一种低回弹的高强喷射混凝土强化剂
技术领域
本发明涉及混凝土外加剂技术领域，尤其涉及一种具有低回弹、高稳定性的高强喷射混凝土强化剂。
背景技术
据中国混凝土网的不完全统计，2018年我国商品混凝土总产量为25.47亿立方米，随着我国城镇化水平也不断提升，混凝土行业将继续保持稳步增长。混凝土作为基础设施建设中不可或缺的重要材料，其质量的高低直接影响到建筑物的使用寿命。20世纪30年代混凝土外加剂的出现，极大改善了混凝土的性能，并促进了混凝土的生产和施工工艺的发展，提高了技术经济效果，进而改变了混凝土仅由水、水泥、砂、石等组分构成的观念，成为混凝土材料的“第五组分”。混凝土外加剂涵盖强化剂、减水剂、速凝剂、抗冻剂等多种类型，可用以改善混凝土和易性、调节凝结时间、提高耐久性、増强抗冻性、保证结构动载特性等。
混凝土材料科学的观点认为，如果所生产的混凝土使用寿命在30-50年甚至更长，就必须在其中添加外加剂。目前，喷射混凝土强化剂在我国的应用取得了很大的进展，但在实际应用过程中也暴露了不少问题，以致直接影响使用性能，甚至对使用寿命形成隐患。当前，主要存在三个方面的问题：(1)混合不易均匀：当前大部分混凝土强化剂是多种固体物料的混合物，因拌和不均匀，较长时间的放置而出现分层、沉淀等问题，导致强化剂的有效组分含量不足，进而使其性能大打折扣，对混凝土质量控制造成危害，甚至引发工程事故；(2)计量准确性低：随着外加剂科技的进步，外加剂在混凝土中所占的比例越来越少，因而对其添加的准确性要求也越来越高。在现场施工过程中，为达到计量要求，需要配备有高计量精度的计量系统装置，且对施工人员的操作水平、经验等要求较高，外加剂添加不当引发的事故时有发生，进一步导致施工受限，工期延误等问题；(3)回弹率较高：当前已有的混凝土强化剂添加后，喷射过程回弹率普遍高于10％，造成施工困难。因而急需开发一种具有低回弹率、高稳定性的高强喷射混凝土强化剂，具有很好的流态化效果，在较长时间的放置及运输过程中保持高稳定性，现场可直接与沙子、水泥等混合，提高混合效果和计量准确性，使用过程中降低回弹率，并具有很好的抗压、抗渗、耐磨等性能。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明的目的在于提供一种具有低回弹、高稳定性的高强喷射混凝土强化剂。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种具有低回弹、高稳定性的高强喷射混凝土强化剂，其组成包括稻壳灰、两亲性纤维素纳米纤维(CNF)、六碳减水剂、植物多糖和水。
本发明的混凝土强化剂优选各组分的重量份为：稻壳灰450-500份，两亲性CNF50-100份，六碳减水剂10-50份，植物多糖0.1-1.5份，水300-450份。
所述两亲性CNF制备原料为木糖渣、甘蔗渣等生物废弃物，具有环保无毒和价格低廉等优点。
所述植物多糖优选为魔芋葡甘聚糖或者瓜胶甘露聚糖，为白色粉末。
所述六碳减水剂优选为聚羧酸减水剂，为淡黄色透明、粘稠液体。
本发明的具有低回弹率、高稳定性的高强喷射混凝土强化剂可以通过下述制备方法制备，所述制备方法包括以下步骤：(1)将植物多糖于水浴中搅拌，使其充分溶胀，得到植物多糖溶液；(2)将六碳减水剂和两亲性CNF加入植物多糖溶液中快速搅拌，得到混合液；(3)将稻壳灰加入混合液中快速搅拌，得到强化剂。
所述植物多糖溶液中，植物多糖的质量分数为0.1wt％-0.5wt％。
