CN113636779A - 一种自养护型高膨胀纤维抗裂剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑材料混凝土外加剂领域，具体涉及一种自养护型高膨胀纤维抗裂剂及其制备方法，按照重量百分比计，原料包括改性聚乙烯醇纤维0.1％‑4％、多源复合型膨胀剂40％‑59.9％、硅灰8％‑15％、硅质防水剂20％‑35％、消泡剂5％‑8％、减水剂5％‑8％、葡萄糖酸钠2％‑5％，各原料总和为100％。本发明采用改性聚乙烯醇纤维进，提高纤维的吸水率，同时增加纤维的极限抗拉强度，纤维早期吸收的水分随混凝土硬化过程中内部水浓度减小的情况下，通过负压而逐渐释放，弥补膨胀剂水化用水量不足的问题，进一步促进膨胀剂反应，提高膨胀率，增加膨胀能，有效抑制混凝土开裂。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料混凝土外加剂领域，具体涉及一种自养护型高膨胀纤维抗裂剂及其制备方法。
背景技术
混凝土开裂已成为建筑工程中常见性的问题，一旦混凝土出现宏观裂缝，不但会影响结构整体外观，还开使混凝土抵抗渗透能力大幅降低，为二氧化碳、氯离子和硫酸盐等有害成分向混凝土内部扩散提供通道，加速钢筋锈蚀、碳化和硫酸盐侵蚀，严重影响着建筑物耐久性和服役期。
近代混凝土研究学者从古代房屋建造采用稻草、毛发或麻绳等制得具有较强韧性的土胚墙中得到启示。但是单独掺纤维会存在多种问题，首先纤维在混凝土中的平均间距影响拉伸应力的分布，进而决定纤维混凝土的抗裂效果，由于纤维在混凝土中分散其本身就是随机性的，人为无法控制，导致利用纤维间距控裂差强人意，其次纤维的长径比、纤维与混凝土基体的粘接力等多向因素是内在抗裂的关键，目前生产纤维厂家都会对纤维表面浸油处理，使得纤维与混凝土的粘接存在缺陷；最后纤维的弹性模量和强度，与混凝土各阶段强度的匹配度，均决定纤维对混凝土增强增韧效果的重要因素，那么为了提高纤维在实际工程中的应用作用效果，弥补单掺纤维所带来的不足，对纤维进行改性，提高其与混凝土基体的粘接强度，提高纤维自生弹性模量和抗拉强度等方面是重要举措。
膨胀剂能抵御限制条件下的混凝土收缩变形，主要是利用膨胀剂水化产生的体积膨胀补偿混凝土收缩，能有效降低混凝土的开裂风险。膨胀剂早期的水化和后期膨胀率的发挥都需要大量的水分，特别是在低水灰比高强混凝土中，应用限制更大，而且随着混凝土龄期的推移，混凝土内部的水分浓度越来越低，严重制约着膨胀剂的水化进程，无法达到补偿收缩的目的。
因此通过提高纤维吸水率，增加纤维与混凝土基体的粘接强度，同时提供膨胀剂水化所需要的水分是一种有效的技术途径。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种自养护型高膨胀纤维抗裂剂，采用改性聚乙烯醇纤维进，提高纤维的吸水率，同时增加纤维的极限抗拉强度。
本发明的目的之二在于提供一种自养护型高膨胀纤维抗裂剂及其制备方法，制备工艺简便，易于调节。
本发明实现目的之一所采用的方案是：一种自养护型高膨胀纤维抗裂剂，按照重量百分比计，原料包括改性聚乙烯醇纤维0.1％-4％、多源复合型膨胀剂40％-59.9％、硅灰8％-15％、硅质防水剂20％-35％、消泡剂5％-8％、减水剂5％-8％、葡萄糖酸钠2％-5％，各原料总和为100％。
