CN114538817A - 一种混凝土用相变膨胀抗裂剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混凝土用相变膨胀抗裂剂及其制备方法，上述制备方法包括如下步骤：将聚乙二醇加热至熔融态，向其中加入混合膨胀剂，混合均匀，再加入石墨相氮化碳，混合均匀，将混合物料放入真空干燥箱进行真空吸附，以使聚乙二醇及混合膨胀剂吸附于石墨相氮化碳的多孔结构中，从而制得一种混凝土用相变膨胀抗裂剂；其中，聚乙二醇、混合膨胀剂及石墨相氮化碳的质量百分比为(35～49.5％):(49.5～60％):(1～5％)。本发明中利用不同活性膨胀剂复配形成混合膨胀剂，钙质膨胀剂的活性较高，水化速率较快，主要补偿混凝土早期的收缩，同时加入M型和S型不同活性的MgO膨胀剂，补偿了混凝土中后期的收缩，从而保证对混凝土各个阶段的补偿收缩，降低了混凝土的开裂风险。

Description

一种混凝土用相变膨胀抗裂剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料外加剂技术领域，特别是涉及一种混凝土用相变膨胀抗裂剂及其制备方法。

背景技术

混凝土开裂是建筑工程中常见的问题，造成混凝土开裂的原因主要有两方面：一是混凝土水化硬化过程中体积收缩造成的收缩变形，尤其是水化温峰之后混凝土温降速率过快加剧混凝土的收缩开裂；另一方面则是体积收缩会使内部拉应力增大，当内部拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，也会使混凝土开裂。混凝土开裂会导致结构强度、耐久性以及体积稳定性降低，因此降低混凝土的开裂风险一直是行业需要解决的难题。

目前行业内常常通过加入膨胀剂用于补偿混凝土收缩，降低混凝土的开裂风险。

常用的混凝土膨胀剂有氧化钙类膨胀剂、硫铝酸钙类膨胀剂、氧化钙-硫铝酸钙双膨胀源膨胀剂、氧化镁膨胀剂。氧化钙膨胀剂的水化速率过快(1～4d)，水化放热量高，膨胀效能大，前3d可完成其限制膨胀率的90％以上，使其在水泥基材料塑性阶段就发生了较大程度的水化，导致其膨胀性能不能在后期得到有效的发挥；硫铝酸钙类膨胀剂需水量较大，水化反应主要集中在14d之前，一般实际工程中常采用氧化钙-硫铝酸钙配合使用，但对后期的收缩补偿作用也不大；氧化镁膨胀剂膨胀反应温和，可持续的发生膨胀反应，但早期膨胀较小，比较适宜进行中长龄期(14d～1年)下的补偿收缩，常常用于海工工程中，但膨胀剂早期的水化和后期膨胀率的发挥都需要大量的水分，特别是在低水灰比高强混凝土中，应用限制更大，而且随着混凝土龄期的推移，混凝土内部的水分浓度越来越低，严重制约着膨胀剂的水化进程，无法达到补偿收缩的目的。

发明内容

针对上述问题，现提供一种混凝土用相变膨胀抗裂剂及其制备方法。

具体技术方案如下：

本发明的第一个方面是提供一种混凝土用相变膨胀抗裂剂的制备方法，具有这样的特征，将聚乙二醇加热至熔融态，向其中加入混合膨胀剂，混合均匀，再加入石墨相氮化碳，混合均匀，将混合物料放入真空干燥箱进行真空吸附，以使聚乙二醇及混合膨胀剂吸附于石墨相氮化碳的多孔结构中，从而制得一种混凝土用相变膨胀抗裂剂；其中，聚乙二醇、混合膨胀剂及石墨相氮化碳的质量百分比为(35～49.5％):(49.5～60％):(1～5％)。

上述的制备方法，还具有这样的特征，混合膨胀剂由30～60wt％钙质膨胀剂、20～40wt％M型MgO膨胀剂及10～30wt％S型MgO膨胀剂混合形成。

上述的制备方法，还具有这样的特征，钙质膨胀剂为氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂，其游离氧化钙的含量≥45wt％。

上述的制备方法，还具有这样的特征，M型MgO膨胀剂的活性为100～200s，S型MgO膨胀剂的活性为250～350s。

上述的制备方法，还具有这样的特征，聚乙二醇分子量为600、800或1000中的一种。

上述的制备方法，还具有这样的特征，石墨相氮化碳的制备方法为：将尿素密封于坩埚中后于马弗炉中在450-650℃条件下煅烧2.5-3.5h，将坩埚从马弗炉中取出后自然冷却至室温，制得一种多孔介质石墨相氮化碳。

本发明的第二个方面是提供一种混凝土用相变膨胀抗裂剂，具有这样的特征，根据上述制备方法制备获得。

上述方案的有益效果是：

1)本发明提供的相变膨胀抗裂剂需要混凝土温升达到一定温度后才会出现相变并释放出膨胀剂，从而减少了材料塑性阶段的膨胀能损失，增加了有效膨胀；

2)本发明中利用不同活性膨胀剂复配形成混合膨胀剂，钙质膨胀剂的活性较高，水化速率较快，主要补偿混凝土早期的收缩，同时加入M型和S型不同活性的MgO膨胀剂，补偿了混凝土中后期的收缩，从而保证对混凝土各个阶段的补偿收缩，降低了混凝土的开裂风险；

