CN1296308C - 纳米基混凝土改性剂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建筑材料技术领域，具体说是一种纳米基混凝土改性剂。目前，改善混凝土耐久性(尤其是抗冻性和抗渗性)的方法是提高混凝土的密实度和采用聚合物砂浆等方法，但这些措施只能改善混凝土内部大于400nm的孔隙减少，而其小孔却增多，其混凝土耐久性改善不显著。本发明用不同细度和性质的材料，分别封堵混凝土(砂浆)中的大、小和微孔的方法，选用木质素磺酸钙、磨细工业废渣、纳米微粉作为混凝土改性剂，掺入水泥中使用，其可以适当地增加纳米晶体的含量，以提高水泥石的晶胶比，减少水泥石的徐变度，从而获得具有较高耐久性的混凝土。

Description

纳米基混凝土改性剂

一、技术领域：

本发明涉及一种建筑材料技术领域，具体说是一种纳米基混凝土改性剂。

二、技术背景：

在我国北方寒冷地区和盐碱化地区，混凝土建筑物的冻害破坏(如裂缝和剥落等)，CI^-离子渗透和SO₄ ^2-离子侵蚀均较严重，从而可能导致混凝土工程的渗漏、开裂等一系列病害，降低其耐久性和安全性。因此，对已产生病害的混凝土进行修补加固，是提高混凝土耐久性的主要因素之一。

普通混凝土的强度等级较低(≤C30)，要增强混凝土的抗渗、抗冻能力，势必会提高混凝土强度等级，增加其施工成本，使其与周围介质的协调性降低。

而现在改善混凝土耐久性(尤其是抗冻性和抗渗性)的方法是提高混凝土的密实度和采用聚合物砂浆等方法，但这些措施只能改善混凝土内部大于400nm的孔隙减少，而其小孔却增多，其混凝土耐久性改善不显著。

三、发明内容：

本发明的目的在于提供一种利用纳米基材料改善混凝土耐久性的纳米基混凝土改性剂。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种纳米基混凝土改性剂，其组成配方和重量份数计的组成配比如下：

木质素磺酸钙               用量为水泥用量的0.2％～0.4％

硅粉、磨细矿渣或粉煤灰     用量为水泥用量的4.2％～4.7％

纳米氧化硅               用量为水泥用量的0.1％～0.4％。

上述的组成配方和重量份数计的组成配比如下：

木质素磺酸钙             用量为水泥用量的0.3％

硅粉、磨细矿渣或粉煤灰   用量为水泥用量的4.5％

纳米氧化硅               用量为水泥用量的0.2％。

上述的组成配方可加入重量份数为水泥用量的0.1％～0.2％山西万荣混凝土外加剂厂生产的微沫剂。

本发明与现有技术相比较，其优点如下：

纳米基混凝土改性剂掺量占水泥用量的5％时，其材料与普通水泥材料相比其具体试验数据如下：28d抗压强度提高约20％～30％；渗水高度减少约50％；抗冻等级提高约100％。

四、附图说明：

图1为水灰比0.38时的抗压、抗折强度(MPa)；

图2为水灰比0.48时的抗压、抗折强度(MPa)；

五、具体实施方式：

本发明的改性机理分析如下：

当某些材料粒子达到10^-9(毫微米)纳米级附近时，就会形成既不同于大尺寸宏观物体的性质，又不同于微观粒子的原子、分子性质的具有奇异特性的介观材料-纳米材料。它具有匪夷所思的巨大比表面积(＞200m²/g)，因而有极高的表面化学活性等优良性质，这对于提高水泥的水化速度和强度发展程度有益。另外，它还有小尺寸效应和宏观量子隧道效应。

纳米微粉从广义上来说是属于准零维纳米材料范畴，尺寸的范围在1～100nm。描述它的基本理论是久保(Kubo)理论。纳米微粉的制备方法有物理方法：真空冷凝法、物理粉碎法和机械球磨法；化学方法有气相沉积法、沉淀法、水热合成法、溶胶凝胶法和微乳液法等。

对于普通水泥硬化浆体，其总孔隙率约为15％～30％。这可分为纳米尺度(9-10nm)的水化硅酸钙凝胶孔；由存在于水泥水化产物之间的气泡、裂缝所组成的毛细孔，尺寸大约在100nm至几个毫米之间。而且，其纳米级的水化硅酸钙凝胶之间化学作用较弱，较少有通过第三者化学键合而形成较好的网络状结构。可加入纳米基材料以改善水化产物的键合和网络状结构。

