CN113603388B - 一种混凝土增强密实及温度调节型抗裂剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土增强密实及温度调节型抗裂剂及其制备方法。所述抗裂剂包括以下质量百分比的组分：改性钙镁复合膨胀剂40％‑50％，超细矿物掺合料40％‑50％，甲基硅酸钠3％‑7％，改性淀粉醚1％‑5％，山梨醇1％～4％，萘磺酸盐甲醛缩合物1％～3％。本发明通过微膨胀、微孔隙填充、塑性保水及水化热抑制材料协同作用，能有效增加混凝土密实度及后期强度，补偿混凝土温降阶段的收缩，并调节混凝土水化放热过程，从而实现对混凝土的增强、密实及抗裂的作用。该材料克服了传统抗裂剂掺量只具有单一功能而无法系统调节其他功能的缺点，可广泛应用于工业和民用建筑混凝土抗渗防裂性能的提升。

Description

一种混凝土增强密实及温度调节型抗裂剂及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料外加剂技术领域，具体涉及一种混凝土增强密实及温度调节型抗裂剂及其制备方法。

背景技术

混凝土是当代最主要的土木工程材料之一，其具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单的特点，同时硬化后的混凝土抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽等特点。但是混凝土胶凝材料在进行水化反应时，容易受到实体结构内、外部温度及湿度的变化等综合因素的影响，从而造成混凝土在硬化及使用过程中会不可避免的产生体积收缩。随着超长、超大体积混凝土结构越来越普遍，混凝土结构收缩开裂现象也会越来越常见，对于地下工程混凝土而言一旦出现了开裂，其将严重影响混凝土的防水功能。

利用膨胀剂(含游离CaO类、硫铝酸盐类、MgO类等)在水化及硬化过程中产生体积膨胀补偿水泥基材料的收缩是防止其收缩开裂的有效途径之一，但单纯的膨胀剂材料只能有限的补充部分混凝土收缩，且市面上的膨胀剂大多采用普通氧化钙-硫铝酸钙熟料或经简单粉粉磨的氧化镁，普通氧化钙-硫铝酸钙膨胀剂其反应速率快，早期膨胀大，在混凝土塑性阶段即产生了水化反应，一方面增加了混凝土的水化热，而另一方面不能有效补偿混凝土温降阶段的收缩，抗裂效果一般。氧化镁膨胀剂其反应速率虽可以通过煅烧温度进行控制，从而匹配混凝土温降阶段的收缩温度，但未经改性的氧化镁为多孔结构，其对水及减水剂的吸附大，会影响到混凝土的施工和易性。此外，对于大体积混凝土或夏季高温季节施工的混凝土结构，由于混凝土入模温度高，水化放热快，混凝土温度峰值高，使得混凝土温降阶段产生的收缩量往往会超过膨胀剂的补偿量，同时膨胀剂产品无法有效补偿混凝土在塑性阶段由于失水过快而产生的失水收缩，进而单纯掺用膨胀剂产品往往达不到预期的抗裂效果。

水化热调控材料能够调节混凝土的水化反应过程，延缓混凝土的早期放热速率，降低温峰值且推迟温峰出现的时间，对于抑制温度引起的混凝土开裂问题有较好的改进，但大多的水化热调控材料以葡萄糖酸钠等缓凝组分为主，其降低混凝土温峰的同时也影响混凝土的正常水化进程，使得混凝土的凝结时间长，早期强度偏低，同样无法有效地解决混凝土的开裂问题。此外，通过膨胀剂和水化热抑制材料复合使用时，由于其水化胶凝活性要远远低于水泥等活性胶凝材料，一般在内掺或外掺的情况下会对强度产生一定的影响。

因此，在通过膨胀补偿收缩、水化热调控技术综合解决混凝土开裂问题的技术途径上，亟待找到一种膨胀量大，且膨胀速率可控，能够降低早期塑性失水且调节混凝土水化温度，并在掺入该抗裂剂后能够保证其对混凝土的强度有所增强密实的抗裂剂材料。

