[发明专利]用于硅酸盐水泥混凝土的经表面处理的添加剂

说明书

发明的领域

本发明涉及混入包含硅酸盐水泥和水的粘结化合物(cementitious compound)中的添加剂。本发明还涉及制备该添加剂的方法和制备包含硅酸盐水泥、水和添加剂的粘结化合物的方法。

发明的背景

混凝土这种粘结化合物被认为是一种在世界上有最多用途和最广泛被制造的建筑材料。混凝土是一种凝胶(gel)，是由灰泥和骨料(aggregate)组成的颗粒增强的陶瓷-基体复合材料。灰泥通常由水硬水泥(如硅酸盐水泥熟料)、水和砂一同组成。因此在混凝土中，在由水泥熟料和水组成的硅酸盐水泥浆料多相基体中砂和石头成为了分散颗粒。

硅酸盐水泥熟料是相对无水的，因此它往往具有与水的亲合力。因此，当水加入熟料中时熟料与水反应形成水泥浆料。在水泥浆料中能发现这一反应的化学产物，它向混凝土提供了强度和粘结性。随着时间推移，水泥还产生更多的反应产物。因此，粘结化合物或水泥的强度和粘结性通常随着时间的推移而提高。

已知，虽然混凝土在压缩下较坚固，但是它在张力下往往会较弱一些，在弯曲下也是如此。尽管在混凝土中增加水泥熟料或辅助性的粘结材料的用量(如下所述)会提高混凝土的拉伸和弯曲强度，同时也提高压缩强度，但是这往往在成本上是不允许的，并且会在保持所需的水/水泥比上产生问题。例如，已知在常规混凝土中弯曲强度往往约为压缩强度的15％或1/7。因此，弯曲强度每增加一个所需的强度单位(如1Mpa)，压缩强度必须增加7个强度单位(7Mpa)。

结果，工业上寻求其它途径来增强混凝土以提高其强度，尤其是其拉伸强度和弯曲强度。一种方法是向混凝土中混入钢筋以得到所需的拉伸强度和弯曲强度。混凝土提供了强碱环境以与钢筋相容，还提供了物理屏障将钢筋与外界环境隔开。

近年来，工业上研制了许多添加剂，加入或混入混凝土中以提高混凝土的各种性能，包括其拉伸、弯曲和压缩的强度。提高强度的添加剂是固体，它们往往是惰性或反应性的，惰性添加剂只是存在于混凝土中以提高其强度，而反应性添加剂参与形成那些向混凝土提供强度和其它所需性能的反应产物。

废产物，如飞灰、高炉矿渣和凝聚的二氧化硅飞粉(condensed silica fume)，是一类通常加入混凝土中的用来提高强度的反应性添加剂。这些废产物的加入往往会减少制备混凝土的混合物中水泥的所需量，这可以节约成本。而且，除此之外几乎无用的这些废产物，变得有用了，因此这些废产物混入有用的产品中而不再需要处理也有利于环境。然而，也许最显著的是，混凝土的性能(尤其是其强度)往往会显著地提高。

然而，许多添加剂(包括上述废产物)是硅酸盐，这些硅酸盐往往是不同程度亲水的。结果，使用这些添加剂通常需要增加混凝土的水含量。此外，废产物通常是细粒或非常细粒的粉末，由于它们较大的表面积也会增加混凝土的需水量。因此，当这些添加剂加入混凝土中时，通常必须加入较大量的水，这使得混凝土的水/水泥比增加。为了适当地水化混凝土以使其成为可施工的(workable)，需要最低限度的水/水泥比，或者较佳范围的水/水泥比。然而，较好的是使得任何过量的水最小化，因为太高的水/水泥比会降低混凝土的强度，并对其性能有其它不利影响。

水/水泥比(水质量与干燥水泥质量的比)是决定硬化混凝土性能的最重要的参数。理论上，熟料完全水化所需的水/水泥比约为0.23。然而，混凝土的凝胶孔隙中所含水的总体积使得所需水含量增加了约0.19，这使得完全水化所需的总的最小水/水泥比的理论值约为0.42。然而实际上，由于多种因素，通常需要额外的水来制得可施工的混合物。必须根据混凝土中过量水和高水/水泥比的已知不利影响来仔细考虑制得可施工的混合物所需的水/水泥比。

混合物中任何过量的水容易存在于初始水泥颗粒之间和水泥与任何骨料之间的空隙内。这些空隙并未被凝胶完全填满，而是形成了含水的“毛细管孔隙”网络。如上所述，需要向混凝土中加入足够的水以得到可施工的混合物，同时使得毛细管孔隙最小化。因此，需要在混凝土的可施工性和毛细管孔隙对混凝土性能的不利影响这两方面之间建立平衡。然而，由于许多添加剂本有的亲水性，与存在毛细管孔隙有关的问题和与得到“恰当”平衡有关的问题通常会变得更差，因为添加剂往往需要加入更多的水以得到可施工的混凝土。随着细粒添加剂的百分数增加，通常需要更多的水以得到可施工的混合物，因此水/水泥比又升高了。