專利名稱：一種無機膠凝材料緩凝方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無機膠凝緩凝材料緩凝方法。
背景技術：
新型磷酸鹽膠凝材料是一種具有早強快硬特征的無機膠凝材料。傳統(tǒng)的磷酸鹽膠凝材料一般是通過重燒氧化鎂和磷酸二氫銨發(fā)生化學反應制得，隨著技術的逐步成熟，后改用磷酸二氫鉀取代磷酸二氫銨以避免反應過程中放出大量氨氣，給環(huán)境和人體造成污染與危害。制備綜合性能優(yōu)越的磷酸鹽膠凝材料的關鍵技術在于控制重燒氧化鎂與磷酸二氫鉀這兩個組分間的酸堿中和反應速度，其受到重燒氧化鎂和磷酸二氫鉀的活性與粒徑、各組分間的配比、緩凝劑的品種和摻加量以及環(huán)境溫度等一系列因素的影響，其中緩凝劑起到核心作用。若不使用緩凝劑，磷酸鹽膠凝材料一般在3分鐘內就會迅速凝結硬化，所以必須通過控制緩凝的方法獲得足夠長的可操作時間(即初凝時間)。只要凝結時間控制得當，磷酸鹽膠凝材料的應用領域將非常廣泛，比如用作水泥砂漿、無機膠粘劑、涂料等。與普通的硅酸鹽水泥相比，它早期強度高、凝結時間短，即使環(huán)境溫度在冰點以下也能快速凝結；且抗壓強度高，干縮度小，耐磨性好，抗凍好。但由于凝結時間過短，造成施工時間不足，工作度較差，致使其目前僅應用于快速搶修機場跑道、交通繁忙地段路面等。它與舊的混凝土粘接性、兼容性好，修補質量可靠；與有機膠粘劑相比，它的機械力學性能更佳，導熱率更低，耐高溫、耐燒蝕性能更加出色。尤其在涂料領域，用于新型無機涂料的優(yōu)勢更為明顯。首先，有機涂料耐熱性十分有限，極易引發(fā)火災或促使火焰蔓延，即使是耐高溫的芳雜環(huán)樹脂涂料也只能在200 350°C下長期使用 ；而無機涂料的長期耐熱溫度可達400 1000°C，短期耐熱溫度更高達150(TC，高溫下不燃、不炭化、不龜裂、不產生毒害煙氣。其次，有機涂料在耐磨性、耐候性方面缺陷較大，溶劑污染嚴重；而無機涂料堅硬耐磨，具有很強的耐候性、耐紫外線老化；所用原材料直接來于自然，本身無毒，不含有機揮發(fā)物，無需有機溶劑；而且耐溶劑性也很好，資源豐富，價格只有有機硅涂料的四分之一左右。第三，無機涂料疏水性能優(yōu)異，與有機材料復合能制出超疏水性涂層，大大降低水的通透性，應用于金屬防腐蝕領域前景廣闊。與其他無機膠粘劑或涂料相比，磷酸鹽膠凝材料亦具有獨特優(yōu)勢。它的濕附著力強，快干快硬，易著色，對界面平整度、光潔度要求極低，能夠吸灰附著，能和金屬氧化物反應生成據(jù)具有較高強度和粘結性的復合物涂層，從而起到帶銹防銹的作用，在工業(yè)生產和日常生活中將發(fā)揮越來越重要的作用。由此看來，如何通過緩凝劑的品種與摻加量高效控制其凝結時間是磷酸鹽膠凝材料廣泛應用的一項關鍵技術。目前，常用的緩凝劑數(shù)量繁多，比如氯化物、堿金屬、堿土金屬、可溶性氟硅酸銨、硼酸、硼酸鹽、硼酸酯及聚磷酸鹽等。它們中大多所需摻加量過大，只有極個別作用較明顯，但無不是以犧牲磷酸鹽膠凝材料卓越的早期強度為代價。因此尋找并構建高效、無副作用的緩凝體系十分重要。

發(fā)明內容
