本发明属于膨胀抗裂防水建筑材料领域，具体涉及一种膨胀抗裂防水剂及其使用方法。
背景技术
随着建设工程项目的日渐增多，混凝土收缩开裂问题日益突出，已经严重影响混凝土的耐久性、承载能力和防水性能。混凝土结构产生裂缝的原因主要有三方面：一是外部荷载引发的，此类裂缝存在最为普遍，主要为结构设计不合理、安全系数不够、不考虑施工的可能性、结构刚度不足等问题；二是结构次应力引发的，此类裂缝由于混凝土结构的实际工作状态与常规计算有出入或未考虑全面，进而在某些部位引起次应力导致结构开裂；三是变形应力引发的，主要是由于温度、收缩、钢筋锈蚀、不均匀沉降等因素引起的结构变形，当变形受到约束时即产生应力，当此应力超过混凝土抗拉强度时就产生裂缝。为缓解混凝土开裂问题，相关人员进行了大量研究。
中国cn104355561a号专利涉及一种绿色环保型低掺量混凝土抗裂防水剂及其制备方法。该发明提供了一种混凝土抗裂防水剂，包括(按质量计)：硫铝酸钙类抗裂熟料：5.0％-25.0％，木质纤维：0.1％-1.0％，葡萄糖酸钙：0.1％-1.0％，粉煤灰：20.0％-45.0％，煤矸石：20.0％-45.0％，硬石膏：30.0％-60.0％，上述质量百分比之和为100％。该发明还提供了一种制备混凝土抗裂防水剂的方法，包括将硫铝酸钙类抗裂熟料、粉煤灰、煤矸石、硬石膏，混磨至预定细度后，与木质纤维、葡萄糖酸钙搅拌均匀后制得。该发明采用木质纤维增加混凝土的密实度，对混凝土的坍落度损失、凝结时间的影响较大。
中国cn106116201a号专利公开了一种砌筑混凝土抗裂掺加剂，由以下重量份原料组成：csa膨胀剂熟料40-50份、粉煤灰10-20份、无水硫酸钠4-8份、硫酸铝8-15份、玄武岩纤维0.1-0.5份、聚丙烯纤维0.5-2份、有机防水剂4-6份。该发明的砌筑混凝土抗裂掺加剂具有抗裂、抗渗、防水的作用，使建筑物的寿命大大延长。该专利采用普通玄武岩纤维增加混凝土的密实度，能够起到一定的防开裂作用，但受掺量、使用条件的影响较大。
为避免混凝土开裂，现有技术主要采用优化混凝土配合比设计、增加配筋率、减少混凝土水化热、添加纤维和膨胀剂等方法。目前，大多数工程应用了膨胀剂或纤维来提高混凝土的密实度，起到补偿收缩作用，防止混凝土的开裂，但传统的膨胀剂或纤维受掺量、使用条件、分散性能和养护条件等方面影响较大，易产生混凝土坍落度损失大、凝结时间缩短、强度降低、分散性不好等问题。因此，急需设计一种膨胀抗裂防水剂及其使用方法以解决上述问题。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种膨胀抗裂防水剂及其使用方法，通过抗裂膨胀剂和改性玄武岩纤维能够在混凝土中起到叠加补偿收缩作用，具有双重抗裂和防水的功能；通过改性玄武岩纤维使之与混凝土更好的结合，在不影响混凝土施工性能的基础上增加混凝土的结构密实。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种膨胀抗裂防水剂，包含以下质量百分比的原料：抗裂膨胀剂5-30％、微珠20-40％、煤矸石25-45％、改性玄武岩纤维0.1-8％、外加剂1-5％，上述质量百分比之和为100％。
本发明采用抗裂膨胀剂和改性玄武岩纤维能够在混凝土中起到叠加补偿收缩作用，具有双重抗裂和防水的功能，所述抗裂膨胀剂加入水泥中可与水泥水化产物生成大量矿物微膨胀晶体，具有堵塞和切断毛细通道、降低混凝土在静水压力下透水性，使混凝土的泌水性进一步降低，提高混凝土密实性，提高混凝土的抗裂性能的功能；此外，抗裂膨胀剂掺入混凝土中，可形成一种特殊的憎水覆膜层，能够起到减小压力作用下的水分迁移，有效改善混凝土耐有害物质的浸蚀能力和耐久性能，达到混凝土实现结构自防水和抗裂防渗的目的，从而提高混凝土的耐久性的作用；所述改性玄武岩纤维表面具有丰富的官能团，能够克服传统纤维受掺量、使用条件、分散性能和养护条件等方面影响较大的问题，在不影响混凝土施工性能的基础上增加混凝土结构的密实性。
