CN114634326B - 一种管桩增效剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本申请涉及化学建材建筑技术领域，具体公开了一种管桩增效剂及其制备方法和应用，一种管桩增效剂，其包括如下重量份的原料：有机盐6‑20%、醇胺化合物4‑5%、纤维素5‑7%、正丁基锂2‑3%、纳米二氧化钛1‑3%、硅酸铝30‑50%、α‑烯基磺酸钠0.1‑0.5%、三苯乙烯基苯酚聚氧乙烯醚10‑15%和聚丙烯酸钠5‑10%。通过加入本申请得到的管桩增效剂，管桩混凝土1d和28d抗压强度最高分别为78.3MPa和96.1MPa，提高了管桩混凝土的早期强度。

Description

一种管桩增效剂及其制备方法和应用

技术领域

本申请涉及化学建材建筑领域，更具体地说，它涉及一种管桩增效剂及其制备方法和应用。

背景技术

管桩是近年来发展较快、应用较广的一种高强混凝土制品，其具有较高的强度、承载力和抗冲击性能，施工方便，在高层建筑、大跨度桥梁、高速公路和港口码头等工业和民用建筑中被广泛应用。

目前，管桩生产过程中一般包括蒸汽养护和蒸压养护两步，但现有的管桩混凝土早期强度较低，混凝土达到规定强度的时间较长，导致模具的周转率低。

发明内容

为了提高管桩混凝土的早期强度，本申请提供了一种管桩增效剂及其制备方法和应用。

第一方面，本申请提供一种管桩增效剂，其采用如下技术方案：

一种管桩增效剂，其包括如下重量百分含量的原料：有机盐6-20％、醇胺化合物4-5％、纤维素5-7％、正丁基锂2-3％、纳米二氧化钛1-3％、硅酸铝30-50％、α-烯基磺酸钠0.1-0.5％、三苯乙烯基苯酚聚氧乙烯醚10-15％和聚丙烯酸钠5-10％。

通过采用上述技术方案，有机盐能加速水泥的水化过程，其不仅能作为混凝土的早强剂组分，还可以作为混凝土防冻剂组分，可克服混凝土中碱集料反应以及电化学腐蚀的缺陷，改进了混凝土的物理力学性能和耐久性，以获得优质的混凝土。

醇胺化合物能使胶体粒子膨胀，对周围产生压力，这种压力可破坏混凝土毛细管通道，提高混凝土的密实性，混凝土的抗渗性能增强。同时，在水泥水化过程中，三乙醇胺可与钙离子和铁离子等生成易溶于水的络合离子，提高了水泥颗粒表面的可溶性，阻碍了硅酸三钙表面形成水化初期不渗透层，促进了硅酸三钙和硅酸四钙的溶解，加速其与石膏反应生成硫铝酸钙。同时，这个反应也降低了液相中钙离子和铝离子浓度，进一步促进硅酸三钙的水化，从而促进混凝土早期强度增长。

纤维素和硅酸铝加入可提高管桩混凝土的强度；正丁基锂为管桩混凝土提供锂元素，可加速水泥水化保护膜破裂，加快水泥的水化速度，即使在低温条件下，也能加速水泥的水化，提高管桩的早期强度；同时，锂还能促进钙矾石晶体的形成，显著提高管桩混凝土的凝结速度和早期强度。

