CN111018394A - Uhpc预制构件用纳米晶核材料及其制备和应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了UHPC预制构件用纳米晶核材料及其制备和应用方法，所述制备方法包括以下步骤：S1、通入保护气体，加入甲基烯丙基聚氧乙烯基醚和去离子水搅拌至溶解，一次性加入双氧水，再滴加丙烯酸、抗坏血酸与巯基丙酸的去离子水混合溶液，保温并调节pH值至6.5‑7.5得到聚羧酸分散稳定剂；S2、同时加入四水硝酸钙的去离子水溶液、五水偏硅酸钠的去离子水溶液，保持反应体系pH值为11.0‑11.5，搅拌得到纳米晶核悬浮液；S3、离心分离和冷冻干燥得UHPC预制构件用纳米晶核材料，本发明提供的UHPC预制构件用纳米晶核材料掺入超高性能混凝土中可有效提高其拌合物流动性；显著提高超高性能混凝土的早期强度，可大大缩短UHPC预制构件带模养护时间，提高模具周转率和施工效率。

Description

UHPC预制构件用纳米晶核材料及其制备和应用方法
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，具体地指UHPC预制构件用纳米晶核材料及其制备和应用方法。
背景技术
超高性能混凝土(UHPC)是一种具有超高力学性能和优异耐久性的新型水泥基材料，在桥梁工程中，使用超高性能混凝土可减小桥梁结构截面尺寸，降低桥梁结构自重，增大桥梁极限跨度和宽度，利于装配化施工；超高性能混凝土用于钢混组合结构桥梁中，可利用其高强特性，提升与钢结构的协同工作性能，还能解决结构负弯矩区易于开裂的难题，超高性能混凝土在实际工程中的应用已经表明可以较大幅度地减少钢材的用量；对位于海洋等恶劣环境下的桥梁，超高性能混凝土还可显著提高使用寿命等。
但目前超高性能混凝土预制构件在桥梁工程中应用并不广泛，在装配化建筑领域更是少之又少，主要原因是其超高的胶材用量和超低的水胶比设计，使得超高性能混凝土拌合物中水泥水化不充分，早强性能差，超高性能混凝土预制构件生产时，带模养护时间长，模具周转率低，施工效率低，大大限制了超高性能混凝土预制构件在装配化建筑领域的应用与发展。
发明内容
本发明提供UHPC预制构件用纳米晶核材料及其制备和应用方法，可以显著提高超高性能混凝土的早期强度也不影响28天及后续强度的增长。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，超高性能混凝土预制构建用纳米晶核材料的制备方法，其包括如下步骤：
S1、向反应釜中通入保护气体，加入甲基烯丙基聚氧乙烯基醚和去离子水搅拌至完全溶解，加入双氧水，再滴加丙烯酸、抗坏血酸与巯基丙酸的去离子水混合溶液，在20℃-50℃条件下保温反应并调节pH值至6.5-7.5得到聚羧酸分散稳定剂，所述甲基烯丙基聚氧乙烯基醚、丙烯酸、双氧水、抗坏血酸、巯基丙酸的摩尔比为(3.5-4.5):1:(0.18-0.33):(0.015-0.036):(0.08-0.15)，所述甲基烯丙基聚氧乙烯基醚的平均相对分子质量范围为2000-2700；
S2、在制得的聚羧酸分散稳定剂中同时加入四水硝酸钙的去离子水溶液、五水偏硅酸钠的去离子水溶液，保持反应体系pH值为11.0-11.5，搅拌得到纳米晶核悬浮液，所述四水硝酸钙、五水偏硅酸钠、聚羧酸分散稳定剂的摩尔比为1.5:1.0:0.0036，所述聚羧酸分散稳定剂的平均相对分子量范围为20000-40000；
S3、将纳米晶核悬浮液进行离心分离和冷冻干燥即得灰白色粉末状的UHPC预制构件用纳米晶核材料。
