CN110963744A - 一种逐级膨胀的液体膨胀剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种逐级膨胀的液体膨胀剂及其制备方法，所述液体膨胀剂由以下步骤制备：步骤一：称取纳米氧化镁粉体混合物、丁醇、司盘80和水在30～40℃条件下恒温搅拌1h；步骤二：升温至50～70℃，依次加入聚丙烯醇400、二甲基硅油和减缩组分，搅拌1～2h；步骤三：加入聚丙烯酰胺，搅拌1～2h，恒温熟化1h，冷却至室温即得逐级膨胀液体膨胀剂。本发明液体膨胀剂中膨胀组分由700℃、900℃和1100℃不同温度下烧制的氧化镁粉磨改性混合而成，混合粉磨氧化镁粉体至纳米层次，三种不同烧成温度的氧化镁粉体水化时间不同，实现逐级膨胀效果；与减缩组分等复配可显著提高混凝土体积膨胀，减小混凝土体积收缩，提高混凝土抗裂抗渗性能。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种膨胀剂，具体涉及一种高膨胀率液体膨胀剂及其制备方法。
背景技术
水泥基胶凝材料在浇筑硬化过程中，由于化学减缩、冷缩和干缩等原因会引起体积收缩，严重者甚至导致材料的开裂。在混凝土中掺入纤维、磨细粉煤灰或矿渣粉和膨胀剂来解决混凝土的收缩与开裂问题。但纤维拌制混凝土比较麻烦，成本较高，磨细粉煤灰和矿渣粉掺量较大，需要成本较高，不能完全解决混凝土的收缩开裂。然而，膨胀剂是一种化学添加剂，掺入混凝土中时，在混凝土凝结硬化时，发生膨胀并堵塞毛细孔裂缝，改善混凝土内部结构，起到补偿收缩和张拉钢筋产生预应力以及充分填充水泥间隙的作用，膨胀剂是解决混凝土收缩与开裂的一种有效手段。
目前国内主要使用的膨胀剂有硫铝酸钙型、氧化钙型和氧化镁型，其原理是通过硫铝酸盐、氧化钙和氧化镁等在水泥水化过程中与水或水泥的水化产物反应生成膨胀性物质。如何控制膨胀组分可以均匀缓慢的水化膨胀，促就水泥石水化为合理稳定的结构是膨胀剂应用的核心所在。
专利CN201510474937.7公开了一种液体混凝土泵送膨胀剂，包括膨胀组份、溶胀组份、减缩组份、保水组份、泵送组份和功能组份；所述膨胀组份材料为无水硫酸铝、溶胀组份材料为聚乙烯醇、减缩组份材料为聚醚、保水组份材料为羟丙基纤维素醚、泵送组份材料为聚羧酸盐减水剂和功能组份材料为葡萄糖酸钠；所述组份百分含量比为：无水硫酸铝0.10％～0.18％、聚乙烯醇0.05％～0.10％、聚醚0.20％～0.60％、羟丙基纤维素醚0.08％～0.15％、聚羧酸盐减水剂0.40％～0.60％和葡萄糖酸钠0.04％～0.07％。该膨胀剂掺入混凝土中能有效增加混凝土的体积膨胀，减小混凝土体积收缩，从而提高混凝土的抗裂抗渗能力。
专利CN201710009901.0公开了一种混凝土液体膨胀剂及其制备方法，其原料组分及各组分占原料总量的质量百分比分别为：膨胀组分：1.0％～3.5％、减缩组分：3.0％～10.0％、保坍组分：1.0％～7.0％、增稠组分：0.4％～1.3％、缓凝组分：0.35％～0.7％、水：87.5％～94％。本发明主要用于高标号混凝土及需要掺膨胀剂的补偿收缩混凝土中，具有增强混凝土体积膨胀，减小混凝土体积收缩的特点，对提高混凝土抗裂抗渗性能具有显著效果，此外与现有技术中采用的粉状膨胀剂相比，提高了计量称取的准确性和混合的均匀性，同时避免了粉状膨胀剂造成的粉尘污染，对环境友好。
