CN116514431B - 一种混凝土用防裂抗渗剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混凝土用防裂抗渗剂及其制备方法，属于混凝土添加剂技术领域。本发明的混凝土用防裂抗渗剂以重量份计，包括以下组分：粉煤灰30‑50份、氟石膏5‑50份、轻烧氧化镁3‑30份、水泥分散激发剂1‑10份、改性增强碳材料1‑10份以及络合剂2‑5份。本发明以水泥分散激发剂以及改性增强碳材料起到促进水泥水化程度的作用，通过改性后的碳材料填充混凝土空隙，桥接混凝土组分，再通过络合剂与氟石膏或混凝土中的钙离子形成配合物网络结构，可以提高混凝土的抗裂效果，改善混凝土的耐久性、强度以及体积稳定性。
Description
技术领域
本发明属于混凝土添加剂技术领域，具体涉及到一种混凝土用防裂抗渗剂及其制备方法。
背景技术
在水利水电、道路与桥梁、工业与民用建筑、地下工程等建设中，大体积混凝土裂缝问题是影响工程结构质量和耐久性的关键因素之一，至今仍旧是制约我国基础设施建设发展的重大技术问题。
混凝土在硬化干燥过程中存在着不同程度的收缩，严重时则可能会产生干燥开裂和收缩开裂，出现渗水现象，引起混凝土表、里的侵蚀及混凝土内部钢筋的锈蚀，阻碍混凝土施工和影响混凝土耐久性，显著降低了混凝土工程的使用寿命。混凝土裂缝往往是多因素综合作用产生的结果，包括材料、施工质量、温控措施、荷载作用、气候条件等。为了防止混凝土因干燥和自收缩引起的开裂现象，通常采用，在混凝土中加入具有膨胀功能的防裂抗渗剂如硅灰、粉煤灰来补偿水泥硬化导致的混凝土体积收缩。但采用这些成分只能在一定程度上补偿，补偿能力有限且功能单一，不能达到理想的相容性以及有效性。
因此仅从补偿混凝土体积收缩能力入手改善混凝土的开裂，难以有效解决开裂、渗漏以及老化等问题，亟需研发一种新的高性能的混凝土用防裂抗渗剂，可以从微膨胀以及水化温升等方面共同调控混凝土的性能。
发明内容
本发明提供了一种混凝土用防裂抗渗剂及其制备方法，能有效改善混凝土的耐久性、强度、体积稳定性和其他综合性能。
第一方面，本发明提供了一种混凝土用防裂抗渗剂，以重量份计，包括以下组分：粉煤灰30-50份、氟石膏5-50份、轻烧氧化镁3-30份、水泥分散激发剂1-10份、改性增强碳材料1-10份以及络合剂2-5份；
所述水泥分散激发剂为水玻璃、氢氧化钠以及碱渣的混合物，所述改性增强碳材料为碳纤维原丝以及含羟基的碳纳米管经碱液活化后制备得到，所述碳纤维原丝、含羟基的碳纳米管的质量比为1:2～10。
进一步地，所述混凝土用防裂抗渗剂以重量份计，包括以下组分：粉煤灰45-50份、氟石膏10-12份、轻烧氧化镁15-20份、水泥分散激发剂2-5份、改性增强碳材料5-8份以及络合剂2-3份。
进一步地，所述混凝土用防裂抗渗剂以重量份计，包括以下组分：粉煤灰50份、氟石膏10份、轻烧氧化镁15份、水泥分散激发剂2份、改性增强碳材料5份以及络合剂2份。
进一步地，所述轻烧氧化镁中氧化镁的含量不低于90％，所述轻烧氧化镁为菱镁矿经过800-1000℃的温度烧成的熟料。
进一步地，所述水泥分散激发剂通过以下方法制备得到：将水玻璃、氢氧化钠以及水混合均匀，于加热并搅拌的条件下加入碱渣，持续搅拌后制得。
进一步地，所述水泥分散激发剂中水玻璃、氢氧化钠与碱渣的质量比为1-20:2:0.1-5，所述加热的温度为60-90℃，搅拌的时间为20-60min。
进一步地，所述络合剂为六偏磷酸钠、氨三乙酸钠或乙二胺四乙酸二钠。
进一步地，所述改性增强碳材料通过以下方法制备得到：
将碳纤维原丝进行预氧化处理后加载催化剂，得到加载后的预氧化丝；
在加载后的预氧化丝上生长含羟基的碳纳米管，得到增强碳材料；
将所述增强碳材料分散于碱液中，制得。
优选的，所述改性增强碳材料通过以下方法制备得到：