优选的是，步骤S1的起始反应温度为5-35℃，即在5-35℃温度条件下向反应釜中通入保护气体，加入甲基烯丙基聚氧乙烯基醚和去离子水搅拌至完全溶解，一次性加入双氧水，再滴加丙烯酸、抗坏血酸与巯基丙酸的去离子水混合溶液。
优选的是，所述保护气体可以为N2或惰性气体。
优选的是，所述滴加时间为2-3h。
优选的是，所述保温时间为1-3h。
本发明还提供了应用如上所述的制备方法制备的UHPC预制构件用纳米晶核材料。
本发明还提供了应用如上所述的UHPC预制构件用纳米晶核材料的方法，以胶材用量的1wt.‰-3wt.‰掺入超高性能混凝土中。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明提供的UHPC预制构件用纳米晶核材料掺入超高性能混凝土中，由于形成的C-S-H纳米颗粒表面的聚羧酸分子已达到吸附饱和，对超高性能混凝土拌合物中的减水剂分子不会产生额外吸附，不影响超高性能混凝土拌合物的和易性和工作性，相反，还能起到一定的滚珠作用，有效提高超高性能混凝土拌合物的流动性；
2、本发明提供的UHPC预制构件用纳米晶核材料以胶材用量的1wt.‰-3wt.‰掺入超高性能混凝土中，添加纳米晶核材料1天后超高性能混凝土的抗压和抗折强度均可提高50％以上，能显著提高超高性能混凝土的早期强度，可大大缩短超高性能混凝土预制构件带模养护时间，提高模具周转率和施工效率；
3、本发明制备方法工艺简单，条件易控制，可操作性高。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
25℃温度条件下，向反应釜中通入惰性气体作为保护气体，加入平均相对分子质量为2000的甲基烯丙基聚氧乙烯基醚和去离子水搅拌至完全溶解，然后一次性加入双氧水，再开始滴加丙烯酸、抗坏血酸与巯基丙酸的去离子水混合溶液，滴加2.0h后在40℃温度条件下保温反应1.5h，调节pH值为6.5-7.5得到聚羧酸分散稳定剂，测得其平均相对分子质量为20843；其中甲基烯丙基聚氧乙烯基醚、丙烯酸、双氧水、抗坏血酸、巯基丙酸的摩尔比为3.5:1:0.18:0.015:0.08。
向上述聚羧酸分散稳定剂中同时加入四水硝酸钙的去离子水溶液、五水偏硅酸钠的去离子水溶液，保持反应体系pH值为11.0-11.5，搅拌24h后进行离心分离和冷冻干燥即得灰白色粉末状的UHPC预制构件用纳米晶核材料N1；其中，四水硝酸钙、五水偏硅酸钠、聚羧酸分散稳定剂的摩尔比为0.8:1.0:0.002。
实施例2
35℃温度条件下，向反应釜中通入N2作为保护气体，先加入平均相对分子质量为2000的甲基烯丙基聚氧乙烯基醚和去离子水搅拌至完全溶解，然后一次性加入双氧水，再开始滴加丙烯酸、抗坏血酸与巯基丙酸的去离子水混合溶液，滴加2.5h在50℃温度条件下保温反应1.5h，加入KOH调节pH值为6.5-7.5得到聚羧酸分散稳定剂，测得其平均相对分子质量为24375；其中甲基烯丙基聚氧乙烯基醚、丙烯酸、双氧水、抗坏血酸、巯基丙酸的摩尔比为3.5:1:0.21:0.02:0.1。
向上述聚羧酸分散稳定剂中同时加入四水硝酸钙的去离子水溶液、五水偏硅酸钠的去离子水溶液，保持反应体系pH值为11.0-11.5，搅拌24h后进行离心分离和冷冻干燥即得灰白色粉末状的UHPC预制构件用纳米晶核材料N2；其中，四水硝酸钙、五水偏硅酸钠、聚羧酸分散稳定剂的摩尔比为1.0:1.0:0.0025。
实施例3
