CN102390951A - 一种高性能混凝土内养护材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高性能混凝土内养护材料及其制备方法，所述的内养护材料包括以下组分及含量(质量份)为：膨胀剂100，有机高吸水材料1.0～5.0，无机吸水材料0～50，保水剂0～1.0，填充剂0～10。内养护材料的制备方法是将氢氧化钠溶液、丙烯酸和丙烯酰胺按一定质量份混合、搅拌，依次加入交联剂和引发剂，经聚合反应制得丙烯酸/丙烯酰胺共聚物，将反应产物烘干、粉碎和过筛，得到有机高吸水材料，将上述吸水材料、无机吸水材料、膨胀剂、保水剂和填充剂进行机械混合，得到高性能混凝土内养护材料。与现有技术相比，本发明产品配制的混凝土具有保水、内养护和抗开裂等功能，同时不影响混凝土的强度和耐久性，最大优点是用其配制的混凝土处于极端干旱环境下仍具有良好的抗开裂性能。

Description

一种高性能混凝土内养护材料及其制备方法

技术领域：本发明涉及建筑材料，尤其涉及一种高性能混凝土内养护材料及其制备方法。

背景技术

高性能混凝土自90年代引入我国以来，因其优异的工作性、耐久性，在工程中得到越来越广泛的应用。混凝土的养护作为施工工序中的重要环节，是实现混凝土耐久性的基础。美国著名学者T.C.Powers指出，硅酸盐水泥水化的理论水灰比应不低于0.42，由于高效减水剂和活性矿物掺和料的掺入，使得高性能混凝土的水灰比大幅度降低(远小于0.42)，混凝土中无充足水分供水泥完全水化。同时，由于高性能混凝土结构密实，外部养护水难以渗入，传统外养护措施如浇水包裹、喷涂养护液等主要是防止混凝土内部水分散失，并不能提高混凝土中水泥的水化程度。

与普通混凝土相比，高性能混凝土的早期自收缩大，弹性模量增长快，抗拉强度并无明显提高，徐变减小。近年来，国内外发生较多高性能混凝土结构开裂，特别是早期开裂的问题。裂缝正是环境侵蚀性介质侵入混凝土的通道，尽管这些裂缝在工程中得到了修补，仍然会成为混凝土提前劣化的隐患。大量工程实践表明，不能很好解决混凝土的开裂问题，就不能真正意义上实现混凝土高性能化。

我国西北地区气候极端干旱，年平均降雨量不足蒸发量的1/9，年平均相对湿度低于10％，部分地区年平均风速大于62km/h(八级以上)的天数在150d以上。研究表明，当环境温度、相对湿度相同时，风速每增加10km/h，水分蒸发速率就增加一倍，当环境温度、风速相同时，相对湿度每降低一半，水分蒸发速率也增加一倍。在如此恶劣的环境条件下，混凝土浇筑后尚未进行抹面，表面就因严重失水而产生塑性开裂。此外，混凝土硬化后，因水源缺失而养护不足，且环境相对湿度过低，水泥后期水化反应几乎停止。

高性能混凝土的水化程度低、早期抗裂性差是困扰混凝土工程界的普遍难题，而当高性能混凝土施工面临特殊环境时，这一问题更加突出，急需相应的解决措施。因此，有必要开发出一种使用方便、经济合理和综合性能优异的高性能混凝土内养护材料，以实现混凝土塑性阶段保水、硬化阶段收缩补偿、硬化阶段内部持续补水以及干旱缺水地区混凝土的自养护。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述难题而提供一种高性能混凝土内养护材料及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高性能混凝土内养护材料，其特征在于，该内养护材料包括以下组分及含量(质量份)为：

膨胀剂                100；

有机高吸水材料        1.0～5.0；

无机吸水材料          0～50；

保水剂                0～1.0；

填充剂                0～10。

所述的膨胀剂为硫铝酸盐型、氧化镁型和氧化钙型膨胀剂中任意一种或多种的混合物。

所述的有机高吸水材料为碱性环境下相容性好的丙烯酸/丙烯酰胺共聚物粉体。

所述的无机吸水材料为具有特定粒径的陶粒。

所述的保水剂为具有特定粘度的羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素中的一种或两种的混合物。