本发明所述微珠为一种全球状、连续粒径分布、超细、实心、超细粉煤灰硅铝酸盐精细微珠，粉煤灰中实心的和虽空心但沉于水的玻璃珠。
优选地，所述抗裂膨胀剂和改性玄武岩纤维的质量比为10:1时，混凝土的抗裂性能最优。
所述抗裂膨胀剂的制备方法如下：将膨胀剂、环氧树脂和氨基树脂按质量比(85-95):(10-5):(5-1)混合后，溶解于无水乙醇溶液中，搅拌均匀，真空干燥去除无水乙醇，得到固体混合物，经粉磨制得抗裂膨胀剂。
通过使用特定比例的环氧树脂和氨基树脂对抗裂膨胀剂进行改性，其中氨基树脂能够使线型的环氧树脂分子之间产生化学键，使线型分子相互连在一起，形成网状结构，附着在抗裂膨胀剂表面，有效地调节抗裂膨胀剂的水化进程，不仅可以保证前期具有膨胀率，还可以在后期缓慢释放膨胀剂，对混凝土耐久性能起到明显改善作用。
所述膨胀剂为氧化钙类膨胀剂、硫铝酸钙类膨胀剂中的一种或几种。
所述抗裂膨胀剂的表面积为800m2/kg。
所述微珠包括以下质量百分比的组分：cao：11.3-15.6％，sio2：46.7-58.5％，fe2o3：4.2-5.9％，al2o3：16.5-22.9％，mgo：2.7-3.8％，so3：0.1-0.4％，烧失量：2.2-6.5％。
所述煤矸石包括以下质量百分比的组分：al2o3：18.3％-26.1％，fe2o3：2.5％-8.5％。
掺入微珠和煤矸石能够较大程度地提高混凝土的和易性，弥补由于膨胀组分引起的负面影响。
所述改性玄武岩纤维的制备方法如下：首先将浓硫酸和硝酸钠按质量比(60-80):1混合后，放置于冰浴中冷却，当混合溶液低于5℃时掺入玄武岩纤维，搅拌均匀后，常温下加入10-50g高锰酸钾，温度升高至40-60℃，保温反应4-6h，将所得产物倒入冰水中，边搅拌边加入适量的双氧水，待溶液颜色变为黄色，然后过滤，并用稀盐酸对产物进行离心洗涤，直至ph值接近7，将产物置于水中超声分散，真空干燥得到改性玄武岩纤维。
玄武岩纤维是由天然的火山岩直接拉制而成，自身密度、成分容重均与水泥相当，与混凝土拌合时具有良好的分散性，结合力强，同时，对玄武岩纤维进行表面改性，使其表面增加了活性官能团，对混凝土附着在其表面水化生长提供场所，可以细化晶体结构，使混凝土结构更加密实。
所述稀盐酸的体积分数为10％。
所述外加剂为硫酸钠、硫酸铝钾、硝酸钙、甲酸钙和硝酸锂中的一种或几种。掺入外加剂可以调控抗裂膨胀剂、微珠和煤矸石的水化反应能力，加快早期反应速率。
本发明还提供所述膨胀抗裂防水剂的使用方法，所述膨胀抗裂防水剂占混凝土胶凝材料总量的6-10％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用抗裂膨胀剂和改性玄武岩纤维在混凝土中起到叠加补偿收缩作用，具有双重抗裂和防水的功能，可以补偿混凝土各龄期不同原因引起的微裂纹，阻止及抑制裂缝的产生和发展；
(2)本发明通过使用特定比例的环氧树脂和氨基树脂对抗裂膨胀剂进行改性，其中氨基树脂能够使线型的环氧树脂分子之间产生化学键，使线型分子相互连在一起，形成网状结构，附着在抗裂膨胀剂表面，有效地调节抗裂膨胀剂的水化进程，不仅可以保证前期具有膨胀率，还可以在后期缓慢释放膨胀剂，对混凝土耐久性能起到明显改善作用；
(3)本发明掺入微珠粉和煤矸石能够较大程度地提高混凝土的和易性，弥补由于膨胀组分引起的负面影响；
(4)本发明对玄武岩纤维进行表面改性，使其表面增加了活性官能团，对混凝土附着在其表面水化生长提供场所，可以细化晶体结构，使混凝土结构更加密实；
(5)本发明外加剂可以调控抗裂膨胀剂、微珠和煤矸石的水化反应能力，加快早期反应速率，使所述抗裂膨胀剂和改性玄武岩纤维受掺量、使用条件、分散性能等方面的影响较小；