将正丁基锂与纤维素混合，再与纳米二氧化钛复配，在纳米二氧化钛的催化作用下释放锂离子，可提高管桩增效剂的性能，加快管桩混凝土硬化的时间，从而提高管桩混凝土的强度。α-烯基磺酸钠作为引气剂加入，能在管桩中带入均匀细小的气泡，起到润滑作用，补偿因早强组分而导致管桩混凝土流动性的损失，从而使增效剂具有较高的减水率。三苯乙烯基苯酚聚氧乙烯醚能够通过苯酚基团与水泥颗粒表面形成氢键，从而牢固的吸附在水泥颗粒上；同时，其分子链上的聚氧乙烯链具有亲水性，能够充分伸展至水溶液中，在水泥颗粒表面形成足够厚度的保护层，减少颗粒间的范德华力，并产生空间位阻作用，提高水泥颗粒的分散性，从而有助于水泥颗粒充分水化成包裹在骨料表面的凝胶物质，促进混凝土强度的增长。苯乙烯苯酚聚氧乙烯醚与聚丙烯酸钠一同配合，有效减少了混凝土中的絮凝结构，促进了水泥水化反应的充分进行，提高了混凝土的强度。

聚丙烯酸钠与三苯乙烯基苯酚聚氧乙烯醚一同配合，有效减少了混凝土中的絮凝结构，促进了水泥水化反应的充分进行，提高了混凝土的强度。

作为优选：一种管桩增效剂，其包括如下重量百分含量的原料：有机盐10-18％、醇胺化合物4.4-4.8％、纤维素5.5-6.5％、正丁基锂2.4-2.8％、纳米二氧化钛1.5-2.5％、硅酸铝38-42％、α-烯基磺酸钠0.2-0.4％、三苯乙烯基苯酚聚氧乙烯醚12-14％和聚丙烯酸钠7-9％。

作为优选：所述纤维素通过预处理改性而得，具体操作步骤为：将纤维素浸泡在30％的氢氧化钠溶液中2h，去离子水清洗至中性，干燥，按质量比1：(0.5-0.75)：(1-2)的比例，将纤维素、乙酸酐和冰醋酸混合，搅拌均匀，加入纤维素质量0.5％的浓硫酸，在80-100℃条件下反应2-3h，冷却，加入无水乙醇沉淀，过滤，留取滤渣，去离子水清洗至中性，干燥，得到改性纤维素。

通过采用上述技术方案，将纤维素浸泡在氢氧化钠溶液中，脱去部分木质素，并降低结晶度，经碱液溶胀处理后，反应的可及度提高，通过乙酸酐改性后，可极大降低纤维素的极性，从而增强纤维素热稳定性，提高了纤维素的机械性能、尺寸稳定性和疏水性，进一步提高纤维素在管桩增效剂的作用。

作为优选：所述管桩增效剂还包括如下重量百分含量的原料：纳米碳酸钙1-3％、羧甲基纤维素钠0.05-0.1％。

通过采用上述方案，纳米碳酸钙呈碱性，可有效改善管桩混凝土的粘聚性和保水性，降低泌水情况的出现，纳米碳酸钙的加入促进了水泥中硅酸三钙的早期水化，水泥中的硅酸三钙开始水化时，会释放出大量的钙离子，并且钙离子的迁移能力比氧化硅离子团高得多，根据吸附理论，当钙离子扩散到碳酸钙颗粒表面附近时，首先发生碳酸钙颗粒表面对钙离子的物化吸附作用，由于这种吸附，导致在水化中硅酸三钙颗粒周围的钙离子浓度降低，从而加速了硅酸三钙的水化，而硅酸三钙是水泥石强度的主要来源，所以混凝土的早期强度得到了提高。另外，纳米碳酸钙与水泥之间可以相互发生填充效应，使颗粒间的空隙减少，空隙水量降低，自由水量增加，进而使管桩混凝土的流变性能增大，解决了坍落度降低的问题，还改善了混凝土的密实度，充分发挥了微集料填充效应、活性效应、晶核效应，填充和优化了硬化后混凝土的孔隙结构，提高了新拌混凝土的均匀性，不但使毛细孔得到细化，而且使孔隙率降低，从而使得孔隙结构改善。

羧甲基纤维素钠具有明显的增稠、保水的作用，并可提高混凝土的早期强度，避免管桩混凝土由于使用蒸汽快速养护易出现裂纹的现象。同时提高混凝土的匀质性，提高纳米碳酸钙的分散均匀性，保持混凝土拌合物不泌水、不离析。

