CN102898105B

CN102898105B - 无机多元复合超早强灌浆材料及其制备方法

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Publication number: CN102898105B
Application number: CN201210384381.9A
Authority: CN
Inventors: 李宪军; 王芳芳; 毕兴锁; 李建国; 郝建英
Original assignee: SHANXI PROVINCIAL RESEARCH INST OF ARCHITECTURAL SCIENCES
Current assignee: Shanxi Academy Of Architectural Sciences Co ltd; Shanxi Jianyan Engineering Testing Co ltd
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2032-10-11
Also published as: CN102898105A

Abstract

本发明涉及一种无机多元复合超早强灌浆材料，其含有50-65重量份胶凝材料、30-46重量份石英砂和助剂；胶凝材料由62-68重量份硫铝酸盐水泥、18-25重量份铝酸盐水泥和8-15重量份石膏组成；助剂由占胶凝材料重量百分数的下列组分组成：碳酸锂0.02%~0.06%，硫酸钠0.9%~1.4％，硼砂0.3%~0.6%，三聚磷酸钠0.05%~0.09%，葡萄糖酸钠0.01%~0.03%，硫酸亚铁0.4%~0.7%，消泡剂0.15%~0.2%，聚丙烯纤维0.2%~0.4%，萘系高效减水剂1.4%~1.8%。本发明无机多元复合超早强灌浆材料具有抗压强度高、流动度经时损失小、生产过程简单、无毒无污染的特点。

Description

无机多元复合超早强灌浆材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种灌浆材料，特别是涉及一种用于工程抢险、工程修补、老旧建筑加固、铁路支座砂浆等领域，也可作为普通灌浆材料使用的无机多元复合环保型超早强灌浆材料，其优越的超早强性能，可有望进入国防、核工业等领域。

背景技术

随着社会的进步和科学技术的发展，环保节能成为当今世界发展的两大主题。而化学灌浆材料的毒性及环境污染问题和传统无机灌浆材料不能满足工程需求一直捆饶工程技术人员和研究人员；铁路支座砂浆（超早强灌浆料）这一新的需求领域的出现，巨额的利润驱使许多研究单位投入其中，随着国家加大基础设施建设的投入，出现了更多要求工期短、早期强度高等工程以及工程抢险、工程修补等领域，市场对高性能灌浆材料的需求越来越大，而且对其性能和环保要求也越来越高。

目前，国内外研究系列高强无收缩灌浆材料的单位很多，其研究内容主要集中在特种水泥与硅酸盐水泥石膏的复合方面，其性能也没有突破性进展，而且国内外这方面的的研究信息比较少，研究结果也颇有争议。存在的主要问题是复合体系配比设计比较随意，没有太多科学根据，其次是体系的凝结时间不易控制，最为根本的问题是对复合体系水化机理尚未进行深入的研究，仅仅将兴趣放在宏观性能方面，导致了对复合体系的设计缺乏科学性和理论性的指导。而对硫铝酸盐水泥-铝酸盐水泥-石膏三元复合体系的研究报道还没有发现。

有关超早强灌浆材料国内外虽有较多的研究，国外超早强灌浆材料初始流动性能较好，但是小时抗压强度和抗折强度不能得到较好的发展，或者是抗压强度高时抗折强度较低；国内超早强灌浆材料特点是初始流动度值较大时，小时强度较低，或者是小时强度较高时，流动度损失较大，两者不能很好地统一。

因此，如果能将超早强促凝调控技术、缓凝技术和微膨胀技术实现有机结合，来进行系统的研究硫铝酸盐水泥-铝酸盐水泥-石膏三元复合体系，以实现高小时强度和低流动度损失的矛盾统一。该体系的研发对工程抢险、工程修补提供了技术保障，并可尝试开拓该体系新的应用领域，比如国防、核工业、甚至航空等领域。该项研究填补了国内外硫铝酸盐水泥—铝酸盐水泥—石膏三元复合体系研究的空白。