所述的填充剂为超细石粉、磨细矿渣粉、粉煤灰和硅灰中任意一种或多种的混合物。

一种如权利要求1所述的高性能混凝土内养护材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)由下列物质经反应制得丙烯酸/丙烯酰胺共聚物有机高吸水材料：1wt％～10wt％丙烯酸，10wt％～30wt％丙烯酰胺，25wt％～40wt％质量浓度为25％的氢氧化钠溶液，10wt％～30wt％质量浓度为0.1％的交联剂和10wt％～30wt％质量浓度为0.5％的引发剂；将反应产物烘干、粉碎和过筛，得到丙烯酸/丙烯酰胺共聚物有机高吸水材料。

(2)高性能混凝土内养护材料的制备：将上述有机高吸水材料、无机吸水材料、膨胀剂和保水剂按照以下组分及含量(质量份)备料：

膨胀剂                100；

有机高吸水材料        1.0～5.0；

无机吸水材料          0～50；

保水剂                0～1.0；

填充剂                0～10。

将上述比例的膨胀剂、有机高吸水材料、无机吸水材料、保水剂和填充剂依次投入干粉混合器，经机械混合一段时间至均匀，得到高性能混凝土内养护材料。

上述的制备方法，在步骤(1)中所述的交联剂为N，N’-亚甲基双丙烯酰胺。

上述的制备方法，在步骤(1)中所述的引发剂为过硫酸铵-亚硫酸钠。

上述高性能混凝土内养护材料在混凝土搅拌过程掺入，其掺入量为水泥或胶凝材料总量的4.0wt％～10.0wt％。

本发明是基于以下理论依据：

众所周知，硅酸盐水泥由四种矿物组成，即C₃S、C₂S、C₃A和C₄AF，其各自水化反应可用Papadakis典型方程表示：

2C₃S+6H→C₃S₂H₃+3CH        (1)

2C₂S+4H→C₃S₂H₃+CH         (2)

$C_{3}A+C\stackrel{\‾}{S}{H}_2+10H\→C_{4}A\stackrel{\‾}{S}{H}_{12}---\left(3\right)$

C₄AF+2CH+10H→C₆AFH₁₂      (4)

因水泥水化反应及蒸发作用消耗了新拌混凝土中的水分，颗粒(水泥和骨料)之间的水形成弯液面，产生毛细管压力σ，用Young方程表示：

σ＝(-2γcosθ)/r          (5)

随着水分的进一步消耗，颗粒之间的距离拉近，弯液面的曲率半径不断减小，毛细管压力显著增大，当毛细管压力发展到一定程度时，就会超过混凝土抗拉伸的承受能力，从而产生塑性收缩裂缝。

混凝土硬化后因水化反应引起自干燥以及水分扩散作用，混凝土内部相对湿度逐渐降低，这将带来两方面的不利结果：

(1)增大自干燥收缩和干燥收缩。二者均是由毛细管压力σ引起，而毛细管压力σ又与混凝土内部相对湿度有直接关系，毛细管压力σ由Kelvin方程可表示为：

σ＝[RTln(RH)]/V_m           (6)

(2)抑制水泥水化反应。水泥水化反应是固液相反应过程，参与反应的物质总体上处于热力学非平衡状态。从热力学角度来看，只有自由能小于0的水化反应才能够自发地进行。大量研究表明，当混凝土内部相对湿度低于75％时，水泥水化反应将停止。

本发明中膨胀剂是膨胀组分，其作用是参与水泥的水化过程，产生一定量的膨胀性水化产物，在混凝土硬化过程中，使混凝土产生一定的体积膨胀(0.3％～0.4％)，补偿混凝土由于干燥失水所导致的收缩，增加混凝土的体积稳定性，防止收缩裂缝。