优选地，所述改性聚乙烯醇纤维的原料组分包括壳聚糖粉末20wt％-35wt％、聚乙烯醇纤维粉末40wt％-60wt％、硅烷偶联剂4wt％-10wt％、消泡剂3wt％-6wt％、稳定剂3wt％-6wt％、抑菌剂3wt％-6wt％。
本发明利用壳聚糖对聚乙烯醇纤维进行改性，提高纤维的吸水率，同时增加纤维的极限抗拉强度，然后用硅烷偶联剂和抑菌剂的混合溶液对纤维表面上浆处理，硅烷偶联剂中亲水基团能增加纤维与混凝土的界面结合力，同时壳聚糖为有机物，需要添加抑菌剂防止纤维长霉。
优选地，所述多源复合型膨胀剂的组分包括硫铝酸钙20wt％-30wt％、氧化钙20％wt-30wt％、氧化镁40wt％-60wt％、铁粉3wt％-8wt％中的至少三种。
优选地，氧化镁的净含量≥85％，比表面积≥350m2/kg，氧化镁水化反应时间100s≤t＜200s；铁粉过0.15mm孔径的筛，筛余小于5％。
优选地，所述硅质防水剂的组分包括硅酸水泥45wt％-65wt％、超细矿粉15wt％-35wt％、甲基硅酸钾5wt％-10wt％、氟硅酸钾4wt％-8wt％、水玻璃8wt％-15wt％。
优选地，所述水玻璃的模数为2.0-3.0，超细矿粉的比表面积≥500m2/kg。
本发明实现目的之二所采用的方案是：一种所述的自养护型高膨胀纤维抗裂剂的制备方法，包括以下步骤：将多源复合型膨胀剂、硅灰、硅质防水剂、消泡剂、葡萄糖酸钠以及减水剂混合均匀，再将改性聚乙烯醇纤维吹入上述混合物中，继续搅拌均匀，即制得所述自养护型高膨胀纤维抗裂剂。
优选地，所述改性聚乙烯醇纤维的制备方法包括以下步骤：
(1)在40-55℃条件下，配制成6wt％-8wt％浓度的壳聚糖溶液；
(2)配制质量百分数为30％-50％的聚乙烯醇纤维粉末浆液；
(3)按照m(聚乙烯醇浆液):m(壳聚糖溶液)为1:1进行混合，混合均匀后依次加入消泡剂和稳定剂，制得共混原液；
(4)将共混原液过滤，然后进行湿法纺丝，再经有机醇溶液洗涤，纺丝后，经过硅烷偶联剂和抑菌剂的混合溶液池上油处理，最后干燥，制得壳聚糖与聚乙烯醇共混的改性聚乙烯醇纤维。
优选地，纺丝采用的凝固浴为6％-8％浓度的NaOH或KOH溶液。
本发明具有以下优点和有益效果：
本发明的自养护型高膨胀纤维抗裂剂，采用改性聚乙烯醇纤维进，提高纤维的吸水率，同时增加纤维的极限抗拉强度，纤维早期吸收的水分随混凝土硬化过程中内部水浓度减小的情况下，通过负压而逐渐释放，弥补膨胀剂水化用水量不足的问题，进一步促进膨胀剂反应，提高膨胀率，增加膨胀能，有效抑制混凝土开裂；添加的防水组份也能有效修复混凝土内部的微裂缝，起到密实作用，提高混凝土防水性能。
本发明的制备方法，制备工艺简单，易于调节，便于工业化应用。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种自养护型高膨胀纤维抗裂剂及其制备方法，其特征在于，按照重量百分比，材料包括改性纤维0.2％、多源复合型膨胀剂46.8％、硅灰15％、硅质防水剂25％、聚二甲基硅氧烷消泡剂5％、聚羧酸减水剂5％、葡萄糖酸钠3％。
