CN111253107B

CN111253107B - 一种醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂及其制备方法

Info

Publication number: CN111253107B
Application number: CN202010060140.3A
Authority: CN
Inventors: 王发洲; 邹府兵; 胡传林; 胡曙光; 沈坤杰; 陶永征; 张迈; 朱宏伟
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2020-01-19
Filing date: 2020-01-19
Publication date: 2021-05-11
Anticipated expiration: 2040-01-19
Also published as: CN111253107A

Abstract

本发明公开了一种醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂，其由反应原液、反应底液和分散稳定液制得，所述反应原液包括如下组分：可溶性钙盐和可溶性硅盐；所述反应底液包括如下组分：聚羧酸高效减水剂；所述分散稳定液包括如下组分：可溶性醇胺有机物和可溶性铝盐。该醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂解决了水化硅酸钙晶核悬浮液的长期分散稳定性的问题，且其初始粒径细小，分散稳定时间长、耐储存，制备工艺及使用方法简单，对水泥基材料早期、后期强度提升效果显著，表现优异。本发明还公开了一种该醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂的制备方法。

Description

一种醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料外加剂领域，具体涉及到一种醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂及其制备方法。

背景技术

我国在工程建设方面得到了高速发展，对建筑材料的需求逐年增长。此外，对于超高层建筑、大跨度的跨海桥梁、轨道交通和高速铁路等的工程建造速度与工程质量等方面要求也越来越高，尤其对混凝土早期强度发展和耐久性方面也更为重视。同时，我国在冶金、化工、煤炭和电力以及城市基础设施建设等的迅猛发展，在生产过程中所排放的工业固体废弃物以及建筑固体废弃物的量也在逐年增长。这些废弃物的排放，占用了大量土地资源，污染环境和危害人体健康。将这些大宗固体废弃物用于建筑材料一方面能够降低水泥基材料中水泥熟料占比，减少水泥工业对矿石能源的消耗，煅烧粉磨等的能耗以及CO₂排放；另一方面可以大规模消纳大宗固体废弃物，使其变废为宝，是一种双赢的措施。虽然这些大宗固体废弃物作为矿物掺合料用于混凝土行业已经成为普遍共识。然而，这些固体废弃物用于水泥基材料时最显著的缺点是掺量过大时由于其自身反应较低易引起水泥基材料早期强度发展缓慢，不利于水泥基材料早期强度的发展。

目前最普遍的做法是通过对制品中掺入高早强水泥、早强型外加剂、蒸汽(压)养护等手段来提高混凝土制品早期强度。然而，高早强水泥的价格普遍较高，不利于大面积使用；加入常规早强剂(如氯盐)时，易造成混凝土中钢筋发生锈蚀，带来安全隐患；而蒸汽(压)养护虽然使水泥基材料水化显著加快，早期强度得到显著提高，而后期微结构劣化引起的强度倒缩、耐久性差等问题同样不容忽视。此外，蒸汽(压)养护带来的高能耗同样对环境造成巨大影响。

针对以上难题，亟需发展新型高效早强剂，在满足早期脱模强度的同时后期强度能够持续发展，对环境能耗负荷小。近年来，通过将人工合成的水化硅酸钙纳米颗粒作为晶核添加到水泥基材料中可以显著促进C-S-H凝胶的快速形成，水化放热温峰提前出现，早期累积放热温峰大幅提升，初凝时间和终凝时间显著缩短。然而，作为纳米级颗粒的水化硅酸钙晶核由于其比表面积大，易发生团聚，尺寸变大时易导致其晶核作用随着时间的延长而显著降低。目前解决以上问题的主要方式是使用聚羧酸减水剂作为分散剂。然而，单独使用聚羧酸减水剂时，水化硅酸钙晶核悬浮液的长期分散稳定性难以得到保证。因此研究一种能够解决长效分散稳定性问题并具有较好提高混凝土制品早期强度作用的早强剂具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂，该早强剂能解决水化硅酸钙晶核悬浮液的长期分散稳定性的问题，并能提高混凝土制品的早期强度；本发明另一方面的目的在于，提出一种醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂的制备方法。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂，其由反应原液、反应底液和分散稳定液制得，所述反应原液包括如下组分：可溶性钙盐和可溶性硅盐；所述反应底液包括如下组分：聚羧酸高效减水剂；所述分散稳定液包括如下组分：可溶性醇胺有机物和可溶性铝盐。

本发明的技术方案还提供了一种醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂的制备方法，包括如下步骤：

S1、将反应原液滴加到反应底液中，加完后在pH值为10.5～13.5，反应温度为5～60℃下搅拌反应，得到水化硅酸钙纳米晶核悬浮液；

S2、将所述水化硅酸钙纳米晶核悬浮液与分散稳定液反应，得到醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