发明内容

本发明克服了现有技术存在的缺点，提供了一种抗压强度高、流动度经时损失小、生产过程简单、无毒无污染的无机多元复合超早强灌浆材料。

为达上述目的，本发明一种无机多元复合超早强灌浆材料，含有50-65重量份的胶凝材料、30-46重量份的石英砂和助剂；所述胶凝材料由62-68重量份的硫铝酸盐水泥、18-25重量份的铝酸盐水泥和8-15重量份的石膏组成；所述助剂由占胶凝材料重量百分数的下列组分组成：碳酸锂0.02%~0.06%，硫酸钠0.9%~1.4%，硼砂0.3%~0.6%，三聚磷酸钠0.05%~0.09%，葡萄糖酸钠0.01%~0.03%，硫酸亚铁0.4%~0.7%，消泡剂0.15%~0.2%，聚丙烯纤维0.2%~0.4%，萘系高效减水剂（即萘系减水剂）1.4%~1.8%。

本发明无机多元复合超早强灌浆材料，优选含有56重量份的胶凝材料、42重量份的石英砂和助剂；所述胶凝材料由62重量份的硫铝酸盐水泥、18重量份的铝酸盐水泥和8重量份的石膏组成；所述助剂由占胶凝材料重量百分数的下列组分组成：碳酸锂0.02%，硫酸钠1.0%，硼砂0.3%，三聚磷酸钠0.05%，葡萄糖酸钠0.01%，硫酸亚铁0.4%，消泡剂0.15%，聚丙烯纤维0.2%，萘系高效减水剂1.4%。

本发明无机多元复合超早强灌浆材料，优选含有58重量份的胶凝材料、40重量份的石英砂和助剂；所述胶凝材料由64重量份的硫铝酸盐水泥、20重量份的铝酸盐水泥和9重量份的石膏组成；所述助剂由占胶凝材料重量百分数的下列组分组成：碳酸锂0.03%，硫酸钠1.1%，硼砂0.4%，三聚磷酸钠0.06%，葡萄糖酸钠0.02%，硫酸亚铁0.5%，消泡剂0.16%，聚丙烯纤维0.2%，萘系高效减水剂1.5%。

本发明无机多元复合超早强灌浆材料，优选含有63重量份的胶凝材料、34重量份的石英砂和助剂；所述胶凝材料由66重量份的硫铝酸盐水泥、22重量份的铝酸盐水泥和11重量份的石膏组成；所述助剂由占胶凝材料重量百分数的下列组分组成：碳酸锂0.04%，硫酸钠1.2%，硼砂0.4%，三聚磷酸钠0.07%，葡萄糖酸钠0.03%，硫酸亚铁0.6%，消泡剂0.17%，聚丙烯纤维0.3%，萘系高效减水剂1.6%。

本发明无机多元复合超早强灌浆材料，优选含有65重量份的胶凝材料、31重量份的石英砂和助剂；所述胶凝材料由68重量份的硫铝酸盐水泥、24重量份的铝酸盐水泥和13重量份的石膏组成；所述助剂由占胶凝材料重量百分数的下列组分组成：碳酸锂0.05%，硫酸钠1.3%，硼砂0.6%，三聚磷酸钠0.08%，葡萄糖酸钠0.03%，硫酸亚铁0.7%，消泡剂0.18%，聚丙烯纤维0.4%，萘系高效减水剂1.7%。

上述各组分市场有售，均可通过购买得到。其中，消泡剂可以是本领域常用的各种消泡剂，如有机硅消泡剂或聚醚类消泡剂，优选聚醚类消泡剂，灌注后外观质量好，消泡效果好。碳酸锂作为早强促凝剂组分，有效缩短了复合体系的凝结时间，加快了水化速度，为超早强创造了条件，硫酸钠和硫酸亚铁为超早强起到了促进作用。石膏优选二水石膏，二水石膏溶解度更适合硫铝酸盐水泥—铝酸盐水泥—石膏三元复合体系，石膏的加入既起到了调节体系的矿物组成作用，又起到了微膨胀作用和缓凝作用。硼砂、三聚磷酸钠和葡萄糖酸钠起到了改善和合体系与萘系高效减水剂的适应性，保障了30min流动度损失降低。萘系高效减水剂为现有产品，市场有售，减水率达到20%左右的市售萘系高效减水剂均可使用。

