CN116514471B - 一种防冻抗裂混凝土 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种混凝土，具体涉及一种防冻抗裂混凝土，本申请中在混凝土原料中添加改性纤维、防冻剂和溪水聚合物，其中吸水聚合物为聚丙烯酰胺聚合物，其支链上接枝有聚乙烯醇。本申请中的防冻混凝土其在具有较强的抗裂性能的同时，在高标号、低水胶比的情况下依旧可以实现低温施工，在低于0℃，甚至‑20℃的情况下依旧具有较好的施工性能。
Description
技术领域
本申请涉及一种混凝土，具体涉及一种防冻抗裂混凝土。
背景技术
混凝土在施工过程中，通过水化反应在体系内形成硅-钙凝胶，这也是混凝土强度的关键。在水化过程中，反应不断放热，因此进一步促进了水化反应的发生，进而使混凝土不断凝结，因此，温度控制在混凝土工程中是十分重要的一环。
然而，由于大多数混凝土施工工程都在户外进行，在部分地区部分时间，外界寒冷的环境会导致混凝土水化反应速率减慢甚至水化不完全，因此需要施工人员额外提供热源、甚至调整工期，严重影响了施工成本和施工效率。
现有技术中，除了采用电热、水热等方式提高施工温度外，还可以通过加入部分防冻剂，使得在较低的温度下混凝土仍然可以顺利发生水化反应。防冻剂一般包括用于降低冰点或生成热量的防冻组分、用于加快水化速率的早强组分以及减水剂。但是目前，由于早强剂对混凝土加工性能有一定的影响，尤其是对高强度标号的混凝土，加入防冻剂后其流动性、和易性都会有明显的减弱，因此高标号混凝土在低温下的施工仍是一个难以解决的问题。
发明内容
本申请涉及一种防冻抗裂混凝土，其在具有较强的抗裂性能的同时，在高标号、低水胶比的情况下依旧可以实现低温施工，在低于0℃，甚至-20℃的情况下依旧具有较好的施工性能。本申请涉及的一种防冻抗裂混凝土具体采用如下技术方案：
一种防冻抗裂混凝土，按质量份包括如下组分：
吸水聚合物 2～5份；
改性纤维 10～20份；
粗骨料 500～550份；
细骨料 360～440份；
水泥 350～380份
聚羧酸减水剂 5～10份；
松香脂类引气剂 1～2份
加入水后水胶比为 0.3～0.5；
还包括防冻剂，所述防冻剂至少包括如下质量份的组分：
有机醇胺 1～3份；
多元醇 0.1～1份；
所述防冻剂不含无机盐类防冻剂；
所述改性纤维为聚脂肪族烯烃纤维、聚芳香族烯烃纤维、聚酯纤维、聚氨酯纤维中的至少一种与有机硅类化合物进行交联改性得到；
所述吸水聚合物为聚丙烯酰胺聚合物，其支链上接枝有聚乙烯醇。
上述体系中，吸水聚合物可以起到保水的作用，在施工过程中，吸水聚合物可以吸收保存一定量的水分，进而使水化反应可以在可控的条件下发生，起到优化混凝土加工性能的效果。由于在体系中不存在无机盐，接枝聚乙烯醇的聚丙烯酰胺聚合物可以良好地发挥其吸水性能，不易在混凝土中诱导快速生成的絮凝反应等现象，减少体系中的离子强度也有助于改性纤维更好地发挥其增强的效果。通过有机硅改性后，改性纤维可以与混凝土体系中的无机相更好地结合，进而减少因温度过低造成的混凝土水化不均匀进而产生的开裂现象，从而起到抗冻抗裂的效果。
在高标号混凝土中，一般具有较差的水胶比和较差的流动性，上述现象在低温下更加容易引起混凝土中产生细小冰晶，进而使得混凝土在低温下凝结时容易产生开裂、水化反应不彻底、凝结不均匀等现象。聚丙烯酰胺接枝聚乙烯醇的体系除了具有良好的吸水性外，还和无机相有着较好的相容性，其较大的分子表面积可以在颗粒之间形成桥接现象，并在桥接的颗粒之间提供未形成冰晶的水体系，进而保障水化反应的顺利进行。
优选的，所述聚丙烯酰胺聚合物中，包含如下单体：任意烷基取代或不取代的丙烯酰胺单体、任意烷基取代或不取代的丙烯酸酯单体，马来酸/马来酸酐单体，其中丙烯酰胺单体、丙烯酸酯单体，马来酸/马来酸酐单体的摩尔比为10∶1～2∶0.5～1，其中，所述丙烯酸酯单体可以任选地被烷基、烷氧基取代或不取代，丙烯酰胺单体可以任选地在氮上烷基取代或不取代。