15℃温度条件下，向反应釜中通入惰性气体作为保护气体，先加入平均相对分子质量为2400的甲基烯丙基聚氧乙烯基醚和去离子水搅拌至完全溶解，然后一次性加入双氧水，再开始滴加丙烯酸、抗坏血酸与巯基丙酸的去离子水混合溶液，滴加2.5h后在30℃温度条件下保温反应1.5h，加入液碱调节pH值为6.5-7.5得到聚羧酸分散稳定剂，测得其平均相对分子质量为28962；其中甲基烯丙基聚氧乙烯基醚、丙烯酸、双氧水、抗坏血酸、巯基丙酸的摩尔比为4.0:1:0.25:0.025:0.1。
向上述聚羧酸分散稳定剂中同时加入四水硝酸钙的去离子水溶液、五水偏硅酸钠的去离子水溶液，保持反应体系pH值为11.0-11.5，搅拌24h后进行离心分离和冷冻干燥即得灰白色粉末状的UHPC预制构件用纳米晶核材料N3；其中，四水硝酸钙、五水偏硅酸钠、聚羧酸分散稳定剂的摩尔比为1.2:1.0:0.003。
实施例4
30℃温度条件下，向反应釜中通入N2作为保护气体，先加入平均相对分子质量为2400的甲基烯丙基聚氧乙烯基醚和去离子水搅拌至完全溶解，然后一次性加入双氧水，再开始滴加丙烯酸、抗坏血酸与巯基丙酸的去离子水混合溶液，滴加3.0h后在45℃温度条件下保温反应1.0h，加入液碱调节pH值为6.5-7.5范围内得到聚羧酸分散稳定剂，测得其平均相对分子质量为32586；其中甲基烯丙基聚氧乙烯基醚、丙烯酸、双氧水、抗坏血酸、巯基丙酸的摩尔比为4.0:1:0.28:0.03:0.12。
向上述聚羧酸分散稳定剂中同时加入四水硝酸钙的去离子水溶液、五水偏硅酸钠的去离子水溶液，保持反应体系pH值为11.0-11.5，搅拌24h后进行离心分离和冷冻干燥即得灰白色粉末状的UHPC预制构件用纳米晶核材料N4；其中，四水硝酸钙、五水偏硅酸钠、聚羧酸分散稳定剂的摩尔比为1.5:1.0:0.0036。
实施例5
20℃温度条件下，向反应釜中通入N2作为保护气体，先加入平均相对分子质量为2700的甲基烯丙基聚氧乙烯基醚和去离子水搅拌至完全溶解，然后一次性加入双氧水，再开始滴加丙烯酸、抗坏血酸与巯基丙酸的去离子水混合溶液，滴加2.5h后在35℃温度条件下保温反应1.5h，加入液碱调节pH值为6.5-7.5得到聚羧酸分散稳定剂，测得其平均相对分子质量为36217；其中甲基烯丙基聚氧乙烯基醚、丙烯酸、双氧水、抗坏血酸、巯基丙酸的摩尔比为4.5:1:0.3:0.033:0.12。
向上述聚羧酸分散稳定剂中同时加入四水硝酸钙的去离子水溶液、五水偏硅酸钠的去离子水溶液，保持反应体系pH值为11.0-11.5，搅拌24h后进行离心分离和冷冻干燥即得灰白色粉末状的UHPC预制构件用纳米晶核材料N5；其中，四水硝酸钙、五水偏硅酸钠、聚羧酸分散稳定剂的摩尔比为1.8:1.0:0.0042。
实施例6
5℃温度条件下，向反应釜中通入N2作为保护气体，先加入平均相对分子质量为2700的甲基烯丙基聚氧乙烯基醚和去离子水搅拌至完全溶解，然后一次性加入双氧水，再开始滴加丙烯酸、抗坏血酸与巯基丙酸的去离子水混合溶液，滴加3.0h后在20℃温度条件下保温反应1.0h，加入液碱调节pH值为6.5-7.5得到聚羧酸分散稳定剂，测得其平均相对分子质量为39124；四水硝酸钙、五水偏硅酸钠、聚羧酸分散稳定剂的摩尔比为2.0:1.0:0.0048。
向上述聚羧酸分散稳定剂中同时加入四水硝酸钙的去离子水溶液、五水偏硅酸钠的去离子水溶液，保持反应体系pH值为11.0-11.5，搅拌24h后进行离心分离和冷冻干燥即得灰白色粉末状的UHPC预制构件用纳米晶核材料N6；其中四水硝酸钙、五水偏硅酸钠、聚羧酸分散稳定剂的摩尔比为1.5:1.0:0.0036。
