一种加快水化速率的水泥增强剂
技术领域
本发明涉及水泥外加剂技术领域，尤其涉及一种加快水化速率的水泥增强剂及其制备方法。
背景技术
近几年来，随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，城市化进程的推进，现代城市基础建筑工程项目发展迅速，作为基础建筑工程项目中使用量最大的一种建筑材料，水泥市场需求量非常大，特别是随着现代建筑向高强、高耐久性趋势发展，对水泥的质量和用量都提出了更高的要求。如何在保证建筑物高强、高耐久性的前提下减少水泥用量成为建筑业迫切解决的难题。
在水泥中添加水泥增强剂是解决上述问题的有效途径。水泥增强剂是一种在硅酸盐系列水泥生产过程中，能够提高水泥强度，降低水泥生产成本，节省矿产资源和能源的一种外加剂。目前，市场常用的水泥增强剂主要有无机盐和有机两大类，无机盐类主要有氯盐、硫酸盐、硝酸盐，这三种盐类早强剂掺入量较大，达到水泥质量的3％-5％，这些早强剂的加入虽然可以提高水泥强度，但对混凝土耐久性及与钢筋等其它材料产生不利影响。有机类增强剂用量较少，但价格昂贵，而且存在质量不稳定，易失效等弊病。除此之外，现有技术中的水泥增强剂还或多或少存在性能稳定性差，生产成本较高，能耗较大，由于具有吸水膨胀性容易引起水泥内部的膨胀，进而产生内应力导致微小裂纹的存在，引起水泥制品耐久性的下降的缺陷。
申请号为201310441894.3的中国发明专利公开了一种水泥增强剂，其组分按重量百分比包括：沸石粉8-18份，沉淀硫酸钡15-22份、滑石粉8-12份、硅藻土粉30-38份、硼砂13-21份、丙烯酰胺9-14份、木质素磺酸钙9-21份、乙酸钠4-7份、乙二醇9-18份、尿素2-4份、水48-62份。该发明较大幅度地提高了水泥体的强度、水泥与其他介质的胶结强度。但该矿物增强剂也用到丙烯酰胺、木质素磺酸钙、乙二醇、尿素等较多化学试剂，增强剂在存放时间较长的条件下易产生质量不稳定的弊病。
因此，开发一种可显著加快水泥的水化反应速率，提高水泥的强度，改善水泥耐候性能，大幅节能降耗、与水泥混合材和混凝土外加剂适应性良好的水泥增强剂符合市场需求，具有广泛的市场价值和应用前景，对促进水泥外加剂行业的发展具有非常重要的意义。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供一种加快水化速率的水泥增强剂及其制备方法，该制备方法简单易操作，对设备和反应条件要求不高，耗能低，适合连续规模化生产，具有较高的经济价值、社会价值和生态价值；制备得到的水泥增强剂可显著加快水泥的水化反应速率，提高水泥的强度，改善水泥耐候性能，大幅节能降耗、与水泥混合材和混凝土外加剂适应性良好。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种加快水化速率的水泥增强剂，其特征在于，由如下重量份计的组分组成：稀土基量子点复合纳米纤维素0.5-2份、端羟基超支化聚胺-酯10-20份、1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯/2,6-二氨基嘌呤核苷缩聚物3-8份、碳化硅纳米纤维1-3份、硫酸渣5-10份、乳化剂1-3份、氮位-三甲氧基硅基丙基-氮,氮,氮位-三甲基氯化铵0.5-1.5份、水35-45份。
优选的，所述乳化剂为硬脂酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钙中的至少一种。
优选的，所述硫酸渣的粒径为300-500目。
优选的，所述碳化硅纳米纤维的平均直径为50-150nm。
进一步的，所述1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯/2,6-二氨基嘌呤核苷缩聚物的制备方法，包括如下步骤：将1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯、2,6-二氨基嘌呤核苷加入到有机溶剂中，在75-85℃下搅拌反应6-10小时，后旋蒸除去溶剂，得到1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯/2,6-二氨基嘌呤核苷缩聚物。
优选的，所述1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯、2,6-二氨基嘌呤核苷、有机溶剂的摩尔比为1:1:(8-12)。
优选的，所述有机溶剂为四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的任意一种。
优选的，所述稀土基量子点复合纳米纤维素为将稀土基量子点与纳米纤维素溶于溶剂反应得到的稀土基量子点复合纳米纤维素，其制备方法参见申请号为201710090850.9的中国发明专利实施例1。
优选的，所述端羟基超支化聚胺-酯为在合成聚氨酯浆料的过程中加入超支化聚胺-酯溶液生成的一种末端为羟基封端的超支化聚胺-酯，其制备方法参见申请号为201610144235.7的中国发明专利实施例1。
本发明的另一个目的，在于提供一种所述水泥增强剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将各组分按重量份混合均匀，再在50-60℃下搅拌1-3小时，即可得到成品水泥增强剂。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
(1)本发明提供的水泥增强剂的制备方法，该制备方法简单易操作，对设备和反应条件要求不高，耗能低，适合连续规模化生产，具有较高的经济价值、社会价值和生态价值。
