專利名稱：一種用于含鈣鋁硅酸鹽膠凝材料的液態(tài)速凝劑及制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于建筑材料領域，涉及一種用于含鈣鋁硅酸鹽膠凝材料的液態(tài)速凝劑及制備方法。
背景技術：
在快速施工工程、巖土工程和地下隧道建造過程中，常在混凝土中摻入速凝劑。快速施工工程包括快速通車路面、地面或地下坑洞的快速填充、開挖基礎立面的噴錨和建筑物的修補等，巖土工程包括巖土邊坡的支護和加固，地下隧道建造包括隧道立面和拱頂?shù)目焖偈┕そㄔO。在混凝土中摻入速凝劑的目的是促進混凝土的凝結速度、加快混凝土的強度發(fā)展歷程、降低新施工混凝土在塑性階段由于自重的原因導致的與基層剝離的危險，實現(xiàn)立面、頂板、拱頂?shù)冉Y構的快速、大厚度施工。速凝劑在混凝土中的作用效果取決于速凝劑的化學組成和摻量、水泥的礦物組成和含量、石膏的種類和含量、礦物摻合料的種類和用量、以及施工時的溫度等多種因素。速凝劑對水泥的促凝機理通常包括如下三種(I)通過自身的成分和水泥中的成分反應生成水化產物；(2)促進水泥中C3A礦物的水化；(3)促進水泥中C3S礦物的水化，不同品質的速凝劑在三種促凝機理中有所側重或兼而有之。常用的速凝劑在形態(tài)上可分為粉態(tài)和液態(tài)兩種。同時，在施工方式上可分為干噴法、濕噴法兩大類，干噴法是首先將混凝土制備所需干料和粉態(tài)速凝劑混合，然后由輸送裝置運輸至噴射機，并在噴射機的噴嘴處將水加入；濕噴法是首先將混凝土制備所需干料與水混合，然后由輸送裝置運輸至噴射機，在噴射機的噴嘴處將液態(tài)速凝劑加入。液態(tài)速凝劑的優(yōu)點是在混凝土中的分散均勻度高，施工過程中的回彈率和粉塵量較小。國外在二十世紀七十年代開始使用液態(tài)速凝劑，如美國SHR型液態(tài)速凝劑和日本DENKA NATIVIC型液態(tài)速凝劑，我國從上世紀八十年代后開始，也相續(xù)研制了幾種液態(tài)速凝齊[J，如HL-801型液態(tài)速凝劑、GK型液態(tài)速凝劑和JL-I型液態(tài)速凝劑(鄭國強.HL-801型液態(tài)速凝劑的試驗研究，混凝土與水泥制品，1989,02 22-24 ;周玲.GK新型液體速凝劑的研制，混凝土與水泥制品，1994,01 13-14 ;韓玉芳.JL-I型低堿液體速凝劑的研制，混凝土，2009,04 75-80)。同時，同濟大學的秦廉等人申請了 “噴射混凝土用環(huán)保型無堿液體速凝劑及其制備方法”的發(fā)明專利，專利公開號101423356 ;沈陽工業(yè)大學的梁克民申請了“一種新型噴射混凝土用液體無堿速凝劑”的發(fā)明專利，專利公開號102079642A ;江蘇博特新材料有限公司的劉加平等人申請了“噴射混凝土用液體速凝劑及其制備方法”的發(fā)明專利，專利公開號101475335。但上述液態(tài)速凝劑或者是由于其中含有大量的堿金屬離子而具有潛在的堿骨料反應危險，或者是由于其中含有對施工人員身體健康有巨大潛在危害的氟化物，因此阻礙了其推廣應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明通過系統(tǒng)、深入地研究上述已有液態(tài)速凝劑的組成-結構-性能之間的關系，以及它們的優(yōu)缺點，提出一種用于含鈣鋁硅酸鹽膠凝材料的液態(tài)速凝劑。其用途是一種混凝土的外加劑，實現(xiàn)混凝土結構的快速施工，應用對象是噴射混凝土。本發(fā)明所針對的含鈣鋁硅酸鹽膠凝材料包括我國國標GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》中定義的硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥。本發(fā)明的特點是堿度低、不含氟化物且具有多組分復合促凝的作用。一種用于含鈣鋁硅酸鹽膠凝材料的液態(tài)速凝劑，該液態(tài)速凝劑主要由硫酸鋁、三乙醇胺、亞硝酸鈉、氫氧化鋰、非離子型聚丙烯酰胺和萘磺酸鹽甲醛縮合物組成。各組分所占質量分數(shù)為硫酸鋁30-50% ;三乙醇胺3-5% ;亞硝酸鈉1-3% ;氫氧化鋰2-4% ;非離子型聚丙烯酰胺0. 2-0. 5% ;萘磺酸鹽甲醛縮合物5-10%，其余組分為水。其中，硫酸鋁可使用帶有18個結晶水的工業(yè)級產品，要求其中氧化鋁的含量大于15% ;三乙醇胺要求使用分析純產品；亞硝酸鈉可使用工業(yè)級產品，在使用前儲存時要采取防潮和密封處理，并放置于陰涼干燥處；氫氧化鋰要求使用分析純產品；非離子型聚丙烯酰胺要求選用優(yōu)等品，其固含量要大于90%;萘磺酸鹽甲醛縮合物固含量要大于94%，減水率大于20% ;水可使用自來水。本發(fā)明專利所提出的液態(tài)速凝劑的制備方法是在常溫環(huán)境中(25°C左右)，在攪拌狀態(tài)下(攪拌機的轉速優(yōu)選為3000rpm),首先將三乙醇胺加入水中，攪拌后成為無色透明的溶液，然后將硫酸鋁、氫氧化鋰、亞硝酸鈉、萘磺酸鹽甲醛縮合物依次緩慢加入，攪拌成均勻的懸濁液后，再將非離子型聚丙烯酰胺加入，然后持續(xù)攪拌15 25分鐘后停機出料，得到液態(tài)速凝劑。最后將制備完成的液態(tài)速凝劑用塑料桶進行封裝、備用，所使用塑料桶的蓋子要有良好的氣密性，以防止外界的水分和氣體進入，降低產品的效用。本發(fā)明的促凝機理是(I)利用速凝劑自身的組分和水泥在水化過程中所釋放的離子相化合，生成具有膠凝性能的水化產物；(2)速凝劑中具有促進水化產物形成速率的組分會促進膠凝材料中C3A和C3S兩種礦物的水化；(3)速凝劑中的懸浮穩(wěn)定劑會提高液態(tài)速凝劑中組分的穩(wěn)定性和勻質性；(4)減水劑會降低新拌噴射混凝土的用水量、降低成熟噴射混凝土的孔隙率、提高噴射混凝土的強度、抗?jié)B透性和長期耐久性。具體而言就是液態(tài)速凝劑提供的高活性2/(0//):和離子，與膠凝材料水化后形成的Ca2+化合，生成具有膠凝作用的鈣礬石凝膠和晶體，同時，在上述鈣礬石的形成過程中，水泥在制備過程中摻入的石膏所釋放出的^042-也會參與反應，從而使得石膏對水泥中C3A礦物的緩凝作用減弱或消失，導致C3A礦物的快速水化，并生成C4AH19和C2AH8等六方片狀的水化產物，這些水化產物會依靠晶體間的范德華力相結合而形成網絡結構，從而使得膠凝材料產生凝結；速凝劑中的促凝成分、N(CH2CH2OH) 3、Li+和0H_會加速鈣礬石的形成；速凝劑中的堿金屬離子Na+和Li+會加速C3S的水化；速凝劑中的非離子型聚丙烯酰胺可增加液相的粘度，提高其中組分的懸浮穩(wěn)定性和長期勻質性；速凝劑中的萘磺酸鹽甲醛縮合物可吸附于水化后的水泥顆粒表面，起到潤滑、分散的作用，降低膠凝材料體系在期望工作性下的需水量，使得硬化后噴射混凝土的力學性能、孔徑分布、抗?jié)B透能力和長期耐久性得到改善和提高。
