CN110606717A - 一种混凝土增强外加剂及其在超高强混凝土中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混凝土增强外加剂及其在超高强混凝土中的应用。所述混凝土增强外加剂由表面吸附剂、微界面强化剂和界面粘结剂组成；所述的表面吸附剂为三甲基戊烷、三甲胺、六甲基二硅氮烷、甲基叔丁基醚、氰基丙烯酸甲酯、醋酸甲酯、苯甲酸甲酯中的任意一种或一种以上的混合物；所述的微界面强化剂为纳米填充料、无机填充料和柔性树脂以（30‑50）：（20‑30）：（20‑50）比例配制而成；所述的界面粘结剂为聚乙烯醇、聚戊烯醇、乙二胺四乙酸中任意一种或一种以上的混合物。本发明显著提高界面过渡区的致密度、强度和刚度，本发明解决了现有混凝土增强外加剂的抗拉强度增强效果有限，且影响混凝土施工性能的问题。

Description

一种混凝土增强外加剂及其在超高强混凝土中的应用
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，特别涉及一种混凝土增强外加剂及其在超高强混凝土中的应用，所述混凝土增强外加剂使超高强混凝土的抗拉强度大于10MPa。
背景技术
100年来，水泥混凝土一直是使用量最大的土木工程材料，但混凝土的脆性一直是困扰工程界的世界难题，不仅造成结构的安全性和寿命降低，也造成了巨量的经济浪费。
随着超高强混凝土的应用普及，脆性问题的解决更显得刻不容缓，由于混凝土是一种高度混杂的非均质多相体系，随着抗压强度的提高，其拉伸强度与抗压强度比值逐渐降低，造成脆性破坏越发严重，势必影响其服役寿命和应用前景。而高抗拉强度混凝土的制备已成为改善混凝土材料及工程结构脆性的重要手段之一。
目前超高强混凝土脆性问题的解决往往通过纤维增强技术手段来实现，不仅造成混凝土成本提高，且实际应用效果较差。
申请号为201610070776.X的专利文献“一种超高性能混凝土及其制备方法”，公开了一种钢纤维增强混凝土，该发明中采用干热养护的方式促进胶凝材料(水泥及活性掺合料)的水化，以改善粗骨料与砂浆界面的缺陷，提高混凝土的力学性能。然而该方案中通过干热养护和钢纤维技术手段制得的超高强混凝土抗压强度为120～170MPa，但劈裂抗拉强度只有4～7MPa(劈裂抗拉强度远低于轴心拉伸强度)，且工艺相对复杂耗能，实际工程操作性较差，不利于在实际工程中的推广与应用。
申请号为201410260733.9的专利文献“一种掺碳纳米管的高强高韧活性粉末混凝土及其制备方法”，公开了一种高强高韧活性粉末混凝土。该发明通过碳纳米管和钢纤维提升混凝土的拉伸性能，在直接拉伸状态下初裂拉伸强度达到8.3～10.2MPa。然而碳纳米管和钢纤维的使用不仅极大的提高了超高强混凝土的制造成本，同时显著劣化混凝土的施工性能，进而限制其在实际工程中的规模化应用。
发明内容
为解决现有混凝土增强外加剂的拉伸强度增强效果有限，且影响混凝土施工性能的问题，本发明提供一种混凝土增强外加剂及其在超高强混凝土中的应用。
本发明所述的混凝土增强外加剂由表面吸附剂、微界面强化剂和界面粘结剂组成；三者之间的质量比为：(3-6)：(10-20)：(5-10)；
所述的表面吸附剂为三甲基戊烷、三甲胺、六甲基二硅氮烷、甲基叔丁基醚、氰基丙烯酸甲酯、醋酸甲酯、苯甲酸甲酯中的任意一种或一种以上的混合物；
所述的微界面强化剂为纳米填充料、无机填充料和柔性树脂以(30-50)：(20-30)：(20-50)比例配制而成。所述的纳米填充料为纳米氧化铝、纳米二氧化硅、纳米磷酸钛、纳米磷酸钙、纳米氮化硅中的任意一种或一种以上的混合物；所述的无机填充料为铝钒土、莫来石、刚玉砂、碳化硅、黄玉石中的任意一种或一种以上的混合物，所述无机填充料粒径为0～0.95mm；所述的柔性树脂为有机硅树脂、柔性乙烯基酯树脂中的一种或一种以上的混合物；
所述的界面粘结剂为聚乙烯醇、聚戊烯醇、乙二胺四乙酸中任意一种或一种以上的混合物。
作为改进，所述混凝土增强外加剂还添加了流变控制剂，流变控制剂与微界面强化剂之间的质量比为(2-3)：(2-4)；
所述的流变调控剂为无机盐、有机硅和有机聚醚以(35-50)：(25-30)：(20-40)比例而成。所述的无机盐为硫酸镁、碳酸钾、磷酸钾中的任意一种或一种以上的混合物；所述的有机硅为硅树脂、二甲基硅油、乙烯基硅烷中的任意一种或一种以上的混合物；所述的有机聚醚为丙烯醇聚醚、丙二醇聚醚中的任意一种或一种以上的混合物。
