CN102775109A

CN102775109A - 亲水基纳米SiO2复合速凝水泥浆液的制备方法

Info

Publication number: CN102775109A
Application number: CN2012102480061A
Authority: CN
Inventors: 王道增; 程鹏达; 李旺雷; 钟宝昌; 张坤; 朱红伟; 周旭; 郑淑君
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2012-11-14

Abstract

本发明涉及一种亲水基纳米SiO₂复合速凝水泥浆液的制备方法，属水泥改性处理及水泥建筑材料技术领域。本发明目的是大幅提高水泥浆液初期强度，并改善碱性速凝水泥浆液结石中后期强度衰减的缺陷，并提出一种速凝水泥浆液的新配方。本发明的水泥浆液原料配方为：采用普通42.5MPa硅酸盐水泥和水制成水泥浆液，该浆液的水灰比为0.8，即两者的质量比为8:10；另外以所述浆液为计量基准，加入速凝剂水玻璃，其加入量为所述浆液质量的3%~7%；再加入亲水基纳米SiO₂，其加入量为所述浆液质量的0.5%~1.5%；将上述各原料称量配合后用分散器和搅拌器充分搅拌混合均匀，即得到复合速凝水泥浆液。

Description

亲水基纳米SiO2复合速凝水泥浆液的制备方法

技术领域

本发明涉及一种亲水基纳米SiO₂复合速凝水泥浆液的制备方法，属于水泥改性处理及水泥建筑材料技术领域。

背景技术

目前，水泥浆液一般结石体强度较高、耐久性较好、材料来源丰富、浆液配制方便、操作简单、成本较低，但凝胶时间较长，扩散不易控制。化学浆材流动性好，浆液粘度低，凝胶可控、抗渗性及耐久性能好，能注入到细微裂隙中，但是一般的化学浆液都具有毒性并且价格昂贵，强度比较低。为了缩短水泥浆液的凝胶时间，多采用速凝剂对水泥浆液的凝胶时间进行控制。目前常用速凝剂例如水玻璃，多为碱性或者弱碱性，加入速凝剂后，水泥浆液的凝固时间可在数十秒至半小时可控。由于水泥速凝浆液凝固时间缩短，水泥结石初期强度迅速提高，一般为普通浆液的数倍，但由于速凝剂碱性作用，水泥结石中后期强度下降明显，后期强度平均只能达到普通浆液的一半左右。

速凝净浆结石初期（1天）强度比净浆结石提高了近15倍，体现了初期优良的防渗堵水性能，但中后期（7天、28天）强度大幅下降，如图1所示。7天强度比净浆结石降低了10%，28天强度降低了近40%，不能达到施工要求。原因之一是速凝剂中含有大量碱性物质，导致后期强度大幅下降，这是传统速凝剂普遍存在的问题。

在大量水利或隧道等防渗加固工程中，经常会采用速凝剂材料加速水泥浆液的凝固，控制其扩散范围。长期观测表明，加入碱性速凝剂后，虽然浆液的扩散范围和水泥结石初期强度都有所改善，但是水泥结石中后期强度衰减幅度较大，严重时降幅超过40%，给水利或隧道工程留下了巨大的安全隐患。

近年来，众多学者对水泥水化主要产物水化硅酸钙进行研究，证实了水泥硬化浆体中存在70%纳米尺度的水化硅酸钙凝胶颗粒，从而为水泥基材料进行纳米改性奠定基础。近年来纳米材料和纳米技术快速发展,为水泥基纳米复合材料的研制带来了很大的发展空间。众多学者对纳米二氧化硅改性普通硅酸盐水泥进行了广泛的探索性研究，结果表明，由于纳米二氧化硅尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例，这些表面原子具有很高的活性，表现为大量的悬挂键或不饱和键，这些不饱和性将导致提高了纳米SiO₂的反应性，很容易与水泥水化反应生成的Ca（OH）₂键合，生成水化硅酸钙(CSH)凝胶，随着Ca（OH）₂的消耗加速了水泥的水化速度，促进了水泥的凝结，使凝结时间缩短。在固定水灰比的情况下，加入适量的纳米二氧化硅纳米，能生成更多的 CSH 凝胶，使水泥结石微观结构更加密实，抗压和抗折强度都有所提高。本发明将亲水基纳米材料引入速凝水泥浆液制备过程中，利用纳米材料对水泥浆液的改性作用，改善水泥浆液流变特性，并提高传统速凝浆液中后期强度。