专利CN201310288005.4公开了一种CA砂浆专用液体塑性膨胀剂及其制备方法，碳原子数为C4～C8支链烯烃，与CO和水在50～80℃，0.1～10MPa条件下加入催化剂反应3h～5h后升温80～95℃，加入乳化剂、分散剂搅拌1.5h，降温冷却后用NaOH调节pH值至6～7制得。本发明产物为碳原子数为C12～C20高级脂肪酸混合物的乳化液，在CA砂浆水化初期阶段会缓慢发生水解反应，水解产物使CA砂浆新拌浆体产生体积微膨胀。本发明掺量为胶凝材料用量的0.5％时，CA砂浆24h竖向膨胀率可达1％～2％，可有效抑制CA砂浆塑性阶段浆体沉降导致的板面收缩、沥青聚集表面起皮、起泡、发黑等一系列质量问题，确保了CA砂浆体积稳定。
区别于以上专利，膨胀组分为700℃、900℃和1100℃烧成的纳米氧化镁粉体混合料，不同烧成温度的氧化镁活性差异较大，水化速度不同，随着哨声温度的升高，氧化镁的活性逐渐降低至死烧氧化镁，完全失去活性。本发明将氧化镁与季戊四醇油酸酯混合粉磨至100纳米左右，以季戊四醇油酸酯涂覆氧化镁粉体表面，将纳米粉体包裹在油脂内部，降低氧化镁与水的接触面积，控制在混凝土中的水化膨胀速度，提高在水溶液中的稳定性。液体膨胀剂掺入水泥胶凝材料中后，水泥水化释放的碱会逐渐分解季戊四醇油酸酯，使包裹膜损坏进而发生作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种高膨胀率用液体膨胀剂，具体是一种高膨胀率，有效减小混凝土体积收缩的液体膨胀剂。
本发明所述液体膨胀剂合成原料为2.0～3.8份膨胀剂、0.1～0.3份丁醇、0.1～0.3份二甲基硅油、0.3～0.6份司盘80、0.5～0.8份聚丙烯醇400、4.2～5.5份减缩剂和0.8～1.5份阳离子聚丙烯酰胺在一定条件下制备得高膨胀率液体膨胀剂，总质量100份，固含量10％。本发明的液体膨胀剂膨胀组分选用一定比例的700℃、900℃和1100℃烧成的纳米氧化镁粉体混合料，促使混凝土体系中产生合理的水化结构，以季戊四醇油酸酯涂覆纳米氧化镁粉体，将纳米粉体包裹在油脂内部，降低氧化镁与水的接触面积，提高在水溶液中的稳定性。该液体膨胀剂能有效提高膨胀强度和补偿能力，且能通过覆膜程度调控纳米氧化镁粉体水化反应的液体膨胀剂。
本发明的技术方案如下：
一种逐级膨胀液体膨胀剂制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：称取2.0～3.8份经过油脂改性的纳米氧化镁混合粉体、0.1～0.3份丁醇、0.1～0.3份二甲基硅油、0.3～0.6份司盘80和90份水置于反应釜中，控制水浴温度在30～40℃，恒温搅拌1-2h；
步骤二：升高温度至50～70℃，往反应釜中依次加0.5～0.8份聚丙烯醇400和4.2～5.5份减缩组分，继续搅拌反应1～2h；
步骤三：加入0.8～1.5份阳离子聚丙烯酰胺，搅拌反应1～2h，反应结束后恒温熟化1-2h，冷却至室温即得高膨胀率液体膨胀剂。
