温敏水凝胶在提高混凝土抗干缩开裂性能中的应用

摘要

本发明提供一种温敏水凝胶在提高混凝土抗干缩开裂性能中的应用，混凝土制备原料包括温敏水凝胶、水泥、集料和水。该混凝土的制备方法为先制备温敏水凝胶，再将集料与水泥拌合均匀，最后加入温敏水凝胶和水，拌合均匀，即可制得混凝土。本发明使用的自制温敏水凝胶为轻度交联高分子，释水后聚合成薄膜，不会在水泥混凝土中留下孔洞，提高混凝土抗开裂性能的同时不影响水泥混凝土的其他性能。混凝土初始体积含水率随温敏水凝胶掺量的增加而增加，说明温敏水凝胶的掺入增强了混凝土的储水能力，混凝土的吸水率随凝胶掺入量的增加而降低，说明温敏水凝胶的掺入降低了混凝土中毛细孔的连通性。

权利要求

1.温敏水凝胶在提高混凝土抗干缩开裂性能中的应用，所述温敏水凝胶为N-异丙基丙烯酰胺基水凝胶；

所述温敏水凝胶的制备原料包括N-异丙基丙烯酰胺单体、去离子水、引发剂和交联剂；

所述N-异丙基丙烯酰胺单体、去离子水、引发剂和交联剂的加入量按质量比为9.9％～

11.2％：88.8％～90％：0.0041％～0.0043％：0.0055％～0.0057％。

2.如权利要求1所述温敏水凝胶在提高混凝土抗干缩开裂性能中的应用，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾和过硫酸钠中的一种或多种组合物。

3.如权利要求1所述温敏水凝胶在提高混凝土抗干缩开裂性能中的应用，其特征在于，所述交联剂为四甲基乙二胺、过氧化二异丙苯和丙烯酸中的一种或多种组合物。

4.一种混凝土，该混凝土的制备原料包括集料、水泥和水，其特征在于，还包括温敏水凝胶，所述温敏水凝胶为N-异丙基丙烯酰胺基水凝胶；

所述温敏水凝胶的制备原料包括N-异丙基丙烯酰胺单体、去离子水、引发剂和交联剂；

所述N-异丙基丙烯酰胺单体、去离子水、引发剂和交联剂的加入量按质量比为9.9％～

11.2％：88.8％～90％：0.0041％～0.0043％：0.0055％～0.0057％。

5.如权利要求4所述混凝土，其特征在于，所述混凝土以质量百分数计，由以下原料组成：温敏水凝胶为2％～5％，水泥为14.2％～16％，集料为73％～75％，水为6.8％～8％，原料的质量百分数之和为100％。

6.如权利要求4所述混凝土，其特征在于，所述混凝土以质量百分数计，由以下原料组成：温敏水凝胶为4％，水泥为15％，集料为74％，水为7％。

7.如权利要求4所述混凝土，其特征在于，所述集料包括粒径范围小于5mm的细集料以及粒径范围为10～31.5mm的粗集料。

说明书

温敏水凝胶在提高混凝土抗干缩开裂性能中的应用

技术领域

[0001] 本发明属于道路材料领域，涉及水泥混凝土材料，具体涉及一种温敏水凝胶在提高混凝土抗干缩开裂性能中的应用。

背景技术

[0002] 水泥混凝土置于未饱和空气中，其内部毛细孔和凝胶孔失去吸附水而发生的不可逆收缩称为干燥收缩变形，简称干缩。干燥收缩是引起水泥混凝土开裂的主要原因之一。水泥混凝土结构由于处于不同的约束状态下因收缩引起的拉应力大于混凝土的抗拉强度时，就会导致混凝土产生裂缝，从而导致混凝土耐久性性能的下降。因此，开展混凝土的开裂和干缩问题的研究和改善，具有十分重要的工程应用价值。

[0003] 针对水泥混凝土因失水导致的干缩开裂问题，国内外最常见的养护措施是洒水喷、雾、蓄水养护等，或使用饱水轻集料，或利用高性能吸水树脂对混凝土进行内部养护，但由于原材料以及施工工艺的差别，效果差别较大。主要原因在于：首先，水泥混凝土相对致密，特别对于低水胶比的高强/高性能混凝土，由于胶凝材料用量大，用水量低，自身体积收缩较大，采用洒水或喷雾养护，水分不易进入混凝土内部。其次，使用饱水轻集料作为内养护材料，易导致混凝土工作性能变差，集料上浮，强度、弹性模量明显下降等问题。再次，使用高性能吸水树脂来改善混凝土的收缩，虽然一定程度上解决了新拌混凝土工作性能变差的问题，但高性能吸水树脂多为颗粒状，释水后会在水泥混凝土中留有孔洞，从而影响水泥混凝土的力学性能。

