CN107311497A - 一种混凝土内养护型膨胀剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混凝土内养护型膨胀剂及其制备方法。本发明所述混凝土内养护型膨胀剂由膨胀熟料和多孔微介质组成，膨胀剂发挥补偿收缩作用，多孔微介质通过湿度调控达到内养护减缩及优化膨胀剂水化历程的作用，同时充当膨胀熟料的分散载体。所制备的混凝土内养护型膨胀剂充分利用了二者的协同效应，可有效降低混凝土自收缩、干燥收缩，并在混凝土温升后的温降阶段降低温度收缩，同时可提高混凝土的水化程度，克服了内掺膨胀剂降低强度的弊端。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种混凝土内养护型膨胀剂及其制备方法。
背景技术
实际上浇筑成型的混凝土结构处于水化-温度-湿度-约束多场耦合作用的环境，在这种多场耦合的作用下会导致混凝土产生收缩变形及内应力，当混凝土的抗拉强度不足以抵抗混凝土收应力时，混凝土就会出现开裂现象。这种开裂现象随着水泥细度及早期水化速率的提高而愈发严重，在连续侧墙结构、底板、中板及顶板等结构中普遍存在。裂缝的产生对耐久性及结构安全服役带来威胁和挑战，后续的裂缝修补也会带来较大的成本。因此，采取适当的措施来控制裂缝显得尤为必要。
引起混凝土产生早期收缩变形开裂的原因主要有两种：(1)湿度变形，主要体现为自收缩及干燥收缩；(2)温度变形，主要体现为混凝土水化温升及与周围环境热交换产生的热胀冷缩。因此，除了做好施工期保温保湿养护外，还可通过掺加功能材料的方式，以补偿混凝土体积变形或通过湿度调控降低混凝土收缩变形来降低混凝土结构开裂风险，尤其是温降阶段的开裂风险。
公开号CN101774777B，CN102219422B，CN102745933B公开了一种与氧化钙类相关的膨胀剂，该类膨胀剂的膨胀效能较快，往往在实际浇筑混凝土温降阶段前已基本发挥完，无法在温降阶段产生有效的补偿收缩，膨胀历程调控性较差，因而对开裂程度改善效果有限，且内掺往往会降低混凝土强度。
公开号CN104671688A公开了一种改性氧化钙类膨胀熟料、其制备方法及其应用。利用二氧化碳与膨胀熟料之间的反应在膨胀熟料表面形成致密的碳酸钙，并于分散性载体混合制备得到改性的氧化钙膨胀剂。该类膨胀剂经过改性后尽管在膨胀量及膨胀历程方面得到了优化提升，但在温降阶段的补偿收缩能力仍然有限，且在内掺时仍然会降低混凝土强度。
公开号CN103342494B公开了一种水化热抑制型混凝土膨胀材料及其制备方法与应用，该类膨胀材料复合了膨胀剂、水化热抑制剂和内养护剂，利用了膨胀剂的补偿收缩作用、水化热抑制剂对温度历程的优化调控作用以及高吸水树脂的内养护作用来降低混凝土的开裂风险。但事实上，所用的内养护高吸水树脂在实际工程应用时仍存在问题，该类膨胀材料内掺时高吸水树脂未预吸水，内养护效果有限，外掺时高吸水树脂额外吸水形成胶体，这种胶体往往在拌合楼有生产搅拌时分布不均，容易在混凝土内部形成孔洞缺陷，降低强度。此外水化热调控效果有可能受混凝土原材料波动、施工因素及季节因素(施工季节影响混凝土入模温度)的影响，实际使用前需要开展大量系统试验，因而使得该类膨胀材料应用成本较高，普适性不强。
公开号CN102674738B公开了一种多功能抗裂外加剂及其制备方法，利用氧化钙膨胀数量、糊精及粉煤灰混合粉磨制备得到的抗裂外加剂实现对混凝土结构温度场和膨胀历程的调控，以最大限度降低抗裂风险。但该抗裂外加剂仍存在膨胀效能快，膨胀历程可调性有限及降低强度的问题。
公开号CN105130335A公开了一种基于内养护、补偿收缩与增韧的低收缩抗裂C60级自密实桥塔混凝土及其制备方法，其主要针对C60级自密实塔桥混凝土，对城市轨道交通工程及地下室墙板结构混凝土并不适用。