优选地，所述的纳米氧化镁混合粉体为质量比为1:0.5～0.8:0.3～0.6的700℃、900℃和1100℃烧成的纳米氧化镁粉体混合而成。
优选地，所述油脂改性纳米氧化镁混合粉体的方法如下：
步骤1,1、将三种纳米氧化镁粉体分别按比例与油脂混合粉磨；
步骤1.2、将粉磨后的纳米氧化镁粉体进行憎水性能测试，如果憎水率达到98％，则粉磨结束，否则加入油脂继续回炉粉磨；
步骤1.3、将三种粉磨后的粉体，即700℃、900℃和1100℃烧成的纳米氧化镁粉体混合完成油脂改性。
优选地，步骤1.1中、粉磨后，纳米氧化镁粉体的平均粒径不大于150nm。
优选地，步骤1.1中、粉磨后，纳米氧化镁粉体的平均粒径位90-120nm。
优选地，步骤1.2中、加入油脂的量为占粉体质量的2-5％。
优选地，所述的减缩组分为质量比为1:1的十二烷基聚氧乙烯醚和丙二醇甲醚混合物。
优选地，所述的阳离子聚丙烯酰胺为低分子量阳离子聚丙烯酰胺，分子量为400-800万。
优选地，所述的油脂为季戊四醇油酸酯。
一种逐级膨胀液体膨胀剂，其特征在于，采用上述方法制备，制备采用的原料如下：
纳米氧化镁混合粉体：2.0～3.8份
丁醇：0.1～0.3份
二甲基硅油：0.1～0.3份
司盘80：0.3～0.6份
聚丙烯醇400：0.5～0.8份
减缩组分：4.2～5.5份
阳离子聚丙烯酰胺：
其余为水，总质量100份，固含量10％左右。
所述的纳米氧化镁混合粉体为质量比为1:0.5～0.8:0.3～0.6的700℃、900℃和1100℃烧成的纳米氧化镁粉体。
本发明的有益效果
1.本发明中将700℃、900℃和1100℃烧成的纳米氧化镁粉体按照一定比例进行复配，氧化镁熟料表层的季戊四醇油酸酯膜被水泥水化的碱性溶液分解后逐渐参与水化反应，氧化镁分子结构吸附水溶液中的氢氧根离子转化为氢氧化镁，产生体积膨胀，且水化膨胀速率与水泥体系中的硅酸三钙水化速率同期进行，本发明将氧化镁制备为纳米级别，相对比固体膨胀剂，可更为均匀分散至水化胶凝材料体系中，避免局部膨胀应力过大，不同水泥水化历程，不同煅烧温度烧成的纳米氧化镁在水泥水化碱性环境下持续膨胀，达到逐级膨胀的效果。
2.对氧化镁进行改性，粉磨至纳米级别的同时使氧化镁表面涂覆一层季戊四醇油酸酯，有效控制水化速度，减缓膨胀速率，提高在水溶液体系中的稳定性，使大部分膨胀发生在混凝土产生强度的塑性阶段，提高膨胀作用。
3.功能组分中二甲基硅油具有良好的渗透性能，可有效改善混凝土界面区域结构，提高混凝土的强度；司盘80为乳化剂，可有效分散液体膨胀剂中的各种溶质，避免聚集沉降，提高产品稳定性。阳离子聚丙烯酰胺通过静电效应吸附在其表面，提供空间位阻起到分散作用，同时作为保水组分，随着水化进行不断释放水分，为氧化镁水化提供水源，促使膨胀作用发生。
具体实施方式
一种逐级膨胀的液体膨胀剂制备方法，原料总质量为100份，固含量为10％左右，主要由以下组分制备而成：
700℃纳米氧化镁粉体：1.1份
900℃纳米氧化镁粉体：0.6份
1100℃纳米氧化镁粉体：0.3份
丁醇：0.1份
二甲基硅油：0.2份
司盘80：0.3份
聚丙烯醇400：0.5份
十二烷基聚氧乙烯醚：2.8份
丙二醇甲醚：2.8份
聚丙烯酰胺：1.5份
