CN104402009A - 一种水化硅酸钙凝胶溶液早强剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水化硅酸钙凝胶溶液早强剂及其制备方法，属于建筑材料生产技术领域，用于解决传统的水化硅酸钙粉末制备复杂、成本较高、不易储存、早强效果不理想的问题。水化硅酸钙凝胶溶液早强剂，包括：钙质材料、硅质材料、凝胶分散剂和水，钙质材料和硅质材料的重量比为0.3～3：1，水的重量与钙质材料和硅质材料的总重量比为5～30：1，凝胶分散剂的质量分数为0.1％～2.0％。该早强剂的制备方法，首先称量反应物，并分别制作硅酸钠和硝酸钙水溶液；然后将二者混合反应得到凝胶混合液；接着进行抽滤；最后添加水和分散剂进行再分散。该早强剂均匀稳定，方便储存，使用便利程度高，早强效果好，且可有效降低碱骨料反应风险。

Description

一种水化硅酸钙凝胶溶液早强剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料生产技术领域，具体涉及一种水化硅酸钙凝胶溶液早强剂及其制备方法。

背景技术

早强剂是一种加速水泥水化、提高水泥基材料早期强度的添加剂。水化硅酸钙(C-S-H)是一种常见的早强剂。通常，选取硅酸钠和硝酸钙作为硅质材料和钙质材料，进行溶液反应法制备水化硅酸钙。具体来说，实验室制备过程中，首先按一定的钙硅比和水固比将硅酸钠和硝酸钙称量并加水溶解；然后将溶解形成的硅酸钠溶液和硝酸钙溶液混合，同时加入去离子水，在水浴条件下反应；最后，待反应完全后将所得产物进行洗涤、抽滤、干燥工序处理，从而得到水化硅酸钙粉末。该粉末状态的水化硅酸钙可以直接用作早强剂。

然而，前述水化硅酸钙制备方法，存在以下问题：一是水化硅酸钙产品以粉末形态存在，由于在工程应用中掺量很少，因此称量困难，误差较大，粉末在混凝土拌合物中分散不均，影响水泥基材料的质量；二是水化硅酸钙粉末制备过程中需要干燥及粉磨等工序，设备投入较大，制备成本较高；三是制备水化硅酸钙粉末的反应过程中一般要进行恒温水浴、反应溶液碱度调控以及反应产物去离子水清洗等步骤，制备工序比较繁琐。

因此，如何提供一种制备工序简单、方便储存和称量且能够有效提高水泥基材料早期强度的水化硅酸钙凝胶溶液早强剂及其制备方法成为本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水化硅酸钙凝胶溶液早强剂及其制备方法，以解决传统的水化硅酸钙粉末制备工序复杂、成本较高、不易储存以及早强效果差的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种水化硅酸钙凝胶溶液早强剂，它的原料包括：钙质材料、硅质材料、凝胶分散剂和水，其中所述钙质材料和所述硅质材料的摩尔比为0.3～3：1，所述水的重量与所述钙质材料和所述硅质材料的总重量比为5～30：1，所述凝胶分散剂的质量分数为0.1％～2.0％。

进一步地，所述凝胶分散剂为萘磺酸盐甲醛缩合物等高分子聚合物。

进一步地，所述硅质材料为硅酸钠粉末。

进一步地，所述钙质材料为硝酸钙晶体。

一种水化硅酸钙凝胶溶液早强剂的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：准确称量所述硅酸钠粉末、硝酸钙晶体以及水备用；

步骤二：将步骤一所述的水分为两份，一份用于配制所述硅酸钠的水溶液，另一份用于配制所述硝酸钙的水溶液，并分别搅拌预定时间，所述预定时间为5s～60s；

步骤三：将所述硅酸钠的水溶液与所述硝酸钙的水溶液混合，并搅拌一定时间，所述一定时间为10s～300s，得到C-S-H凝胶混合液；

步骤四：采用抽滤设备将所述步骤三中的C-S-H凝胶混合液滤干，得到抽滤后的C-S-H凝胶；

步骤五：往所述步骤四中的抽滤后的C-S-H凝胶中添加与所述步骤一中质量相等的水以及质量分数为0.1％～2.0％的所述分散剂，并采用分散设备进行分散，分散均匀后即得所述C-S-H凝胶溶液混合型早强剂。