在保护气氛中，将碳纤维原丝进行升温氧化，升温至200-350℃，氧化1-2h得到预氧化丝；
将预氧化丝放入硝酸钴与硝酸镍的乙醇溶液中浸渍10min后，烘干，得到加载后的预氧化丝；
在保护气氛中，将加载后的预氧化丝加热至450-550℃，保温20-30min后再通入氢气；
持续加热至550-800℃后通入氮气和乙炔，保温5min后得到改性增强碳材料；
将改性增强碳材料超声分散于30-45wt％的氢氧化钠溶液中，分散15-30min后制得。
进一步地，所述氟石膏中硫酸钙的含量不低于90％，密度为2.2-2.9g/cm3。
第二方面，本发明提供了一种第一方面任一所述的混凝土用防裂抗渗剂的制备方法，包括以下步骤：
将粉煤灰、氟石膏、轻烧氧化镁以及改性增强碳材料混合并磨碎至比表面积为250-300m2/kg；于磨碎后的材料中加入络合剂和水泥分散激发剂，球磨后制得。
进一步地，所述球磨的时间为20-60min，球磨的转速为150-500rpm。
本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比至少具有如下优点：
1、本发明制备的混凝土用防裂抗渗剂可以通过降低混凝土水化温升，提高混凝土后期抗拉强度和极限拉伸值以提供持续且稳定的微膨胀效益，提高大体积混凝土的体积稳定性和抗裂性。
2、本发明中的混凝土用防裂抗渗剂，以粉煤灰作为密实组分，可以降低混凝土中的水分传输通道，降低混凝土的孔隙率，提高混凝土的强度；以改性增强碳纤维为增密组分和增强组分，填充混凝土中的孔隙，同时可以桥接基体的微裂纹，抑制裂纹扩展，显著提升混凝土的拉伸强度；以水泥分散激发剂为激活材料，可以提高粉煤灰的活性成分的溶出速率，使粉煤灰等发生水化反应，在体系中生成一定数量的密实度高的水化产物，进而提高体系的宏观性能。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明防裂抗渗剂的组分示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
除非另有特别说明，本申请中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
第一方面，如图1所示，本申请提供了一种混凝土用防裂抗渗剂，以重量份计，包括以下组分：粉煤灰30-50份、氟石膏5-50份、轻烧氧化镁3-30份、水泥分散激发剂1-10份、改性增强碳材料1-10份以及络合剂2-5份；
所述水泥分散激发剂为水玻璃、氢氧化钠以及碱渣的混合物，所述改性增强碳材料为碳纤维原丝以及含羟基的碳纳米管经碱液活化后制备得到，所述碳纤维原丝和含羟基的碳纳米管的质量比为1:2～10。优选的，碳纤维原丝和含羟基的碳纳米管的质量比为1:8。
在本发明一些实施例中，以重量份计，包括以下组分：粉煤灰50份、氟石膏10份、轻烧氧化镁15份、水泥分散激发剂2份、改性增强碳材料5份以及络合剂2份。
我国的烧碱行业产能巨大，每生产一吨成品碱，就会产生大约13kg的碱渣，因此如何有效回收和处理碱渣也是一种环保的方法。本发明中的碱渣主要成分为碳酸钙、硫酸钙、二氧化硅、氯化钙等钙盐为主要成分的工业废渣，还含有少量氢氧化镁、氢氧化钙及少量铁铝氧化物、氯化钠盐。碱渣偏碱性，pH值在10左右。采用碱渣和粉煤灰可以中和氟石膏中的游离酸，并降低氟石膏中可溶性氟的浸出，在水泥混凝土的制备过程中可以调节氟石膏作为水泥缓凝剂使用时的水泥凝结时间，同时消纳了粉煤灰和碱渣等工业固废，降低了生产成本，保护了生态环境。
在本发明一些实施例中，所述轻烧氧化镁中氧化镁的含量不低于90％，所述轻烧氧化镁为菱镁矿经过800-1000℃的温度烧成的熟料。优选的，轻烧氧化镁为菱镁矿经过850℃的温度烧成的熟料。