本發(fā)明需要解決的技術問題是提供一種與磷酸鹽膠凝材料配合使用的有機一無機復合緩凝材料緩凝方法。為解決上述問題，本發(fā)明所采取的技術方案是:一種無機膠凝材料緩凝方法，是在磷酸鹽膠凝材料中引入有機、無機復合緩凝方法，該緩凝方法中的緩凝劑主要為雜環(huán)類化合物，用作高效緩凝劑。該緩凝方法中的緩凝劑還包括多元醇及其衍生物，羥基羧酸及其鹽、氨基羧酸及其鹽以及無機鹽。該緩凝方法中各成分含量為小于50重量份的雜環(huán)類化合物，小于30重量份的多元醇及其衍生物，小于20重量份的羥基羧酸及其鹽、小于20重量份的氨基羧酸及其鹽，小于20重量份的無機鹽。采用上述技術方案所產生的有益效果在于:本發(fā)明引入了高效的緩凝劑與豐富的緩凝原理，在傳統(tǒng)的無機鹽類緩凝劑基礎上增加雜環(huán)類化合物、多元醇及其衍生物、羥基羧酸及其鹽、氨基羧酸及其鹽等有機緩凝劑，本發(fā)明將緩凝劑的摻量控制在5% (相對氧化鎂的質量)以內，穩(wěn)定提高了緩凝效果，讓磷酸鹽膠凝材料的初凝時間在1.5小時內可控，同時緩凝作用不影響磷酸鹽膠凝材料的較高的早期抗壓強度，不影響磷酸鹽膠凝材料的后期抗壓強度隨著齡期的延長而增長，不影響磷酸鹽膠凝材料的優(yōu)異附著性與粘接性。
具體實施例方式下面對本發(fā)明做進一步詳細描述:本發(fā)明提供一種無機膠凝材料緩凝方法，在磷酸鹽膠凝材料中引入多種有機、無機復合緩凝方法，尤其是引入雜環(huán)類化合物作為高效緩凝劑；雜環(huán)類化合物可以單獨用作緩凝劑，也可以和其它緩凝劑組成復合緩凝方法。該復合緩凝方法中用作緩凝劑的各成分包括雜環(huán)類化合物，多元醇及其衍生物，羥基羧酸及其鹽、氨基羧酸及其鹽以及無機鹽。該體系中各成分含量為小于50重量份的雜環(huán)類化合物，小于30重量份的多元醇及其衍生物，小于20重量份的羥基羧酸及其鹽、小于20重量份的氨基羧酸及其鹽，小于20重量份的無機鹽。本發(fā)明引入更高效的緩凝劑與更豐富的緩凝原理。除了傳統(tǒng)的無機鹽類緩凝劑，本發(fā)明配方中還涉及雜環(huán)類化合物、羥基羧酸及其鹽、氨基羧酸及其鹽、多元醇及其衍生物等有機緩凝劑，并尋找出它們之間的較優(yōu)配比關系，既將緩凝劑的摻量控制在5% (相對氧化鎂的質量)以內，又穩(wěn)定提高了緩凝效果，讓磷酸鹽膠凝材料的初凝時間在1.5小時內可控。而傳統(tǒng)緩凝劑的摻量一般在0.5% 15%之間，且隨著緩凝劑摻量的增加，磷酸鹽膠凝劑的早期抗壓強度迅速降低，如果摻量大于10%，則膠凝材料在各齡期的抗壓強度都會很小，以硼砂為例，當摻量達到12%時緩凝時間可延長至17分鐘，但28天抗壓強度僅為11兆帕，只有摻量2%時2小時抗壓強度的1/3，且在試樣成型過程中會出現(xiàn)嚴重的泌水分層現(xiàn)象。因此，在保證足夠機械強度與工作時間的前提下，應盡量減少緩凝劑的摻量。本發(fā)明各成分的工作原理如下:
和水泥一樣，磷酸鹽膠凝材料是水硬性材料。當磷酸鹽膠凝材料與水拌合后，磷酸二氫鉀首先溶于水，電離產使溶液呈弱酸性，隨即重燒MgO開始溶解，產生的Mg2+也擴散到液相中，此時液相中的Mg+、K+、H2PO〗_、P034_迅速反應生成水合磷酸鹽，使?jié){體表現(xiàn)出快硬特性。雜環(huán)類化合物:典型的雜環(huán)類化合物包括:吡咯、噻吩、咪唑、嘧啶、三氮唑、四氮唑、苯并三氮唑、吡啶、喋啶、嘌呤、氨基咪唑、羥基喹啉、吡唑并噁唑等等。它們是由碳原子和非碳原子共同組成環(huán)狀骨架結構的一類化合物。