CN110240430A - 一种混凝土用膨胀纤维抗裂防水剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混凝土用膨胀纤维抗裂防水剂及其制备方法，属于混凝土外加剂生产技术领域，包括如下按重量百分比计组分：硅灰石粉15％～25％，煤矸石粉20％～32％，叶腊石粉30％～40％，脱硫石膏15％～25％，纤维素纤维3％～10％。本发明通过脱硫石膏、煤矸石、叶蜡石和纤维素纤维等的协同作用，有效增强了混凝土的紧密度，减少了毛细孔道，极大地提高抗渗、抗腐蚀和抗折能力。

Description

一种混凝土用膨胀纤维抗裂防水剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土外加剂生产技术领域，特别涉及一种混凝土用膨胀纤维抗裂防水剂及其制备方法。
背景技术
随着建设工程项目的日渐增多，混凝土收缩开裂问题却日益突出，已经严重影响混凝土的耐久性、承载能力和防水性能。混凝土结构产生裂缝的原因主要是混凝土在凝结初期或硬化过程中会出现体积缩小现象，在结构内部产生收缩应力，该应力超过混凝土抗拉强度时就会导致混凝土开裂形成收缩裂缝。为避免混凝土开裂，现有技术主要采用优化混凝土配合比设计、增加配筋率、减少混凝土水化热、添加纤维和膨胀剂等方法。目前，添加含有纤维的膨胀剂是主要采用的手段，膨胀剂通过与混凝土中的水泥、水水化反应来产生体积变大的结晶，从而引起混凝土体积膨胀，产生一定预应力，有助于控制混凝土收缩开裂，纤维则均匀分散在混凝土中形成一种乱向支撑体系，分散了混凝土的定向应力，阻止早期混凝土塑性裂缝的发生和发展，大大提高了混凝土放裂缝抗渗能力，改善混凝土韧性，从而延长混凝土的使用寿命。但传统的纤维膨胀剂受掺量、使用条件、分散性能和养护条件等方面影响较大，易导致混凝土抗折强度降低，分散性不好，抗渗等级低，抗裂耐久性差等问题。
中国专利号CN201810947709.0公开了一种膨胀纤维抗裂防水剂，包括石膏粉和脱磷石膏粉的混合物、二氧化硅，氧化钙，矾酸铁泥、煅烧煤矸石、硬脂酸钙、纳米钛酸铝纤维，聚丙烯纤维、粉煤灰、氧化镁等组分；又例如中国专利号CN200710035667.5公开了一种三膨胀源混凝土抗裂剂(CMA)，由煤矸石(煅烧)、硬石膏、活性激化剂、煅烧石灰石、氧化镁，共同粉磨至比表面积为250～350m2/Kg，再加入0.5％左右的高分子纤维素制成的混凝土外加剂。然而，这2个专利都只能满足混凝土终凝后的抗裂需求，对混凝土塑性阶段失水收缩的弥补不理想。混凝土成型过程中会形成大量的毛细孔道和微型渗水孔道严重影响混凝土的抗渗性能，而这2个专利的技术方案都不能解决这些毛细孔道和微型渗水孔道对混凝土抗渗性能的影响，不能满足混凝土的抗裂、抗渗性能的需求问题；此外，对于骨料级配导致的微型渗水孔道也无法完全闭合。
发明内容
本发明的目的针对上述现存技术问题，开发出一种混凝土用膨胀纤维抗裂防水剂及其制备方法，不仅能解决裂缝补偿的问题，还能在物理层面增强混凝土的抗渗性能，从而减少混凝土的渗漏，提高混凝土的耐久性。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种混凝土用膨胀纤维抗裂防水剂，包括如下按重量百分比计组分：硅灰石粉15％～25％，煤矸石粉20％～32％，叶腊石粉30％～40％，脱硫石膏15％～25％，纤维素纤维3％～10％。