在本发明一些实施例中，粉煤灰主要是从燃煤电厂烟气管道或供热锅炉烟气管道收集起来的工业废弃物，主要由晶体、玻璃体和未燃灰组成，其中二氧化硅的含量较高。因此本发明中的粉煤灰中的二氧化硅可以在水泥分散激发剂的作用下与水泥水化产物氢氧化钙发生反应，生成水化C-S-H凝胶，促进混凝土凝结并提高混凝土的硬度和抗裂防渗性能。
在本发明一些实施例中，所述水泥分散激发剂通过以下方法制备得到：将水玻璃、氢氧化钠以及水混合均匀，于加热并搅拌的条件下加入碱渣，持续搅拌后制得。
在本发明一些实施例中，所述水泥分散激发剂中水玻璃、氢氧化钠与碱渣的质量比为1-20:2:0.1-5，所述加热的温度为60-90℃，搅拌的时间为20-60min。
上述，采用水浴加热的方式进行热激发制备水泥分散激发剂，可以在搅拌过程中将浆体材料混合均匀，使热处理后的水泥分散激发剂立即投入生产，可以在短时间内显著提高混凝土的早期强度。
在本发明一些实施例中，所述络合剂为六偏磷酸钠、氨三乙酸钠或乙二胺四乙酸二钠，优选为六偏磷酸钠。络合剂可以与氟石膏以及混凝土中的钙离子形成配合物网络结构，在渗透压存在的条件下提高混凝土的防裂抗渗能力。
在本发明一些优选的实施例中，所述改性增强碳材料通过以下方法制备得到：
将碳纤维原丝进行预氧化处理后加载催化剂，得到加载后的预氧化丝；
在加载后的预氧化丝上生长含羟基的碳纳米管，得到增强碳材料；
将所述增强碳材料分散于碱液中，制得。
本发明中的改性增强碳材料，以碳纤维原丝和含羟基的碳纳米管为原料，其中碳纳米管本身具有优异的尺寸效应和机械性能，对混凝土材料的微观结构和宏观性能均有显著的影响。其次羟基化的碳纳米管具有多壁结构，其表面的羟基可以混凝土中的组分反应形成氢键，连接基体中的裂纹，抑制裂纹的继续发展。同时碳纤维原丝表面负载碳纳米管，可以增强界面结合力，显著提高改性增强碳材料的力学性能和刚度，最后采用碱液分散处理后，使改性增强碳材料的接触面积更大，分散效果更好，与混凝土结合后，可以显著提高混凝土的寿命和综合性能。同时，本发明中的碳纳米管还可以与水泥分散激发剂中的水玻璃进行配合，通过可以降低混凝土试样的干燥收缩率和吸水率，提高基体的抗压强度。但是碳纳米管本身表面呈现化学惰性，在各类溶剂中溶解度较低，基于此本发明采用碳纤维原丝预氧化并负载，可以改善碳纳米管的分散效果。在后续使用中，水玻璃也会继续调整碳纳米管的分散性能，降低混凝土中的团聚现象。
在本发明一些实施例中，所述氟石膏中硫酸钙的含量不低于90％，密度为2.2-2.9g/cm3。
本发明中，轻烧氧化镁是由菱镁矿破碎、粉磨、煅烧制备而成，主要原料为氧化镁，其作为混凝土用防裂抗渗剂的原料，一方面可以利用氧化镁水化产生的自身体积膨胀补偿温降引起的收缩，一方面可以与水泥共同形成结晶相网状结构，提高混凝土抗压能力。
本发明中，水泥分散激发剂能较好地分散水泥团聚，激发水泥水化，减少水泥用量10-20％，并能提高混凝土强度10-20％，可有效改善水泥混凝土的和易性，混凝土抗泌水、不离析、易泵送，且有较好的抗冻性能和抗碳化性能。特别是水泥用量的减少，大大降低了水泥水化热，这对抑制混凝土开裂有里程碑意义。
本发明中，氟石膏不仅含有CaSO4，还含有萤石CaF2，故可同时做为掺合料和早强剂使用，从而可以较大提高混凝土的早期强度、降低胶凝材料的成本，且掺用粉煤灰的混凝土可降低氯离子的扩散速度，还能降低腐蚀。
第二方面，本申请提供了一种混凝土用防裂抗渗剂的制备方法，包括以下步骤：将粉煤灰、氟石膏、轻烧氧化镁以及改性增强碳材料混合并磨碎至比表面积为250-300m2/kg；
于磨碎后的材料中加入络合剂和水泥分散激发剂，球磨后制得。
上述方案中，所述球磨的时间为20-60min，球磨的转速为150-500rpm。