這些非碳原子統(tǒng)稱為雜原子，常見的雜原子為氮、氧、硫等。雜原子的存在，使很多雜環(huán)的分子具有較大的極性，特別是氮原子上的未共用電子對可以與水形成氫鍵，所以一方面具有高水溶性，另一方面使它與金屬或金屬離子有相當?shù)挠H和力，能與一些金屬離子如Ca2+、Mg2+、Fe3+、Ni2+、Al2+、Cu2+等形成配合物。這些特性使得很多雜環(huán)可以強烈吸附在金屬或金屬氧化物顆粒的表面，從而起到緩蝕劑的作用。在磷酸鹽膠凝材料中，加入對氧化鎂具有高度親和力的雜環(huán)化合物，由于雜環(huán)的較大分子尺寸，可以再其顆粒表面形成致密而厚實的保護膜，大大降低磷酸鹽與它的反應速度，從而達到緩凝的作用。多元醇類及其衍生物:醇類化合物對磷酸鹽膠凝材料的水化反應具有不同程度的緩凝作用，其緩凝作用在于羥基能夠吸附在水泥顆粒表面，與水化產物表面上的強極性基團形成氫鍵。同時，其他羥基又與水分子通過氫鍵締合，同樣使水泥顆粒表面形成了一層穩(wěn)定的溶劑化水膜，從而抑制水泥的水化進程。在醇類的同系物中，隨其羥基數(shù)目的增加，緩凝作用逐漸增強。一元醇隨烷基的增加表面活性增強，直鏈的正辛烷可以吸附在氣液相界面上形成單分子膜，起到保濕作用，有利于防止水化、混凝土表面干縮裂縫的產生。丙三醇具有強烈的緩凝作用，摻量過大甚至可以使水泥水化過程完全停止。單糖、低聚糖，如葡萄糖、蔗糖等，均具有較強的緩凝作用，它們的緩凝機理與醇類相同。羥基、氨基羧酸及其鹽:羥基羧酸、氨基羧酸及其鹽對磷酸鹽膠凝材料的緩凝作用主要在于它們的分子結構中含有絡合物形成基(-0H，-C00H, -NH2)。羥基在水泥水化產物的堿性介質中與游離的Mg2+生成不穩(wěn)定的絡合物，在水化初期控制了液相中Mg2+的濃度，產生緩凝作用。隨著水化過程的進行，這種不穩(wěn)定的絡合物將自行分解，水化將繼續(xù)正常進行，并不影響水泥后期水化。其次，羥基、氨基、羧基均易與水分子通過氫鍵締合，再加上水分子之間的氫鍵締合，使水泥顆粒表面形成了一層穩(wěn)定的溶劑化水膜，阻止了水泥顆粒鍵的直接接觸，阻礙水化進行。而含羧基或羧酸鹽基化合物也易與游離的鈣、鎂離子生成不溶性的鹽，沉淀在水泥顆粒表面，從而延緩水泥水化速度。無機鹽類緩凝劑:比如硼酸、硼砂、三聚磷酸鈉、三聚磷酸鋁、聚磷酸銨等，其中硼砂能在溶液中提供B4C^并可立刻與溶解到液相中的Mg2+結合生成不溶性的硼酸鎂沉淀，形成薄膜附在固體MgO顆粒表面，阻礙它直接與液相中的K+、H2PO〗—接觸，延緩反應體系的水化反應速度。但隨著時間的延長，溶液中的K+、H2P0!_ 會逐步擴散透過薄膜與MgO發(fā)生反應，水化產物不斷形成、結晶導致體積膨脹，擠破沉淀膜層，使水化反應速度加快，生成更多的磷酸鹽水化產物，使?jié){體硬化。實施例1:1.稱量原料并混勻稱取氧化鎂100份，磷酸二氫鉀60份，將其倒入攪拌機中攪拌3分鐘即可混勻。2.選定水灰比根據(jù)施工所處地域的溫度、濕度差異調整水灰比，調整范圍為0.16 0.18。3.水灰混合按水灰比加水至攪拌機中，攪拌5分鐘。測得初凝時間為7分鐘，5小時抗壓強度為35.4兆帕。實施例2:1.稱量原料、緩凝劑并混勻稱取氧化鎂100份，磷酸二氫鉀60份，緩凝劑5份，將其倒入攪拌機中攪拌3分鐘即可混勻。該緩凝劑中包括45重量份的多元醇及其衍生物，20重量份的羥基羧酸及其鹽，20重量份的氨基羧酸及其鹽，15重量份的無機鹽。2.選定水灰比