所述改性纤维组分包括壳聚糖粉末30wt％、聚乙烯醇纤维粉末50wt％、硅烷偶联剂6wt％、聚二甲基硅氧烷消泡剂4wt％、月桂酸5wt％、载银有机膦酸锆5wt％。
所述多源复合型膨胀剂组分包括硫铝酸钙20wt％、氧化钙20wt％、氧化镁52wt％、铁粉8wt％。
所述硅质防水剂组分包括硅酸水泥52wt％、超细矿粉30wt％、甲基硅酸钾5％、氟硅酸钾4wt％、水玻璃9wt％。
改性纤维的制备方法：(1)在40℃水浴条件下，用4％浓度的乙酸溶液溶解适量的壳聚糖粉末，配制成6％浓度的壳聚糖溶液，磁力搅拌1h；同时将适量PVA(聚乙烯醇)粉末配制成30％的PVA浆液；最后按照m(PVA浆液):m(壳聚糖溶液)＝1:1混合，并搅拌0.5h后，依次加入适量的消泡剂、液体稳定剂，制得共混原液。(2)将共混原液过滤，然后进行湿法纺丝，其中凝固浴为8％浓度的NaOH溶液，再经丙醇溶液洗涤3次，纺丝后，经过硅烷偶联剂和抑菌剂(两者质量比为10:1)的混合溶液池上油处理，最后放入烘干箱烘干，制得壳聚糖改性PVA纤维。
最后将多源复合型膨胀剂、硅灰、硅质防水剂、消泡剂、葡萄糖酸钠以及减水剂混合均匀，再将改性聚乙烯醇纤维吹入上述混合物中，继续搅拌均匀，即制得所述自养护型高膨胀纤维抗裂剂。
实施例2
一种自养护型高膨胀纤维抗裂剂及其制备方法，其特征在于，按照重量百分比，材料包括改性纤维2％、多源复合型膨胀剂45％、硅灰15％、硅质防水剂25％、聚二甲基硅氧烷消泡剂5％、聚羧酸减水剂5％、葡萄糖酸钠3％。
所述改性纤维组分包括壳聚糖粉末30wt％、聚乙烯醇纤维粉末50wt％、硅烷偶联剂6wt％、聚二甲基硅氧烷消泡剂4wt％、月桂酸5wt％、载银有机膦酸锆5wt％。
所述多源复合型膨胀剂组分包括硫铝酸钙20wt％、氧化钙20wt％、氧化镁52wt％、铁粉8wt％。
所述硅质防水剂组分包括硅酸水泥52wt％、超细矿粉30wt％、甲基硅酸钾5％、氟硅酸钾4wt％、水玻璃9wt％。
改性纤维的制备方法：(1)在40℃水浴条件下，用4％浓度的乙酸溶液溶解适量的壳聚糖粉末，配制成6％浓度的壳聚糖溶液，磁力搅拌1h；同时将适量PVA粉末配制成30％的PVA浆液；最后按照m(PVA浆液):m(壳聚糖溶液)＝1:1混合，并搅拌0.5h后，依次加入适量的消泡剂、液体稳定剂，制得共混原液。(2)将共混原液过滤，然后进行湿法纺丝，其中凝固浴为8％浓度的NaOH溶液，再经丙醇溶液洗涤3次，纺丝后，经过硅烷偶联剂和抑菌剂(两者质量比为10:1)的混合溶液池上油处理，最后放入烘干箱烘干，制得壳聚糖改性PVA纤维。
最后，将多源复合型膨胀剂、硅灰、硅质防水剂、消泡剂、葡萄糖酸钠以及减水剂混合均匀，再将改性聚乙烯醇纤维吹入上述混合物中，继续搅拌均匀，即制得所述自养护型高膨胀纤维抗裂剂。
实施例3
一种自养护型高膨胀纤维抗裂剂及其制备方法，其特征在于，按照重量百分比，材料包括改性纤维4％、多源复合型膨胀剂43％、硅灰15％、硅质防水剂25％、聚二甲基硅氧烷消泡剂5％、聚羧酸减水剂5％、葡萄糖酸钠3％。
所述改性纤维组分包括壳聚糖粉末30wt％、聚乙烯醇纤维粉末50wt％、硅烷偶联剂6wt％、聚二甲基硅氧烷消泡剂4wt％、月桂酸5wt％、载银有机膦酸锆5wt％。
所述多源复合型膨胀剂组分包括硫铝酸钙20wt％、氧化钙20wt％、氧化镁52wt％、铁粉8wt％。