發(fā)明的優(yōu)點和積極效果相對于粉態(tài)速凝劑，液態(tài)速凝劑的優(yōu)點是可避免噴射施工前拌合階段速凝劑的性能損失、在噴射混凝土中分散均勻、施工現(xiàn)場的空氣質量得到改善、噴射混凝土的回彈損失和后期強度損失小。除了具有上述通常的優(yōu)勢外，本發(fā)明專利所提出的液態(tài)速凝劑還有下述優(yōu)點(I)多組分協(xié)同本液態(tài)速凝劑即提供生成水硬性水化產物所需的關鍵組分，又提供加速膠凝材料中礦物水化速率的促凝組分；(2)適用性好本液態(tài)速凝劑提供了形成早期膠凝性水化產物所需的關鍵組分，因此保障了速凝劑的作用效果，減小了早期水化產物形成過程中對膠凝材料水化過程中組分釋放速率和遷移能力的依賴性；(3)堿度低液態(tài)速凝劑中所含的堿金屬離子氧化物的質量百分數(shù)小于5%，避免了堿骨料反應的危害；(4)增強增密本液態(tài)速凝劑中的萘磺酸鹽甲醛縮合物具有潤滑、分散膠凝材料顆粒的作用，因此使得在獲得期望的工作性時所需的用水量減小，使得硬化后混凝土中的總孔隙率減小，孔徑分布得以優(yōu)化，強度和抗?jié)B透能力增強。


圖I液態(tài)速凝劑制備工藝流程示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本發(fā)明進行進一步的說明。用于含鈣鋁硅酸鹽膠凝材料的液態(tài)速凝劑，該液態(tài)速凝劑由硫酸鋁、三乙醇胺、亞硝酸鈉、氫氧化鋰、非離子型聚丙烯酰胺、萘磺酸鹽甲醛縮合物和水組成。四個實例所采用的各原材料的組成比例如下表I所示表I液態(tài)速凝劑中各原材料的組成比例
^ ^質量分數(shù)/%
__實例I__實例2實例3實例4
硫酸鉛35.0040.0045.0048.00
三乙醇胺 3 203.504.004.50
亞硝酸鈉 1.801.501.301.10
氧化鋰 2.002.503.003.20
非離子型聚丙烯酰胺 0.210.250.320.38
萘磺酸鹽甲醛縮合物 8.208.709.409.80
49.5943.5536.9833.02其中，硫酸鋁使用帶有18個結晶水的工業(yè)級產品，其中氧化鋁的含量大于15% ；三乙醇胺使用分析純產品；亞硝酸鈉使用工業(yè)級產品，在使用前儲存時要采取防潮和密封處理，并放置于陰涼干燥處；氫氧化鋰使用分析純產品；非離子型聚丙烯酰胺選用優(yōu)等品，其固含量大于90% ;萘磺酸鹽甲醛縮合物固含量大于94%，減水率大于20% ;水使用自來水。如圖I所示，上述液態(tài)速凝劑的制備方法是按照上表所示的原材料質量分數(shù)稱取相應的原料，在常溫環(huán)境中(25°C左右)，在攪拌狀態(tài)下(攪拌機的轉速為3000rpm)，首先將三乙醇胺加入水中，攪拌后成為無色透明的溶液，然后將硫酸鋁、氫氧化鋰、亞硝酸鈉、萘磺酸鹽甲醛縮合物依次緩慢加入，攪拌成均勻的懸濁液后，再將非離子型聚丙烯酰胺加入，然后持續(xù)攪拌20分鐘后停機出料，最后將制備完成的產品用塑料桶進行封裝，然后即可運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場使用，所使用塑料桶的蓋子要有良好的氣密性，以防止外界的水分和氣體進入，降低產品的效用。應用實例按照我國建材行業(yè)標準JC477-2005《噴射混凝土用速凝劑》中的要求，進行本發(fā)明專利所提出的液態(tài)速凝劑性能的測試，測試的內容包括水泥凈漿凝結時間和砂漿的抗壓強度。所用原材料的品質和所需原材料的質量分別如下表2和表3所示表2原材料的品質
原材料名稱品質 IIm1基準水泥^
2砂ISO標準砂
~ic自來水 表3凈漿和砂漿制備所需原材料的質量
名稱__用途__泥/g 砂/g 水/g速凝劑/%__備注_
水泥凈漿測試凝結時I'gf 400 ~~0~ 1608.0 用水量中需扣除
砂衆(zhòng)測試抗壓強度 900 1350 4508.0 速凝劑的含水量注速凝劑的摻量是水泥用量的質量百分數(shù)。上述不同實例所制備液態(tài)速凝劑，對水泥凈漿凝結時間和砂漿抗壓強度影響的測試結果如下表4所示。表4不同品質液態(tài)速凝劑的測試結果
