CN110713358A - 一种水泥纳米悬浮液混凝土早强剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水泥纳米悬浮液混凝土早强剂及其制备方法。本发明利用纳米硅酸盐水泥和聚羧酸分散剂、聚乙烯吡络烷酮(PVP)经特殊工艺制成悬浮液。该悬浮液对水泥水化具有显著的促进作用，快速提高混凝土早期强度，6～8h强度可达15MPa以上，满足预制构件的拆模强度要求，缩短模具周转周期，降低生产成本，是一种低成本、性能优良的混凝土早强剂。

Description

一种水泥纳米悬浮液混凝土早强剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种混凝土早强剂，具体涉及一种水泥纳米悬浮液混凝土早强 剂及其制备方法。
背景技术
随着我国建筑业的飞速发展，尤其是近几年国家及各级地方政府对装配式 建筑的政策推动，对混凝土预制构件的需求急剧增大，而生产预制构件一个最 重要的指标就是混凝土早期强度的发展，快速达到拆模强度(＞15MPa)，以利 于模具快速周转，缩短模具周转周期，节省生产成本。为此，通常采用蒸汽养 护或压蒸养护，以快速达到拆模强度，然而蒸汽养护工艺消耗能源，破坏混凝 土内部结构，影响耐久性。为实现自然养护工艺，通常在混凝土中添加早强剂， 无机盐类早强剂，如氯化钙、硝酸钙等，有机类早强剂，如三乙醇胺，但早强 剂存在掺量敏感和混凝土后期强度降低等缺点；提高水泥细度，也是提高混凝 土早期强度的一种方法，细度越大，虽然早期强度提高，但对后期强度没有益 处，且混凝土易开裂，降低耐久性。
近年来，许多业内研究者发现，通过在水泥混凝土中加入具有促进水泥水 化作用的纳米粒子，可以显著提高水泥水化速度，从而快速提高混凝土早期强 度，如纳米水化硅酸钙、纳米二氧化硅等，作为水泥水化的晶核，产品以粉剂 或悬浮液形式存在，但这些晶核类早强剂，含盐量高，且制备工艺相对比较复 杂，成本较高。
发明内容
基于此，本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种水泥 纳米悬浮液混凝土早强剂。本发明利用纳米硅酸盐水泥和聚羧酸分散剂、聚乙 烯吡络烷酮(PVP)经特殊工艺制成悬浮液。该悬浮液对水泥水化具有显著的促 进作用，快速提高混凝土早期强度，自然养护条件下，6～8h强度可达15MPa 以上，满足预制构件的拆模强度要求，缩短模具周转周期，降低生产成本，是 一种低成本、性能优良的混凝土早强剂。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种水泥纳米悬浮液混凝土 早强剂，包含以下重量份的成分：纳米硅酸盐水泥2～6份、聚羧酸分散剂25～40 份和聚乙烯吡络烷酮10～16份。
优选地，所述聚羧酸减水剂分散剂的结构式如式(Ⅰ)所示：
Figure BDA0002254316680000021
其中，a为50～80的整数，b为15～30的整数，c为10～20的整数，m为100～200 的整数；R为H或CH3。
利用高分子结构设计原理，本申请使用的聚羧酸分散剂具有优良的早强功 能：在其分子结构中引入了一定量的磺酸基团和酰胺基团，降低羧酸基含量， 并控制聚合物的分子量，形成具有长侧链、短主链的梳型结构。减少主链的羧 基含量，减弱其与Ca2+的络合作用，从而降低其对C3S的水化抑制作用，达到 提高早期强度的目的。引入的磺酸基可以提高聚羧酸分散剂的分散性能，使水 泥颗粒与水接触点多，水化活性点增多，加速水泥水化，提高早期强度。
PVP是一种非离子型水溶性高分子，又名N-乙烯基丁内酰胺，主链是疏 水性的C-C结构，但其分子中每个结构单元的侧基部分都是极性很强的丁内酰 胺基，具有增稠、助悬、分散等特点，在本发明中与聚羧酸分散剂一起使用， 具有良好的分散、增稠、悬浮的作用，使所形成的悬浮液具有良好的稳定性。
优选地，所述聚羧酸分散剂的含固量为25～40％。
