CN114180875B - 一种渗透结晶型高性能混凝土用防裂抗渗剂及其制备方法 - Google Patents

一种渗透结晶型高性能混凝土用防裂抗渗剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂及其制备方法，所述防裂抗渗剂原料组分及重量份配比如下：硅酸盐水泥20～50份，粉煤灰沉珠10～20份，偏高岭土5～15份，氧化钙膨胀剂5～10份，氧化镁膨胀剂5～10份，石膏2～10份，十二水硫酸铝钾2～10份，络合剂2～10份，葡萄糖酸钠2‑5份。本发明提供的渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂具有长期防渗漏、裂缝自我修复、防止钢筋腐蚀、增强混凝土强度、施工方便、无公害等优势，整体抗裂防渗性能优异。

Description

一种渗透结晶型高性能混凝土用防裂抗渗剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及使用无机材料作为砂浆、混凝土或人造石的有效成分的混凝土技术领域，具体涉及一种渗透结晶型高性能混凝土用防裂抗渗剂及其制备方法。
背景技术
目前，沉管隧道一般采用高性能混凝土分层浇筑的方式进行施工。高性能混凝土由于抗拉强度和韧性不够高，往往会在钢筋布置紧密、应力比较集中的地方出现开裂。裂缝的出现会导致混凝土承受荷载的能力下降、耐腐蚀性、抗渗性等耐久性不良，最终促使混凝土的使用寿命下降，降低结构的安全性。
过去认为收缩是混凝土开裂的主要原因，为了解决开裂的问题，在混凝土中加入具有膨胀功能的防裂抗渗剂如硅灰、粉煤灰来补偿水泥硬化导致的混凝土体积收缩。但传统的防裂抗渗剂并没有从根本上解决混凝土的开裂渗漏问题，现有研究表明，混凝土体积收缩并不是混凝土裂缝产生的主要原因，还与材料的抗拉强度、弹性模量和徐变松弛等因素有关；另一方面是外部因素，如结构构件的构造、所受约束，以及环境温度湿度条件等。因此，仅从考虑补偿混凝土体积收缩入手，难以有效解决混凝土开裂、渗漏问题，亟需研发新的高性能混凝土用防裂抗渗剂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种渗透结晶型高性能混凝土用防裂抗渗剂及其制备方法，该渗透结晶型防裂抗渗剂通过简单物理混合与化学作用，具有优异的抗裂抗渗性能和自修复性能，实际应用效果显著。不仅能够改善混凝土密实度、强度和体积稳定性，同时还能在裂缝存在时主动修复裂缝，从而提高其耐久性。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
提供一种渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂，其原料组分及重量份配比如下：硅酸盐水泥20～50份，粉煤灰沉珠10～20份，偏高岭土5～15份，氧化钙膨胀剂5～10份，氧化镁膨胀剂5～10份，石膏2～10份，十二水硫酸铝钾2～10份，络合剂2～10份，葡萄糖酸钠2-5份。
按上述方案，所述硅酸盐水泥为P·O42.5硅酸盐水泥。
按上述方案，所述粉煤灰沉珠中氧化硅含量为40～60％，氧化铝含量为10～30％，烧失量≤3％，平均粒径1～3μm。本发明中除特殊说明外，百分比均指质量百分比。
按上述方案，所述偏高岭土中氧化硅含量为40～60％，氧化铝含量为30～50％，烧失量≤3％，偏高岭土平均粒径3～5μm，比表面积16000～18000m2/Kg。
按上述方案，所述氧化钙膨胀剂中氧化钙含量≥90％。
按上述方案，所述氧化镁膨胀剂为轻烧氧化镁，氧化镁含量≥90％，烧失量≤3％，氧化镁活性值为220～240s，平均粒径9～12μm。
按上述方案，所述石膏中硫酸钙含量≥95％，烧失量≤5％。
按上述方案，所述络合剂为六偏磷酸钠，酒石酸，乙二胺四乙酸二钠中的一种。
本发明还包括上述渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂的制备方法，具体步骤如下：
3)按原料配比称取各原料组分，备用；
4)将称取的硅酸盐水泥、粉煤灰沉珠、偏高岭土、氧化钙膨胀剂、氧化镁膨胀剂、石膏、十二水硫酸铝钾、络合剂加入球磨机中研磨均匀得到渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂。
