一種提高限制條件下混凝土膨脹劑效能的化學(xué)外加劑的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種提高限制條件下混凝土膨脹劑效能的化學(xué)外加劑，以重量計(jì)占混凝土膨脹劑總量0.1%-0.5%，其余組分包括氧化鈣熟料20.0%-50.0%，石膏10.0-30.0%，粉煤灰20.0%-50.0%。本發(fā)明的有益效果在于：相同摻量時(shí)顯著提升膨脹劑自由條件下在水泥基材料中的作用效果，增大自由膨脹率；有效提升膨脹劑限制條件下在水泥基材料中的作用效果，增大有效膨脹率，更適用于側(cè)墻、頂板等有較強(qiáng)約束的實(shí)體結(jié)構(gòu)；對(duì)水泥基材料力學(xué)和耐久性能影響很小，利于實(shí)際控制和使用。
【專利說(shuō)明】一種提高限制條件下混凝土膨脹劑效能的化學(xué)外加劑
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高限制條件下混凝土膨脹劑效能的化學(xué)外加劑，其可以增大工程實(shí)際強(qiáng)約束條件下膨脹劑的限制膨脹率，特別適用于使用補(bǔ)償收縮混凝土澆筑的側(cè)墻、頂板等有較強(qiáng)約束的實(shí)體結(jié)構(gòu)，利于補(bǔ)償收縮和抗裂。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代混凝土因其水膠比低、礦物摻合料大量使用、結(jié)構(gòu)致密等原因，容易在施工期即大量出現(xiàn)收縮開裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)使用性能。從現(xiàn)有研究成果和工程實(shí)踐來(lái)看，補(bǔ)償收縮混凝土是一種較好的解決現(xiàn)澆大體積、大面積和超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)收縮開裂問(wèn)題的手段
之一 O
[0003]CaO類膨脹劑因其膨脹效能高、對(duì)工作和力學(xué)性能影響小、濕度敏感性低等優(yōu)異性能，在科學(xué)研究和工程實(shí)踐中占有越來(lái)越重要的地位。
[0004]CaO類膨脹劑主要膨脹源是在1250°C左右煅燒生成的CaO熟料，其與水反應(yīng)，生成Ca(OH)2晶體并有一定體積膨脹。一般認(rèn)為，只有限制條件下的膨脹劑的膨脹才“做功”，有能量的存儲(chǔ)，是有效膨脹。這一膨脹可以通過(guò)測(cè)量配筋率一定的單向限制器具的變形獲得，直接反映了膨脹劑效能的高低，是膨脹劑產(chǎn)品的關(guān)鍵質(zhì)量和技術(shù)指標(biāo)，參見(jiàn)GB23439-2009。
[0005]摻有膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土膨脹時(shí)，會(huì)對(duì)約束體施加拉應(yīng)力，根據(jù)作用力與反作用力原理，約束體會(huì)對(duì)其產(chǎn)生相應(yīng)的壓應(yīng)力。由于此壓應(yīng)力是利用混凝土自生的化學(xué)能(膨脹能)張拉鋼筋、基礎(chǔ)或其它約束體產(chǎn)生的，有別于外部施加的機(jī)械預(yù)應(yīng)力，所以稱為自應(yīng)力。對(duì)于鋼筋混凝土而言，在一定范圍內(nèi)，配筋率與自應(yīng)力值成正比關(guān)系；配筋率一定時(shí)，限制膨脹率高，自應(yīng)力值就大，參見(jiàn)JGJ/T178-2009。
[0006]一般民用混凝土結(jié)構(gòu)，如地下室側(cè)墻、底板和頂板等，總是會(huì)受到基礎(chǔ)、梁、柱以及配筋等各種形式的約束。側(cè)墻結(jié)構(gòu)因其約束程度最高、約束形式最為復(fù)雜，且由于模板保溫作用等，溫縮開裂誘因最大，是其中最易開裂的形式。開裂的關(guān)鍵原因在于結(jié)構(gòu)降溫過(guò)程中溫度收縮與混凝土自收縮、干燥收縮等不利體積變形疊加，混凝土自身抗拉強(qiáng)度無(wú)法抵抗由這些約束帶來(lái)的拉應(yīng)力所致。