优选地，所述纳米硅酸盐水泥由PI硅酸盐水泥、PII硅酸盐水泥磨细而成， 所述纳米硅酸盐水泥熟料的主要成分为硅酸钙晶体，粒径范围为400nm～900nm。
纳米硅酸盐水泥熟料主要组分为硅酸钙晶体，与聚羧酸分散剂形成悬浮液 后，形成水化硅酸钙晶核，该晶核具有显著的促进水泥水化，提高混凝土早期 强度的作用。
硅酸盐水泥熟料是以一种硅酸钙为主的多矿物组成的结晶细小的人造石， 粒径一般为30～60μm。而本发明使用的纳米硅酸盐水泥，粒径为400～900nm， 普通水泥粒径是纳米水泥的100倍，且纳米水泥在磨细的过程中，产生晶格缺 陷，而晶格的缺陷和数量是决定水泥水化诱导期的主要因素。故此，一方面， 纳米水泥的细度及晶格缺陷使其具有促进水化，提高早期强度的优势，另一方 面，在纳米水泥与聚羧酸分散剂和PVP在高速搅拌下形成悬浮液的过程中，熟 料的主要成分硅酸钙形成纳米水化硅酸钙，这些纳米水化硅酸钙作为晶核，在 加入到水泥混凝土中时，可以快速提高水泥水化速度，形成水化硅酸钙，而水化硅酸钙是水泥强度的主要贡献者，大大地缩短水泥水化的诱导期，进而提高 混凝土早期强度。
同时，本发明还公开上述水泥纳米悬浮液混凝土早强剂的制备方法，包括以 下步骤：
(1)将聚羧酸分散剂、聚乙烯吡络烷酮混合搅拌，使聚乙烯吡络烷酮充分 溶解，作为反应瓶底料，使用碱调节pH值为8～12；
(2)向加入底料的反应瓶中，采用筛漏方式，于2～4小时内缓缓加入纳米 硅酸盐水泥；然后加入碱调节pH值为9～12,继续搅拌2～5小时，得到水泥纳米 悬浮液混凝土早强剂。
优选地，所述步骤(2)中，搅拌速率为800～1500转/min。
优选地，所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾、三乙胺、三乙醇胺、氢氧化钙、 三异丙醇胺中的至少一种。
优选地，所述步骤(2)中，纳米硅酸盐水泥的加入量为2～6g/100ml悬浮液。
本发明还公开了一种上述水泥纳米悬浮液混凝土早强剂在预制构件混凝土 中的应用。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明利用纳米硅酸盐水泥和聚羧酸分散剂、聚乙烯吡络烷酮(PVP)经特 殊工艺制成悬浮液。该悬浮液对水泥水化具有显著的促进作用，快速提高混凝 土早期强度，自然养护条件下，6～8h强度可达15MPa以上，满足预制构件的拆 模强度要求，缩短模具周转周期，降低生产成本，是一种低成本、性能优良的 混凝土早强剂。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对 本发明作进一步说明。
实施例1
本发明所述水泥纳米悬浮液混凝土早强剂的一种实施例，本实施例所述水泥 纳米悬浮液混凝土早强剂，包含以下重量份的成分：纳米硅酸盐水泥2份、聚 羧酸分散剂25份和聚乙烯吡络烷酮(PVP)10份；所述聚羧酸减水剂的含固量 为25％；所述纳米硅酸盐水泥由PI、PII硅酸盐水泥磨细而成，其熟料主要成分 为硅酸钙晶体，粒径范围400nm～900nm。
本发明所述水泥纳米悬浮液混凝土早强剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)在500ml的三口烧瓶中，加入计量的聚羧酸分散剂和计量的PVP，搅 拌，使PVP充分溶解，作为烧瓶底料，使用氢氧化钠(或氢氧化钾、氢氧化钙、 三乙胺、三乙醇胺、三异乙醇胺)调节pH为8；
(2)室温下，向加入底料的500ml三口烧瓶中，在激烈搅拌下，搅拌速率 为800转/min，采用筛漏方式，于2小时内缓缓加入硅酸盐水泥，硅酸盐水泥的 加入量为2g/100ml悬浮液；加料完毕后，加入氢氧化钠(或氢氧化钾、氢氧化 钙、三乙胺、三乙醇胺、三异乙醇胺)调节pH＝9,继续搅拌2小时，结束，得 到纳米硅酸盐水泥混凝土早强外加剂。
实施例2