按上述方案，步骤2)球磨工艺条件为：球料比为8:1，研磨球粒径为10～20mm，球磨机转速150r/min，球磨时间为20～30min。
本发明还包括上述渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂的使用方法，具体为：将所述渗透结晶型高性能混凝土用防裂抗渗剂按胶凝材料总质量的8～15％掺入混凝土中。
本发明粉煤灰沉珠与偏高岭土作为密实组分可以降低混凝土中水分传输通道，降低混凝土孔隙率，密实混凝土基体结构，提高混凝土抗渗性能；氧化钙膨胀剂与氧化镁膨胀剂作为膨胀组分可生成具有膨胀性的钙矾石，部分或全部地填充混凝土空隙，从而减少混凝土的收缩，提高混凝土的抗裂性能。本发明所述渗透结晶型防裂抗渗剂通过改善结构用高性能混凝土水泥水化程度，优化水化产物和激发防裂抗渗组分与水泥水化产物氢氧化钙发生二次水化反应，同时基于渗透结晶材料的主动修复技术，可以从结构混凝土制备及长期服役过程中起到协同抗裂防渗作用。石膏、十二水硫酸铝钾、络合剂作为渗透结晶组分，当混凝土基体开裂渗水时，在水存在环境中络合剂会与钙离子形成络合物，扩散到混凝土孔隙裂缝的积水中，不断进行络合-沉淀反应可以修复混凝土的孔隙与裂缝，起到二次防裂抗渗作用。
本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂具有优异的整体抗裂防渗性能，原材料中粉煤灰沉珠和偏高岭土之间能产生协同作用，能明显改变混凝土微观结构，降低混凝土的孔隙率、改善混凝土的孔结构，增加混凝土的密实度，提升混凝土抗渗性能，但粉煤灰沉珠与偏高岭土粒径较小，比表面积大，容易造成混凝土工作性能降低，而葡萄糖酸钠可增加混凝土的可塑性和强度。氧化钙膨胀剂在初期产生大量氧化钙晶体水化形成氢氧化钙晶体抑制混凝土早期收缩，而氧化镁膨胀剂可以有效降低水化热，由于其高效的膨胀性能，可以有效延长膨胀时间，减少混凝土收缩变形，但氧化镁后期膨胀量不稳定，易引起混凝土开裂，而氧化钙和氧化镁协同作用下可以保持氧化镁膨胀剂在后期膨胀量处在一定的稳定状态，从而提升混凝土制备过程与长期服役过程中抗裂性能。此外，十二水硫酸铝钾能与混凝土中氢氧化钙发生反应，生成难溶于水的氢氧化铝晶体填充在混凝土毛细孔中，改善混凝土抗渗性能和密实度。络合剂能和石膏或混凝土中钙离子形成配合物网络结构，提高在渗透压存在时混凝土二次防裂抗渗能力；
2、本发明制备方法具有步骤简单、仅需将各组分材料按照配合比均匀混合，并粉磨20～30min即可得到产品，原材料经济节约、绿色环保的优势，具有长期防渗漏、裂缝能自我修复、防止钢筋腐蚀、增强混凝土强度、施工方便、无公害等优越性，其在混凝土建筑物工程和其他领域，有广阔的应用前景。
附图说明
图1为样品1与对照组56d干燥收缩曲线图；
图2为样品1养护28d的SEM电镜照片；
图3为未掺防裂抗渗剂的混凝土预压处理后的裂缝照片；
图4为未掺防裂抗渗剂的混凝土预压处理后继续养护7d后的裂缝照片；
图5为掺入实施例1所制备的防裂抗渗剂的混凝土预压处理后的裂缝照片；
图6为掺入实施例1所制备的防裂抗渗剂的混凝土预压处理后继续养护7d后的裂缝照片。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例所用P·O42.5硅酸盐水泥比表面积380m2/Kg，密度3110Kg/m3；所用粉煤灰沉珠氧化硅含量为56.9％，氧化铝含量为16.5％，平均粒径1.6μm，烧失量2.1％；所用偏高岭土中氧化硅含量为57.4％，氧化铝含量为38.6％，烧失量1.04％，平均粒径3.4μm，比表面积18000m2/Kg；所用氧化钙膨胀剂中氧化钙含量91.3％；所用氧化镁膨胀剂中氧化镁含量90.7％，烧失量1.08％，氧化镁活性值为220s，平均粒径10.9μm；所用石膏中CaSO4含量96.3％，烧失量4.3％。
实施例1
一种渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂，原料及重量份配比如下：P·O42.5硅酸盐水泥40份，粉煤灰沉珠20份，偏高岭土10份，氧化钙膨胀剂5份，氧化镁膨胀剂5份，石膏5份，十二水硫酸铝钾7份，酒石酸5份，葡萄糖酸钠2份。
将上述称取的硅酸盐水泥、粉煤灰沉珠、偏高岭土、氧化钙膨胀剂、氧化镁膨胀剂、石膏、十二水硫酸铝钾、酒石酸和葡萄糖酸钠加入球磨机中，加入研磨球，球料比为8:1，研磨球粒径为20mm，球磨机转速150r/min，球磨时间为20min，得到渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂。