加入聚合物、减水剂和超细矿粉等虽能使直径大于400nm的大孔比例降低，但小于150nm的小孔含量却增加；加入纳米微粉后可有效地减少水泥硬化浆体中5～150nm的微孔，而且纳米微粉能与纳米级水化产物大量地键合，并以纳米微粉为晶核，在其表面形成水化硅酸钙凝胶相，把松散的水化硅酸钙凝胶变成以纳米微粉为核心的网络状结构；适当地增加纳米晶体的含量，以提高水泥石的晶胶比，减少水泥石的徐变度，从而获得具有较高耐久性的混凝土。

本发明通过对应用于混凝土的工业废渣的研究，利用纳米微粉作为混凝土外加剂的“味精”，使其对混凝土性能的改善进一步提高。采用“梯级封堵”技术，即用不同细度和性质的材料，分别封堵混凝土(砂浆)中的大、小和微孔的方法。

根据纳米基混凝土改性剂配比和所起作用，可得到本发明纳米基混凝土改性剂的配比如下：

1、木质素磺酸钙

其掺量大约为水泥用量的0.2％～0.4％，它在改性剂中主要是为了提高混凝土(砂浆)的施工性能，改善其和易性。

2、磨细工业废渣

其掺量约为水泥用量的4.2％～4.7％。它在改性剂中的作用是调节混凝土(砂浆)的黏结性能、封堵大孔和节约成本等。其一般选用硅粉、磨细矿渣、粉煤灰等。

3、纳米微粉

其掺量约为水泥用量的0.1％～0.4％，其在混凝土(砂浆)中可发挥其微粒性和高活化性等优异性能，封堵小孔和微孔、提高其强度和耐久性(尤其是混凝土的抗渗和抗冻性能等)。其一般选用氧化硅等材料。

4、其它成分

为了进一步的改善产品性能，除以上成分外，根据情况，可酌量掺加为水泥用量的0.1％～0.2％山西万荣混凝土外加剂厂生产的微沫剂。

本发明产品性能如下：

颜色：灰白色粉末状

松散密度：0.29g/cm³

毒性：无毒

安定性：合格

溶解性：水溶性

改性效果：(掺量占水泥用量的5％)

          28d抗压强度提高约20％～30％；

          渗水高度减少约50％；

          抗冻等级提高约100％。

本发明的施工工艺采用先掺法加水溶解施工。

具体实施例一：

在1000kg的水泥中加入纳米基混凝土改性剂，具体是2kg的木质素磺酸钙、4.2kg的粉煤灰和1kg的纳米氧化硅微粉，再采用先掺法加水溶解施工。

具体实施例二：

在1000kg的水泥中加入纳米基混凝土改性剂，具体是4kg的木质素磺酸钙、4.7kg的磨细矿渣和4kg的纳米氧化硅微粉，再采用先掺法加水溶解施工。

具体实施例三：

在1000kg的水泥中加入纳米基混凝土改性剂，具体是3kg的木质素磺酸钙、4.5kg的磨细矿渣和2kg的纳米氧化硅微粉，再采用先掺法加水溶解施工。

具体实施例四：

在1000kg的水泥中加入纳米基混凝土改性剂，具体是3kg的木质素磺酸钙、4.5kg的磨细矿渣、2kg的纳米氧化硅微粉和1kg的微沫剂，再采用先掺法加水溶解施工。

通过纳米基混凝土改性剂优化、砂浆和混凝土试验研究，纳米基混凝土改性剂对混凝土的改性效果如下：

1、纳米基材料可加快混凝土(砂浆)的凝结硬化。

由于纳米基材料的微粒性和高活性，使得水泥石中的反应面积和反应途径增大，表面效应增强，因此砂浆(混凝土)试件内部的水化反应较不掺纳米微粉的砂浆(混凝土)试件要快和发展充分。但是其中纳米微粉的掺量也不能超过一定的限度，由于纳米基材料要消耗大量的水化水和对水泥粒子的水化过程形成阻碍，因而掺量过大反而使其凝结时间变慢。