发明内容

一种亲水基纳米SiO₂复合速凝水泥浆液的制备方法，其特征在于其有以下的制备过程：

A）确定亲水基纳米SiO₂复合速凝水泥浆液的原料配方，其原料配方为：普通42.5MPa硅酸盐水泥和水制成水泥浆液，该浆液的水灰比为0.8，即两者的质量比为8:10；另外以所述浆液为计量基准，加入速凝剂水玻璃，其加入量为所述浆液质量的3%-7%；再加入亲水基纳米SiO₂（纳米二氧化硅采用上海大学纳米中心提供的亲水基纳米二氧化硅），其最佳加入量为所述浆液质量的0.5%~1.5%；

B）将上述各原料按配方称重配料，并用分散器、搅拌器充分搅拌混合均匀，即得到复合速凝水泥浆液。

附图说明

图1为速凝净浆结石与净浆结石的强度对比曲线图

图2为各种不同原料配比下的浆液结石抗压强度百分比率对比图

图3为不同纳米SiO₂含量水泥浆液抗压强度曲线图

图4为不同纳米SiO₂含量水泥浆液抗折强度曲线图

图5为不同纳米SiO₂含量水泥浆液的粘度随时间变化曲线图

图6为同一时刻水泥浆液粘度随纳米SiO₂含量的变化曲线图。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例叙述于后。

实施例

本实施例中，亲水基纳米SiO₂复合速凝水泥浆液的制备方法，具有以下的制备过程：

（1）确定亲水基纳米SiO₂复合速凝水泥浆液的原料配方，其原料配方为：普通42.5MPa硅酸盐水泥和水制成水泥浆液，该浆液的水灰比为0.8，即两者的质量比为8:10；另外以所述浆液为计量基准，加入速凝剂水玻璃，其加入量为所述浆液质量的3%~7%；再加入亲水基纳米SiO₂，其加入量为所述浆液质量的0.5%~1.5%；

（2）将上述各原料按配方称重配料，并用分散器、搅拌器充分搅拌混合均匀，即得到复合速凝水泥浆液。

本发明的有关各项试验

1、不同原料配方水泥浆液的机械性能试验

对采用不同配方的浆液材料性能进行实验研究。实验采用普通42.5MPa硅酸盐水泥，浆液水灰比为0.8。速凝剂水玻璃含量5%，纳米二氧化硅采用上海大学纳米中心提供的亲水基纳米二氧化硅，参入比例为0%~2%。对水泥净浆结石，不同速凝纳米浆液结石进行抗压强度和抗折强度实验；表达方式：净浆（0%）为无速凝剂和纳米颗粒的浆液；0%&速凝为不含纳米颗粒但有速凝剂的浆液；0.25%&速凝为含有0.25%纳米颗粒和速凝剂的浆液；0.5%&速凝为含有0.5%纳米颗粒和速凝剂的浆液；1%&速凝为含有1%纳米颗粒和速凝剂的浆液；2%&速凝为含有2%纳米颗粒和速凝剂的浆液。实验结果见图2。

由于亲水性纳米颗粒优良的水化反应诱导作用，诱导水泥水化生成较多的水化物，加速凝固，提高了早中期结石强度。另外部分纳米颗粒起到填充细化孔隙作用，纳米颗粒填充到水泥水化物孔隙中，增加水泥石内部密实性，进而提高了结石强度。从图2可以看出，由于加入纳米颗粒后的速凝浆液强度有了大幅提高。随着纳米颗粒含量增加，3天强度分别比水泥净浆提高了近30%、40%、50%和56%，7天强度分别比水泥净浆提高了近15%、20%、22%和21%，28天强度分别达到水泥净浆85%、90%、92%和90%。而未加纳米颗粒的浆液结石28天强度只有净浆结石的65%。

