通氮气除去体系中的氧气；搅拌升温至95℃～100℃回流，反应4小时～4.5小时至无水分产生，停止反应即得酯化中间体。
(2)季铵化：酯化中间体边搅拌边降温至65℃～70℃，滴加63.9份硫酸二乙酯，在20分钟～25分钟内恒速滴完；滴完后继续在65℃～70℃保温3小时～3.5小时；加水500份并搅拌冷却至30℃。
(3)调配：在季铵盐聚合物中加入1.2份粒径为170±20nm的气相法二氧化硅、1.2份长度为240μm的木质素纤维后在转速为600rpm～900rpm下高速分散15分钟～30分钟，即得到稳定均匀的混凝土触变剂溶液。
实施例6
(1)酯化：向装有温度计、搅拌器、恒压漏斗、氮气导入管、回流冷凝器的四口烧瓶中加入165.3份硬脂酸及260.1份三乙醇胺并加热至60℃～80℃搅拌溶解，加入0.45份对甲苯磺酸和0.45份对氨基苯磺酸并继续搅拌15分钟；通氮气除去体系中的氧气；搅拌升温至95℃～100℃回流，反应4小时～5小时至无水分产生，停止反应即得酯化中间体。
(2)季铵化：酯化中间体边搅拌边降温至65℃～70℃，滴加71.7份硫酸二乙酯，在25分钟～30分钟内恒速滴完；滴完后继续在65℃～70℃保温3.5小时～4小时；加水500份并搅拌冷却至30℃。
(3)调配：在季铵盐聚合物中加入0.6份粒径为260±30nm的气相法二氧化硅、1.4份长度为320μm的木质素纤维后在转速为600rpm～900rpm下高速分散15分钟～30分钟，即得到稳定均匀的混凝土触变剂溶液。
实施例7
(1)酯化：向装有温度计、搅拌器、恒压漏斗、氮气导入管、回流冷凝器的四口烧瓶中加入139.3份豆蔻酸及291.4份三乙醇胺并加热至60℃～65℃搅拌溶解，加入0.56份对甲苯磺酸和0.74份亚磷酸并继续搅拌15分钟；通氮气除去体系中的氧气；搅拌升温至90℃～95℃回流，反应3小时～4小时至无水分产生，停止反应即得酯化中间体。
(2)季铵化：酯化中间体边搅拌边降温至60℃～65℃，滴加65.9份硫酸二乙酯，在20分钟～25分钟内恒速滴完；滴完后继续在60℃～65℃保温3小时～3.5小时；加水500份(水50％)并搅拌冷却至30℃。
(3)调配：在季铵盐聚合物中加入0.9份粒径为210±20nm的气相法二氧化硅、1.2份长度为300μm的木质素纤维后在转速为600rpm～900rpm下高速分散15分钟～30分钟，即得到稳定均匀的混凝土触变剂溶液。
应用实施例1
水泥净浆剪切应力试验采用基准水泥，水灰比为0.35，空白组不掺触变剂，国产某无机粉状触变剂作为对比例1，实施例及对比例1触变剂掺量均为胶凝材料质量的2％；采用Malvern Bohlin系列Visco 88旋转黏度计，使用的转子直径为25mm，外筒内径为30mm进行性能测试。浆体搅拌均匀并装填好样品，再静置60秒后启动黏度计转子，以消除装样时转子深入浆体过程中产生的影响。
表1不同时间下水泥净浆剪切应力
由表1可知，空白组和加触变剂的水泥净浆剪切应力都是随着时间的增长而不断增加，触变性不断增强；不加触变剂的水泥浆在静置10min后剪切应力变化不大，而加有触变剂的水泥浆静置10min后剪切应力随着时间的增长还会出现明显增大；本发明的触变剂与对比例1市售无机粉状触变剂相比，具有更好的触变效果。
应用实施例2
试验采用基准水泥，南京华能热电厂产I级粉煤灰，细度模数2.6的河砂，5mm～20mm连续级配碎石，南京瑞迪高新技术有限公司产HLC-IX聚羧酸系高性能减水剂，混凝土配合比为水泥∶粉煤灰∶砂∶石∶水＝280∶120∶828∶1012∶160；空白组不掺触变剂，减水剂掺量为胶凝材料质量的1.1％；采用国产某无机粉状触变剂作为对比例1，实施例及对比例1触变剂掺量均为胶凝材料质量的2％；掺加实施例的混凝土减水剂掺量提高至胶凝材料质量的1.2％，掺加对比例1的混凝土减水剂掺量提高至胶凝材料质量的1.4％。