实施例2
一种渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂，原料及重量份配比如下：P·O42.5硅酸盐水泥50份，粉煤灰沉珠15份，偏高岭土5份，氧化钙膨胀剂8份，氧化镁膨胀剂8份，石膏4份，十二水硫酸铝钾3份，乙二胺四乙酸二钠5份，葡萄糖酸钠2份。
将上述称取的硅酸盐水泥、粉煤灰沉珠、偏高岭土、氧化钙膨胀剂、氧化镁膨胀剂、石膏、十二水硫酸铝钾、乙二胺四乙酸二钠和葡萄糖酸钠加入球磨机中，加入研磨球，球料比为8:1，研磨球粒径为20mm，球磨机转速150r/min，球磨时间为20min，得到渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂。
实施例3
一种渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂，原料及重量份配比如下：P·O42.5硅酸盐水泥40份，粉煤灰沉珠15份，偏高岭土15份，氧化钙膨胀剂7.5份，氧化镁膨胀剂7.5份，石膏3份，十二水硫酸铝钾5份，六偏磷酸钠5份，葡萄糖酸钠2份。
将上述称取的硅酸盐水泥、粉煤灰沉珠、偏高岭土、氧化钙膨胀剂、氧化镁膨胀剂、石膏、十二水硫酸铝钾、六偏磷酸钠和葡萄糖酸钠加入球磨机中，加入研磨球，球料比为8:1，研磨球粒径为20mm，球磨机转速150r/min，球磨时间为20min，得到渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂。
实施例4
一种渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂，原料及重量份配比如下：P·O42.5硅酸盐水泥45份，粉煤灰沉珠15份，偏高岭土10份，氧化钙膨胀剂5份，氧化镁膨胀剂5份，石膏5份，十二水硫酸铝钾7份，酒石酸6份，葡萄糖酸钠2份。
将上述称取的硅酸盐水泥、粉煤灰沉珠、偏高岭土、氧化钙膨胀剂、氧化镁膨胀剂、石膏、十二水硫酸铝钾、酒石酸和葡萄糖酸钠加入球磨机中，加入研磨球，球料比为8:1，研磨球粒径为20mm，球磨机转速150r/min，球磨时间为20min，得到渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂。
将实施例1-4制备的防裂抗渗剂掺入混凝土中，混凝土配合比如下：水泥(华新P·O 42.5水泥)400Kg/m3，河砂(赣江天然河砂，细度模数2.9)776Kg/m3，碎石(5～16mm连续级配碎石)1089Kg/m3，水138Kg/m3，减水剂(CP-J型聚羧酸高效减水剂，减水率20％)掺量为水泥质量的1％，实施例1-4制备的渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂掺量为水泥质量的10％(所得混凝土样品分别记为样品1-4)，并以掺入等量的DW-n型防裂抗渗剂(广西红墙新材料有限公司生产)及HEA型混凝土防裂抗渗剂(上海沪泽建材科技发展有限公司生产)分别作为对比例1和对比例2，不掺入防裂抗渗剂的样品为对照组，所得到的混凝土样品性能测试结果见表1。参考标准《GB/T50081-2019混凝土物理力学性能试验方法》和《GB/T50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》对上述混凝土样品进行28d抗压强度测试、28d抗氯离子扩散系数测试和56d干燥收缩测试。
表1混凝土性能
样品 28d抗压强度/MPa 28d氯离子扩散系数/(10<sup>-12</sup>m<sup>2</sup>/s) 56d干燥收缩值/(10<sup>-6</sup>mm/m)
对照组 46.8 5.9 454
样品1 55.4 1.8 195
样品2 53.9 2.1 183
样品3 56.1 1.7 189
样品4 58.0 1.6 200
对比例1 50.3 4.2 382
对比例2 48.1 4.8 365
从表1可知，本发明实施例制备的混凝土样品28d抗压强度为53.9～58.0MPa，28d氯离子扩散系数为1.6～2.1×10-12m2/s，56d干燥收缩值为183～200×10-6mm/m。如图1所示为样品1与对照组56d干燥收缩曲线图，可以看出，掺入实施例1所制备的防裂抗渗剂的混凝土收缩明显减少，混凝土的抗裂性能得到提高。