发明内容

[0004] 针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种温敏水凝胶，用于提高混凝土抗干缩开裂性能，解决现有技术用于水泥混凝土抗干缩开裂效果不佳，影响水泥混凝土力学性能的技术问题。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

[0006] 温敏水凝胶在提高混凝土抗干缩开裂性能中的应用，温敏水凝胶为N-异丙基丙烯酰胺基水凝胶。

[0007] 温敏水凝胶的制备原料包括N-异丙基丙烯酰胺单体、去离子水、引发剂和交联剂。

[0008] 引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾和过硫酸钠中的一种或多种。

[0009] 交联剂为四甲基乙二胺、过氧化二异丙苯和丙烯酸中的一种或多种。

[0010] N-异丙基丙烯酰胺单体、去离子水、引发剂和交联剂的加入量按质量比为9.9％～11.2％：88.8％～90％：0.0041％～0.0043％：0.0055％～0.0057％。

[0011] 一种混凝土，其制备原料包括集料、水泥、水和温敏水凝胶。

[0012] 混凝土以质量百分数计，由以下原料组成：温敏水凝胶为2％～5％，水泥为14.2％～16％，集料为73％～75％，水为6.8％～8％，原料的质量百分数之和为100％。

[0013] 混凝土以质量百分数计，由以下原料组成：温敏水凝胶为4％，水泥为15％，集料为74％，水为7％。

[0014] 集料包括粒径范围小于5mm的细集料以及粒径范围为10～31.5mm的粗集料。

[0015] 本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

[0016] (Ⅰ)本发明使用自制温敏水凝胶作为水泥混凝土的内养护剂，利用水泥水化放热作为温敏水凝胶释水动力，对水泥混凝土进行内养护，降低混凝土的收缩率，最终提高混凝土抗干缩性能。

[0017] (Ⅱ)本发明使用的自制温敏水凝胶为轻度交联高分子，释水后聚合成薄膜，不会在水泥混凝土中留下孔洞，提高混凝土抗开裂性能的同时不影响水泥混凝土的其他性能。

[0018] (Ⅲ)本发明的混凝土初始体积含水率随温敏水凝胶掺量的增加而增加，说明凝胶的掺入增强了混凝土的储水能力，混凝土的吸水率随凝胶掺入量的增加而降低，说明凝胶的掺入降低了混凝土中毛细孔的连通性，使混凝土中的水分迁移率降低，从而提高了混凝土的保水能力。

附图说明

[0019] 图1为温敏水凝胶相变前后示意图。

[0020] 图2为温敏水凝胶抑制裂纹产生与扩展示意图。

[0021] 以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

具体实施方式

[0022] 本发明中掺入的温敏水凝胶，其体积随着温度的变化而变化，大分子侧链上同时含有亲水性的酰胺基-CONH-和疏水性的异丙基-CH(CH3)2，由于外界温度的变化影响了基团的疏水作用、大分子链之间的氢键作用以及亲水基团之间的氢键作用，使温敏水凝胶在其低临界溶解温度32℃时发生相转变，由透明的溶胀状态变成不透明的退溶胀状态。当外界温度低于32℃时，亲水基团与水分子之间存在较强的氢键作用，使高分子链具有良好的亲水性，体积膨胀，被水分子溶剂化但却不溶于水；当外界温度高于32℃时，亲水基团与水分子间的氢键作用逐渐减弱，而疏水基团间的相互作用加强，高分子链通过疏水作用相互聚集，体积收缩。

[0023] 本发明中，温敏水凝胶并不是简单地以一定比例掺入混凝土中，而是分为4个阶段与水泥混凝土相互作用。图1为温敏水凝胶相变前后示意图。第一阶段，温敏水凝胶与水泥混凝土拌合后首先以液态存留在混凝土的孔隙与表面，当水泥水化放热温度达32℃时，温敏水凝胶交联网状分子链发生塌缩，排出网络中的水分子进入水泥基中，对水泥混凝土起到内养护的作用，提高混凝土抗干缩性能。第二阶段，当水化放热结束，温度低于32℃时，混凝土处于干燥环境中，温敏水凝胶开始在混凝土中聚合成薄膜网状构。第三阶段，随着水泥水化的进行，温敏水凝胶大面积成膜，这种薄膜网格状结构能够有效地分散传导应力，抑制裂纹的产生与扩散。第四阶段，水化产物间隙和表面的剩余聚合物颗粒继续成膜，最终形成连续的膜结构。材料中仍存在聚合物颗粒，聚集在毛细孔、聚合物－水泥浆体－集料的界面处。

