CN116675460B - 一种防渗抗裂混凝土外加剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防渗抗裂混凝土外加剂及其制备方法，由以下组分制成：石膏10～20份、石灰石粉5～15份、改性纳米偏高岭土15～25份、改性聚丙烯纤维8～14份、聚羧酸减水剂4～8份、水40～60份；制备方法包括如下步骤：将改性纳米偏高岭土、石灰石粉、石膏、聚羧酸减水剂混合，然后加入水，密封条件下研磨30～60min，取出后加入改性聚丙烯纤维，高速搅拌混合均匀，得到所述混凝土外加剂；所述外加剂能够提高混凝土弹性模量，减少、补偿混凝土收缩，提高水泥整体密实度，显著提高混凝土防渗抗裂性能。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土外加剂领域，具体涉及一种防渗抗裂混凝土外加剂。
背景技术
水泥在水化过程中，由于化学反应和热力学反应所引起的体积收缩，将会导致混凝土结构产生收缩开裂，这是混凝土材料的致命缺点。特别是在防水工程如地下、水工、海工、地铁、隧道、水电、超长钢筋混凝土结构工程以及二次灌注工程中产生结构开裂，将会造成严重的质量缺陷。
为了解决混凝土的开裂渗水问题，通常在混凝土中加入一些功能性外加添加剂，如防水剂，增强剂，膨胀剂等，利用这些外加剂补偿混凝土的收缩，完善混凝土的孔结构，提高混凝土的密实度的同时提高混凝土的强度，从而达到抑制混凝土的干缩开裂，减少混凝土有害裂缝的数量和裂缝的总面积，阻止有害离子，主要是氯离子对混凝土内部进一步侵害，避免混凝土的崩落、炸裂病害发生，提高混凝土的耐久性。如将膨胀剂以掺入水泥中，可对混凝土的收缩进行等量补偿，并具有填充、堵塞毛细孔缝的作用，极大地提高了混凝土的防渗抗裂能力，且增加成本较少。
中国专利文献CN201410658934.4公开了一种混凝土膨胀剂，由以下重量百分比的原料制成：硫铝酸钙35～45％，氧化镁1～5％，塑化减水剂18～25％，矿物超细粉16～23％，三聚磷酸钠2～7％，保水材料5～10％，葡萄糖酸钠1～5％；但是膨胀剂膨胀速率慢，膨胀稳定性差，补偿收缩作用不够。
中国专利文献CN202210794787.8公开了一种混凝土抗裂剂，主要包括以下重量份的原料，复合膨胀剂6～10份、水化热抑制剂1～2份、内养护剂2～4份、短切纤维3～5份和复合防渗剂4～7份；其中，复合膨胀剂主要包括：早期膨胀剂40～50％、中期膨胀剂30～40％和后期膨胀剂20～30％；但是该发明提供的复合膨胀剂各龄期的膨胀率和该龄期的收缩率仍不太协调，对混凝土保持体积稳定性不利。
中国专利文献CN201610431595.5公开了一种新型偏高岭土基混凝土防裂抗渗剂，包括以下重量组份：混凝土100份，石膏20～35份，高效减水剂0.15～0.3份，偏高岭土5～10份，矿物渣3～8份，络合剂0.2～0.4份；但是该防裂抗渗剂中有机材料与混凝土无机类材料相容性差，效果不明显，外加剂之间还存在配伍性问题。
因此，亟需开发一种防渗抗裂性能优异、成本低廉，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的混凝土防渗抗裂外加剂。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种防渗抗裂混凝土外加剂，能够提高混凝土弹性模量，减少、补偿混凝土收缩，提高水泥整体密实度，显著提高混凝土防渗抗裂性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种防渗抗裂混凝土外加剂，由以下组分制成：石膏10～20份、石灰石粉5～15份、改性纳米偏高岭土15～25份、改性聚丙烯纤维8～14份、聚羧酸减水剂4～8份、水40～60份。
优选的，所述改性纳米偏高岭土的制备方法，包括如下步骤：
(1)将纳米偏高岭土分散在去离子水中，然后加入KH550，搅拌反应，反应结束后，将产物过滤、洗涤、干燥，得到氨基化纳米偏高岭土；
