一种提升混凝土抗渗性的外加剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种提升混凝土抗渗性的外加剂及其制备方法。本发明专利技术所述外加剂为水性分散液，其主要成分为具有多层核壳结构的纳米粒子，所述纳米粒子的结构从外到内依次为：梳形两亲型分散剂、聚脂肪醇(甲基)丙烯酸酯、脂肪酸、纳米碳酸钙颗粒。本发明专利技术所述外加剂，具有改善混凝土抗氯离子渗透和抗渗性的有益效果；在结构上，其具有两亲型分散剂包裹的多层核壳结构，使得其在水泥孔溶液中能保持良好、均匀、小尺寸的空间分布，不会发生纳米颗粒的团聚或疏水组分的分相，充分保证其效能发挥，有效降低掺量；本发明专利技术所述制备方法利用已规模化商用的脂肪酸改性碳酸钙，通过种子乳液聚合制备外加剂，易于操作和大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种提升混凝土抗渗性的外加剂及其制备方法
本专利技术涉及一种提升混凝土抗渗性的外加剂及其制备方法，属于建筑材料
技术背景随着对建筑工程质量的追求和复杂环境下大型工程的开展，耐久性成为考量建筑材料实用价值的重要指标。对于水泥基材料而言，其透水性和抗氯离子渗透性都是影响其耐久性的关键指标。目前，解决水泥基材料在海工等环境下渗透性的途径主要包括两类，一是使用防渗涂层，从外部隔绝有害物质侵入；CN109940744A公开了一种混凝土表面耐久性提升剂及其制备使用方法，可提升混凝土抑制环境腐蚀能力；CN102219555B公开了一种多功能混凝土结构耐久性防护剂，其包含表面微结构致密化、疏水化和阻锈等多重功效；然而涂层也会受风化、日晒、昼夜温差等环境因素的影响，进而受到腐蚀，乃至开裂剥落，最终失效，其自身的耐久性仍需要进一步改进。二是内掺抗渗外加剂，在微观层面对水泥基材料的微结构进行改性，优化孔结构，提升其疏水性，使得有害物更难渗透。这类外加剂中，纳米材料以及含疏水基团的有机材料近来备受关注，CN110128051A公开了一种提高混凝土抗氯离子侵蚀性能的氯离子吸附添加剂，其组分为硅灰、纳米二氧化硅等多种无机材料和含疏水基团的有机硅助剂等有机材料，但是其掺量(胶材2-5％)相对较高。CN106517919B公开了一种用于增强抗氯离子渗透性的混凝土添加材料，其为在以N,N,N-三甲基金钢烷氢氧化铵(R)为模板下通过锆盐、硅酸盐和铝盐烧制得到的分子筛，虽然其效能较为突出但是其制备过程非常复杂，包含10个步骤且设备条件要求高。因此，设计制备掺量低，合成简易，效能高的新型外加剂是混凝土抗渗外加剂开发领域的未来方向。具体到材料设计上，一方面由于该类外加剂中无机纳米组分和有机疏水组分的效能发挥都与其在水泥为结构中的空间分布密切相关，因而改善外加剂中无机有机材料在水泥孔溶液中的分散性是提升的效能的有效途径；另一方面，由于水泥水化是持续时间以天计的相对缓慢的过程，因此有机疏水化改性材料也需要通过适当的方式来保障其在水泥浆体孔溶液中的分散以及疏水组分的释放契合水泥水化和微结构生成的节奏。基于以上两点，设计具有良好分散性和可控效能释放速率的新型材料是提升混凝土抗渗外加剂效能的有力解决方案。在候选材料方面，纳米碳酸钙极具潜力，基于碳化法的纳米碳酸钙目前已大规模商用，其尺寸可达50nm以下，同时，对纳米碳酸钙的疏水性改性工艺也早已成熟，经长链脂肪酸疏水改性的碳酸钙业已在油墨、涂料等行业得到大规模应用。疏水改性碳酸钙兼具纳米和疏水组分，是对水泥基材料作抗渗性改性的优良候选。但疏水改性后的碳酸钙在水体中分散性极差，急需关键手段保障其分散性，同时，合理引入新的疏水组分也可以有效提升其效能发挥。
技术实现思路