步骤一：称取1.1份700℃纳米氧化镁粉体、0.6份900℃纳米氧化镁粉体、0.3份1100℃纳米氧化镁粉体、0.1份丁醇、0.2份二甲基硅油、0.3份司盘80和90份水置于反应釜中，控制水浴温度在30℃，恒温搅拌1h。
步骤二：升高温度至50℃，往反应釜中依次加0.5份聚丙烯醇400、2.8份十二烷基聚氧乙烯醚和2.8份丙二醇甲醚，继续搅拌反应1h。
步骤三：加入1.5份阳离子聚丙烯酰胺，搅拌反应2h，反应结束后恒温熟化1h，冷却至室温即得高膨胀率液体膨胀剂。
实施例2
一种逐级膨胀的液体膨胀剂制备方法，原料总质量为100份，固含量为10％左右，主要由以下组分制备而成：
700℃纳米氧化镁粉体：1.0份
900℃纳米氧化镁粉体：0.8份
1100℃纳米氧化镁粉体：0.5份
丁醇：0.2份
二甲基硅油：0.3份
司盘80：0.3份
聚丙烯醇400：0.6份
十二烷基聚氧乙烯醚：2.6份
丙二醇甲醚：2.6份
聚丙烯酰胺：1.2份
步骤一：称取1.0份700℃纳米氧化镁粉体、0.8份900℃纳米氧化镁粉体、0.5份1100℃纳米氧化镁粉体、0.2份丁醇、0.3份二甲基硅油、0.3份司盘80和90份水置于反应釜中，控制水浴温度在40℃，恒温搅拌1h。
步骤二：升高温度至60℃，往反应釜中依次加0.6份聚丙烯醇400、2.6份十二烷基聚氧乙烯醚和2.6份丙二醇甲醚，继续搅拌反应1.5h。
步骤三：加入1.2份阳离子聚丙烯酰胺，搅拌反应1h，反应结束后恒温熟化1h，冷却至室温即得高膨胀率液体膨胀剂。
实施例3
一种逐级膨胀的液体膨胀剂制备方法，原料总质量为100份，固含量为10％左右，主要由以下组分制备而成：
700℃纳米氧化镁粉体：1.4份
900℃纳米氧化镁粉体：0.8份
1100℃纳米氧化镁粉体：0.5份
丁醇：0.3份
二甲基硅油：0.2份
司盘80：0.4份
聚丙烯醇400：0.7份
十二烷基聚氧乙烯醚：2.5份
丙二醇甲醚：2.5份
聚丙烯酰胺：1.0份
步骤一：称取1.4份700℃纳米氧化镁粉体、0.8份900℃纳米氧化镁粉体、0.5份1100℃纳米氧化镁粉体、0.3份丁醇、0.2份二甲基硅油、0.4份司盘80和90份水置于反应釜中，控制水浴温度在35℃，恒温搅拌1h。
步骤二：升高温度至55℃，往反应釜中依次加0.7份聚丙烯醇400、2.5份十二烷基聚氧乙烯醚和2.5份丙二醇甲醚，继续搅拌反应2h。
步骤三：加入1.0份阳离子聚丙烯酰胺，搅拌反应1.5h，反应结束后恒温熟化1h，冷却至室温即得高膨胀率液体膨胀剂。
实施例4
一种逐级膨胀的液体膨胀剂制备方法，原料总质量为100份，固含量为10％左右，主要由以下组分制备而成：
700℃纳米氧化镁粉体：1.3份
900℃纳米氧化镁粉体：0.9份
1100℃纳米氧化镁粉体：0.8份
丁醇：0.3份
二甲基硅油：0.2份
司盘80：0.4份
聚丙烯醇400：0.8份
十二烷基聚氧乙烯醚：2.4份
丙二醇甲醚：2.4份
聚丙烯酰胺：0.8份
步骤一：称取1.3份700℃纳米氧化镁粉体、0.9份900℃纳米氧化镁粉体、0.8份1100℃纳米氧化镁粉体、0.3份丁醇、0.2份二甲基硅油、0.4份司盘80和90份水置于反应釜中，控制水浴温度在30℃，恒温搅拌1h。
