一种响应型混凝土抗冻剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种响应型混凝土抗冻剂及其制备方法与应用，抗冻剂的制备方法包括以下步骤：1)将NaOH及尿素加入至水中，得到NaOH/尿素溶液；2)将羟乙基纤维素及羧化壳聚糖加入至NaOH/尿素溶液中，得到纤维素/壳聚糖溶液；将聚乙烯醇及甲壳素加入至NaOH/尿素溶液中，得到聚乙烯醇/甲壳素溶液；3)将纤维素/壳聚糖溶液与聚乙烯醇/甲壳素溶液混合均匀并去除气泡，即得到响应型混凝土抗冻剂；应用时，将响应型混凝土抗冻剂加入至混凝土拌合物中，响应型混凝土抗冻剂的掺量为胶凝材料质量的2‑10％。与现有技术相比，本发明专利技术能够有效降低混凝土的冻融损伤，提高混凝土材料在温度交变条件下的服役寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种响应型混凝土抗冻剂及其制备方法与应用
本专利技术属于建筑材料
，涉及一种响应型混凝土抗冻剂及其制备方法与应用。
技术介绍
混凝土冻融破坏指的是在冻融循环作用下，混凝土材料的使用性能以及外观的完整性遭到破坏。混凝土的抗冻性是混凝土耐久性重要指标之一，混凝土在低温冻融循环作用下，内部的结构发生破坏，耐久性降低，整体工程的质量会受到极大的影响，工程的寿命和使用性能显著降低。混凝土冻融破坏的过程是一个复杂的物理变化过程，目前多数研究认为，混凝土的抗冻性与混凝土内部的孔隙以及微裂缝中存在的水分有关，当环境温度较低时，水在低温下结冰，体积发生膨胀，过冷水会发生迁移，较大内应力的存在导致内部孔隙以及微裂缝逐渐扩展和增大，甚至相互连通，造成强度的降低，从而引起混凝土结构破坏。目前常用的改善混凝土抗冻性的措施有：使用引气剂、通过振捣密实和优化配合比等。这些措施的使用限制因素较多，施工复杂，对力学性能产生负面影响，应用受到较大限制。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了提供一种响应型混凝土抗冻剂及其制备方法与应用，能够有效降低混凝土的冻融损伤，提高混凝土材料在温度交变条件下的服役寿命。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种响应型混凝土抗冻剂的制备方法，该方法包括以下步骤：1)将NaOH及尿素加入至水中，得到NaOH/尿素溶液；2)将羟乙基纤维素及羧化壳聚糖加入至NaOH/尿素溶液中，得到纤维素/壳聚糖溶液；将聚乙烯醇及甲壳素加入至NaOH/尿素溶液中，得到聚乙烯醇/甲壳素溶液；3)将纤维素/壳聚糖溶液与聚乙烯醇/甲壳素溶液混合均匀并去除气泡，即得到所述的响应型混凝土抗冻剂。进一步地，步骤1)中，所述的NaOH/尿素溶液中，溶剂为水，NaOH的质量百分含量为1-3％，尿素的质量百分含量为3-5％。进一步地，步骤2)中，所述的纤维素/壳聚糖溶液的制备过程具体为：将羟乙基纤维素在35-45℃下加入至NaOH/尿素溶液中并进行搅拌，之后加入羧化壳聚糖并进行超声分散，后依次经冷冻、解冻，得到所述的纤维素/壳聚糖溶液。进一步地，所述的羟乙基纤维素的细度≥90μm，所述的搅拌的时间为5-15min，所述的超声的功率≥160W；所述的冷冻的温度为-25℃至-15℃，时间为10-15h；所述的解冻的温度为35-45℃；所述的羟乙基纤维素在纤维素/壳聚糖溶液中的质量百分含量为5-7％；所述的羧化壳聚糖为羧甲基壳聚糖，所述的羧化壳聚糖在纤维素/壳聚糖溶液中的质量百分含量为0.5-1.5％。进一步地，步骤2)中，所述的聚乙烯醇/甲壳素溶液的制备过程具体为：将聚乙烯醇在75-85℃下加入至水中，待聚乙烯醇完全溶解后，冷却至50℃以下并与NaOH/尿素溶液混合，之后加入甲壳素并搅拌均匀，得到所述的聚乙烯醇/甲壳素溶液。进一步地，所述的搅拌的温度为35-45℃，时间为5-10min；所述的聚乙烯醇在聚乙烯醇/甲壳素溶液中的质量百分含量为5-7％；所述的甲壳素在聚乙烯醇/甲壳素溶液中的质量百分含量为0.5-1.5％。进一步地，步骤3)中，所述的纤维素/壳聚糖溶液与聚乙烯醇/甲壳素溶液的质量比为3:(1-9)，混合后搅拌10-20min；去除气泡的方法为：先采用超声处理，再置于真空箱中消除剩余气泡；超声的功率≥300W，超声时间为15-20min，真空箱内的真空度≤60Pa。