CN113563002A - 一种高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂及其制备方法、应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂及其制备方法、应用，混凝土抗冻膨胀剂包括以下重量份组分：产气材料50‑70份，速率调节材料30‑50份；所述产气材料至少包括硫酸联氨、偶氮二异丁腈和璜酰阱类物质中的一种；所述速率调节材料至少包括四硼酸钠和焦磷酸钠中的一种；所述速率调节材料通过高速改性的方式包覆在发气材料的表面。本发明所述混凝土抗冻膨胀剂在混凝土中使用时可以同时起到提高抗冻性能和早期抗裂性能的作用，且产气时间可控。

Description

一种高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂及其制备方法、应用

技术领域

本发明涉及混凝土膨胀剂技术领域，具体涉及一种高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂及其制备方法、应用。

背景技术

青藏高原是世界中、低纬度面积最大的多年冻土区，藏北高原连续分布的冻土范围最广，达500km。冻土厚度以数米到100多米不等，随海拔的增加而增厚。冻土区内由于表层季节性融化与冻结交替进行，常形成冻胀丘、冰锥、冻胀裂缝、多边形土、冻融滑塌、热融沉陷等特殊地貌现象，对工程建设有很大的影响。尤其是混凝土工程，同配合比的混凝土，在高原地区的服役寿命明显要低于其他地区。

目前，从混凝土材料自身的角度出发，解决抗冻耐久性的主要技术措施是使用引气剂，混凝土引气剂是一类表面活性物质，他们具有长链分子结构的化合物，一端带有亲水基团、一端为憎水基团。分子在溶液界面的定向排列降低了表面张力，有利于气泡的形；另外，表面活性物质在气泡表面形成了一层弹性膜，这层膜可以使气泡彼此碰撞聚合减少，有利于气泡的稳定。其作用方式是依靠半混凝土拌和过程中的剪切、混凝土内部材料的相对运动引入气泡。

为了满足机械化施工、提高施工效率的需求，水工大坝、公路、机场道面基本采用的是干硬性混凝土，干硬性混凝土对搅拌质量的要求很高。常规的引气材料需要混凝土内部砂浆浆体充分剪切以促进气泡形成，干硬性混凝土的搅拌内部剪切困难，从而造成引气效果不佳。按照目前主流的混凝土耐久性理论，混凝土的抗冻性优劣，不仅仅取决于总含气量，而且取决于气泡形态、数量及分布情况，干硬性混凝土的引气效果较常态等易于搅拌的混凝土效果不可控性较大，这也就造成了相同配合比的混凝土，有的可以正常工作几乎不发生破坏，有的几年时间就大面积因冻融而发生破坏。

水泥混凝土的水化是一个体积收缩的过程，将会在内部产生拉引力，混凝土特点是抗压不耐拉，拉引力很可能造成混凝土开裂。因此大尺寸铺筑时要考虑收缩产生的影响。常规的做法是选用收缩小的原材料、掺入膨胀剂等。原材料一般在工程附近就近采购，优质原材料是可遇而不可求的；常用的膨胀剂为硫铝酸钙型混凝土膨胀剂，以及氧化镁膨胀剂等，其原理是水化产生的水化产物体积较大，以此来抵消水泥水化产生的收缩。此类膨胀剂可产生比较有益的效果，但在实际工程中，由于膨胀剂自身活性的波动，容易造成两种不可控情况，一是膨胀时间不可控，膨胀剂发生反应膨胀的时间与混凝土水化产生收缩的时间不匹配，额外造成了混凝土体积的不规律变化；二是膨胀量不可控，膨胀剂因质量波动或者与水泥的适应性不同，膨胀量不一致，有可能造成不能完全补偿收缩，也有可能造成过度膨胀使混凝土开裂。膨胀剂膨胀的过程既发生在塑性期也发生在固化体中，等发现有问题时，已为时已晚。

因此，有必要针对根据高原气候条件设计一种新的混凝土膨胀剂，以提高混凝土在高原地区的服役寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂，该抗冻膨胀剂在混凝土中使用时可以同时起到提高抗冻性能和早期抗裂性能的作用，且产气时间可控。