[0007]進(jìn)一步而言，較強(qiáng)的約束條件，或稱較高的約束程度(> 0.50)，在實(shí)際工程中多體現(xiàn)為剛度相對(duì)較高的地下混凝土結(jié)構(gòu)中先期澆筑的底板老混凝土對(duì)后期澆筑的側(cè)墻混凝土的變形限制作用。一般來(lái)說(shuō)，側(cè)墻結(jié)構(gòu)澆筑時(shí)，底板混凝土的收縮變形已基本完成，其體積尺寸趨于穩(wěn)定，此時(shí)，在底板上澆筑的側(cè)墻混凝土變形將受到明顯的限制作用，詳見(jiàn)呂紅安《地下室側(cè)墻溫度收縮應(yīng)力分析與裂縫控制》，華中科技大學(xué)，碩士學(xué)位論文。
[0008]CaO膨脹劑的使用，可使混凝土前期體積膨脹，在這些約束的作用下，膨脹被限制，膨脹能被存儲(chǔ)，相當(dāng)于向結(jié)構(gòu)施加了預(yù)壓應(yīng)力，形成了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，后期收縮時(shí)，這一部分力和能量首先被釋 放，可有效提升混凝土抗拉強(qiáng)度，抑制后期收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)。因此，提高膨脹劑在限制條件下的膨脹率或膨脹效能對(duì)于抗裂至關(guān)重要。
[0009]這種限制條件下膨脹率或膨脹效能的提高具有更為顯著的實(shí)際意義，因?yàn)閷?shí)體結(jié)構(gòu)必然受到各種形式的約束作用，尤其對(duì)于最為常見(jiàn)的地下工程超長(zhǎng)側(cè)墻結(jié)構(gòu)而言，必然要求應(yīng)用的混凝土膨脹劑在較強(qiáng)的約束下能產(chǎn)生顯著的膨脹，有膨脹應(yīng)力和能量的存儲(chǔ)。如果不存在約束，結(jié)構(gòu)無(wú)論收縮還是膨脹，都不會(huì)受到限制，一般也就不會(huì)出現(xiàn)開裂，膨脹劑因此失去意義，膨脹“無(wú)效”，所以GB23439-2009將限制膨脹率作為評(píng)價(jià)膨脹劑性能的主要指標(biāo)，而非僅受到自身剛度約束、沒(méi)有外界條件限制的一般意義上的自由變形。
[0010]此外 ，從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，影響自由變形的除了膨脹劑的效能外，更為重要的因素是摻有膨脹劑的水泥基材料自身強(qiáng)度和彈性模量的發(fā)展歷程，這對(duì)于結(jié)構(gòu)抗裂并沒(méi)有直接意義。然而，限制膨脹率或膨脹效能的提高必然意味著自由變形的增大。
[0011]目前，為提高膨脹劑的限制膨脹率或膨脹效能，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者展開了大量研究，主要有如下技術(shù)手段:
[0012]①調(diào)節(jié)生料配比，如石灰石、鋁礬土等的比例。
[0013]②改進(jìn)煅燒工藝，如煅燒溫度或持續(xù)時(shí)間。
[0014]③改進(jìn)粉磨工藝，控制熟料顆粒粒徑大小和分布。
[0015]④熟料顆粒表面包裹改性，如碳酸化、硫酸化改性。
[0016]這些手段對(duì)于提高膨脹劑的膨脹效能有一定效果，但往往作用有限，且使得生產(chǎn)過(guò)程變得過(guò)于復(fù)雜，環(huán)節(jié)冗多，品質(zhì)控制難度和生產(chǎn)能耗均大為增加，不符合國(guó)家低碳環(huán)保的產(chǎn)業(yè)政策，且以經(jīng)濟(jì)效益衡量，其實(shí)際效果往往尚不如增加膨脹劑的摻量來(lái)得直接簡(jiǎn)便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明的目的在于針對(duì)缺乏較好的提升CaO類膨脹劑在工程實(shí)際強(qiáng)約束條件下有效膨脹的技術(shù)手段問(wèn)題，提供一種提高限制條件下混凝土膨脹劑效能的化學(xué)外加劑，