采用上述的技术方案：脱硫石膏、煤矸石在水化反应中缓慢的产生钙矾石结晶，使混凝土产生微膨胀，减少其在混凝土塑性阶段膨胀能损失，弥补混凝土后期的干燥收缩和碳化收缩；纤维素纤维采用一种高寒地区特殊植物物种为原料制成，由美国BUCKEYE公司率先研发成功，目前国内厂家均以进口纤维素材料进行拉丝生产，例如常州市博超工程材料有限公司和泰安同伴纤维有限公司。本发明的纤维素纤维(SF500纤维素纤维，购自常州市博超工程材料有限公司)具有天然的亲水性和高强高模特点，遇水后自分散，形成纤维单丝，如同在混凝土中掺入巨大数量的微细筋，形成加筋效应，使膨胀组份在限制条件下更充分发挥作用，形成的叠加效应使混凝土更加密实；
硅灰石粉的存在使得加水拌合前混凝土中的胶凝材料具有良好的连续微级配，掺入混凝土中，可以降低孔隙率，细化孔径，改善混凝土孔结构，使混凝土硬化过程中形成的结构更加密实，极大地提高抗渗、抗折能力。
叶腊石为层状硅酸盐矿物，与混凝土浆料和纤维素纤维的混溶性好，有利于原料之间的粘结，可使浆料、纤维素纤维、硅灰石粉等相互形成完整的网络结构，从而提高混凝土的强度，且叶腊石形成的泥浆具有良好的塑性、流动性和渗透性，还具有良好的热稳定性和很少的湿膨胀，可填充于混凝土缝隙中，并受到微膨胀的挤密作用，有效堵塞毛细孔道，一方面提高混凝土整体密实度，预防裂纹的产生；另一方面，可防止各类侵蚀介质的渗透，提高混凝土的抗渗、耐侵蚀性能等。
进一步的，所述叶腊石粉为普通叶腊石粉和超微叶腊石粉的混合物，所述普通叶蜡石粉占所述膨胀纤维抗裂防水剂总重量的百分比为20％～32％，所述超微叶蜡石粉按占所述膨胀纤维抗裂防水剂总重量的百分比为8％～12％。
进一步的，所述超微叶腊石粉经锆酸酯偶联剂和聚乙烯醇改性处理，具体步骤为：
P1、按重量比1：5取锆酸酯偶联剂和无水乙醇，75℃下水浴2h得锆酸酯偶联剂溶液；
P2、将超微叶腊石粉经超声分散均匀，然后加入相对于超微叶腊石粉质量含量1～4％的锆酸酯偶联剂溶液，在300～400r/min转速下，反应30min，烘干即得预改性超微叶腊石粉；
P3、将步骤P2的预改性超微叶腊石粉在常温条件下与超细聚乙烯醇粉末混合均匀，即得改性超微叶腊石粉。
进一步的，所述超微叶蜡石粉的制备方法为：将普通叶腊石粉进行超微粉碎，筛选，得到超微叶腊石粉。
采用上述的技术方案：普通叶腊石粉粒度较大，有利于原料之间的粘结，而超微叶腊石粉粒度较小，有利于填充到毛细孔道内。
但是以超细粉体形式存在的叶腊石粉因为表面极性大，极易团聚，必将对混凝土性能造成不利影响，因此，本发明经过改性处理，以降低其表面极性，提高疏水性，从而提高分散性和相容性；聚乙烯醇具有良好的造膜性，形成的膜层接着力、耐溶剂性、耐摩擦性和伸张强度优异，可提高叶腊石粉的粉体流动性，使其不聚积易分散，便于更好的分散到毛细管道内；其次，聚乙烯醇膜层随着改性超微叶腊石粉进入到毛细孔道内，增强了叶腊石粉与毛细孔道壁的相容性，增大两者之间的界面结合力，有利于叶腊石粉稳定的填充在毛细孔道内；再者，失水之后，聚乙烯醇形成膜层封闭毛细孔道，减少了孔壁的收缩应力，进一步提高抗裂、耐腐蚀性能，控制有害裂缝出现。
经过锆酸酯偶联剂改性，改性后的超微叶腊石粉表面出现较多异性接枝，能增加其表面接触面积，并与纤维素纤维互相缠绕，形成具有一定强度和韧性的立体网络结构，增加了毛细孔道与浆料的粘结，改性超微叶腊石粉同时与纤维数纤维作为混凝土内部结构的支撑体系，起了“承托”骨料的作用，有效地抑制了混凝土塑性阶段微裂及离析裂纹的产生及发展，尤其是有效抑制了连通裂缝的产生，并显著降低了混凝土的泌水和离析现象，可以极大地提高抗渗能力。
