[发明专利]用于水泥组合物的抗冻融损伤和抗剥落损伤的掺加剂和方法

说明书

本发明提供了一种抗冻融损伤和抗剥落损伤(scaling damage resistance)的掺加剂和一种制备抗冻融损伤和抗剥落损伤的水泥组合物的方法。

冻融循环对水饱和的硬化水泥组合物，例如混凝土是极具危害的。预防和减少所致损伤的最常见的技术为在组合物中纳入微小细孔或孔隙。这些细孔或孔隙起到内部膨胀室的作用并且因而能够通过减缓由冻融循环引发的水压变化而保护组合物免于冻融损伤。用于在水泥组合物中制造这类孔隙的常规方法是通过将加气剂引入到组合物中，加气剂稳定混合过程中在组合物中残留的小的空气气泡。

不幸的是，这种在水泥组合物中产生空气孔隙的方法受多个生产和布局问题的困扰，其中某些问题如下：

空气含量：如果空气含量随时间下降，水泥组合物的空气含量的变化会引起组合物的抗冻融损伤性较差，或如果空气含量随时间增加，水泥组合物的空气含量的变化会引起组合物的抗压强度降低。实例是泵送水泥组合物(通过压缩来降低空气含量)、现场添加超增塑剂(通常提高空气含量或扰乱空气孔隙系统)、以及特定掺加剂与加气表面活性剂的相互作用(其可增加或降低空气含量)。

空气孔隙稳定化：未能使气泡稳定化可能是由于存在能吸收稳定性表面活性剂的材料而引起，即具有高表面积碳或不足水分的粉煤灰会使表面活性剂不能适当起作用，也即成为低塌落度混凝土。

空气孔隙特性：太大而无法对抗冻融损伤的气泡的形成可能是较差品质或劣级骨料(aggregate)、使用其他使气泡不稳定的掺加剂等的结果。这样的孔隙通常不稳定且倾向于浮在新鲜混凝土的表面。

过度终饰(overfinishing)：通过过度终饰除去空气，将空气从混凝土表面除去，通常由于接近过度终饰表面的水泥浆卸载区(detrained zone)的剥落导致事故。

在混合时产生和稳定空气以及确保其直到水泥组合物硬化对仍保持在合适的量与空气孔隙尺寸对北美的水泥组合物生产者而言仍是最大的日常挑战。带入到水泥组合物的空气孔隙系统的空气含量和特性无法通过直接量化方法控制，而是可通过添加到组合物的加气剂的数量和/或类型间接控制。如骨料的组成和颗粒形状、混合料中水泥的类型和数量、水泥组合物的稠度、使用的混合器的类型、混合时间以及温度的因素都影响加气剂的性能。在普通的加气混凝土中的孔隙尺寸分布可显示出非常宽的变化范围，在10-3,000微米(μm)或更多之间。在这样的水泥组合物中，除了对于抗冻融损伤循环是至关重要的小孔隙外，更大的孔隙的存在——其对水泥组合物的耐用性几乎没有影响并可降低所述组合物的强度——被视为不可避免的特征。

加气剂已经显示出可提供抗冻融损伤性，以及抗剥落损伤性，其当因任何原因(某些原因在上文已经讨论过)而使硬化的水泥组合物的表面发生脱离而产生。然而，因为常规加气剂遭遇上文讨论过的问题，因此水泥组合物工业正寻求新的且更好的掺加剂以提供目前由常规加气剂所提供的性能。

近期的研发是使用聚合物微球以在水泥组合物内部建立可控尺寸的孔隙。然而，仍在进行研发以改善聚合物微球在水泥组合物内的作用，以及减少在水泥组合物中包含聚合物微球的成本。

已经发现，虽然与常规加气剂相比，聚合物微球能够提供相似或更好的抗冻融损伤性，但聚合物微球可能无法提供常规加气剂所能提供的抗剥落损伤性。水泥组合物的抗冻融损伤性通过ASTM C-666进行测试，在冻融循环过程中的抗剥落损伤性通过ASTM C-672进行测试，两者都以参引的方式并入本说明书中。

此外，为了提供适宜尺寸的空气孔隙，聚合物微球在掺入到水泥组合物前需要被膨胀。膨胀后，可膨胀的聚合物微球可具有高达约75倍的未膨胀的微球的体积。提供包含膨胀的聚合物微球的水泥组合物掺加剂可能是昂贵的，这是由于与运输包含高容量的膨胀微球的掺加剂，尤其是如果以可包含大量水的水性浆料方式提供的掺加剂相关的高昂的运输成本。

所需要的是一种水泥组合物掺加剂，其含有聚合物微球和任选地其他组分，该组分提供足够的抗冻融损伤性和/或抗剥落损伤性，以及一种以合理的价格将聚合物微球加入水泥组合物的方法。

提供了用于水泥组合物的抗冻融损伤和/或抗剥落损伤的掺加剂，其包含含有非水溶性高吸水性聚合物和可膨胀的聚合物微球的水性浆料。还提供了一种制备抗冻融损伤和/或抗剥落损伤的水泥组合物的方法，其包括形成水硬性水泥和掺加剂的混合物，所述掺加剂含有非水溶性高吸水性聚合物和膨胀的聚合物微球的水性浆料。