1、本发明中提供的醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂中加入的可溶性铝盐能够对水化硅酸钙结构中的配位硅氧四面体起到桥接作用，增加了水化硅酸钙的平均分子链长；一方面Al-O基团能够在碱性环境中电离出Al-OH^-，溶液中游离的钙离子能够吸附在Al-OH^-上，利用C-S-H表面的双电层结构，聚羧酸减水剂中的羧基能够与这部分钙离子结合；另一方面，由于水化硅酸钙结构中Al-OH^-的引入，使得与不加可溶性铝盐的水化硅酸钙晶核相比，PCE的吸附量得到显著提高，提供空间位阻的作用越强，合成出来的水化硅酸钙纳米晶核尺寸越小；此外，通过将具有空间位阻作用的可溶性醇胺有机物与可溶性铝盐发生络合作用，能够起到稳定水化硅酸钙纳米晶核分散稳定性的作用，解决水化硅酸钙晶核悬浮液的长期分散稳定性的问题；

2、本发明中提供的醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂初始粒径细小，分散稳定时间长、耐储存，制备工艺及使用方法简单；

3、本发明中提供的醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂对水泥基材料早期强度提升效果表现优异，且对水泥基材后期强度增强作用显著，不倒缩，满足混凝土服役强度和耐久性要求。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂，其由反应原液、反应底液和分散稳定液制得，所述反应原液包括如下组分：可溶性钙盐和可溶性硅盐；所述反应底液包括如下组分：聚羧酸高效减水剂；所述分散稳定液包括如下组分：可溶性醇胺有机物和可溶性铝盐。

在本发明的一些优选实施方式中，可溶性钙盐为葡萄糖酸钙、磷酸二氢钙、硝酸钙、碳酸氢钙、甲酸钙和乙酸钙中的至少一种，可溶性钙盐的质量分数为2～20％。

在本发明的一些优选实施方式中，可溶性硅盐为硅酸钠、硅酸钾、硅酸钾、氟硅酸钠和氟硅酸镁中的至少一种，可溶性硅盐的质量分数为5～20％。

在本发明的一些优选实施方式中，聚羧酸减水剂的分子量为10000～200000，所用的大单体为甲基丙烯酸、侧链由45～200个环氧乙烷单元组成，甲基丙烯酸与甲基丙烯酸酯的摩尔比为2～10：1，聚合物分散指数控制在1.0～5.0。具体地，聚羧酸减水剂可以使用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的

(固含量50％)。

在本发明的一些优选实施方式中，可溶性醇胺有机物为三乙醇胺、二乙醇胺、二甲基乙醇胺、三异丙醇胺、异丙醇胺、二异丙醇胺、二乙醇单异丙醇胺和单乙醇二异丙醇胺中的至少一种，可溶性醇胺有机物的质量分数为0.5～20％。

在本发明的一些优选实施方式中，可溶性铝盐为氢氧化铝、硝酸铝、偏铝酸钠、偏铝酸钾中的至少一种，可溶性铝盐的质量分数为0.5～20％。

本发明还提供了该醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将反应原液滴加到反应底液中，加完后在pH值为10.5～13.5，反应温度为5～60℃下搅拌反应，得到水化硅酸钙纳米晶核悬浮液；

(2)将水化硅酸钙纳米晶核悬浮液与分散稳定液反应，得到醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂。

在反应前，将反应原液和反应底液用冰水浴冷却或油浴加热至5～60℃，且反应底液聚羧酸减水剂需保证充分分散均匀，因此，反应前可以将聚羧酸减水剂在磁力搅拌速率为200～2000r/min下搅拌30min～2h。在步骤(1)制备水化硅酸钙纳米晶核悬浮液的过程中，需要用高精度(分辨率为0.01)的pH计实时记录pH值，并用质量分数为10～30wt.％的质子酸、氢氧化钠或氢氧化钾调节整个反应体系的pH值为10.5～13.5，在氮气气氛下持续搅拌反应30min～24h。

在本发明的一些优选实施方式中，步骤(1)中反应原液的滴加速率为0.2～5mL/min。

在本发明的一些优选实施方式中，步骤(1)中反应原液是由可溶性钙盐与可溶性硅盐按照质量比为1～2：1～10混合制备得到的。

在本发明的一些优选实施方式中，步骤(1)中反应原液与反应底液的质量比为0.2～1：1。

在本发明的一些优选实施方式中，步骤(2)还包括制备分散稳定液，具体采用如下方法：将可溶性铝盐溶液和可溶性醇胺溶液按照质量比为0.1～1：1混合，并在温度为40～60℃下反应30min～6h。