以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例提供了一种混凝土用防裂抗渗剂，以重量份计，包括以下组分：粉煤灰30份、氟石膏50份、轻烧氧化镁30份、水泥分散激发剂10份、改性增强碳材料1份以及络合剂2份。
其中，水泥分散激发剂为水玻璃、氢氧化钠以及碱渣按照质量比20:2:5混合后的混合物；
其中改性增强碳材料为碳纤维原丝以及含羟基的碳纳米管经碱液活化后制备得到，所述碳纤维原丝和含羟基的碳纳米管的质量比为1:8。
实施例2
本实施例提供了一种混凝土用防裂抗渗剂，以重量份计，包括以下组分：粉煤灰30份、氟石膏20份、轻烧氧化镁3份、水泥分散激发剂1份、改性增强碳材料10份以及络合剂5份。
其中，水泥分散激发剂为水玻璃、氢氧化钠以及碱渣按照质量比1:2:0.1混合后的混合物；
其中改性增强碳材料为碳纤维原丝以及含羟基的碳纳米管经碱液活化后制备得到，所述碳纤维原丝和含羟基的碳纳米管的质量比为1:5。
实施例3
本实施例提供了一种混凝土用防裂抗渗剂，以重量份计，包括以下组分：粉煤灰40份、氟石膏20份、轻烧氧化镁20份、水泥分散激发剂5份、改性增强碳材料5份以及络合剂3份。
其中，水泥分散激发剂为水玻璃、氢氧化钠以及碱渣按照质量比10:2:2混合后的混合物；
其中改性增强碳材料为碳纤维原丝以及含羟基的碳纳米管经碱液活化后制备得到，所述碳纤维原丝和含羟基的碳纳米管的质量比为1:2。
实施例4
本实施例提供了实施例1-3中水泥分散激发剂的制备方法，包括以下步骤：
将水玻璃、氢氧化钠以及少量水混合均匀后，以60℃水浴加热并搅拌，于搅拌状态下加入碱渣，持续搅拌60min后制得。
实施例5
本实施例提供了实施例1-3中的改性增强碳材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)在氮气气氛中，将碳纤维原丝进行升温氧化，升温至200℃，氧化2h得到预氧化丝；
(2)将预氧化丝放入硝酸钴与硝酸镍的乙醇溶液中浸渍10min后，烘干，得到加载后的预氧化丝，硝酸钴与硝酸镍的浓度均为0.01M；
(3)在氮气氛围中，将加载后的预氧化丝加热至450℃，保温30min后再通入氢气；
(4)持续加热至550℃后通入氮气和乙炔，保温5min后得到改性增强碳材料；
(5)将改性增强碳材料超声分散于45wt％的氢氧化钠溶液中，分散30min后制得。
实施例6
本实施例提供了实施例1-3中混凝土用防裂抗渗剂的制备方法，包括以下步骤：
将粉煤灰、氟石膏、轻烧氧化镁以及改性增强碳材料混合并磨碎至比表面积为300m2/kg；于磨碎后的材料中加入络合剂和水泥分散激发剂，球磨后制得。
对比例1
本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于本对比例中无氟石膏。
对比例2
本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于本对比例中无轻烧氧化镁。
对比例3
本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于本对比例中无水泥分散激发剂。
对比例4
本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于本对比例中水泥分散激发剂无水玻璃。
对比例5
本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于本对比例中改性增强碳材料为碳纳米管。
对比例6
本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于本对比例中改性增强碳材料为碳纤维原丝。
试验例
制备混凝土试样：