基于上述背景，针对目前水泥基材料相关产业对包括抗氯离子渗透、抗渗性等耐久性指标的需求，本专利技术基于在耐久性改善方面极具潜力的疏水改性纳米碳酸钙材料，针对其在水泥基材料中的分散性问题，通过引入新型分散剂和高聚物包层的方法，提供一种提升混凝土抗渗性的外加剂及其制备方法。本专利技术所述外加剂为基于纳米碳酸钙和疏水化小分子改性剂的复合型有机无机杂化纳米材料，通过孔隙填充作用和水化产物的表面微结构调控的协同来实现高效的混凝土耐久性优化。其主要成分为具有多层核壳结构的纳米粒子，从外到内依次为两亲型分散剂、高聚物型缓释疏水组分、小分子疏水组分和纳米颗粒核心，该结构使得其在水泥孔溶液中能保持良好、均匀、小尺寸的空间分布，不会发生纳米颗粒团聚或疏水组分分相，充分保证其效能发挥，有效降低掺量。另一方面，高聚物型缓释疏水组分相对小分子疏水组分有效成分释放更加缓慢可控，契合水泥水化反应速率节奏，使得其对早期水化和强度发展影响低。本专利技术提供一种提升混凝土抗渗性的外加剂，所述外加剂为水性分散液，其主要成分为具有多层核壳结构的纳米粒子，所述纳米粒子的结构从外到内依次为：梳形两亲型分散剂、聚脂肪醇(甲基)丙烯酸酯、脂肪酸、纳米碳酸钙颗粒；所述外加剂中各组分质量分数如下：各组分质量百分比之和为100％；所述脂肪酸含量为纳米碳酸钙质量的1.0～2.5％；该脂肪酸改性碳酸钙可由公知的碳化-脂肪酸改性法制备；所述梳形两亲型分散剂的质量为脂肪酸与纳米碳酸钙总质量的3.5％～15％。所述脂肪酸为C10～C20的脂肪酸，优选油酸、硬脂酸、月桂酸中的任意一种。所述聚(甲基)丙烯酸脂肪醇酯为C10～C20的饱和脂肪醇(甲基)丙烯酸酯的聚合物；所述聚(甲基)丙烯酸脂肪醇酯由C10～C20的饱和脂肪醇(甲基)丙烯酸酯通过乳液聚合反应制得。所述梳形两亲型分散剂具有如下结构：式(1)中R1为C10～C20的烃基，m与n的比为结构单元1和2的摩尔比，由于结构单元1和2的总质量比为4～6:6～4，从而确定m与n的比例，p＝15～40；该分散剂的重均分子量在8000～20000。该分散剂可由公知的自由基聚合，由甲基丙烯酸脂肪醇酯和甲基烯丙基聚乙二醇制备。所述纳米碳酸钙的粒径为30～100nm。本专利技术所述一种提升混凝土抗渗性的外加剂的制备方法，具体步骤如下：(1)由脂肪酸与纳米碳酸钙通过公知的碳化-脂肪酸改性法制得脂肪酸改性的纳米碳酸钙；(2)在步骤(1)制得的脂肪酸改性的纳米碳酸钙中加入梳形两亲型分散剂，以混料机混合15～30min，得到改性碳酸钙预分散体；(3)在步骤(2)制得的改性碳酸钙预分散体中加入水，使用搅拌速率5000～10000rpm的高速固液分散机处理10～30min，之后将分散液转入反应器中，加入饱和脂肪醇(甲基)丙烯酸酯和引发剂，混匀得到预聚溶液；升温至40～80℃，在氮气保护及180～360rpm搅拌下，乳液聚合1.5～4h，使得饱和脂肪醇(甲基)丙烯酸酯在脂肪酸改性的纳米碳酸钙中形成聚合物层；之后减压蒸馏回收未聚合的饱和脂肪醇(甲基)丙烯酸酯，得到所述外加剂。步骤(3)所述改性碳酸钙预分散体的质量占步骤(3)中物料总质量的12～20％。步骤(3)中水的质量为物料总质量扣除预分散体、饱和脂肪醇(甲基)丙烯酸酯、引发剂反应物料后的剩余质量。步骤(3)中饱和脂肪醇(甲基)丙烯酸酯为C10～C20的饱和脂肪醇(甲基)丙烯酸酯。步骤(3)中所述引发剂摩尔用量为饱和脂肪醇(甲基)丙烯酸酯摩尔量的0.4～1.6％。步骤(3)中所述引发剂为单一的水溶性自由基引发剂或水溶性、通过氧化-还原反应产生自由基的氧化-还原剂组合。所述引发剂为过硫酸铵、偶氮二异丁脒盐酸盐、过硫酸铵-亚硫酸氢钠体系中任意一种。在使用氧化-还原剂组合时，应将氧化和还原组分分开，其一置于步骤(3)所述预聚溶液中，另一于步骤(3)中设定的聚合时间内匀速滴加至预聚溶液中。上述步骤中，所用物料应至少为工业品；各步骤的温度控制误差为±2摄氏度，时间控制误差为±2.5％。所述外加剂，由于其表面两亲型梳形分散剂上聚乙二醇侧链的空间位阻效应，以及整个核壳粒子的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提升混凝土抗渗性的外加剂，其特征在于：所述外加剂为水性分散液，其主要成分为具有多层核壳结构的纳米粒子，所述纳米粒子的结构从外到内依次为：梳形两亲型分散剂、聚脂肪醇(甲基)丙烯酸酯、脂肪酸、纳米碳酸钙颗粒；/n所述外加剂中各组分质量分数如下：/n

