CN114702263B - 一种抑制混凝土温度裂缝的矿物外加剂、制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，并具体公开了一种抑制混凝土温度裂缝的矿物外加剂、制备方法及应用。所述矿物外加剂包括：超细掺合料、β‑环糊精、超轻陶粒、石墨、膨胀剂和缓凝剂；各组分的质量百分比为：超细掺合料50～70％、β‑环糊精8～16％、超轻陶粒8～20％、石墨2～8％、膨胀剂2～8％、缓凝剂1～5％。所述方法包括将所有原材料进行混合、均化后装包封存，得到所述矿物外加剂。本发明矿物外加剂具备早期膨胀能大、可持续膨胀，后期补偿收缩的优点，能有效降低早期水化温升和混凝土的开裂风险，非常适合应用于大体积混凝土工程。

Description

一种抑制混凝土温度裂缝的矿物外加剂、制备方法及应用

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，更具体地，涉及一种抑制混凝土温度裂缝的矿物外加剂、制备方法及应用。

背景技术

由于现代材料制备水平和建筑施工技术的不断进步，大体积混凝土的工程应用十分频繁。然而大体积混凝土中水泥水化的热量不易散出，水化温升大，使得混凝土内表温差大，易于引发不均匀的温度变形和温度应力，由此造成温度裂缝的产生，影响其耐久性。虽然在大体积混凝土中掺入膨胀剂可对其自收缩和干燥收缩进行补偿，但膨胀剂一般早期水化较快，放热迅速，不利于控制其水化温升，无法避免温度裂缝的出现。

中国专利CN102173629A公开了一种水泥基材料的体积稳定剂及其使用方法，其联合减缩型保坍剂、膨胀剂、内养护剂补偿混凝土收缩，减少新拌混凝土的坍落度经时损失，补偿或减少水泥基材料的收缩，有效降低混凝土开裂的可能性。但该体积稳定剂不能降低混凝土水化热温升。中国专利CN111377652A公开了一种大体积混凝土水化温升抑制剂、其制备方法及其应用，其应用多孔陶粒作为载体，负载相变材料，结合水化热调控技术，降低大体积混凝土温峰；及混凝土结构里表温差，减少非贯穿性的表面开裂现象。但是该混凝土水化温升抑制剂储能调温效果差。中国专利 CN103342494B公开了一种水化热抑制型混凝土膨胀材料及其制备方法与应用，其将膨胀剂、水化热抑制剂和内养护剂中的前两者复合或三者复合使用，充分发挥了三种材料的叠加效应，最大限度地提高混凝土抵御干缩、冷缩能力。但该方法成本较高，且工艺复杂。

基于上述缺陷和不足，本领域亟需制备出一种早期持续膨胀、可抑制水化温升，且后期能自发释水，调节混凝土内部湿度，保证水化膨胀持续进行的内养护专用矿物外加剂，并使其在大体积混凝土工程中得到良好应用，以解决现有技术中大体积混凝土普遍存在温度裂缝，以及一般膨胀剂早期水化快、放热迅速，不利于控制水化温升的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种抑制混凝土温度裂缝的矿物外加剂、制备方法及应用，对抑制混凝土温度裂缝的矿物外加剂的关键组分如超细掺合料、β-环糊精、超轻陶粒、石墨、膨胀剂和缓凝剂的构成及配比进行研究和设计，相应的可有效解决解决现有技术中大体积混凝土普遍存在温度裂缝，以及一般膨胀剂早期水化快、放热迅速，不利于控制水化温升的问题，同时还具备早期膨胀能大、可持续膨胀，后期补偿收缩的优点，能有效降低早期水化温升和混凝土的开裂风险，非常适合应用于大体积混凝土工程。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种抑制混凝土温度裂缝的矿物外加剂，包括：