优选的，所述吸水聚合物中，所述聚乙烯醇为PVA0399或PVA0499。
优选的，吸水聚合物的制备方法如下：将丙烯酰胺单体进行按比例进行溶解混合后，先通过催化剂和RAFT试剂进行预聚处理，预聚时间为5～10h，预聚后，加入烷基取代的丙烯酸酯单体和马来酸酐，继续反应2～5h，得到预聚产物，该步骤温度控制不高于70℃；
分离预聚产物并加入到聚乙烯醇和水的混合体系中，加入引发剂，在50～60℃下反应8～15h，随后分离产物，得到吸水聚合物。
优选的，，所述聚乙烯醇质量和丙烯酰胺单体、丙烯酸酯单体及马来酸/马来酸酐单体的质量之和的比值为0.02～0.2∶1。
优选的，丙烯酸酯单体为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸异丙酯、乙基丙烯酸甲酯中的至少一种。
优选的，所述改性纤维改性前的直径不大于0.1mm，长径比为100～1000。
优选的，所述改性纤维为聚氨酯纤维与有机硅类化合物进行交联改性得到。
优选的，还包括质量份为10～30份的矿渣微粉。
优选的，所述防冻剂还包括质量份为5～8份的羟基硅油。
上述配比制备得到的混凝土，在-10℃以下的低温下可以正常施工，采用高标号的水泥可以抗压强度50mPa以上的混凝土，水胶比低的同时具有良好的流动性，克服了了高标号水泥在低温下运用困难导致的低温状态下高强度混凝土难以施工的障碍。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本申请的技术方案进行进一步阐述。
制备例A1～A14为混凝土中添加的防冻剂，其制备方法如下：
按照表1所示的比例，在氮气保护下，将丙烯酰胺单体溶解于二氧六环中，加入催化剂和RAFT试剂，在70℃下反应8h，随后加入丙烯酸酯单体和马来酸酐，继续反应5h，减压蒸馏除去溶剂，得到预聚物；
将上述预聚物加入到水中，加热使之溶解，并加入聚乙烯醇和引发剂，控制温度50℃反应8h，随后真空蒸出水，得到吸水聚合物。
表1、吸水聚合物原料中质量配比(单位：g)
其中，催化剂为AIBN，用量为0.5g，引发剂为过硫酸铵，用量为0.1g，二氧六环的用量为300mL，水的用量为350mL，RAFT试剂为S-(硫代苯甲酰基)硫乙酸，用量为1.5g。
丙烯酰胺单体为丙烯酰胺，丙烯酸酯单体为甲基丙烯酸甲酯，聚乙烯醇为PVA0339。
在制备例A2的基础上，换用等摩尔量的不同单体类型，得到制备例A15～A4，详情如表2所示。
表2、不同制备例单体选取
| 编号 | 丙烯酰胺单体 | 丙烯酸酯单体 |
| A15 | N-丙烯酰吗啉 | 甲基丙烯酸甲酯 |
| A16 | N,N-二甲基丙烯酰胺 | 甲基丙烯酸甲酯 |
| A17 | N苯基甲基丙烯酰胺 | 甲基丙烯酸甲酯 |
| A18 | 甲基丙烯酰胺 | 甲基丙烯酸甲酯 |
| A19 | 乙基丙烯酰胺 | 甲基丙烯酸甲酯 |
| A20 | N-丙烯酰吗啉 | 乙基丙烯酸甲酯 |
| A21 | N-丙烯酰吗啉 | 甲基丙烯酸乙酯 |
| A22 | 丙烯酰胺 | 乙基丙烯酸甲酯 |
| A23 | 丙烯酰胺 | 甲基丙烯酸异丙酯 |
| A24 | N-丙烯酰吗啉 | 乙基丙烯酸异丙酯 |
进一步，对制备例A2的制备方法进行调整，得到如下制备例。
制备例25，制备方法如下：在氮气保护下，将丙烯酰胺单体溶解于二氧六环中，加入催化剂和RAFT试剂，在70℃下反应10h，随后加入丙烯酸酯单体和马来酸酐，继续反应2h，减压蒸馏除去溶剂，得到预聚物；
将上述预聚物加入到水中，加热使之溶解，并加入聚乙烯醇和引发剂，控制温度60℃反应15h，随后真空蒸出水，得到吸水聚合物。
制备例B1～B8，为纤维的改性，该制备例中，纤维与有机硅交联改性，具体方法如下：将纤维浸泡在含有硅烷偶联剂的水溶液中，其中硅烷偶联剂的浓度为0.1g/L，纤维的用量为5g/L。
制备例A26～28在制备例A2的基础上，换用等质量的不同的聚乙烯醇，具体如下。
制备例A26，聚乙烯醇等质量地选用PVA0499。