进一步的，所述超微叶腊石粉的粒度为0.05～0.2μm，比表面积大于400m2/g；
进一步的，所述普通叶腊石粉、脱硫石膏和/或煤矸石粉的粒度为60～100μm，比表面积大于400m2/g；
进一步的，所述硅灰石粉的粒度为10～40μm，比表面积大于400m2/g。
如上所述一种混凝土用膨胀纤维抗裂防水剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、将煤矸石矿物进行自体煅烧，除去原矿中的伴生煤渣与杂质，得煅烧煤矸石；
S2、将烘干的脱硫石膏、煅烧煤矸石、叶腊石按原料配比粉磨选粉，选取比粒度为60～100μm，表面积大于400m2/g的粉体；
S3、将步骤S2中的粉磨物与纤维素纤维、粒度为10～40μm的硅灰石粉按质量配比搅拌10min，搅拌均匀即得到混凝土用膨胀纤维抗裂防水剂。
进一步的，所述叶腊石粉为普通叶腊石粉和超微叶腊石粉的混合物，所述超微叶腊石粉经锆酸酯偶联剂和聚乙烯醇改性处理。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.本发明通过脱硫石膏、煤矸石、叶蜡石和纤维素纤维等的协同作用，有效增强了混凝土的紧密度，减少了毛细孔道，极大地提高抗渗、抗腐蚀和抗折能力；脱硫石膏和煤矸石在水化反应中缓慢的产生钙矾石结晶，使混凝土微膨胀，纤维素纤维遇水后自分散成纤维单丝，产生加筋效应，叠加效应使混凝土更加密实；叶腊石则一方面增强了原料之间的粘结，有利于形成网络结构，提高混凝土的强度，另一方面由于具有良好的塑性、流动性和渗透性，可填充于混凝土缝隙中，并受到微膨胀的挤密作用，有效堵塞毛细孔道，进一步提高混凝土整体密实度，预防裂纹的产生，从而协同作用提高抗渗、抗腐蚀和抗折能力。
2.通过普通叶腊石粉和改性的超微叶腊石粉配合使用，不仅能更好的有利于原料之间的粘结，而且有利于稳定的填充在毛细孔道内，更好的堵塞毛细孔道，起到抗渗、抗腐蚀等作用。
3.本发明通过硅灰石粉、超微叶蜡石粉等，使得加水拌合前混凝土中的胶凝材料具有良好的连续微级配，掺入混凝土中，可以降低孔隙率，细化孔径，改善混凝土孔结构，使混凝土硬化过程中形成的结构更加密实，极大地提高抗渗、抗折能力。
4.本发明原料易得，价格低廉，使用的脱硫石膏属于矿产工业用脱硫废弃物，煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，采用上述两种物质，有效地废物利用，符合国家环保政策，而且通过自体燃烧还可以节约煅烧矿物的能源。
5.经实际测试，在混凝土的生产过程中加入本发明在掺量为8％～12％时，能显著改善混凝土的抗裂、抗渗性能。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种混凝土用膨胀纤维抗裂防水剂，包括如下按重量百分比计组分：硅灰石粉25％，煤矸石粉15％，普通叶腊石粉30％，脱硫石膏23％，纤维素纤维7％。
所述脱硫石膏和煤矸石粉的粒度为60μm，比表面积大于400m2/g；所述硅灰石粉的粒度为10μm，比表面积大于400m2/g；所述普通叶腊石粉的粒度为60μm，比表面积大于400m2/g；
其制备方法，包括以下步骤：
S1、将煤矸石矿物进行自体煅烧，除去原矿中的伴生煤渣与杂质，得煅烧煤矸石；
S2、将烘干的脱硫石膏、煅烧煤矸石、叶腊石按原料配比粉磨选粉，选取比粒度为60μm，表面积大于400m2/g的粉体；
