CN112456845A - 一种水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂的制备和应用，所述水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂由膦酸基分散剂为模板，磨细硅酸盐水泥熟料为成核物质所组成。通过分散剂中多膦酸基作为水化C‑S‑H的锚固基团，聚乙二醇单甲醚(MPEG)长链提供空间位阻效应，从而起到稳定分散及控制晶核尺寸的作用，避免晶核悬浮液的聚沉。所制备的水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂的晶核粒径可达到30～120nm范围内，具有更突出的早强性能，同时能有效缩短混凝土的初、终凝时间。自然养护条件下，6h混凝土强度可达15MPa以上。

Description

一种水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂及其应用
技术领域
本发明涉及混凝土助剂领域，具体涉及一种水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂及其应用。
背景技术
提高水泥混凝土早期强度一直是许多混凝土应用追求的重要指标。近年来，装配式建筑、城市管廊的发展大大推动了预制混凝土产业的发展。为了快速达到拆模强度(≥15MPa)，缩短模具周转周期，预制构件多采用蒸汽养护或蒸压养护的方式以促进混凝土早期强度的快速发展，但蒸养操作不当，反而会使蒸养混凝土产生质量缺陷，同时蒸养增加了生产成本，也不利于环境友好。
近些年，将纳米材料如纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、C-S-H晶核等用于提高混凝土的早期强度有望替代传统有机、无机类早强产品的使用。其中又以C-S-H晶核的早强性能最佳，它能显著降低水化产物析出的能量势垒，使过饱和溶液迅速析出晶体，致使液相中水化产物的浓度降低，因而加速水泥水化，具有优异的超早强及低温早强效果，且不会引起钢筋锈蚀，不影响混凝土工作性及耐久性，可真正实现预制混凝土免蒸养生产工艺。
现有技术大多利用可溶性钙盐、可溶性硅盐作为成核组分，以梳型聚合物作为分散剂来制备C-S-H晶核早强剂。但此类晶核早强剂所用钙源、硅源成本高，而且所制备的晶核粒径较大(粒径仅能达到100-500nm)，单位体积晶核数量较少，促水泥水化速率较慢，超早强性能和促凝效果仍存在不足，同时晶核容易出现团聚现象，无法长期稳定存储，制约了其在混凝土行业推广应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂，包含以下重量份的成分：硅酸盐水泥熟料10～25份和膦酸基分散剂10～45份；所述膦酸基分散剂的结构式如式(Ⅰ)所示：
Figure BDA0002834361240000021
上述膦酸基分散剂优势在于，膦酸基分散剂的磷酸基较羧基具有更好的络合吸附能力，通过植酸与聚乙二醇单甲醚(MPEG)的结合，以植酸中多磷酸基作为水泥熟料水化C-S-H的锚固基团，聚乙二醇单甲醚(MPEG)提供空间位阻效应，从而起到稳定分散C-S-H晶核的目的。同时膦酸基分散剂分子量低，较聚合物分散剂具有更小的位阻，在水溶液中能够更快地吸附到C-S-H表面，有效控制悬浮液中晶核粒径。
优选地，所述磨细硅酸盐水泥熟料主要成分为硅酸钙晶体，粒径分布范围在400nm～900nm。
硅酸盐水泥熟料在水溶液中快速水化形成纳米级水化硅酸钙晶核，并与加入的膦酸基分散剂形成稳定悬浮液，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。
本发明提供了上述膦酸基分散剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：将植酸(PA)和聚乙二醇单甲醚(MPEG)在绝氧条件下于105～120℃进行酯化5～8小时。
优选地，所述植酸和聚乙二醇单甲醚(MPEG)的摩尔比为1：(1～3)。
优选地，所述聚乙二醇单甲醚(MPEG)分子量为600～2000。
优选地，所述聚乙二醇单甲醚(MPEG)分子量为600、750、1000、2000中的一种。
本发明还提供了上述水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)以计量的膦酸基分散剂作为底物，加水调节底物中的膦酸基分散剂的含固量为25％～40％；用碱调节pH为8～10；
(2)在低温条件下，采用筛漏方式，于3～5小时内缓缓加入粒径为400nm～900nm的硅酸盐水泥熟料，搅拌速率为800～1000r/min，熟料加入完毕后继续搅拌2～10小时，得到水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂。
优选地，所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、三乙胺、三乙醇胺、三异丙醇胺中的至少一种。
优选地，所述低温条件为5～10℃。
本发明还提供了一种上述水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂在改善预制构件混凝土早期强度和凝结时间方面的应用。
本发明还提供一种混凝土，所述混凝土包括上述任一所述水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂，如上述任一所述水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂占所述混凝土的重量比为0.1％～0.8％。
本发明的有益效果为：通过植酸与聚乙二醇单甲醚(MPEG)的结合制备分散剂，以多磷酸基作为水泥熟料水化C-S-H的锚固基团，聚乙二醇单甲醚(MPEG)提供空间位阻效应，从而起到稳定分散C-S-H晶核的目的。同时膦酸基分散剂分子量低，较聚合物分散剂具有更小的位阻，在水溶液中能够更快地吸附到C-S-H表面，有效控制悬浮液中晶核粒径(30～120nm)。使单位体积晶核数量更多。该晶核悬浮液能显著促进水泥水化作用，快速提高混凝土早期强度，同时能有效缩短混凝土初、终凝时间，自然条件下6～8小时内即满足预制构件的拆模强度要求，大大缩短模具周转周期。是一种低成本、性能优良的混凝土早强剂。
附图说明
图1为本发明实施例中所用膦酸基分散剂的酯化反应流程图。
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
本实施例的膦酸基分散剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：
向装有温度计的四口烧瓶中加入摩尔比为1：2的植酸和聚乙二醇单甲醚(MPEG2000)，开启搅拌，氮吹条件下115℃进行酯化6小时，得到膦酸基分散。
本实施例水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)在反应瓶中加入计量的本实施例制备的膦酸基分散剂作为底物，加水调节底物中的膦酸基分散剂的含固量为25％，用碱调节pH为9；
(2)在6℃条件下，采用筛漏方式，于3小时内缓缓加入粒径分布范围在400nm～900nm的硅酸盐水泥熟料，搅拌速率为1000r/min，熟料加入完毕后继续搅拌5小时，得到水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂，硅酸盐水泥熟料和膦酸基分散剂的重量比为25：15。
实施例2
本实施例的膦酸基分散剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：
向装有温度计的四口烧瓶中加入摩尔比为1：3的植酸和聚乙二醇单甲醚(MPEG1000)，开启搅拌，氮吹条件下115℃进行酯化6小时，得到膦酸基分散。
本实施例水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)在反应瓶中加入计量的本实施例制备的膦酸基分散剂作为底物，加水调节底物中的膦酸基分散剂的含固量为25％，用碱调节pH为9；
(2)在6℃条件下，采用筛漏方式，于3小时内缓缓加入粒径分布范围在400nm～900nm的硅酸盐水泥熟料，搅拌速率为1000r/min，熟料加入完毕后继续搅拌5小时，得到水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂，硅酸盐水泥熟料和膦酸基分散剂的重量比为25：15。
为了研究本发明水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂的早强效果，测定了混凝土抗压强度，设置实验组1～2和对照组1～2，其中实验组1～2为本发明实施例1～2水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂的混凝土抗压强度，对照组1为空白对照组，对照组2为早强聚羧酸减水剂的混凝土抗压强度；具体实验过程如下：
表1混凝土实验配方
Figure BDA0002834361240000051
Figure BDA0002834361240000061
表2混凝土初、终凝时间及抗压强度(室外自然养护)
Figure BDA0002834361240000062
Figure BDA0002834361240000071
从表1和表2可知，混凝土中掺入水泥熟料水化悬浮液后，能有效缩短混凝土初、终凝时间。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，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。
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 (10)

