CN114436560A - 一种混凝土增效剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种混凝土增效剂及其制备方法。本发明研制的产品中，包括以下重量份数的原料：20‑30份氧化石墨烯，10‑15份无定形碳，4‑6份引气剂，100‑120份水；所述氧化石墨烯粒径分布范围为10‑100nm，所述无定形碳粒径分布范围为50‑200nm；其中，所述氧化石墨烯层间嵌入有聚苯乙烯磺酸钠；另外，还包括氧化石墨烯质量1‑5％的增稠剂以及1，3‑丁二醇，所述1，3‑丁二醇的添加量为所述增稠剂质量的30‑50％。在制备产品时，将称量的各原料在水中超声分散均匀，得分散液，即为产品。

Description

一种混凝土增效剂及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域。更具体地，涉及一种混凝土增效剂及其制备方法。

背景技术

研究表明，由于减水剂与水泥作用机理的局限，当减水剂掺量达到某一值时，对混凝土不再发挥其减水作用，则混凝土中有超过20％的水泥不能充分水化，以发挥强度作用。因此如何在保证经济效益的前提下充分利用该部分水泥，是目前混凝土行业发展的重点。

增效剂的出现为这一问题提供了思路。它能最大限度地激发减水剂及分散胶凝材料，提高新拌混凝土的工作性能和强度，同时能够适当降低水泥用量，减少混凝土生产成本。增效剂对于提高混凝土耐久性亦有所助益，其能提升混凝土对于冻融、氯离子、渗透和裂缝等外界侵蚀的抵抗能力，延长混凝土构件服役寿命。

混凝土增效剂是近年来新出现的一种混凝土外加剂。根据生产厂家的介绍，混凝土增效剂的掺量一般为胶凝材料用量的0.6％，在混凝土28d强度相同时，可节省10％的水泥用量；混凝土增效剂主要是有机物，是一种强力的分散剂，其作用机理为：现在的水泥材料颗粒很细，会有一些粘连的颗粒团，普通减水剂不能分散这些特细颗粒聚集体，而混凝土增效剂可以分散这些聚集体，因而使水泥颗粒更充分地与水接触，提高其反应活性。混凝土增效剂还可以充分活化具有潜在活性的矿物掺和料，从而提高胶凝材料的水化程度，达到提高混凝土强度或降低水泥用量的目的。

然而，由于水泥水化过程是一个相对复杂的过程，上述现有技术仅仅提供了增效的一种思路，尤其是在分散特细颗粒时，由于颗粒本身就具有较强的团聚倾向，因此，上述思路还是无法充分利用尤其是特细的颗粒，以充分发挥水泥水化带来的强度贡献。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有混凝土中，水泥细颗粒无法充分利用，并且水泥水化不完全，而现有的增效剂在解决上述技术问题时，仍然存在缺陷和不足，提供一种混凝土增效剂及其制备方法。

本发明的目的是提供一种混凝土增效剂。

本发明的另一目的是提供一种混凝土增效剂的制备方法。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种混凝土增效剂，包括以下重量份数的原料：

20-30份氧化石墨烯，10-15份无定形碳，4-6份引气剂，100-120份水；

所述氧化石墨烯粒径分布范围为10-100nm，所述无定形碳粒径分布范围为50-200nm。

上述技术方案以不同粒径分布范围的氧化石墨烯和无定形碳，以及引气剂共同构筑混凝土增效剂体系，具体而言，在混凝土的主要原料之一水泥中，其一般的颗粒粒径分布为0.1-100μm范围内，其中，小于1μm的颗粒会很快水化，对于混凝土强度发展没有明显作用，并且，其水化后，还会影响其余水泥的进一步水化反应发生，导致大量水泥只能起到填充料的作用，本申请通过加入具有较强吸附作用的氧化石墨烯和无定形碳，并且通过限定两者的粒径分布范围，因为在该粒径分布范围内的两种原料，可以对粒径较小的水泥颗粒发生快速吸附，从而使得较小粒径的水泥颗粒在上述两种原料表面聚集，形成粒径更大的水泥颗粒；

另外，无论是氧化石墨烯还是无定形碳，两者皆存在可以存放气体的空间，其中，氧化石墨烯为层状化合物，其层间有空间，而无定形碳具备较好的孔隙结构，在引气剂的作用下，部分气体会残留在两者之间，共同改善大颗粒的密度以及表面性质，以及混凝土体系整体的流动性，从而使得各原料可以发生均匀的扩散和分布，使得水泥水化反应可以充分进行，并且，其中的氧化石墨烯和无定形碳性状稳定，其残留于混凝土水化网络结构中，其丰富的孔隙中残留的水分可以为水泥的后期强度提升提供贡献。

