CN111646726A - 一种减少混凝土自生裂缝的晶种材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于属于建筑材料技术领域，是一种用于控制混凝土内结晶的晶种材料，该晶种材料构成的组分构成和质量份数为：高岭土40‑60份、ρ氧化铝8‑12份、硅粉或碳酸钙15‑18份、羧丙基甲基纤维素2‑5份、纤维40‑120份。制备方法是将羧丙基甲基纤维素和ρ氧化铝，放到粉体包覆机内搅拌，形成ρ氧化铝对羧丙基甲基纤维素包裹的粉体结构，再加入硅粉或碳酸钙进行包覆，形成硅粉或碳酸钙对ρ氧化铝对羧丙基甲基纤维素包裹体的包覆结构，然后将其加入高岭土中搅拌配制成粉料分成等份，再将纤维进行干燥除水处理、除静电处理、表层气体去除处理，分成与粉体相同的若干等份，然后把等分好的1份纤维和1份粉体装入同一防水包装袋内密封，逐份包装密封。该晶种材料加入混凝土后，有增加低膨胀钙矾石和降低氢氧化钙结晶，减少混凝土内生裂缝并提高密实度的作用。
Description
技术领域
本发明是一种用于控制混凝土内结晶的晶种材料，有增加低膨胀钙矾石和降低氢氧化钙结晶减少混凝土内生裂缝的作用，属于建筑材料技术领域。
背景技术
混凝土是常规的建筑材料，绝大多数是硅酸盐水泥与骨料及各种外加剂加水经过充分搅拌后，水化胶凝并结晶凝固粘结成固体形成的，其中结晶凝固过程有自生裂缝存在于混凝土内，是决定混凝土强度和耐腐蚀性的关键。
(1)水泥水化生成的氢氧化钙晶体形成裂缝
由于硅酸盐水泥在水化后形成起凝固加强作用的硅酸钙离子凝胶后，逐步结晶而形成稳定的固体硅酸钙化物，同时也产生了氢氧化钙结晶体。氢氧化钙是六方板状结晶体，晶体粗大，强度低、易与其他物质反应，是造成混凝土强度下降和产生裂缝的自生因素。氢氧化钙结晶比硅酸钙结晶后延，在硅酸钙结晶后氢氧化钙以水溶状态形成析出，在混凝土表面或者水泥与骨料的结合面存在较多，也分布在混凝土内部。
氢氧化钙的晶体粗大，强度低，结晶体与骨料的结合力较差，混凝土内部存在的氢氧化钙结晶体在外力作用下错位形成裂缝，是限制混凝土强度的重要因素。氢氧化钙不耐腐蚀，在混凝土表面存在易与空气和自然降雨中的二氧化碳、二氧化硫等有腐蚀作用的气体、液体接触容易脆化和分解，使原有的自生裂缝扩大，造成混凝土表面疏松和强度降低，导致渗水入内和剥落。
(2)水泥与石膏水化产生钙矾石的膨胀与收缩形成裂缝
硅酸盐水泥中的石膏是为了延缓混凝土凝固的物质，在水泥水化过程钙离子与石膏中的硫、铝形成钙矾石凝胶然后再结晶。钙矾石形成的结晶体有针状和柱状，针状结晶吸水率高膨胀较大，柱状结吸水膨胀较小。
混凝土中水泥与石膏水化过程的固相反应或原地反应大部分形成膨胀能较大的针状钙矾石，是混凝土早期膨胀和膨胀系数大的最主要原因，钙矾石膨胀大使混凝土膨胀也大，在混凝土凝固完成后又失水产生体积收缩，收缩过程由于混凝土凝固缺少可塑性，造成混凝土内因收缩力产生裂缝。钙矾石的适度膨胀是加大混凝土内压力，并使其结晶体对内生氢氧化钙裂缝进行填补，但是由于钙矾石的吸水膨胀大部分是在混凝土可塑性阶段发生，膨胀能被消除，无法对裂缝进行填补，反而为收缩产生出裂缝创造条件。