此外，本发明还提供上述混凝土抗冻膨胀剂的制备方法、应用。

本发明通过下述技术方案实现：

一种高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂，包括以下重量份组分：

产气材料50-70份，速率调节材料30-50份；

所述产气材料至少包括硫酸联氨、偶氮二异丁腈和璜酰阱类物质中的一种；所述速率调节材料至少包括四硼酸钠和焦磷酸钠中的一种；

所述速率调节材料通过高速改性的方式包覆在发气材料的表面。

传统引气依靠混凝土拌和过程中的机械摩擦使得低表面活性的引气材料形成微小气泡；这种方式简单、易行，但实际使用效果存在不稳定性，例如：相同配合比的高原混凝土，有的可以正常工作几十年不发生严重破坏，有的才经历几年时间就因大面积因冻融而不得不翻修或重建；相同配比的高原混凝土，在实验室和工程实际取样制备的时间，有的性能也有较大差异。具体的原因可以认为是传统的引气剂在混凝土搅拌过程中就开始发挥作用，引入气泡，搅拌结束主要的产气过程也随之结束，从此开始直至混凝土开始固化，均为气泡的消灭过程。在良好的配合比和拌和条件下，可以认为此时传统引气方式也可以得到比较好的引气效果，问题在于实际施工条件下，混凝土从出机口至待浇筑仓面，还需要经历运输和振捣过程，此过程中是否造成了含气量和气泡分布及形态的重大变化，是最终混凝土实际抗冻耐久性的重要影响因素。

本发明中产气材料是能够与水泥水化产生的碱进行反应而产生气泡的材料，水泥遇水即开始水化产生碱，初期碱含量较低，产气材料反应较慢，而后碱含量迅速增大，产气材料的反应随之加快。正常的混凝土材料生产、运输、摊铺需要几十分钟至几个小时的时间间隔，因此需要一定量的速率调节材料，避免过早产气。所述速率调节材料用于调节产气材料与碱接触的时间(产气材料何时与碱接触：水泥水化初期产生的碱可以消耗包覆在产气材料外侧的速率调节材料。表面速率调节材料被碱消耗完毕时，再产生的碱才能与产气材料接触，从而引发产气反应。)，进而控制混凝土产气时间；所述高速改性具体是指：将两种功能性材料结合在一起的处理方式，具体为以产气材料为核心，通过高速搅拌的方式将液态化的速率调节材料均匀而牢固的附着在其表面(高速改性是一种常用的粉体材料表面改性技术)。

本发明所述混凝土抗冻膨胀剂的反应机理在于：

利用速率调节材料与产气材料在水中溶解度的差异，将速率调节材料的水溶液通过高速改性的方式包覆在发气材料的表面，当本发明的混凝土抗冻膨胀剂掺入混凝土中之后，包覆在产气材料外侧的速率调节材料可以络合消耗水泥水化初期产生的碱，避免产气材料与碱过早接触产气；当表面速率调节材料被碱消耗完毕时，再产生的碱才能与产气材料接触，从而引发产气反应。通过控制速率调节材料的比例，可以控制碱与产气材料接触的时间，从而控制产气的时间，将主要产气过程控制在混凝土摊铺振捣以后，由于反应引气量与碱反应的气体可以通过掺量控制，分散良好的引气材料引入的气泡微小，且分布均匀，在混凝土中基本不会再移动，不会团聚成大气泡；可以达到良好的引气效果。

将本发明所述混凝土抗冻膨胀剂掺入混凝土中之后，待铺筑之后反应产生的气体，由于无法移动，会产生一个膨胀力，气体占据一定的空间，使得混凝土整体发生膨胀，正好可以抑制水化早期的塑性收缩，降低场道混凝土开裂的风险。体现抗冻性能：混凝土中水泥石内孔隙自由水的存在是混凝土产生冻融破坏的主要原因，孔隙中的自由水反复冻融，对孔隙壁不断产生胀压力使内部孔隙不断扩展最终使混凝土胀裂。通过引气剂可以在混凝上中产生许多独立稳定且均匀分布的微小气泡，当孔隙内自由水冻结成冰时，体积膨胀，表面的冰将未冻结的水挤压向气泡，起到消能的作用，大大减轻冰冻给孔带来的胀压力，防止冻融破坏混凝土。

综上，本发明所述混凝土抗冻膨胀剂在混凝土中使用时可以同时起到提高抗冻性能和早期抗裂性能的作用，且产气时间可控。

进一步地，由以下重量份组分组成：

产气材料50-70份，速率调节材料30-50份；

所述产气材料至少包括硫酸联氨、偶氮二异丁腈和璜酰阱类物质中的一种；所述速率调节材料至少包括四硼酸钠和焦磷酸钠中的一种；

所述速率调节材料通过高速改性的方式包覆在发气材料的表面。

进一步地，由以下重量份组分组成：

硫酸联氨50份，四硼酸钠50份。

进一步地，由以下重量份组分组成：

硫酸联氨70份，焦磷酸钠50份。

进一步地，由以下重量份组分组成：

偶氮二异丁腈60份，四硼酸钠40份。

进一步地，由以下重量份组分组成：

璜酰阱70份，四硼酸钠30份。

进一步地，混凝土抗冻膨胀剂为粉末状。

一种高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂的制备方法，包括以下步骤：

S1、将速率调节材料溶解于3-7倍的水中获得溶液；

S2、将溶液逐滴加入搅拌的产气材料中；

S3、烘干，粉磨。

高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂在混凝土施工中的应用。

高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂在低温地区混凝土施工中的应用。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明所述高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂具有使用效果稳定、操作简单、针对性强的优点。