发明内容

针对以上技术问题，本发明的目的在于提供一种混凝土增强密实及温度调节型抗裂剂及其制备方法。

本发明利用改性钙镁复合膨胀剂调控氧化钙及氧化镁的反应速率，可以避免传统钙镁复合膨胀剂在混凝土塑性阶段膨胀损失的问题，以产生有效膨胀，在膨胀过程中优先填充混凝土微孔隙，提高混凝土的密实性，同时还具备一定的混凝土补偿收缩的作用，补偿混凝土温降及干燥收缩开裂，提高混凝土的抗裂性能。在此基础上通过在抗裂剂中萘磺酸盐甲醛缩合物，使得在水化过程中产生一定的表面活性组分，进而钙镁复合膨胀剂会优先吸附萘磺酸盐甲醛缩合物，减少对混凝土中水及减水剂的吸附，从而能够保持水分及减水剂的功效，以提高抗裂剂的综合性能。

细矿物掺和料能够有效增强混凝土早期强度，可以弥补掺入本发明所述抗裂剂中其他组分对早期强度的影响，同时也能填充微细孔隙达到密实增强的作用。甲基硅酸钠具有良好的渗透结晶性，其分子结构中的硅醇基与硅酸盐材料中的硅醇基反应脱水交联，从而实现“反毛细管效应”形成优异的憎水层，有效的降低了早期表面水分的蒸发，从而达到抑制早期水分蒸发引起的塑性开裂问题。改性淀粉醚、山梨醇为水化抑制材料，能够有效调控水泥熟料中C₃S的水化发热速率，从而降低混凝土的水化温升，调节放热速率，同时两种材料可以协同作用使得抗裂剂具备一定的减水功能，掺杂到混凝土中能够适当的减少用水量，并降低混凝土的水胶比以获得增强密实的效果。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种混凝土增强密实及温度调节型抗裂剂，包括以下质量百分比的组分：改性钙镁复合膨胀剂40％-50％，超细矿物掺合料40％-50％，甲基硅酸钠3％-7％，改性淀粉醚1％-5％，山梨醇1％～4％，萘磺酸盐甲醛缩合物1％～3％；

所述改性钙镁复合膨胀剂为钙镁复合熟料经SO₂-水蒸气混合气体改性获得。

进一步，所述混凝土增强密实及温度调节型抗裂剂包括以下质量百分比的组分：改性钙镁复合膨胀剂40％-47％，超细矿物掺合料43％-46％，甲基硅酸钠4％-6％，改性淀粉醚2％-5％，山梨醇2.5％～4％，萘磺酸盐甲醛缩合物1.5％～3％。

进一步，所述钙镁复合熟料为白云石通过煅烧制得，其比表面积≥300m²/kg，1.18mm筛筛余≤0.05，游离CaO含量≥25％，MgO含量≥20％。优选的，煅烧温度为900～1000℃。

进一步，所述超细矿物掺合料由粉煤灰和矿渣经粉磨后获得。

更进一步，所述超细矿物掺合料的比表面积≥600m²/kg；化学组成为CaO含量≥15％，Al₂O₃含量≥15％，SiO₂含量≥40％；密度≥2.5g/cm³，流动度比≥105％，28d活性指数≥95％。

进一步，所述甲基硅酸钠为固体粉末，其固含量≥90％，硅酮含量≥65％。

进一步，所述改性淀粉醚为以天然植物为原料，经过改性、高度醚化反应，然后喷雾干燥而得到的白色精细粉末，pH值为9-11，细度≤300μm，粘度300～1000mpas(5％的水溶液)。

进一步，所述山梨醇，其固形物的质量分数为55％～75％，还原糖≤0.3％，总糖≤3％，灼烧残渣≤0.10％，pH值为5～7.5。

进一步，所述萘磺酸盐甲醛缩合物，其分散率≥95％，硫酸钠含量≤5％，细度≤5％，pH值7-9。

第二方面，本发明提供第一方面所述的混凝土增强密实及温度调节型抗裂剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)改性钙镁复合膨胀剂制备：将钙镁复合膨胀剂熟料经粉磨，然后通入SO₂-水蒸气混合气体改性，即得改性钙镁复合膨胀剂；