(3)现有技术没有解决混凝土结晶产生的内生性裂缝问题
现有的技术路线主要是采用添加减水剂，使混凝土处于一种缺水状态，减少钙矾石的吸水量，也就相应减少了混凝土的较大膨胀。这种技术路线没有从根本上解决混凝土自生的氢氧化钙裂缝和膨胀-干缩裂缝的发生，而且由于减水剂的添加使混凝土内部处于缺水状态，也影响水泥的充分水化，而且养护不当会导致混凝土温度过度升高再度发生膨胀，甚至造成钙矾石的再分解，以及不能形成钙铝硅凝胶微晶体在内压下向高硬度镏石固相转化，直接影响了混凝土后期强度。现有混凝土制备采取的添加粉煤灰、矿渣也是以降低水灰比实现相对减水，但是这种方式不能减少早期的膨胀能损失。
有公开号CN106986575A“一种高效混凝土性能增强添加剂及其制备方法”和CN105819733A“一种混凝土抗裂抗渗专用添加剂及其制备方法”等专利技术提出了一个加入外加剂治理内生性裂缝的技术路线，基本内容是采用了添加羧甲基纤维素钠、肽酸磷酸酯等偶联剂，和重钙粉、聚酯纤维、氧化锌等混合制成添加剂加入混凝土内。该技术路线把混凝土自生裂缝看做是混凝土中气体逸出造成的，用偶联剂填充混凝土界面上的微空隙和增强界面间的结合力，吸收部分混凝土成型过程中的水热化；采用的氧化锌粉，在混凝土的初凝过程中，与水及酸、碱性物质中和，逐渐地分离氢与氧，使之成为气，从混凝土中排出，同时带走部分水化热，减少温度收缩裂缝的产生；以聚酯纤维是在混凝土膨胀时起到一定的拉拽作用，碳粉体包裹保水剂产生缓释提高混凝土凝固后的水含有量，来解决凝固后水分无法流动而缺失，限制内部温度升高造成的再次膨胀，达到减少裂缝实现防漏抗渗。该技术路线没有解决氢氧化钙和钙矾石膨胀-收缩产生的原发性内生裂缝。
有公开号CN105731859A的“一种内掺型渗透结晶防水材料的制备方法”专利技术提出了一种内掺型渗透结晶防水材料加入混凝土内提高结构性抗渗透性能，主要内容是加入硅酸盐、纳米级的粉煤灰和矿渣、氢氧化物、硫酸盐、水解呈酸性胶体物质的有机盐络合剂，以及减水剂、憎水剂、流变剂、调稠剂等外加剂制备的一种材料。该技术路线是以氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化镁、氢氧化钾等氢氧化物同七水硫酸亚铁、十二水硫酸铝钾、五水硫代硫酸钠、硫酸钾、五水硫酸铜、七水硫酸锌等硫酸盐在混凝土的含水搅拌环境下发生反应，并通过乙二胺四乙酸盐、三乙醇胺、六偏磷酸钠、乙二胺四甲叉膦酸钠、二乙烯三胺五甲叉膦酸盐、氨基三甲叉膦酸盐、酒石酸等络合物产生新的硫酸钙盐，对混凝土中的自生裂缝进行填充。该专利技术没有解决氢氧化钙和钙矾石膨胀-收缩产生的原发性内生裂缝，而且加入的氢氧化物在不完全水溶的情况下产生留存，或者水溶后随氢氧化钙等还原成氢氧化物析出，所产生的晶体也是无强度的，能够起到填充裂缝的作用，但是不能对混凝土有增强效果，反而易受腐蚀和降低混凝土强度，在外压力下结晶破裂形成混凝土内生裂缝。
发明内容