图2为样品1养护28d的SEM电镜照片，可以看出，掺入实施例1中所制备的防裂抗渗剂在混凝土中产生许多针状钙矾石，它在水泥硬化过程中，于C-S-H胶粒间结晶生长，使水泥石宏观体积不断膨胀，从而提高混凝土抗裂性能。
为考察掺入防裂抗渗剂的混凝土的自修复过程，首先将混凝土养护7d后进行预压处理，预压力为混凝土抗压强度的80％，使混凝土内部产生裂纹，后将预压处理的混凝土试件继续养护7d，并以未掺入防裂抗渗剂的混凝土作为对照。图3为未掺防裂抗渗剂的混凝土预压处理后的裂缝照片；图4为未掺防裂抗渗剂的混凝土预压处理后继续养护7d后的裂缝照片，从图中可以看出，当有裂缝存在时，未掺防裂抗渗剂的混凝土继续养护，裂缝宽度从0.33mm降低到0.23mm，继续养护过程一定程度上降低了混凝土部分裂缝宽度。
图5为掺入实施例1所制备的防裂抗渗剂的混凝土预压处理后的裂缝照片；图6为掺入实施例1所制备的防裂抗渗剂的混凝土预压处理后继续养护7d后的裂缝照片。从图中可以看出，裂缝宽度从0.18mm降低到0.02mm，掺入实施例1所制备的防裂抗渗剂的混凝土预压处理产生的裂缝较小，且继续养护能够基本愈合，说明本发明实施例制备的防裂抗渗剂的自修复效果良好。

Claims (9)

1.一种渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂，其特征在于，其原料组分及重量份配比如下：P·O42.5硅酸盐水泥20~50份，粉煤灰沉珠10~20份，偏高岭土5~15份，氧化钙膨胀剂5~10份，氧化镁膨胀剂5~10份，石膏2~10份，十二水硫酸铝钾2~10份，络合剂2~10份，葡萄糖酸钠2-5份；
所述络合剂为六偏磷酸钠，酒石酸，乙二胺四乙酸二钠中的一种。
2.根据权利要求1所述的渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂，其特征在于，所述粉煤灰沉珠中氧化硅含量为40~60%，氧化铝含量为10~30%，烧失量≤3%，平均粒径1~3μm。
3.根据权利要求1所述的渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂，其特征在于，所述偏高岭土中氧化硅含量为40~50%，氧化铝含量为30~50%，烧失量≤3%，偏高岭土平均粒径3~5μm，比表面积16000~18000m2/Kg。
4.根据权利要求1所述的渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂，其特征在于，所述氧化钙膨胀剂中氧化钙含量≥90%。
5.根据权利要求1所述的渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂，其特征在于，所述氧化镁膨胀剂为轻烧氧化镁，氧化镁含量≥90%，烧失量≤3%，氧化镁活性值为220~240s，平均粒径9~12μm。
6.根据权利要求1所述的渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂，其特征在于，所述石膏中硫酸钙含量≥95%，烧失量≤5%。
7.一种权利要求1-6任一项所述的渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1）按原料配比称取各原料组分，备用；
2）将称取的P·O42.5硅酸盐水泥、粉煤灰沉珠、偏高岭土、氧化钙膨胀剂、氧化镁膨胀剂、石膏、十二水硫酸铝钾、络合剂加入球磨机中研磨均匀得到渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂。
8.根据权利要求7所述的渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂的制备方法，其特征在于，步骤2）球磨工艺条件为：球料比为8:1，研磨球粒径为10~20mm，球磨机转速150r/min，球磨时间为20~30min。
9.一种权利要求1-6任一项所述的渗透结晶型高性能混凝土防裂抗渗剂的使用方法，其特征在于，将所述渗透结晶型高性能混凝土用防裂抗渗剂按胶凝材料总质量的8~15%掺入混凝土中。
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