新拌混凝土屈服应力使用ConTec Viscometer同轴双圆筒流变仪进行测试。坡度保持率的测试方法为：根据高速铁路无砟轨道线路设计最大超高不超过175mm，对应正弦坡度约为12.2％，将360mm长、200mm宽、150mm高的木模放在振动台上，采用45mm高的垫块将木模一侧垫高(对应的正弦坡度为12.5％)，浇注混凝土，振捣并抹平；然后，将垫块轻轻撤掉，混凝土在重力作用下，坡度将有所变化，采用游标卡尺每隔3cm测量变形稳定后的混凝土与木模水平面的间距H。绘制混凝土坡度变形曲线，计算新拌混凝土所成坡度最高点、最低点，并以此计算混凝土坡度保持率。试验结果见下表2。
表2掺加本发明后的混凝土性能
由表2可见，与空白组相比，掺加本发明触变剂的混凝土，动态屈服应力有一定提高，静态屈服应力提高的幅值更大，表现为静/动态屈服力矩比增加至1.8，而且新拌混凝土的坡度保持率由56.6％增加至95％以上，坡度保持能力得以改善。可见本发明的触变剂提高了混凝土中的水泥浆体稠度，提高浆体定型能力，增强了混凝土浆体的坡度保持能力。而对比例1中的无机粉状触变剂，虽然也能大幅提高新拌混凝土的静/动态屈服力矩比及坡度保持率，但提高幅度不如本发明这么大，另外对新拌混凝土的需水量影响过大，不但减水剂掺量从1.1％提高至1.4％，0.5h坍落度也大大增加。
虽然本发明通过实施例进行了描述，但实施例并非用来限定本发明。本领域技术人员可在本发明的精神的范围内，做出各种变形和改进，例如成分比例或时间范围的调整，这种调整后的效果是可预测的，所以其同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求相同或等同的技术特征所界定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种混凝土触变剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，酯化：长链脂肪酸及醇胺类化合物在酸性复合催化剂作用下制得一种酯化中间体；步骤2，季铵化：所制备的酯化中间体在乙基化剂作用下得到季铵盐聚合物；步骤3，调配：在季铵盐聚合物中加入超细粉体、纤维后高速分散得到稳定均匀的混凝土触变剂溶液。
2.根据权利要求1所述的混凝土触变剂的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，酯化：向容器中加入长链脂肪酸及醇胺类化合物并加热至60℃～80℃搅拌溶解，加入酸性复合催化剂并继续搅拌一段时间；除去容器中的氧气；搅拌升温至90℃～100℃回流，反应至无水分产生，停止反应即得酯化中间体；
步骤2，季铵化：向容器中加入制备的酯化中间体，边搅拌边加热至50℃～70℃，滴加乙基化剂，在20分钟～60分钟内恒速滴完；滴完后继续在50℃～70℃保温2小时～4小时；加水冷却，得到季铵盐聚合物；
步骤3，调配：在季铵盐聚合物中加入超细粉体、纤维后在转速为600rpm～900rpm下高速分散15分钟～30分钟，得到稳定均匀的混凝土触变剂。
3.根据权利要求2所述的混凝土触变剂的制备方法，其特征在于，所述酯化步骤中：加入酸性复合催化剂并继续搅拌15分钟；通入氮气除去容器中的氧气，所述季铵化步骤中：加水冷却至30℃。
4.一种混凝土触变剂，其特征在于，原料的重量份数如下：
5.根据权利要求4所述的混凝土触变剂，其特征在于：所述长链脂肪酸为硬脂酸、油酸、亚油酸、棕榈酸或豆蔻酸的一种。
6.根据权利要求4所述的混凝土触变剂，其特征在于：所述醇胺类化合物为三乙醇胺、二乙醇胺或乙醇胺中的一种。
7.根据权利要求4所述的混凝土触变剂，其特征在于：所述复合酸性催化剂为对氨基苯磺酸、对甲苯磺酸及亚磷酸中的一种以上的混合物，其用量为长链脂肪酸与醇胺类化合物质量之和的0.2％～0.4％。
8.根据权利要求4所述的混凝土触变剂，其特征在于：所述乙基化剂为硫酸二乙酯，其摩尔比为n(硫酸二乙酯)：n(酯化物)＝0.7～1.0/1。
9.根据权利要求4所述的混凝土触变剂，其特征在于：所述超细粉体为气相法二氧化硅，其比表面积为110m2/g～300m2/g，平均粒径为8nm～20nm。
10.根据权利要求4所述的混凝土触变剂，其特征在于：所述纤维为木质素纤维，其长度为200μm～500μm。
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