改性吸水樹脂作為混凝土抗凍增強材料的用圖
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及建筑材料技術領域，具體的說是一種改性吸水樹脂作為混凝土抗凍增 強材料的用途。
【背景技術】
[0002] 混凝土建筑物所處環(huán)境凡是有正負溫交替、混凝土內部飽水或部分飽水的情況 下，混凝土都會發(fā)生凍融破壞。凍融循環(huán)作用是嚴寒地區(qū)混凝土破壞的主要原因之一，大多 發(fā)生在大壩、道路、橋梁等與水接觸的建筑物。自20世紀30年代中期以來，在寒冷地區(qū)澆 筑混凝土，引氣混凝土的概念已成為定規(guī)，無一例外。但引氣劑引入的氣泡都是有壽命的， 在攪拌、運輸、澆筑等過程中無可避免會導致新拌混凝土氣泡破裂，造成含氣量損失。同時， 在我國，混凝土對粉煤灰的依存度較高，常態(tài)混凝土中的粉煤灰摻量高達30%以上，碾壓混 凝土中粉煤灰摻量甚至高達70 %以上。而粉煤灰顆粒中未燃盡的碳顆粒對極性物質如引 氣劑具有較高的吸附能力，這將進一步嚴重影響氣泡形成和穩(wěn)定，造成含氣量損失。而在高 寒高海拔地區(qū)，環(huán)境氣壓對引氣產生的影響也不容忽視，因為隨著海拔升高，氣壓降低，混 凝土中的含氣量就會降低。引氣劑產生的含氣量損失問題使得硬化混凝土的真實含氣量難 以控制與設計，為達到引氣目的往往會增加引氣劑摻量，從經濟上不合理之外，最重要的是 若硬化混凝土的真實含氣量過高，混凝土強度急劇降低；而含氣量過低，高抗凍性又難以保 證。而且，含氣量與強度本身遵循"拇指定律"，即含氣量每增加1 %，抗壓強度約損失5%， 抗凍性的提高必然以削弱強度為代價。在高寒高海拔地區(qū)，混凝土須達到高強和高抗凍性 的雙保證，而采用引氣劑的方法不僅難以控制混凝土抗凍性，同時可能以削弱強度為代價。
[0003] 高吸水樹脂（SAP)是一種具有低交聯度三維網絡結構的高分子材料，一旦與水或 水溶液接觸即開始腫脹，生成水凝膠。以往，高吸水樹脂都是作為一種有效阻止或減少混凝 土自身變形的內養(yǎng)護材料來使用。由于SAP會在混凝土內部相對濕度變化時釋水，釋水后 在硬化混凝土中形成的含氣微孔，基于孔隙大小、分布的特征，本發(fā)明的核心就是利用其作 為混凝土抗凍劑。然而，一般的高吸水材料對混凝土的工作性影響顯著，且吸水顆粒較大， 顆粒形狀不規(guī)則，難以達到理想的抗凍孔隙體系，如果對SAP的分子結構與合成工藝進行 合理設計與改進，使得吸水材料不僅能滿足新拌混凝土工作性的要求，還可以顯著提升混 凝土的抗凍性能，同時達到水化增強的目的，這將為高寒高海拔地區(qū)、大摻量粉煤灰混凝土 結構工程的高抗凍性問題找到一條可靠的解決方案，并對建筑物的安全運行產生顯著的社 會經濟效益。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的主要是針對現有技術的缺陷提供一種改性吸水樹脂作為混凝土抗 凍增強材料的用途，通過摻入改進的吸水樹脂組分，在混凝土中實現定量造微孔功能，藉此 提升混凝土的抗凍耐久性。特別在有粉煤灰大量存在的混凝土中、或者在高寒高海拔地區(qū)， 可有效克服引氣劑摻量過大、氣泡易破滅含氣量容易損失的問題，以及解決混凝土高強和 高抗凍性的矛盾。
[0005] -種改性吸水樹脂（Modified Absorbent Polymer，MAP)作為混凝土抗凍增強材 料的用途，所述改性吸水樹脂為采用反相懸浮聚合法，水浴30-50攝氏度，以石油醚作為分 散相，重量百分比為〇. 3%?0. 5%的N-N'亞甲基雙丙烯酰胺作為交聯劑，重量百分比為 0.6%?0.8%的過硫酸鹽作為引發(fā)劑，由重量百分比為80%?90%的丙烯酸單體和重量 百分比為10%?20%的丙烯酰胺共聚制備而成的球形顆粒。
[0006] 一種改性吸水樹脂作為混凝土抗凍增強材料的用途，所述改性吸水樹脂的制備方 法步驟如下：
[0007] ⑴在30?50°C的水浴條件下，邊攪拌邊將丙烯酸單體加入到濃度為5mol · Γ1的 氫氧化鈉溶液中進行控制性的中和反應；
