一种抑制混凝土早期开裂型密实抗裂防水剂及其制备方法
阅读说明：本技术 一种抑制混凝土早期开裂型密实抗裂防水剂及其制备方法 (Compact anti-cracking waterproof agent for inhibiting early cracking of concrete and preparation method thereof ) 是由 程福星 邓小旭 王海龙 向飞 纪宪坤 于 2021-01-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种抑制混凝土早期开裂型密实抗裂防水剂,按重量份包括改性膨润土20-40份、胶粉10-25份、尿素10-25份、缓凝剂10-20份、甲酸钙5-20份、超细石粉5-15份、高效粉体减缩剂5-15份、有机硅憎水剂4-10份、碳酸钙晶须1-5份、聚羧酸减水剂1-5份、引气剂0.05-0.1份；其中改性膨润土是将钠基膨润土与Fe-2(SO-4)-3溶液按比例混合,常温静置陈化后,过滤、水洗、烘干、粉磨、过筛后制备而成。本抗裂防水剂在不影响混凝土原本工作性能的前提下,可少量提升混凝土力学性能,改善混凝土孔隙结构,提高混凝土密实度,增强混凝土的抗渗性,极大降低混凝土早期开裂的风险,提高混凝土的极限拉升强度,从密实和抗裂两个方面全面提升混凝土的抗渗防水性能。(The invention discloses a compact anti-cracking waterproof agent for inhibiting early cracking of concrete, which comprises, by weight, 20-40 parts of modified bentonite, 10-25 parts of rubber powder, 10-25 parts of urea, 10-20 parts of a retarder, 5-20 parts of calcium formate, 5-15 parts of superfine stone powder, 5-15 parts of a high-efficiency powder shrinkage reducing agent, 4-10 parts of an organosilicon water repellent, 1-5 parts of calcium carbonate whiskers, 1-5 parts of a polycarboxylic acid water reducing agent and 0.05-0.1 part of an air entraining agent; wherein the modified bentonite is prepared by mixing sodium bentonite and Fe 2 (SO 4 ) 3 The solution is prepared by mixing the solutions in proportion, standing and aging at normal temperature, filtering, washing with water, drying, grinding and sieving. On the premise of not influencing the original working performance of concrete, the anti-cracking waterproof agent can slightly improve the mechanical property of the concrete, improve the pore structure of the concrete, improve the compactness of the concrete, enhance the impermeability of the concrete, greatly reduce the risk of early cracking of the concrete, and improve the ultimate tensile strength of the concreteThe strength comprehensively improves the impermeability and the waterproof performance of the concrete from the aspects of compactness and crack resistance.)
