CN114835428A - 一种混凝土裂缝自愈外加剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及混凝土的领域，尤其涉及一种混凝土裂缝自愈外加剂及其制备方法，所述混凝土裂缝自愈外加剂由以下重量份的原料混合而成：吸水树脂10‑20份、络合剂5‑10份、水化抑制剂3‑6份。所述吸水树脂粒度为60‑100目，吸水倍率为300‑500倍。所述混凝土外加剂还包括0.5‑1重量份的钙源补充剂和1‑3重量份的硅酸盐补强剂。本申请首先利用高分子吸水树脂迅速吸水膨胀，堵塞裂缝，裂缝渗水快速消失；然后采用络合沉淀反应形成高耐久度的无机结晶长效堵塞裂缝，通过有机无机相结合的办法使混凝土的自愈实现高可靠度，具有提高混凝土的综合抗渗性能的效果。

Description

一种混凝土裂缝自愈外加剂及其制备方法

技术领域

本申请涉及混凝土的领域，尤其是涉及一种混凝土裂缝自愈外加剂及其制备方法。

背景技术

混凝土为多孔脆性材料，在基础建筑领域有着广泛的应用。由于受外界环境因素的作用，混凝土容易产生裂缝。裂缝中出现渗水会降低混凝土的强度，加剧混凝土的化学侵蚀、钢筋锈蚀和碱集料反应的发生，严重降低混凝土构筑物的耐久性。

为提高混凝土的综合抗渗性能，提升混凝土构筑物的耐久性，第一方面需要提高混凝土的自身密实度，提高抗渗性；第二方面需要在混凝土出现裂缝并渗水的情况下快速封堵裂缝，减弱裂缝渗水；第三方面需要对裂缝进行修复，提高混凝土长效的抗渗性能。通常会在混凝土中添加裂缝自愈外加剂提高混凝土的综合抗渗性能。现有混凝土裂缝自愈外加剂采用的原理有：微生物自愈、微胶囊自愈和渗透结晶自愈。

微生物自愈是依靠微生物的生命行为，制造碳酸钙或其他不溶性结晶体来堵塞混凝土裂缝并达到混凝土裂缝自愈效果。然而这种方式不能提高混凝土的自身密实度，且需要微生物较长时间的生命活动才能堵住裂缝，综合抗渗性能不佳，且所用的微生物需要培育，制作困难。

微胶囊自愈是通过在混凝土内部混入含有活性物质的胶囊，混凝土开裂后胶囊中的活性物质释放出来与水、空气及混凝土中的物质反应生成难溶结晶堵塞混凝土裂缝并达到混凝土裂缝自愈效果。然而这种方式存在微胶囊破裂困难，里面活性物质释放不完全，使得混凝土综合抗渗性能得不到保证，且微胶囊生产工艺复杂，造价高，施工难。

渗透结晶自愈所用的活性物质多为活性硅，依靠活性硅对混凝土进行渗透，加速未水化的水泥水化，进而与钙离子反应生成结晶，堵塞混凝土中的微小裂缝并达到混凝土裂缝自愈效果。然而这种方式活性硅渗透并生成堵塞裂缝的结晶需要一定时间，且活性硅会被消耗完，综合抗渗性能不佳。

发明内容

为了提高混凝土的综合抗渗性能，本申请提供一种混凝土裂缝自愈外加剂及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种混凝土裂缝自愈外加剂，采用如下的技术方案：

一种混凝土裂缝自愈外加剂，由包括由以下重量份的原料制成：吸水树脂10-20份、络合剂5-10份以及水化抑制剂3-6份。

通过采用上述技术方案，混凝土拌合料中有较高的离子浓度，吸水树脂的吸水性被抑制。在硬化的混凝土开裂后，裂缝中出现渗漏，渗漏的水离子浓度较低，吸水树脂的吸水性被瞬间激活，吸水膨胀后快速封堵混凝土裂缝，减少水分向混凝土内部渗透，提高混凝土的抗渗性能。络合剂的阴离子部分可络合钙离子，将混凝土水化产生的氢氧化钙中的钙离子络合成游离状态的络合物。水化抑制剂增加了混凝土中未水化的硅酸根离子。吸水树脂在裂缝处形成以水为介质的凝胶，络合物以水为介质快速将钙离子转运至吸水树脂所形成的凝胶中，与混凝土中未水化的硅酸根离子反应生成不溶于水的硅酸钙结晶，堵塞混凝土裂缝，对裂缝进行快速修复，进一步提高混凝土的抗渗性能。有机无机相结合的办法使混凝土的自愈实现高可靠度，提高混凝土综合抗渗性能。