3)本发明提供的相变膨胀抗裂剂通过真空吸附法可使处理过的相变材料聚乙二醇均匀的吸附于石墨相氮化碳的微孔结构中。石墨相氮化碳作为相变膨胀抗裂剂的支撑载体，不仅具有多孔结构，为相变材料提供了附着点，还能够吸收和储存混凝土水化过程中释放的一部分能量，并且具有较好的亲水性，能够保持混凝土内部的水分不易析出，达到良好的保水效果，具有较好的储能和保水性，有效地控制了混凝土的温升、改善硬化混凝土内部湿度，一方面可以降低温升，促进膨胀剂膨胀能的释放，同时储存的能量能够降低混凝土温峰后的温降速率，减少温度收缩，提高混凝土的抗裂性能。

附图说明

图1为本发明的实施例中提供的绝热温升条件下温度应力应变实验图；

图2为本发明的实施例中提供的应力随龄期的变化曲线图；

图3为本发明的实施例中提供的半绝热温升曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例1

一种混凝土用相变膨胀抗裂剂，其制备方法为：将45.5wt％聚乙二醇加热至熔融态，向其中加入49.5wt％混合膨胀剂，混合均匀，再加入5wt％石墨相氮化碳，混合均匀，将混合物料放入真空干燥箱进行真空吸附(箱内气压-0.1MPa、温度70℃、吸附时间15h)，制得一种混凝土用相变膨胀抗裂剂；

其中，石墨相氮化碳的制备方法为：将尿素密封于坩埚中后于550℃条件下煅烧3.5h，将坩埚从马弗炉中取出后自然冷却至室温，制得一种多孔介质石墨相氮化碳；

其中，混合膨胀剂由40wt％钙质膨胀剂、30wt％M型MgO膨胀剂(活性为140s)及30wt％S型MgO膨胀剂(活性为300s)混合形成；钙质膨胀剂为氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂，其游离氧化钙的含量为60wt％；聚乙二醇分子量为600。

实施例2

一种混凝土用相变膨胀抗裂剂，其制备方法为：将35wt％聚乙二醇加热至熔融态，向其中加入60wt％混合膨胀剂，混合均匀，再加入5wt％石墨相氮化碳，混合均匀，将混合物料放入真空干燥箱进行真空吸附(箱内气压-0.1MPa、温度70℃、吸附时间15h)，制得一种混凝土用相变膨胀抗裂剂；

其中，石墨相氮化碳的制备方法为：将尿素密封于坩埚中后于550℃条件下煅烧3.5h，将坩埚从马弗炉中取出后自然冷却至室温，制得一种多孔介质石墨相氮化碳；

其中，混合膨胀剂由40wt％钙质膨胀剂、30wt％M型MgO膨胀剂(活性为140s)及30wt％S型MgO膨胀剂(活性为300s)混合形成；钙质膨胀剂为氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂，其游离氧化钙的含量为60wt％；聚乙二醇分子量为600。

实施例3

一种混凝土用相变膨胀抗裂剂，其制备方法为：将49.5wt％聚乙二醇加热至熔融态，向其中加入49.5wt％混合膨胀剂，混合均匀，再加入1wt％石墨相氮化碳，混合均匀，将混合物料放入真空干燥箱进行真空吸附，制得一种混凝土用相变膨胀抗裂剂；

其中，石墨相氮化碳的制备方法为：将尿素密封于坩埚中后于550℃条件下煅烧3.5h，将坩埚从马弗炉中取出后自然冷却至室温，制得一种多孔介质石墨相氮化碳；

其中，混合膨胀剂由40wt％钙质膨胀剂、30wt％M型MgO膨胀剂(活性为140s)及30wt％S型MgO膨胀剂(活性为300s)混合形成；钙质膨胀剂为氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂，其游离氧化钙的含量为60wt％；聚乙二醇分子量为600。

实施例4

一种混凝土用相变膨胀抗裂剂，其制备方法为：将35wt％聚乙二醇加热至熔融态，向其中加入60wt％混合膨胀剂，混合均匀，再加入5wt％石墨相氮化碳，混合均匀，将混合物料放入真空干燥箱进行真空吸附(箱内气压-0.1MPa、温度70℃、吸附时间15h)，制得一种混凝土用相变膨胀抗裂剂；

其中，石墨相氮化碳的制备方法为：将尿素密封于坩埚中后于550℃条件下煅烧3.5h，将坩埚从马弗炉中取出后自然冷却至室温，制得一种多孔介质石墨相氮化碳；

其中，混合膨胀剂由40wt％钙质膨胀剂、30wt％M型MgO膨胀剂(活性为140s)及30wt％S型MgO膨胀剂(活性为300s)混合形成；钙质膨胀剂为氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂，其游离氧化钙的含量为60wt％；聚乙二醇分子量为800。