作为优选：所述羧甲基纤维素钠与纳米碳酸钙的重量配比为1：(20-50)。

通过采用上述技术方案，调节羧甲基纤维素钠与纳米碳酸钙的重量配比，可进一步提高纳米碳酸钙分散均匀性，提高管桩的早期强度。

作为优选：所述管桩增效剂还包括如下重量百分含量的原料：磷酸二氢铝0.5-0.7％、羧酸钙2-4％。

通过采用上述技术方案，羧酸钙可加速水泥水化的速度，从而提高管桩的早期强度。磷酸二氢铝的加入可进一步控制管桩增效剂中各组分的空间结构，从而提高管桩的强度。

作为优选：所述有机盐为甲酸钠、柠檬酸盐、酒石酸盐、葡萄糖酸盐、氨基苯磺酸钠、氨基葡萄糖盐酸盐和氨基葡萄糖硫酸盐中的至少一种；醇胺化合物为三乙醇胺、三异丙醇胺、二乙醇单异丙醇胺中的至少一种。

第二方面，本申请提供一种上述任一项管桩增效剂的制备方法，具体通过以下技术方案得以实现：

一种管桩增效剂的制备方法，其包括以下操作步骤：

将纤维素、正丁基锂和纳米二氧化碳混合，搅拌均匀，得到混合物A；

将混合物A和其余各原料混合，搅拌均匀，静置4-6h，得到管桩增效剂。

第三方面，本申请提供一种上述任一项管桩增效剂在管桩混凝土中的应用，所述管桩增效剂的掺量为管桩混凝土原料掺量的3-5％。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

(1)本申请通过控制管桩增效剂各原料的种类和掺量，使管桩混凝土1d和28d抗压强度分别为69.6MPa和88.5MPa，坍落度为56mm，提高了管桩混凝土的早期强度。

(2)本申请通过对控制管桩增效剂原料中的纤维素进行改性，使管桩混凝土1d和28d抗压强度分别为70.1MPa和82.3MPa，坍落度为53mm，进一步提高了管桩混凝土的早期强度。

(3)本申请通过在管桩增效剂原料中加入羧甲基纤维素钠与纳米碳酸钙，使管桩混凝土1d和28d抗压强度分别为73.3MPa和92.3MPa，坍落度为48mm，提高了管桩混凝土的早期强度。

(4)本申请通过在管桩增效剂原料添加羧甲基纤维素钠与纳米碳酸钙的基础上加入磷酸二氢铝和羧酸钙，并调节二者掺量，使管桩混凝土1d和28d抗压强度分别为78.3MPa和96.1MPa，坍落度为42mm，进一步提高了管桩混凝土的早期强度。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细说明。

本申请中的如下各原料均为市售产品，均为使本申请的各原料得以公开充分，不应当理解为对原料的来源产生限制作用。具体为：有机盐，选用甲酸钠，纯度≥98％；醇胺化合物，选用二乙醇单异丙醇胺；纤维素，型号为HEC；正丁基锂，有效物质含量99％；纳米二氧化钛，粒径为10nm；硅酸铝，粒径为4000目；α-烯基磺酸钠，有效物质含量95％；三苯乙烯基苯酚聚氧乙烯醚，有效物质含量为98％；聚丙烯酸钠，型号为JBXSN-001；氢氧化钠溶液，浓度为32％；乙酸酐，相对密度1.080g/cm³；纳米碳酸钙，粒径为1250目；羧甲基纤维素钠，粘度800-1200mpa.s；羧酸钙，有效物质含量98％。

实施例1

一种管桩增效剂，其通过如下操作步骤制备得到：

按照表1的掺量，将纤维素、正丁基锂和纳米二氧化碳混合，搅拌均匀，得到混合物A；将混合物A、有机盐、醇胺化合物、硅酸铝、α-烯基磺酸钠、三苯乙烯基苯酚聚氧乙烯醚和聚丙烯酸钠混合，搅拌均匀，静置4-6h，得到管桩增效剂。