(2)将改性钙镁复合膨胀剂与超细矿物掺合料充分混合得到物料A；

(3)将甲基硅酸钠、改性淀粉醚、山梨醇和萘磺酸盐甲醛缩合物充分混合得到物料B；

(4)取一定量原料A与全部原料B充分搅拌均匀，形成有机原料混合料B与无机原料混合料A的预混料C；

(5)将预混料C投入至剩下的原料A中进行混合后，充分搅拌均匀即得。

进一步，步骤(1)中SO₂-水蒸气混合气体相对湿度为90％-95％，SO₂的流量为1～1.5L/min，改性反应温度为100～150℃。

进一步，步骤(2)中混合置于双卧轴卧式干粉拌合机中进行，控制转速55r/min±1r/min充分拌和10～15min。

进一步，步骤(3)中混合在置于双运动混合机中进行，混合5-10min。

进一步，步骤(4)中混合在双卧轴卧式干粉拌合机中进行，混合时间为10～15min。

进一步，所述原料A和原料B的质量比为1:1～2:1。

进一步，所述步骤(5)中混合时间为15～20min。

第三方面，本发明提供一种增强密实及温度调节型混凝土，由混凝土添加第一方面所述的抗裂剂制备而成。

进一步，所述混凝土为C40～C100混凝土，抗裂剂掺入量为胶凝材料总质量的4％～10％。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供的混凝土增强密实及温度调剂型抗裂剂通过微膨胀、微孔隙填充、塑性保水及水化热抑制材料协同作用，能有效增加混凝土密实度及后期强度，补偿混凝土温降阶段的收缩，并调节混凝土水化放热过程，从而实现对混凝土的增强、密实及抗裂的作用，综合性能良好，可广泛应用于工业和民用建筑混凝土抗渗防裂性能的提升。

(2)本发明提供的制备方法，原料易得，工艺步骤简单，可实现工业化生产，为功能性抗裂剂生产提供一种新思路。

(3)本发明制备的抗裂剂添加到混凝土中，具有提高混凝土后期强度、水化热调控、补偿收缩、密实抗渗、抗裂等功能。

附图说明

图1为各实施例混凝土强度数据图；

图2为部分实施例水热速率曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步说明，本发明的内容完全不限于此。

实施例1

一种混凝土增强密实及温度调节型抗裂剂包括如下按质量百分计的组分：改性钙镁复合膨胀剂50％，超细矿物掺和料40％，甲基硅酸钠5％，改性淀粉醚3％，山梨醇1％，萘磺酸盐甲醛缩合物1％。

所述超细矿物掺合料为比表面积600m²/kg的活性矿物掺合料，其流动度比110％，28d活性指数105％；甲基硅酸钠为固含量93％，硅酮含量68％；改性淀粉醚为pH值为10，细度285μm，粘度500mPa·s(5％的水溶液)；山梨醇固形物的质量分数为65％，还原糖0.2％，总糖2.5％，灼烧残渣0.05％，pH值为7。

其制备方法，包括以下步骤：

1)采用回转窑900℃-1000℃煅烧白云石煅烧出游离CaO含量25％，MgO含量21％的钙镁复合膨胀剂熟料；

2)将钙镁复合膨胀剂熟料经过球磨机粉磨成比表面积320m²/kg，且1.18mm筛筛余0.1％的粉体材料；

3)将该粉体材料置于气氛炉中，通过向炉内通相对湿度93％的SO₂-水蒸气混合气体，并控制SO₂的流量为1.3L/min，电机搅拌速度在155r/min，在150℃的高温下反应制得改性钙镁复合膨胀剂。

4)将Ⅰ级粉煤灰及S95级矿渣按30:70比例混合后经气流磨充分粉磨至比表面积600m²/kg制得超细矿物掺和料。

5)按重量百分比称取原料；

6)将改性钙镁复合膨胀剂与超细矿物掺合料置于双卧轴卧式干粉拌合机中，控制转速55r/min±1r/min充分拌和10～15min，得到物料A。

7)将甲基硅酸钠、改性淀粉醚、山梨醇及萘磺酸盐甲醛缩合物混合得到物料B，将物料A和物料B按照质量比1:1称量后置于双运动混合机混合5-10min，形成有机材料与无机材料预混料。

8)将预混料投入双卧轴卧式干粉拌合机中，继续拌和10～15min即制备得到混凝土增强密实及温度调节型抗裂剂。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于：改性钙镁复合膨胀剂47％，超细矿物掺和料43％，甲基硅酸钠3％，改性淀粉醚3％，山梨醇2.5％，萘磺酸盐甲醛缩合物1.5％。