[0024] 图2为温敏水凝胶抑制裂纹产生与扩展示意图。温敏水凝胶在水泥水化过程中融合而成的薄膜网状结构桥接在水泥石与集料之间，部分包裹着水化产物，与水化产物间形成贯穿内部的薄膜网络，有效地传导并分散裂纹的尖端应力，改善界面区的微裂缝，使骨料与水泥石形成致密的连续体系。温敏水凝胶的存在，能够改善并分散微裂缝的局部应力过大情况，从而有效抑制裂纹的产生与扩展。

[0025] 以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

[0026] 实施例1：

[0027] 本实施例给出一种混凝土，以质量百分数计，由以下原料组成：温敏水凝胶为4％，水泥为15％，集料为74％，水为7％；其中细集料为25％，粗集料为49％。

[0028] 其中：所涉及的温敏水凝胶的低临界溶解温度为32℃。

[0029] 细集料的细度模数为2.8，含泥量为2.5％，表观密度为2650kg/m3，堆积密度为3 3
1420kg/m。粗集料的粒径分布为10-31.5mm，压碎指标为7.5％，表观密度为2690kg/m ，含泥量为0.5％。集料在混凝土中占到的总体积很高，但大多数情况下，在集料内部很难达到临界饱水度，因此由集料引发的混凝土性能变化小，所以本申请选用不同粒径的集料。

[0030] 水泥为42.5R普通硅酸盐水泥，标准稠度为28.8％，安定性合格。

[0031] 基于本实施例的原料配方，本实施例混凝土的具体制备过程如下所述：

[0032] 步骤一，制备温敏水凝胶，先将8g N-异丙基丙烯酰胺单体和72g去离子水混合，通入氮气密封保护，搅拌至单体完全溶解制得N-异丙基丙烯酰胺单体水溶液，再向N-异丙基丙烯酰胺单体水溶液中分别加入0.0033g引发剂和0.0044g交联剂，通入氮气密封保护后，25℃水浴下反应17h，制得温敏水凝胶；

[0033] 步骤二，将1480g集料与300g水泥拌合均匀；

[0034] 步骤三，将步骤一制得温敏水凝胶80g以及水140g加入到步骤二制得的混合物中，拌合均匀，制得混凝土。

[0035] 本实施例的性能测试结果如表1-4所示。

[0036] 实施例2：

[0037] 本实施例给出一种混凝土，以质量百分数计，由以下原料组成：温敏水凝胶为3％，水泥为16％，集料为73％，水为8％。

[0038] 本实施例中对原料的要求和混凝土的制备方法均与实施例1相同，所不同的是，N-异丙基丙烯酰胺单体、去离子水、引发剂和交联剂的加入量分别为：6g、54g、0.0024g、0.0033g。

[0039] 本实施例的性能测试结果如表1-4所示。

[0040] 实施例3：

[0041] 本实施例给出一种混凝土，以质量百分数计，由以下原料组成：温敏水凝胶为5％，水泥为14.2％，集料为74％，水为6.8％。

[0042] 本实施例中对原料的要求和混凝土的制备方法均与实施例1相同，所不同的是，N-异丙基丙烯酰胺单体、去离子水、引发剂和交联剂的加入量分别为：10g、90g、0.0041g、0.0055g。

[0043] 本实施例的性能测试结果如表1-4所示。

[0044] 实施例4：

[0045] 本实施例给出一种混凝土，以质量百分数计，由以下原料组成：温敏水凝胶为2％，水泥为16％，集料为74％，水为8％。

[0046] 本实施例中对原料的要求和混凝土的制备方法均与实施例1相同。所不同的是，N-异丙基丙烯酰胺单体、去离子水、引发剂和交联剂的加入量分别为：4g、36g、0.0017g、0.0022g。

[0047] 本实施例的性能测试结果如表1-4所示。

[0048] 实施例5：

[0049] 本实施例给出一种混凝土，以质量百分数计，由以下原料组成：温敏水凝胶为4％，水泥为15％，集料为74％，水为7％。

[0050] 本实施例中对原料的要求和混凝土的制备方法均与实施例1相同，所不同的是，N-异丙基丙烯酰胺单体、去离子水、引发剂和交联剂的加入量分别为：8g、72g、0.0032g、0.0044g。

[0051] 本实施例的性能测试结果如表1-4所示。

[0052] 实施例6：

[0053] 本实施例给出一种混凝土，以质量百分数计，由以下原料组成：温敏水凝胶为3％，水泥为15％，集料为75％，水为7％。

[0054] 本实施例中对原料的要求和混凝土的制备方法均与实施例1相同，所不同的是，N-异丙基丙烯酰胺单体、去离子水、引发剂和交联剂的加入量分别为：9g、71g、0.0034g、0.0046g。