实施例2-5

实施例2-5的管桩增效剂与实施例1的制备方法及原料种类完全相同，区别在于各原料掺量不同，具体详见表1所示。

表1实施例1-5的管桩增效剂的各原料掺量(单位：kg)

实施例6-9

实施例6-9的管桩增效剂与实施例3的制备方法及原料种类完全相同，区别在于各原料掺量不同，具体详见表2所示。

表2实施例6-9的管桩增效剂的各原料掺量(单位：kg)

原料	实施例6	实施例7	实施例8	实施例9
					有机盐	15	15	15	15
醇胺化合物	4.6	4.6	4.6	4.6
					纤维素	5	7	7	7
正丁基锂	2.5	2.5	2	3
					纳米二氧化钛	2	2	2	2
硅酸铝	49.6	47.6	48.1	47.1
					α-烯基磺酸钠	0.3	0.3	0.3	0.3
三苯乙烯基苯酚聚氧乙烯醚	13	13	13	13
					聚丙烯酸钠	8	8	8	8

实施例10

实施例10的管桩增效剂与实施例9的制备方法和原料掺量完全相同，区别在于将纤维素等量替换为改性纤维素，改性的具体操作步骤为：将纤维素浸泡在30％的氢氧化钠溶液中2h，去离子水清洗至中性，干燥，按质量比1：0.5：1的比例，将纤维素、乙酸酐和冰醋酸混合，搅拌均匀，加入纤维素质量0.5％的浓硫酸，在80℃条件下反应3h，冷却，加入无水乙醇沉淀，过滤，留取滤渣，去离子水清洗至中性，干燥，得到改性纤维素。其余原料种类与实施例9相同。

实施例11-14

实施例11-14的管桩增效剂与实施例10的制备方法及原料种类完全相同，区别在于管桩增效剂中还添加有纳米碳酸钙和羧甲基纤维素钠，具体详见表3所示。

表3实施例11-14的管桩增效剂的各原料掺量(单位：kg)

原料	实施例11	实施例12	实施例13	实施例14
					有机盐	15	15	15	15
醇胺化合物	4.6	4.6	4.6	4.6
					纤维素	7	7	7	7
正丁基锂	3	3	3	3
					纳米二氧化钛	2	2	2	2
硅酸铝	46.05	44.01	44.55	46
					α-烯基磺酸钠	0.3	0.3	0.3	0.3
三苯乙烯基苯酚聚氧乙烯醚	13	13	13	13
					聚丙烯酸钠	8	8	8	8
纳米碳酸钙	1	3	2.5	1
					羧甲基纤维素钠	0.05	0.09	0.05	0.1

实施例15-19

实施例15-19的管桩增效剂与实施例12的制备方法及原料种类完全相同，区别在于管桩增效剂中还添加有磷酸二氢铝和羧酸钙，具体详见表4所示。

表4实施例15-19的管桩增效剂的各原料掺量(单位：kg)

实施例20

实施例20的管桩增效剂与实施例18的制备方法及原料种类完全相同，区别在于管桩增效剂中还添加有3kg纳米碳酸钙和0.09kg羧甲基纤维素钠，且硅酸铝的掺量为40.51kg，其余原料掺量与实施例18相同。