超细掺合料、β-环糊精、超轻陶粒、石墨、膨胀剂和缓凝剂；

其中，各组分的质量百分比为：超细掺合料50～70％、β-环糊精8～16％、超轻陶粒8～20％、石墨2～8％、膨胀剂2～8％、缓凝剂1～5％。

作为进一步优选的，所述超细掺合料的活性等级达到S95级，其勃氏比表面积≥700m²/kg。

作为进一步优选的，所述β-环糊精为非还原型环状低聚糖，为白色结晶粉末，无吸湿性，其熔点为300～350℃。

作为进一步优选的，所述超轻陶粒为淤污泥烧制而成的超轻污泥陶粒，其粒径为0.5～1.5mm，密度等级为300～500kg/m³。

作为进一步优选的，所述石墨为鳞片状石墨粉，目数为30～40目，含碳量≥99.9％。

作为进一步优选的，所述膨胀剂为轻烧氧化钙和过烧氧化镁1:1复配而成。

作为进一步优选的，所述轻烧氧化钙是由方解石经破碎后，经过 900～1100℃高温煅烧而成，其比表面积≥450m²/kg；过烧氧化镁是由菱镁矿经1300～1400℃高温煅烧而成，其比表面积≥450m²/kg。

作为进一步优选的，所述的缓凝剂为磷酸氢二钠、焦磷酸钠、烷基磷酸酯中的一种或多种。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种抑制混凝土温度裂缝的矿物外加剂的制备方法：

按各组分质量百分比称取原料：超细掺合料50～70％、β-环糊精8～16％、超轻陶粒8～20％、石墨2～8％、膨胀剂2～8％、缓凝剂1～5％；

将所有原材料进行混合、均化后装包封存，得到所述矿物外加剂。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种所述矿物外加剂在抑制混凝土温度裂缝中的应用。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明对抑制混凝土温度裂缝的矿物外加剂的关键组分如超细掺合料、β-环糊精、超轻陶粒、石墨、膨胀剂和缓凝剂的构成及配比进行研究和设计，相应的可有效解决解决现有技术中大体积混凝土普遍存在温度裂缝，以及一般膨胀剂早期水化快、放热迅速，不利于控制水化温升的问题，同时还具备早期膨胀能大、可持续膨胀，后期补偿收缩的优点，能有效降低早期水化温升和混凝土的开裂风险，非常适合应用于大体积混凝土工程

2.本发明制备的矿物外加剂，其原材料来源广泛、经济易得、且环境相容性好。

3.本发明矿物外加剂可以补偿混凝土各时期的收缩、降低混凝土水化热温升、增强混凝土散热能力、提高混凝土密实度和韧性，从而在根源上有效防止大体积混凝土裂缝的产生。

4.本发明矿物外加剂通过各组分之间的相互协同作用，能够综合提高混凝土的抗裂性能、力学性能和耐久性能。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种抑制大体积混凝土温度裂缝的矿物外加剂，包括：超细掺合料、β-环糊精、超轻陶粒、石墨、膨胀剂和缓凝剂。其中，各组分的质量百分比为：超细掺合料50～70％、β-环糊精8～16％、超轻陶粒8～20％、石墨2～8％、膨胀剂2～8％、缓凝剂1～5％。

优选的，所述超细掺合料的活性等级达到S95级，其勃氏比表面积≥700m²/kg。所述β-环糊精为非还原型环状低聚糖，为白色结晶粉末，无吸湿性，其熔点为300～350℃。所述超轻陶粒为淤污泥烧制而成的超轻污泥陶粒，其粒径为0.5～1.5mm，密度等级为300～500kg/m³。所述石墨为鳞片状石墨粉，目数为30～40目，含碳量≥99.9％。所述的缓凝剂为磷酸氢二钠、焦磷酸钠、烷基磷酸酯中的一种或多种。本发明中，β-环糊精可以有效降低水泥水化放热速率，从而降低混凝土内部温升，减少了混凝土内外温差，从而减少温度裂缝的产生。