S3、将步骤S2中的粉磨物与纤维素纤维、粒度为10μm的硅灰石粉按质量配比搅拌10min，搅拌均匀即得到混凝土用膨胀纤维抗裂防水剂。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于，包括如下按重量百分比计组分：硅灰石粉20％，煤矸石粉26％，普通叶腊石粉34％，脱硫石膏17％，纤维素纤维3％。
所述脱硫石膏和煤矸石粉的粒度为80μm，比表面积大于400m2/g；所述硅灰石粉的粒度为25μm，比表面积大于400m2/g；所述普通叶腊石粉的粒度为80μm，比表面积大于400m2/g；其制备方法中，步骤S2选取粒度为80μm的粉体，步骤S3选取粒度为25μm的硅灰石粉。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于，包括如下按重量百分比计组分：硅灰石粉15％，煤矸石粉22％，普通叶腊石粉38％，脱硫石膏15％，纤维素纤维10％。
所述脱硫石膏和煤矸石粉的粒度为100μm，比表面积大于400m2/g；所述硅灰石粉的粒度为40μm，比表面积大于400m2/g；所述普通叶腊石粉粒度为100μm，比表面积大于400m2/g；
其制备方法中，步骤S2选取粒度为100μm的粉体，步骤S3选取粒度为40μm的硅灰石粉。
实施例4
实施例4与实施例1的区别在于，包括如下按重量百分比计组分：硅灰石粉25％，煤矸石粉15％，普通叶腊石粉22％，超微叶蜡石粉8％，脱硫石膏23％，纤维素纤维7％。
所述普通叶腊石粉的粒度为60μm，比表面积大于400m2/g；所述超微叶腊石粉的粒度为0.05μm，比表面积大于400m2/g。
所述超微叶蜡石粉的制备方法为：将普通叶腊石粉进行超微粉碎，筛选，得到粒度为0.05μm、比表面积大于400m2/g的超微叶腊石粉。
实施例5
实施例5的组分配比及制备方法基本同实施例1，其区别在于，包括如下按重量百分比计组分：硅灰石粉25％，煤矸石粉15％，普通叶腊石粉22％，超微叶蜡石粉8％，脱硫石膏23％，纤维素纤维7％；
所述普通叶腊石粉的粒度为60μm，比表面积大于400m2/g；所述超微叶腊石粉的粒度为0.05μm，比表面积大于400m2/g，所述超微叶蜡石粉的制备方法为：将普通叶腊石粉进行超微粉碎，筛选，得到粒度为0.05μm、比表面积大于400m2/g的超微叶腊石粉，且所述超微叶腊石粉经锆酸酯偶联剂和聚乙烯醇改性处理。
所述超微叶腊石粉改性处理的具体步骤为：
P1、按重量比1：5取锆酸酯偶联剂和无水乙醇，75℃下水浴2h得锆酸酯偶联剂溶液；
P2、将超微叶腊石粉经超声分散均匀，然后加入相对于超微叶腊石粉质量含量1％的锆酸酯偶联剂溶液，在300r/min转速下，反应30min，烘干即得预改性超微叶腊石粉；
P3、将步骤P2的预改性超微叶腊石粉在常温条件下与超细聚乙烯醇粉末混合均匀，即得改性超微叶腊石粉。
实施例6
实施例6与实施例5的区别在于，包括如下按重量百分比计组分：硅灰石粉20％，煤矸石粉26％，普通叶腊石粉22％，超微叶蜡石粉12％，脱硫石膏17％，纤维素纤维3％；
所述普通叶腊石粉的粒度为80μm，比表面积大于400m2/g；所述超微叶腊石粉的粒度为0.1μm，比表面积大于400m2/g；
所述超微叶腊石粉改性处理的具体步骤中，步骤P2加入相对于超微叶腊石粉质量含量3％的锆酸酯偶联剂溶液，在350r/min转速下，反应30min。
实施例7
