一种轻质高强混凝土用外加剂及其制备方法
阅读说明：本技术 一种轻质高强混凝土用外加剂及其制备方法 (Additive for light high-strength concrete and preparation method thereof ) 是由 路东义 顾青山 林喜华 王军 赵士豪 何凯 班录江 何欣 李馨慧 于 2021-09-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种轻质高强混凝土用外加剂及其制备方法,制备聚羧酸减水剂的原料为异戊烯醇聚氧乙烯醚：聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯：丙烯酸：丙烯酸-2-羟乙基酯：链转移剂：还原剂：氧化剂。然后将聚羧酸减水剂30～60％,聚丙烯酸系减缩剂2～6％,引气剂0.2～0.6％,纤维素-离子液体复合剂0.5～1％,消泡剂0.05～0.1％,十六烷基三甲基溴化铵0.05～0.1％和水32.3％～67.25％混合复配后得到轻质高强混凝土用外加剂。本发明有效改善了轻骨料混凝土骨料上浮和匀质性较差的缺陷,解决了轻骨料混凝土收缩大,韧性差的问题,有效降低外加剂对混凝土中粘土成分的敏感度,提高混凝土工作性能的稳定性。(The invention discloses an additive for light high-strength concrete and a preparation method thereof, wherein the raw materials for preparing a polycarboxylic acid water reducing agent are isopentenol polyoxyethylene ether: polyethylene glycol monomethyl ether acrylate: acrylic acid: 2-hydroxyethyl acrylate: chain transfer agent: reducing agent: an oxidizing agent. Then mixing and compounding 30-60% of a polycarboxylic acid water reducing agent, 2-6% of a polyacrylic acid series shrinkage reducing agent, 0.2-0.6% of an air entraining agent, 0.5-1% of a cellulose-ionic liquid complexing agent, 0.05-0.1% of a defoaming agent, 0.05-0.1% of hexadecyl trimethyl ammonium bromide and 32.3-67.25% of water to obtain the admixture for the light high-strength concrete. The invention effectively overcomes the defects of upward floating of the lightweight aggregate concrete aggregate and poor homogeneity, solves the problems of large shrinkage and poor toughness of the lightweight aggregate concrete, effectively reduces the sensitivity of the admixture to clay components in the concrete, and improves the stability of the working performance of the concrete.)