[0008] ⑵中和完畢后，在5?KTC下，向步驟⑴的溶液中加入丙烯酰胺單體攪拌至溶解； [0009] ⑶向步驟⑵的溶液中加入交聯劑和引發(fā)劑攪拌溶解，再將混合溶液加入到溶有分 散劑的石油醚相中；
[0010] ⑷將溫度升至40?50°C，反應2h，然后加熱攪拌至共沸脫水溫度，反應1?I. 5h 后停止加熱攪拌；
[0011] (5)經聚合得到的改性吸水樹脂干燥后在磨機中粉磨成細小球狀顆粒，粒徑不大于 120 μ m〇
[0012] 一種改性吸水樹脂作為混凝土抗凍增強材料的用途，將所述改性吸水樹脂以干摻 方式直接摻入混凝土，先與膠凝材料混合均勻后，再與砂石骨料、水混合攪拌、成型。
[0013] 所述改性吸水樹脂摻量為膠凝材料的0. 3?0. 6wt %。
[0014] 所述改性吸水樹脂的最大吸液能力不超過自身重量的25倍，在硬化混凝土中產 生的微孔直徑為干燥顆粒的2?3倍，且受Ca2+濃度和pH值的影響較小。
[0015] 國內外關于混凝土凍融破壞機理的假說有很多，其中以T.C. Powers的靜水壓和 滲透壓理論最為經典?；炷林袚饺胍龤鈩r，在硬化后混凝土漿體中產生不與毛細孔連 通的、相互獨立且封閉的微小氣泡。均勻分布的封閉微小氣泡為孔隙溶液提供緩沖空間，減 小水分迀移距離，大大緩和靜水壓力，提高混凝土抗凍融性能。申請人通過研宄發(fā)現，傳統(tǒng) 高吸水樹脂顆粒吸液能力高，受Ca 2+濃度和pH值的影響較大，使得硬化混凝土中產生氣孔 孔徑無法準確控制；且為了滿足內養(yǎng)護需要主要以濕摻方式摻入混凝土，由于水凝膠間的 范德華力使得吸水樹脂顆粒在混凝土中難以均勻分散，同時由于濕摻，混凝土漿體體系有 效水膠比增加，致使強度大幅損失。因此，傳統(tǒng)高吸水樹脂對混凝土抗凍性能的提升幅度有 限，且以強度損失為代價，抗凍效果無法取代引氣劑，更別提滿足抗凍增強的目的。
[0016] 為了改善傳統(tǒng)吸水樹脂材料吸水倍率太高引起的一系列問題，如吸水顆粒過大、 干摻時對混凝土工作性影響顯著、而濕摻會增加有效水灰比致使強度降低等等，在作為抗 凍增強劑時必須加以改進。因此，本發(fā)明對吸液倍率及顆粒形狀進行嚴格控制，通過組分優(yōu) 選和特殊工藝制備了一種新型的吸水樹脂顆粒.不同于傳統(tǒng)高吸水樹脂，該改性吸水樹脂 (MAP)顆粒細小，呈球狀，最大粒徑不大于120 μ m，吸水倍率低，最大吸液能力僅達25倍，最 重要的是在飽含Ca2+的堿性環(huán)境中的適應能力大幅增加。釋水后在硬化混凝土中產生封 閉的、均勻的、球形微孔，孔徑分布在100?400 μ m(參見圖7)，約為原始球形顆粒直徑的 2?3倍。最可幾孔徑在200 μ m左右，摻量為膠凝材料的0. 3?0. 6wt%，氣泡間距系數為 100?200 μ m，可將其應用到混凝土中作為抗凍增強材料。硬化混凝土中的含氣量、氣泡間 距系數與MAP摻量和顆粒粒徑密切相關，混凝土中引入的含氣微孔孔徑可通過吸水顆粒粒 徑進行設計與調控。申請人通過研宄還發(fā)現，除引入有效的含氣微孔外，MP吸水后形成高 分子水凝膠，具有較高的凝膠彈性，可充分緩和靜水壓力，同時MP水凝膠中的水分子以三 種形態(tài)存在：自由水、束縛水和結合水，束縛水和結合水在很低的溫度下才能結冰，僅有少 量自由水在〇°C以下結冰，產生的靜水壓力大為減少。此外，MP具有水化增強和抑制收縮 的作用，不僅使得水泥基漿體孔隙率降低，且孔徑細化，換句話說毛細孔減小，凝膠孔增多， 使得摻MP漿體中可凍結水量減少。因此，摻MAP的混凝土抗凍性能大幅提升。
[0017] 本發(fā)明改性吸水樹脂作為混凝土抗凍增強材料的用途的優(yōu)點是：通過研宄發(fā)現， 本發(fā)明的改性吸水樹脂球形顆粒以干摻方式摻入混凝土，不僅對混凝土工作性能不會產生 不良影響，且力學性能明顯提高，抗凍性能也得到顯著改善。且不同于傳統(tǒng)引氣劑的是，硬 化混凝土的含氣量不再受施工工序、粉煤灰摻量、環(huán)境氣壓等因素的影響而損失，混凝土中 的