优选的，所述的膨胀剂为轻烧氧化钙和过烧氧化镁1:1复配而成。所述轻烧氧化钙是由方解石经破碎后，经过900～1100℃高温煅烧而成，其比表面积≥450m²/kg；过烧氧化镁是由菱镁矿经1300～1400℃高温煅烧而成，其比表面积≥450m²/kg。本发明通过合理搭配轻烧氧化钙和过烧氧化镁使得该复合膨胀组分在水化早期、后期都能发生反应产生膨胀，更好的补偿混凝土各时期的收缩，早期时，硫酸盐离子、铝离子以及钙离子、碱介质等生成钙矾石，以钙矾石为主要膨胀源；后期时，MgO由于具有延迟膨胀效应，其膨胀直接驱动能源自Mg(OH)₂晶体的肿胀力和结晶压力，在水化早期 Mg(OH)₂晶体很细小，浆体的膨胀主要动力是吸水肿胀力，随着Mg(OH)₂晶体的长大，晶体的结晶生长压力转变为膨胀的主要动力。即本发明中，矿物外加剂在不同阶段通过不同的物资和膨胀机理实现膨胀，以抑制裂缝的产生。

本发明矿物外加剂的制备方法如下：

按各组分质量百分比称取原料：超细掺合料50～70％、β-环糊精8～16％、超轻陶粒8～20％、石墨2～8％、膨胀剂2～8％、缓凝剂1～5％；

将所有原材料进行混合、均化后装包封存，得到所述矿物外加剂。

本发明涉及的矿物外加剂可在抑制混凝土温度裂缝中应用。

更具体的，本发明矿物外加剂各组分的作用机理：本发明中的超细掺合料比表面积较大，可与混凝土中的水泥颗粒形成较好的颗粒级配和紧密堆积的胶凝体系，并且产生次第水化，可以降低早期水化程度并减少有害物质浸入混凝土内部的途径；本发明中的β-环糊精可以有效降低水泥水化放热速率，从而降低混凝土内部温升，减少了混凝土内外温差，从而减少温度裂缝的产生；本发明中的石墨一方面因裂纹阻断效应可以提高混凝土强度和韧性，从而提高混凝土抗裂性，另一方面可以增强混凝土导热系数，使水化热更易散发，进一步降低混凝土内部温升，减少温度裂缝的产生；本发明中的磷酸氢二钠、焦磷酸钠、烷基磷酸酯，可延缓水泥的初期水化程度，降低早期水化温升；本发明通过合理搭配轻烧氧化钙和过烧氧化镁使得该复合膨胀组分在水化早期、后期都能发生反应产生膨胀，更好的补偿混凝土各时期的收缩，早期时，硫酸盐离子、铝离子以及钙离子、碱介质等生成钙矾石，以钙矾石为主要膨胀源；后期时，MgO由于具有延迟膨胀效应，其膨胀直接驱动能源自Mg(OH)₂晶体的肿胀力和结晶压力，在水化早期Mg(OH)₂晶体很细小，浆体的膨胀主要动力是吸水肿胀力，随着 Mg(OH)₂晶体的长大，晶体的结晶生长压力转变为膨胀的主要动力。本发明矿物外加剂引入超轻陶粒组分，在混凝土的拌合初期储蓄大量水分，可以吸收胶凝材料水化产生的部分热量，抑制混凝土内部水化温升，且当内部湿度不饱和时会释放出自由水，提高其周围环境的相对湿度，一方面抑制混凝土的自收缩和干燥收缩，另一方面促进水泥等胶凝材料尤其是膨胀剂的继续水化，使混凝土的体积膨胀和强度增长协同发展，保证混凝土后期的持续稳定特性。

