CN103466986A

CN103466986A - 一种用于水泥基无收缩灌浆料的复合膨胀剂

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Publication number: CN103466986A
Application number: CN2013103918364A
Authority: CN
Inventors: 张小伟; 陆春霞; 周筠曦; 王辉; 任卫华
Original assignee: SUZHOU FANGZHENG ENGINEERING TECHNOLOGY DEVELOPMENT TESTING Co Ltd; Suzhou University of Science and Technology
Current assignee: SUZHOU FANGZHENG ENGINEERING TECHNOLOGY DEVELOPMENT TESTING Co Ltd; Suzhou University of Science and Technology
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-09-02
Also published as: CN103466986B

Abstract

本发明公开了一种用于水泥基无收缩灌浆料的复合膨胀剂，它是由下列重量配比的原料干混制成：45～60份铝酸钙粉、20～40份无水石膏、0.4～0.8份偶氮化合物、0.4～1.2份含锂化合物、6～16份氢氧化钙以及0～1.5份添加剂。本发明制备的复合膨胀剂性能稳定、高效，具有优异的刚性膨胀以及塑性膨胀性能，用于水泥基无收缩灌浆料时，少量的添加量即可获得高的膨胀率；有效补偿了水泥后期干燥收缩，避免开裂，提高了灌浆料的强度，并且稳定时间短，対湿养护依赖小；并且制备方法简单，原料来源广泛，成本低，适合工业化生产。

Description

一种用于水泥基无收缩灌浆料的复合膨胀剂

技术领域

本发明属于水泥基材料外加剂技术领域，具体涉及一种用于水泥基无收缩灌浆料的复合膨胀剂。

背景技术

水泥基无收缩灌浆料具有自流性好、快硬、高强、微膨胀、无毒无害、不老化、无污染、防锈、施工便捷等特点，广泛用于地脚螺栓锚固、核电设备固定、设备基础二次灌浆、栽埋钢筋混凝土结构加固和改造、旧混凝土结构的裂缝治理等工程。为获得理想的加固、锚固及裂缝治理效果，除良好的流动性、流动性保持性能和强度性能要求外，水泥基灌浆料需要在凝结硬化前产生一定的塑性膨胀，补偿硬化前产生的塑性收缩，确保灌浆充盈，还必须具有足够量的刚性膨胀，补偿水泥基材料硬化后产生的干燥收缩，避免开裂。为满足上述要求，实际灌浆料生产中必须选择合适的塑性膨胀剂和刚性膨胀剂。

水泥基灌浆料的塑性膨胀主要通过添加引气组分，利用其在碱性条件下反应释放出气体，导致浆料体积增大获得。中国专利CN102491669C公开了一种以对硝基苯重氮氟硼酸盐、亚氨基二乙腈、N，N-二环己基-2-苯丙噻唑次磺酰胺复合物为发气组分、以硬脂酸酯为包裹组分、以氢氧化钾或氢氧化锂为催化组分等的专用塑性膨胀剂制备方法，可实现3h的高效塑性膨胀，并满足3h与24h竖向膨胀率之差要求，同时也避免释放氢气，但该方法需要复杂的制备工艺，且24h与3h竖向膨胀率之差实际上也是通过气体的塑性膨胀产生的，导致灌浆料较低的抗压强度。

水泥基灌浆料的刚性膨胀多采用钙矾石型膨胀源获得，主要为将含铝组分配合一定量、不同晶型的石膏构成膨胀组分，利用含铝矿物与石膏反应生成的钙矾石获得刚性膨胀。现有技术中制备的灌浆料普遍存在膨胀组分用量大或膨胀率低的缺陷，其膨胀组分用量一般高达胶凝材料总量的10%以上，获得的膨胀率却难以超过0.1%，甚至仅能勉强满足大于0.02%的基本要求；导致灌浆料不但成本高，而且过低的刚性膨胀率往往并不能有效补偿水泥基材料的后期干燥收缩，尤其在灌浆料施工后湿养护不足的情况下，刚性膨胀很小，甚至会导致收缩开裂，无法获得理想的灌浆效果。例如：中国专利申请CN1084837A采用钙矾石类膨胀剂，每吨灌浆料膨胀剂用量近60kg，7d膨胀率仅0.02%左右；中国专利申请CN102351492A以高铝水泥、无水石膏作为膨胀组分，每吨灌浆料膨胀组分用量达50kg时，也仅获得0.02%左右的膨胀率；中国专利申请CN102173676A采用UEA膨胀剂，每吨灌浆料膨胀剂用量50kg，获得的竖向膨胀率未超过0.05%；中国专利申请CN102503318A每吨灌浆料快硬硫铝酸盐水泥用量达450kg时，其24h 与3h竖向膨胀率之差也未能超过0.1%。