本发明中有机高吸水材料和无机吸水材料是内部补水组分，在混凝土搅拌过程中预储存一定量的水，其作用为：①当混凝土在塑性阶段因水分蒸发导致混凝土表层含水量减少时释放所吸收的水分，延缓了固体颗粒之间弯液面的曲率半径减小的速率，毛细管压力减小，从而使塑性收缩减小；②当混凝土硬化后因水化、水分扩散导致其内部相对湿度降低时释放所吸收的剩余水分，毛细管压力减小，从而使自干燥收缩和干燥收缩减小；③当混凝土硬化后因水化、水分扩散导致其内部相对湿度降低时释放所吸收的剩余水分，供未水化水泥颗粒继续水化，在混凝土内部起到养护；④当混凝土硬化后，由于吸水材料的持续补水，膨胀组分具有较高相对湿度的环境，能够发挥更好的膨胀效果。

本发明中保水剂是保水组分，其作用是通过氢键将混凝土中的游离水变成结合水，有效减少新拌混凝土的水分散失，起到自身保水作用，从而大幅度减小混凝土在塑性阶段产生裂缝的风险。

本发明内养护材料集保水、内养护和抗开裂功能于一体，在高性能混凝土中的掺量为4.0wt％～10.0wt％(占水泥或胶凝材料质量百分比)，不降低混凝土的强度和耐久性，尤其适合于极端大风干旱地区使用。

此外，本发明既可用于商品预拌混凝土，也可用于现场搅拌混凝土。

与现有技术相比，本发明产品的优点是：

(1)运输和使用方便：本发明产品的各组分均为粉剂，机械混合后分袋包装，便于运输，在混凝土搅拌过程中按推荐掺量直接加入，方便使用。

(2)适用性强：本发明产品配制的混凝土在施工过程中不受水源、地理环境、混凝土结构部位等诸多因素的限制，从根本上解决混凝土养护的问题。

(3)综合性能优异：本发明产品的各组分协同作用，充分发挥了有机-无机复合的超叠加效应，所配制的混凝土具有保水、内养护和抗开裂等功能，同时不影响强度和耐久性，即使处于极端干旱环境下仍具有良好的抗开裂能力，在少养护或无养护时仍能保证混凝土中水泥正常水化。

附图说明

图1是本发明不同实施例混凝土早期收缩的试验曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种高性能混凝土内养护材料，该内养护材料包括以下组分及含量(质量份)：

膨胀剂            100；

有机高吸水材料        1.25；

无机吸水材料          10；

保水剂                0.25；

填充剂                10。

一种高性能混凝土内养护材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)在冰水浴条件下往三口烧瓶中加入6wt％丙烯酸，在搅拌下滴入30wt％质量浓度为25％的氢氧化钠溶液，之后，依次加入18wt％丙烯酰胺和20wt％质量浓度为0.1％的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌均匀，将混合液放入35℃的恒温水浴中，通氮气保持2min，加入26wt％质量浓度为0.5％的过硫酸铵-亚硫酸钠，搅拌反应一段时间后，将反应产物取出、烘干、粉碎和过筛，得到丙烯酸/丙烯酰胺共聚物有机高吸水材料。

(2)将上述有机高吸水材料、无机吸水材料、膨胀剂、保水剂和填充剂按比例依次投入干粉混合器，经机械混合10min～20min至均匀，得到高性能混凝土内养护材料，其在高性能混凝土中掺入量为水泥或胶凝材料总量的6.0wt％。

实施例2：

一种高性能混凝土内养护材料，该内养护材料包括以下组分及含量(质量份)：

膨胀剂                100；

有机高吸水材料        2.5；

无机吸水材料          10；

保水剂                0.25；

填充剂                10。

一种高性能混凝土内养护材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)在冰水浴条件下往三口烧瓶中加入6wt％丙烯酸，在搅拌下滴入30wt％质量浓度为25％的氢氧化钠溶液，之后，依次加入18wt％丙烯酰胺和20wt％质量浓度为0.1％的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌均匀，将混合液放入35℃的恒温水浴中，通氮气保持2min，加入26wt％质量浓度为0.5％的过硫酸铵-亚硫酸钠，搅拌反应一段时间后，将反应产物取出、烘干、粉碎和过筛，得到丙烯酸/丙烯酰胺共聚物有机高吸水材料。

