水泥材料的添加劑的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水泥材料的氣體夾帶，具體涉及使用納米原纖纖維素(NFC)作為氣體 夾帶穩(wěn)定劑以提供改善的氣孔結(jié)構(gòu)質(zhì)量和/或水泥材料的穩(wěn)定性和/或?qū)τ诤孔兓?穩(wěn)健性。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于水的冷凍和膨脹，凍-融循環(huán)可引起混凝土和其它硬化的水泥材料的損壞。當(dāng) 這樣的硬化材料表現(xiàn)為固體時(shí)它們是多孔的，其具有小毛細(xì)管，這是由于在所述材料的固 化過程中超過水合反應(yīng)所需要的水的蒸發(fā)形成的。水泥顆粒水合所不需要的過量的水蒸 發(fā)，在其位置中留下了小孔。隨后環(huán)境水可填滿這些空隙。在凍-融循環(huán)過程中，占據(jù)了那些 孔的水膨脹并對結(jié)構(gòu)形成拉伸力而導(dǎo)致混凝土的裂紋、裂縫和表面剝落(scaling)。由于在 生產(chǎn)中使用的額外水能使生產(chǎn)階段的混凝土具有和易性，因此混凝土可含有10%的水毛細(xì) 管。為了霜凍損壞發(fā)生，混凝土必須是幾乎飽和的，這意味這毛細(xì)管需要填滿水。
[0003] 混凝土的氣體夾帶，具體為空氣夾帶，增加了硬化的混凝土在氣候中經(jīng)受凍-融循 環(huán)的耐久性。此外，當(dāng)在塑性狀態(tài)中，其增加了混凝土的和易性。在空氣夾帶的混凝土中，空 氣空隙以這樣的方式形成:它們以規(guī)律的間隔和所述毛細(xì)管相交。優(yōu)選地，從毛細(xì)管體系中 任何點(diǎn)至最近的空氣泡的表面的最大距離(空隙間隔因子)為〇.2mm。當(dāng)混凝土變濕潤時(shí)，水 會通過毛細(xì)管引力最終到達(dá)毛細(xì)管體系，而空氣間隙的大多數(shù)部分仍是空的。當(dāng)在毛細(xì)管 中的水開始冷凍時(shí)，所述毛細(xì)管體系中的壓力升高。在壓力達(dá)到會引起裂紋的程度之前，水 被迫進(jìn)入所述空氣間隙中而壓力下降。
[0004] 水泥材料的良好且穩(wěn)健的氣體夾帶由在混合材料過程中形成小氣孔，和固化前這 些孔的高穩(wěn)定性，即由構(gòu)建(sett ing)和硬化組成。穩(wěn)健的氣體夾帶是指在混凝土生產(chǎn)中水 含量可有一些變化，但不會在氣孔結(jié)構(gòu)中引起任何明顯的變化。
[0005] 通過使用氣體夾帶劑或外加劑，具體為空氣夾帶劑或外加劑(AEA)，將其在混合過 程中加入，或?qū)⑵浒陬A(yù)先混合的水泥組合物中來達(dá)到氣體夾帶。夾帶的空氣在機(jī)械混 合含有AEA的新鮮水泥材料的過程中產(chǎn)生?；旌掀魅~片的剪切作用將空氣打碎進(jìn)入了氣泡 的細(xì)體系中，并且AEA像表面活性劑一樣起作用并幫助形成較小的空氣泡。簡單來說，混凝 土空氣夾帶是指在混凝土混合過程中，將小的、次毫米級氣孔(0.020-0.500mm)引入到新鮮 混凝土和水泥糊料(水+水泥）中（混凝土中為4-8體積％，水泥糊料中為13-25體積％ )。水泥 糊料的屈服值和粘度也對混凝土中的空氣的穩(wěn)定性有影響，高的屈服值和高的粘度使混凝 土中的空氣泡穩(wěn)定。氣體而不是空氣的夾帶可例如通過使用產(chǎn)生氣體(具體為氫氣）的化學(xué) 反應(yīng)劑，當(dāng)在混合過程中它們與水泥組合物中合適的組分和/或水反應(yīng)時(shí)來獲得。