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，特别是抑制混凝土早期开裂的密实抗裂防水剂。
背景技术
随着我国城市化进程逐步加快，工程建设出现了前所未有的热度。全国各地的城市建筑面貌呈现出多元化发展态势，地下结构的开发利用成为了热点问题，伴随而来的是建筑结构防水工程。建筑结构防水工程不仅涉及到建筑物的美观、耐用，更对人类的生命财产安全产生重大影响。作为建筑物最根本的组成部分，混凝土是一种非匀质性材料，脆性大、易开裂，同时其自身水泥水化放热及收缩的特性都为构筑物发生渗漏问题创造了有利条件。
混凝土渗漏的原因主要分为两大类，一类是自身密实度不够引起的渗漏，另一类是混凝土因荷载、化学收缩、干燥收缩、温度收缩等引起的开裂，进而导致渗漏。提高混凝土密实度主要采用优选原材料、调整配合比、强化施工养护、添加外加剂等技术手段，降低混凝土开裂风险主要采用添加膨胀剂、水化热抑制剂、纤维复合材料、减缩剂等技术手段，但现有技术无法满足同时解决混凝土密实度极大提高和开裂的问题。同时，相关研究表明，混凝土开裂主要发生在早期，容易在后期诱发更大的裂缝产生。因此，如何抑制早期开裂是降低混凝土因开裂而引起渗漏的关键。寻求一种能极大提高混凝土自身密实度，同时还能降低混凝土早期开裂风险的新型材料，全面提升混凝土结构的防水性、耐久性是建筑行业发展的迫切需求。
现有技术中，中国授权专利CN105236891A提供了一种嵌缝用柔性混凝土，采用无机胶凝材料、膨胀材料、填料、石子、砂子、高强度特种纤维、高分子添加剂为原料，高分子添加剂包括可再分散乳胶粉、保水增稠剂、超塑化剂、粉末消泡剂、助剂；助剂包括减缩剂、缓凝剂、促凝剂、防水憎水剂、触变润滑剂，填料为粉煤灰、重钙、石英粉，缓凝剂为葡萄糖酸钠、柠檬酸、酒石酸、硼酸；减缩剂为聚亚丙基二醇、环氧乙烷环烷基附加物、环氧乙烷二甲胺基附加物；防水憎水剂为有机硅憎水剂、硬脂酸类，触变润滑剂为淀粉醚、改性膨润土、硅酸镁铝。
例如中国专利申请CN109279805A提供了一种用于阿利特-硫铝酸盐水泥混凝土抗裂型外加剂，其原料包括磨细石英砂、聚羧酸减水型母液、四硼酸钠、可再分散乳胶粉、聚乙烯醇、氢氧化铝、甘露醇、甲酸钙。这种外加剂初始坍落度能达到260mm，在35℃施工条件下能保持4h坍落度无损失，适合高温地区施工；与水泥适应性好，抗裂性能优异，不会因为阿利特-硫铝酸盐水泥混凝土集中放热而产生混凝土开裂。
例如中国专利申请CN106810105A提供了一种混凝土添加剂，原料包括改性水泥、石膏、炭黑、膨润土、二氧化硅、聚丙烯纤维、高效减水剂、木质素磺酸钙、十六烷基磺酸钠、分散性乳胶粉、稳定剂、阻锈剂、防水剂、丙烯酸乳液，这种添加剂具有防渗水、抗压变形能力，耐久性好，还具有一定的防锈功能。
然而上述这些专利技术都不能有效解决混凝土抗渗性能差且无法改善早期开裂的技术问题，无法从密实和抗裂两个方面提升混凝土的抗渗防水性能。
发明内容
针对以上现有技术的不足，本发明提供了一种抑制混凝土早期开裂型密实抗裂防水剂，解决现有技术中混凝土抗渗性能差且无法改善早期开裂的技术问题，具体通过以下技术实现。
一种抑制混凝土早期开裂型密实抗裂防水剂，按重量份包括改性膨润土20-40份、胶粉10-25份、尿素10-25份、缓凝剂10-20份、甲酸钙5-20份、超细石粉5-15份、高效粉体减缩剂5-15份、有机硅憎水剂4-10份、碳酸钙晶须1-5份、聚羧酸减水剂1-5份、引气剂0.05-0.1份；
所述改性膨润土的制备方法为：先将钠基膨润土与1mol/L的Fe2(SO4)3溶液按质量比为1:10-20混合，1000r/min下搅拌0.5-1h至混合均匀后常温静置陈化24-48h；然后将陈化后的浆体常温下依次经过过滤、水洗、烘干和粉磨处理，最后将粉体过0.075um标准筛，得到改性膨润土。过滤在常温环境中进行，烘干在105℃左右进行。
上述密实抗裂防水剂中，经上述方法改性处理后的膨润土不仅可锁住部分自由水，降低水分的蒸发速率，还能维持混凝土内部湿度，维持胶凝材料所需的水化环境。相比于普通膨润土，采用上述方法改性后具有微膨胀作用，可进一步提高混凝土的抗裂性能。