(2)本发明提供的水泥增强剂，克服了现有技术中的水泥增强剂或多或少存在着的性能稳定性差，生产成本较高，能耗较大，由于具有吸水膨胀性容易引起水泥内部的膨胀，进而产生内应力导致微小裂纹的存在，引起水泥制品耐久性的下降的缺陷，具有可显著加快水泥的水化反应速率，提高水泥的强度，改善水泥耐候性能，大幅节能降耗、与水泥混合材和混凝土外加剂适应性良好的优点。
(3)本发明提供的水泥增强剂，稀土基量子点复合纳米纤维素的引入，由于量子点优异的性能稳定性，不受水泥环境强碱性、高离子浓度及搅拌中的砂石剪切影响，均匀分布在水泥基材料中后可以起到阻隔作用，可以有效阻止各种有害介质如氯离子、二氧化碳、硫酸根离子入侵造成的侵蚀破坏，实现了混凝土抗劣化耐久性能的提升。纤维素结构上含有较多极性极强的羟基，能够强烈吸附在水泥颗粒表面，使凝胶悬浮体稳定性和分散性增加，延缓水泥的水化、降低了水泥的水化速度，利于硬化浆体早期密实结构的形成，利于水泥强度的发展。
(4)本发明提供的水泥增强剂，端羟基超支化聚胺-酯、1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯/2,6-二氨基嘌呤核苷缩聚物和氮位-三甲氧基硅基丙基-氮,氮,氮位-三甲基氯化铵协同作用，能有效提高水泥产品的强度、改善水泥产品的耐候性能、降低水泥产品的碳化深度，促进和加快水泥的水化速度，调控水泥水化产物形成规整有序结构，使得应用发明涉及产品的水泥具有不泛霜、强度高的优点。1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯/2,6-二氨基嘌呤核苷缩聚物能在碱性条件下酯水解形成羧酸盐，起到缓释减水作用，有效改善水泥的综合性能。
(5)本发明提供的水泥增强剂，碳化硅纳米纤维和硫酸渣的添加，能够大大提高水泥的可塑性、可减水，使制品结构好、强度高，能调节水泥地最佳凝结时间，加快了设备利用率的周期和提高劳生产率；使用工业固体废弃物硫酸渣，实现废弃资源回收再利用，变废为宝，有效实现了经济效益、社会效益和生态效益三者的有机统一。
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述特征、目的以及优点更加清晰易懂，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明下述实施例中涉及到的所述稀土基量子点复合纳米纤维素的制备方法参见申请号为201710090850.9的中国发明专利实施例1；所述端羟基超支化聚胺-酯的制备方法参见申请号为201610144235.7的中国发明专利实施例1；其他原料均为商业购买。
实施例1
一种加快水化速率的水泥增强剂，由如下重量份计的组分组成：稀土基量子点复合纳米纤维素0.5份、端羟基超支化聚胺-酯10份、1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯/2,6-二氨基嘌呤核苷缩聚物3份、碳化硅纳米纤维1份、硫酸渣5份、硬脂酸钠1份、氮位-三甲氧基硅基丙基-氮,氮,氮位-三甲基氯化铵0.5份、水35份。
所述硫酸渣的粒径为300目；所述碳化硅纳米纤维的平均直径为50nm。
所述1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯/2,6-二氨基嘌呤核苷缩聚物的制备方法，包括如下步骤：将1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯、2,6-二氨基嘌呤核苷加入到四氢呋喃中，在75℃下搅拌反应6小时，后旋蒸除去溶剂，得到1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯/2,6-二氨基嘌呤核苷缩聚物；所述1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯、2,6-二氨基嘌呤核苷、四氢呋喃的摩尔比为1:1:8。
所述加快水化速率的水泥增强剂的制备方法，包括如下步骤：将各组分按重量份混合均匀，再在50℃下搅拌1小时，即可得到成品水泥增强剂。
实施例2
一种加快水化速率的水泥增强剂，由如下重量份计的组分组成：稀土基量子点复合纳米纤维素0.8份、端羟基超支化聚胺-酯12份、1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯/2,6-二氨基嘌呤核苷缩聚物4份、碳化硅纳米纤维1.5份、硫酸渣6份、十二烷基硫酸钠1.5份、氮位-三甲氧基硅基丙基-氮,氮,氮位-三甲基氯化铵0.8份、水38份。
所述硫酸渣的粒径为350目；所述碳化硅纳米纤维的平均直径为80nm。
所述1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯/2,6-二氨基嘌呤核苷缩聚物的制备方法，包括如下步骤：将1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯、2,6-二氨基嘌呤核苷加入到N,N-二甲基甲酰胺中，在78℃下搅拌反应7小时，后旋蒸除去溶剂，得到1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯/2,6-二氨基嘌呤核苷缩聚物；所述1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯、2,6-二氨基嘌呤核苷、N,N-二甲基甲酰胺的摩尔比为1:1:9。
所述加快水化速率的水泥增强剂的制备方法，包括如下步骤：将各组分按重量份混合均匀，再在53℃下搅拌1.5小时，即可得到成品水泥增强剂。
实施例3
一种加快水化速率的水泥增强剂，由如下重量份计的组分组成：稀土基量子点复合纳米纤维素1.3份、端羟基超支化聚胺-酯15份、1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯/2,6-二氨基嘌呤核苷缩聚物5.5份、碳化硅纳米纤维2份、硫酸渣7.5份、十二烷基苯磺酸钙2份、氮位-三甲氧基硅基丙基-氮,氮,氮位-三甲基氯化铵1份、水40份。