凝結時間(分鐘:秒)砂漿抗壓強度—
初凝j終凝 I天抗壓強度/MPa 28天抗壓強度比/% 實例 I4:05 10:20~9.590
實例 2 3:20^ 8:40 —10.894
實例 32:55~ 7:20 —12.6102
實例 42:50 6:3014.5105由表4的測試結果可見，使用本發(fā)明專利所提出的實例I和實例2所制備的液態(tài)速凝劑，在摻量為水泥質量的8. 0%時，其性能指標可達到行業(yè)標準JC477-2005中合格品的要求；使用本發(fā)明專利所提出的實例3和實例4所制備的液態(tài)速凝劑，在摻量為水泥質量的8. 0%時，其性能指標可達到行業(yè)標準JC477-2005中一等品的要求。
權利要求
1.一種用于含鈣鋁硅酸鹽膠凝材料的液態(tài)速凝劑，其特征在于該液態(tài)速凝劑的組分及所占質量分數(shù)為硫酸鋁30-50%，三乙醇胺3-5%，亞硝酸鈉1-3%，氫氧化鋰2-4%，非離子型聚丙烯酰胺0. 2-0. 5 %，萘磺酸鹽甲醛縮合物5-10%，其余組分為水。
2.根據(jù)權利要求I所述的液體速凝劑，其特征在于所述硫酸鋁為18水合硫酸鋁，且為工業(yè)級產品。
3.根據(jù)權利要求I所述的液體速凝劑，其特征在于所述三乙醇胺和氫氧化鋰使用分析純產品。
4.根據(jù)權利要求I所述的液體速凝劑，其特征在于所述亞硝酸鈉使用工業(yè)級產品，在使用前儲存時要采取防潮和密封處理，并放置于陰涼干燥處。
5.根據(jù)權利要求I所述的液體速凝劑，其特征在于所述非離子型聚丙烯酰胺固含量要大于90%。
6.根據(jù)權利要求I所述的液體速凝劑，其特征在于所述萘磺酸鹽甲醛縮合物固含量大于94%,減水率大于20%。
7.權利要求I所述的液態(tài)速凝劑的制備方法，其特征在于該方法如下在常溫環(huán)境中，在攪拌狀態(tài)下，首先將三乙醇胺加入水中，攪拌后成為無色透明的溶液，然后將硫酸鋁、氫氧化鋰、亞硝酸鈉和萘磺酸鹽甲醛縮合物依次加入，攪拌成均勻的懸濁液后，再將非離子型聚丙烯酰胺加入，然后持續(xù)攪拌15 25分鐘后停機出料，得到液態(tài)速凝劑。
8.根據(jù)權利要求7所述的制備方法，其特征在于制備完成的液態(tài)速凝劑要用塑料桶進行封裝、備用。
9.根據(jù)權利要求8所述的制備方法，其特征在于所述塑料桶的蓋子要有良好的氣密性，以防止外界的水分和氣體進入。
10.根據(jù)權利要求7所述的制備方法，其特征在于所述攪拌的轉速為3000rpm。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于建筑材料領域的一種用于含鈣鋁硅酸鹽膠凝材料的液態(tài)速凝劑及制備方法。該液態(tài)速凝劑的組分及所占質量分數(shù)為硫酸鋁30-50％，三乙醇胺3-5％，亞硝酸鈉1-3％，氫氧化鋰2-4％，非離子型聚丙烯酰胺0.2-0.5％，萘磺酸鹽甲醛縮合物5-10％，其余組分為水。制備方法為在常溫環(huán)境中，在攪拌狀態(tài)下，首先將三乙醇胺加入水中，攪拌后成為無色透明的溶液，然后將硫酸鋁、氫氧化鋰、亞硝酸鈉和萘磺酸鹽甲醛縮合物依次加入，攪拌成均勻的懸濁液后，再將非離子型聚丙烯酰胺加入，然后持續(xù)攪拌15～25分鐘后停機出料，得到液態(tài)速凝劑。本發(fā)明的液態(tài)速凝劑堿度低、不含氟化物且具有多組分復合促凝的作用。
文檔編號C04B24/26GK102617066SQ201210063019
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月12日 優(yōu)先權日2012年3月12日
發(fā)明者閻培渝, 韓建國 申請人:清華大學