[0006] 表面活性的AEA是常用的且廣泛用于生產(chǎn)空氣夾帶的混凝土以保護(hù)其免受霜凍作 用。不過，對于已知的AEA必須非常小心地選擇合適的環(huán)境以避免空氣含量以及新鮮和硬化 的水泥材料的質(zhì)量的大變化?？諝饪缀推渌鼩怏w孔由于浮力有上升的趨勢，導(dǎo)致在硬化的 水泥材料中氣體孔結(jié)構(gòu)中的非均相變化。通常由于增加了總空氣含量應(yīng)考慮這樣的分離。 氣體孔向水泥層的表面迀移會引起不利的結(jié)果，尤其是在將硬化的材料澆鑄在模具中用于 構(gòu)建和硬化的應(yīng)用中。通常在這些應(yīng)用中，會暴露于環(huán)境的最終表面是所述澆鑄物的底部。 所述底部會因?yàn)樯仙目諝馀荻哂休^差的空氣孔質(zhì)量，并會更易于由于凍-融循環(huán)而開 裂。
[0007] 有一些可能的方式來增加空氣含量穩(wěn)定性。可加入細(xì)顆粒，可使用市售穩(wěn)定劑，也 可通過選擇良好的混合設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方法來生產(chǎn)良好空氣孔結(jié)構(gòu)和足夠小的孔，只要可能并 且經(jīng)濟(jì)上可行。水泥材料的含水量也必須剛好足夠高以產(chǎn)生分離的且小的空氣泡。所有這 些方法可能可行，但是它們的效率、使用性和花費(fèi)會變化。通常沒有確保的方式以生產(chǎn)具有 所需性質(zhì)的良好氣體夾帶的水泥材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種用于水泥材料的氣體夾帶的方法，從而克服 上述問題。通過在水泥材料中使用作為氣體夾帶穩(wěn)定劑的納米原纖纖維素(NFC)、用于穩(wěn)定 水泥材料的氣體夾帶的方法、用于氣體夾帶的混凝土的制備方法、以及相對于具有改善的 空氣孔結(jié)構(gòu)質(zhì)量和/或穩(wěn)定性的氣體夾帶的水泥材料的含水量變化的具有改善的氣孔結(jié)構(gòu) 和/或質(zhì)量和/或穩(wěn)健性的硬化的氣體夾帶的水泥材料，來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所有這些特 征在獨(dú)立權(quán)利要求中陳述。從屬權(quán)利要求中公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。
[0009] 目前，實(shí)驗(yàn)已發(fā)現(xiàn)了改善水泥材料的氣體夾帶的穩(wěn)定性的方法。這可通過使用納 米原纖纖維素(NFC)獲得，所述納米原纖纖維素可在混合前加入到水泥組合物中。與至少一 種氣體夾帶劑或外加劑一起使用的NFC，可用于相對于各種水泥材料(包括空氣夾帶的混凝 土和泡沫或輕質(zhì)混凝土)的含水量變化改善氣孔結(jié)構(gòu)質(zhì)量和/或穩(wěn)定性和/或穩(wěn)健性。
[0010]為了提供相對于含水量變化而具有改善的氣孔結(jié)構(gòu)和/或質(zhì)量和/或穩(wěn)健性的硬 化的氣體夾帶的水泥材料，以水泥組合物中粘合劑的干重為基準(zhǔn)計(jì)，所述水泥組合物需要 含有至少0.01 % (w/w)的干NFGNFC的所需量取決于水泥糊料中水/水泥比以及NFC的特性。 在水泥糊料中混合NFC增加了水泥糊料的屈服值，并因此總體上防止了小氣泡的分離和/或 聚結(jié)。