[0018]其核心思想在于，采用化學(xué)外加劑延緩CaO膨脹熟料在前期水泥基材料塑性階段的水化速率，減少漿體流動(dòng)、遷移并壓縮孔隙過(guò)程中“不做功”的膨脹能損耗，使得限制條件下更多的能量得以在漿體硬化后釋放，用于補(bǔ)償實(shí)體結(jié)構(gòu)后期的溫度收縮、自收縮和干燥收縮等體積變形，抑制開裂風(fēng)險(xiǎn)。
[0019]本發(fā)明提供的提高限制條件下混凝土膨脹劑效能的化學(xué)外加劑，摻入混凝土膨脹劑后，膨脹劑組成及其重量百分比為:
[0020]
氧化鈣熟料: 20.0%-50.0%,
石膏：
10.0-30.0%,
粉煤灰:20.0%-50.0%，
化學(xué)外加劑: 0.1%-0.5%。
[0021]本發(fā)明所述氧化鈣熟料市售，其氧化物組成中CaO含量不低于80% ；
[0022]所述石膏為半水石膏，其氧化物組成中SO3含量不低于48% ；
[0023]所述粉煤灰為國(guó)標(biāo)II級(jí)以上；
[0024]所述化學(xué)外加劑為多聚磷酸鹽或其按任意比例的混合物，如三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉中的一種或其按任意比例的混合物。
[0025]所述化學(xué)外加劑在膨脹劑中的摻加比例以幾乎不影響水泥基材料力學(xué)和耐久性能為前提。如摻量過(guò)小，增加膨脹劑效能的作用不明顯；如摻量過(guò)大，會(huì)造成力學(xué)性能一定程度的下降，進(jìn)而影響抗?jié)B、抗化學(xué)介質(zhì)侵蝕等耐久性能。
[0026]所述化學(xué)外加劑增大膨脹劑效能的實(shí)際效果源于其對(duì)低溫煅燒CaO熟料水化生成Ca(OH)2結(jié)晶成核的抑制作用，按前述本發(fā)明在混凝土中的摻量，CaO熟料12h內(nèi)的水化程度可以降低30%以上，測(cè)試方法參見(jiàn)徐文、李華《緩凝劑對(duì)氧化鈣膨脹劑效能的影響》，硅酸鹽學(xué)報(bào)，2014年第42卷第2期。
[0027]抑制CaO早期水化速率對(duì)增加有效膨脹、提高膨脹能的存儲(chǔ)是有利的。這可以降低膨脹能在水泥基材料塑性階段的損耗，削弱前期強(qiáng)度、彈性模量較低時(shí)約束存在條件下應(yīng)力弛豫等對(duì)膨脹能存儲(chǔ)的不利影響，同時(shí)延長(zhǎng)CaO的水化歷程，使得更多的膨脹在后期被釋放，用于補(bǔ)償后期的溫度收縮、自收縮和干燥收縮等體積變形，在實(shí)體結(jié)構(gòu)如側(cè)墻混凝土中，這樣做的意義是非常重大的。
[0028]所述化學(xué)外加劑與水泥基材料常規(guī)緩凝劑(如葡萄糖酸鈉、檸檬酸鈉等)有顯著不同，后者抑制水泥水化的效果遠(yuǎn)超抑制CaO熟料水化的效果，只會(huì)增大水泥基材料自由體積變形，而對(duì)限制變形是不利的。所述化學(xué)外加劑在本發(fā)明中摻量下，抑制CaO熟料前期水化速率效果顯著，而對(duì)水泥水化速率影響較小，故可以有效提升水泥基材料限制膨脹率和膨脹劑的膨脹效能。
[0029]按所述比例將化學(xué)外加劑與CaO膨脹劑復(fù)合后摻加于混凝土，在不增加膨脹劑摻量的情況下，依據(jù)GB23439-2009《混凝土膨脹劑》檢測(cè)，水泥砂漿的限制膨脹率可提高5% _30%，取得的實(shí)際效果相當(dāng)于CaO膨脹劑摻量提高5% -15%。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1:TSTM試驗(yàn)摻與不摻化學(xué)外加劑補(bǔ)償收縮混凝土限制體積變形。
[0031]圖2 =TSTM試驗(yàn)摻與不摻化學(xué)外加劑補(bǔ)償收縮混凝土約束應(yīng)力。
【具體實(shí)施方式】
[0032]為了更好地理解本發(fā)明，下列實(shí)例是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步舉例說(shuō)明，不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的任何形式的限制。
[0033]實(shí)施例1