所述硅质防水剂组分包括硅酸水泥52wt％、超细矿粉30wt％、甲基硅酸钾5％、氟硅酸钾4wt％、水玻璃9wt％。
改性纤维的制备方法：(1)在40℃水浴条件下，用4％浓度的乙酸溶液溶解适量的壳聚糖粉末，配制成6％浓度的壳聚糖溶液，磁力搅拌1h；同时将适量PVA粉末配制成30％的PVA浆液；最后按照m(PVA浆液):m(壳聚糖溶液)＝1:1混合，并搅拌0.5h后，依次加入适量的消泡剂、液体稳定剂，制得共混原液。(2)将共混原液过滤，然后进行湿法纺丝，其中凝固浴为8％浓度的NaOH溶液，再经丙醇溶液洗涤3次，纺丝后，经过硅烷偶联剂和抑菌剂(两者质量比为10:1)的混合溶液池上油处理，最后放入烘干箱烘干，制得壳聚糖改性PVA纤维。
最后将多源复合型膨胀剂、硅灰、硅质防水剂、消泡剂、葡萄糖酸钠以及减水剂混合均匀，再将改性聚乙烯醇纤维吹入上述混合物中，继续搅拌均匀，即制得所述自养护型高膨胀纤维抗裂剂。
实施例1、实施例2和实施例3仅在于改性纤维与膨胀剂掺量的区别。
实施例4
一种自养护型高膨胀纤维抗裂剂及其制备方法，其特征在于，按照重量百分比，材料包括改性纤维0.1％、多源复合型膨胀剂59.9％、硅灰8％、硅质防水剂20％、聚二甲基硅氧烷消泡剂5％、聚羧酸减水剂5％、葡萄糖酸钠2％。
所述改性纤维组分包括壳聚糖粉末20wt％、聚乙烯醇纤维粉末60wt％、硅烷偶联剂10wt％、聚二甲基硅氧烷消泡剂4wt％、月桂酸3wt％、载银有机膦酸锆3wt％。
所述多源复合型膨胀剂组分包括硫铝酸钙30wt％、氧化钙30wt％、氧化镁60wt％。
所述硅质防水剂组分包括硅酸水泥45wt％、超细矿粉22wt％、甲基硅酸钾10％、氟硅酸钾8wt％、水玻璃15wt％。
改性纤维的制备方法：(1)在50℃水浴条件下，用4％浓度的乙酸溶液溶解适量的壳聚糖粉末，配制成8％浓度的壳聚糖溶液，磁力搅拌1h；同时将适量PVA粉末配制成50％的PVA浆液；最后按照m(PVA浆液):m(壳聚糖溶液)＝1:1混合，并搅拌0.5h后，依次加入适量的消泡剂、液体稳定剂，制得共混原液。(2)将共混原液过滤，然后进行湿法纺丝，其中凝固浴为8％浓度的NaOH溶液，再经乙醇洗涤3次，纺丝后，经过硅烷偶联剂和抑菌剂(两者质量比为10:1)的混合溶液池上油处理，最后放入烘干箱烘干，制得壳聚糖改性PVA纤维。
最后，将多源复合型膨胀剂、硅灰、硅质防水剂、消泡剂、葡萄糖酸钠以及减水剂混合均匀，再将改性聚乙烯醇纤维吹入上述混合物中，继续搅拌均匀，即制得所述自养护型高膨胀纤维抗裂剂。
实施例5
一种自养护型高膨胀纤维抗裂剂及其制备方法，其特征在于，按照重量百分比，材料包括改性纤维2％、多源复合型膨胀剂40％、硅灰8％、硅质防水剂35％、聚二甲基硅氧烷消泡剂5％、聚羧酸减水剂5％、葡萄糖酸钠5％。
所述改性纤维组分包括壳聚糖粉末35wt％、聚乙烯醇纤维粉末43wt％、硅烷偶联剂4wt％、聚二甲基硅氧烷消泡剂6wt％、月桂酸6wt％、载银有机膦酸锆6wt％。
所述多源复合型膨胀剂组分包括硫铝酸钙20wt％、氧化钙20wt％、氧化镁60wt％。
所述硅质防水剂组分包括硅酸水泥45wt％、超细矿粉35wt％、甲基硅酸钾5％、氟硅酸钾5wt％、水玻璃10wt％。