一种响应型混凝土抗冻剂，该响应型混凝土抗冻剂采用所述的方法制备而成。一种响应型混凝土抗冻剂的应用，将响应型混凝土抗冻剂加入至混凝土拌合物中，所述的响应型混凝土抗冻剂的掺量为胶凝材料质量的2-10％。在加入拌合水1min后再将抗冻剂掺入混凝土拌合物中，搅拌成型。进一步地，应用过程包括以下步骤：S1)将响应型混凝土抗冻剂加入至混凝土拌合物中，并搅拌成型；S2)在自然条件下养护20-28h(优选为24h)，之后拆模，得到混凝土试块；S3)将混凝土试块置于Ca(OH)2饱和溶液中养护20-28h(优选为24h)；S4)对混凝土试块进行冻融循环处理；S5)在标准条件下继续养护(至龄期为24d)。步骤S4)中，冻融循环处理过程为：冻融循环7次，每次循环的周期为24h，包括冷冻12h+解冻12h，即在-15℃的环境中进行12h的冷冻，然后在温度为18-22℃的不流动的Ca(OH)2饱和溶液中解冻12h。冻融循环处理的作用是使混凝土中原位形成具有一定强度的聚合物凝胶。本专利技术借助智能响应材料对环境超强的敏感性，创新性地利用响应型高分子聚合物水凝胶作为混凝土抗冻剂。响应型水凝胶是一类集吸水、保水和缓释于一体的功能高分子材料，是一种具有一定力学强度的三维网络状结构的特殊“软湿”材料，并且能够保留其内部大量的水而不溶解，在水中会发生溶胀现象。智能响应型聚合物可以响应外界环境温度的改变而发生构象转变，从而引起其物化性质的变化，在适当的环境温度的激励作用下，聚合物会发生体积相变。温度响应型聚合物的形成条件是冻融循环，与混凝土遭受冻融破坏时条件一致，服役条件具有相似性，在冻融循环条件下具备在混凝土中形成多孔、力学强度水凝胶的条件。同时，由于水凝胶是一类具有三维网络状结构的材料，并且自身具有“软湿”特性以及良好的相容性，能很好地适应混凝土体系。本专利技术根据混凝土冻融破坏的机理和诱发条件，同时根据水凝胶在适宜激励条件下表现出的独特物化性质，寻找到了适合的原料配比及制作使用流程，成功地利用了羧化壳聚糖、羟乙基纤维素、甲壳素、聚乙烯醇、尿素、NaOH作为原料，结合适宜的反应温度和工艺方法制作出了具备温度响应的聚合物材料。其中，以羧化壳聚糖、羟乙基纤维素、甲壳素、聚乙烯醇四类高分子聚合物为交联主体，在以尿素、NaOH为介质的体系中通过物理交联的方式形成源溶液，冻融循环条件下，高分子链运动相应变化形成凝胶态物质，并且高分子聚合物内的功能基团如羧基、羟基、胺基等赋予温度响应功能，结合介质化学环境参数，使得聚合物内部结构在设计温度范围内发生变化，并发生相变行为、产生力学性能。本专利技术还成功地将温度响应型水凝胶溶液引入到混凝土中，在硬化水泥浆体中原位形成了水凝胶，以此改善了混凝土内部的微观结构，从而提高了混凝土在冻融环境下的抗冻性能。与现有技术相比，本专利技术具有以下特点：1)本专利技术采用容易获取且成本低的原材料制备混凝土抗冻剂，该抗冻剂为响应型水凝胶原溶液，抗冻剂的使用方法简单，直接掺入混凝土拌合物中即可，与传统的通过振捣密实以及引气剂的使用相比，抗冻剂的使用限制因素更少，施工更简便。2)本专利技术通过冻融循环、物理交联的方式，实现了在混凝土中原位生成水凝胶，水凝胶在混凝土中能缓解混凝土受到的冻融损伤，实验表明，掺水凝胶抗冻剂的混凝土在经过50-300次冻融循环实验后的强度比不掺水凝胶抗冻剂的混凝土强度至少高5MPa。附图说明图1为实施例1中混凝土冻融的质量损失率测试图；图2为实施例1中混凝土冻融的相对动弹模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种响应型混凝土抗冻剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n1)将NaOH及尿素加入至水中，得到NaOH/尿素溶液；/n2)将羟乙基纤维素及羧化壳聚糖加入至NaOH/尿素溶液中，得到纤维素/壳聚糖溶液；将聚乙烯醇及甲壳素加入至NaOH/尿素溶液中，得到聚乙烯醇/甲壳素溶液；/n3)将纤维素/壳聚糖溶液与聚乙烯醇/甲壳素溶液混合均匀并去除气泡，即得到所述的响应型混凝土抗冻剂。/n