(2)将衣康酸酐加入到N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀得衣康酸酐溶液，备用；将氨基化纳米偏高岭土分散到N,N-二甲基甲酰胺中得分散液，然后将衣康酸酐溶液滴加到分散液中，搅拌反应，反应结束后，将产物过滤、洗涤、干燥，得到功能化纳米偏高岭土；
(3)将功能化纳米偏高岭土、4-乙烯基苯胺加入到N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀，滴入过氧化二苯甲酰，搅拌反应，反应结束后，将产物过滤、洗涤、干燥，得到改性纳米偏高岭土。
优选的，步骤(1)中，反应条件为75～90℃下搅拌反应4～6h。
优选的，步骤(1)中，纳米偏高岭土、KH550、去离子水的重量比体积为1g：0.5～2g：10～20mL。
优选的，步骤(2)中，衣康酸酐溶液的重量分数为15～25wt％，反应条件为60～80℃下搅拌反应4～8h。
优选的，步骤(2)中，氨基化偏高岭土、N,N-二甲基甲酰胺、衣康酸酐溶液的重量比为1：1.5～3：1～5。
优选的，步骤(3)中，反应条件为70～90℃下搅拌反应3～5h。
优选的，步骤(3)中，功能化纳米偏高岭土、4-乙烯基苯胺、N,N-二甲基甲酰胺、过氧化二苯甲酰的重量比为1：0.5～1.2：5～10：0.05。
优选的，所述改性聚丙烯纤维的制备方法如下：称取KH560、去离子水、乙醇，按1：1：10的体积比混合，搅拌得到改性溶液，将聚丙烯纤维加入到改性溶液中浸渍8～12h，取出烘干，得到改性聚丙烯纤维。
本发明还要求保护一种所述混凝土外加剂的制备方法，包括如下步骤：将改性纳米偏高岭土、石灰石粉、石膏、聚羧酸减水剂混合，然后加入水，密封条件下研磨30～60min，取出后加入改性聚丙烯纤维，高速搅拌混合均匀，得到所述混凝土外加剂。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)本发明提供了的防渗抗裂混凝土外加剂，聚丙烯纤维能够提高混凝土弹性模量，从而提高抗裂性能；膨胀组分在混凝土水化早期和后期持续作用，生成的水化产物钙钒石在混凝土内部产生一定的微膨胀，能够填充、堵塞毛细孔缝的形成，减少、补偿混凝土收缩，提高水泥整体密实度，显著提高混凝土防渗抗裂性能。
2)本发明提供的防渗抗裂混凝土外加剂，石膏能够调节水泥石中形成钙矾石的数量适中，既起到了填充孔隙的作用又不会有胀裂的危险；石灰石粉的晶核效应能够使水泥水化产物分布更加均匀，从而减少连通的毛细孔隙率；偶联改性纤维后可有效增加有机纤维与无机材料之间的界面粘结力，能有效保水且抑制开裂；改性纳米纳米偏高岭土能够稳定悬浮在混凝土材料中，减少在新拌水泥基材料中的团聚现象，从而充分发挥填充效应填补混凝土内部的孔隙，并提高水泥材料的流动度。
3)本发明将纳米偏高岭土用KH550、衣康酸酐、4-乙烯基苯胺进行改性处理，得到含有酰胺、羧基、氨基、苯环等多种活性功能基团的改性纳米偏高岭土，各活性功能基团能够通过氢键和络合与Al3+、Mg3+、Ca2+等金属离子发生作用，增加金属离子的溶解度和稳定性，促进C3A的溶解，加速其生成钙矾石与AFm，偏高岭土还可与氢氧化钙反应生成C-S-H凝胶，在钙钒石形成的空间骨架中巩固填充，提高水泥体系的密实度，显著提高混凝土的力学性能和耐久性。
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，以下结合实施例，对本发明作进一步的详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如无特殊说明外，本发明中的化学试剂和材料均通过市场途径购买或通过市场途径购买的原料合成。
石灰石粉由江苏省南通汉府建筑新材料有限公司提供，粒径范围0.35～80μm，中值粒径5μm。
所述石膏为二水石膏，CaSO4·2H2O质量百分含量大于90％，比表面积400～600m2/kg。
纳米偏高岭土购自内蒙古超牌偏高岭土有限公司，中值粒径1.75μm，片层厚度15～70nm；
聚丙烯纤维长度3～6mm，单丝直径<34μm，拉伸强度>350MPa，弹性模量>3GPa，断裂伸长率>10％。