本发明无机多元复合超早强灌浆材料的制备：按照上述配比将各原料称好，经犁刀式混料机充分搅拌，即得成品。

本发明与现有技术不同之处在于，本发明采用国内外首创的硫铝酸盐水泥—铝酸盐水泥-石膏三元复合体系，该三元复合体系对本发明灌浆材料的物理性能起到主要作用。本发明的关键在于十多种组分的合理重量匹配，各组分的添加量是在长期生产经验的基础上得到的，是超早强促凝调控技术与缓凝调控技术的有机结合。加入快硬超早强组分（主要指碳酸锂，硫酸钠和石膏起辅助复合叠加效应）后不仅弥补了缓凝组分硼砂带来的负面影响（负面影响主要是指掺量过大会使凝结时间延长，小时强度达不到要求，甚至2小时几乎没有强度），而且随着快硬超早强组分掺量的增加，无论是小时强度还是长龄期强度都有很大的提高。但是快硬超早强组分的掺量也不能无限增大，与硼砂的重量配比在本发明的范围内才能达到本发明的效果。本发明根据这一原理建立了三元复合体系又要“快硬而不速凝”的关键技术。“快硬而不速凝”就是既要达到30min浆体流动度损失很小或不损失，还要在2h的抗压强度达到40MPa以上。

国外超早强灌浆材料初始流动性能较好，但是小时抗压强度和抗折强度不能得到较好的发展，或者是抗压强度高时抗折强度较低；国内超早强灌浆材料的特点是初始流动度值较大时，小时强度较低，或者是小时强度较高时，流动度损失较大，两者不能很好地统一。本发明采用硫铝酸盐水泥-铝酸盐水泥-石膏三元复合体系配制超早强灌浆材料，解决了上述问题。经实践证明，本发明的硫铝酸盐水泥—铝酸盐水泥—石膏三元复合体系配制的超早强灌浆材料2h抗压强度最高可达40MPa以上，初始流动度340mm，30min流动度损失很小，甚至不损失；24h抗折强度可达14MPa以上，抗压强度可达70MPa以上；28d抗压强度可达90MPa以上,56d、90d抗压强度可达100MPa以上，强度不倒缩，耐久性好，外观质量好，抗腐蚀性强，具有微膨胀性能。

具体实施方式

以下结合实施例和试验数据，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例1

胶凝材料由62重量份的硫铝酸盐水泥、18重量份的铝酸盐水泥和8重量份的石膏组成；

助剂由占胶凝材料重量百分数的下列组分组成：碳酸锂0.02%，硫酸钠1.0％，硼砂0.3%，三聚磷酸钠0.05%，葡萄糖酸钠0.01%，硫酸亚铁0.4%，消泡剂0.15%，聚丙烯纤维0.2%，萘系高效减水剂（如购自山西黄腾化工有限公司，山西康克尔精细化工有限责任公司）1.4%；

取56重量份的上述胶凝材料、42重量份的石英砂和上述得到的助剂，用犁刀式混料机（上海双龙混合设备制造有限公司）充分搅拌，即得本发明的无机多元复合超早强灌浆材料。

实施例2

胶凝材料由64重量份的硫铝酸盐水泥、20重量份的铝酸盐水泥和9重量份的石膏组成；

助剂由占胶凝材料重量百分数的下列组分组成：碳酸锂0.03%，硫酸钠1.1％，硼砂0.4%，三聚磷酸钠0.06%，葡萄糖酸钠0.02%，硫酸亚铁0.5%，消泡剂0.16%，聚丙烯纤维0.2%，萘系高效减水剂1.5%；

取58重量份的上述胶凝材料、40重量份的石英砂和上述得到的助剂，用犁刀式带飞刀混料机充分搅拌，即得本发明的无机多元复合超早强灌浆材料。

实施例3

胶凝材料由66重量份的硫铝酸盐水泥、22重量份的铝酸盐水泥和11重量份的石膏组成；

助剂由占胶凝材料重量百分数的下列组分组成：碳酸锂0.04%，硫酸钠1.2%，硼砂0.4%，三聚磷酸钠0.07%，葡萄糖酸钠0.03%，硫酸亚铁0.6%，消泡剂0.17%，聚丙烯纤维0.3%，萘系高效减水剂1.6%；