在上述的技术中，涉及到膨胀熟料、内养护剂、水化热调控材料，分别发挥补偿收缩作用、内部湿度调控减缩作用及水化热调控作用。目前，实际工程应用较多的还是以掺加膨胀剂带来的补偿收缩作用来降低混凝土开裂风险，其在温降阶段的补偿收缩效果有限，无法有效控制裂缝的产生，同时还因取代部分胶凝材料导致混凝土强度降低。因此，需要针对上述问题，基于施工的便利性及抗裂减缩的有效性考虑，制备一种新型多功能膨胀剂。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种混凝土内养护型膨胀剂，以具有内养护功效的多孔微介质作为膨胀熟料的分散载体，膨胀剂发挥补偿收缩作用，多孔微介质通过湿度调控发挥内养护减缩及优化膨胀剂水化历程的作用，达到包括在混凝土温降阶段内的补偿收缩、后期持续内养护湿度调控减缩的目的，进而降低整个施工及混凝土服役期内的开裂风险，同时还能提高水泥水化程度，克服内掺膨胀剂降低混凝土强度的弊端。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
一种混凝土内养护型膨胀剂，包括膨胀熟料及多孔微介质，其中，膨胀熟料所占质量比为20％～60％，多孔微介质所占质量比为40％～80％；
所述膨胀熟料为氧化钙类膨胀熟料，包括游离氧化钙、硫铝酸盐和无水石膏及其混合物；
所述多孔微介质为稻壳灰与磨细多孔轻集料的任意一种或两种以任意比例复配的混合物；
所述稻壳灰平均粒径为5μm～80μm，所述磨细多孔轻集料粒径为5μm～160μm。
所述磨细多孔轻集料由多孔轻集料进行磨细制得，磨细前24h吸水率为8％～25％。
作为优选，所述磨细多孔轻集料可选择700级～900级页岩轻集料。
所述混凝土内养护型膨胀剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)膨胀熟料粉体制备：将膨胀熟料粉磨至比表面积为200～400m2/kg，得到膨胀熟料粉体；
(2)多孔微介质制备：处理并筛选粒径符合要求的稻壳灰或磨细多孔轻集料或二者任意比例的混合物；
(3)按量将膨胀熟料粉体与多孔微介质混合，得到所述混凝土内养护型膨胀剂。
本发明还提供了所述混凝土内养护型膨胀剂的应用方法，所述混凝土内养护型膨胀剂可采用替代胶凝材料内掺的方式使用，也可采用外掺的方式使用；推荐以内掺的方式掺加，其掺量以混凝土总胶凝材料质量百分比计算，对于板类结构推荐最优掺量为4～6％，侧墙结构推荐最优掺量为8～10％。
所述混凝土内养护型膨胀剂，在使用时应对混凝土单方用水量进行调整，根据单方混凝土多孔微介质用量及24h吸水率，计算得到24h附加用水量，则混凝土额外增加的用水量为24h附加用水量的0.8倍。
本发明的有益效果：
(1)基于本发明制备的混凝土内养护型膨胀剂，能够在混凝土结构具有较大开裂风险的温降阶段发挥减缩作用，有效降低开裂风险，同时能持续发挥内养护湿度调控减缩作用，在降低混凝土收缩变形的同时还能提高水化程度，弥补内掺膨胀剂降低混凝土强度的缺陷。
(2)本发明提供的一种混凝土内养护型膨胀剂，制备及使用方法简单，施工便利，综合抗裂成本低。
附图说明
图1为某城市轨道交通工程地下侧墙混凝土浇筑后的温度历程。
图2为实施例1常温条件下自收缩测试结果。
图3为实施例1变温条件下体积变形测试结果。
图4为实施例2常温条件下自收缩测试结果。
图5为实施例2变温条件下体积变形测试结果。
图6为实施例3常温条件下自收缩测试结果。
图7为实施例3变温条件下体积变形测试结果。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明内容，但本发明不仅仅局限于下面的实例，在本发明中，除有特别说明，所有百分含量均为质量百分数。
实施例1
将市售氧化钙膨胀熟料破碎成比表面积200m2/kg的粉体，选用平均粒径为20μm的稻壳灰，按照氧化钙熟料40％、稻壳灰60％的比例充分混合后配制混凝土内养护膨胀剂IEA-I 10kg。
根据表1所示的某轨道交通工程地铁车站侧墙混凝土配合比制备混凝土，其中基准组为不掺加任何膨胀剂，EA组掺加市售的氧化钙类膨胀剂，IEA-I组为掺加本发明制备的内养护型膨胀剂IEA-I，两种膨胀材料均以内掺取代胶凝材料的方式掺加到混凝土中，掺加量为8％，其中，根据稻壳灰24h吸水率为11％，计算得出单方用水量增1.6kg。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2002测试混凝土的抗压强度，根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009测试混凝土自收缩变形，根据《混凝土膨胀剂》GB23439-2009测试EA及IEA-I的限制膨胀率。为了进一步评价内养护型膨胀剂在混凝土温降阶段补偿收缩效果，根据车站侧墙混凝土实体温度监测曲线(如图1所示，为方便设置变温程序，对实体监测曲线进行了平滑处理)，从图1所示的实体监测结果可以看出，混凝土入模温度为35℃，在1.5d内混凝土温升至71℃，随后以约6.5℃/d的速率开始降温，混凝土温降速率过快势比会产生较大的温降收缩应力，在地基等约束下容易产生竖向的温度裂缝。设置变温箱变温历程，开展变温条件下的变形测试，测试前将混凝土浇筑入PVC管中，埋入差组式应变计后，用铝箔纸密封整个试件。