(2)将上述有机高吸水材料、无机吸水材料、膨胀剂、保水剂和填充剂按比例依次投入干粉混合器，经机械混合10min～20min至均匀，得到高性能混凝土内养护材料，其在高性能混凝土中掺入量为水泥或胶凝材料总量的6.0wt％。

实施例3：

一种高性能混凝土内养护材料，该内养护材料包括以下组分及含量(质量份)：

膨胀剂                  100；

有机高吸水材料          2.5；

无机吸水材料            10；

保水剂                  0.375；

填充剂                  10。

一种高性能混凝土内养护材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)在冰水浴条件下往三口烧瓶中加入6wt％丙烯酸，在搅拌下滴入30wt％质量浓度为25％的氢氧化钠溶液，之后，依次加入18wt％丙烯酰胺和20wt％质量浓度为0.1％的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌均匀，将混合液放入35℃的恒温水浴中，通氮气保持2min，加入26wt％质量浓度为0.5％的过硫酸铵-亚硫酸钠，搅拌反应一段时间后，将反应产物取出、烘干、粉碎和过筛，得到丙烯酸/丙烯酰胺共聚物有机高吸水材料。

(2)将上述有机高吸水材料、无机吸水材料、膨胀剂、保水剂和填充剂按比例依次投入干粉混合器，经机械混合10min～20min至均匀，得到高性能混凝土内养护材料，其在高性能混凝土中掺入量为水泥或胶凝材料总量的6.0wt％。

实施例4：

一种高性能混凝土内养护材料，该内养护材料包括以下组分及含量(质量份)：

膨胀剂                100；

有机高吸水材料        1.0；

无机吸水材料          20；

保水剂                0.25；

填充剂                10。

一种高性能混凝土内养护材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)在冰水浴条件下往三口烧瓶中加入6wt％丙烯酸，在搅拌下滴入30wt％质量浓度为25％的氢氧化钠溶液，之后，依次加入18wt％丙烯酰胺和20wt％质量浓度为0.1％的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌均匀，将混合液放入35℃的恒温水浴中，通氮气保持2min，加入26wt％质量浓度为0.5％的过硫酸铵-亚硫酸钠，搅拌反应一段时间后，将反应产物取出、烘干、粉碎和过筛，得到丙烯酸/丙烯酰胺共聚物有机高吸水材料。

(2)将上述有机高吸水材料、无机吸水材料、膨胀剂、保水剂和填充剂按比例依次投入干粉混合器，经机械混合10min～20min至均匀，得到高性能混凝土内养护材料，其在高性能混凝土中掺入量为水泥或胶凝材料总量的8.0wt％。

实施例5：

一种高性能混凝土内养护材料，该内养护材料包括以下组分及含量(质量份)：

膨胀剂                100；

有机高吸水材料        1.0；

无机吸水材料          20；

保水剂                0.125；

填充剂                10。

一种高性能混凝土内养护材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)在冰水浴条件下往三口烧瓶中加入6wt％丙烯酸，在搅拌下滴入30wt％质量浓度为25％的氢氧化钠溶液，之后，依次加入18wt％丙烯酰胺和20wt％质量浓度为0.1％的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌均匀，将混合液放入35℃的恒温水浴中，通氮气保持2min，加入26wt％质量浓度为0.5％的过硫酸铵-亚硫酸钠，搅拌反应一段时间后，将反应产物取出、烘干、粉碎和过筛，得到丙烯酸/丙烯酰胺共聚物有机高吸水材料。

(2)将上述有机高吸水材料、无机吸水材料、膨胀剂、保水剂和填充剂按比例依次投入干粉混合器，经机械混合10min～20min至均匀，得到高性能混凝土内养护材料，其在高性能混凝土中掺入量为水泥或胶凝材料总量的10.0wt％。