此外，钙矾石膨胀源不能提供有效的塑性膨胀，灌浆料塑性膨胀或刚性膨胀不足都无法获得预期的使用效果，因此，性能优异的水泥基无收缩灌浆料需要同时具备高效的塑性膨胀和刚性膨胀。所以研发新的用于水泥基无收缩灌浆料的复合膨胀剂很有必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种水泥基无收缩灌浆料的复合膨胀剂，该复合膨胀剂组成简单、制备方便，在较低掺量下，不但可赋予灌浆料稳定高效的塑性膨胀，而且也赋予灌浆料高效的刚性膨胀，有效补偿后期干燥收缩，避免开裂。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于水泥基无收缩灌浆料的复合膨胀剂，它是由下列重量配比的原料干混均匀得到：

铝酸钙粉45～60份

无水石膏20～40份

偶氮化合物0.4～0.8份

含锂化合物0.4～1.2份

氢氧化钙6～16份

添加剂 0～1.5份

所述铝酸钙粉的矿物组成中CA₂的质量含量为25%～40%，并且按质量比，CA₂/CA在1.2～2.0之间；

所述无水石膏中，CaSO₄含量90%～95%；

所述含锂化合物为碳酸锂、氯化锂或氢氧化锂中的一种或多种；

所述添加剂为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠或者碳酸钾。

上述技术方案中，所述偶氮化合物为偶氮二甲酰胺。

上述技术方案中，所述铝酸钙粉的细度为0.045mm筛余量<20%。

上述技术方案中，按质量百分数，所述铝酸钙粉的化学组成为：Al₂O₃，50%～55%、CaO，28%～32%、SiO₂，7%～10%、Fe₂O₃，0%～3%、TiO₂，0%～3%、MgO，0%～2%、烧失量0%～0.5%。

上述技术方案中，所述无水石膏细度为325～400目。

优选的技术方案中，所述复合膨胀剂中添加剂的用量为0.5～1.5份。

本发明的铝酸钙粉并非常用的以CA为主要矿物组成的铝酸盐水泥，而是一种以铝矾土和石灰石为原料，经熔融法或烧结法烧成后研磨得到的一种以CA₂为主要活性矿物组成的铝酸钙粉，该铝酸钙粉CA₂含量25%～40%，并且按质量比，CA₂/CA在1.2～2.0之间。本领域技术人员按照设定的矿物组成，采用现有的水泥配料计算方法，经配料计算、生料制备、煅烧、熟料研磨等现有工序，都可方便制得。

本发明的复合膨胀剂实现水泥基灌浆料高效刚性膨胀的原理是：现有的灌浆料膨胀剂，采用高铝水泥或AEA膨胀剂、硫铝酸盐水泥或UEA膨胀剂等复合不同晶型石膏作为钙矾石型刚性膨胀源，前者所含CA矿物在复合胶凝体系中水化速度快，大量钙矾石在塑性阶段生成，不产生膨胀，浪费了膨胀能，即使在高掺量下，灌浆料硬化后也只能产生很小的刚性膨胀；后者所含硫铝酸钙矿物则大量钙矾石滞后生成，膨胀稳定期长，但24h内难以产生有效膨胀。而本发明采用的铝酸钙粉，其主要矿物CA₂与硅酸盐和无水石膏形成复合胶凝体系时，可以集中在灌浆料硬化初期迅速水化形成钙矾石，膨胀能获得高效利用，因此低掺量下即可获得很高的膨胀率，同时，硬化后钙矾石快速生成、且稳定期短，既降低了对湿养护的依赖，又有利于提高灌浆料早期强度，实现了高效化。

本发明的复合膨胀剂实现水泥基灌浆料高效塑性膨胀的原理是：偶氮化合物受热时可连续分解释放N₂为主的气体，在硅酸盐水泥水化提供的碱性条件下，其分解温度可降低到室温，而含锂化合物具有催化作用，可大幅度提高其分解速度和分解效率，因此，复合膨胀剂中所含少量偶氮化合物，无需进行特殊处理，即可方便实现灌浆料的高效塑性膨胀。

本发明中，对于塑性膨胀，氢氧化钙、钠或钾的氢氧化物或者碳酸盐提供了偶氮化合物分解所需的碱性条件，与锂化合物协同催化偶氮化合物的分解，提高偶氮化合物的利用率；对于刚性膨胀，氢氧化钙一方面可提供含铝矿物水化生成钙矾石所需的钙离子，加速钙矾石的生成；另一方面，氢氧化钙饱和条件下，可形成细小针状钙矾石包裹含铝矿物表面，延缓其快速水化，同时细小针状钙矾石可提供更大的膨胀能。

同时，锂化合物则具有加速含铝矿物水化的作用。因此，复合膨胀剂中的含锂化合物、氢氧化钙既保证了高效的塑性膨胀，也可确保钙矾石主要集中在灌浆料硬化期大量生成，获得稳定期短的高效刚性膨胀，同时也因钙矾石膨胀产生的致密化作用，提高了灌浆料早期强度。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