(6)本发明产品具有绿色环保、改善混凝土和易性、耐腐蚀、耐高温等多种优点，广泛适用于地下抗裂防水工程、超长结构工程、人防工程、高速公路路面、隧道、港口和水库大坝等结构工程的建设和混凝土维护，对混凝土的抗拉强度、韧性、抗渗性能、抗裂性能均有明显的改善作用，大大改善混凝土的阻裂抗渗性能、抗冲击及抗震能力。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请提供一种膨胀抗裂防水剂，包含以下质量百分比的原料：抗裂膨胀剂5-30％、微珠20-40％、煤矸石25-45％、改性玄武岩纤维0.1-8％、外加剂1-5％，上述质量百分比之和为100％。上述各原料在本申请范围内制备得到的所述膨胀抗裂防水剂具有较好的抗裂和防水功能，当各原料的的含量超出上述范围时一方面会出现掺入混凝土中使用时，受掺量、使用条件、养护条件等方面的影响较大起不到抗裂防水的作用；另一方面易造成混凝土坍落度损失大、凝结时间缩短、强度降低、分散性不好等方面的问题。
实施例1
本实施例提供一种膨胀抗裂防水剂，包含以下质量百分比的原料：抗裂膨胀剂30％、微珠30％、煤矸石35％、改性玄武岩纤维3％、外加剂2％；
当抗裂膨胀剂和改性玄武岩纤维的质量比为10:1时，混凝土的抗裂防水性能最优。
所述抗裂膨胀剂的制备方法如下：将膨胀剂、环氧树脂和氨基树脂按质量比95:4:1混合后，溶解于无水乙醇溶液中，搅拌均匀10min，置于60℃的真空干燥箱真空干燥去除无水乙醇，得到固体混合物，经粉磨制得抗裂膨胀剂；
所述膨胀剂为由质量比为9:1的氧化钙类膨胀剂和硫铝酸钙类膨胀剂组成，在本发明所述膨胀抗裂防水剂中氧化钙类膨胀剂或硫铝酸钙类膨胀剂可以是市售的膨胀剂；
制备得到的所述抗裂膨胀剂按质量计包括：cao：57.5％～62.8％，sio2：7.7％～9.5％，fe2o3：0.6％～0.8％，al2o3：1.2％～3.7％，mgo：1.5％～3.8％，so3：16.5％～18.4％，烧失量：7.2％～15.1％。
所述改性玄武岩纤维的制备方法如下：首先将浓硫酸和硝酸钠按质量比80:1混合后，放置于冰浴中冷却，当混合溶液低于5℃时掺入玄武岩纤维，搅拌均匀后，在20℃条件下加入50g高锰酸钾，温度升高至50℃，保温反应5h，将所得产物倒入冰水中，边搅拌边加入适量的双氧水，待溶液颜色变为黄色，然后过滤，并用稀盐酸对产物进行离心洗涤，所述稀盐酸的体积分数为10％，直至ph值接近7，将产物置于水中超声分散4h，置于60℃的真空干燥箱真空干燥得到改性玄武岩纤维。
所述改性玄武岩纤维按质量计包括：sio2：45％～53％，al2o3：12％～18％，cao：6％～10％，mgo：4％～9％，fe2o3+feo：9％～15％，na2o+k2o：3％～5％，tio2：1％～3％。
所述外加剂由质量比为10:1的和硫酸钠和硝酸锂组成；所述微珠包括以下质量百分比的组分：cao：11.3-15.6％，sio2：46.7-58.5％，fe2o3：4.2-5.9％，al2o3：16.5-22.9％，mgo：2.7-3.8％，so3：0.1-0.4％，烧失量：2.2-6.5％。；所述煤矸石其主要成分是al2o3、sio2，另外还含有数量不等的fe2o3、cao、mgo、na2o、k2o、p2o5、so3和微量稀有元素镓、钒、钛、钴，其中al2o3：18.3-26.1％，fe2o3：2.5-8.5％。
本实施例还提供所述膨胀抗裂混凝土的使用方法：在混凝土中掺入膨胀抗裂防水剂，其掺量占混凝土胶凝材料总量的8％。
采用以下标准中的方法对各个实施例中的注浆料各项性能进行测试：
gb/t50107-2010《混凝土强度检验评定标准》；gb/t50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。