本发明所述混凝土增强外加剂的应用，可用于超高强混凝土中，使超高强混凝土的抗拉强度提升至10MPa以上，且不影响超高强混凝土的施工性能。
发明所述抗拉强度大于10MPa的超高强混凝土，改善现有混凝土材料拉伸强度低、脆性大、安全性差等问题，其组成按重量分数比如下：
所述的水泥为强度等级52.5及以上的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥中的任意一种或一种以上的混合物；
所述的掺合料为硅灰、超细粉煤灰、超细矿粉、超细偏高岭土、沸石粉、石灰石粉、石英粉中的任意两种或两种以上的混合物，所述掺合料比表面积大于6000m2/kg；
所述的细骨料为石英砂、河砂、石榴石砂、高强机制砂的任意一种或一种以上混合物，混合物为粒径0.075～4.75mm的连续级配砂；
所述的粗骨料为花岗岩、辉绿岩、玄武岩、石灰岩中的任意一种，颗粒粒径为4.75mm～9.5mm；
所述的超塑化剂为聚羧酸类超塑化剂，对超细粉体应具有选择性吸附作用；
所述超高强混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)首先将水泥、掺合料、增强外加剂、细骨料、粗骨料在卧轴式或立轴行星式强制搅拌机中混合1分钟；
(2)向步骤(1)中所得的混合物加水及超塑化剂，搅拌3分钟，制得所述抗拉强度大于10MPa的超高强混凝土。
与现有技术相比，本发明的技术优势在于：
(1)本发明通过表面吸附剂可以提高混凝土胶凝材料体系孔溶液尺寸和吸附强度，降低胶凝材料颗粒表面化学外加剂分子覆盖率以及孔溶液中残留化学外加剂量，进而显著提升胶凝材料颗粒间距和实现所有颗粒充分分散，可提高浆体颗粒堆积度15％以上，显著降低超高强混凝土纳米级别的微孔，提升了浆体胶结强度。
(2)本发明采用微界面强化剂可以有效填充骨料和基体之间的界面过渡区，降低其厚度，同时具有超强亲水性的界面粘结剂可与水泥水化产物进一步反应，促进高密和超高密C-S-H凝胶在界面区大量生成，显著提高界面过渡区的致密度、强度和刚度，该技术可以消除骨料-基体-微颗粒的多尺度界面区，克服了混凝土界面薄弱的通病。
具体实施方式
为了更充分的解释本发明的实施，提供超高强混凝土制备实施例。这些实施实例仅仅是解释，而不是限制本发明的范围。
实施例中的“水泥”为P·II 52.5硅酸盐水泥。
实施例中的“掺合料”为硅灰、超细矿粉和石灰石粉混合物，比例为40：30：30，比表面积为11200m2/kg。
实施例中的“流变调控剂”为磷酸钾、乙烯基硅烷和丙烯醇聚醚组合物，比例为50：20：30。
实施例中的“表面吸附剂”为三甲基戊烷和三甲胺的组合物，比例为50：50。
实施例中的“微界面强化剂”为纳米二氧化硅、碳化硅和有机硅树脂组合物，比例为40：25：35。
实施例中的“界面粘结剂”为聚戊烯醇。
实施例中的“细骨料”为河砂，粒径为0.075～4.75mm连续级配砂。
实施例中的“粗骨料”为石灰岩，颗粒粒径为4.75mm～9.5mm；
实施例中的“超塑化剂”为聚羧酸类超塑化剂，对超细粉体具有选择性吸附作用。
表1各实施例中的超高强混凝土组分含量
对比例1为基础混凝土，没有掺入流变调控剂、表面吸附剂、微界面强化剂和界面粘结剂。
对比例2中掺入流变调控剂，没有掺入表面吸附剂、微界面强化剂和界面粘结剂。
对比例3中掺入流变调控剂和表面吸附剂，没有掺入微界面强化剂和界面粘结剂。
对比例4中掺入流变调控剂、表面吸附剂和微界面强化剂，没有掺入界面粘结剂。
实施例5中掺入流变调控剂、表面吸附剂、微界面强化剂和界面粘结剂。
实施例6中掺入表面吸附剂、微界面强化剂和界面粘结剂，没有掺入流变调控剂。
实施例7中提高表面吸附剂用量。
实施例8中提高微界面强化剂用量。
实施例9中提高界面粘结剂用量。
实施例10中同时提高表面吸附剂、微界面强化剂和界面粘结剂用量。
上述实施例1-10中的材料在制备时，先将水泥、掺合料、增强外加剂、细骨料、粗骨料在卧轴式强制搅拌机中混合1分钟，然后向所得的混合物加水及超塑化剂搅拌3分钟，制得所述抗拉强度大于10MPa的超高强混凝土。将拌合物进行新拌性能测试后浇筑入模24h折模，放入标准养护环境养护28天后测试综合性能。
用实施例1-10的超高强混凝土，进行工作性能与力学性能的对比试验，试验结果如下：
表2各实施例中的超高强混凝土综合性能