在本发明的一些优选实施方式中，步骤(2)水化硅酸钙纳米晶核悬浮液与分散稳定液的质量比为1～5：1。

需要说明的是，反应原液中可溶性钙盐和可溶性硅盐的质量比，反应原液与反应底液的质量比，可溶性铝盐溶液和可溶性醇胺溶液的质量比以及水化硅酸钙纳米晶核悬浮液与分散稳定液的质量比指的均是上述几种溶液中的有效物质的含量之比，上述几种溶液中的有效物质指的是上述各溶液中溶质的含量；例如：反应原液中的有效物质指的是可溶性钙盐和可溶性硅盐的含量，反应底液中的有效物质指的是聚羧酸高效减水剂的含量。

需要说明的是，反应原液、反应底液和分散稳定液中均加去离子水补足至100％。

为了对本发明进行进一步详细说明，下面将结合具体实施例对本发明进行进一步说明。本发明中的实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；本发明中的实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均为市场购买所得，其中，聚羧酸减水剂为江苏苏博特新材料股份有限公司生产的

(固含量50％)。

实施例1：

本发明的实施例1提供了一种醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂，以质量分数为5％的硝酸钙溶液和质量分数为8％的硅酸钠溶液为反应原液；以质量分数为4％的聚羧酸减水剂为反应底液；以质量分数为1％的硝酸铝溶液与质量分数为2％的三异丙醇胺溶液为分散稳定液。

该醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂采用如下方法制备得到：

(1)将硝酸钙溶液与硅酸钠溶液按照质量比为1：1混合制得反应原液，用实验室用精密蠕动泵按照2mL/min的流速缓慢将反应原液滴入反应底液(聚羧酸减水剂分散液)中，反应原液和反应底液的质量比为0.2：1，滴加完后加入氢氧化钠溶液调节pH至11，在氮气气氛下以600r/min的转速在常温(25℃)下持续搅拌反应24h，得到水化硅酸钙纳米晶核悬浮液；

(2)按照质量比为1：1将质量分数为1.0％的硝酸铝溶液与质量分数为2.0％的三异丙醇胺溶液混合均匀，并在40℃油浴锅中反应2h,得到分散稳定液；

(3)将水化硅酸钙纳米晶核悬浮液与分散稳定液按照质量比为2：1混合均匀，并在20℃恒温水浴锅中反应2h，即可得到醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂。

实施例2：

本发明的实施例2提供了一种醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂，以质量分数为5％的硝酸钙溶液和质量分数为8％的硅酸钠溶液为反应原液；以质量分数为4％的聚羧酸减水剂为反应底液；以质量分数为1％的硝酸铝溶液与质量分数为2％的三异丙醇胺溶液为分散稳定液。

(1)将硝酸钙溶液与硅酸钠溶液按照质量比为1：10混合制得反应原液，用实验室用精密蠕动泵按照2mL/min的流速缓慢将反应原液滴入反应底液(聚羧酸减水剂分散液)中，反应原液和反应底液的质量比为1：1，滴加完后加入氢氧化钠溶液调节pH至13，在氮气气氛下以600r/min的转速在常温(25℃)下持续搅拌反应24h，得到水化硅酸钙纳米晶核悬浮液；

(2)按照质量比为1：1将质量分数为1.0％的硝酸铝溶液与质量分数为2.0％的三异丙醇胺溶液混合均匀，并在60℃油浴锅中反应2h,得到分散稳定液；

(3)将水化硅酸钙纳米晶核悬浮液与分散稳定液按照质量比为5：1混合均匀，并在20℃恒温水浴锅中反应2h，即可得到醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂。

实施例3：

本发明的实施例3提供了一种醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂，以质量分数为5％的硝酸钙溶液和质量分数为8％的硅酸钠溶液为反应原液；以质量分数为4％的聚羧酸减水剂为反应底液；以质量分数为1％的硝酸铝溶液与质量分数为2％的二乙醇单异丙醇胺溶液为分散稳定液。

(1)将硝酸钙溶液与硅酸钠溶液按照质量比为1：5混合制得反应原液，用实验室用精密蠕动泵按照2mL/min的流速缓慢将反应原液滴入反应底液(聚羧酸减水剂分散液)中，反应原液和反应底液的质量比为0.5：1，滴加完后加入氢氧化钠溶液调节pH至11.5，在氮气气氛下以600r/min的转速在常温(25℃)下持续搅拌反应24h，得到水化硅酸钙纳米晶核悬浮液；

(2)按照质量比为1：1将质量分数为1.0％的硝酸铝溶液与质量分数为2.0％的二乙醇单异丙醇胺溶液混合均匀，并在60℃油浴锅中反应2h,得到分散稳定液；

(3)将水化硅酸钙纳米晶核悬浮液与分散稳定液按照质量比为3：1混合均匀，并在20℃恒温水浴锅中反应2h，即可得到醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂。