胶粉和尿素可增加混凝土的塑形粘度，降低水分表面张力，从而减缓水分的蒸发速率，极大抑制混凝土早期收缩开裂。聚羧酸减水剂和缓凝剂可提高混凝土的工作性和降低混凝土的工作性损失，便于混凝土施工，强化该防水剂的适用性。
甲酸钙和超细石粉之间具有良好的协同促进作用。甲酸钙可激发早期水化产物的生成，将新拌混凝土中的自由水转换为结合水，形成的微凝胶体可阻塞孔隙，降低因自由水蒸发而留下的连通缝隙，增大混凝土的密实度，强化抗渗性能。超细石粉作为一种晶核组分，均匀分散在水泥浆体中形成有效的结晶位点，促进生成更多的微凝胶体，堵塞毛孔，增大混凝土密实度。
有机硅憎水剂可在混凝土内部可形成防水膜，阻碍水分向内部的渗透。碳酸钙晶须和高效粉体减缩剂作为抗裂组分，碳酸钙晶须可提高混凝土的内聚力，提高混凝土的极限拉伸强度，从而降低裂缝的发生风险，高效粉体减缩剂可降低混凝土因自身体积收缩而引起裂缝发生，两者共同提高混凝土的抗开裂性能。引气剂能够优化新拌混凝土中气泡结构，增加材料内部孔隙的均匀性、抑制连通孔隙的产生，从而增加混凝土的抗渗性能。
在混凝土中掺入上述防水剂后，在不影响混凝土工作性能的前提下，能够从密实和抗裂两个方面全面提升混凝土的抗渗防水性能，提高混凝土的力学性能，7d和28d抗压强度比均大于110％。
优选地，按重量份包括改性膨润土30份、胶粉17.5份、尿素17.5份、缓凝剂15份、甲酸钙12.5份、超细石粉10份、高效粉体减缩剂10份、有机硅憎水剂7份、碳酸钙晶须3份、聚羧酸减水剂3份、引气剂0.08份。
更优选地，所述改性膨润土的制备方法中，钠基膨润土与1mol/L的Fe2(SO4)3溶液的质量比为1:15。
更优选地，所述改性膨润土的制备方法中，强力搅拌的时间为1h，常温静置陈化的时间为24h。
更优选地，所述胶粉为可再分散性乳胶粉、速溶型树脂胶粉、聚合物树脂胶粉中至少一种；所述碳酸钙晶须的粒径为0.5～1.5μm，长度为20～40μm，针状含量＞95％；所述超细石粉是将硅质或钙质天然石材粉磨至比表面积为1000-1500m2/kg的超细粉体材料；所述缓凝剂为葡萄糖酸钠、柠檬酸钠、酒石酸、六偏磷酸钠中至少一种；所述高效粉体减缩剂为聚乙二醇烷基类减缩剂；所述引气剂为三萜皂苷、松香酸钠、十二烷基硫酸钠中至少一种。上述胶粉、缓凝剂、引气剂当各自采用不同的原料时，各自发挥的作用基本相同，因此不同的原料之间可以相互替换。
本发明还提供了上述抑制混凝土早期开裂型密实抗裂防水剂的制备方法，其特征在于，是将改性膨润土、胶粉、尿素、缓凝剂、甲酸钙、超细石粉、高效粉体减缩剂、有机硅憎水剂、碳酸钙晶须、聚羧酸减水剂、引气剂混合均匀即得。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：在混凝土中掺入防水剂后，在不影响混凝土原本工作性能的前提下，可提高混凝土的力学性能。同时，可以改善混凝土孔隙结构，提高混凝土密实度，增强混凝土的抗渗性，极大降低混凝土早期开裂的风险，提高混凝土的极限拉升强度，从密实和抗裂两个方面全面提升混凝土的抗渗防水性能。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例和对比例中，除非作特殊说明，否则胶粉采用可再分散性乳胶粉，碳酸钙晶须的粒径为0.5～1.5μm，长度为20～40μm，针状含量＞95％；超细石粉是将硅质或钙质天然石材粉磨至比表面积为1000-1500m2/kg的超细粉体材料；缓凝剂采用葡萄糖酸钠，高效粉体减缩剂采用聚乙二醇烷基类减缩剂，有机硅憎水剂采用硅烷憎水剂，引气剂采用三萜皂苷。
以下实施例和对比例中，除非作特殊说明，否则所用的改性膨润土的制备方法为：先将钠基膨润土与1mol/L的Fe2(SO4)3溶液按质量比为1:15混合，1000r/min下搅拌1h至混合均匀后常温静置陈化24h；然后将陈化后的浆体依次经过常温过滤、水洗，105℃下烘干冷却，然后粉磨处理，最后将粉体过0.075um标准筛，得到改性膨润土。
以下实施例和对比例的抑制混凝土早期开裂型密实抗裂防水剂的制备方法，均为将所有原料简单混合均匀即得。
实施例1-3和对比例1、2
实施例1-3和对比例1、2提供的抑制混凝土早期开裂型密实抗裂防水剂，其原料组成按重量份如下表1所示。
表1实施例1-3和对比例1、2的密实抗裂防水剂原料，单位：份
实施例4