2、本发明所述高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂在混凝土中使用时可以同时起到提高抗冻性能和早期抗裂性能的作用，且产气时间可控。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

一种高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂，由以下重量份组分组成：

硫酸联氨50份，四硼酸钠50份。

本实施例所述混凝土抗冻膨胀剂的制备方法，包括以下步骤：

S1、将速率调节材料(四硼酸钠)溶解于3-7倍的水中获得溶液；

S2、将溶液逐滴加入高速搅拌的产气材料(硫酸联氨)中，所述高速搅拌速度为2000r/min-3000r/min；

S3、烘干，粉磨。

实施例2：

本实施例基于实施例1，与实施例1的区别在于：

一种高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂，由以下重量份组分组成：

硫酸联氨70份，焦磷酸钠50份。

实施例3：

本实施例基于实施例1，与实施例1的区别在于：

一种高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂，由以下重量份组分组成：

偶氮二异丁腈60份，四硼酸钠40份。

实施例4：

本实施例基于实施例1，与实施例1的区别在于：

一种高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂，由以下重量份组分组成：

璜酰阱70份，四硼酸钠30份。

对比例1：

本对比例基于实施例1，与实施例1的区别在于：采用硅溶胶作为速率调节材料，具体地：

一种高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂，由以下重量份组分组成：

硫酸联氨50份，硅溶胶50份。

对比例2：

本对比例基于实施例1，与实施例1的区别在于：无速率调节材料，具体地：

一种高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂，由以下重量份组分组成：

硫酸联氨50份(混凝土中掺量减半)。

对比例3：

本对比例基于实施例1，与实施例1的区别在于：

未将速率调节材料通过高速改性的方式包覆在产气材料的表面。

制备方法直接将硫酸联氨和四硼酸钠按比例混合。

采用本实施例所述的抗冻膨胀剂与对比例进行对照实验，结果如表1所示：

表1掺实施例1-4及对比例1-4制备的抗冻膨胀剂性能(28d)

由表1的数据可知：

1)、本发明的抗冻性能优越；

2)、当不采用本发明的速率调节材料时，不仅抗冻性能变差，且干缩率变差。

3)、当无速率调节材料或未将速率调节材料通过高速改性的方式包覆在产气材料的表面，抗冻性能变差。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂，其特征在于，包括以下重量份组分：

产气材料50-70份，速率调节材料30-50份；

所述产气材料至少包括硫酸联氨、偶氮二异丁腈和璜酰阱类物质中的一种；所述速率调节材料至少包括四硼酸钠和焦磷酸钠中的一种；

所述速率调节材料通过高速改性的方式包覆在发气材料的表面。

2.根据权利要求1所述的一种高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂，其特征在于，由以下重量份组分组成：

产气材料50-70份，速率调节材料30-50份；

所述产气材料至少包括硫酸联氨、偶氮二异丁腈和璜酰阱类物质中的一种；所述速率调节材料至少包括四硼酸钠和焦磷酸钠中的一种；

所述速率调节材料通过高速改性的方式包覆在发气材料的表面。

3.根据权利要求2所述的一种高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂，其特征在于，由以下重量份组分组成：

硫酸联氨50份，四硼酸钠50份。

4.根据权利要求2所述的一种高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂，其特征在于，由以下重量份组分组成：

硫酸联氨70份，焦磷酸钠50份。

5.根据权利要求2所述的一种高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂，其特征在于，由以下重量份组分组成：

偶氮二异丁腈60份，四硼酸钠40份。

6.根据权利要求2所述的一种高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂，其特征在于，由以下重量份组分组成：

璜酰阱70份，四硼酸钠30份。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂，其特征在于，所述混凝土抗冻膨胀剂为粉末状。

8.如权利要求1-7任一项所述一种高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将速率调节材料溶解于3-7倍的水中获得溶液；

S2、将溶液逐滴加入搅拌的产气材料中；

S3、烘干，粉磨。

9.如权利要求1-7任一项所述高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂在混凝土施工中的应用。

10.如权利要求1-7任一项所述高原高寒地区混凝土抗冻膨胀剂在低温地区混凝土施工中的应用。