制备例A27，聚乙烯醇等质量地选用PVA1799。
制备例A28，聚乙烯醇等质量地选用PVA2299。
B1～B8中选取的纤维种类和长径比具体如表3所示。
表3、纤维的特性表
在上述制备例的基础上，可以制备得到如下实施例。
在实施例1～25中，分别选用制备例A1～A25中的吸水聚合物，且均选用制备例B-7中的纤维。
表4、实施例1～28中的组分配比(质量份)
| 粗骨料 | 500 |
| 细骨料 | 440 |
| 水泥 | 350 |
| 聚羧酸减水剂 | 5 |
| 松香脂类引气剂 | 1 |
| 水 | 175 |
| 防冻剂 | 2 |
| 吸水聚合物 | 2 |
| 纤维 | 10 |
实施例1～28中的防冻剂均为1质量份的三乙醇胺和1质量份的乙二醇。
实施例29，在实施例2的基础上，纤维等质量的选用制备例B1中的纤维。
实施例30，在实施例2的基础上，纤维等质量的选用制备例B2中的纤维。
实施例31，在实施例2的基础上，纤维等质量的选用制备例B3中的纤维。
实施例32，在实施例2的基础上，纤维等质量的选用制备例B4中的纤维。
实施例33，在实施例2的基础上，纤维等质量的选用制备例B5中的纤维。
实施例34，在实施例2的基础上，纤维等质量的选用制备例B6中的纤维。
实施例35，在实施例2的基础上，纤维等质量的选用制备例B8中的纤维。
实施例36，在实施例2的基础上，纤维等质量的选用制备例B9中的纤维。
实施例37，在实施例2的基础上，纤维等质量的选用未经改性的聚氨酯纤维，平均直径0.1mm，平均长度69mm。
实施例38～44，对防冻剂进行调整，具体如表5所示。
表5、实施例38～44中的防冻剂配比(质量份)
| 编号 | 三乙醇胺 | 乙二醇 | 丙三醇 | 羟基硅油 |
| 实施例38 | 1 | 0.1 | 0 | 0 |
| 实施例39 | 3 | 1 | 0 | 0 |
| 实施例40 | 3 | 0.1 | 0 | 0 |
| 实施例41 | 1 | 0 | 0.3 | 0 |
| 实施例42 | 3 | 0 | 0.1 | 0 |
| 实施例43 | 1 | 1 | 0 | 5 |
| 实施例44 | 1 | 1 | 0 | 8 |
其中，羟基硅油的粘度为20cps。
实施例45～47，在实施例2的基础上，调整整体的物料配比，具体如表6所示。
表6、混凝土整体组分配比(质量份)
上述实施例中，各项物料具有如下性质。
水泥为625水泥。
细骨料为机制砂，粗骨料为卵石，均为连续级配。
松香脂类引气剂为松香酸钠。
聚羧酸类减水剂为
其余组分均为市售。
上述混凝土的制备方法如下：
将物料混合后加入搅拌机中，以45rpm的搅拌速度搅拌20s，再以30rpm的搅拌速度搅拌17s，随后出料后，在-20℃下养护并测定相关性能。
对混凝土的性质进行如下测定。
1.力学性能，测定上述混凝土7d和28d抗压强度。
2.抗冻融性能：参照GB50164测定混凝土的抗冻等级。由于冻融实验误差较大，因此每次测定时测定15个样品，取中位数。
3.加工性能：测定混凝土在未养护时在-20℃下的坍落度，同时观察其粘聚性。
首先，测定实施例1～28的实验结果，具体如表7所示。
表7、实施例1～28实验结果
在上述实施例中，主要调整了吸水树脂的聚合物组成。丙烯酰胺、丙烯酸酯和马来酸酐组成的吸水树脂体系具有良好的提高抗冻融性和低温流动性的效果，且不含无机盐也有助于减少混凝土对于内部金属结构(如钢筋)的锈蚀。
其中，聚乙烯醇的添加形成的更加丰富的网格结构，有助于提高保水性能，同时在低温环境下和冻融过程中减少体系内体积变化，进而大幅提高了流动性和抗冻融性。三种单体的混合再接枝丙烯酸是形成上述效果的必要条件。其中，马来酸酐单体提供了良好的接枝能力，同时也具有良好的相容性，让形成的吸水更好地混合于混凝土的体系中。丙烯酰胺单体和丙烯酸酯的配比则是为了平衡酰胺基团的碱性，进而减少对混凝水化过程的影响。数据显示，三种单体均具有重要的作用。但是，丙烯酸酯类单体的添加量过多会导致体系中粘聚性变差。马来酸酐的添加过多则会导致体系刚度提高，弹性下降，强度无明显变化但是抗冻融性能变差。