1.一种水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂，其特征在于，包含以下重量份的成分：硅酸盐水泥熟料10～25份和膦酸基分散剂10～45份，所述膦酸基分散剂的结构式如式(Ⅰ)所示：
Figure FDA0002834361230000011
2.根据权利要求1所述的水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂，其特征在于，所述硅酸盐水泥熟料的主要成分为硅酸钙晶体，粒径分布范围在400nm～900nm。
3.根据权利要求1所述的水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂，其特征在于，所述膦酸基分散剂的制备方法包括以下步骤：将植酸和聚乙二醇单甲醚(MPEG)在绝氧条件下于105～120℃进行酯化5～8小时。
4.根据权利要求3所述水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂，其特征在于，所述植酸和聚乙二醇单甲醚(MPEG)的摩尔比为1：(1～3)。
5.根据权利要求3所述水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂，其特征在于，聚乙二醇单甲醚(MPEG)分子量为600～2000。
6.根据权利要求1所述水泥熟料水化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)以计量的膦酸基分散剂作为底物，加水调节底物中膦酸基分散剂的含固量为25％～40％；用碱调节pH为8～10；
(2)在低温条件下，采用筛漏方式，于3～5小时内缓缓加入粒径为400nm～900nm的硅酸盐水泥熟料，搅拌速率为800～1000r/min，熟料加入完毕后继续搅拌2～10小时，得到水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、三乙胺、三乙醇胺、三异丙醇胺中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，低温条件为5～10℃。
9.根据权利要求1所述水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂在改善预制构件混凝土早期强度或改善预制构件混凝土凝结时间的应用。
10.一种混凝土，其特征在于，所述混凝土包括如权利要求1～5任一所述水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂，如权利要求1～5任一所述水泥熟料水化悬浮液混凝土早强剂占所述混凝土的重量比为0.1％～0.8％。
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