对比分析以上实验结果，可以发现速凝纳米浆液强度早中期都高于水泥净浆，后期强度基本达到净浆结石的90%，比未加纳米颗粒的速凝浆液后期强度提高了近30%，基本达到了高压富水区施工要求。另外分析可知，四种不同纳米颗粒含量的工况下，加入 0.5%和1%纳米颗粒的浆液强度相对较高。分别加入0.5%和1%纳米颗粒的速凝浆液，中后期强度相差约为2%。在实际施工中，应充分考虑性能和经济因素，科学合理的选用配比。

从图3~图4可以看出，加入纳米颗粒的浆液结石强度都有大幅提高，。随着纳米颗粒含量的增加，纳米颗粒对结石强度的改性作用明显。同一时刻结石强度随着纳米颗粒含量增加而增加，但在28天时，纳米颗粒含量最高为2%时，强度反而有所降低。这与纳米颗粒含量增加，纳米颗粒结合了大量水分子，导致后期水化反应不足，结石强度有所降低。由此可见，在纳米材料在改善水泥结石性能时，并不是含量越高越好，应综合考虑材料的性价比而决定纳米颗粒含量。

2、不同纳米SiO ₂ 含量对水泥浆液粘度影响的试验

不同亲水基纳米SiO₂含量对水泥浆液粘性影响进行研究；实验以水灰比W/C=0.8为例，纳米颗粒SiO₂含量比例分别为：0 ，0.25% ，0.50%， 1%，2%， 3%， 4%， 5%， 6% 。采样时间间隔5分钟，实验时间30分钟。实验结果如图5。

从图5可以看出，30分钟内，不同纳米颗粒粘度随时间成正比增加，但粘度增加量有限。从图6可以看出，同一时刻，浆液粘度随纳米颗粒含量增加而增加。当纳米颗粒含量小于2%时，粘性增加迅速，当纳米颗粒含量大于2%小于4%时，粘度增加有所减小。当纳米颗粒含量大于4%时，浆液粘性迅速增加。当纳米颗粒含量大于6%时，浆液失去流动性。纳米颗粒含量小于2%时，随着纳米颗粒含量的增加，水化进程加快，浆液粘性增加迅速，纳米颗粒起到加速水泥水化过程的作用，符合纳米颗粒诱导效应规律。纳米颗粒含量处于2%~4%之间时，随着纳米颗粒含量的增加，浆液粘性增加缓慢，其原因是纳米材料分散性较差造成的。纳米颗粒的密度较小，比表面积较大，在浆液中均匀混合需要很长的时间。随着掺入量增加，混合时间不足容易产生纳米颗粒团聚现象，导致纳米诱导水化反应失效，因而粘性增加缓慢。纳米颗粒含量大于4%后，浆液粘性迅速增加，我们认为其原因是纳米颗粒含量过高，导致亲水性纳米颗粒迅速与浆液中水分子结合，使浆液暂时脱水而失去流动性。因此亲水性纳米颗粒掺入量不宜大于2%，可按照施工要求，将亲水性纳米颗粒掺入量控制在0.5%~1.5%之间。

Claims

1.一种亲水基纳米SiO₂复合速凝水泥浆液的制备方法，其特征在于其有以下的制备过程：

A)确定亲水基纳米SiO₂复合速凝水泥浆液的原料配方，其原料配方为：普通42.5MPa硅酸盐水泥和水制成水泥浆液，该浆液的水灰比为0.8，即两者的质量比为8:10；另外以所述浆液为计量基准，加入速凝剂水玻璃，其加入量为所述浆液质量的3%~7%；再加入亲水基纳米SiO₂（纳米二氧化硅采用上海大学纳米中心提供的亲水基纳米二氧化硅），其最佳加入量为所述浆液质量的0.5%~1.5%；

B)将上述各原料按配方称重配料，并用分散器、搅拌器充分搅拌混合均匀，即得到复合速凝水泥浆液。