实施例7与实施例5的区别在于，包括如下按重量百分比计组分：硅灰石粉15％，煤矸石粉22％，普通叶腊石粉28％，超微叶蜡石粉10％，脱硫石膏15％，纤维素纤维10％。
所述普通叶腊石粉的粒度为100μm，比表面积大于400m2/g；所述超微叶腊石粉的粒度为0.2μm，比表面积大于400m2/g；
所述超微叶腊石粉改性处理的具体步骤中，步骤P2加入相对于超微叶腊石粉质量含量4％的锆酸酯偶联剂溶液，在400r/min转速下，反应30min。
对比例1
对比例1的组分配比及制备方法基本同实施例3，其区别在于，包括如下按重量百分比计组分：硅灰石粉15％，煤矸石粉15％，普通叶腊石粉50％，脱硫石膏15％，纤维素纤维5％。
对比例2
对比例1的组分配比及制备方法基本同实施例3，其区别在于，包括如下按重量百分比计组分：硅灰石粉22％，煤矸石粉30％，普通叶腊石粉13％，脱硫石膏25％，纤维素纤维10％。
对比例3
对比例3的组分配比及制备方法基本同实施例7，其区别在于，包括如下按重量百分比计组分：硅灰石粉15％，煤矸石粉22％，普通叶腊石粉20％，超微叶蜡石粉18％，脱硫石膏15％，纤维素纤维10％。
对比例4
对比例4的组分配比及制备方法基本同实施例7，其区别在于，包括如下按重量百分比计组分：硅灰石粉15％，煤矸石粉22％，普通叶腊石粉35％，超微叶蜡石粉3％，脱硫石膏15％，纤维素纤维10％。
应用例
当该膨胀纤维抗裂防水剂的用量为胶凝材料总量的10％时，掺入各实施例及对比例制备的膨胀纤维抗裂防水剂，在实验室内使用相应标准规定的材料制备相应的混凝土试块，另设未掺膨胀纤维抗裂防水剂制备混凝土试块，作为空白对照，在规定的环境实测数据，测定数据见表1。
1)凝结时间的测定；按GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》，膨胀纤维抗裂防水剂内掺10％检测；
2)限制膨胀率的测定：按GB/T 23439-2017《混凝土膨胀剂》附录A检测；
3)裂缝降低系数的测定：按CECS 38-2004《纤维混凝土结构技术规程》附录D检测；
4)最大透水压力的测定：按GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中逐级加压法检测。
表1膨胀纤维抗裂防水剂对制备的混凝土的性能影响
由表1可知，掺入本发明膨胀纤维抗裂防水剂制备的混凝土裂缝降低系数和最大透水压力大幅提升，这是因为该膨胀纤维抗裂防水剂中的脱硫石膏和煤矸石水化反应中缓慢的产生钙矾结晶，使混凝土产生微膨胀，弥补混凝土的收缩；纤维素纤维遇水后自分散成纤维单丝，产生加筋效应，叠加效应使混凝土更加密实；叶腊石则一方面增强了原料之间的粘结，提高混凝土的强度，另一方面由于具有良好的塑性、流动性和渗透性，可填充于混凝土缝隙中，并受到微膨胀的挤密作用，有效堵塞毛细孔道，进一步提高混凝土整体密实度，预防裂纹的产生，从而协同作用提高抗渗、抗腐蚀和抗折能力。
实施例5～7相比于实施例1～3，通过普通叶腊石粉和改性的超微叶腊石粉配合使用，不仅能更好的有利于原料之间的粘结，而且有利于稳定的填充在毛细孔道内，更好的堵塞毛细孔道，起到抗渗、抗腐蚀等作用，因此，裂缝降低系数和最大透水压力进一步提升，混凝土性能更好；实施例4相比于实施例1，通过普通叶腊石粉和超微叶腊石粉配合使用，裂缝降低系数和最大透水压力明显提高，提升了混凝土的抗渗性能，但超微叶腊石粉不经过改性处理，表面极性大，易团聚，对混凝土性能提升作用不如经过改性之后的超微叶腊石粉显著；对比实施例5，超微叶蜡石粉改性