实施例5

一种混凝土用相变膨胀抗裂剂，其制备方法为：将35wt％聚乙二醇加热至熔融态，向其中加入60wt％混合膨胀剂，混合均匀，再加入5wt％石墨相氮化碳，混合均匀，将混合物料放入真空干燥箱进行真空吸附(箱内气压-0.1MPa、温度70℃、吸附时间15h)，制得一种混凝土用相变膨胀抗裂剂；

其中，石墨相氮化碳的制备方法为：将尿素密封于坩埚中后于550℃条件下煅烧3.5h，将坩埚从马弗炉中取出后自然冷却至室温，制得一种多孔介质石墨相氮化碳；

其中，混合膨胀剂由30wt％钙质膨胀剂、40wt％M型MgO膨胀剂(活性为140s)及30wt％S型MgO膨胀剂(活性为300s)混合形成；钙质膨胀剂为氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂，其游离氧化钙的含量为60wt％；聚乙二醇分子量为800。

对比例1

本对比例中仅以混合膨胀剂作为抗裂剂，不加入聚乙二醇和石墨相氮化碳。

对比例2

本对比例仅将实施例4中聚乙二醇、混合膨胀剂及石墨相氮化碳按比例混合，没有经过真空吸附处理。

本发明中按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080-2016)中公开方法称取基准混凝土试块的原料制备成基准混凝土试件，并按标准养护法养护成型，基准混凝土试块中各原料用量如下表所示：

其中，水泥选用华新水泥股份有限公司的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，粗骨料选用5-25mm连续级配碎石，细骨料选用符合砂石标准的河砂，减水剂选用高效聚羧酸减水剂。

本发明中按照GB/T 50081-2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》和GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中方法测试实施例1-5及对比例1、2中各基准混凝土试件的抗压、抗折、限制膨胀率、抗渗、开裂面积等性能，测试结果如下表所示：

如图1所示，在绝热温升阶段掺入实施例4膨胀抗裂剂的混凝土试件的限制膨胀量略小于加入对比例1的混凝土试件，对比例1中的膨胀主要集中在35h前，且35h前的膨胀量大于实施例4中的膨胀量。但随着时间增长，掺实施例4的混凝土膨胀量逐渐超过对比例1，在保温阶段掺对比例1膨胀抗裂剂的混凝土限制膨胀量出现了明显的下降，而掺实施例4膨胀抗裂剂的混凝土限制膨胀量仍在缓慢增长。

如图2所示，在保温阶段掺入对比例1膨胀抗裂剂的混凝土试件的预压应力不断降低，说明其在达到保温阶段时水化反应已基本结束，而掺入实施例4膨胀抗裂剂的预压应力在保温阶段之前相对较小，在保温阶段仍缓慢增长并超过了对比例1，与图1中的限制膨胀量的规律一致，这主要是因为降温阶段混凝土内部温度降低，混凝土应力状态由受压转变为受拉，当内部拉应力超过混凝土极限抗拉强度时，试件断裂。从图2中可以看出，加入实施例4膨胀抗裂剂的混凝土的断裂应力要明显高于加入对比例1的混凝土。

如图3所示，加入实施例4膨胀抗裂剂的混凝土的温峰延迟且低于对比例1的，温峰之后混凝土内部温度的降低速率也要明显低于加入对比例1膨胀抗裂剂的混凝土试件，由此可以降低由温降引起的开裂风险。

综合以上数据，说明相比掺入对比例膨胀抗裂剂，掺入本发明提供的膨胀抗裂剂可有效地降低由混凝土收缩变形和自身应力以及温度收缩带来的开裂风险。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种混凝土用相变膨胀抗裂剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将聚乙二醇加热至熔融态，向其中加入混合膨胀剂，混合均匀，再加入石墨相氮化碳，混合均匀，将混合物料放入真空干燥箱进行真空吸附，以使聚乙二醇及混合膨胀剂吸附于石墨相氮化碳的多孔结构中，从而制得一种混凝土用相变膨胀抗裂剂；其中，聚乙二醇、混合膨胀剂及石墨相氮化碳的质量百分比为(35～49.5％):(49.5～60％):(1～5％)。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，混合膨胀剂由30～60wt％钙质膨胀剂、20～40wt％M型MgO膨胀剂及10～30wt％S型MgO膨胀剂混合形成。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，钙质膨胀剂为氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂，其游离氧化钙的含量≥45wt％。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，M型MgO膨胀剂的活性为100～200s，S型MgO膨胀剂的活性为250～350s。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，聚乙二醇分子量为600、800或1000中的一种。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，石墨相氮化碳的制备方法为：将尿素密封于坩埚中后于马弗炉中在450-650℃条件下煅烧2.5-3.5h，将坩埚从马弗炉中取出后自然冷却至室温，制得一种多孔介质石墨相氮化碳。

7.一种混凝土用相变膨胀抗裂剂，其特征在于，根据权利要求1-6任一项所述制备方法制备获得。

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