技术领域
本发明涉及外加剂技术领域，更具体地说，它涉及一种轻质高强混凝土用外加剂及其制备方法。
背景技术
轻骨料混凝土是指采用轻骨料的混凝土，其表观密度不大于1950kg/m3。轻骨料混凝土具有轻质的特点，随着对建筑节能和建筑物功能性要求的提高，高性能轻骨料混凝土的研究和也得到了快速发展，但是要使高性能轻骨料混凝土的研究成熟化还需要进一步的努力。
然而，由于轻质高强混凝土由于的密度较低，在搅拌过程中，轻骨料易上浮，混凝土和易性差导致轻质高强混凝土难以泵送，高胶凝材料的使用导致其收缩大，高强混凝土导致其脆性大，上述缺点往往成为限制轻质高强混凝土推广使用的重要因素。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：发明一种轻质高强混凝土用外加剂及其制备方法，该外加剂采用聚羧酸减水剂、聚羧酸减缩剂、消泡剂、引气剂、纤维素-离子液体复合剂和水复配的方式，以解决现有轻质超高强混凝土在较低水胶比、高胶凝胶材带来的混凝土工作性差、骨料容易上浮、混凝土收缩大、混凝土匀质性及韧性差等缺点。
本发明的技术方案是：一种轻质高强混凝土用外加剂的制备方法，包括以下步骤：
聚羧酸减水剂的制备：按一定比例称取原材料，将异戊烯醇聚氧乙烯醚、聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯投入反应釜，控制反应温度为30～40℃，将丙烯酸、丙烯酸-2-羟乙基酯和氧化剂加入去离子水，混合制备A溶液，将链转移剂和还原剂加入去离子水，混合制备B溶液，将A、B溶液滴加至反应釜开始聚合反应，其中A溶液滴加时间为2-3h，B溶液滴加时间为3.5-4h，B溶液滴加结束后保温1.5-2h后，并用氢氧化钠溶液进行中和，调节pH至6-7后即可得聚羧酸减水剂；
聚丙烯酸系减缩剂的制备：将甲基丙烯酸聚乙二醇醚和异丁烯酸甲酯分别配成质量分数为50-60％的水溶液，记为C溶液和D溶液，在装有温度计、调速搅拌器、回流冷凝装置及滴加装置的四口烧瓶中，加入计量的蒸馏水于烧瓶中，充氮气置换空气后，在恒温油浴加热搅拌至反应温度80℃时，滴加C溶液和D溶液，同时滴加引发剂，整个过程2-3h内滴完，在90℃时保温反应3-5h，反应结束后降至室温，并用氢氧化钠溶液进行中和，使其pH值为6-7，即为聚丙烯酸系减缩剂。
将制备的聚羧酸减水剂、聚丙烯酸系减缩剂和消泡剂混合后，再加入引气剂、纤维素-离子液体复合剂、十六烷基三甲基溴化铵和水复配得到轻质高强混凝土用外加剂。
进一步的，所述氧化剂为过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵中的一种，链转移剂为3-疏基丙酸、疏基乙酸、疏基乙醇中的一种，还原剂为丙烯酰胺聚合引发还原剂，氢氧化钠质量浓度为30％。
进一步的，所述引发剂为过氧化苯甲酸叔丁酯、过氧化叔戊酸叔丁基酯、过氧化苯甲酰、过氧化月桂酰中的一种，氢氧化钠质量浓度为30％。
进一步的，所述外加剂包括聚羧酸减水剂、聚丙烯酸系减缩剂、引气剂、纤维素-离子液体复合剂、消泡剂和水，各组分质量百分比计为：聚羧酸减水剂30～60％，聚丙烯酸系减缩剂2～6％，引气剂0.2～0.6％，纤维素-离子液体复合剂0.5～1％，消泡剂0.05～0.1％，十六烷基三甲基溴化铵0.05～0.1％，水32.3％～67.25％。
一种轻质高强混凝土用外加剂，所述聚羧酸减水剂原料比例为：异戊烯醇聚氧乙烯醚：聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯：丙烯酸：丙烯酸-2-羟乙基酯：氧化剂：链转移剂：还原剂＝75-80:20-25:1.05-1.2:3-3.5:0.1-0.105:0.145-0.16:0.0255-0.027。