[0011] 通過使用含有至少一種氣體夾帶劑的預(yù)先混合的水泥組合物，或通過現(xiàn)場混合水 泥糊料時(shí)引入氣體夾帶劑來生產(chǎn)硬化的氣體夾帶水泥材料。NFC可與氣體夾帶劑同時(shí)加入， 或如果氣體夾帶劑已經(jīng)預(yù)先混合了，NFC可在混合前或當(dāng)水泥糊料混合時(shí)加入。當(dāng)水泥糊料 已經(jīng)構(gòu)建并形成硬化的氣體夾帶水泥材料時(shí)，澆制的原始?xì)馀葑鳛榭障读粼诹怂鲇不?材料中。這通常被稱為空氣-空隙體系。NFC用作氣體夾帶的穩(wěn)定劑使得硬化的氣體夾帶水 泥材料在新鮮糊料和硬化的材料之間具有小的密度差異，并且硬化的材料的上部和下部的 密度大致相同。此外，氣孔的量和密度并不簡單取決于水泥糊料中水量的改變，即空氣夾帶 是穩(wěn)健的。
[0012] 硬化的材料的氣孔結(jié)構(gòu)質(zhì)量可由空氣-空隙體系的主要參數(shù)，即空氣含量、間隔因 子和空氣空隙的比表面積決定。此外，所述氣泡必須均勻分布在體系中。空隙間的相對距離 稱為間隔因子。間隔越小越好。比表面積，表述為平方毫米/立方毫米，表示氣泡的平均尺 寸。越大的比表面積表示越小的氣泡，這是需要的。
【附圖說明】
[0013] 在下文中，會參考附圖通過優(yōu)選的實(shí)施方式更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中：
[0014] 圖1說明了納米原纖纖維素水凝膠的Cryo-TEM圖像:天然不透明的（左邊)和透明 的氧化的納米原纖纖維素(右邊）；
[0015] 圖2說明了從原子力顯微圖像(AFM)測量的不同納米原纖纖維素 (NFC)等級的尺寸 分布；
[0016] 圖3說明了含有和不含有NFC的自密實(shí)混凝土(SCC)的總空氣含量和空氣孔結(jié)構(gòu)， 以及含水量變化的影響；
[0017] 圖4說明了含有不同量NFC的幾種SCC組合物的總新鮮混凝土空氣含量和薄部分空 氣含量；
[0018] 圖5說明了含有和不含有NFC的泡沫混凝土的新鮮混凝土密度；
[0019]圖6說明了含有和不含有NFC的泡沫混凝土的新鮮混凝土和硬化的混凝土的密度； [0020]圖7顯示了含有和不含有NFC的泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的顯微圖像。
[0021]發(fā)明詳述
[0022]本文所用的術(shù)語"納米原纖纖維素(NFC)"是指直徑在亞微米級范圍內(nèi)的分離的纖 維素纖維和纖維束。纖維和纖維束的尺寸取決于原材料和崩解方法。
[0023] 在NFC中使用的纖維素可從任何纖維素原料中獲得，所述纖維素原料基于含有纖 維素的任何植物材料、任何微生物纖維素、或可用于生產(chǎn)纖維素漿料、精制的漿料和NFC的 任何纖維素原料。
[0024] 植物材料可以是任何木材衍生的或非木材衍生的植物材料。所述木材可以選自軟 木(SW)樹，如云杉、松樹、歐洲冷杉、落葉松、花旗松和鐵杉，選自硬木(HW)樹，如樺樹、白楊、 楊樹、榿木、桉樹和刺槐，以及軟木和硬木的混合物。所述非木材植物材料可以選自農(nóng)業(yè)殘 料、草和來自棉花、玉米、小麥、燕麥、黑麥、大麥、稻、亞麻、大麻、馬尼拉麻、劍麻、黃麻、苧 麻、洋麻、西沙爾麻落麻(bagasse )、竹和蘆葦?shù)钠渌参锊牧希缃諚U、葉子、樹皮、種子、 殼、花、蔬菜和果實(shí)。
[0025] 所述纖維素原料還可來自產(chǎn)生纖維素的微生物，例如從細(xì)菌發(fā)酵過程中得到的材 料。所述微生物可選自醋酸桿菌屬(Acetobacter)，農(nóng)桿菌屬(Agrobacterium)，根瘤菌屬 (Rhizobium)，假單胞菌屬(Pseudomonas)和產(chǎn)堿桿菌屬(A1 caligenes)，優(yōu)選是醋酸桿菌 屬，特別優(yōu)選是膠醋桿菌（Acetobacter xylinum)或巴氏醋桿菌（Acetobacter pasteurianus)。也可由藻類中得到纖維素，例如可在綠藻、褐藻、大多數(shù)紅藻