另外，生成的硅酸钙与混凝土本身材质相同，具有较高的耐久性。裂缝修复过程中络合剂不会因反应消耗，仅仅作为钙离子的搬运工，而混凝土中未水化的硅酸根离子在水化抑制剂的作用下更加富余，使得该过程长久有效。同时吸水树脂吸水膨胀、无水休眠，也不会失效。所以从吸水树脂在开裂渗水早期的快速堵水以及络合反应在后期持续快速修复两个方面来看，这两个过程均是长期有效的，混凝土裂缝的自愈具有长期有效性。水化抑制剂还可降低混凝土因水化热导致的裂缝。

优选的，所述吸水树脂的粒度为60-100目。

通过采用上述技术方案，在混凝土拌合过程中，吸水树脂粒径越大，吸水树脂对水分的吸收越少；但若粒径过大，会对混凝土的黏结性造成不利影响。因此，本申请将吸水树脂的粒度控制为60-100目，既能减少吸水树脂在拌合过程中对水分的吸收，又能保证混凝土的黏结性。

优选的，所述吸水树脂的吸水倍率为300-500倍。

通过采用上述技术方案，将吸水树脂的吸水倍率控制为300-500倍，吸水树脂吸水膨胀后能够堵塞裂缝，同时形成的凝胶具有一定的强度，提高裂缝处的抗渗压力。

优选的，所述吸水树脂为聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺中的一种或多种。

通过采用上述技术方案，聚丙烯酸钠及聚丙烯酰胺高分子吸水树脂性既能满足要求，又供应充足且成本较低。

优选的，所述络合剂为柠檬酸钠、EDTA-4Na、甘氨酸中的一种或多种。

通过采用上述技术方案，柠檬酸钠、EDTA-4Na以及甘氨酸中的羧基均能够与钙离子络合形成络合物，上述络合剂将钙离子转运至裂缝处与硅酸根离子反应形成结晶，修复裂缝。由于EDTA-4Na中可供络合的羧基数量较多，对于钙离子的转运能力较优。

优选的，所述水化抑制剂为葡萄糖酸钠、蔗糖中的一种或多种。

通过采用上述技术方案，葡萄糖酸钠、蔗糖均具有多个羟基，在混凝土拌合过程中，可降低混凝土因水化热导致的裂缝，同时可减少混凝土的水化，增加混凝土中未水化的硅酸根离子。蔗糖相较葡萄糖酸钠成本更低。

优选的，还包括0.5-1重量份的钙源补充剂和1-2重量份的硅酸盐补强剂。

通过采用上述技术方案，吸水树脂吸水膨胀形成凝胶后，钙源补充剂和硅酸盐补强剂能够提高吸水树脂凝胶的强度，提升混凝土裂缝处抗渗压力。钙源补充剂和硅酸盐补强剂反应生成硅酸钙结晶，提高裂缝的修复速率。

