CN112194404B - 一种适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂 - Google Patents

一种适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂。该复合添加剂由无水硫铝酸钙熟料、硫酸钙、硅灰、碳酸锂、苯乙烯类聚合物、三异丙醇胺、防沉降剂等组分组成，用于以普通硅酸盐水泥为胶凝材料的混凝土中，通过无水硫铝酸钙和硫酸钙的水化反应提供钙矾石晶体，利用硅灰的晶种作用及碳酸锂和三异丙醇胺的早强作用，加快水化产物中钙矾石的形成速度，达到微膨胀、早强、低收缩、低徐变的目的，同时，防沉降剂改善混凝土的和易性能，硅灰通过火山灰反应提高后期强度；添加了复合添加剂的混凝土具有早强、微膨胀、低徐变的特性，适用于混凝土早龄期预应力张拉工程，节省时间，缩短工期。

Description

一种适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添 加剂
技术领域
本发明涉及一种建筑混凝土功能添加材料，具体涉及一种适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂，属于建筑新材料技术领域。
背景技术
在后张预应力混凝土结构的工程应用中，常遇到预应力混凝土在张拉前后出现裂缝的问题。当混凝土结构是带裂缝工作时，工程结构耐久性以及结构性能都将会受其影响。因此，不论是施工过程还是使用阶段，裂缝的产生都是一个值得特别关注的问题。对于预应力混凝土结构其裂缝控制是相当严格的，尽管张拉前产生的裂缝可能会在张拉后闭合，但是，张拉前即产生裂缝总是会对结构性能产生不利影响。在大体积混凝土应用中，由于水化热的发展和随后的冷却使已受约束的大体积混凝土受到温度循环变化的影响，大体积混凝土中的徐变本身很可能就是导致开裂的原因。大体积混凝土内温度的快速上升会使混凝土内部产生压应力，由于新浇筑的混凝土弹性模量很小，所以这个压应力也很小，以致此时的徐变较大，从而使压应力得以释放，因此一旦发生冷却，正保持着的压应力就会逐渐消失，但如果混凝土进一步铿锵，就会产生拉应力，可能出现裂缝了。徐变对混凝土结构性能的大多数影响是不利的，对于一些有早期预应力张拉要求的工程，由于混凝土早期强度偏低、弹性模量小、收缩大、徐变大，张拉后很容易出现开裂现象，影响混凝土的耐久性。因此，为实现混凝土适用于早龄期预应力张拉，通过改善混凝土的施工性能、早强性能、抗裂性能和耐久性能，开发早强、低收缩、低徐变混凝土极具意义。
发明内容
针对现有技术中预应力张拉混凝土结构存在受力复杂、易开裂渗水等缺陷，本发明的目的是在于提供一种适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂，添加了该复合添加剂的混凝土能提高新旧混凝土结合面粘接性能，降低新旧混凝土界面开裂风险，改善混凝土的抗开裂性；通过在水泥早期水化过程中促进大量钙矾石晶体形成，达到提高混凝土早期强度，同时补偿混凝土的收缩，降低混凝土的徐变收缩，解决混凝土早期张拉徐变较大的问题，极大地提高了桥梁的质量及耐久性能。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂，其包括以下质量组分：无水硫铝酸钙熟料60~80份，硫酸钙5~20份，硅灰10~20份，碳酸锂1~5份，三异丙醇胺1~3份，防沉降剂0.05～0.2份，苯乙烯类聚合物3~5份；所述防沉降剂由D-葡萄糖与D-半乳糖组成。
本发明的适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂中的无水硫铝酸钙和硫酸钙组分主要是通过水化反应生成钙矾石，而硅灰的晶种作用及碳酸锂和三异丙醇胺的早强作用，协同加快水化产物中钙矾石的形成速度，促进混凝土中早期钙矾石的大量形成，不仅可以早强，同时还可增加钙矾石晶体在水化产物中的比例，可达到微膨胀的目的，特别是在早龄期水化产物中的占比高，提高早期强度和弹性模量，达到微膨胀、早强、低收缩、低徐变的目的；通过加入苯乙烯类聚合物填充了水泥混凝土中的孔隙和微裂缝，可提高它的密实度，增强水泥石与集料间的粘结力，并缓和裂缝尖端的应力集中，改变普通水泥混凝土的原有性能，使之具有高强度、高粘接、抗渗、抗冻、抗冲、耐磨、耐化学腐蚀等显著优点，通过采用特殊的防沉降剂可以增强混凝土的抗沉降能力、抗失水性，使混凝土具有优良的和易性能。