[0055] 本实施例的性能测试结果如表1-4所示。

[0056] 对比例1：

[0057] 本对比例给出一种混凝土，以质量百分数计，由以下原料组成：水泥为17.5％，集料为74％(其中细集料为25％，粗集料为49％)，水为8.5％。

[0058] 基于本对比例的原料配方，本对比例的混凝土的制备过程如下所述：

[0059] 步骤一，将980g粗集料与500g细集料在室温条件下混合，再加入350g水泥拌合均匀；

[0060] 步骤二，将170g水加入到步骤二制得的混合物中，拌合均匀，制得水泥混凝土。

[0061] 本对比例的性能测试结果如表1-4所示。

[0062] 效果分析：

[0063] 对实施例1-4以及对比例1中成型的混凝土试件，养护至不同龄期，按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试。配制的水泥混凝土标准养护28d后，参照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行力学性能测试。

[0064] 收缩试验：

[0065] 混凝土的干燥收缩试验用试件尺寸为100mm×100mm×515mm，两端预埋测头，混凝土成型ld拆模后，在标准养护室养护2d，取出测定初长，然后放入干燥室内中测定7d、28d、60d、90d的收缩率(测长的龄期从放入干燥室内时算起)，混凝土的自由收缩用螺旋千分尺测定，精度lμm，试验结果见表1。

[0066] 表1表明，与对比例1没有添加温敏水凝胶的混凝土相比，温敏水凝胶的掺入(实施例1-6)能有效地降低混凝土的干燥收缩值，对混凝土早期收缩的改善尤为明显。

[0067] 表1干燥收缩试验结果

[0068]

[0069] 开裂试验：

[0070] 采用平板模具研究温敏水凝胶对混凝土早期开裂性能的影响，试件尺寸为600mm×600mm×50mm。试验温度控制在20～23℃。试验时，先将混凝土拌合物浇入平板模具中插捣成型，抹平表面，将试件带模分别置于风吹环境中，用专门测量裂缝宽度的塞尺对各混凝土板24h的开裂情况进行跟踪观测，试验结果如表2所示。

[0071] 表2表明，与对比例1没有添加温敏水凝胶的混凝土相比，温敏水凝胶的掺入能够有效地延迟混凝土开裂时间，降低裂纹宽度，减少裂纹数量，温敏水凝胶在掺入量为4％时抗裂性能达到最佳。

[0072] 表2混凝土早期开裂试验结果

[0073]序号 初始开裂时间(h:min) 最大裂宽(mm) 裂缝总数(条)
实施例1 10:30 0.09 1
实施例2 8:00 0.45 6
实施例3 9:50 0.13 3
实施例4 7:00 0.49 6
实施例5 10:31 0.09 1
实施例6 10:29 0.09 1
对比例1 5:00 1.1 12

[0074] 含水率与吸水率试验：

[0075] 根据GB/T 11970-1997《加气混凝土体积密度、含水率和吸水率试验方法》进行。制备100mm×100mm×100mm的立方体混凝土试块，标准养护至28d后进行测试。水泥混凝土的体积含水率按照公式①计算，水泥混凝土的体积吸水率按照公式②计算。试验结果如表3所示。

[0076]

[0077]

[0078] 式中：P0-试件体积含水率，％；M-试件养护至28d湿重初始平均值，g；M0-试件烘干3
至质量恒定干重平均值，g；Mx-试件在浸水深度x时的质量，g；V-试件体积，kg/m ；Rx-试件体积吸水率，％；x-试件浸水深度，x＝1/4、1/2、3/4和1，表示加水至混凝土试块高度的1/4、1/
2、3/4和1。

[0079] 表3试件体积含水率与吸水率试验结果

[0080]

[0081] 表4水泥混凝土的力学性能

[0082]实施例 抗折强度(MPa) 抗压强度(MPa)
实施例1 5.5 32.4
实施例2 5.4 31.9
实施例3 5.6 32
实施例4 5.2 32.3
实施例5 5.5 32.5
实施例6 5.4 32.3
对比例1 5.3 34

[0083] 表3表明，混凝土的初始体积含水率随温敏水凝胶掺量的增加而增加，说明凝胶的掺入增强了混凝土的储水能力；混凝土的吸水率随凝胶掺入量的增加而降低，说明凝胶的掺入降低了混凝土中毛细孔的连通性，使混凝土中的水分迁移率降低，从而提高了混凝土的保水能力。表4表明，温敏水凝胶的掺入可以一定程度提高混凝土的抗折性能，同时不影响混凝土的抗压性能。

[0084] 以上结果表明，将温敏水凝胶掺入到混凝土中，混凝土的抗干缩、抗开裂性和保水性等比普通水泥混凝土性能提高可达20％。