根據(jù)施工所處地域的溫度、濕度差異調整水灰比，調整范圍為0.16 0.18。3.水灰混合按水灰比加水至攪拌機中，攪拌5分鐘。測得初凝時間為26分鐘，5小時抗壓強度為34.3兆帕。實施例3:1.稱量原料、緩凝劑并混勻稱取氧化鎂100份，磷酸二氫鉀60份，緩凝劑5份，將其倒入攪拌機中攪拌3分鐘即可混勻。該緩凝劑中包括40重量份的雜環(huán)類化合物，20重量份的多元醇及其衍生物，20重量份的羥基羧酸及其鹽，15重量份的氨基羧酸及其鹽，5重量份的無機鹽。2.選定水灰比根據(jù)施工所處地域的溫度、濕度差異調整水灰比，調整范圍為0.16 0.18。3.水灰混合按水灰比加水至攪拌機中，攪拌5分鐘。測得初凝時間為88分鐘，5小時抗壓強度為31.9兆帕。實施例4: 1.稱量原料、緩凝劑并混勻稱取氧化鎂100份，磷酸二氫鉀60份，緩凝劑5份，將其倒入攪拌機中攪拌3分鐘即可混勻。該緩凝劑包括100重量份的雜環(huán)類化合物。2.選定水灰比根據(jù)施工所處地域的溫度、濕度差異調整水灰比，調整范圍為0.16 0.18。3.水灰混合按水灰比加水至攪拌機中，攪拌5分鐘。測得初凝時間為36分鐘，5小時抗壓強度為35.1兆帕。
性能對照表
權利要求
1.一種無機膠凝材料緩凝方法，其特征在于:在磷酸鹽膠凝材料中引入有機、無機復合緩凝方法，該緩凝方法中的緩凝劑主要為雜環(huán)類化合物，用作高效緩凝劑。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種無機膠凝材料緩凝方法，其特征在于:該緩凝方法中的緩凝劑還包括多元醇及其衍生物，羥基羧酸及其鹽、氨基羧酸及其鹽以及無機鹽。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種無機膠凝材料的復合緩凝方法，其特征在于:該緩凝方法中各成分含量為小于50重量份的雜環(huán)類化合物，小于30重量份的多元醇及其衍生物，小于20重量份的羥基羧酸及其鹽、小于20重量份的氨基羧酸及其鹽，小于20重量份的無 機鹽。
全文摘要
一種無機膠凝材料緩凝方法，是在磷酸鹽膠凝材料中引入多種有機、無機復合緩凝體系，尤其是引入雜環(huán)類化合物作為高效緩凝劑；該緩凝方法中用作緩凝劑的各成分包括雜環(huán)類化合物，多元醇及其衍生物，羥基羧酸及其鹽、氨基羧酸及其鹽以及無機鹽。本發(fā)明在傳統(tǒng)的無機鹽類緩凝劑基礎上增加雜環(huán)類化合物、多元醇及其衍生物、羥基羧酸及其鹽、氨基羧酸及其鹽等有機緩凝劑，將緩凝劑的摻量控制在5％(相對氧化鎂的質量)以內，穩(wěn)定提高了緩凝效果，讓磷酸鹽膠凝材料的初凝時間在1.5小時內可控，同時緩凝作用不影響磷酸鹽膠凝材料的早期抗壓強度，不影響磷酸鹽膠凝材料的后期抗壓強度隨著齡期的延長而增長，不影響磷酸鹽膠凝材料的優(yōu)異附著性與粘接性。
文檔編號C04B24/12GK103113131SQ20131007166
公開日2013年5月22日 申請日期2013年3月1日 優(yōu)先權日2013年3月1日
發(fā)明者胡斌, 李夢雅, 楊紅義, 黃思辰, 阮軍 申請人:北京中鐵潤海科技有限公司