实施例6：

一种高性能混凝土内养护材料，该内养护材料包括以下组分及含量(质量份)：

膨胀剂                100；

有机高吸水材料        2.5；

无机吸水材料          20；

保水剂                0.25；

填充剂                10。

一种高性能混凝土多功能内养护剂的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)在冰水浴条件下往三口烧瓶中加入6wt％丙烯酸，在搅拌下滴入30wt％质量浓度为25％的氢氧化钠溶液，之后，依次加入18wt％丙烯酰胺和20wt％质量浓度为0.1％的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌均匀，将混合液放入35℃的恒温水浴中，通氮气保持2min，加入26wt％质量浓度为0.5％的过硫酸铵-亚硫酸钠，搅拌反应一段时间后，将反应产物取出、烘干、粉碎和过筛，得到丙烯酸/丙烯酰胺共聚物有机高吸水材料。

(2)将上述有机高吸水材料、无机吸水材料、膨胀剂、保水剂和填充剂按比例依次投入干粉混合器，经机械混合10min～20min至均匀，得到高性能混凝土内养护材料，其在高性能混凝土中掺入量为水泥或胶凝材料总量的10.0wt％。

按照上述实施例1～6制备样品，在混凝土搅拌时掺入，调整减水剂、引气剂用量使混凝土的拌和物性能基本一致，空白混凝土的配合比为m(水泥)∶m(粉煤灰)∶m(砂)∶m(石)∶m(水)∶m(减水剂)＝280kg/m³∶100kg/m³∶705kg/m³∶1104kg/m³∶141kg/m³∶3.23kg/m³。检测了各自配制混凝土的性能结果，结果列于表1，其中，负压失水量按《粉刷石膏》(JC 517-2004)测试，早期收缩、自收缩、抗冻性和电通量按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB 50082-2009)测试。

表1不同实施例混凝土的性能

注：表中“-”表示收缩，“+”表示膨胀。

从以上试验结果经分析可知：采用本发明产品所配制混凝土在塑性阶段保水性显著提高，早期收缩大幅度减小，硬化后内部相对湿度仍保持较高水平，自收缩小，同时，抗冻性和抗氯离子渗透性并未降低。

经过多次反复试验和综合性能、成本分析，上述实施例中以实施例4为最佳。

本发明产品已在西部干旱地区铁路建设中试用，现场实践证实其对混凝土具有较好的内养护和优异的抗裂作用。

本发明产品须袋装，运输、储存时应注意防潮。

Claims (5)

1.一种高性能混凝土内养护材料，其特征在于，该内养护材料包括以下组分及含量(质量份)为：

膨胀剂                100；

有机高吸水材料        1.0～5.0；

无机吸水材料          0～50；

保水剂                0～1.0；

填充剂                0～10。

2.根据权利要求1所述的高性能混凝土内养护材料，其特征在于，所述的膨胀剂为硫铝酸盐型、氧化镁型和氧化钙型膨胀剂中任意一种或多种的混合物。

3.根据权利要求1所述的高性能混凝土内养护材料，其特征在于，所述的无机吸水材料为页岩、粉煤灰和其它具有胶凝性能的材料中的一种或多种烧制而成的粒状颗粒。

4.根据权利要求1所述的高性能混凝土内养护材料，其特征在于，所述的保水剂为羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素中的一种或两种的混合物。

5.一种高性能混凝土内养护材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)由下列物质经反应制得丙烯酸/丙烯酰胺共聚物有机高吸水材料：1wt％～10wt％丙烯酸，10wt％～30wt％丙烯酰胺，25wt％～40wt％质量浓度为25％的氢氧化钠溶液，10wt％～30wt％质量浓度为0.1％的交联剂和10wt％～30wt％质量浓度为0.5％的引发剂；将反应产物烘干、粉碎和过筛，得到丙烯酸/丙烯酰胺共聚物有机高吸水材料。

(2)高性能混凝土内养护材料的制备：将上述有机高吸水材料与无机吸水材料、膨胀剂、保水剂按照以下组分及含量(质量份)备料：

膨胀剂                100；

有机高吸水材料        1.0～5.0；

无机吸水材料          0～50；

保水剂                0～1.0；

填充剂                0～10。

将上述比例的膨胀剂、有机高吸水材料、无机吸水材料、保水剂和填充剂依次投入干粉混合器，经机械混合一段时间至均匀，得到高性能混凝土内养护材料。

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