晶体的形状与诱导结晶的晶种和结晶所处的能量状态密切相关。常规的混凝土中钙矾石的结晶是从加入水后形成小的离子团聚颗粒的低能量反应开始，由于吸水膨胀造成微粒之间间距较大，只能在较低能量形成微粒间拉伸结晶，造成多是针状结晶。促使混凝土内水泥水化凝胶中产生一定的晶种团聚并具备较高的活性，使钙矾石的结晶初始在较高的能量水平，则晶种诱导成型的结晶体为膨胀较小的柱状晶体，也就可以诱导混凝土内的钙矾石柱状结晶增多，降低了混凝土的较大膨胀，消减了混凝土内生的裂缝。另外，控制水泥水化生成的氢氧化钙与水泥中的结晶环境和物质，转化形成与混凝土同质的高强度、微晶粒的铝硅酸钙、硅酸钙类结晶，减少氢氧化钙的粗大结晶体含量，也减少了混凝土内生的裂缝。
本发明所解决的技术问题是在混凝土中加入晶种材料，并通过团聚措施使晶种处于较高的反应能量环境中，诱导柱状钙矾石晶体增加，相对减少针状钙矾石晶体，通过降低混凝土膨胀和收缩幅度减少内生的裂缝。同时加入的晶种也为水化生成的氢氧化钙提供二次铝硅酸结合的环境，形成新的铝硅酸钙、硅酸钙类结晶，减少氢氧化钙造成的混凝土内生裂缝。
本发明的晶种材料构成的组分构成和质量份数：
上述组分构成物质中：
高岭土为无水煅烧高岭土，粒度＜2μm，其中氧化铝和氧化硅相加的质量含量＞80％、铝硅比为1.5∶1、镁元素＜0.2ppm。
ρ氧化铝粒度＜5μm，纯度＞98％，无结晶水。
硅粉或碳酸钙的粒度＜4μm，纯度＞96％，其中钠元素＜1ppm、镁元素＜0.2ppm。
羧丙基甲基纤维素粒度在20-35μm之间。
纤维的长度为6-12mm，直径＜30μm，材质为植物纤维的棉、麻中的一种或者两种混合，或者为有机纤维的丙纶、涤纶、锦纶、腈纶中的一种，或者为无机物纤维中氧化铝纤维、玄武岩纤维、氧化硅纤维中的一种或两种以上混合，或者为复合材料的玻璃纤维。根据纤维材质的比重不同对质量份数进行调整，比重大的纤维添加质量份数较多，比重小的纤维添加质量份数较少。
本发明的晶种材料制备方法步骤是：
(1)将羧丙基甲基纤维素和ρ氧化铝，放到粉体包覆机内搅拌，形成ρ氧化铝对羧丙基甲基纤维素包裹的粉体结构，再加入硅粉或碳酸钙进行包覆，形成硅粉或碳酸钙对ρ氧化铝对羧丙基甲基纤维素包裹体的包覆结构。取出放置容器内待用。
(2)将高岭土放入搅拌器进行搅拌，搅拌过程逐渐放入制备好的硅粉或碳酸钙-ρ氧化铝-羧丙基甲基纤维素构成的包覆粉料，搅拌均匀后将混合好的粉体称重分成若干等分。
(3)将纤维进行干燥除水处理、除静电处理、表层气体去除处理，分成与粉体相同的若干等份。
(4)将等分好的1份纤维和1份粉料放入一个防水包装袋内密封，逐份完成包装。
晶种材料制备在干燥条件下进行，设备内部和环境的湿度＜30％。