进一步的，所述氧化石墨烯层间嵌入有聚苯乙烯磺酸钠。

上述技术方案通过在氧化石墨烯层间引入聚苯乙烯磺酸钠，首先，其具有良好的表面活性，可以使得氧化石墨烯快速稳定的在水泥体系中分散，其次，聚苯乙烯磺酸钠在混凝土体系中电离后，可以强化水泥颗粒的极性，从而增大混凝土颗粒之间的静电斥力，避免被吸附之后的混凝凝土颗粒继续发生团聚，导致由于颗粒粒径过大引起的其他弊端。

进一步的，所述引气剂选自木质素磺酸钠、木质素磺酸钙和木质素磺酸镁中的任意一种。

进一步的，还包括氧化石墨烯质量1-5％的增稠剂，所述增稠剂选自明胶、瓜尔胶、壳聚糖、聚乙烯醇、阿拉伯胶、海藻酸钠、糊精、羧甲基纤维素和聚丙烯酸钠中的任意一种。

进一步的，还包括1，3-丁二醇，所述1，3-丁二醇的添加量为所述增稠剂质量的30-50％。

上述技术方案通过引入增稠剂，如此，可以保证产品存放过程中，各组分相对稳定存放，避免氧化石墨烯和无定形碳颗粒之间过量团聚而影响产品性能；并通过进一步引入1，3-丁二醇，利用1，3-丁二醇改变增稠剂对混凝土颗粒的润湿能力，如此，避免增稠剂的引入和混凝土体系之间由于界面问题影响混凝土的实际水化反应发生。

进一步的，所述增稠剂为明胶，所述1，3-丁二醇的添加量为所述明胶质量的30-32％。

上述技术方案通过优选明胶作为增稠剂，并且，由于明胶分子结构中既含有氨基，也含有羧基，在混凝土碱性体系中，由于羧基离子化从而发生分子结构溶胀，其氨基又可以协同改善混凝土颗粒极性，如此增加游离水比例，因此，可以添加相对较小的1，3-丁二醇即可达到同等效果。

一种混凝土增效剂的制备方法，具体制备步骤包括：

原料准备：

按原料组成称量各组分；

原料混合：

将称量的各原料在水中超声分散均匀，得分散液。

进一步的，具体制备步骤还包括：

氧化石墨烯的预处理：

将氧化石墨烯和水分散后，再加入聚苯乙烯磺酸钠，超声分散均匀后，抽滤，干燥，即完成氧化石墨烯的预处理。

具体实施方式

以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

实施例1

原料准备：

将氧化石墨烯和水按质量比为1：10混合，再加入氧化石墨烯质量10％的聚苯乙烯磺酸钠，于超声频率为120kHz，温度为65℃条件下，保温超声分散1h后，趁热抽滤，收集滤饼，再将所得滤饼转入烘箱中，于温度为105℃条件下干燥至恒重，出料，得预处理氧化石墨烯；

按重量份数计，依次取20份预处理氧化石墨烯，10份无定形碳，4份引气剂，100份水，预处理氧化石墨烯质量1％的增稠剂以及增稠剂质量的30％的1，3-丁二醇；所述氧化石墨烯粒径分布范围为10-100nm，所述无定形碳粒径分布范围为50-200nm；所述引气剂选自木质素磺酸钠；所述增稠剂选自明胶；

先将增稠剂和1，3-丁二醇倒入球磨罐中，于球磨转速为300r/min条件下，球磨混合2h，得球磨料；再将所得球磨料和水混合后，于室温条件下静置溶胀24h，随后于温度为90℃，转速为400r/min条件下搅拌混合2h，再加入预处理氧化石墨烯、无定形碳和引气剂，于频率为100kHz，温度为65℃条件下，超声分散2h，冷却，得分散液，即为产品。

实施例2

原料准备：

将氧化石墨烯和水按质量比为1：15混合，再加入氧化石墨烯质量12％的聚苯乙烯磺酸钠，于超声频率为140kHz，温度为75℃条件下，保温超声分散2h后，趁热抽滤，收集滤饼，再将所得滤饼转入烘箱中，于温度为108℃条件下干燥至恒重，出料，得预处理氧化石墨烯；

按重量份数计，依次取25份预处理氧化石墨烯，12份无定形碳，5份引气剂，110份水，预处理氧化石墨烯质量3％的增稠剂以及增稠剂质量的40％的1，3-丁二醇；所述氧化石墨烯粒径分布范围为40-100nm，所述无定形碳粒径分布范围为80-200nm；所述引气剂选自木质素磺酸钙；所述增稠剂选自瓜尔胶；

先将增稠剂和1，3-丁二醇倒入球磨罐中，于球磨转速为350r/min条件下，球磨混合3h，得球磨料；再将所得球磨料和水混合后，于室温条件下静置溶胀32h，随后于温度为92℃，转速为500r/min条件下搅拌混合3h，再加入预处理氧化石墨烯、无定形碳和引气剂，于频率为120kHz，温度为70℃条件下，超声分散3h，冷却，得分散液，即为产品。