本发明所述水泥纳米悬浮液混凝土早强剂的一种实施例，本实施例所述水泥 纳米悬浮液混凝土早强剂，包含以下重量份的成分：纳米硅酸盐水泥6份、聚 羧酸分散剂40份和聚乙烯吡络烷酮(PVP)16份；所述聚羧酸减水剂的含固量 为40％；所述纳米硅酸盐水泥由PI、PII硅酸盐水泥磨细而成，其熟料主要成分 为硅酸钙晶体，粒径范围400nm～900nm。
本发明所述水泥纳米悬浮液混凝土早强剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)在500ml的三口烧瓶中，加入计量的聚羧酸分散剂和计量的PVP，搅 拌，使PVP充分溶解，作为烧瓶底料，使用氢氧化钠(或氢氧化钾、氢氧化钙、 三乙胺、三乙醇胺、三异乙醇胺)调节pH为12；
(2)室温下，向加入底料的500ml三口烧瓶中，在激烈搅拌下，搅拌速率 为1500转/min，采用筛漏方式，于4小时内缓缓加入硅酸盐水泥，硅酸盐水泥 的加入量为6g/100ml悬浮液；加料完毕后，加入氢氧化钠(或氢氧化钾、氢氧 化钙、三乙胺、三乙醇胺、三异乙醇胺)调节pH＝12,继续搅拌5小时，结束， 得到纳米硅酸盐水泥混凝土早强外加剂。
实施例3
本发明所述水泥纳米悬浮液混凝土早强剂的一种实施例，本实施例所述水泥 纳米悬浮液混凝土早强剂，包含以下重量份的成分：纳米硅酸盐水泥4份、聚 羧酸分散剂32份和聚乙烯吡络烷酮(PVP)13份；所述聚羧酸减水剂的含固量 为32％；所述纳米硅酸盐水泥由PI、PII硅酸盐水泥磨细而成，其熟料主要成分 为硅酸钙晶体，粒径范围400nm～900nm。
本发明所述水泥纳米悬浮液混凝土早强剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)在500ml的三口烧瓶中，加入计量的聚羧酸减水剂PCE和计量的PVP， 搅拌，使PVP充分溶解，作为烧瓶底料，使用氢氧化钠(或氢氧化钾、氢氧化 钙、三乙胺、三乙醇胺、三异乙醇胺)调节pH为10；
(2)室温下，向加入底料的500ml三口烧瓶中，在激烈搅拌下，搅拌速率 为1200转/min，于3小时内采用筛漏方式缓缓加入硅酸盐水泥，硅酸盐水泥的 加入量为4g/100ml悬浮液；加料完毕后，加入氢氧化钠(或氢氧化钾、氢氧化 钙、三乙胺、三乙醇胺、三异乙醇胺)调节pH＝10,继续搅拌3小时，结束，得 到纳米硅酸盐水泥混凝土早强外加剂。
为了研究本发明水泥纳米悬浮液混凝土早强剂的早强效果，测定了水泥胶 砂强度，设置实验组1～3和对照组1～2，其中实验组1～3为本发明实施例1～3 水泥纳米悬浮液混凝土早强剂的水泥胶砂强度，对照组1为空白对照组，对照 组2中为普通混凝土早强剂的水泥胶砂强度；具体实验过程如下：
试验材料：水泥：PII 42.5R水泥；砂：ISO标准砂；水：自来水；
试验方法：参照国标GB/T 17671-1999水泥胶砂强度检验方法(ISO法)，调 整用水量，使胶砂直径为(180+5)mm，胶砂比1:3，采用40x160x160mm试模 成型胶砂试块，测试其不同龄期的强度。试验温度控制在20±2℃。
试验配比如表1所示(一个标准胶砂模具)，性能测试结果如表2所示；
表1胶砂配合比
试验编号 水泥(g) 砂(g) 水(g) 早强剂(g) 备注
对照组1 450.0 1350.0 157.5 0.0 空白
对照组2 450.0 1350.0 148.2 15.75 聚羧酸早强剂
实验组1 450.0 1350.0 145.6 15.75 实施例1
实验组2 450.0 1350.0 138.9 15.75 实施例2
实验组3 450.0 1350.0 142,8 15.75 实施例3
表2胶砂抗压强度
Figure BDA0002254316680000071
由表2的数据可知，本发明的水泥纳米悬浮液混凝土早强剂(实验组1～3) 的水泥胶砂强度明显高于普通聚羧酸早强剂(对照组1)，性能优于普通混凝土 早强剂。