步骤二：升高温度至65℃，往反应釜中依次加0.8份聚丙烯醇400、2.4份十二烷基聚氧乙烯醚和2.4份丙二醇甲醚，继续搅拌反应1.5h。
步骤三：加入0.8份阳离子聚丙烯酰胺，搅拌反应1h，反应结束后恒温熟化1h，冷却至室温即得高膨胀率液体膨胀剂。
实施例5
一种逐级膨胀的液体膨胀剂制备方法，原料总质量为100份，固含量为10％左右，主要由以下组分制备而成：
700℃纳米氧化镁粉体：1.5份
900℃纳米氧化镁粉体：1.2份
1100℃纳米氧化镁粉体：0.7份
丁醇：0.1份
二甲基硅油：0.3份
司盘80：0.5份
聚丙烯醇400：0.6份
十二烷基聚氧乙烯醚：2.3份
丙二醇甲醚：2.3份
聚丙烯酰胺：0.9份
步骤一：称取1.5份700℃纳米氧化镁粉体、1.2份900℃纳米氧化镁粉体、0.7份1100℃纳米氧化镁粉体、0.1份丁醇、0.3份二甲基硅油、0.5份司盘80和90份水置于反应釜中，控制水浴温度在30℃，恒温搅拌1h。
步骤二：升高温度至70℃，往反应釜中依次加0.6份聚丙烯醇400、2.3份十二烷基聚氧乙烯醚和2.3份丙二醇甲醚，继续搅拌反应1h。
步骤三：加入0.9份阳离子聚丙烯酰胺，搅拌反应1h，反应结束后恒温熟化1h，冷却至室温即得高膨胀率液体膨胀剂。
实施例6
一种逐级膨胀的液体膨胀剂制备方法，原料总质量为100份，固含量为10％左右，主要由以下组分制备而成：
700℃纳米氧化镁粉体：1.8份
900℃纳米氧化镁粉体：0.9份
1100℃纳米氧化镁粉体：1.1份
丁醇：0.3份
二甲基硅油：0.1份
司盘80：0.6份
聚丙烯醇400：0.5份
十二烷基聚氧乙烯醚：2.1份
丙二醇甲醚：2.1份
聚丙烯酰胺：0.8份
步骤一：称取1.8份700℃纳米氧化镁粉体、0.9份900℃纳米氧化镁粉体、1.1份1100℃纳米氧化镁粉体、0.3份丁醇、0.1份二甲基硅油、0.6份司盘80和90份水置于反应釜中，控制水浴温度在40℃，恒温搅拌1h。
步骤二：升高温度至70℃，往反应釜中依次加0.5份聚丙烯醇400、2.1份十二烷基聚氧乙烯醚和2.1份丙二醇甲醚，继续搅拌反应2h。
步骤三：加入0.8份阳离子聚丙烯酰胺，搅拌反应2h，反应结束后恒温熟化1h，冷却至室温即得高膨胀率液体膨胀剂。
本发明实施例中，油脂改性的纳米氧化镁混合粉体方法如下：
(1)将某以温度条件下烧成的氧化镁与油脂按照质量比为9:1混合粉磨，得到氧化镁粉体平均粒径不大于150nm，一般为9-12nm，最优的为100nm左右。
(2)对氧化镁粉体按GB/T10299进行憎水性能测试，未达到憎水率98％的粉体加入占粉体质量2-5％的油脂，回炉继续粉磨，以增加憎水率，再次测试，直至憎水率不小于98％。
(3)按照比例混合700℃、900℃和1100℃烧成的纳米氧化镁粉体得到油脂改性后的纳米氧化镁混合粉体。
本实施例中所用油脂为季戊四醇油酸酯，化学式为C77H140O8。
力学性能测试
依据标准GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》的标准规定进行测试。限制膨胀率测试膨胀剂的限制澎湖在哪规律是膨胀剂产品的关键质量和技术指标，按照现行国家标准《混凝土膨胀剂》GB23439-2009规定的方法测定。