改性纤维的制备方法：(1)在55℃水浴条件下，用4％浓度的乙酸溶液溶解适量的壳聚糖粉末，配制成7％浓度的壳聚糖溶液，磁力搅拌1h；同时将适量PVA粉末配制成40％的PVA浆液；最后按照m(PVA浆液):m(壳聚糖溶液)＝1:1混合，并搅拌0.5h后，依次加入适量的消泡剂、液体稳定剂，制得共混原液。(2)将共混原液过滤，然后进行湿法纺丝，其中凝固浴为8％浓度的NaOH溶液，再经甲醇洗涤3次，纺丝后，经过硅烷偶联剂和抑菌剂(两者质量比为10:1)的混合溶液池上油处理，最后放入烘干箱烘干，制得壳聚糖改性PVA纤维。
最后，将多源复合型膨胀剂、硅灰、硅质防水剂、消泡剂、葡萄糖酸钠以及减水剂混合均匀，再将改性聚乙烯醇纤维吹入上述混合物中，继续搅拌均匀，即制得所述自养护型高膨胀纤维抗裂剂。
实施例6
一种自养护型高膨胀纤维抗裂剂及其制备方法，其特征在于，按照重量百分比，材料包括改性纤维4％、多源复合型膨胀剂46％、硅灰10％、硅质防水剂20％、聚二甲基硅氧烷消泡剂8％、聚羧酸减水剂8％、葡萄糖酸钠4％。
所述改性纤维组分包括壳聚糖粉末35wt％、聚乙烯醇纤维粉末40wt％、硅烷偶联剂10wt％、聚二甲基硅氧烷消泡剂3wt％、月桂酸6wt％、载银有机膦酸锆6wt％。
所述多源复合型膨胀剂组分包括硫铝酸钙25wt％、氧化钙25wt％、氧化镁47wt％、铁粉3wt％。
所述硅质防水剂组分包括硅酸水泥65wt％、超细矿粉15wt％、甲基硅酸钾8％、氟硅酸钾4wt％、水玻璃8wt％。
改性纤维的制备方法：(1)在40℃水浴条件下，用4％浓度的乙酸溶液溶解适量的壳聚糖粉末，配制成6％浓度的壳聚糖溶液，磁力搅拌1h；同时将适量PVA粉末配制成30％的PVA浆液；最后按照m(PVA浆液):m(壳聚糖溶液)＝1:1混合，并搅拌0.5h后，依次加入适量的消泡剂、液体稳定剂，制得共混原液。(2)将共混原液过滤，然后进行湿法纺丝，其中凝固浴为8％浓度的NaOH溶液，再经丙醇洗涤3次，纺丝后，经过硅烷偶联剂和抑菌剂(两者质量比为10:1)的混合溶液池上油处理，最后放入烘干箱烘干，制得壳聚糖改性PVA纤维。
最后，将多源复合型膨胀剂、硅灰、硅质防水剂、消泡剂、葡萄糖酸钠以及减水剂混合均匀，再将改性聚乙烯醇纤维吹入上述混合物中，继续搅拌均匀，即制得所述自养护型高膨胀纤维抗裂剂。
对比例1
本对比例与实施例1不同之处在于，所述产品中无纤维组份，所对应纤维组分采用膨胀剂代替，即原材料包括多源复合型膨胀剂47％、硅灰15％、硅质防水剂25％、聚二甲基硅氧烷消泡剂5％、聚羧酸减水剂5％、葡萄糖酸钠3％；
对比例2
本对比例与实施例1不同之处在于，所述产品中只添加未改性的聚乙烯醇纤维，即原材料包括未改性的聚乙烯醇纤维2％、多源复合型膨胀剂45％、硅灰15％、硅质防水剂25％、聚二甲基硅氧烷消泡剂5％、聚羧酸减水剂5％、葡萄糖酸钠3％；
实施例1-3和对比例1-2制备的自养护型高膨胀纤维抗裂剂及其制备方法的性能指标，如表1-3所示。
表1抗压抗折和限制膨胀率性能指标
表2混凝土渗透高度
表3混凝土单位面积上的总开裂面积(平板法)
由表1的数据可知：实施例1-3制备的自养护型高膨胀纤维抗裂剂能有效提高水泥基材料的力学性能，同时提高膨胀剂的膨胀率。
由表2的数据可知：实施例1-3制备的自养护型高膨胀纤维抗裂剂能增加混凝土的抗渗性能，降低水对混凝土的渗透深度，从而提高混凝土耐久性。