本发明的适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂综合效果体现在能改善混凝土的变形性能和增强混凝土的界面粘结性能，实现对接缝界面开裂的防治。其通过采用促进无机矿物钙矾石结晶的膨胀手段，配制补偿收缩混凝土，以达到混凝土自身抗开裂的目的；通过硅灰和改性聚合物对新老混凝土界面的改性增强技术提升新混凝土与老混凝土的界面粘结，避免新老混凝土的界面开裂；通过碳酸锂和三异丙醇胺在水泥早期水化过程中促进大量钙矾石晶体形成，达到提高混凝土早期强度，解决混凝土早期张拉徐变较大的问题。
作为一个优选的方案，所述无水硫铝酸钙熟料中无水硫铝酸钙质量百分比为70~90%。硫铝酸钙是水化反应生成钙矾石晶体的主要活性主成分。
作为一个优选的方案，所述硅灰为不加密硅灰，粒径为0.1~0.3μm。进一步优选，硅灰粒径为0.1~0.2μm的不加密优质硅灰。硅灰主要作用主要体现在，在早期可发挥晶种作用促进钙矾石形成，后期则通过火山灰反应提高后期强度，使用硅灰后，大大降低了水化浆体中的孔隙尺寸，改善了孔隙尺寸分布，于是使强度提高，渗透性降低。特别是使用品质优良的超细硅灰，这不仅能降低高强混凝土早期水化热，而且保证混凝土后期强度。
作为一个优选的方案，所述苯乙烯类聚合物为丙烯酸酯-苯乙烯共聚物和/或苯乙烯-丁二烯共聚物。进一步优选，所述苯乙烯类聚合物为苯乙烯-丁二烯共聚物。优选的苯乙烯类聚合物能够很好地填充水泥混凝土中的孔隙和微裂缝，可提高它的密实度，增强水泥石与集料间的粘结力，并缓和裂缝尖端的应力集中，改变普通水泥混凝土的原有性能，使之具有高强度、高粘接、抗渗、抗冻、抗冲、耐磨、耐化学腐蚀等显著优点。
作为一个较优选的方案，所述防沉降剂由D-葡萄糖与D-半乳糖按照质量百分比40%~60%：40%~60%组成。优选的防沉降剂可以增强混凝土的抗沉降能力、抗失水性，使混凝土具有优良的和易性能。
作为一个优选的方案，所述复合添加剂的比表面积为2000~2300cm2/g。比表面积过小，复合添加剂中的活性组分水化不充分，不能发挥出其活性，比表面积过大，活性组分的活性并不能得到提升，而且会浪费研磨的能耗，合适的比表面积既能发挥出应有的活性，同时使研磨能耗最低。
相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益效果。
1）本发明的适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂，主要由无水硫铝酸钙熟料、硫酸钙、硅灰、碳酸锂、三异丙醇胺、防沉降剂及苯乙烯类聚合物等组分组成。该复合添加剂利用无水硫铝酸钙和硫酸钙水化反应作为钙矾石的来源，并利用其水化反应提升水化产物中钙矾石晶体的生成数量；同时利用硅灰的晶种作用及碳酸锂和三异丙醇胺的早强作用，加快水化产物中钙矾石的形成速度，促进混凝土中早期钙矾石的大量形成，不仅可以早强，同时还可增加钙矾石晶体在水化产物中的比例，可达到微膨胀的目的，特别是在早龄期水化产物中的占比高，提高早期强度和弹性模量，达到微膨胀、早强、低收缩、低徐变的目的，而通过加入苯乙烯类聚合物填充了水泥混凝土中的孔隙和微裂缝，可提高它的密实度，增强水泥石与集料间的粘结力，并缓和裂缝尖端的应力集中，改变普通水泥混凝土的原有性能，使之具有高强度、高粘接、抗渗、抗冻、抗冲、耐磨、耐化学腐蚀等显著优点，通过使用防沉降剂可以增强混凝土的抗沉降能力、抗失水性，使混凝土具有优良的和易性能。
2）本发明的适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂，通过加入硅灰，混凝土中硅灰早期可发挥晶种作用促进钙矾石形成，后期则通过火山灰反应提高后期强度，通过引入硅灰，可以大大降低水化浆体中的孔隙尺寸，改善了孔隙尺寸分布，于是使强度提高，渗透性降低。然而，尽管在相同的水胶比下硅灰混凝土的早期相对强度发展比纯水泥混凝土的慢，由于加入硅灰使得强度大大提高，硅灰混凝土的绝对强度则比纯水泥混凝土的高。另一方面，高强度混凝土早期强度发展比较快，而掺入硅灰的混凝土凝结时间可能稍有推迟，其凝结之后的水化作用会由于高效减水剂和硅灰大大加快，其结果通常是凝结之后强度发展非常快。使用品质优良的超细硅灰，这不仅能降低高强混凝土早期水化热，而且保证混凝土后期强度；同时，使新拌混凝土浆体性能具有良好的粘聚性和保水性，提高混凝土性能。
具体实施方式
以下具体实施例旨在进一步说明本发明内容，但本发明的保护范围并不限于下列具体实施例。