所述步骤(2)中搅拌速度为250r/min-300r/min，搅拌时间为5min-15min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种具有低回弹、高稳定性的高强喷射混凝土强化剂，首先将植物多糖粉置于水浴中搅拌使其充分溶胀，制成具有一定黏度的植物多糖水溶液，再将六碳减水剂加入植物多糖溶液中快速搅拌，得到混合液，进一步将稻壳灰和两亲性CNF加入混合液中快速搅拌，即可制备获得强化剂，所制备得到的强化剂具有高稳定性，经较长时间的放置不出现分层、沉淀，有效避免混凝土强化剂性能受到影响。
(2)本发明通过采用特定的植物多糖，并对植物多糖溶液的质量分数、溶胀温度和时间的优化，以及对植物多糖溶液、六碳减水剂以及两亲性CNF和稻壳灰进行混合的搅拌时间和速度的优化，在显著提高稳定性、分散性的同时，也保证了优异的流动性；
(3)本发明制备过程所选用的稻壳灰、植物多糖、两亲性CNF等均来自生物质资源，具有环保无毒、价格低廉等优点；
(4)本发明提供的一种具有低回弹、高稳定性的高强喷射混凝土强化剂，具有很好的流态化效果，在较长时间的放置及运输过程中保持高稳定性，运送至施工现场即可随时使用，提高混合效果和计量准确性；
(5)本发明提供的一种具有低回弹、高稳定性的高强喷射混凝土强化剂，在使用过程中可显著降低回弹率，回弹率降低至2％以下，并具有很好的抗压、抗渗、耐磨等性能。
附图说明
图1为对比例1中静置1天的混凝土强化剂实拍图。
图2为实施例1中静置不同天数的高强喷射混凝土强化剂实拍图(a.1天；b.7天；c.15天)以及黏度变化图(d)。
图3为实施例2中静置不同天数的高强喷射混凝土强化剂实拍图(a.1天；b.7天；c.15天)以及黏度变化图(d)。
具体实施方式
本发明旨在提供一种具有低回弹、高稳定性的高强喷射混凝土强化剂，其包含的组分及各组分的重量份为：稻壳灰450-500份，两亲性CNF50-100份，六碳减水剂10-50份，植物多糖0.1-1.5份，水300-450份。
在高强喷射混凝土强化剂的组分中，稻壳灰和两亲性CNF主要用于提高混凝土的强度、密实度，增强抗冻性、抗渗性和耐化学腐蚀性，也能抑制碱骨料反应。此外，两亲性CNF还可调控强化剂的界面状态，产生润湿或反润湿、乳化或破乳、分散或凝集、起泡或消泡及增溶等作用。将两亲性CNF应用于混凝土强化剂中，可改善分散性和稳定性，进一步可以提高混凝土的耐久性、抗冻性及流变性能，增强混凝土和易性，使其搅拌、捣固、成型过程中的能耗降低,节约能源。
本发明的混凝土强化剂中添加了植物多糖，植物多糖是一种的天然的亲水胶体，具有优异的水溶性和增稠性。本发明中优选魔芋葡甘聚糖和瓜胶甘露聚糖等。这类植物多糖所具备的高黏度主要是由于构象上无序的无规卷曲的物理缠结所致。在稀溶液状态下，单独的胶体分子可以自由移动，黏度较低；而在浓溶液中，胶体分子彼此互相缠绕，分子间的移动受到制约，黏度升高。分子的自由移动状态向缠结网络间的转变就是增稠过程。魔芋葡甘聚糖和瓜胶甘露聚糖在一定温度的水浴中搅拌可充分吸水溶胀，形成介于溶液与悬浊液之间的高黏度分散体系并呈现出胶体特性。将其用于混凝土强化剂中可起到分散、悬浮和稳定稻壳灰等掺合料的作用。
六碳减水剂是一种能够在保持混凝土塌落度不变的条件下，减少混凝土单位用水量的外加剂。本发明中可以采用混凝土领域常用的六碳减水剂，但优选聚羧酸减水剂。聚羧酸减水剂由带双键的支链单体(如：甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯，烯丙基聚乙二醇等)，以及带双键的阴离子单体(如：甲基丙烯酸，甲基丙烯磺酸钠，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸等)，通过自由基聚合反应制得。其具有减水率高、抗渗性强，坍落度经时损失小，以及成本和环保等方面具有较大优势等特点，在高性能混凝土的施工中得到极大的应用。关于聚羧酸减水剂的作用机理目前尚未完全明确，主要形成了以“吸附-Zeta电位-分散”为主体的静电斥力和空间位阻效应两种理论，必须考虑多种作用机制进行综合分析。