取63重量份的上述胶凝材料、34重量份的石英砂和上述助剂，用犁刀式带飞刀混料机充分搅拌，即得本发明的无机多元复合超早强灌浆材料。

实施例4

胶凝材料由68重量份的硫铝酸盐水泥、24重量份的铝酸盐水泥和13重量份的石膏组成；

助剂由占胶凝材料重量百分数的下列组分组成：碳酸锂0.05%，硫酸钠1.3％，硼砂0.6%，三聚磷酸钠0.08%，葡萄糖酸钠0.03%，硫酸亚铁0.7%，消泡剂0.18%，聚丙烯纤维0.4%，萘系高效减水剂1.7%；

取65重量份的上述胶凝材料、31重量份的石英砂和助剂，用犁刀式带飞刀混料机充分搅拌，即得本发明的无机多元复合超早强灌浆材料。

试验例以现有的灌浆材料作对比

现有的灌浆材料的组成：（1）采用硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和二水石膏复合胶凝体系配制灌浆料，可利用铝酸盐水泥对硅酸盐水泥的促凝和促硬作用来改善硅酸盐水泥早期力学性能，利用硅酸盐水泥弥补铝酸盐水泥后期强度差的缺陷。（2）采用硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥-石膏三元系统制备的灌浆料强度能够得到显著的提高，而且通过三者之间不同比例的调整可制备出高强高性能微膨胀灌浆材料和超早强高性能修补材料。（3）采用单一品种的水泥进行物理和化学改性，制备高性能胶凝材料和高强灌浆材料。虽然国内生产高速铁路用支座砂浆的厂家较多，在国内高速铁路建设过程中得到了大量的应用。将上述三种组成的现有灌浆材料依据：《客运专线桥梁盆式橡胶支座暂行技术条件》【2005】101号文件（该标准里面有试验方法）检验如下物理性能（如下表1所示）。

表1现有三种组成的灌浆材料的检测试验数据

目前可查到的国内外资料如下表2所示：

表2国内外功能性砂浆材料的研究水平

注：表中“f₀”为初始流动度值，“f₃₀”为30min之后的流动度值，“P_2h”表示2h抗压强度，“Z_24h”表示24h抗折强度。

从表2可以看出国外超早强灌浆材料初始流动性能较好，但是小时抗压强度和抗折强度不能得到较好的发展，或者是抗压强度高时抗折强度较低；国内超早强灌浆材料特点是初始流动度值较大时，小时强度较低，或者是小时强度较高时，流动度损失较大，两者不能很好地统一。

将上述实施例1-4得到的本发明超早强灌浆材料依据：《客运专线桥梁盆式橡胶支座暂行技术条件》【2005】101号文件的试验方法检验如下物理性能（如下表3所示）：

表3本发明灌浆材料的检测试验数据

由表1和表3中的数据对比可知，本发明的超早强灌浆材料2h抗压强度最高可达40MPa以上，初始流动度340mm，30min流动度损失很小，甚至不损失；24h抗折强度可达14MPa以上，抗压强度可达70MPa以上；28d抗压强度可达90MPa以上，56d、90d抗压强度可达100MPa以上，强度不倒缩，耐久性好，外观质量好，抗腐蚀性强，具有微膨胀性能。与现有的灌浆材料相比，本发明的超早强灌浆材料初始流动性能较好，抗折强度和小时抗压强度均有显著提高，微膨胀性能较好。

本发明的关键在于十多种组分种类和重量配比的合理选择，各组分的添加量是在长期理论研究和生产经验的基础上得到的。当铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥超出了本发明的范围，其体系的小时强度就难以保证；当石膏超出了规定范围，超过上限会因膨胀率太高而破坏水泥石的结构，导致结构破坏，掺量太低，起不到微膨胀效果，而且整个体系的性能将大幅度降低；助剂的使用非常关键，如果没有早强促凝组分（如碳酸锂、硫酸钠等，当然也存在早强促凝组分的复合叠加效应）的促进作用，该三元复合体系就不能应用，缓凝组分（如硼砂）和早强促凝组分的合理匹配，使三元复合体系既达到了早强促凝的效果，又使浆体30min流动度损失很小，达到了早强促凝和缓凝的辩证统一。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种无机多元复合超早强灌浆材料，其特征在于，

