CN106007439A - 无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂及其制备方法与应用 - Google Patents

无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂及其制备方法与应用，所述速凝剂包括按重量份数的以下原料：七铝酸十二钙矿物50～80份，偏铝酸钠0.1～15份，碳酸钠4～18份，二水石膏0.1～20份，氢氧化钙8～17份，重钙粉0.1～10份，硅灰6～25份；其中，所述的七铝酸十二钙矿物为非晶态的无定型化合物。本发明的速凝剂促凝效果显著，后期强度及耐久性提升，易于制备和储存，稳定性好，且绿色环保，应用于喷射混凝土施工时用量小，性能佳，能够在较低掺量下实现快速促凝，同时保障水泥砂浆的抗压强度。

Description

无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，特别是涉及无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂及其制备方法与应用。
背景技术
喷射混凝土是依靠压缩空气的力量迅速地将掺加了速凝剂的混凝土喷射到建筑物表面或者岩面，并与之粘结在一起，同时起到填充表面凹坑和裂缝的作用，将建筑物或岩面加固形成完整稳定并具有一定强度的结构，进而起到加强或保护建筑物或岩面的作用。喷射混凝土要具有早期强度高、后期强度损失小、可控制的拌合运输延时、必要的良好泵送性、低回弹率和良好的密实度等。其广泛应用于煤矿井巷、隧道、高速公路边坡中，而且已成为边坡修护、巷道修复加固、道路快速抢修加固、堵漏最好的一种技术。
速凝剂的出现使喷射混凝土成为现实，它能够提高水泥中的铝酸三钙、硅酸三钙等矿物的水化速率，在短时间内形成水化铝酸钙、水化硅酸钙、钙矾石等水化产物，大大缩短了混凝土的硬化凝结时间，提高混凝土早期强度。目前，速凝剂按形态可分为粉体和液体两种，传统的粉体速凝剂主要以碱金属铝酸盐、碳酸盐、硅酸盐物质为主，其主要存在着碱性大、腐蚀及污染环境，易对施工人员的皮肤、感觉器官造成严重腐蚀，易发生碱骨料反应，后期混凝土强度损失在30％左右。而液体速凝剂主要以铝化合物和有机物类为主，其中无定形Al(OH)3近年来也被用于制备无碱液体速凝剂，但铝盐溶解度较小，不易贮存，而市面上的液体速凝剂常掺有含氟化合物作为速凝成分，长期使用会严重影响施工人员健康，后期强度损失也在5～20％。
为了解决现存速凝剂存在的问题，需要研究开发一种促凝效果显著，后期强度及耐久性提升，易于制备和储存，稳定性好，且绿色环保的新型喷射混凝土速凝剂，具有同时满足喷射混凝土环保、快速施工及高效的产品性能，推进喷射混凝土速凝剂朝着新方向发展。
发明内容
本发明的一个目的是提供无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂，使其促凝效果显著，后期强度及耐久性提升，易于制备和储存，稳定性好，且绿色环保，从而克服现有的粉体速凝剂碱度高、混凝土后期强度损失大、耐久性差和现有液体速凝剂稳定性差、有毒性、适应范围窄、混凝土后期强度倒缩等的不足。
本发明的第二个目的是提供上述无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂的制备方法。
本发明的第三个目的是提供上述无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂的应用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂，包括按重量份数的以下原料：七铝酸十二钙矿物50～80份，偏铝酸钠0.1～15份，碳酸钠4～18份，二水石膏0.1～20份，氢氧化钙8～17份，重钙粉0.1～10份，硅灰6～25份；其中，所述的七铝酸十二钙矿物为非晶态的无定型化合物。
所述的七铝酸十二钙矿物中七铝酸十二钙的质量百分含量在95％以上。