本发明的具有低回弹率、高稳定性高强喷射混凝土强化剂可以通过下述制备方法制备，所述制备方法包括以下步骤：(1)将植物多糖于水浴中搅拌，使其充分溶胀，得到植物多糖溶液；(2)将六碳减水剂和两亲性CNF加入植物多糖溶液中快速搅拌，得到混合液；(3)将稻壳灰加入混合液中快速搅拌，得到强化剂。
在步骤(1)的植物多糖溶液制备中，植物多糖的质量分数需控制在0.1wt％-0.5wt％。若质量分数若低于0.1wt％，则所得分散液黏度过低，未能起到增稠作用，进而无法分散、悬浮和稳定稻壳灰等掺合料。较长时间放置下，容易导致强化剂分层、沉淀问题，影响性能；若质量分数高于0.5wt％，则溶胀后的分散液黏度过高，造成稻壳灰等掺合料添入后难以均匀分散，且搅拌需要耗费较大能量。
在步骤(2)中进行搅拌时搅拌速度为250r/min-300r/min，搅拌时间为5min-15min。一方面，若搅拌速度低且时间短，会导致搅拌不充分，无法均匀分散稻壳灰和两亲性CNF；另一方面，若较高速度下搅拌时间过长，容易在一定程度上造成对植物多糖溶液结构的破坏，进而无法起到悬浮稳定的作用。
高强喷射混凝土强化剂的稳定性可以通过相机实拍图直观地观察，进而应用旋转黏度计测试其在不同转速下的黏度，定量表征其稳定性。
对比例1：
本对比例提供一种具有高稳定性的混凝土强化剂，包括以下重量份的组分：稻壳灰560份，两亲性CNF30份，聚羧酸减水剂30份，魔芋葡甘聚糖0份，水380份。本对比例的混凝土强化剂的制备方法，具体步骤如下：
(1)将30g两亲性CNF和30g聚羧酸减水剂缓慢倒入380mL水中，以300r/min的转速快速混合搅拌10min，得到混合液；
(2)将稻壳灰缓慢倒入混合液中充分搅拌，得到强化剂。
实拍记录：将步骤(2)搅拌完成后的混凝土强化剂进行拍照记录，得到1天后的实拍图，结果见图1。从图中可以看出，静置仅仅一天，便出现明显固液分层现象，稻壳灰受重力作用下沉。
实施例1：
本实施例提供一种低回弹、高稳定性的高强喷射混凝土强化剂，包括以下重量份的组分：稻壳灰560份，两亲性CNF30份，聚羧酸减水剂30份，魔芋葡甘聚糖0.38份，水380份。本实施例的混凝土强化剂制备方法，具体步骤如下：
(1)将0.38g魔芋粉均匀分散于380mL水中，于60℃水浴中搅拌溶胀3h，充分溶胀后静置冷却至室温，得到质量分数为0.1wt％的魔芋葡甘聚糖溶液；
(2)将30g两亲性CNF和30g聚羧酸减水剂倒入魔芋葡甘聚糖溶液，以300r/min的转速快速混合搅拌8min，得到混合液；
(3)将稻壳灰倒入混合液中充分搅拌，得到强化剂。
实拍记录：将步骤(3)搅拌完成后的混凝土强化剂进行拍照记录，分别得到1天、7天、15天后的实拍图，结果见图2a-c。从图中可以观察到，相比于静置1天，静置7天的强化剂液面基本维持不变；而静置15天后，强化剂液面也仅出现轻微下降，展现出高稳定性。
黏度测试：使用旋转黏度计，分别设置转速为20、50、100、150和200rpm，对步骤(3)搅拌完成后的混凝土强化剂进行黏度测试，结果见图2d。测试结果得到，相比于静置1天，静置7天和15天的强化剂在同一转速下的黏度小幅度下降，但未出现显著性差异；随转速增大，强化剂呈现一致的剪切变稀特性，黏度下降趋势一致，表明掺合料稻壳灰静置数天后仍保持均匀分散，强化剂维持高稳定性。
实施例2：
本实施例提供一种具有低回弹、高稳定性的高强喷射混凝土强化剂，包括以下重量份的组分：稻壳灰520份，两亲性CNF20份，聚羧酸减水剂20份，魔芋葡甘聚糖0.88份，水440份。