随着纳米基改性剂掺量的增大，水泥净浆的初凝时间和终凝时间在0％～3％范围内，呈现逐步缩短之势，在3％掺量时较普通净浆初凝时间大约缩短了66％，终凝时间则缩短了47％，其提高砂浆(混凝土)凝结硬化性能的作用非常明显；但当其掺量超过3％后，水泥石的凝结时间开始缓慢增加，但仍小于普通试件。

2、掺加纳米基混凝土改性剂的水泥净浆的安定性试验结果

按照水泥试验规范，成型掺加纳米微粉的水泥净浆安定性试饼，用沸煮法检验其安定性，经观察该改性试饼无弯曲、松脆、龟裂、崩溃等不安定现象。在试验过程中还可以看到掺加纳米微粉试件的粘聚性、保水性得到明显改善。究其原因可认为是掺加纳米微粉后水泥石中的f-CaO和f-MgO的含量变化不大甚至减少，且掺加材料可以增加水泥石的粘度，提高了抗压强度和抗弯能力。

3、砂浆强度试验结果

通过砂浆试验可以看出，由于纳米微粉的诸多特点，其对砂浆(混凝土)的强度提高作用是明显的。参见图1，2。

当w/c在0.38～0.58之间变化时，改性剂掺量3％～5％时，7d的抗压强度比基准组的强度提高5.1％～29.7％，7d的抗折强度比基准组提高3.7～17.9％；28d抗压强度比基准组提高27.9％～44.2％，28d抗折强度比基准组提高9.2％～17.7％。

4、混凝土抗渗性试验结果

掺加纳米基混凝土改性剂后，使混凝土内的小孔和微孔均大幅下降，有效地提高了混凝土的密实度，从而提高了混凝土(砂浆)的抗渗性。

经试验研究得出，掺加纳米基混凝土改性剂的砂浆(混凝土)均比同配比的普通砂浆(混凝土)的抗渗性能大幅提高，见表1。

                              表1.砂浆(混凝土)抗渗性比较

	砂浆		混凝土		备注
						最大耐压(MPa)	抗渗系数(MPa·h)	最大水压(MPa)	渗水高度(cm)	砂浆M7.5；混凝土C20；改性剂掺量为5％
	普通	0.10	0.174	1.20	5.1
改性						0.30	0.354	1.20	1.7

从以上图表可以看出，改性后其砂浆和混凝土的抗渗性大约提高1～3倍。

5、抗冻性试验结果

掺加纳米基混凝土改性剂后，极大地改善了混凝土内部的孔隙结构，封堵了孔径小于150nm的小孔、微孔，使得混凝土的密实度大大增强，减少了混凝土结构内的孔隙水存量，从而避免了由于孔隙水结冰膨胀，产生裂缝而导致混凝土结构破坏。试验采用M7.5的试件，用慢冻法进行试验，掺加5％纳米基混凝土改性剂的试件与普通试件，在冻融15次后掺加5％纳米基混凝土改性剂的试件的外观基本未变，而普通试件外观已经明显产生裂缝等现象。

经进一步试验，掺有纳米基混凝土改性剂的试件在冻融60次后才发生冻融破坏。经对试验数据的分析可知，掺加改性剂后其抗冻性大约提高2～3倍。

除以上试验外，还进行了掺加改性剂和普通试件的弹性模量试验、硫酸盐侵蚀试验等，结果表明混凝土和砂浆的耐久性均有较大改善。

Claims (3)

1、一种纳米基混凝土改性剂，其组成配方和重量份数计的组成配比如下：

木质素磺酸钙                   用量为水泥用量的0.2％～0.4％

硅粉、磨细矿渣或粉煤灰         用量为水泥用量的4.2％～4.7％

纳米氧化硅                     用量为水泥用量的0.1％～0.4％。

2、根据权利1所述的纳米基混凝土改性剂，其特征在于：所述的组成配方和重量份数计的组成配比如下：

木质素磺酸钙                   用量为水泥用量的0.3％

硅粉、磨细矿渣或粉煤灰         用量为水泥用量的4.5％

纳米氧化硅                     用量为水泥用量的0.2％。

3、根据权利1或2所述的纳米基混凝土改性剂，其特征在于：所述的组成配方加入重量份数为水泥用量的0.1％～0.2％山西万荣混凝土外加剂厂生产的微沫剂。

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