以下实施例通过适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂配制可3d预应力张拉的C60低收缩低徐变湿接缝混凝土来进一步说明本发明内容。
以下具体实施例中，如果没有特殊说明，各原材料均是直接购买的商品化原料。
实施例1：适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂的制备：无水硫铝酸钙熟料（无水硫铝酸钙含量80%）80份，硫酸钙5份，硅灰（粒径0.2μm）10份，碳酸锂1份，三异丙醇胺1份，防沉降剂（D-葡萄糖：D-半乳糖=4：6）0.1份，苯乙烯-丁二烯共聚物（美国瀚森公司的AXILAT PSB 150）3份，混合后研磨成比表面积为2000cm2/g的粉末。
C60低收缩低徐变湿接缝混凝土的配制：P·O52.5普通硅酸盐水泥280kg/m3、Ⅰ级粉煤灰65 kg/m3、S95矿粉65 kg/m3、适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂80kg/m3、中砂720kg/m3、4.75~9.5mm碎石226kg/m3、9.5-20mm碎石903kg/m3、缓释型聚羧酸减水剂2.2kg/m3、水150kg/m3。
实施例2：适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂的制备：无水硫铝酸钙熟料（无水硫铝酸钙含量80%）60份，硫酸钙20份，硅灰（粒径0.2μm）10份，碳酸锂2份，三异丙醇胺3份，防沉降剂（D-葡萄糖：D-半乳糖=6：4）0.1份，苯乙烯-丁二烯共聚物（美国瀚森公司的AXILAT PSB 150）5份，混合后研磨成比表面积为2000cm2/g的粉末。
C60低收缩低徐变湿接缝混凝土的配制：P·O52.5普通硅酸盐水泥280kg/m3、Ⅰ级粉煤灰65 kg/m3、S95矿粉65 kg/m3、适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂80kg/m3、中砂720kg/m3、4.75-9.5mm碎石226kg/m3、9.5~20mm碎石903kg/m3、缓释型聚羧酸减水剂2.2kg/m3、水150kg/m3。
实施例3：适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂的制备：无水硫铝酸钙熟料（无水硫铝酸钙含量70%）70份，硫酸钙10份，硅灰（粒径0.1μm）12份，碳酸锂1份，三异丙醇胺2份，防沉降剂（D-葡萄糖：D-半乳糖=4：6）0.2份，苯乙烯-丁二烯共聚物（美国瀚森公司的AXILAT PSB 150）5份，混合后研磨成比表面积为2200cm2/g的粉末。
C60低收缩低徐变湿接缝混凝土的配制：P·O52.5普通硅酸盐水泥280kg/m3、Ⅰ级粉煤灰65 kg/m3、S95矿粉65 kg/m3、适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂80kg/m3、中砂720kg/m3、4.75-9.5mm碎石226kg/m3、9.5~20mm碎石903kg/m3、缓释型聚羧酸减水剂2.2kg/m3、水150kg/m3。
实施例4：适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂的制备：无水硫铝酸钙熟料（无水硫铝酸钙含量90%）60份，硫酸钙10份，硅灰（粒径0.3μm）20份，碳酸锂5份，三异丙醇胺1份，防沉降剂（D-葡萄糖：D-半乳糖=5：5）0.2份，丙烯酸酯-苯乙烯共聚物（ACQUOS公司的Dehydro 7660）4份，混合后研磨成比表面积为2300cm2/g的粉末。
C60低收缩低徐变湿接缝混凝土的配制：P·O52.5普通硅酸盐水泥280kg/m3、Ⅰ级粉煤灰65 kg/m3、S95矿粉65 kg/m3、适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂80kg/m3、中砂720kg/m3、4.75~9.5mm碎石226kg/m3、9.5~20mm碎石903kg/m3、缓释型聚羧酸减水剂2.2kg/m3、水150kg/m3。
对比例1：本对比例与实施例1的区别在于C60混凝土不含适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂，复合添加剂用量由P·O52.5普通硅酸盐水泥等量取代。具体地说是：P·O52.5普通硅酸盐水泥360kg/m3、Ⅰ级粉煤灰65 kg/m3、S95矿粉65 kg/m3、适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂0kg/m3、中砂720kg/m3、4.75~9.5mm碎石226kg/m3、9.5~20mm碎石903kg/m3、缓释型聚羧酸减水剂2.2kg/m3、水150kg/m3。