进一步的，所述聚丙烯酸系减缩剂原料比例为甲基丙烯酸聚乙二醇醚：异丁烯酸甲酯：引发剂＝10-10.67:11.3-12:0.004-0.005。
进一步的，所述减缩剂聚丙烯酸系减缩剂。
进一步的，所述聚羧酸减水剂固含量30-40％，减水率≥30％。
进一步的，所述引气剂为松香类引气剂、皂荚苷类引气剂、脂肪醇磺酸盐类引气剂中的至少一种，消泡剂为聚羧酸减水剂消泡剂。
进一步的，所述纤维素-离子液体复合剂为羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素、甲基羟乙基纤维素、乙基羟乙基纤维素中至少一种和1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1、3-二乙基咪唑磷酸二乙酯盐、4-氨基-1-丁基咪唑氯盐中至少一种的复合材料。
本发明的原理是：聚羧酸减水剂通过聚醚大单体、共聚单体和其它种类的小单体通过共聚而成，在制备过程中主要调节共聚反应中单体的配比以及反应条件来控制主链和侧链的长度，再经引发剂引发、链转移剂调节分子结构。独特的分子结构设计使其具有良好的减水和保坍性能，聚羧酸减水剂分子呈梳型结构。当吸附在水泥颗粒表面或者水泥水化产物表面时，产生空间位阻效应，能够对水泥粒子起分散性和分散保持性的作用，在较低掺量时也能对混凝土起到高减水率、高分散的作用。
聚丙烯酸系减缩剂分子结构具有特殊的两亲性，一端为亲水基，另一端为憎水基。其主要作用是通过影响水泥的水化进程从而改变水化产物的状态及水泥基复合材料的孔结构来减少干燥收缩。主要原理是水泥基复合材料毛细孔壁表面的力是由带电或不带电粒子之间的相互作用势能决定的，介于两个毛细孔壁之间的孔隙溶液可以改变相互作用势能，减缩剂可以改变水泥基复合材料毛细孔壁的受力状况，减缩剂分子可以吸附在空气与孔溶液接触的气-液界面上降低毛细孔壁受到的毛细孔张力，从而有效减小了轻质高强混凝土收缩。同时，减缩剂以单分子的形式存在于孔溶液中还有一部分减缩剂分子吸附于水泥基复合材料与孔溶液接触的固-液界面，使得水泥基复合材料的表面自由能降低，轻质高强混凝土受到的收缩应力也相应减小。
引气剂其分子结构由憎水基团和亲水基团组成。憎水基团是由非极性分子组成的长碳链，难溶于水；而亲水基团则易溶于水，并且在分子溶于水解离后会因释放出阳离子而带负电荷。在轻质高强混凝土在搅拌过程中能使内部产生大量包裹微小的气泡，这些微气泡如同滚珠一样，减少骨料颗粒间的摩擦阻力，有效改善了轻质高强混凝土流动性差的问题，制备的轻质高强混凝土可泵性强。同时由于水分均匀分布在大量气泡的表面，使能自由移动的水量减少，进而提高轻质高强混凝土保水性、浆体与轻骨料之间的粘聚性，抑制强骨料上浮。而这些微小气泡又能稳定地存在于轻质高强混凝土拌合物内，改善轻质高强混凝土拌合物的和易性。
纤维素-离子液体复合剂为是高分子纤维和离子液体的复合产物，离子液体是在室温附近温度下呈液态的由离子构成的物质，其阴阳离子间的作用力为库仑力，某些离子间的作用力很低，以至于熔点在室温以下。离子液体物理化学性质稳定，绿色环境友好，多种咪唑型的离子液体对纤维素均有良好的溶解性能。纤维素-离子液体稳定性好，也可以与水任意互溶，并可以在特定条件下进行纤维素的再生。纤维素-离子液体提高了浆体与骨料之间的黏聚性，改善了轻骨料上浮的缺陷和工作性能，并提高了水泥浆体与骨料的粘结力，解决了轻质混凝土韧性差、匀质性差的问题；同时，离子液体呈化学惰性，可以降低氯离子对钢筋的腐蚀。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明所采用的纤维素-离子液体复合剂可以有效改善轻骨料混凝土骨料上浮和匀质性较差的缺陷，解决了轻骨料混凝土收缩大，韧性差的问题；本发明采用的十六烷基三甲基溴化铵可以有效降低外加剂对混凝土中粘土成分的敏感度，提高混凝土工作性能的稳定性；本发明所述轻质高强混凝土用外加剂有效改善了现有技术中轻质高强混凝土工作性差，拌合物粘稠不易于泵送的问题。