下面通过具体实施例，来对本发明作进一步的说明。
实施例1
一种防渗抗裂混凝土外加剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将10g纳米偏高岭土分散在200mL去离子水中，然后加入20g KH550，在90℃下搅拌反应6h，反应结束后，将产物过滤、洗涤、干燥，得到氨基化纳米偏高岭土；
(2)将10g衣康酸酐加入到40gN,N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀得衣康酸酐溶液，备用；将10g氨基化纳米偏高岭土分散到30g N,N-二甲基甲酰胺中得分散液，然后将50g衣康酸酐溶液滴加到分散液中，在80℃下搅拌反应8h，反应结束后，将产物过滤、洗涤、干燥，得到功能化纳米偏高岭土；
(3)将10g功能化纳米偏高岭土、12g 4-乙烯基苯胺加入到100gN,N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀，滴入0.5g过氧化二苯甲酰，在90℃下搅拌反应5h，反应结束后，将产物过滤，用甲醇洗涤然后烘干，得到改性纳米偏高岭土；
(4)将10mL KH560、10mL去离子水、100mL乙醇混合，搅拌得到改性溶液，将聚丙烯纤维加入到改性溶液中浸渍12h，取出烘干，得到改性聚丙烯纤维；
(5)将25g改性纳米偏高岭土、15g石灰石粉、20g石膏、8g聚羧酸减水剂混合，然后加入60g水，密封条件下研磨60min，取出后加入14g改性聚丙烯纤维，高速搅拌混合均匀，得到所述混凝土外加剂。
实施例2
一种防渗抗裂混凝土外加剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将10g纳米偏高岭土分散在100mL去离子水中，然后加入5g KH550，在75℃下搅拌反应4h，反应结束后，将产物过滤、洗涤、干燥，得到氨基化纳米偏高岭土；
(2)将2g衣康酸酐加入到8g N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀得衣康酸酐溶液，备用；将10g氨基化纳米偏高岭土分散到15g N,N-二甲基甲酰胺中得分散液，然后将10g衣康酸酐溶液滴加到分散液中，在60℃下搅拌反应4h，反应结束后，将产物过滤、洗涤、干燥，得到功能化纳米偏高岭土；
(3)将10g功能化纳米偏高岭土、5g 4-乙烯基苯胺加入到50gN,N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀，滴入0.5g过氧化二苯甲酰，在70℃下搅拌反应3h，反应结束后，将产物过滤，用甲醇洗涤然后烘干，得到改性纳米偏高岭土；
(4)将10mL KH560、10mL去离子水、100mL乙醇混合，搅拌得到改性溶液，将聚丙烯纤维加入到改性溶液中浸渍12h，取出烘干，得到改性聚丙烯纤维；
(5)将25g改性纳米偏高岭土、15g石灰石粉、20g石膏、8g聚羧酸减水剂混合，然后加入60g水，密封条件下研磨60min，取出后加入14g改性聚丙烯纤维，高速搅拌混合均匀，得到所述混凝土外加剂。
实施例3
一种防渗抗裂混凝土外加剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将10g纳米偏高岭土分散在120mL去离子水中，然后加入10g KH550，在80℃下搅拌反应4.5h，反应结束后，将产物过滤、洗涤、干燥，得到氨基化纳米偏高岭土；
(2)将5g衣康酸酐加入到20gN,N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀得衣康酸酐溶液，备用；将10g氨基化纳米偏高岭土分散到20g N,N-二甲基甲酰胺中得分散液，然后将25g衣康酸酐溶液滴加到分散液中，在65℃下搅拌反应5h，反应结束后，将产物过滤、洗涤、干燥，得到功能化纳米偏高岭土；