对比例2：本对比例与实施例1的区别在于适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂不含硅灰。具体地说是：适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂的制备：无水硫铝酸钙熟料（无水硫铝酸钙含量80%）80份，硫酸钙5份，硅灰0份，碳酸锂1份，三异丙醇胺1份，防沉降剂（D-葡萄糖：D-半乳糖=4：6）0.1份，苯乙烯-丁二烯共聚物（美国瀚森公司的AXILAT PSB 150）3份，混合后研磨成比表面积为2000cm2/g的粉末。
C60低收缩低徐变湿接缝混凝土的配制：P·O52.5普通硅酸盐水泥280kg/m3、Ⅰ级粉煤灰65 kg/m3、S95矿粉65 kg/m3、适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂80kg/m3、中砂720kg/m3、4.75~9.5mm碎石226kg/m3、9.5~20mm碎石903kg/m3、缓释型聚羧酸减水剂2.2kg/m3、水150kg/m3。
对比例3：本对比例与实施例1的区别在于适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂不含苯乙烯-丁二烯共聚物。具体地说是：适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂的制备：无水硫铝酸钙熟料（无水硫铝酸钙含量80%）80份，硫酸钙5份，硅灰（粒径0.2μm）10份，碳酸锂1份，三异丙醇胺1份，防沉降剂（D-葡萄糖：D-半乳糖=4：6）0.1份，苯乙烯-丁二烯共聚物0份，混合后研磨成比表面积为2000cm2/g的粉末。
C60低收缩低徐变湿接缝混凝土的配制：P·O52.5普通硅酸盐水泥280kg/m3、Ⅰ级粉煤灰65 kg/m3、S95矿粉65 kg/m3、适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂80kg/m3、中砂720kg/m3、4.75~9.5mm碎石226kg/m3、9.5~20mm碎石903kg/m3、缓释型聚羧酸减水剂2.2kg/m3、水150kg/m3。
对比例4：本对比例与实施例1的区别在于适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂不含碳酸锂。具体地说是：适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂的制备：无水硫铝酸钙熟料（无水硫铝酸钙含量80%）80份，硫酸钙5份，硅灰（粒径0.2μm）10份，碳酸锂0份，三异丙醇胺1份，防沉降剂（D-葡萄糖：D-半乳糖=4：6）0.1份，苯乙烯-丁二烯共聚物（美国瀚森公司的AXILAT PSB 150）3份，混合后研磨成比表面积为2000cm2/g的粉末。
C60低收缩低徐变湿接缝混凝土的配制：P·O52.5普通硅酸盐水泥280kg/m3、Ⅰ级粉煤灰65 kg/m3、S95矿粉65 kg/m3、适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂80kg/m3、中砂720kg/m3、4.75~9.5mm碎石226kg/m3、9.5~20mm碎石903kg/m3、缓释型聚羧酸减水剂2.2kg/m3、水150kg/m3。
对比例5：本对比例与实施例1的区别在于C60混凝土不含适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂，复合添加剂由硫酸钠早强剂取代。具体地说是：
P·O52.5普通硅酸盐水泥350kg/m3、Ⅰ级粉煤灰65 kg/m3、S95矿粉65 kg/m3、硫酸钠早强剂10kg/m3、中砂720kg/m3、4.75~9.5mm碎石226kg/m3、9.5~20mm碎石903kg/m3、缓释型聚羧酸减水剂2.2kg/m3、水150kg/m3。