含有50-65重量份的胶凝材料、30-46重量份的石英砂和助剂；

所述胶凝材料由62-68重量份的硫铝酸盐水泥、18-25重量份的铝酸盐水泥和8-15重量份的石膏组成；

所述助剂由占胶凝材料重量百分数的下列组分组成：碳酸锂0.02%～0.06%，硫酸钠0.9%～1.4%，硼砂0.3%～0.6%，三聚磷酸钠0.05%～0.09%，葡萄糖酸钠0.01%～0.03%，硫酸亚铁0.4%～0.7%，消泡剂0.15%～0.2%，聚丙烯纤维0.2%～0.4%，萘系高效减水剂1.4%～1.8%。

2.根据权利要求1所述的无机多元复合超早强灌浆材料，其特征在于，

含有56重量份的胶凝材料、42重量份的石英砂和助剂；

所述胶凝材料由62重量份的硫铝酸盐水泥、18重量份的铝酸盐水泥和8重量份的石膏组成；

所述助剂由占胶凝材料重量百分数的下列组分组成：碳酸锂0.02%，硫酸钠1.0%，硼砂0.3%，三聚磷酸钠0.05%，葡萄糖酸钠0.01%，硫酸亚铁0.4%，消泡剂0.15%，聚丙烯纤维0.2%，萘系高效减水剂1.4%。

3.根据权利要求1所述的无机多元复合超早强灌浆材料，其特征在于，

含有58重量份的胶凝材料、40重量份的石英砂和助剂；

所述胶凝材料由64重量份的硫铝酸盐水泥、20重量份的铝酸盐水泥和9重量份的石膏组成；

所述助剂由占胶凝材料重量百分数的下列组分组成：碳酸锂0.03%，硫酸钠1.1%，硼砂0.4%，三聚磷酸钠0.06%，葡萄糖酸钠0.02%，硫酸亚铁0.5%，消泡剂0.16%，聚丙烯纤维0.2%，萘系高效减水剂1.5%。

4.根据权利要求1所述的无机多元复合超早强灌浆材料，其特征在于，

含有63重量份的胶凝材料、34重量份的石英砂和助剂；

所述胶凝材料由66重量份的硫铝酸盐水泥、22重量份的铝酸盐水泥和11重量份的石膏组成；

所述助剂由占胶凝材料重量百分数的下列组分组成：碳酸锂0.04%，硫酸钠1.2%，硼砂0.4%，三聚磷酸钠0.07%，葡萄糖酸钠0.03%，硫酸亚铁0.6%，消泡剂0.17%，聚丙烯纤维0.3%，萘系高效减水剂1.6%。

5.根据权利要求1所述的无机多元复合超早强灌浆材料，其特征在于，

含有65重量份的胶凝材料、31重量份的石英砂和助剂；

所述胶凝材料由68重量份的硫铝酸盐水泥、24重量份的铝酸盐水泥和13重量份的石膏组成；

所述助剂由占胶凝材料重量百分数的下列组分组成：碳酸锂0.05%，硫酸钠1.3%，硼砂0.6%，三聚磷酸钠0.08%，葡萄糖酸钠0.03%，硫酸亚铁0.7%，消泡剂0.18%，聚丙烯纤维0.4%，萘系高效减水剂1.7%。

6.根据权利要求1-5任一项所述的灌浆材料，其特征在于：所述石膏为二水石膏。

7.根据权利要求1-5任一项所述的灌浆材料，其特征在于：所述消泡剂为有机硅消泡剂或聚醚类消泡剂。

8.根据权利要求7所述的灌浆材料，其特征在于：所述消泡剂为聚醚类消泡剂。

9.制备权利要求1-5任一项所述的灌浆材料的方法，其特征在于：按所述配比称取各原料，混合充分搅拌，即得。