本实施例提供的抑制混凝土早期开裂型密实抗裂防水剂，其原料组成与实施例1相同，不同之处在于，所用的改性膨润土的制备方法为：先将钠基膨润土与1mol/L的Fe2(SO4)3溶液按质量比为1:10混合，1000r/min下搅拌1h至混合均匀后常温静置陈化24h；然后将陈化后的浆体依次经过常温过滤、水洗，105℃下烘干冷却，然后粉磨处理，最后将粉体过0.075um标准筛，得到改性膨润土。
实施例5
本实施例提供的抑制混凝土早期开裂型密实抗裂防水剂，其原料组成与实施例1相同，不同之处在于，所用的改性膨润土的制备方法为：先将钠基膨润土与1mol/L的Fe2(SO4)3溶液按质量比为1:20混合，1000r/min下搅拌1h至混合均匀后常温静置陈化24h；然后将陈化后的浆体依次经过常温过滤、水洗，105℃下烘干冷却，然后粉磨处理，最后将粉体过0.075um标准筛，得到改性膨润土。
对比例3
本对比例提供的抑制混凝土早期开裂型密实抗裂防水剂，其原料中将改性膨润土替换为市售的普通膨润土，各原料份数与实施例1相同。
对比例4
本对比例提供的抑制混凝土早期开裂型密实抗裂防水剂，其原料中不含有改性膨润土或者任何其他膨润土组分，剩余各原料份数与实施例1相同。
对比例5
本对比例提供的抑制混凝土早期开裂型密实抗裂防水剂，其原料中不含有胶粉，且其他原料按重量份包括改性膨润土30份、尿素34份、缓凝剂15份、甲酸钙12.5份、超细石粉10份、高效粉体减缩剂10份、有机硅憎水剂7份、碳酸钙晶须3份、聚羧酸减水剂3份、引气剂0.08份。
对比例6
本对比例提供的抑制混凝土早期开裂型密实抗裂防水剂，其原料中不含有尿素，且其他原料按重量份包括改性膨润土30份、胶粉34份、缓凝剂15份、甲酸钙12.5份、超细石粉10份、高效粉体减缩剂10份、有机硅憎水剂7份、碳酸钙晶须3份、聚羧酸减水剂3份、引气剂0.08份。
对比例7
本对比例提供的抑制混凝土早期开裂型密实抗裂防水剂，其原料中不含有甲酸钙，且其他原料按重量份包括改性膨润土30份、胶粉17.5份、尿素17.5份、缓凝剂15份、超细石粉22.5份、高效粉体减缩剂10份、有机硅憎水剂7份、碳酸钙晶须3份、聚羧酸减水剂3份、引气剂0.08份。
对比例8
本对比例提供的抑制混凝土早期开裂型密实抗裂防水剂，其原料中不含有超细石粉，且其他原料按重量份包括改性膨润土30份、胶粉17.5份、尿素17.5份、缓凝剂15份、甲酸钙22.5份、高效粉体减缩剂10份、有机硅憎水剂7份、碳酸钙晶须3份、聚羧酸减水剂3份、引气剂0.08份。
应用例1：对实施例1-5和对比例1-8制备的防水剂进行性能测试
根据国家标准GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、国家标准GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》和国家标准GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》检测，其中抗渗性能按渗透高度计算，为体现差异性，抗渗压力为1.6MPa，恒压24h；平板开裂性能测试采用尺寸为800mm×600mm×100mm的平面薄板模具，内含7条裂缝诱导器，保持试件表面中心处风速不小于5m/s。
按照以下配方制备混凝土试块：水170份、水泥190份、矿粉80份、粉煤灰80份、河砂777份、碎石1023份、减水剂6.5份、防水剂17.5份。其中，水泥为市售普通硅酸盐水泥，强度等级为P·O 42.5；河砂的含泥量为2.45％，泥块含量0.28％。碎石采用5-31.5mm连续级配，含泥量为0.89％，泥块含量小于0.1％。防水剂则分别使用实施例1-5和对比例1-8制备的防水剂，同时设置不加入防水剂的空白组(基准样)。
混凝土的性能测试试验结果如下表2所示。
表2混凝土性能测试实验结果
由试验结果可知：改性膨润土可明显提升混凝土抗渗性能及降低混凝土早期开裂的风险，且当其掺量过低时，开裂面积显著增大；当采用的是普通膨润土或不采用膨润土时，混凝土抗渗性能降低，试块渗透高度增大，早期开裂面积也有一定升高。胶粉和尿素对混凝土早期开裂面积有重要影响，当缺少胶粉或尿素，都会影响混凝土的早期开裂性能，使得开裂面积显著增大，不利于抗裂防渗性能；甲酸钙和超细石粉对混凝土早期强度和抗渗性能均有明显影响，当缺少甲酸钙或超细石粉时，都会影响混凝土抗压强度明显减小，反映出混凝土密实度有所降低，同时混凝抗渗性能也显著下降。
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