所述超细矿物掺合料为比表面积630m²/kg的活性矿物掺合料，其流动度比105％，28d活性指数105％；甲基硅酸钠为固含量94％，硅酮含量70％。

实施例3

实施例3与实施例1的区别在于：改性钙镁复合膨胀剂44％，超细矿物掺和料46％，甲基硅酸钠4％，改性淀粉醚2％，山梨醇2.5％，萘磺酸盐甲醛缩合物1.5％。

所述超细矿物掺合料为比表面积650m²/kg的活性矿物掺合料，其流动度比105％，28d活性指数108％。

实施例4

实施例4与实施例1的区别在于：改性钙镁复合膨胀剂40％，超细矿物掺和料50％，甲基硅酸钠3％，改性淀粉醚1％，山梨醇4％，萘磺酸盐甲醛缩合物2％。

所述超细矿物掺合料为比表面积670m²/kg的活性矿物掺合料，其流动度比110％，28d活性指数110％。

实施例5

实施例5与实施例1的区别在于：改性钙镁复合膨胀剂45％，超细矿物掺和料40％，甲基硅酸钠5％，改性淀粉醚3％，山梨醇2.5％，萘磺酸盐甲醛缩合物1.5％。

所述超细矿物掺合料为比表面积630m²/kg的活性矿物掺合料，其流动度比110％，28d活性指数100％；甲基硅酸钠为固含量94％，硅酮含量70％。

实施例6

实施例6与实施例1的区别在于：改性钙镁复合膨胀剂43％，超细矿物掺和料40％，甲基硅酸钠5％，改性淀粉醚5％，山梨醇4％，萘磺酸盐甲醛缩合物3％。

所述超细矿物掺合料为比表面积650m²/kg的活性矿物掺合料，其流动度比105％，28d活性指数105％；甲基硅酸钠为固含量96％，硅酮含量72％。

实施例7

实施例7与实施例1的区别在于：改性钙镁复合膨胀剂40％，超细矿物掺和料43％，甲基硅酸钠7％，改性淀粉醚5％，山梨醇4％，萘磺酸盐甲醛缩合物1％。

所述超细矿物掺合料为比表面积630m²/kg的活性矿物掺合料，其流动度比105％，28d活性指数105％；甲基硅酸钠为固含量94％，硅酮含量65％。

对比例1

对比例1与实施例1的区别在于：改性钙镁复合膨胀剂38％，超细矿物掺和料50％，甲基硅酸钠2％，改性淀粉醚5％，山梨醇4％，萘磺酸盐甲醛缩合物1％。

对比例2

对比例2与实施例2的区别在于：改性钙镁复合膨胀剂45％，超细矿物掺和料35％，甲基硅酸钠10％，改性淀粉醚5％，山梨醇4％，萘磺酸盐甲醛缩合物1％。

对比例3

对比例3与实施例3的区别在于：改性钙镁复合膨胀剂45％，超细矿物掺和料50％，甲基硅酸钠1％，改性淀粉醚2％，山梨醇1％，萘磺酸盐甲醛缩合物2％。

对比例4

对比例4与实施例4的区别在于：改性钙镁复合膨胀剂45％，超细矿物掺和料45％，甲基硅酸钠5％，改性淀粉醚0％，山梨醇2％，萘磺酸盐甲醛缩合物3％。

对比例5

对比例5与实施例5-7的区别在于：改性钙镁复合膨胀剂45％，超细矿物掺和料44％，甲基硅酸钠6％，改性淀粉醚4％，山梨醇1％，萘磺酸盐甲醛缩合物0％。

应用例

本混凝土增强密实及温度调节型抗裂剂在混凝土中的掺量占混凝土配合比中胶凝材料的4％～10％。本实施例中掺量8％，其加入、搅拌、振捣及养护方式按规范GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》及GB8076-2008《混凝土外加剂》进行，其基准组及掺入实验组混凝土配合比如下表1所示。