优选的，所述钙源补充剂的粒度为450-500目，所述硅酸盐补强剂的粒度为350-400目。

通过采用上述技术方案，钙源补充剂和硅酸盐补强剂能够很好分散在吸水树脂中。

第二方面，本申请提供上述混凝土裂缝自愈外加剂的制备方法，采用如下的技术方案：

一种混凝土裂缝自愈外加剂的制备方法，包括以下步骤：按配方比例称取吸水树脂、络合剂及水化抑制剂并混匀。

通过采用上述技术方案，将吸水树脂、络合剂及水化抑制剂充分混合分散制备得到混凝土裂缝自愈外加剂。

优选的，按配方比例称取吸水树脂、络合剂、水化抑制剂、钙源补充剂和硅酸盐补强剂，先将钙源补充剂和硅酸盐补强剂与吸水树脂预混，搅拌均匀后，再加入其他原料混合。

通过采用上述技术方案，预先将钙源补充剂和硅酸盐补强剂充分分散在吸水树脂中，在吸水树脂吸水膨胀形成凝胶后，钙源补充剂和硅酸盐补强剂能够在凝胶中反应生成硅酸钙结晶，提高吸水树脂凝胶的强度，提升混凝土裂缝处抗渗压力。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.吸水树脂在混凝土开裂渗水早期快速吸水膨胀，吸水膨胀后快速封堵混凝土裂缝，减少水分向混凝土内部渗透，提高混凝土的抗渗性能。水化抑制剂增加了混凝土中未水化的硅酸根离子，络合剂将钙离子快速转运至裂缝处与未水化的硅酸根离子反应形成高耐久度的硅酸钙结晶，堵塞混凝土裂缝，对裂缝进行快速修复，进一步提高混凝土的抗渗性能。另外，裂缝修复过程中络合剂不会因反应消耗，混凝土中未水化的硅酸根离子在水化抑制剂的作用下更加富余，同时吸水树脂吸水膨胀、无水休眠，也不会失效，所以混凝土裂缝的自愈具有长期有效性。有机无机相结合的办法使得混凝土的自愈实现高可靠度，提高混凝土综合抗渗性能；2.混凝土裂缝自愈外加剂加入钙源补充剂和硅酸盐补强剂，可以提高吸水树脂凝胶的强度，提升混凝土裂缝处抗渗压力。钙源补充剂和硅酸盐补强剂反应生成硅酸钙结晶，提高裂缝的修复速率；

3.本混凝土裂缝自愈外加剂制备工艺简单，原料供应充足，成本低，耗能少。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

实施例

实施例1-7

如表1所示，实施例1-7的主要区别在于原料的配比不同。

以下以实施例1为例进行说明。本申请实施例公开了一种混凝土裂缝自愈外加剂，以吸水树脂1.5kg，络合剂0.75kg及水化抑制剂0.5kg为原料制备而成，所使用原料均可通过市售获得，其中吸水树脂采用聚丙烯酸钠吸水树脂，吸水倍率为350-400倍，粒度为60-100目；络合剂采用EDTA-4Na；水化抑制剂采用蔗糖。在其他实施方式中，聚丙烯酸钠吸水树脂的吸水倍率还可以选择300-500倍的其他值，混凝土裂缝自愈外加剂的性能不会受到明显影响。

本实施例还公开了一种混凝土裂缝自愈外加剂的制备方法，具体方法如下：

称取聚丙烯酸钠吸水树脂1.5kg，络合剂EDTA-4Na 0.75kg及水化抑制剂蔗糖0.5kg，按顺序依次将它们加入粉状物料搅拌机中；

开动粉状物料搅拌机，以搅拌速度250r/min搅拌25min，即得到混凝土裂缝自愈外加剂。

表1实施例1-7、11-13混凝土外加剂中各原料配比

实施例10

与实施例9不同的是，络合剂采用甘氨酸。

实施例11

与实施例9不同的是，络合剂采用柠檬酸钠。

实施例12

与实施例9不同的是，吸水树脂采用聚丙烯酰胺吸水树脂，粒度为60-100目，吸水倍率为350-400倍；水化抑制剂采用葡萄糖酸钠。在其他实施方式中，聚丙烯酰胺吸水树脂的吸水倍率还可以选择300-500倍的其他值，混凝土裂缝自愈外加剂的性能不会受到明显影响。

实施例13

与实施例9不同的是，混凝土外加剂中增加了钙源补充剂和硅酸盐补强剂。钙源补充剂采用氢氧化钙，粒度为450-500目；硅酸盐补强剂采用五水偏硅酸钠，粒度为350-400目。

本实施例提供的混凝土裂缝自愈外加剂的制备方法如下：

按表1配比称取0.075kg氢氧化钙、0.15kg五水偏硅酸钠和1.5kg聚丙烯酸钠吸水树脂，将它们加入粉状物料搅拌机中，以搅拌速度250r/min预混8min；

随后按配比称取1kg EDTA-4Na及0.6kg蔗糖并加入粉状物料搅拌机中，开动粉状物料搅拌机，以搅拌速度250r/min继续搅拌25min，即得到混凝土裂缝自愈外加剂。