实施例15～24中调换了不同的丙烯酰胺单体和丙烯酸酯单体，发现丙烯酰吗啉和丙烯酰胺作为丙烯酰胺单体时，整体防冻效果最佳，其中丙烯酰吗啉单体相较于丙烯酰胺具有更强的耐冻性能，但是优势不明显，且丙烯酰吗啉价格更高，因此后续实验均采用丙烯酰胺单体进行。实施例26～28与实施例2进行对比，则可以看到聚乙烯醇选用0399和0499两种型号较为合适，分子量过大的聚乙烯醇吸水性过强，会导致体系的流动度变差，加工性能不佳。
实施例29～45的实验数据如表8所示。
表8、实施例29～37实验结果
实施例29～37中，调整了不同的纤维，其中未经改性的纤维相较于硅烷改性后的纤维在强度上有明显的不如，且在诸多纤维中，由于聚氨酯纤维具有较好的弹性和柔软度，因此其在增强的同时，也有助于减少内部开裂，在抗冻性能和和易性方面均具有一定的优势。
实施例38～45中对防冻剂进行了调整，三乙醇胺和多元醇均可以作为凝固点调节剂，减少混凝土中冰晶的形成，而羟基硅油本身具有良好的润滑性能，经额外实验确认，羟基硅油在粘度不高于50cps时均具有良好的提高流动性，减少开裂的效果。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种防冻抗裂混凝土，其特征在于，按质量份包括如下组分：
吸水聚合物 2～5份；
纤维 10～20份；
粗骨料 500～550份；
细骨料 360～440份；
水泥 350～380份
聚羧酸减水剂 5～10份；
松香脂类引气剂 1～2份
加入水后水胶比为 0.3～0.5；
还包括防冻剂，所述防冻剂至少包括如下质量份的组分：
有机醇胺 1～3份；
多元醇 0.1～1份；
所述防冻剂不含无机盐类防冻剂；
所述纤维为聚氨酯纤维、聚酯纤维、聚芳香族烯烃纤维中的至少一种与有机硅类化合物进行交联改性得到；所述纤维改性前的直径不大于0.1mm，长径比为100～1000；
所述吸水聚合物为聚丙烯酰胺聚合物，其支链上接枝有聚乙烯醇；
所述聚丙烯酰胺聚合物中，包含如下单体：任意烷基取代或不取代的丙烯酰胺单体、任意烷基取代或不取代的丙烯酸酯单体，马来酸/马来酸酐单体，其中丙烯酰胺单体、丙烯酸酯单体，马来酸/马来酸酐单体的摩尔比为10∶1～2∶0.5～1，其中，所述丙烯酸酯单体可以任选地被烷基、烷氧基取代或不取代，丙烯酰胺单体可以任选地在氮上烷基取代或不取代；所述聚乙烯醇为PVA0399或PVA0499。
2.根据权利要求1所述的一种防冻抗裂混凝土，其特征在于，吸水聚合物的制备方法如下：将丙烯酰胺单体进行按比例进行溶解混合后，先通过催化剂和RAFT试剂进行预聚处理，预聚时间为5～10h，预聚后，加入烷基取代的丙烯酸酯单体和马来酸酐，继续反应2～5h，得到预聚产物，该步骤温度控制不高于70℃；
分离预聚产物并加入到聚乙烯醇和水的混合体系中，加入引发剂，在50～60℃下反应8～15h，随后分离产物，得到吸水聚合物。
3.根据权利要求2所述的一种防冻抗裂混凝土，其特征在于，所述聚乙烯醇质量和丙烯酰胺单体、丙烯酸酯单体及马来酸/马来酸酐单体的质量之和的比值为0.005～0.01∶1。
4.根据权利要求1所述的一种防冻抗裂混凝土，其特征在于，丙烯酸酯单体为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸异丙酯、乙基丙烯酸甲酯中的至少一种，丙烯酰胺单体为N-丙烯酰吗啉或丙烯酰胺。
5.根据权利要求1所述的一种防冻抗裂混凝土，其特征在于，所述纤维为聚氨酯纤维。
6.根据权利要求1所述的一种防冻抗裂混凝土，其特征在于，还包括质量份为10～30份的矿渣微粉。
7.根据权利要求1所述的一种防冻抗裂混凝土，其特征在于，所述防冻剂还包括质量份为5～8份的羟基硅油。
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