进一步地，所述钙质材料和所述硅质材料的摩尔比为1：1，所述水的重量与所述钙质材料和所述硅质材料的总重量比为8：1，所述凝胶分散剂的质量分数为0.50％；所述步骤二中的预定时间为30s；所述步骤三中的一定时间为180s。

进一步地，所述钙质材料和所述硅质材料的摩尔比为0.8：1，所述水的重量与所述钙质材料和所述硅质材料的总重量比为12：1，所述凝胶分散剂的质量分数为1.00％；所述步骤二中的预定时间为35s；所述步骤三中的一定时间为150s。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明的水化硅酸钙凝胶溶液早强剂，包括：钙质材料、硅质材料、凝胶分散剂和水，其中钙质材料和硅质材料的重量比为0.3～3：1，水的重量与钙质材料和硅质材料的总重量比为5～30：1，凝胶分散剂的质量分数为0.1％～2.0％。该水化硅酸钙凝胶溶液早强剂与没有添加早强剂的水泥基材料相比，1d抗折强度提升了92.0％，抗压强度提升了171.1％；提升幅度分别是传统水化硅酸钙粉末早强剂的2.99倍、5.88倍。而且，本发明的水化硅酸钙凝胶溶液以混合形态存在，可以长期储存，方便运输与称量，均匀稳定，分散效果好。

2、本发明的水化硅酸钙凝胶溶液早强剂的制备方法，首先准确称量硅酸钠、硝酸钙以及水备用；然后分别配制硅酸钠水溶液和硝酸钙水溶液；接着将两种溶液混合反应得到C-S-H凝胶混合液；接着进行抽滤，得到抽滤后的C-S-H凝胶；最后往抽滤后的C-S-H凝胶中添加水和分散剂进行分散，分散均匀后即制得水化硅酸钙凝胶溶液早强剂。该制备方法在常温下即可进行，无需恒温水浴、反应溶液碱度调控以及反应产物去离子水清洗、干燥和粉磨，操作简便，大大减少了制备过程中的设备投入，节省了成本。此外，通过抽滤工艺，可以显著降低C-S-H凝胶溶液中钠离子的含量，从而可以降低该C-S-H凝胶溶液作为早强剂用于工程中可能存在的碱骨料反应风险。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的水化硅酸钙凝胶溶液早强剂及其制备方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

实施例一

一种水化硅酸钙(C-S-H)凝胶溶液早强剂，它的原料包括：钙质材料、硅质材料、凝胶分散剂和水，其中钙质材料和硅质材料的摩尔比为0.3～3：1，水的重量与钙质材料和硅质材料的总重量比为5～30：1，凝胶分散剂的质量分数为0.1％～2.0％。

具体来说，为了取材方便，硅质材料为硅酸钠粉末，钙质材料为硝酸钙晶体。根据水的重量与钙质材料和硅质材料的总重量比(即水固比)、钙质材料和硅质材料的摩尔比(钙硅比)分别计算出硅酸钠粉末、硝酸钙晶体及水的用量，并准确称量备用。考虑到作为早强剂的水化硅酸钙溶液为絮状凝胶态，在吸水和自身重力的作用下会沉淀分层，从而导致该水化硅酸钙溶液的稳定性差，影响早强效果。因此，为了保证水化硅酸钙均匀分布于凝胶溶液中，需要在该凝胶溶液中添加凝胶分散剂。在本实施例中，选择萘磺酸盐甲醛缩合物等高分子聚合物作为凝胶分散剂。该凝胶分散剂为高分子聚合物与小分子有机物的复合产品，能显著提高凝胶在混合溶液中的分散效果。此外，该硅酸钙凝胶溶液以混合形态存在，可以长期储存，能有效保持硅酸钙凝胶在混合溶液中均匀分布，便于运输。而且使用该硅酸钙凝胶溶液作为早强剂时，相对于传统粉末状态的水化硅酸钙来说，称量更方便，称量误差小。