表1混凝土配合比(kg/m3)
混凝土抗压强度及限制膨胀率测试结果如表2所示，结果表明，市售的氧化钙类膨胀剂EA和本发明制备的混凝土内养护型膨胀剂IEA-I符合II型要求，掺加质量比为8％的EA后，混凝土不同龄期强度降低约8％～10％左右，掺加IEA-I后，混凝土早龄期强度基本不受影响，且后期强度得到提升。
表2力学性能及限制膨胀率测试结果
根据标准规定的室内常温条件下混凝土自收缩测试结果如图2所示，结果表明，掺加EA和IEA-I后，可有效消除混凝土自收缩，并带来可观膨胀，需要指出的是，掺加EA后，混凝土在20d龄期后膨胀效能发挥殆尽，之后开始出现收缩的趋势，掺加IEA-I后，混凝土在后期仍然表现出持续膨胀，表明其综合膨胀效能优于EA。
基于实体监测的变温历程下的变形测试如图3所示，结果表明，在温升阶段，IEA-I带来的膨胀量略高于EA，在温降阶段，与基准相比掺加EA后仅补偿了5με，而掺加IEA-I则补偿了36με，由此可看出IEA-I在整个混凝土温度历程变化范围内的补偿减缩效果优于EA，尤其是在温降阶段的补偿收缩作用，能有效降低混凝土的开裂风险。
实施例2
将市售氧化钙膨胀熟料破碎成比表面积400m2/kg的粉体，选用700级页岩轻集料，将其破碎至粒径范围为5～80μm，其24h吸液倍率为23.5％，按照氧化钙熟料40％、磨细轻集料60％的比例充分混合后配制混凝土内养护膨胀剂IEA-II 10kg。
根据表3所示的某轨道交通工程地铁车站侧墙混凝土配合比制备混凝土，其中基准组为不掺加任何膨胀剂，EA组掺加市售的氧化钙类膨胀剂，IEA-II组为掺加本发明制备的内养护型膨胀剂IEA-II，两种膨胀材料均以内掺取代胶凝材料的方式掺加到混凝土中，掺加为9％。其中，根据轻集料24h吸水率为23.5％，计算得出单方用水量增3.8kg。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2002测试混凝土的抗压强度，根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009测试混凝土自收缩变形，根据《混凝土膨胀剂》GB23439-2009测试EA及IEA-II的限制膨胀率。同时根据图1所示温度历程进行变温条件下的变形测试。
表3混凝土配合比(kg/m3)
混凝土抗压强度及限制膨胀率测试结果如表4所示，结果表明，市售的氧化钙类膨胀剂EA和本发明制备的混凝土内养护型膨胀剂IEA-II符合II型要求，掺加质量比为9％的EA后，混凝土不同龄期强度降低约10％～12％左右，掺加IEA-II后，混凝土早龄期强度基本不受影响，且后期强度得到提升。
表4力学性能及限制膨胀率测试结果
根据标准规定的室内常温条件下混凝土自收缩测试结果如图4所示，结果表明，掺加IEA-II后，其早期膨胀效能与EA相当，且在后期仍然表现出持续膨胀，并带来更大的膨胀量，表明其综合膨胀效能优于EA。
基于实体监测的变温历程下的变形测试如图5所示，结果表明，在温升阶段，IEA-II带来的膨胀量明显高于EA，有助于在钢筋混凝土内形成膨胀压应力。在温降阶段，与基准相比，掺加EA后仅补偿了5με，温降阶段的补偿效果有限，而掺加IEA-II则补偿了53με，由此可看出IEA-II在整个混凝土温度历程变化范围内的补偿减缩效果优于EA，尤其是在温降阶段的补偿收缩作用，能有效降低混凝土的开裂风险。
实施例3
将市售氧化钙膨胀熟料破碎成比表面积300m2/kg的粉体，选用900级页岩轻集料，将其破碎至粒径范围为80～160μm，其24h吸液倍率为15.6％，按照氧化钙熟料30％、磨细轻集料70％的比例充分混合后配制混凝土内养护膨胀剂IEA-III10kg。