实施例3

原料准备：

将氧化石墨烯和水按质量比为1：20混合，再加入氧化石墨烯质量20％的聚苯乙烯磺酸钠，于超声频率为150kHz，温度为85℃条件下，保温超声分散3h后，趁热抽滤，收集滤饼，再将所得滤饼转入烘箱中，于温度为110℃条件下干燥至恒重，出料，得预处理氧化石墨烯；

按重量份数计，依次取30份预处理氧化石墨烯，15份无定形碳，6份引气剂，120份水，预处理氧化石墨烯质量5％的增稠剂以及增稠剂质量的50％的1，3-丁二醇；所述氧化石墨烯粒径分布范围为10-80nm，所述无定形碳粒径分布范围为50-120nm；所述引气剂选自木质素磺酸镁；所述增稠剂选自聚乙烯醇；

先将增稠剂和1，3-丁二醇倒入球磨罐中，于球磨转速为400r/min条件下，球磨混合4h，得球磨料；再将所得球磨料和水混合后，于室温条件下静置溶胀36h，随后于温度为95℃，转速为600r/min条件下搅拌混合4h，再加入预处理氧化石墨烯、无定形碳和引气剂，于频率为150kHz，温度为75℃条件下，超声分散4h，冷却，得分散液，即为产品。

实施例4

本实施例和实施例1相比，区别在于：未添加1，3-丁二醇，其余条件保持不变。

实施例5

本实施例和实施例1相比，区别在于：1，3-丁二醇的添加量为增稠剂质量的33％，其余条件保持不变。

实施例6

本实施例和实施例1相比，区别在于：未添加增稠剂和1，3-丁二醇，其余条件保持不变。

实施例7

本实施例和实施例1相比，区别在于：未添加聚苯乙烯磺酸钠，其余条件保持不变。

对比例1

本对比例和实施例1相比，区别在于：未添加无定形碳，其余条件保持不变。

对比例2

本对比例和实施例1相比，区别在于：未添加氧化石墨烯，其余条件保持不变。

对比例3

本对比例和实施例1相比，区别在于：氧化石墨烯粒径分布范围为120-200nm，其余条件保持不变。

对比例4

本对比例和实施例1相比，区别在于：无定形碳粒径分布范围为250-300nm，其余条件保持不变。

对实施例1-7及对比例1-4所得产品进行性能测试，具体测试方法和测试结果如下所述：

以标号为C30的商品混凝土为实验对象，按添加量为C30商品混凝土质量的1.5％，将实施例1-7和对比例1-4所得产品分别和C30商品混凝土混合，其中，C30商品混凝土中，各组分的配比如表1所示：

表1：C30商品混凝土组分配比

减水剂/g	水/kg	水泥/kg	粉煤灰/kg	砂/kg	碎石/kg
						165	3.2	6.1	1.5	18	19

待混凝土浇筑完成后，进行人工养护，并分别测试各混凝土试块的3d，7d和28d抗压强度，具体测试结果如表2所示；

表2：产品性能测试结果

由表1测试结果可知，本发明所得产品可以使得混凝土具有良好的前期强度，并且基于水化充分，其后期发展的强度也得到显著提升。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种混凝土增效剂，其特征在于，包括以下重量份数的原料：

20-30份氧化石墨烯，10-15份无定形碳，4-6份引气剂，100-120份水；

所述氧化石墨烯粒径分布范围为10-100nm，所述无定形碳粒径分布范围为50-200nm。

2.根据权利要求1所述的一种混凝土增效剂，其特征在于，所述氧化石墨烯层间嵌入有聚苯乙烯磺酸钠。

3.根据权利要求1所述的一种混凝土增效剂，其特征在于，所述引气剂选自木质素磺酸钠、木质素磺酸钙和木质素磺酸镁中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种混凝土增效剂，其特征在于，还包括氧化石墨烯质量1-5％的增稠剂，所述增稠剂选自明胶、瓜尔胶、壳聚糖、聚乙烯醇、阿拉伯胶、海藻酸钠、糊精、羧甲基纤维素和聚丙烯酸钠中的任意一种。

5.根据权利要求4所述的一种混凝土增效剂，其特征在于，还包括1，3-丁二醇，所述1，3-丁二醇的添加量为所述增稠剂质量的30-50％。

6.根据权利要求5所述的一种混凝土增效剂，其特征在于，所述增稠剂为明胶，所述1，3-丁二醇的添加量为所述明胶质量的30-32％。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种混凝土增效剂的制备方法，其特征在于，具体制备步骤包括：

原料准备：

按原料组成称量各组分；

原料混合：

将称量的各原料在水中超声分散均匀，得分散液。

8.根据权利要求7所述的一种混凝土增效剂的制备方法，其特征在于，具体制备步骤还包括：

氧化石墨烯的预处理：

将氧化石墨烯和水分散后，再加入聚苯乙烯磺酸钠，超声分散均匀后，抽滤，干燥，即完成氧化石墨烯的预处理。