本发明的晶种材料在混凝土搅拌时加入，加入量原则为1m3基准混凝土添加1-1.5kg晶种材料，执行混凝土的搅拌时间，并将混凝土减水剂常规添加量减少20％-35％。晶种材料里高岭土、ρ氧化铝均起到与钙离子反应结晶的晶种作用，纤维起到晶枝聚合作用，并因高岭土中同步有铝-钙、硅-钙元素的区域结合而形成高能量团使钙矾石形成的能量增加，使早期也出现较多的柱状钙矾石结晶并诱发混凝土内形成更多的柱状钙矾石，相对减少针状钙矾石，降低混凝土的膨胀。硅粉或碳酸钙-ρ氧化铝-羧丙基甲基纤维素构成的包覆粉料在混凝土搅拌中包裹的硅粉层起到水与ρ氧化铝延时水化作用的效果，并且因羧丙基甲基纤维素保水性而黏度增强，反应能量也加大，延时水化的ρ氧化铝与水泥水化生成的氢氧化钙水溶物析出相结合，对析出的氢氧化钙结合成为铝硅酸钙、铝酸钙结晶并对混凝土内形成结晶诱导而全面降低氢氧化钙的含量。高岭土也与水泥水化形成的氢氧化钙中的钙离子结合，形成了铝硅酸钙等高强度结晶物，减少了氢氧化钙的析出，使水泥与骨料结合密切，混凝土表层泛碱现象减少，防腐蚀增强。由于减水剂的减少，混凝土内含水量相对加大，降低了混凝土的凝固收缩，也降低了混凝土内部的温度，而且混凝土内硅-铝-钙结晶水合物的增多也容易在混凝土内在长期内压下逐渐生成铝硅榴石状，大大提高混凝土长期的强度。
本发明的晶种材料在混凝土中使用降低了混凝土的内生裂缝，现国家规定的基准混凝土单位面积上的总开裂面积(早期抗裂实验)指标为330mm2/m2，加入本晶种材料的混凝土单位面积上的总开裂面积(早期抗裂实验)指标＜50mm2/m2，不仅增加了混凝土密实性，而且提高了混凝土强度和耐腐蚀性。
具体实施方法
晶种材料制备在干燥条件下进行，设备内部和环境的湿度＜30％。
按条件制备以下物料：
高岭土为无水煅烧高岭土，粒度＜2μm，其中氧化铝和氧化硅相加的质量含量＞80％、铝硅比为1.5∶1、镁元素＜0.2ppm。
ρ氧化铝粒度＜5μm，纯度＞98％，无结晶水。
硅粉或碳酸钙的粒度＜4μm，纯度＞96％，其中钠元素＜1ppm、镁元素＜0.2ppm。
羧丙基甲基纤维素粒度在20-35μm之间。
实例1
(1)按质量份计，将4份羧丙基甲基纤维素和10份ρ氧化铝，放到粉体包覆机内搅拌，形成ρ氧化铝对羧丙基甲基纤维素包裹的粉体结构，再加入16份硅粉或碳酸钙进行搅拌，形成硅粉或碳酸钙对ρ氧化铝对羧丙基甲基纤维素包裹体的包覆结构。取出放置容器内待用。
(2)将50份高岭土放入搅拌器进行搅拌，搅拌过程逐渐放入制备好的硅粉或碳酸钙-ρ氧化铝-羧丙基甲基纤维素构成的包覆粉料，搅拌均匀后将粉体称重分成40等份。
(3)取40份棉纤维，切成8mm的短纤维，进行干燥除水处理、除静电处理、表层气体去除处理，分成40等份。
(4)将等分好的1份纤维和1份混合好的粉料放入一个防水包装袋内密封，逐份完成包装。
实例2
(1)按质量份计，将3份羧丙基甲基纤维素和10份ρ氧化铝，放到粉体包覆机内搅拌，形成ρ氧化铝对羧丙基甲基纤维素包裹的粉体结构，再加入17份硅粉或碳酸钙进行搅拌，形成硅粉或碳酸钙对ρ氧化铝对羧丙基甲基纤维素包裹体的包覆结构。取出放置容器内待用。
(2)将60份高岭土放入搅拌器进行搅拌，搅拌过程逐渐放入制备好的硅粉或碳酸钙-ρ氧化铝-羧丙基甲基纤维素构成的包覆粉料，搅拌均匀后将粉体称重分成45等份。
(3)取90份丙纶纤维，切成10mm的短纤维，进行干燥除水处理、除静电处理、表层气体去除处理，再分成45等份。