试验采用的超高性能混凝土的原料配合比为：水泥15.0kg，硅灰6.0kg，粗砂6.0kg，中砂12.0kg，细砂3.0kg，钢纤维3.5kg，拌合水3.57kg，外加剂折固后的质量为0.42kg，纳米晶核材料0.021kg；空白对照组采用与实施例1-6相同的超高性能混凝土的原料配合比，但未添加纳米晶核材料。
将空白组和本发明实施例1～6的UHPC预制构件用纳米晶核材料按照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试其初始扩展度及经时损失，并按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试其不同龄期的抗压、抗折强度，测试结果见表1。
表1测试结果
Figure BDA0002270136470000061
由表1可知，与未掺纳米晶核材料的空白组相比，掺有本发明实施例1～6制备的纳米晶核材料的超高性能混凝土的流动性更高；掺入纳米晶核材料1天后超高性能混凝土的抗压强度和抗折强度增长率均达到50％以上，说明该材料能够通过诱导结晶作用促进水泥水化，大大提高超高性能混凝土的早期强度，可有效缩短超高性能混凝土预制构件带模养护时间，提高模具周转率和施工效率；掺入纳米晶核材料28天后超高性能混凝土的抗压抗折强度均高于空白组，说明纳米晶核材料的掺入不影响UHPC预制构件硬化后期的性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，本说明书中未详细说明的内容为本领域普通技术人员公知的现有技术，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.UHPC预制构件用纳米晶核材料的制备方法，其特征在于，包括如下以下步骤：
S1、向反应釜中通入保护气体，加入甲基烯丙基聚氧乙烯基醚和去离子水搅拌至完全溶解，一次性加入双氧水，再滴加丙烯酸、抗坏血酸与巯基丙酸的去离子水混合溶液，在20℃-50℃条件下保温反应并调节pH值至6.5-7.5得到聚羧酸分散稳定剂，所述甲基烯丙基聚氧乙烯基醚、丙烯酸、双氧水、抗坏血酸、巯基丙酸的摩尔比为(3.5-4.5):1:(0.18-0.33):(0.015-0.036):(0.08-0.15)，所述甲基烯丙基聚氧乙烯基醚的平均相对分子质量范围为2000-2700；
S2、在制得的聚羧酸分散稳定剂中同时加入四水硝酸钙的去离子水溶液、五水偏硅酸钠的去离子水溶液，保持反应体系pH值为11.0-11.5，搅拌得到纳米晶核悬浮液，所述四水硝酸钙、五水偏硅酸钠、聚羧酸分散稳定剂的摩尔比为(0.8-2.0):1.0:(0.002-0.0048)，所述聚羧酸分散稳定剂的平均相对分子量范围为20000-40000；
S3、将纳米晶核悬浮液进行离心分离和冷冻干燥即得灰白色粉末状的UHPC预制构件用纳米晶核材料。
2.根据权利要求1所述的UHPC预制构件用纳米晶核材料的制备方法，其特征在于，步骤S1的起始反应温度为5-35℃。
3.根据权利要求2所述的UHPC预制构件用纳米晶核材料的制备方法，其特征在于，所述保护气体可以为N2或惰性气体。
4.根据权利要求2所述的UHPC预制构件用纳米晶核材料的制备方法，其特征在于，所述滴加时间为2-3h。
5.根据权利要求2所述的UHPC预制构件用纳米晶核材料的制备方法，其特征在于，所述保温时间为1-3h。
6.应用权利要求1-5任一项所述的制备方法制备的UHPC预制构件用纳米晶核材料。
7.应用权利要求6所述的UHPC预制构件用纳米晶核材料的方法，其特征在于，以胶材用量的1wt.‰-3wt.‰掺入超高性能混凝土中。
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