具体实施方式
为使本发明的内容、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例进一步阐述本发明，这些实施例仅用于说明本发明，而本发明不仅限于以下实施例。
实施例1：
一种轻质高强混凝土用外加剂的制备方法，包括以下步骤：
聚羧酸减水剂的制备：按一定比例称取原材料，称取320g异戊烯醇聚氧乙烯醚、80g聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯和去离子水投入四口烧瓶中，控制反应温度为30～40℃，将4.8g丙烯酸、14g丙烯酸-2-羟乙基酯和0.42g氧化剂加入去离子水，混合制备A溶液，将0.64g链转移剂和0.108g还原剂加入去离子水，混合制备B溶液，将A、B溶液滴加至反应釜开始聚合反应，其中A溶液滴加时间为2-3h，B溶液滴加时间为3.5-4h，B溶液滴加结束后保温1.5-2h后，调节pH至6-7后即可得聚羧酸减水剂。
聚丙烯酸系减缩剂的制备：将300g甲基丙烯酸聚乙二醇醚和360g异丁烯酸甲酯分别加水配成质量分数为50％-60％的水溶液，记为C溶液和D溶液，在装有温度计、调速搅拌器、回流冷凝装置及滴加装置的四口烧瓶中，加入计量的蒸馏水于烧瓶中，充氮气置换空气后，在恒温油浴加热搅拌至反应温度80℃时，滴加C溶液和D溶液，同时滴加0.15g引发剂，整个过程2-3h内滴完，在90℃时保温反应3-5h，反应结束后降至室温，并用氢氧化钠溶液进行中和，使其pH值为6-7，即为聚丙烯酸系减缩剂。
外加剂复配：外加剂各组分的重量百分比为：聚羧酸减水剂45％；聚丙烯酸系减缩剂4％；引气剂0.3％；乙基羟乙基纤维素-1-丁基-3-甲基咪唑氯盐离子液体复合剂0.5％；十六烷基三甲基溴化铵0.05％；消泡剂0.07％；水49.83％。
实施例2：
一种轻质高强混凝土用外加剂的制备方法，包括以下步骤：
聚羧酸减水剂的制备：按一定比例称取原材料，称取320g异戊烯醇聚氧乙烯醚、80g聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯和去离子水投入四口烧瓶中，控制反应温度为30～40℃，将4.8g丙烯酸、14g丙烯酸-2-羟乙基酯和0.42g氧化剂加入去离子水，混合制备A溶液，将0.64g链转移剂和0.108g还原剂加入去离子水，混合制备B溶液，将A、B溶液滴加至反应釜开始聚合反应，其中A溶液滴加时间为2-3h，B溶液滴加时间为3.5-4h，B溶液滴加结束后保温1.5-2h后，调节pH至6-7后即可得聚羧酸减水剂。
聚丙烯酸系减缩剂的制备：将300g甲基丙烯酸聚乙二醇醚和360g异丁烯酸甲酯分别加水配成质量分数为50％-60％的水溶液，记为C溶液和D溶液，在装有温度计、调速搅拌器、回流冷凝装置及滴加装置的四口烧瓶中，加入计量的蒸馏水于烧瓶中，充氮气置换空气后，在恒温油浴加热搅拌至反应温度80℃时，滴加C溶液和D溶液，同时滴加0.15g引发剂，整个过程2-3h内滴完，在90℃时保温反应3-5h，反应结束后降至室温，并用氢氧化钠溶液进行中和，使其pH值为6-7，即为聚丙烯酸系减缩剂。
外加剂复配：外加剂各组分的重量百分比为：聚羧酸减水剂45％；聚丙烯酸系减缩剂4％；引气剂0.3％；乙基羟乙基纤维素-1-丁基-3-甲基咪唑氯盐离子液体复合剂1％；十六烷基三甲基溴化铵0.1％；消泡剂0.07％；水49.83％。
实施例3：