对比例6：本对比例与实施例1的区别在于适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂不含防沉降剂。具体地说是：适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂的制备：无水硫铝酸钙熟料（无水硫铝酸钙含量80%）79.5份，硫酸钙5份，硅灰（粒径0.2μm）10份，碳酸锂1份，三异丙醇胺1份，防沉降剂0份，苯乙烯-丁二烯共聚物（美国瀚森公司的AXILAT PSB 150）3份，混合后研磨成比表面积为2000cm2/g的粉末。
C60低收缩低徐变湿接缝混凝土的配制：P·O52.5普通硅酸盐水泥280kg/m3、Ⅰ级粉煤灰65 kg/m3、S95矿粉65 kg/m3、适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂80kg/m3、中砂720kg/m3、4.75~9.5mm碎石226kg/m3、9.5~20mm碎石903kg/m3、缓释型聚羧酸减水剂2.2kg/m3、水150kg/m3。
可3d预应力张拉的C60低收缩低徐变湿接缝混凝土实施例及对比例各项性能检测结果如表1所示：
表1 C60低收缩低徐变湿接缝混凝土实施例及对比例各项性能检测结果
Figure 421209DEST_PATH_IMAGE001
Figure 957363DEST_PATH_IMAGE002
结果表明，实施例1、2、3、4湿接缝混凝土具有很高的早期强度，3d抗压强度大于54MPa，达到了设计强度的90%以上，达到3d可预应力张拉要求，主要是早期生成了大量钙矾石，提高了早期强度，对比例1由于没有适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂，所以早期强度偏低。实施例1、2、3、4性能可以看出，由于混凝土早期强度高，弹性模量高，所以后期徐变应变小，而对比例1由于早期强度偏低，弹性模量低，所以后期徐变应变大。对比例5虽然早期强度高，弹性模量大，但由于没有膨胀组份，徐变应变也大。湿接缝混凝土中由于掺有适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂，所以水中14d转空气中28d限制膨胀率都比较高，而对比例1和对比例5的限制膨胀率很低，较好的膨胀性能可以补偿混凝土的收缩，使混凝土具有良好的体积稳定性。良好的体积稳定性，较小的后期徐变应变，可以极大地改善混凝土的抗开裂性能。
对比例1、5、6可以看出，由于没有防沉降剂，混凝土和易性差，不利于施工。对比例2可以看出，由于没有硅灰，混凝土的3d、28d强度偏低，且粘结抗拉强度也偏低，混凝土和易性一般，所以硅灰对提高混凝土的强度、粘结抗拉强度以及工作性具有很大益处。对比例3可以看出，由于没有苯乙烯-丁二烯共聚物，与实施例1相比，粘结抗拉强度偏低，所以改性聚合物在提高新老混凝土界面粘结强度方面很有好处，而良好的粘结性能对改善新老混凝土界面的开裂非常重要。对比例4可以看出，由于没有碳酸锂，混凝土的3d强度偏低。
合理的配比组成是制备出高性能混凝土的必要条件，本发明的适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂各组分在达到一个科学的平衡条件时，配制的混凝土具有优异的工作性能和力学性能，很好地解决混凝土的开裂难题，提高混凝土的耐久性。

Claims (3)

1.一种适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂，其特征在于：由以下质量份组分组成：
无水硫铝酸钙熟料60~80份，
硫酸钙5~20份，
硅灰10~20份，
碳酸锂1~5份，
三异丙醇胺1~3份，
防沉降剂0.05～0.2份，
苯乙烯类聚合物3~5份；
所述硅灰为粒径在0.1~0.3μm范围内的不加密硅灰；
所述防沉降剂由D-葡萄糖与D-半乳糖按照质量百分比40%~60%：40%~60%组成；
所述苯乙烯类聚合物为丙烯酸酯-苯乙烯共聚物和/或苯乙烯-丁二烯共聚物。
2.根据权利要求1所述的适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂，其特征在于：所述无水硫铝酸钙熟料中无水硫铝酸钙的质量百分比含量为70~90%。
3.根据权利要求1~2任一项所述的适用于早龄期预应力张拉的低收缩低徐变混凝土复合添加剂，其特征在于：所述复合添加剂的比表面积为2000~2300cm2/g。
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