某泵站工程c25混凝土配合比如下表1所示。试验采用p·o32.5水泥，粉煤灰为ⅰ级灰，细骨料为细度模数2.60g/cm3的河砂，粗骨料为玄武岩碎石，减水剂为高效聚羧酸类减水剂，膨胀抗裂防水剂的掺量为占混凝土中胶凝材料总量的8％。
表1：混凝土配合比
测试结果如表2、表3所示。
实施例2
本实施例提供一种膨胀抗裂防水剂，与实施例1相比，不同之处在于，抗裂膨胀剂5％、微珠40％、煤矸石45％、改性玄武岩纤维8％、外加剂2％。采用实施例1中测试方法进行测试，测试结果如表2、表3所示。
实施例3
本实施例提供一种膨胀抗裂防水剂，与实施例1相比，不同之处在于，抗裂膨胀剂20％、微珠38％、煤矸石40％、改性玄武岩纤维0.1％、外加剂1.9％。采用实施例1中测试方法进行测试，测试结果如表2、表3所示。
实施例4
本实施例提供一种膨胀抗裂防水剂，与实施例1相比，不同之处在于，所述抗裂膨胀剂的制备方法如下：将膨胀剂、环氧树脂和氨基树脂按质量比18:2:1混合后，溶解于无水乙醇溶液中，搅拌均匀10min，置于60℃的真空干燥箱真空干燥去除无水乙醇，得到固体混合物，经粉磨制得抗裂膨胀剂。
采用实施例1中测试方法进行测试，测试结果如表2、表3所示。
实施例5
本实施例提供一种膨胀抗裂防水剂，与实施例1相比，不同之处在于，所述改性玄武岩纤维的制备方法如下：首先将浓硫酸和硝酸钠按质量比60:1混合后，放置于冰浴中冷却，当混合溶液低于5℃时掺入玄武岩纤维，搅拌均匀后，在20℃条件下加入10g高锰酸钾，温度升高至50℃，保温反应5h，将所得产物倒入冰水中，边搅拌边加入适量的双氧水，待溶液颜色变为黄色，然后过滤，并用稀盐酸对产物进行离心洗涤，所述稀盐酸的体积分数为10％，直至ph值接近7，将产物置于水中超声分散4h，置于60℃的真空干燥箱真空干燥得到改性玄武岩纤维。
采用实施例1中测试方法进行测试，测试结果如表2、表3所示。
实施例6
本实施例提供一种膨胀抗裂防水剂，与实施例1相比，不同之处在于，所述膨胀抗裂混凝土的使用方法：在混凝土中掺入膨胀抗裂防水剂，其掺量为占混凝土胶凝材料总量的6％。
采用实施例1中测试方法进行测试，测试结果如表2、表3所示。
对比例1
本对比例提供一种膨胀抗裂防水剂，与实施例1相比，不同之处在于，所述膨胀剂为由质量比为9:1的氧化钙类膨胀剂和硫铝酸钙类膨胀剂组成，粉磨至比表面积为800m2/kg。
采用实施例1中测试方法进行测试，测试结果如表2、表3所示。
对比例2
本对比例提供一种膨胀抗裂防水剂，与实施例1相比，不同之处在于，本对比例的玄武岩纤维为天然玄武岩石料直接经过高温熔融高速拉制而成，未经过任何改性处理。
采用实施例1中测试方法进行测试，测试结果如表2、表3所示。
对比例3
本对比例提供一种膨胀抗裂防水剂，与实施例1相比，不同之处在于，在混凝土中不掺入任何膨胀抗裂防水剂。
测试结果
采用实施例1所述方法对实施例1-6以及对比例1-3分别进行测试，测试结果如表2、表3所示。
表2：混凝土抗压强度和抗渗测试结果
表3：混凝土抗裂性能测试结果。
由上表2的结果可以看出，相比对比例1-3而言，本发明的实施例1-6的膨胀抗裂防水剂能够使混凝土结构更加密实，显著提高混凝土的抗渗等级，还对混凝土的力学强度有一定提高，因存在抗裂膨胀剂和改性玄武岩纤维组分，能够在混凝土中起到双重抗裂和防水的功能，有效地补偿由于混凝土水化过程中产生的收缩，阻碍裂缝的发展；另外，膨胀组分与水泥水化产物发生化学反应并产生适度膨胀，可防止混凝土收缩开裂，从而大大提高混凝土的抗渗防水性能。
另外还对混凝土的抗裂性能进行测试，结果如表3所示，表明掺入膨胀抗裂防水剂后混凝土的开裂时间明显推迟，裂缝出现的面积也逐渐变小，这是可能与原材料中抗裂膨胀剂和改性玄武岩纤维特定的比例有关，其中当抗裂膨胀剂和改性玄武岩纤维的质量比为10:1时，混凝土的抗裂防水性能最优。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。