从试验结果可以看到，采用本发明的表面吸附剂、微界面强化剂和界面粘结剂，可以有效解决骨料与浆体之间的界面过渡区薄弱难题，显著提高界面过渡区的致密度、强度和刚度，从而使混凝土不仅具有超高的抗压强度和弹性模量，同时极大地提升混凝土的拉伸强度，填补了国内该技术领域的空白，具有显著推广价值。
对比例1为基准超高强混凝土，具有相对较低的抗压强度和弹性模量，同时扩展度小，施工性能差。
对比例2中引入流变调控剂后，有利于超高强混凝土扩展度的提高，施工性能显著改善。
对比例3中引入表面吸附剂后，超高强混凝土的密实度得到提升，有利于力学性能的综合提升，特别是抗拉强度的提升。
对比例4中继续引入微界面强化剂后，超高强混凝土的界面过渡区厚度得到降低，其抗拉强度进一步提到提升。
实施例5中继续引入界面粘结剂后，超高强混凝土的界面过渡区密实性、强度和刚度得到提升，其抗拉强度进一步提升。
实施例6中去除流变调控剂后，混凝土工作性能下降。
实施例7、8和9中随着表面吸附剂、微界面强化剂和界面粘结剂任一组份用量提升，超高强混凝土的抗拉强度都得到进一步的提升，尤其微界面强化剂和界面粘结剂效果显著。
实施例10中随着表面吸附剂、微界面强化剂和界面粘结剂同时提升，超高强混凝土的抗拉强度提升更为显著，达12.8MPa。
本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.一种混凝土增强外加剂，其特征在于，由表面吸附剂、微界面强化剂和界面粘结剂组成；三者之间的质量比为：（3-6）：（10-20）：（5-10）；
所述的表面吸附剂为三甲基戊烷、三甲胺、六甲基二硅氮烷、甲基叔丁基醚、氰基丙烯酸甲酯 、醋酸甲酯、苯甲酸甲酯中的任意一种或一种以上的混合物；
所述的微界面强化剂为纳米填充料、无机填充料和柔性树脂以（30-50）：（20-30）：（20-50）比例配制而成；
所述的纳米填充料为纳米氧化铝、纳米二氧化硅、纳米磷酸钛、纳米磷酸钙、纳米氮化硅中的任意一种或一种以上的混合物；
所述的无机填充料为铝钒土、莫来石、刚玉砂、碳化硅、黄玉石中的任意一种或一种以上的混合物，所述无机填充料粒径为0～0.95mm；
所述的柔性树脂为有机硅树脂、柔性乙烯基酯树脂中的一种或一种以上的混合物；
所述的界面粘结剂为聚乙烯醇、聚戊烯醇、乙二胺四乙酸中任意一种或一种以上的混合物。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土增强外加剂，其特征在于，所述混凝土增强外加剂还添加了流变调控剂，流变调控剂与微界面强化剂之间的质量比为（2-3）：（2-4）；
所述的流变调控剂为无机盐、有机硅和有机聚醚以（35-50）：（25-30）：（20-40）比例而成；
所述的无机盐为硫酸镁、碳酸钾、磷酸钾中的任意一种或一种以上的混合物；所述的有机硅为硅树脂、二甲基硅油、乙烯基硅烷中的任意一种或一种以上的混合物；所述的有机聚醚为丙烯醇聚醚、丙二醇聚醚中的任意一种或一种以上的混合物。
3.权利要求1或2所述的混凝土增强外加剂的应用，其特征在于，可用于超高强混凝土中。
4.权利要求3所述应用所得的超高强混凝土，其特征在于，其组成按重量分数比如下：
水泥 100份，
掺合料 20～50份，
增强外加剂 28～51份
细骨料 100～150份，
粗骨料 40～80份，
超塑化剂 2～5份，
水 10～30份；
所述的水泥为强度等级52.5及以上的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥中的任意一种或一种以上的混合物；
所述的掺合料为硅灰、超细粉煤灰、超细矿粉、超细偏高岭土、沸石粉、石灰石粉、石英粉中的任意两种或两种以上的混合物，所述掺合料比表面积大于6000m2/kg；
所述的细骨料为石英砂、河砂、石榴石砂、高强机制砂的任意一种或一种以上混合物，混合物为粒径0.075～4.75mm的连续级配砂；
所述的粗骨料为花岗岩、辉绿岩、玄武岩、石灰岩中的任意一种，颗粒粒径为4.75mm~9.5mm；
所述的超塑化剂为聚羧酸类超塑化剂。
5.权利要求4所述超高强混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）首先将水泥、掺合料、增强外加剂、细骨料、粗骨料在卧轴式或立轴行星式强制搅拌机中混合1分钟；
（2）向步骤（1）中所得的混合物加水及超塑化剂，搅拌3分钟，制得所述抗拉强度大于10MPa的超高强混凝土。
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