由表3的数据可知：实施例1-3制备的自养护型高膨胀纤维抗裂剂有效提高混凝土的抗裂能力，降低混凝土开裂风险。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种自养护型高膨胀纤维抗裂剂，其特征在于：按照重量百分比计，原料包括改性聚乙烯醇纤维0.1％-4％、多源复合型膨胀剂40％-59.9％、硅灰8％-15％、硅质防水剂20％-35％、消泡剂5％-8％、减水剂5％-8％、葡萄糖酸钠2％-5％，各原料总和为100％。
2.根据权利要求1所述的自养护型高膨胀纤维抗裂剂，其特征在于：所述改性聚乙烯醇纤维的原料组分包括壳聚糖粉末20wt％-35wt％、聚乙烯醇纤维粉末40wt％-60wt％、硅烷偶联剂4wt％-10wt％、消泡剂3wt％-6wt％、稳定剂3wt％-6wt％、抑菌剂3wt％-6wt％。
3.根据权利要求1所述的自养护型高膨胀纤维抗裂剂，其特征在于：所述多源复合型膨胀剂的组分包括硫铝酸钙20wt％-30wt％、氧化钙20％wt-30wt％、氧化镁40wt％-60wt％、铁粉3wt％-8wt％中的至少三种。
4.根据权利要求3所述的自养护型高膨胀纤维抗裂剂，其特征在于：氧化镁的净含量≥85％，比表面积≥350m2/kg，氧化镁水化反应时间100s≤t＜200s；铁粉过0.15mm孔径的筛，筛余小于5％。
5.根据权利要求1所述的自养护型高膨胀纤维抗裂剂，其特征在于：所述硅质防水剂的组分包括硅酸水泥45wt％-65wt％、超细矿粉15wt％-35wt％、甲基硅酸钾5wt％-10wt％、氟硅酸钾4wt％-8wt％、水玻璃8wt％-15wt％。
6.根据权利要求5所述的自养护型高膨胀纤维抗裂剂，其特征在于：所述水玻璃的模数为2.0-3.0，超细矿粉的比表面积≥500m2/kg。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的自养护型高膨胀纤维抗裂剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将多源复合型膨胀剂、硅灰、硅质防水剂、消泡剂、葡萄糖酸钠以及减水剂混合均匀，再将改性聚乙烯醇纤维吹入上述混合物中，继续搅拌均匀，即制得所述自养护型高膨胀纤维抗裂剂。
8.根据权利要求7所述的自养护型高膨胀纤维抗裂剂的制备方法，其特征在于：所述改性聚乙烯醇纤维的制备方法包括以下步骤：
(1)在40-55℃条件下，配制成6wt％-8wt％浓度的壳聚糖溶液；
(2)配制质量百分数为30％-50％的聚乙烯醇纤维粉末浆液；
(3)按照m(聚乙烯醇浆液):m(壳聚糖溶液)为1:1进行混合，混合均匀后依次加入消泡剂和稳定剂，制得共混原液；
(4)将共混原液过滤，然后进行湿法纺丝，再经有机醇溶液洗涤，纺丝后，经过硅烷偶联剂和抑菌剂的混合溶液池上油处理，最后干燥，制得壳聚糖与聚乙烯醇共混的改性聚乙烯醇纤维。
9.根据权利要求8所述的自养护型高膨胀纤维抗裂剂的制备方法，其特征在于：纺丝采用的凝固浴为6％-8％浓度的NaOH或KOH溶液。
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