(3)将10g功能化纳米偏高岭土、8g 4-乙烯基苯胺加入到60gN,N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀，滴入0.5g过氧化二苯甲酰，在75℃下搅拌反应3.5h，反应结束后，将产物过滤，用甲醇洗涤然后烘干，得到改性纳米偏高岭土；
(4)将10mL KH560、10mL去离子水、100mL乙醇混合，搅拌得到改性溶液，将聚丙烯纤维加入到改性溶液中浸渍12h，取出烘干，得到改性聚丙烯纤维；
(5)将20g改性纳米偏高岭土、10g石灰石粉、15g石膏、6g聚羧酸减水剂混合，然后加入50g水，密封条件下研磨60min，取出后加入11g改性聚丙烯纤维，高速搅拌混合均匀，得到所述混凝土外加剂。
实施例4
一种防渗抗裂混凝土外加剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将10g纳米偏高岭土分散在180mL去离子水中，然后加入15g KH550，在85℃下搅拌反应5.5h，反应结束后，将产物过滤、洗涤、干燥，得到氨基化纳米偏高岭土；
(2)将7.5g衣康酸酐加入到30gN,N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀得衣康酸酐溶液，备用；将10g氨基化纳米偏高岭土分散到25g N,N-二甲基甲酰胺中得分散液，然后将37.5g衣康酸酐溶液滴加到分散液中，在75℃下搅拌反应7h，反应结束后，将产物过滤、洗涤、干燥，得到功能化纳米偏高岭土；
(3)将10g功能化纳米偏高岭土、10g 4-乙烯基苯胺加入到80gN,N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀，滴入0.5g过氧化二苯甲酰，在85℃下搅拌反应4.5h，反应结束后，将产物过滤，用甲醇洗涤然后烘干，得到改性纳米偏高岭土；
(4)将10mL KH560、10mL去离子水、100mL乙醇混合，搅拌得到改性溶液，将聚丙烯纤维加入到改性溶液中浸渍12h，取出烘干，得到改性聚丙烯纤维；
(5)将20g改性纳米偏高岭土、12g石灰石粉、15g石膏、6g聚羧酸减水剂混合，然后加入55g水，密封条件下研磨60min，取出后加入12g改性聚丙烯纤维，高速搅拌混合均匀，得到所述混凝土外加剂。
对比例1
一种混凝土外加剂的制备方法，包括如下步骤：
将25g纳米偏高岭土、15g石灰石粉、20g石膏、8g聚羧酸减水剂混合，然后加入60g水，密封条件下研磨60min，取出后加入14g聚丙烯纤维，高速搅拌混合均匀，得到所述混凝土外加剂。
对比例2
一种混凝土外加剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将10mL KH560、10mL去离子水、100mL乙醇混合，搅拌得到改性溶液，将聚丙烯纤维加入到改性溶液中浸渍12h，取出烘干，得到改性聚丙烯纤维；
(2)将25g纳米偏高岭土、15g石灰石粉、20g石膏、8g聚羧酸减水剂混合，然后加入60g水，密封条件下研磨60min，取出后加入14g改性聚丙烯纤维，高速搅拌混合均匀，得到所述混凝土外加剂。
对比例3
一种混凝土外加剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将10g纳米偏高岭土分散在200mL去离子水中，然后加入20g KH550，在90℃下搅拌反应6h，反应结束后，将产物过滤、洗涤、干燥，得到氨基化纳米偏高岭土；
(2)将10g衣康酸酐加入到40gN,N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀得衣康酸酐溶液，备用；将10g氨基化纳米偏高岭土分散到30g N,N-二甲基甲酰胺中得分散液，然后将50g衣康酸酐溶液滴加到分散液中，在80℃下搅拌反应8h，反应结束后，将产物过滤、洗涤、干燥，得到功能化纳米偏高岭土；
(3)将10g功能化纳米偏高岭土、12g 4-乙烯基苯胺加入到100gN,N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀，滴入0.5g过氧化二苯甲酰，在90℃下搅拌反应5h，反应结束后，将产物过滤，用甲醇洗涤然后烘干，得到改性纳米偏高岭土；