按照上述类似的方法，研究水泥纳米悬浮液混凝土早强剂在预制构件混凝 土中的应用效果，设置实验组1～3和对照组1～2，其中实验组1～3为含有本发明 水泥纳米悬浮液混凝土早强剂的混凝土，对照组1为空白对照组，对照组2中 为含有聚羧酸早强剂的混凝土；调整用水量，使混凝土坍落度为(130±10)mm， 试验配比如表3所示，性能测试结果如表4所示；
表3混凝土试验配合比(C35)
材料(kg) 水泥 粉煤灰 矿粉 水 砂 石子 早强剂 备注
对照组1 300 80 30 145 820 1005 0 空白
对照组2 300 80 30 138 820 1005 4.5 聚羧酸早强剂
实验组1 300 80 30 136 820 1005 4.5 实施例1
实验组2 300 80 30 133 820 1005 4.5 实施例2
实验组3 300 80 30 135 820 1005 4.5 实施例3
表4混凝土抗压强度(室外自然养护)
Figure BDA0002254316680000081
从表4可以看出，本申请水泥纳米悬浮液混凝土早强剂，在室外自然养护 条件下，6h抗压强度大于预制构件拆模强度15MPa，使用本申请悬浮液早强剂， 可以实现预制构件自然养护免蒸养工艺，节约成本，降低能耗。同时从实验结 果可以看出，在水化初期，本发明早强剂早强效果明显，且优于聚羧酸早强剂。 但24h后，与空白及聚羧酸早强剂相比，强度提高幅度减弱。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本 发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的 普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而 不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种水泥纳米悬浮液混凝土早强剂，其特征在于，包含以下重量份的成分：纳米硅酸盐水泥2～6份、聚羧酸分散剂25～40份和聚乙烯吡络烷酮10～16份。
2.根据权利要求1所述的水泥纳米悬浮液混凝土早强剂，其特征在于，所述聚羧酸分散剂的结构式如式(Ⅰ)所示：
其中，a为50～80的整数，b为15～30的整数，c为10～20的整数，m为100～200的整数；R为H或CH3。
3.根据权利要求1或2所述的水泥纳米悬浮液混凝土早强剂，其特征在于，所述聚羧酸分散剂的含固量为25～40％。
4.根据权利要求1所述的水泥纳米悬浮液混凝土早强剂，其特征在于，所述纳米硅酸盐水泥由PI硅酸盐水泥、PII硅酸盐水泥磨细而成，所述纳米硅酸盐水泥熟料的主要成分为硅酸钙晶体，粒径范围为400nm～900nm。
5.根据权利要求1～4任一项所述的水泥纳米悬浮液混凝土早强剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将聚羧酸分散剂、聚乙烯吡络烷酮混合搅拌，使聚乙烯吡络烷酮充分溶解，作为反应瓶底料，使用碱调节pH值为8～12；
(2)向加入底料的反应瓶中，采用筛漏方式，于2～4小时内缓缓加入纳米硅酸盐水泥；然后加入碱调节pH值为9～12,继续搅拌2～5小时，得到水泥纳米悬浮液混凝土早强剂。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，搅拌速率为800～1500转/min。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾、三乙胺、三乙醇胺、氢氧化钙、三异丙醇胺中的至少一种。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，纳米硅酸盐水泥的加入量为2～6g/100ml悬浮液。
9.根据权利要求1～4任一项所述水泥纳米悬浮液混凝土早强剂在预制构件混凝土中的应用。
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