所述的二水石膏中CaSO4·2H2O的质量百分含量在90％以上。
所述的偏铝酸钠、碳酸钠以及氢氧化钙均为工业纯级。
还包括1～6重量份的减水剂。
所述的减水剂为粉状聚羧酸减水剂。
包括按重量份数的以下原料：七铝酸十二钙矿物60～70份，偏铝酸钠5～10份，碳酸钠5～15份，二水石膏1～15份，氢氧化钙5～15份，重钙粉1～8份，硅灰10～20份。
还包括2～4重量份的减水剂。
所述的无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂的制备方法，包括以下步骤：A.将七铝酸十二钙矿物和偏铝酸钠按比例混合后进行研磨，通过细度为300目的标准筛；B.将碳酸钠、氢氧化钙和二水石膏按比例混合后进行研磨，通过细度为300目的标准筛；C.将上述步骤A、B中得到的原料与重钙粉和硅灰按比例混合后进行研磨，通过细度为300目的标准筛；若所述速凝剂含有减水剂，步骤C中过筛后再按比例加入减水剂充分混合即可，最终所得粉状物即为所述的无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂。
所述的无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂的应用，将所述的速凝剂按照水泥用量的3％～5％加入到拌合物中用于喷射混凝土施工。
由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：
(1)由于采用无定型非晶态七铝酸十二钙矿物作为主要促凝成分来制备速凝剂，与目前国内外矿物基速凝剂大多选用晶体矿物材料(其中包括晶体铝酸钙等)相比，本发明速凝剂具有更高的矿物活性，更能显著提高促凝效果。同时，七铝酸十二钙矿物与硅灰、重钙粉等矿物掺合料及其他外加剂的复掺使用，不仅降低了该速凝剂在使用过程中的回弹率，而且提升了混凝土的后期强度及耐久性。
(2)本发明的速凝剂碱度低，无毒无味无腐蚀，施工过程环保，在喷射过程中对施工人员的身体健康及生态环境几乎没有危害，属于一种绿色生态高效速凝剂，为未来速凝剂的发展提供了新的方向。
(3)本发明的速凝剂生产工艺简单，易于制备，易于贮存，且贮存过程中稳定性良好，具有良好的实用价值和经济效益。
(4)本发明的速凝剂用量小，应用性能佳，能够在较低掺量下(3％～5％)实现快速促凝，同时保障水泥砂浆的抗压强度。
具体实施方式
本发明公开了无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂及其制备方法与应用。不同于传统粉体速凝剂和液体速凝剂，本发明提供的速凝剂采用了一种无定型铝酸钙矿物材料为主要速凝成分，碱度低，无毒无味无腐蚀，用量小，应用性能佳，生产工艺简单，属于一种绿色生态高效速凝剂，为未来速凝剂的发展提供了新的方向。
具体地，本发明所述的无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂，包括按重量份数的以下原料：七铝酸十二钙矿物50～80份，偏铝酸钠0.1～15份，碳酸钠4～18份，二水石膏0.1～20份，氢氧化钙8～17份，重钙粉0.1～10份，硅灰6～25份。其中，所述的七铝酸十二钙矿物为非晶态的无定型化合物。进一步地，所述的速凝剂还包括1～6重量份的减水剂。
作为优选的实施例，上述原料按重量份数采用如下配比：七铝酸十二钙矿物60～70份，偏铝酸钠5～10份，碳酸钠5～15份，二水石膏1～15份，氢氧化钙5～15份，重钙粉1～8份，硅灰10～20份。同样地，还可以进一步增添2～4重量份的减水剂。
较佳地，上述原料中所述的七铝酸十二钙矿物中七铝酸十二钙的质量百分含量在95％以上。所述的二水石膏中CaSO4·2H2O的质量百分含量在90％以上。所述的偏铝酸钠、碳酸钠以及氢氧化钙均选用工业纯级。所述的减水剂为粉状聚羧酸减水剂。