(4)将25g改性纳米偏高岭土、15g石灰石粉、20g石膏、8g聚羧酸减水剂混合，然后加入60g水，密封条件下研磨60min，取出后加入14g聚丙烯纤维，高速搅拌混合均匀，得到所述混凝土外加剂。
以C50混凝土为基准，将实施例1～4、对比例1～3制备所得混凝土外加剂按胶凝材料总量的10％掺入配制混凝土，然后对混凝土样品性能进行测试，具体数据见表1。
参考GB/T 50081-2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》测定混凝土抗压强度、抗折强度；参考T/CECS 10001-2019《用于混凝土中的防裂抗渗复合材料》附录A，测定混凝土的裂缝降低系数，其中，基准混凝土为对比例1；参考GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测定混凝土最大抗渗水压；参考JC/T 2361-2016《砂浆、混凝土减缩剂》测定混凝土28天、60天减缩率，其中，基准混凝土为对比例1。
表1混凝土样本性能数据
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种防渗抗裂混凝土外加剂，其特征在于，由以下组分制成：石膏10~20份、石灰石粉5~15份、改性纳米偏高岭土15~25份、改性聚丙烯纤维8~14份、聚羧酸减水剂4~8份、水40~60份；
所述改性纳米偏高岭土的制备方法，包括如下步骤：
（1）将纳米偏高岭土分散在去离子水中，然后加入KH550，搅拌反应，反应结束后，将产物过滤、洗涤、干燥，得到氨基化纳米偏高岭土；
（2）将衣康酸酐加入到N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀得衣康酸酐溶液，备用；将氨基化纳米偏高岭土分散到N,N-二甲基甲酰胺中得分散液，然后将衣康酸酐溶液滴加到分散液中，搅拌反应，反应结束后，将产物过滤、洗涤、干燥，得到功能化纳米偏高岭土；
（3）将功能化纳米偏高岭土、4-乙烯基苯胺加入到N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀，滴入过氧化二苯甲酰，搅拌反应，反应结束后，将产物过滤、洗涤、干燥，得到改性纳米偏高岭土；
所述改性聚丙烯纤维的制备方法如下：称取KH560、去离子水、乙醇，按1：1：10的体积比混合，搅拌得到改性溶液，将聚丙烯纤维加入到改性溶液中浸渍8~12h，取出烘干，得到改性聚丙烯纤维。
2.根据权利要求1所述的混凝土外加剂，其特征在于，步骤（1）中，反应条件为75~90℃下搅拌反应4~6h。
3.根据权利要求1所述的混凝土外加剂，其特征在于，步骤（1）中，纳米偏高岭土、KH550、去离子水的重量比体积为1g：0.5~2g：10~20mL。
4.根据权利要求1所述的混凝土外加剂，其特征在于，步骤（2）中，衣康酸酐溶液的重量分数为15~25wt%，反应条件为60~80℃下搅拌反应4~8h。
5.根据权利要求1所述的混凝土外加剂，其特征在于，步骤（2）中，氨基化偏高岭土、N,N-二甲基甲酰胺、衣康酸酐溶液的重量比为1：1.5~3：1~5。
6.根据权利要求1所述的混凝土外加剂，其特征在于，步骤（3）中，反应条件为70~90℃下搅拌反应3~5h。
7.根据权利要求1所述的混凝土外加剂，其特征在于，步骤（3）中，功能化纳米偏高岭土、4-乙烯基苯胺、N,N-二甲基甲酰胺、过氧化二苯甲酰的重量比为1：0.5~1.2：5~10：0.05。
8.一种如权利要求1~7任一项所述混凝土外加剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将改性纳米偏高岭土、石灰石粉、石膏、聚羧酸减水剂混合，然后加入水，密封条件下研磨30~60min，取出后加入改性聚丙烯纤维，高速搅拌混合均匀，得到所述混凝土外加剂。
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