实施例1

本实施例中抑制大体积混凝土温度裂缝的矿物外加剂，包括如下质量百分比各组分：超细掺合料55％、β-环糊精16％、超轻陶粒12％、石墨8％、膨胀剂7％、缓凝剂2％。

本实施例中矿物外加剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)按上述质量百分比称取各原料；

(2)将所有原材料进行混合、均化后装包封存，得到所述专用矿物外加剂。

实施例2

本实施例中抑制大体积混凝土温度裂缝的矿物外加剂，包括如下质量百分比各组分：超细掺合料60％、β-环糊精12％、超轻陶粒15％、石墨5％、膨胀剂5％、缓凝剂3％。

本实施例中矿物外加剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)按上述质量百分比称取各原料；

(2)将所有原材料进行混合、均化后装包封存，得到所述专用矿物外加剂。

实施例3

本实施例中抑制大体积混凝土温度裂缝的矿物外加剂，包括如下质量百分比各组分：超细掺合料65％、β-环糊精14％、超轻陶粒10％、石墨3％、膨胀剂4％、缓凝剂4％。

本实施例中矿物外加剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)按上述质量百分比称取各原料；

(2)将所有原材料进行混合、均化后装包封存，得到所述专用矿物外加剂。

实施例4

本实施例中抑制大体积混凝土温度裂缝的矿物外加剂，包括如下质量百分比各组分：超细掺合料70％、β-环糊精8％、超轻陶粒11％、石墨4％、膨胀剂6％、缓凝剂1％。

本实施例中矿物外加剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)按上述质量百分比称取各原料；

(2)将所有原材料进行混合、均化后装包封存，得到所述专用矿物外加剂。

性能测试

将实施例1～4制备的抑制大体积混凝土温度裂缝的矿物外加剂进行混凝土试验，掺量为胶凝材料的5％，不掺加矿物外加剂的作为空白对照组，具体配比如表1所示。

表1混凝土配合比

参照《GB/T 50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准》及《GB/T 50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》对空白组、实施例1-4进行力学性能和耐久性能测试，具体结果见表2。

表2混凝土性能测试结果

由表2检测结果可以看出，本发明抑制大体积混凝土温度裂缝的矿物外加剂掺入混凝土后，力学性能和抗裂性能都得到提升，有效降低了混凝土的开裂风险。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抑制混凝土温度裂缝的矿物外加剂，其特征在于，包括：

超细掺合料、β-环糊精、超轻陶粒、石墨、膨胀剂和缓凝剂；

其中，各组分的质量百分比为：超细掺合料50～70％、β-环糊精8～16％、超轻陶粒8～20％、石墨2～8％、膨胀剂2～8％、缓凝剂1～5％。

2.根据权利要求1所述的一种抑制混凝土温度裂缝的矿物外加剂，其特征在于，所述超细掺合料的活性等级达到S95级，其勃氏比表面积≥700m²/kg。

3.根据权利要求1所述的一种抑制混凝土温度裂缝的矿物外加剂，其特征在于，所述β-环糊精为非还原型环状低聚糖，为白色结晶粉末，无吸湿性，其熔点为300～350℃。

4.根据权利要求1所述的一种抑制混凝土温度裂缝的矿物外加剂，其特征在于，所述超轻陶粒为淤污泥烧制而成的超轻污泥陶粒，其粒径为0.5～1.5mm，密度等级为300～500kg/m³。

5.根据权利要求1所述的一种抑制混凝土温度裂缝的矿物外加剂，其特征在于，所述石墨为鳞片状石墨粉，目数为30～40目，含碳量≥99.9％。

6.根据权利要求1所述的一种抑制混凝土温度裂缝的矿物外加剂，其特征在于，所述的膨胀剂为轻烧氧化钙和过烧氧化镁1:1复配而成。

7.根据权利要求6所述的一种抑制混凝土温度裂缝的矿物外加剂，其特征在于，所述轻烧氧化钙是由方解石经破碎后，经过900～1100℃高温煅烧而成，其比表面积≥450m²/kg；过烧氧化镁是由菱镁矿经1300～1400℃高温煅烧而成，其比表面积≥450m²/kg。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种抑制混凝土温度裂缝的矿物外加剂，其特征在于，所述的缓凝剂为磷酸氢二钠、焦磷酸钠、烷基磷酸酯中的一种或多种。

9.一种抑制混凝土温度裂缝的矿物外加剂的制备方法，其特征在于，

按各组分质量百分比称取原料：超细掺合料50～70％、β-环糊精8～16％、超轻陶粒8～20％、石墨2～8％、膨胀剂2～8％、缓凝剂1～5％；

将所有原材料进行混合、均化后装包封存，得到所述矿物外加剂。

10.一种如权利要求1-8任一项所述矿物外加剂在抑制混凝土温度裂缝中的应用。