实施例二

水化硅酸钙凝胶溶液早强剂的原料为：钙质材料和硅质材料的摩尔比为1：1，水的重量与钙质材料和硅质材料的总重量比为8：1，凝胶分散剂的质量分数为0.50％。此时，制备水化硅酸钙凝胶溶液时，配制硅酸钠的水溶液和硝酸钙的水溶液时分别需要搅拌30s。而且，硅酸钠的水溶液和硝酸钙的水溶液反应时，需要搅拌180s。最后制作得到的产物为乳白色的凝胶态液体，即为水化硅酸钙凝胶混合溶液。此时，该水化硅酸钙凝胶混合溶液中水化硅酸钙的质量分数约为3.7％。

实施例三

水化硅酸钙凝胶溶液早强剂的原料为：钙质材料和硅质材料的摩尔比为0.8：1，水的重量与钙质材料和硅质材料的总重量比为12：1，凝胶分散剂的质量分数为1.00％。此时，制备水化硅酸钙凝胶溶液时，配制硅酸钠的水溶液和硝酸钙的水溶液时分别需要搅拌35s。而且，硅酸钠的水溶液和硝酸钙的水溶液反应时，需要搅拌150s。最后制作得到的产物为乳白色的凝胶态液体，即为水化硅酸钙凝胶混合溶液。此时，该水化硅酸钙凝胶混合溶液中水化硅酸钙的质量分数约为2.6％。

特别地，为了便于说明本发明的水化硅酸钙凝胶溶液的早强效果，发明人进行了水泥净浆实验，并预定早强剂掺量1％、水灰比0.35。水泥质量为1500g,此时需要15g水化硅酸钙溶质。

如表(一)所示，为本发明制作得到的水化硅酸钙凝胶溶液与传统的粉末状的水化硅酸钙用于水泥基材料早强剂的效果比较。比较龄期为1天。

表(一)

从表(一)可以看出，添加了传统的水化硅酸钙粉末的水泥基材料与没有添加早强剂的水泥基材料相比，一天后，抗折强度提升了30.8％，抗压强度提升了29.1％，早强效果一般。而添加了本发明制作的水化硅酸钙凝胶溶液的水泥基材料与没有添加早强剂的水泥基材料相比，一天后，抗折强度提升了92.0％，抗压强度提升了171.1％。因此，本发明制作的水化硅酸钙凝胶溶液早强剂与传统的水化硅酸钙粉末早强剂相比，1d(天)提升的抗折强度约为前者的2.99倍；1d(天)提升的抗压强度约为前者的5.88倍。因此，本发明的水化硅酸钙凝胶溶液的早强效果显著。而且通过该实验还发现，添加本实施例制作的水化硅酸钙凝胶溶液的水泥基材料，浆液流动性好，无泌水、离析等不良现象。

特别地，在制备水化硅酸钙凝胶溶液过程中，仅需预先配制好硅酸钠的水溶液和硝酸钙的水溶液；然后将两种溶液混合反应，得到C-S-H凝胶混合液；接着进行抽滤，得到抽滤后的C-S-H凝胶混合液；最后加入水和分散剂再分散，分散均匀后制成C-S-H凝胶溶液混合型早强剂。该制备方法无需恒温水浴、无需调控反应溶液的碱度、无需对反应产物去离子水清洗,也无需干燥和粉磨，大大简化了制备工序，减少了制备过程中的设备投入，降低了制备成本。此外，通过抽滤工艺，可以显著降低C-S-H凝胶溶液中钠离子的含量，从而可以降低该C-S-H凝胶溶液作为早强剂用于工程中可能存在的碱骨料反应风险。碱骨料反应也叫碱硅反应，是指混凝土中的碱性物质与骨料中的活性成分发生化学反应，引起混凝土内部自膨胀应力而开裂的现象。而且，碱骨料反应时间较为缓慢，短则几年，长则几十年才能被发现，因而碱骨料反应给混凝土工程带来的危害是相当严重的。

此外，通过在抽滤后的C-S-H凝胶混合液中添加分散剂进行再分散，有利于该早强剂在混凝土拌合物中的均匀分布，从而能够有效提高水泥基材料的早期强度。而且，通过添加凝胶分散剂，不仅增强了溶液的稳定性，提高凝胶在溶液中的分散均匀性，而且该凝胶分散剂还在一定程度上起到了减水效果，从而水泥基材料的后续工艺中可以不添加或者少添加减少剂，节省了工程成本。