所述硫酸渣的粒径为400目；所述碳化硅纳米纤维的平均直径为100nm。
所述1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯/2,6-二氨基嘌呤核苷缩聚物的制备方法，包括如下步骤：将1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯、2,6-二氨基嘌呤核苷加入到N,N-二甲基乙酰胺中，在80℃下搅拌反应8小时，后旋蒸除去溶剂，得到1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯/2,6-二氨基嘌呤核苷缩聚物；所述1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯、2,6-二氨基嘌呤核苷、N,N-二甲基乙酰胺的摩尔比为1:1:10。
所述加快水化速率的水泥增强剂的制备方法，包括如下步骤：将各组分按重量份混合均匀，再在55℃下搅拌2小时，即可得到成品水泥增强剂。
实施例4
一种加快水化速率的水泥增强剂，由如下重量份计的组分组成：稀土基量子点复合纳米纤维素1.8份、端羟基超支化聚胺-酯18份、1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯/2,6-二氨基嘌呤核苷缩聚物7份、碳化硅纳米纤维2.8份、硫酸渣9份、乳化剂2.5份、氮位-三甲氧基硅基丙基-氮,氮,氮位-三甲基氯化铵1.4份、水43份。
所述乳化剂为硬脂酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钙按质量比1:3:2混合而成；所述硫酸渣的粒径为480目；所述碳化硅纳米纤维的平均直径为140nm。
所述1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯/2,6-二氨基嘌呤核苷缩聚物的制备方法，包括如下步骤：将1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯、2,6-二氨基嘌呤核苷加入到N-甲基吡咯烷酮中，在83℃下搅拌反应9小时，后旋蒸除去溶剂，得到1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯/2,6-二氨基嘌呤核苷缩聚物；所述1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯、2,6-二氨基嘌呤核苷、N-甲基吡咯烷酮的摩尔比为1:1:11。
所述加快水化速率的水泥增强剂的制备方法，包括如下步骤：将各组分按重量份混合均匀，再在58℃下搅拌2.8小时，即可得到成品水泥增强剂。
实施例5
一种加快水化速率的水泥增强剂，由如下重量份计的组分组成：稀土基量子点复合纳米纤维素2份、端羟基超支化聚胺-酯20份、1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯/2,6-二氨基嘌呤核苷缩聚物8份、碳化硅纳米纤维3份、硫酸渣10份、硬脂酸钠3份、氮位-三甲氧基硅基丙基-氮,氮,氮位-三甲基氯化铵1.5份、水45份。
所述硫酸渣的粒径为500目；所述碳化硅纳米纤维的平均直径为150nm。
所述1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯/2,6-二氨基嘌呤核苷缩聚物的制备方法，包括如下步骤：将1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯、2,6-二氨基嘌呤核苷加入到N,N-二甲基甲酰胺中，在85℃下搅拌反应10小时，后旋蒸除去溶剂，得到1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯/2,6-二氨基嘌呤核苷缩聚物；所述1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯、2,6-二氨基嘌呤核苷、N,N-二甲基甲酰胺的摩尔比为1:1:12。
所述加快水化速率的水泥增强剂的制备方法，包括如下步骤：将各组分按重量份混合均匀，再在60℃下搅拌3小时，即可得到成品水泥增强剂。
对比例1
本例提供一种水泥增强剂，其制备方法和配方与实施例1基本相同，不同的是，没有添加稀土基量子点复合纳米纤维素。
对比例2
本例提供一种水泥增强剂，其制备方法和配方与实施例1基本相同，不同的是，没有添加端羟基超支化聚胺-酯和1,4-环己烷二甲醇双(3,4-环氧环己烷甲酸)酯/2,6-二氨基嘌呤核苷缩聚物。
对比例3
本例提供一种水泥增强剂，其制备方法和配方与实施例1基本相同，不同的是，没有添加碳化硅纳米纤维和硫酸渣。
对比例4
本例提供一种水泥增强剂，其制备方法和配方与实施例1基本相同，不同的是，没有添加氮位-三甲氧基硅基丙基-氮,氮,氮位-三甲基氯化铵。
为了进一步说明本发明实施例的有益技术效果，对实施例1-5及对比例1-4各例制备得到的水泥增强剂进行相关性能测试，测试结果见表1，测试方法如下：将上述实施例1-5和对比例1-4的水泥增强剂添加至市面可购买的普通硅酸盐水泥当中，添加量为0.5％；然后按照GB%20175-2007标准进行相关测试，其中，对照组是没有添加水泥增强剂的同批次普通硅酸盐水泥。
从表1可见，本发明实施例公开的加快水化速率的水泥增强剂，与对比例中的水泥增强剂相比，具有更加优异的增强效果，这是各组分协同作用的结果。
表1
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