取本发明制得的实例1～6和对比样以相同批次，相同质量的水泥砂浆进行搅拌成型，将成型后的试件直接放入温度20℃、湿度为60％的养护箱内，16h拆模测量试件初始长度，然后放入水中养护按照龄期测试试条长度，计算膨胀率。
干缩率测试补偿收缩混凝土的限制膨胀率是工程设计指标，按照现行国家标准《混凝土外加剂应用技术规范》GB50119-2013规定的方法测定。
表1性能测定结果
根据表1数据可知，加入本发明混凝土膨胀剂制成的混凝土，其中实例3效果最佳，7d、28d强度最高，且水中和空气中膨胀率较高。本发明液体膨胀剂产生适度膨胀，补偿混凝土收缩，大幅度减少混凝土收缩而引起的裂缝，且持续稳定效果好，具有广阔的使用前景。
Claims (10)
1.一种逐级膨胀液体膨胀剂制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：称取2.0～3.8份经过油脂改性的纳米氧化镁混合粉体、0.1～0.3份丁醇、0.1～0.3份二甲基硅油、0.3～0.6份司盘80和90份水置于反应釜中，控制水浴温度在30～40℃，恒温搅拌1-2h；
步骤二：升高温度至50～70℃，往反应釜中依次加0.5～0.8份聚丙烯醇400和4.2～5.5份减缩组分，继续搅拌反应1～2h；
步骤三：加入0.8～1.5份阳离子聚丙烯酰胺，搅拌反应1～2h，反应结束后恒温熟化1-2h，冷却至室温即得高膨胀率液体膨胀剂。
2.如权利要求1所述逐级膨胀液体膨胀剂制备方法，其特征在于：所述的纳米氧化镁混合粉体为质量比为1:0.5～0.8:0.3～0.6的700℃、900℃和1100℃烧成的纳米氧化镁粉体混合而成。
3.如权利要求2所述逐级膨胀液体膨胀剂制备方法，其特征在于：所述油脂改性纳米氧化镁混合粉体的方法如下：
步骤1,1、将三种纳米氧化镁粉体分别按8～10:1比例与油脂混合粉磨；
步骤1.2、将粉磨后的纳米氧化镁粉体进行憎水性能测试，如果憎水率达到98％，则粉磨结束，否则加入油脂继续回炉粉磨；
步骤1.3、将三种粉磨后的粉体，即700℃、900℃和1100℃烧成的纳米氧化镁粉体混合完成油脂改性。
4.如权利要求3所述逐级膨胀液体膨胀剂制备方法，其特征在于：步骤1.1中、粉磨后，纳米氧化镁粉体的平均粒径不大于150nm。
5.如权利要求4所述逐级膨胀液体膨胀剂制备方法，其特征在于：步骤1.1中、粉磨后，纳米氧化镁粉体的平均粒径位90-120nm。
6.如权利要求4所述逐级膨胀液体膨胀剂制备方法，其特征在于：步骤1.2中、加入油脂的量为占粉体质量的2-5％。
7.如权利要求1所述逐级膨胀液体膨胀剂制备方法，其特征在于：所述的减缩组分为质量比为1:1的十二烷基聚氧乙烯醚和丙二醇甲醚混合物。
8.如权利要求1所述逐级膨胀液体膨胀剂制备方法，其特征在于：所述的阳离子聚丙烯酰胺为低分子量阳离子聚丙烯酰胺，分子量为400-800万。
9.如权利要求1-8任意一项所述逐级膨胀液体膨胀剂制备方法，其特征在于：所述的油脂为季戊四醇油酸酯。
10.一种逐级膨胀液体膨胀剂，其特征在于，采用权利要求9所述方法制备。
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