对比例1

对比例1的管桩增效剂与实施例1的制备方法完全相同，区别在于：管桩增效剂原料中未添加醇胺化合物，其余原料及掺量与实施例1相同。

对比例2

对比例2的管桩增效剂与实施例1的制备方法完全相同，区别在于：管桩增效剂原料中未添加纤维素，其余原料及掺量与实施例1相同。

对比例3

对比例3的管桩增效剂与实施例1的制备方法完全相同，区别在于：管桩增效剂原料中未添加正丁基锂，其余原料及掺量与实施例1相同。

对比例4

对比例4的管桩增效剂与实施例1的制备方法完全相同，区别在于：管桩增效剂原料中未添加纳米二氧化钛，其余原料及掺量与实施例1相同。

以下为管桩增效剂在管桩混凝土中的应用

应用例1

将实施例1得到的管桩增效剂以3-5％的占比加至管桩混凝土中，管桩混凝土包括20％水泥、砂石30％、碎石45％、萘系高效减水剂0.5％和水4.5％，将管桩混凝土各原料混合，搅拌均匀，将混凝土倒至管模中，将管模放入蒸养池内进行常压蒸汽养护，养护结束后，拆模，将PHC管桩放入蒸压釜内进行高压蒸汽养护直至养护结束。

应用例2-20

应用例2-20管桩增效剂的应用方法与应用例1相同，区别在于选用实施例2-20的管桩增效剂，其余应用方法与应用例1完全相同。

应用对比例1-4

应用对比例1-4管桩增效剂的应用方法与应用例1相同，区别在于选用对比例1-4的管桩增效剂，其余应用方法与应用例1完全相同。

性能检测

按照下列标准和方法，分别对应用例1-20和应用对比例1-4的管桩混凝土制作标准试块进行一下性能检测并观察管桩的砼料和易性，检测结果具体详见表5所示。

抗压强度：按照GB/T50081-2002《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》分别将1d和28d的试块放置于压力机下，对试样均匀地持续施加荷载，控制加载速度为0.08MPa/s，直至试样破坏，记录荷载的强度。

坍落度：采用电风扇加快水分蒸发，检测各管桩混凝土样品试块的坍落度。

表5不同管桩混凝土的性能检测结果

由表5的检测结果表明，本申请得到的管桩混凝土1d和28d抗压强度最高分别为78.3MPa和96.1MPa，坍落度最低为41mm，且砼料和易性均良好，在满足管桩混凝土基本性能的基础上，提高了管桩混凝土的早期强度。

应用例1-5中，应用例3管桩混凝土1d和28d抗压强度分别为67.5MPa和82.7MPa，均高于应用例1-2和应用例4-5，且应用例3管桩混凝土的坍落度为41mm，均低于应用例1-2和应用例4-5，表明应用例3管桩增效剂原料中醇胺化合物的掺量较为合适，提高了管桩混凝土的早期强度。可能与醇胺化合物与石膏反应生成硫铝酸钙，降低了液相中钙离子和铝离子浓度，进一步促进C3S水化，从而促进混凝土早期强度增长有关。

应用例6-9中，应用例9管桩混凝土1d和28d抗压强度分别为69.6MPa和88.5MPa，均高于应用例6-8，且应用例9管桩混凝土的坍落度为56mm，均低于应用例6-8，表明应用例9管桩增效剂原料中纤维素和正丁基锂的掺量较为合适，提高了管桩混凝土的早期强度。可能与将正丁基锂与纤维素混合，再与纳米二氧化钛复配，在纳米二氧化钛的催化作用下，释放锂离子，提高管桩增效剂的性能，加快管桩混凝土硬化的时间，提高管桩的强度有关。

结合应用例9和应用例10管桩混凝土的性能检测数据发现，应用例10管桩混凝土1d和28d抗压强度分别为70.1MPa和82.3MPa，均高于应用例9，且应用例10管桩混凝土的坍落度为53mm，均低于应用例9，表明应用例10对纤维素进行改性后，可提高管桩混凝土的早期强度。可能与通过乙酸酐改性后，可极大降低纤维素的极性，从而增强纤维素热稳定性，提高了纤维素的机械性能、尺寸稳定性和疏水性，进一步提高纤维素在管桩增效剂的增强作用有关。