根据表5所示的某轨道交通工程地铁车站底板混凝土配合比制备混凝土，其中基准组为不掺加任何膨胀剂，EA组掺加市售的氧化钙类膨胀剂，IEA-III组为掺加根据本发明制备的混凝土内养护型膨胀剂IEA-III，两种膨胀材料均以内掺取代胶凝材料的方式掺加到混凝土中，掺加质量比为6％。其中，根据轻集料24h吸水率为15.6％，计算得出单方用水量增2.0kg。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2002测试混凝土的抗压强度，根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009测试混凝土自收缩变形，根据《混凝土膨胀剂》GB23439-2009测试EA及IEA-III的限制膨胀率。同时进行变温条件下的变形测试。
表5混凝土配合比(kg/m3)
混凝土抗压强度及限制膨胀率测试结果如表6所示，结果表明，市售的氧化钙类膨胀剂EA和本发明制备的混凝土内养护型膨胀剂IEA-III符合II型要求，掺加质量比为6％的EA后，混凝土不同龄期强度降低约8％～10％左右，掺加IEA-III后，混凝土早龄期强度基本不受影响，且后期强度得到提升。
表6力学性能及限制膨胀率测试结果
根据标准规定的室内常温条件下混凝土自收缩测试结果如图6所示，结果表明，掺加EA后，混凝土在10d龄期后膨胀效能发挥殆尽，之后开始出现收缩的趋势，掺加IEA-III后，其早期膨胀效能与EA相当，且在后期仍然表现出持续膨胀，并带来更大的膨胀量，表明其综合膨胀效能优于EA。
基于实体监测的变温历程下的变形测试如图7所示，结果表明，在温升阶段，IEA-III带来的膨胀量明显高于EA，有助于在钢筋混凝土内形成膨胀压应力，在温降阶段，与基准相比掺加EA后仅补偿了4με，温降阶段的补偿效果有限，而掺加IEA-III则补偿了38με，由此可看出IEA-III在整个混凝土温度历程变化范围内的补偿减缩效果优于EA，尤其是在温降阶段的补偿收缩作用，能有效降低混凝土的开裂风险。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种混凝土内养护型膨胀剂，其特征在于：包括膨胀熟料及多孔微介质，其中，膨胀熟料所占质量比为20%~60%，多孔微介质所占质量比为40%~80%；
所述膨胀熟料为氧化钙类膨胀熟料，包括游离氧化钙、硫铝酸盐和无水石膏及其混合物；所述多孔微介质为稻壳灰与磨细多孔轻集料的任意一种或两种以任意比例复配的混合物；
所述稻壳灰平均粒径为5 μm~80 μm，所述磨细多孔轻集料粒径为5 μm~160 μm。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土内养护型膨胀剂，其特征在于，所述磨细多孔轻集料由多孔轻集料进行磨细制得，磨细前24 h吸水率为8%~25%。
3.根据权利要求2所述的一种混凝土内养护型膨胀剂，其特征在于，所述磨细多孔轻集料可选择700级~900级页岩轻集料。
4.权利要求1至3任一项所述的一种混凝土内养护型膨胀剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）膨胀熟料粉体制备：将膨胀熟料粉磨至比表面积为200~400 m2/kg，得到膨胀熟料粉体；
（2）多孔微介质制备：处理并筛选粒径符合要求的稻壳灰或磨细多孔轻集料或二者任意比例的混合物；
（3）按量将膨胀熟料粉体与多孔微介质混合，得到所述混凝土内养护型膨胀剂。
5.权利要求1至3任一项所述的一种混凝土内养护型膨胀剂的应用方法，其特征在于，所述膨胀剂可采用内掺或外掺的方式使用；以内掺的方式掺加，其掺量以混凝土总胶凝材料质量百分比计算，对于板类结构掺量为4~6%，侧墙结构掺量为8~10%。
6.根据权利要求5所述的一种混凝土内养护型膨胀剂的应用方法，其特征在于，所述膨胀剂在使用时应对混凝土单方用水量进行调整，根据单方混凝土多孔微介质用量及24 h吸水率，计算得到24 h附加用水量，则混凝土额外增加的用水量为24 h附加用水量的0.8倍。
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