实施例14-16

与实施例13不同的是，原料中钙源补充剂和硅酸盐补强剂配比不同。

实施例17

与实施例13不同的是，钙源补充剂采用氧化钙，粒度为450-500目。

对比例

对比例1

对比例1与实施例1主要不同的是，原料中聚丙烯酸钠吸水树脂用量为0.2kg。

对比例2

对比例2与实施例1主要不同的是，原料中聚丙烯酸钠吸水树脂用量为3kg。

对比例3

对比例3与实施例3主要不同的是，原料中络合剂EDTA-4Na用量为2kg。

对比例4

对比例4与实施例3主要不同的是，原料中络合剂EDTA-4Na用量为0.2kg。

对比例5

对比例5与实施例5主要不同的是，原料中水化抑制剂蔗糖用量为0.05kg。

对比例6

对比例6与实施例5主要不同的是，原料中水化抑制剂蔗糖用量为1kg。

性能检测

针对本申请实施例1-17和对比例1-6提供的混凝土外加剂，进行如下性能检测，检测数据见表2。其中，基准试件中不添加上述混凝土外加剂，受检试件中添加上述混凝土外加剂，受检试件中上述混凝土外加剂添加量质量占比为5:2200。受检试件实施样1-17对应添加实施例1-17获得的混凝土外加剂，受检试件对比样1-6对应添加对比例1-6获得的混凝土外加剂。

一、为验证混凝土外加剂对于混凝土的抗渗及自愈性能，参照GB18445《水泥基渗透结晶型防水材料》的检测标准进行检测。一次抗渗结果反映出混凝土裂缝自愈外加剂对于提升混凝土的自身密实度，提高混凝土抗渗性能的影响。二次抗渗结果反映出混凝土裂缝自愈外加剂对于混凝土裂缝的自愈性能及自愈后抗渗性能的影响。

二、为验证混凝土外加剂对于混凝土裂缝的快速堵漏效果，进行裂缝自修复试验。试验方法如下：

裂缝自修复试验用胶砂试件尺寸为Φ100mm×50mm，每组按相同配合比成型两个试件，试件测试方法如下：

1.基准试件和受检试件在标准养护室养护至7d龄期时，取出试件，用干布擦除表面水分后，用密封胶带(宽50mm、厚50μm)沿试件圆周方向缠绕5圈。

2.将劈裂夹具放置在砂浆压力试验机下的压板上，然后将已缠绕密封胶带的试件圆周面放置在夹具中，使试件固定在夹具的正中间。设置加载速度为0.1kN/s，开启试验机进行加载，当试件出现裂缝后停止加载，取下试件，沿试件圆周方向再缠绕5圈密封胶带。

3.将缠绕密封胶带的预制裂缝试件装入内径为Ф100mm、高为200mm的有机硅橡胶筒的底部，然后在与试件齐高的橡胶筒外侧安装两个高度为20mm的不锈钢箍。用力拧紧环箍上的螺栓，使试件的侧面处于密封的状态。

4.将装有试件的有机硅橡胶筒安装到实验槽中。在橡胶筒中一次性加入1000mL水，立即用计时器开始计时，当裂缝渗水停止时，记录渗水消失所需时间即止水时间。

止水时间结果反映出混凝土裂缝自愈外加剂对于混凝土开裂且渗水后，裂缝自发堵漏的反应时间。

表2实施样1-17及对比样1-6性能检测数据表

以下结合表2提供的检测数据，详细说明本申请。

参照表2，结合实施例1-3和对比例1-2可以看出，配方比例范围内，聚丙烯酸钠吸水树脂的用量越多，混凝土的裂缝自发堵漏的反应时间越短，裂缝堵塞越迅速，可以减少水分向混凝土内部渗透，混凝土的综合抗渗性能较优。聚丙烯酸钠吸水树脂的用量不足时(对比例1)，混凝土的裂缝自发堵漏的反应时间较长，裂缝堵塞缓慢；聚丙烯酸钠吸水树脂的用量过多时(对比例2)，裂缝堵塞修复加快不明显，而混凝土抗渗性能和混凝土裂缝自愈性能及自愈后的抗渗性能的增强效果均减弱很多，混凝土的综合抗渗性能不佳。

参照表2，结合实施例3-5和对比例3-4可以看出，配方比例范围内，络合剂EDTA-4Na的用量增多，对于混凝土抗渗性能的增强效果提升不明显，但是对于混凝土裂缝的自愈性能及自愈后的抗渗性能的增强效果提升明显，且混凝土的综合抗渗性能较好。络合剂EDTA-4Na的用量过多时(对比例3)，混凝土裂缝自愈性能及自愈后的抗渗性能的增强效果未明显提高，但混凝土抗渗性能的增强效果显著减弱；络合剂EDTA-4Na的用量过少时(对比例4)，混凝土抗渗性能和混凝土裂缝自愈性能及自愈后的抗渗性能的增强效果均显著减弱，同时混凝土的裂缝自发堵漏的反应时间有所延长，混凝土的综合抗渗性能不佳。