（1）本发明制备的复合膨胀剂性能稳定、高效，具有优异的刚性膨胀以及塑性膨胀性能，用于水泥基无收缩灌浆料时，少量的添加量即可获得高的膨胀率；

（2）本发明公开的复合膨胀剂有效补偿了水泥后期干燥收缩，避免开裂，提高了灌浆料的强度，并且稳定时间短，对湿养护依赖小；

（3）本发明的制备方法简单，原料来源广泛，成本低，适合工业化生产。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例一铝酸钙粉的制备

采用0.68吨铝矾土、0.66吨石灰石、0.26吨煤的生料配比，研磨获得细度为0.08mm筛余<5%的生料，经回转窑1400℃煅烧后研磨至0.045mm筛余<20%，获得化学组成Al₂O₃52.67%、CaO32.69%、SiO₂9.02%、Fe₂O₃1.68%、TiO₂2.97%、MgO0.74%、烧失量0.23%的1吨铝酸钙粉，其CA₂含量32%、CA含量17.3%，CA₂/CA为1.85，其余为非活性矿物C₂AS、CT、C₂F等。

实施例二复合膨胀剂的制备

按照表1所示重量配比将各组分依次加入干粉混合机中，经充分均匀混合即可得到所述的复合膨胀剂。

表1 复合膨胀剂各组分的重量配比

组号	铝酸钙粉	无水石膏	偶氮二甲酰胺	碳酸锂	氢氧化钙	碳酸钠
							1	56	34	0.5	1.0	8.5	0
2	60	25	0.4	1.0	13.6	0
							3	50	35	0.7	0.5	13.1	0.7
4	52	40	0.7	0.7	6.6	0

对比例一膨胀剂的制备

按照表2所示重量配比将各组分依次加入干粉混合机中，经充分均匀混合即可得到所述的膨胀剂。

表2 膨胀剂各组分的重量配比

实施例三灌浆料的制备

采用实施例二制备的复合膨胀剂以及对比例一制备的膨胀剂分别制备灌浆料。灌浆料的基础组成为：P.Ⅱ52.5水泥、胶砂比1∶1.375，萘系减水剂掺量为水泥用量的1.3%，以灌浆料总量为基准，掺加0.4~0.6%的P803有机硅消泡剂，0.4%~0.6%的葡萄糖酸钠及0.4%~0.6%的酒石酸或柠檬酸作为缓凝剂，各组膨胀剂按表2的不同重量比掺入水泥中。

依据GB/T50448-2008《水泥基灌浆料应用技术规范》所述实验方法，采用0.13水料比测得各实施例灌浆料技术性能如表3所示。

表3 各实施例灌浆料的性能

表3中组号1-4充分反映了本发明灌浆料膨胀剂塑性膨胀大、刚性膨胀率高、稳定期短、施工流动度及力学性能优异的特点。组号3、组号4复合膨胀剂掺量很低时也可赋予灌浆料优异的综合性能。组号5采用CA₂为主要活性矿物的铝酸钙粉，而未采用偶氮二甲酰胺，不能提供有效的塑性膨胀，但刚性膨胀、施工流动度和强度性能较好；组号6采用偶氮二甲酰胺，用高铝水泥替代铝酸钙粉，膨胀剂掺量高，塑性膨胀大，但所提供的刚性膨胀却很小，且施工流动度和强度性能也低。

Claims

1.一种用于水泥基无收缩灌浆料的复合膨胀剂，其特征在于，它是由下列重量配比的原料均匀混合得到：

铝酸钙粉45～60份

无水石膏20～40份

偶氮化合物0.4～0.8份

含锂化合物0.4～1.2份

氢氧化钙6～16 份

添加剂 0～1.5份

所述无水石膏中，CaSO₄的质量含量为90%～95%；

所述添加剂为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠或者碳酸钾。

2.根据权利要求1所述的复合膨胀剂，其特征在于：所述偶氮化合物为偶氮二甲酰胺。

3.根据权利要求1所述的复合膨胀剂，其特征在于：所述铝酸钙粉的细度为0.045mm筛余量<20%。

4.根据权利要求1所述的复合膨胀剂，其特征在于：按质量百分数，所述铝酸钙粉的化学组成为：Al₂O₃，50%～55%、CaO，28%～32%、SiO₂，7%～10%、Fe₂O₃，0%～3%、TiO₂，0%～3%、MgO，0%～2%、烧失量，0%～0.5%。

5.根据权利要求1所述的复合膨胀剂，其特征在于：所述无水石膏细度为325～400目。

6. 根据权利要求1所述的复合膨胀剂，其特征在于：所述复合膨胀剂中添加剂的用量为0.5～1.5份。