应用例11-14中，应用例12管桩混凝土1d和28d抗压强度分别为73.3MPa和92.3MPa，均高于应用例11和应用例13-14，且应用例12管桩混凝土的坍落度为48mm，均低于应用例11和应用例13-14，表明当管桩增效剂原料中羧甲基纤维素钠与纳米碳酸钙的重量份配比为1：35，提高了管桩混凝土的早期强度。可能与羧甲基纤维素钠具有明显的增稠、保水的作用，并可提高混凝土的早期强度，避免PHC管桩由于使用蒸汽快速养护易出现裂纹的现象。同时提高混凝土的匀质性，提高纳米碳酸钙的分散均匀性有关。

应用例15-19中，应用例18管桩混凝土1d和28d抗压强度分别为77.5MPa和95.6MPa，均高于应用例15-17和应用例19，且应用例12管桩混凝土的坍落度为42mm，均低于应用例15-17和应用例19，表明应用例18管桩增效剂原料中磷酸二氢铝和羧酸钙的掺量较为合适，提高了管桩混凝土的早期强度。可能与羧酸钙可加速水泥水化的速度，从而提高管桩的早期强度。磷酸二氢铝的加入可进一步控制管桩增效剂中各组分的空间结构，从而提高管桩的强度有关。

结合应用例19与应用例20管桩混凝土性能监测数据发现，应用例20管桩混凝土1d和28d抗压强度分别为78.3MPa和96.1MPa，均高于应用例19，且应用例20管桩混凝土的坍落度为42mm，均低于应用例19，提高了管桩混凝土的早期强度，表明在管桩增效剂原料中加入磷酸二氢铝和羧酸钙的基础上加入羧甲基纤维素钠和纳米碳酸钙，可提高管桩混凝土的早期强度。

另外，结合应用对比例1-4和应用例1的各项指标数据发现，本申请在管桩增效剂原料中加入醇胺化合物、纤维素、纳米二氧化钛和正丁基锂，均可不同程度的提高管桩混凝土的早期强度。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (3)

1.一种管桩增效剂，其特征在于，其由如下重量百分含量的原料组成：有机盐6-20%、醇胺化合物4-5%、纤维素5-7%、正丁基锂2-3%、纳米二氧化钛1-3%、硅酸铝30-50%、α-烯基磺酸钠0.1-0.5%、三苯乙烯基苯酚聚氧乙烯醚10-15%、聚丙烯酸钠5-10%、纳米碳酸钙1-3%、磷酸二氢铝0.5-0.7%、羧酸钙2-4%和羧甲基纤维素钠0.05-0.1%；羧甲基纤维素钠与纳米碳酸钙的重量配比为1：（20-50）；

所述纤维素通过预处理改性而得，具体操作步骤为：将纤维素浸泡在30%的氢氧化钠溶液中2h，去离子水清洗至中性，干燥，按质量比1：（0.5-0.75）：（1-2）的比例，将纤维素、乙酸酐和冰醋酸混合，搅拌均匀，加入纤维素质量0.5%的浓硫酸，在80-100℃条件下反应2-3h，冷却，加入无水乙醇沉淀，过滤，留取滤渣，去离子水清洗至中性，干燥，得到改性纤维素；

所述有机盐为甲酸钠、柠檬酸盐、酒石酸盐、葡萄糖酸盐、氨基苯磺酸钠、氨基葡萄糖盐酸盐和氨基葡萄糖硫酸盐中的至少一种；醇胺化合物为三乙醇胺、三异丙醇胺、二乙醇单异丙醇胺中的至少一种。

2.一种权利要求1所述的管桩增效剂的制备方法，其特征在于，包括以下操作步骤：

将纤维素、正丁基锂和纳米二氧化碳混合，搅拌均匀，得到混合物A；

将混合物A和其余各原料混合，搅拌均匀，静置4-6h，得到管桩增效剂。

3.一种权利要求1所述的管桩增效剂在管桩混凝土中的应用，其特征在于，所述管桩增效剂的掺量为管桩混凝土原料掺量的3-5%。