【技术特征摘要】
1.一种提升混凝土抗渗性的外加剂，其特征在于：所述外加剂为水性分散液，其主要成分为具有多层核壳结构的纳米粒子，所述纳米粒子的结构从外到内依次为：梳形两亲型分散剂、聚脂肪醇(甲基)丙烯酸酯、脂肪酸、纳米碳酸钙颗粒；
所述外加剂中各组分质量分数如下：



各组分质量百分比之和为100％；
所述脂肪酸含量为纳米碳酸钙质量的1.0～2.5％；
所述梳形两亲型分散剂的质量为脂肪酸与纳米碳酸钙总质量的3.5％～15％；
所述脂肪酸为C10～C20的脂肪酸；
所述聚(甲基)丙烯酸脂肪醇酯为C10～C20的饱和脂肪醇(甲基)丙烯酸酯的聚合物；所述聚(甲基)丙烯酸脂肪醇酯由C10～C20的饱和脂肪醇(甲基)丙烯酸酯通过乳液聚合反应制得；
所述梳形两亲型分散剂具有如下结构：



式(1)中R1为C10～C20的烃基，m与n的比为结构单元1和2的摩尔比，由于结构单元1和2的总质量比为4～6:6～4，从而确定m与n的比例，p＝15～40；该分散剂的重均分子量在8000～20000。


2.根据权利要求1所述的一种提升混凝土抗渗性的外加剂，其特征在于，所述脂肪酸选自油酸、硬脂酸、月桂酸中的任意一种。


3.根据权利要求1所述的一种提升混凝土抗渗性的外加剂，其特征在于，所述纳米碳酸钙的粒径为30～100nm。


4.权利要求1至3任一项所述的一种提升混凝土抗渗性的外加剂的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)由脂肪酸与纳米碳酸钙通过公知的碳化-脂肪酸改性法制得脂肪酸改性的纳米碳酸钙；
(2)在步骤(1)制得的脂肪酸改...

【专利技术属性】
技术研发人员：严涵，杨勇，洪锦祥，李申桐，舒鑫，赵红霞，毛永琳，冉千平，
申请(专利权)人：江苏苏博特新材料股份有限公司，南京博特新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32