按照如表1所示的砂浆配合比，加入实施例1～3中的水化硅酸钙纳米晶核早强剂，水化硅酸钙纳米晶核早强剂按照胶凝材料总质量的1.0％加入，所用水泥为华新P.I 52.5硅酸盐水泥；按照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》标准测试砂浆抗压强度，其中，空白组为仅仅加入砂浆的试验组，改性前为实施例1步骤(1)中制得的水化硅酸钙纳米晶核悬浮液(即未加分散稳定液)，改性1组为实施例1中最终制得的醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂，改性2组为实施例2中最终制得的醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂，改性3组为实施例3中最终制得的醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂。改性前后水化硅酸钙纳米晶核早强剂粒径分布随时间的变化发展如表2所示，改性前后水化硅酸钙晶核早强剂直接用于砂浆强度发展规律如表3所示。

表1 砂浆配合比

水泥(g)	砂(g)	水(g)
			450	1350	180

表2 改性前后水化硅酸钙纳米晶核早强剂的粒径分布经时变化(nm)

表3 掺入改性前后的水化硅酸钙晶核早强剂的砂浆抗压强度(MPa)

各组砂浆初始流动度通过江苏苏博特新材料股份有限公司生产的

(固含量50％)的高效减水剂来调控。如表2所示，利用可溶性铝盐与可溶性醇胺有机物作为分散稳定液能够有效阻止水化硅酸钙纳米晶核的分散稳定性，与未经改性的水化硅酸钙纳米晶核7天时的粒径分布已经接近1000nm相比，改性后的水化硅酸钙纳米晶核平均粒径在90天时仍然能够控制在1000nm以内。此外，如表3所示，在初始流动度保持相近的情况下，观测空白组与醇胺改性前后的水化硅酸钙纳米晶核按照胶凝材料总质量的1.0％时直接用于砂浆时抗压强度的经时发展过程。与空白组砂浆相比，改性前的水化硅酸钙纳米晶核初始平均粒径仍然较大，对砂浆早期(一天以内)的抗压强度提升较弱，且对7天以后的抗压强度无明显促进作用。然而，经过改性后的水化硅酸钙纳米晶核对早期(一天以内)的抗压强度提升效果显著，在12h时已经能够超过15MPa，能够满足脱模强度要求。在中后期，改性后的晶核对砂浆抗压强度依然保持了一定的增幅，这对于混凝土材料服役期间是极为有益的。这说明本发明提供的水化硅酸钙纳米晶核早强剂对水泥基材料早期强度以及中后期强度提升效果显著。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂，其特征在于，其由反应原液、反应底液和分散稳定液制得，所述反应原液包括如下组分：可溶性钙盐和可溶性硅盐；所述反应底液包括如下组分：聚羧酸高效减水剂；所述分散稳定液包括如下组分：可溶性醇胺有机物和可溶性铝盐，所述分散稳定液为可溶性铝盐溶液和可溶性醇胺溶液按照质量比为0.1～1：1混合，并在温度为40～60℃下反应30min～6h制备而成。

2.根据权利要求1所述的醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂，其特征在于，所述可溶性钙盐为葡萄糖酸钙、磷酸二氢钙、硝酸钙、碳酸氢钙、甲酸钙和乙酸钙中的至少一种，所述可溶性钙盐的质量分数为2～20％；所述可溶性硅盐为硅酸钠、硅酸钾、硅酸钾、氟硅酸钠和氟硅酸镁中的至少一种，所述可溶性硅盐的质量分数为5～20％。

3.根据权利要求1所述的醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂，其特征在于，所述聚羧酸高效减水剂的分子量为10000～200000，所用的大单体为甲基丙烯酸、侧链由45～200个环氧乙烷单元组成，甲基丙烯酸与甲基丙烯酸酯的摩尔比为2～10：1，聚合物分散指数控制在1.0～5.0。

4.根据权利要求1所述的醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂，其特征在于，所述可溶性醇胺有机物为三乙醇胺、二乙醇胺、二甲基乙醇胺、三异丙醇胺、异丙醇胺、二异丙醇胺、二乙醇单异丙醇胺和单乙醇二异丙醇胺中的至少一种，所述可溶性醇胺有机物的质量分数为0.5～20％；所述可溶性铝盐为硝酸铝、偏铝酸钠、偏铝酸钾中的至少一种，所述可溶性铝盐的质量分数为0.5～20％。

5.一种如权利要求1～4任一项所述的醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中反应原液的滴加速率为0.2～5mL/min。

7.根据权利要求5所述的醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中反应原液是由可溶性钙盐与可溶性硅盐按照质量比为1～2：1～10混合制备得到的。

8.根据权利要求5所述的醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中反应原液与反应底液的质量比为0.2～1：1。

9.根据权利要求5所述的醇胺改性水化硅酸钙纳米晶核早强剂的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中水化硅酸钙纳米晶核悬浮液与分散稳定液的质量比为1～5：1。