[0034]CaO熟料10g，三聚磷酸鈉0.05g，去離子水20ml。
[0035]實(shí)施例2
[0036]CaO熟料10g，六偏磷酸鈉0.20g，去離子水20ml。
[0037]對(duì)比例I
[0038]CaO熟料10g，去離子水20ml。
[0039]實(shí)施例3
[0040]基準(zhǔn)水泥405g，標(biāo)準(zhǔn)砂1350g，CaO熟料9g，石膏15g，粉煤灰21g，三聚磷酸鈉
0.05g，拌合水 225g。
[0041]實(shí)施例4
[0042]基準(zhǔn)水泥405g，標(biāo)準(zhǔn)砂1350g，CaO熟料9g，石膏15g，粉煤灰21g，六偏磷酸鈉
0.20g，拌合水 225g。[0043]對(duì)比例2
[0044]基準(zhǔn)水泥405g，標(biāo)準(zhǔn)砂1350g，CaO熟料9g，石膏15g，粉煤灰21g，拌合水225g。
[0045]實(shí)施例5
[0046]水泥210kg/m3,粉煤灰75kg/m3,礦粉45kg/m3, CaO膨脹劑35kg/m3,三聚磷酸鈉150g,砂 720kg/m3,石子 1090kg/m3,飲用水 165kg/m3,高效減水劑 3.65kg/m3。
[0047]對(duì)比例3
[0048]水泥210kg/m3,粉煤灰 75kg/m3,礦粉 45kg/m3, CaO 膨脹劑 35kg/m3,砂 720kg/m3,石子 1090kg/m3,飲用水 165kg/m3,高效減水劑 3.65kg/m3。
[0049]按實(shí)施例1、2與對(duì)比例I中所示用量拌合，使用徐文、李華《緩凝劑對(duì)氧化鈣膨脹劑效能的影響》，硅酸鹽學(xué)報(bào)，2014年第42卷第2期中方法，測(cè)定不同時(shí)間點(diǎn)CaO熟料的水化程度，試驗(yàn)結(jié)果列于表1。
[0050]表1實(shí)施例與對(duì)比例不同時(shí)間點(diǎn)純水中CaO熟料水化程度
[0051]
【權(quán)利要求】
1.一種提高限制條件下混凝土膨脹劑效能的化學(xué)外加劑，其特征在于:復(fù)合摻入混凝土膨脹劑后，膨脹劑組成及其重量百分比為: 氧化鈣熟料:20.0%-50.0%， 石膏:10.0-30.0%, 粉煤灰: 20.0%-50.0%, 化學(xué)外加劑:0.1%-0.5% ； 所述氧化鈣熟料市售，其氧化物組成中CaO含量不低于80% ； 所述石膏為半水石膏，其氧化物組成中SO3含量不低于48% ； 所述粉煤灰為國(guó)標(biāo)II級(jí)以上； 所述化學(xué)外加劑為多聚磷酸鹽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高限制條件下混凝土膨脹劑效能的化學(xué)外加劑，其特征在于:所述化學(xué)外加劑為二聚磷酸鈉(焦磷酸鈉)、三聚磷酸鈉、三偏磷酸鈉、四聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉中的一種或其按任意比例的混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種提高限制條件下混凝土膨脹劑效能的化學(xué)外加劑，其特征在于:所述化學(xué)外加劑為三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉中的一種或其按任意比例的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高限制條件下混凝土膨脹劑效能的化學(xué)外加劑，其特征在于:所述化學(xué)外加劑重量百分比為膨脹劑總量的0.1%-0.5%。
【文檔編號(hào)】C04B22/14GK103964722SQ201410184395
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月4日
【發(fā)明者】韓錫云, 袁志剛, 徐文, 王育江, 許洵嘉, 張瑤 申請(qǐng)人:蘇州市市政工程設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司, 江蘇蘇博特新材料股份有限公司