【技术特征摘要】
1.一种响应型混凝土抗冻剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将NaOH及尿素加入至水中，得到NaOH/尿素溶液；
2)将羟乙基纤维素及羧化壳聚糖加入至NaOH/尿素溶液中，得到纤维素/壳聚糖溶液；将聚乙烯醇及甲壳素加入至NaOH/尿素溶液中，得到聚乙烯醇/甲壳素溶液；
3)将纤维素/壳聚糖溶液与聚乙烯醇/甲壳素溶液混合均匀并去除气泡，即得到所述的响应型混凝土抗冻剂。


2.根据权利要求1所述的一种响应型混凝土抗冻剂的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的NaOH/尿素溶液中，溶剂为水，NaOH的质量百分含量为1-3％，尿素的质量百分含量为3-5％。


3.根据权利要求1所述的一种响应型混凝土抗冻剂的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述的纤维素/壳聚糖溶液的制备过程具体为：将羟乙基纤维素在35-45℃下加入至NaOH/尿素溶液中并进行搅拌，之后加入羧化壳聚糖并进行超声分散，后依次经冷冻、解冻，得到所述的纤维素/壳聚糖溶液。


4.根据权利要求3所述的一种响应型混凝土抗冻剂的制备方法，其特征在于，所述的羟乙基纤维素的细度≥90μm，所述的搅拌的时间为5-15min，所述的超声的功率≥160W；所述的冷冻的温度为-25℃至-15℃，时间为10-15h；所述的解冻的温度为35-45℃；所述的羟乙基纤维素在纤维素/壳聚糖溶液中的质量百分含量为5-7％；所述的羧化壳聚糖为羧甲基壳聚糖，所述的羧化壳聚糖在纤维素/壳聚糖溶液中的质量百分含量为0.5-1.5％。


5.根据权利要求1所述的一种响应型混凝土抗冻剂的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述的聚乙烯醇/甲壳素溶液的制备过程具体为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴凯，韩好，龙江峰，徐玲琳，孙丹丹，杨正宏，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31