参照表2，结合实施例5-7和对比例5-6可以看出，配方比例范围内，水化抑制剂蔗糖的用量增多，混凝土抗渗性能的增强效果提升显著，同时混凝土裂缝的自愈性能及自愈后的抗渗性能的增强效果有所提升，混凝土的综合抗渗性能较优。水化抑制剂蔗糖的用量过多(对比例6)或过少时(对比例5)，混凝土抗渗性能和混凝土裂缝自愈性能及自愈后的抗渗性能的增强效果均显著减弱，混凝土的综合抗渗性能不佳。

参照表2，结合实施例7-9可以看出，聚丙烯酸钠吸水树脂的用量增多，虽然可以缩短混凝土裂缝的堵塞时间，但是混凝土抗渗性能和混凝土裂缝的自愈性能及自愈后的抗渗性能的增强效果均有所减弱。因此，在保证混凝土抗渗性能的增强效果和混凝土裂缝自愈性能及自愈后的抗渗性能增强效果的前提下，可以适当减少吸水树脂的用量，达到提高混凝土综合抗渗性能的目的，例如实施例9。

参照表2，结合实施例9-11，可以看出，络合剂选用EDTA-4Na相较络合剂选用甘氨酸或者柠檬酸钠，混凝土裂缝自愈外加剂性能稍好，原因可能在于EDTA-4Na含有较多的可供络合的羧基。

参照表2，结合实施例9、12，可以看出，选用聚丙烯酸钠吸水树脂和蔗糖相较选用聚丙烯酰胺吸水树脂和葡萄糖酸钠，混凝土裂缝自愈外加剂性能稍好。

参照表2，结合实施例9、13-16，可以看出，混凝土裂缝自愈外加剂中同时增加钙源补充剂和硅酸盐补强剂时，混凝土的裂缝自发堵漏的反应时间有所缩短，裂缝堵塞加快；同时混凝土抗渗性能和混凝土裂缝自愈性能及自愈后的抗渗性能的增强效果均有所提高，混凝土综合抗渗性能提高。在配方比例范围内，混凝土裂缝自愈外加剂对于混凝土的综合抗渗性能随着外加剂中钙源补充剂和硅酸盐补强剂的用量同时增多而提升。但钙源补充剂和硅酸盐补强剂用量同时多于配方用量(实施例16)，混凝土裂缝自愈外加剂对于混凝土的综合抗渗性能提升不明显。

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 (10)

1.一种混凝土裂缝自愈外加剂，其特征在于：由包括以下重量份的原料制成：吸水树脂10-20份、络合剂5-10份以及水化抑制剂3-6份。

2.根据权利要求1所述的一种混凝土裂缝自愈外加剂，其特征在于：所述吸水树脂的粒度为60-100目。

3.根据权利要求1所述的一种混凝土裂缝自愈外加剂，其特征在于：所述吸水树脂的吸水倍率为300-500倍。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种混凝土裂缝自愈外加剂，其特征在于：所述吸水树脂为聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的一种混凝土裂缝自愈外加剂，其特征在于：所述络合剂为柠檬酸钠、EDTA-4Na、甘氨酸中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的一种混凝土裂缝自愈外加剂，其特征在于：所述水化抑制剂为葡萄糖酸钠、蔗糖中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的一种混凝土裂缝自愈外加剂，其特征在于：还包括0.5-1重量份的钙源补充剂和1-2重量份的硅酸盐补强剂。

8.根据权利要求7所述的一种混凝土裂缝自愈外加剂，其特征在于：所述钙源补充剂的粒度为450-500目，所述硅酸盐补强剂的粒度为350-400目。

9.权利要求1-8中任一所述的一种混凝土裂缝自愈外加剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：按配方比例称取吸水树脂、络合剂及水化抑制剂并混匀。

10.根据权利要求9所述的一种混凝土裂缝自愈外加剂的制备方法，其特征在于：按配方比例称取吸水树脂、络合剂、水化抑制剂、钙源补充剂和硅酸盐补强剂，先将钙源补充剂和硅酸盐补强剂与吸水树脂预混，搅拌均匀后，再加入其他原料混合。