表1混凝土配合比表

依据GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》检测强度值；GB/T23439-2017《混凝土膨胀剂》检测混凝土限制膨胀率，GB/T50082-2019《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》检测混凝土抗渗压力及混凝土开裂面积，以及标准DL/T5150-2001《水工混凝土试验规程》试验方法检测混凝土绝热温升，结果如下表2所示。

表2性能检测结果

由表2可知：在混凝土中掺入实施例1-7的8％混凝土增强密实及温度调节型抗裂剂后，混凝土的抗压强度、限制膨胀率及抗渗压力、开裂面积以及绝热温升能都有了较大的改善。在替代混凝土胶材的情况下，混凝土强度不降低，同时对有一定的提升作用，其主要在于本产品中的改性钙镁复合膨胀剂及矿物掺和料，一方面通过膨胀填充微孔隙，起到了密实增强作用，另一方面是经过超细化的矿物掺和料能够弥补被替代的胶凝材料发挥水化反应，起到增加混凝土强度的作用。在合理的范围内甲基硅酸钠可以优先抑制早期水分的散失，甲基硅酸钠具有良好的渗透结晶性，其分子结构中的硅醇基与硅酸盐材料中的硅醇基反应脱水交联，从而实现“反毛细管效应”形成优异的憎水层，有效的降低了表面水分的蒸发，从而达到抑制早期水分蒸发引起的塑性开裂问题。改性淀粉醚及山梨醇是一种水化抑制材料，能够有效调控水泥熟料中C₃S的水化发热速率，从而降低混凝土的水化温升，调节放热速率。

通过实施例1-7和对比例1-5可知：该混凝土增强密实及温度调节型抗裂剂各组分在合适的范围内才能有效发挥作用，过高或者过低均对某些性能存在一定的影响，甚至相互制约，因此应该严格控制实际产品的合理组分用量。各组分在其相应的用量范围内才能产生协同作用，提高产品的综合性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种混凝土增强密实及温度调节型抗裂剂，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：改性钙镁复合膨胀剂40%-50%，超细矿物掺合料40%-50%，甲基硅酸钠3%-7%，改性淀粉醚1%-5%，山梨醇1%~4%，萘磺酸盐甲醛缩合物1%~3%；

所述改性钙镁复合膨胀剂为钙镁复合熟料经SO₂-水蒸气混合气体改性获得；所述钙镁复合熟料为白云石通过煅烧制得，其比表面积≥300 m²/kg， 1.18mm筛筛余≤0.05，游离CaO含量≥25%，MgO含量≥20%；

所述超细矿物掺合料由粉煤灰和矿渣经粉磨后获得；所述超细矿物掺合料的比表面积≥600m²/kg；化学组成为CaO含量≥15%，Al₂O₃含量≥15%，SiO₂含量≥40%；密度≥2.5g/cm³，流动度比≥105%，28d活性指数≥95%。

2.根据权利要求1所述的混凝土增强密实及温度调节型抗裂剂，其特征在于：所述甲基硅酸钠为固体粉末，其固含量≥90%，硅酮含量≥65%。

3.一种权利要求1-2任一项所述混凝土增强密实及温度调节型抗裂剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）改性钙镁复合膨胀剂制备：将钙镁复合膨胀剂熟料经粉磨，然后通入SO₂-水蒸气混合气体改性，即得改性钙镁复合膨胀剂；

（2）将改性钙镁复合膨胀剂与超细矿物掺合料充分混合得到原料A；

（3）将甲基硅酸钠、改性淀粉醚、山梨醇和萘磺酸盐甲醛缩合物充分混合得到原料B；

（4）取一定量原料A与全部原料B充分搅拌均匀，所述原料A和原料B的质量比为1:1~2:1，形成有机原料混合料B与无机原料混合料A的预混料C；

（5）将预混料C投入至剩下的原料A中进行混合后，充分搅拌均匀即得。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中SO₂-水蒸气混合气体相对湿度为90%-95%，SO₂的流量为1~ 1.5L/min，改性反应温度为100~150℃。

5.一种增强密实及温度调节型混凝土，其特征在于：由混凝土添加权利要求1-2任一项所述的混凝土增强密实及温度调节型抗裂剂制备而成。

6.根据权利要求5所述的增强密实及温度调节型混凝土，其特征在于：所述混凝土为C40~C100混凝土，抗裂剂掺入量为胶凝材料总质量的4%~10%。

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