一种轻质高强混凝土用外加剂的制备方法，包括以下步骤：
聚羧酸减水剂的制备：按一定比例称取原材料，将300g异戊烯醇聚氧乙烯醚、100g聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯和去离子水投入反应釜，控制反应温度为30～40℃，将4.2g丙烯酸、12丙烯酸-2-羟乙基酯和氧0.40化剂加入去离子水，混合制备A溶液，将0.58g链转移剂和0.102还原剂加入去离子水，混合制备B溶液，将A、B溶液滴加至反应釜开始聚合反应，其中A溶液滴加时间为2-3h，B溶液滴加时间为3.5-4h，B溶液滴加结束后保温1.5-2h后，调节pH至6-7后即可得聚羧酸减水剂。
聚丙烯酸系减缩剂的制备：将320g甲基丙烯酸聚乙二醇醚和340g异丁烯酸甲酯分别加水配成质量分数为50％-60％的水溶液，记为C溶液和D溶液，在装有温度计、调速搅拌器、回流冷凝装置及滴加装置的四口烧瓶中，加入计量的蒸馏水于烧瓶中，充氮气置换空气后，在恒温油浴加热搅拌至反应温度80℃时，滴加C溶液和D溶液，同时滴加0.12g引发剂，整个过程2-3h内滴完，在90℃时保温反应3-5h，反应结束后降至室温，并用氢氧化钠溶液进行中和，使其pH值为6-7，即为聚丙烯酸系减缩剂。
外加剂复配：外加剂各组分的重量百分比为：聚羧酸减水剂55％；聚丙烯酸系减缩剂6％；引气剂0.5％；甲基羟乙基纤维素-1-乙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体复合剂0.5％；十六烷基三甲基溴化铵0.05％；消泡剂0.1％；水37.6％。
实施例4：
一种轻质高强混凝土用外加剂的制备方法，包括以下步骤：
聚羧酸减水剂的制备：按一定比例称取原材料，将300g异戊烯醇聚氧乙烯醚、100g聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯和去离子水投入反应釜，控制反应温度为30～40℃，将4.2g丙烯酸、12丙烯酸-2-羟乙基酯和氧0.40化剂加入去离子水，混合制备A溶液，将0.58g链转移剂和0.102还原剂加入去离子水，混合制备B溶液，将A、B溶液滴加至反应釜开始聚合反应，其中A溶液滴加时间为2-3h，B溶液滴加时间为3.5-4h，B溶液滴加结束后保温1.5-2h后，调节pH至6-7后即可得聚羧酸减水剂。
聚丙烯酸系减缩剂的制备：将320g甲基丙烯酸聚乙二醇醚和340g异丁烯酸甲酯分别加水配成质量分数为50％-60％的水溶液，记为C溶液和D溶液，在装有温度计、调速搅拌器、回流冷凝装置及滴加装置的四口烧瓶中，加入计量的蒸馏水于烧瓶中，充氮气置换空气后，在恒温油浴加热搅拌至反应温度80℃时，滴加C溶液和D溶液，同时滴加0.12g引发剂，整个过程2-3h内滴完，在90℃时保温反应3-5h，反应结束后降至室温，并用氢氧化钠溶液进行中和，使其pH值为6-7，即为聚丙烯酸系减缩剂。
外加剂复配：外加剂各组分的重量百分比为：聚羧酸减水剂55％；聚丙烯酸系减缩剂6％；引气剂0.5％；甲基羟乙基纤维素-1-乙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体复合剂1％；十六烷基三甲基溴化铵0.1％；消泡剂0.1％；水37.6％。
对比例1：
一种轻质高强混凝土用外加剂的制备方法，包括以下步骤：
聚羧酸减水剂的制备：按一定比例称取原材料，称取320g异戊烯醇聚氧乙烯醚、80g聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯和去离子水投入四口烧瓶中，控制反应温度为30～40℃，将4.8g丙烯酸、14g丙烯酸-2-羟乙基酯和0.42g氧化剂加入去离子水，混合制备A溶液，将0.64g链转移剂和0.108g还原剂加入去离子水，混合制备B溶液，将A、B溶液滴加至反应釜开始聚合反应，其中A溶液滴加时间为2-3h，B溶液滴加时间为3.5-4h，B溶液滴加结束后保温1.5-2h后，调节pH至6-7后即可得聚羧酸减水剂。