之后，混凝土裂缝降低系数和最大透水压力显著提高，可见改性之后的超微叶蜡石粉更适用于混凝土膨胀剂领域；对比例1～2相比于实施例1～3，普通叶蜡石粉含量过高或者过低都不利于混凝土性能的提升，对比例1普通叶蜡石粉含量过高，混凝土的抗渗性能反而有所降低，这是因为叶蜡石粉能增强粘结性，当含量过高会导致混凝土流动性差，原料不易分散均匀，而对比例2普通叶蜡石粉含量过低，降低了原料之间的粘结，从而影响混凝土的抗渗性能和强度；对比例3相比于实施例5～7，改性处理的超微叶腊石粉含量过高，过多的填充在毛细孔内部，在微膨胀的预压作用下，反而会一定程度上导致混凝土内部出现微裂纹，使抗渗性能降低，对比例4相比于实施例5～7，改性处理的超微叶腊石粉含量过低，不能有效填满毛细孔道，使抗渗性能降低，因此，本发明的普通叶蜡石粉和改性处理的超微叶腊石粉以及各原料只有在合适的添加量内才能起到良好的抗渗、抗折作用。

Claims (7)

1.一种混凝土用膨胀纤维抗裂防水剂，其特征在于，包括如下按重量百分比计组分：硅灰石粉15％～25％，煤矸石粉20％～32％，叶腊石粉30％～40％，脱硫石膏15％～25％，纤维素纤维3％～10％。
2.如权利要求1所述的混凝土用膨胀纤维抗裂防水剂，其特征在于，所述叶腊石粉为普通叶腊石粉和超微叶腊石粉的混合物，所述普通叶蜡石粉占所述膨胀纤维抗裂防水剂总重量的百分比为20％～32％，所述超微叶蜡石粉按占所述膨胀纤维抗裂防水剂总重量的百分比为8％～12％。
3.如权利要求2所述的混凝土用膨胀纤维抗裂防水剂，其特征在于，所述超微叶腊石粉经锆酸酯偶联剂和聚乙烯醇改性处理，具体步骤为：
P1、按重量比1：5取锆酸酯偶联剂和无水乙醇，75℃下水浴2h得锆酸酯偶联剂溶液；
P2、将超微叶腊石粉经超声分散均匀，然后加入相对于超微叶腊石粉质量含量1～4％的锆酸酯偶联剂溶液，在300～400r/min转速下，反应30min，烘干即得预改性超微叶腊石粉；
P3、将步骤P2的预改性超微叶腊石粉在常温条件下与超细聚乙烯醇粉末混合均匀，即得改性超微叶腊石粉。
4.如权利要求2所述的混凝土用膨胀纤维抗裂防水剂，其特征在于，所述超微叶蜡石粉的制备方法为：将普通叶腊石粉进行超微粉碎，筛选，得到超微叶腊石粉。
5.如权利要求2所述的混凝土用膨胀纤维抗裂防水剂，其特征在于，所述超微叶腊石粉的粒度为0.05～0.2μm，比表面积大于400m2/g；
所述普通叶腊石粉、脱硫石膏和/或煤矸石粉的粒度为60～100μm，比表面积大于400m2/g；
所述硅灰石粉的粒度为10～40μm，比表面积大于400m2/g。
6.权利要求1～5任一项所述的混凝土用膨胀纤维抗裂防水剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将煤矸石矿物进行自体煅烧，除去原矿中的伴生煤渣与杂质，得煅烧煤矸石；
S2、将烘干的脱硫石膏、煅烧煤矸石、叶腊石按原料配比粉磨选粉，选取粒度为60～100μm，表面积大于400m2/g的粉体；
S3、将步骤S2中的粉磨物与纤维素纤维、粒度为10～40μm的硅灰石粉按质量配比搅拌10min，搅拌均匀即得到混凝土用膨胀纤维抗裂防水剂。
7.如权利要求6所述的混凝土用膨胀纤维抗裂防水剂的制备方法，其特征在于，所述叶腊石粉为普通叶腊石粉和超微叶腊石粉的混合物，所述超微叶腊石粉经锆酸酯偶联剂和聚乙烯醇改性处理。
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