[发明专利]一种具有早强及缓释固化氯离子功能的Ca-Al-聚羧酸减水剂及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有早强及缓释固化氯离子功能的Ca‑Al‑聚羧酸减水剂及其制备方法，所述Ca‑Al‑聚羧酸减水剂由四水硝酸钙、九水合硝酸铝、硝酸钠、聚羧酸减水剂和水通过水热合成法制备得到，聚羧酸减水剂键合于层状结构的钙铝化合物骨架之间。本发明提供的Ca‑Al‑聚羧酸减水剂作为混凝土氯离子固化剂使用，能够实现对氯离子的长效固化，且不会引入其他金属离子和有害组分，对水泥基材料安全无害，固化氯离子性能持久稳定。

技术领域

本发明属于使用有机材料作为砂浆、混凝土或人造石的有效成分的混凝土技术领域，具体涉及一种具有早强及缓释固化氯离子功能的Ca-Al-聚羧酸减水剂及其制备方法。

背景技术

近年来，随着全球气候变暖，可再生资源逐步减少，海洋资源的开发利用成为各国关注的焦点。实现深远海岛礁基础设施建设，对于海洋资源勘探发掘具有重要意义。

目前，在深远海岛礁基础设施建设中所用的海工混凝土原材料包括砂石骨料等主要来源于内陆运输。不仅运输距离远，影响了海洋工程建设周期，而且优质原料供应紧张，成本昂贵，极大地耗费物力财力。采用海砂、珊瑚砂等当地海洋资源替代陆运骨料是解决此问题的有效途径。然而，海砂、珊瑚砂等骨料引入钢筋混凝土中，其携带的大量自由氯离子将会加速钢筋表面电化学腐蚀，增加钢筋锈蚀风险。

对此，相关学者提出了淡水清洗脱氯、环氧钢筋主动保护、表面涂层防护、电化学阴极保护等技术，可在一定程度上降低钢筋锈蚀风险，但依然存在耐用性不强，成本及维护费用较高等诸多问题。而氯离子固化技术通过在水泥基材料中添加化学外加剂和矿物外加剂等方式，提升对自由氯离子的吸附和捕捉能力，工艺简单，固化效果显著，被认为是最具潜力的解决方法。该方法通过物理吸附和化学结合等作用方式，提升水泥基材料对于内部自由氯离子的固化能力，使自由氯离子转变为非自由氯离子，有效降低甚至消除自由氯离子导致钢筋锈蚀风险。

相关研究表明，化学固化是实现氯离子固化最有效的方式。此方式利用水泥基材料水化过程中产生的钙铝结构层([Ca₂Al(OH)₆·2H₂O]⁺)，结合自由氯离子，形成Friedel盐([Ca₂Al(OH)₆·2H₂O]₂·Cl₂·4H₂O)或Kuzel盐([Ca₂Al(OH)₆·2H₂O]₂·Cl·1/2SO₄·4H₂O)，显著提高氯离子固化能力。现有化学固化主要通过使用活性富铝掺合料(如无机外加剂氢氧化铝、有机外加剂三异丙醇胺和矿物掺合料偏高岭土、活性粉煤灰等)来实现，能够为体系提供更多的铝相，形成更多的钙铝结构层([Ca₂Al(OH)₆·2H₂O]⁺)，有效结合自由氯离子，促进Friedel盐或Kuzel盐的生成。

然而，活性富铝掺合料的处理和使用，常以提升混凝土28天前氯离子固化能力为主要目的(如CN 108341606 B)，无法满足混凝土长龄期服役使用的工作需求。此外，富铝掺合料的加入常常伴随有流动性差、凝结时间过快的问题，而聚羧酸减水剂(PCE)因其减水效果显著常用于调节水泥基材料凝结时间。高效减水剂的掺入虽然可以使基准混凝土的坍落度显著提高，却导致了其相比一般混凝土具有更严重的坍落度经时损失，制约了混凝土的高性能化。同时，聚羧酸减水剂的直接加入常伴随着分散不均匀，易被吸附失效的问题。特别是加入偏高岭土等粘土类矿物掺合料中更容易产生吸附失效的问题。这将显著降低PCE减水效力，提升工程成本。聚羧酸减水剂常规掺量使用时，因减水剂作用时间有限，混凝土流动性保持时间因此受限。而直接过高掺量使用时，虽然能够显著降低用水量，但会抑制水泥基材料的水化，不利于早期强度的发展。