将实施例1-3以及对比例1-6制备的混凝土用防裂抗渗剂(普通硅酸盐水泥的10％)与普通硅酸盐水泥(200kg/m3)、碎石(500kg/m3)、河砂(350kg/m3)、聚羧酸减水剂(普通硅酸盐水泥的1％，减水率为20％)以及水混合均匀，制备成标准的混凝土试件。将混凝土标准试件在室温下养护28d，并进行相应的性能测试，结果如表1所示。其中性能测试按照《GB/T50081-2019混凝土物理力学性能试验方法》和《GB/T50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》进行，包括28d抗压强度测试、28d抗氯离子扩散系数测试和56d干燥收缩测试。表1中空白对照为仅采用同等组分的普通硅酸盐水泥、河砂、碎石、聚羧酸减水剂以及水，不添加任何防裂抗渗剂。
表1混凝土性能数据
由表1可以看出，实施例1-3采用了本发明制备的混凝土用防裂抗渗剂，相对于没有采用过任何防裂剂的空白对照，以及成分不完整的对比例1-6，对混凝土的抗压强度、收缩性能均有很大的提升，可见本发明的抗裂防渗剂可以有效改善混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能。相比之下，采用在本发明限定的范围之外的对比例制得的抗裂防渗剂的混凝土标准试件的性状虽然相比于参比试件有所提高，但明显不如本发明显著。
为了进一步验证本发明的混凝土用防裂抗渗剂的抗裂效果，浇筑混凝土足尺模型，足尺模型尺寸为3m*3m*3m，保证空白对照与实验组的足尺模型的浇筑方式、拆模时间、养护方式等条件均一样，且和现场实际结构一致，定期观测模型的开裂情况，180d后模型的开裂情况如表2所示。
表2足尺模型开裂情况
由表2可以看出，采用本发明制备的混凝土用防裂抗渗剂后，可以显著降低混凝土的裂缝情况，降低开裂面积以及裂缝数，说明本发明的混凝土用防裂抗渗剂具有良好的抗裂性能，可以在一定程度上防止混凝土开裂和渗漏。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (1)
1.一种混凝土用防裂抗渗剂，其特征在于，以重量份计，包括以下组分：粉煤灰30份、氟石膏50份、轻烧氧化镁30份、水泥分散激发剂10份、改性增强碳材料1份以及络合剂2份；
其中，所述水泥分散激发剂为水玻璃、氢氧化钠以及碱渣按照质量比20:2:5混合后的混合物；
所述改性增强碳材料为碳纤维原丝以及含羟基的碳纳米管经碱液活化后制备得到，所述碳纤维原丝和含羟基的碳纳米管的质量比为1:8；
所述轻烧氧化镁中氧化镁的含量不低于90%，所述轻烧氧化镁为菱镁矿经过800-1000℃烧成的熟料；
所述水泥分散激发剂通过以下方法制备得到：将水玻璃、氢氧化钠以及水混合均匀后，以60℃水浴加热并搅拌，于搅拌状态下加入碱渣，持续搅拌60min后制得；
所述络合剂为六偏磷酸钠、氨三乙酸钠或乙二胺四乙酸二钠；
所述改性增强碳材料通过以下方法制备得到：（1）将碳纤维原丝进行升温氧化，升温至200℃，氧化2h得到预氧化丝；（2）将预氧化丝放入硝酸钴与硝酸镍的乙醇溶液中浸渍10min后，烘干，得到加载后的预氧化丝，硝酸钴与硝酸镍的浓度均为0.01M；（3）在氮气氛围中，将加载后的预氧化丝加热至450℃，保温30min后再通入氢气；（4）持续加热至550℃后通入氮气和乙炔，保温5min后得到改性增强碳材料；（5）将改性增强碳材料超声分散于45wt%的氢氧化钠溶液中，分散30min后制得；
所述混凝土用防裂抗渗剂的制备方法包括：将所述粉煤灰、所述氟石膏、所述轻烧氧化镁以及所述改性增强碳材料混合并磨碎至比表面积为300m2/kg；于磨碎后的材料中加入所述络合剂和所述水泥分散激发剂，球磨后制得。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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