(4)将等分好的1份纤维和1份混合好的粉料放入一个防水包装袋内密封，逐份完成包装。
实例3
(1)按质量份计，将5份羧丙基甲基纤维素和10份ρ氧化铝，放到粉体包覆机内搅拌，形成ρ氧化铝对羧丙基甲基纤维素包裹的粉体结构，再加入20份硅粉或碳酸钙进行搅拌，形成硅粉或碳酸钙对ρ氧化铝对羧丙基甲基纤维素包裹体的包覆结构。取出放置容器内待用。
(2)将55份高岭土放入搅拌器进行搅拌，搅拌过程逐渐放入制备好的硅粉或碳酸钙-ρ氧化铝-羧丙基甲基纤维素构成的包覆粉料，搅拌均匀后将粉体称重分成60等份。
(3)取120份玄武岩纤维，切成12mm的短纤维，进行干燥除水处理、除静电处理、表层气体去除处理，再分成60等份。
(4)将等分好的1份纤维和1份混合好的粉料放入一个防水包装袋内密封，逐份完成包装。
Claims (7)
1.一种减少混凝土自生裂缝的晶种材料及其制备方法，其特征是，晶种材料的组分构成和质量份数为：
2.一种减少混凝土自生裂缝的晶种材料及其制备方法，其特征是，晶种材料制备方法包括以下步骤：
(1)将羧丙基甲基纤维素和ρ氧化铝，放到粉体包覆机内搅拌，形成ρ氧化铝对羧丙基甲基纤维素包裹的粉体结构，再加入硅粉或碳酸钙进行包覆，形成硅粉或碳酸钙对ρ氧化铝对羧丙基甲基纤维素包裹体的包覆结构；
(2)将高岭土放入搅拌器进行搅拌，搅拌过程逐渐放入制备好的硅粉或碳酸钙-ρ氧化铝-羧丙基甲基纤维素构成的包覆粉料，搅拌均匀后将混合好的粉体称重分成若干等分；
(3)将纤维进行干燥除水处理、除静电处理、表层气体去除处理，分成与粉体相同的若干等份；
(4)将等分好的1份纤维和1份粉料放入一个防水包装袋内密封，逐份完成包装。
3.根据权利要求1所述的一种减少混凝土自生裂缝的晶种材料及其制备方法，其特征在于，高岭土为无水煅烧高岭土，粒度＜2μm，其中氧化铝和氧化硅相加的质量含量＞80％、铝硅比为1.5∶1、镁元素＜0.2ppm。
4.根据权利要求1所述的一种减少混凝土自生裂缝的晶种材料，其特征在于，ρ氧化铝粒度＜5μm，纯度＞98％，无结晶水。
5.根据权利要求1所述的一种减少混凝土自生裂缝的晶种材料及其制备方法，其特征在于，硅粉或碳酸钙的粒度＜4μm，纯度＞96％，其中钠元素＜1ppm、镁元素＜0.2ppm。
6.根据权利要求1所述的一种减少混凝土自生裂缝的晶种材料及其制备方法，其特征在于，羧丙基甲基纤维素粒度在20-35μm之间。
7.根据权利要求1所述的一种减少混凝土自生裂缝的晶种材料及其制备方法，其特征在于，纤维的长度为6-12mm，直径＜30μm，材质为植物纤维的棉、麻中的一种或者两种混合，或者为有机纤维的丙纶、涤纶、锦纶、腈纶中的一种，或者为无机物纤维中氧化铝纤维、玄武岩纤维、氧化硅纤维中的一种或两种以上混合，或者为复合材料的玻璃纤维。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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