综上所述，本发明的水化硅酸钙凝胶溶液早强剂，包括：钙质材料、硅质材料、凝胶分散剂和水，其中钙质材料和硅质材料的摩尔比为0.3～3：1，水的重量与钙质材料和硅质材料的总重量比为5～30：1，凝胶分散剂的质量分数为0.1％～2.0％。该水化硅酸钙凝胶溶液早强剂与没有添加早强剂的水泥基材料相比，1d抗折强度提升了92.0％，抗压强度提升了171.1％；提升幅度分别是传统的水化硅酸钙粉末早强剂的2.99倍、5.88倍。而且，本发明的水化硅酸钙凝胶溶液以混合形态存在，可以长期储存，方便运输与称量，均匀稳定，分散效果好。该水化硅酸钙凝胶溶液早强剂的制备方法，首先准确称量硅酸钠、硝酸钙以及水备用；然后分别配制硅酸钠水溶液和硝酸钙水溶液；接着将两种溶液混合反应得到C-S-H凝胶混合液；接着进行抽滤，得到抽滤后的C-S-H凝胶混合液；最后往抽滤后的C-S-H凝胶混合液中添加水和分散剂进行分散，分散均匀后即制得水化硅酸钙凝胶溶液早强剂。该制备方法在常温下即可进行，无需恒温水浴、反应溶液碱度调控以及反应产物去离子水清洗、干燥和粉磨，操作简便，大大减少了制备过程中的设备投入，节省了成本。此外，通过抽滤工艺，可以显著降低C-S-H凝胶溶液中钠离子的含量，从而可以降低该C-S-H凝胶溶液作为早强剂用于工程中可能存在的碱骨料反应风险。而且，该C-S-H凝胶溶液掺量为水泥用量的1.0％时，早强效果十分显著。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定。本领域的技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种水化硅酸钙凝胶溶液早强剂，其特征在于，它的原料包括：钙质材料、硅质材料、凝胶分散剂和水，其中所述钙质材料和所述硅质材料的摩尔比为0.3～3：1，所述水的重量与所述钙质材料和所述硅质材料的总重量比为5～30：1，所述凝胶分散剂的质量分数为0.1％～2.0％。

2.如权利要求1所述的水化硅酸钙凝胶溶液早强剂，其特征在于，所述凝胶分散剂为萘磺酸盐甲醛缩合物等高分子聚合物。

3.如权利要求1或2所述的水化硅酸钙凝胶溶液早强剂，其特征在于，所述硅质材料为硅酸钠粉末。

4.如权利要求1或2所述的水化硅酸钙凝胶溶液早强剂，其特征在于，所述钙质材料为硝酸钙晶体。

5.一种如权利要求1至4任一项所述的水化硅酸钙凝胶溶液早强剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：准确称量所述硅酸钠粉末、硝酸钙晶体以及水备用；

步骤二：将步骤一所述的水分为两份，一份用于配制所述硅酸钠的水溶液，另一份用于配制所述硝酸钙的水溶液，并分别搅拌预定时间，所述预定时间为5s～60s；

步骤三：将所述硅酸钠的水溶液与所述硝酸钙的水溶液混合，并搅拌一定时间，所述一定时间为10s～300s，得到C-S-H凝胶混合液；

步骤四：采用抽滤设备将所述步骤三中的C-S-H凝胶混合液滤干，得到抽滤后的C-S-H凝胶；

步骤五：往所述步骤四中的抽滤后的C-S-H凝胶中添加与所述步骤一中质量相等的水以及质量分数为0.1％～2.0％的所述分散剂，并采用分散设备进行分散，分散均匀后即得所述C-S-H凝胶溶液混合型早强剂。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述钙质材料和所述硅质材料的摩尔比为1：1，所述水的重量与所述钙质材料和所述硅质材料的总重量比为8：1，所述凝胶分散剂的质量分数为0.50％；所述步骤二中的预定时间为30s；所述步骤三中的一定时间为180s。

7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述钙质材料和所述硅质材料的摩尔比为0.8：1，所述水的重量与所述钙质材料和所述硅质材料的总重量比为12：1，所述凝胶分散剂的质量分数为1.00％；所述步骤二中的预定时间为35s；所述步骤三中的一定时间为150s。