本实施例的混凝土强化剂制备方法，具体步骤如下：
(1)将0.88g魔芋粉均匀分散于440mL水中，于80℃水浴中搅拌溶胀2h，充分溶胀后静置冷却至室温，得到质量分数为0.2wt％的魔芋葡甘聚糖溶液；
(2)将20g两亲性CNF和20g聚羧酸减水剂倒入魔芋葡甘聚糖溶液中，以260r/min的转速快速混合搅拌15min，得到混合液；
(3)将520g稻壳灰倒入混合液中充分搅拌，得到强化剂。
实拍记录：将步骤(3)搅拌完成后的混凝土强化剂进行拍照记录，分别得到1天、7天、15天后的实拍图，结果见图3a-c。从图中可以观察到，相比于静置1天，静置7天的强化剂液面基本维持不变；而静置15天后，强化剂液面也仅出现轻微下降，但下降幅度小于实施例1，展现出高稳定性。
黏度测试：使用旋转黏度计，分别设置转速为20、50、100、150和200rpm，对步骤(3)搅拌完成后的混凝土强化剂进行黏度测试，结果见图3。测试结果得到，相比于静置1天，静置7天和15天的强化剂在同一转速下的黏度均基本一致，未出现显著性差异；随转速增大，强化剂呈现一致的剪切变稀特性，黏度下降趋势一致，表明强化剂中稻壳灰静置数天后仍保持均匀分散，强化剂维持高稳定性。
低回弹高强喷射混凝土强化剂的使用方法如下：将水泥，砂，水与本强化剂按比例混合混匀后，与速凝剂联用，用于喷射混凝土的实施过程。本强化剂含量占混凝土用总胶凝材料(胶凝材料指水泥)重量的5％。
对添加高强喷射混凝土强化剂(实施例2)的喷射混凝土进行性能检测，检测内容、检测方法及检测结果如下：
1.速凝性能检测，参照《喷射混凝土用速凝剂》JC477-2005和《铁路混凝土工程施工质量验收标准》TB10424-2010，检测结果见表1。
表1速凝性能检测结果
2.减水性能检测，参照《混凝土外加剂》GB8076-2008、《混凝土外加剂匀质性试验方法》GB8077-2012和《铁路混凝土工程施工质量验收标准》TB10424-2010，检测结果见表2。
表2减水性能检测结果
3.耐久性检测，检测结果见表3。
表3耐久性检测结果
4.防腐性能检测
参照《混凝土抗硫酸盐类侵蚀防腐剂》JC/T 1011-2006，检测结果见表4。
表4防腐性检测结果
将高强喷射混凝土强化剂用于喷射混凝土中，具体配比见表5。
表5喷射混凝土配方
对上述喷射混凝土进行现场试验得出以下明显优势：
(1)早期强度提高，凝结时间短。上述喷射混凝土2h抗压强度可达1.8MPa，1d抗压强度则高于20MPa，效果大大好于原喷射混凝土的强度(2h和24h时抗压强度分别为1MPa和10MPa)。并且其初凝和终凝时间分别为2.1min和4.1min，凝结速度快。
(2)粘结力增强。经过现场试验喷射混凝土，其粘结力可达2.6MPa以上，一次喷射厚度可达0.5m。原喷射混凝土的粘结力只有0.6MPa。
(3)回弹率降低。由于存在上述优势，相比原喷射混凝土的回弹率(18％左右)，该喷射混凝土回弹率可控制在2％左右。
(4)后期强度增加。上述喷射混凝土28d抗压强度可达到79.5MPa。
本发明的低回弹高强喷射混凝土强化剂的具体使用方法如下：
(1)按配方将水泥、砂、低回弹高强喷射混凝土强化剂和水投入强制式拌合机中搅拌均匀，然后使用砼罐车运输至工作面，放入喷射台车的料机斗中并压送到喷头处。
(2)将速凝剂加进喷射台车喷头处混合均匀，用湿喷工艺喷射到岩壁上。其中，喷射过程采用“自下而上，由外至里”的喷射顺序进行。
(3)进行数据采集、计算、分析。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