聚丙烯酸系减缩剂的制备：将300g甲基丙烯酸聚乙二醇醚和360g异丁烯酸甲酯分别加水配成质量分数为50％-60％的水溶液，记为C溶液和D溶液，在装有温度计、调速搅拌器、回流冷凝装置及滴加装置的四口烧瓶中，加入计量的蒸馏水于烧瓶中，充氮气置换空气后，在恒温油浴加热搅拌至反应温度80℃时，滴加C溶液和D溶液，同时滴加0.15g引发剂，整个过程2-3h内滴完，在90℃时保温反应3-5h，反应结束后降至室温，并用氢氧化钠溶液进行中和，使其pH值为6-7，即为聚丙烯酸系减缩剂。
外加剂复配：外加剂各组分的重量百分比为：聚羧酸减水剂45％；聚丙烯酸系减缩剂4％；引气剂0.3％；乙基羟乙基纤维素-1-丁基-3-甲基咪唑氯盐离子液体复合剂1％；消泡剂0.1％；水49.83％
对比例2：
一种轻质高强混凝土用外加剂的制备方法，包括以下步骤：
聚羧酸减水剂的制备：按一定比例称取原材料，将300g异戊烯醇聚氧乙烯醚、100g聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯和去离子水投入反应釜，控制反应温度为30～40℃，将4.2g丙烯酸、12丙烯酸-2-羟乙基酯和氧0.40化剂加入去离子水，混合制备A溶液，将0.58g链转移剂和0.102还原剂加入去离子水，混合制备B溶液，将A、B溶液滴加至反应釜开始聚合反应，其中A溶液滴加时间为2-3h，B溶液滴加时间为3.5-4h，B溶液滴加结束后保温1.5-2h后，调节pH至6-7后即可得聚羧酸减水剂。
聚丙烯酸系减缩剂的制备：将320g甲基丙烯酸聚乙二醇醚和340g异丁烯酸甲酯分别加水配成质量分数为50％-60％的水溶液，记为C溶液和D溶液，在装有温度计、调速搅拌器、回流冷凝装置及滴加装置的四口烧瓶中，加入计量的蒸馏水于烧瓶中，充氮气置换空气后，在恒温油浴加热搅拌至反应温度80℃时，滴加C溶液和D溶液，同时滴加0.12g引发剂，整个过程2-3h内滴完，在90℃时保温反应3-5h，反应结束后降至室温，并用氢氧化钠溶液进行中和，使其pH值为6-7，即为聚丙烯酸系减缩剂。
外加剂复配：外加剂各组分的重量百分比为：聚羧酸减水剂55％；聚丙烯酸系减缩剂6％；引气剂0.5％；消泡剂0.1％；水37.6％。
应用：
为了进一步说明本发明的优异性能，将各实施例与对比例的外加剂应用在混凝土实例中，以LC60轻质高强混凝土为例，该混凝土的单方用量配比和性能如下所示：
本申请所制备的混凝土满足轻质高强的技术要求，能够满足承重更高的结构，其中，实施例1制备的混凝土出机扩展度为≥580mm，坍落度≥200mm，混凝土干密度≤1400kg/m3，28d混凝土抗压强度为68.4MPa，且轻骨料无上浮。能够保证结构物承载力的同时，降低结构的自重，使用领域较广。
由上表可知，实施例1、2中掺入了本发明所提供的外加剂，其工作性和强度都有较好的提升；而对比例1中的混凝土外加剂配方中没有加十六烷基三甲基溴化铵成分，发现其扩展度降低，倒筒时间增加，说明其工作性能有所下降，而抗压强度无明显降低；对比例2中的外加剂配方中没有加纤维素-离子液体复合剂和十六烷基三甲基溴化铵成分，发现其扩展度降低更多，倒筒时间增加明显，且抗压强度也有明显下降。这说明本发明制备的外加剂对于超轻混凝土有着良好的适配性，能够增加其工作性能和泵送性能，并且强度也达标。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
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