由于本发明采用无定型七铝酸十二钙矿物为主要促凝成分，七铝酸十二钙遇水后迅速反应生成水化铝酸钙和铝胶，能够加速水泥中硅酸三钙和硅酸二钙的水解释放出Ca2+，反应生成铝酸钙凝胶。当有石膏存在时，能够水化生成大量针状钙矾石，从而加速硅酸钙矿物的水化。从而影响石膏的缓凝效果，缩短了水泥的凝结时间，同时，生成的水化铝酸钙和钙矾石晶体提供了水泥浆体的早期强度。上述反应利用了水泥矿物自身的水化特性，从而达到速凝剂的使用要求。碳酸钠和氢氧化钙的加入可以增强水化产物的键应力，且加快反应速率，提高整体的早期强度。硅灰的加入具有保水、防止离析以及泌水等作用，能够大幅度减少喷射混凝土的回弹率。重钙粉、高效减水剂的加入能够弥补水泥早期快凝导致的后期强度低的缺陷，不仅能够阻止单硫型水化硫铝酸钙的生成产生强度下降，而且矿物掺合料的加入使得结构更加密实，有利于提高混凝土的后期强度及耐久性。
上述无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂的制备方法，主要包括以下步骤：A.将七铝酸十二钙矿物和偏铝酸钠按比例混合后进行研磨，通过细度为300目的标准筛；B.将碳酸钠、氢氧化钙和二水石膏按比例混合后进行研磨，通过细度为300目的标准筛；C.将上述步骤A、B中得到的原料与重钙粉和硅灰按比例混合后进行研磨，通过细度为300目的标准筛；若所述速凝剂含有减水剂，步骤C中过筛后再按比例加入减水剂充分混合即可，最终所得粉状物即为所述的无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂。
制备所得的所述无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂为白色固体粉末，pH＝10左右。该速凝剂应用时，将所述的速凝剂按照水泥用量的3％～5％加入到拌合物中用于喷射混凝土施工。经检测，在该较低掺量下(3％～5％)，所述速凝剂能够使水泥在4min内初凝，在10min内终凝，且使水泥砂浆的1d抗压强度最高达到14MPa以上，28d抗压强度比在96％以上。因此，本发明的速凝剂可谓用量小，应用性能佳，能够在较低掺量下实现快速促凝，同时保障水泥砂浆的抗压强度。
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
一种无定型铝酸钙基速凝剂的配方(重量份)是：七铝酸十二钙矿物50份，偏铝酸钠15份，碳酸钠18份，氢氧化钙15份，二水石膏0.1份，重钙粉10份，硅灰25份。
实施例2：
一种无定型铝酸钙基速凝剂的配方(重量份)是：七铝酸十二钙矿物60份，偏铝酸钠10份，碳酸钠15份，氢氧化钙5份，二水石膏15份，重钙粉8份，硅灰10份。
实施例3：
一种无定型铝酸钙基速凝剂的配方(重量份)是：七铝酸十二钙矿物65份，偏铝酸钠8份，碳酸钠4份，氢氧化钙17份，二水石膏1份，重钙粉6份，硅灰12份。
实施例4：
一种无定型铝酸钙基速凝剂的配方(重量份)是：七铝酸十二钙矿物70份，偏铝酸钠5份，碳酸钠5份，氢氧化钙15份，二水石膏13份，重钙粉1份，硅灰15份。
实施例5：
一种无定型铝酸钙基速凝剂的配方(重量份)是：七铝酸十二钙矿物80份，偏铝酸钠0.1份，碳酸钠13份，氢氧化钙8份，二水石膏20份，重钙粉0.1份，硅灰6份。
实施例6：
一种无定型铝酸钙基速凝剂的配方(重量份)是：七铝酸十二钙矿物67份，偏铝酸钠8份，碳酸钠14份，氢氧化钙6份，二水石膏7份，重钙粉6份，硅灰10份。
实施例7：
一种无定型铝酸钙基速凝剂的配方(重量份)是：七铝酸十二钙矿物70份，偏铝酸钠6份，碳酸钠15份，氢氧化钙6份，二水石膏9份，重钙粉4份，硅灰15份。
实施例8：
一种无定型铝酸钙基速凝剂的配方(重量份)是：七铝酸十二钙矿物73份，偏铝酸钠6份，碳酸钠10份，氢氧化钙10份，二水石膏7份，重钙粉5份，硅灰11份。
实施例9：
一种无定型铝酸钙基速凝剂的配方(重量份)是：七铝酸十二钙矿物76份，偏铝酸钠6份，碳酸钠18份，氢氧化钙1份，二水石膏9份，重钙粉0.5份，硅灰12份。
实施例10：
一种无定型铝酸钙基速凝剂的配方(重量份)是：七铝酸十二钙矿物65份，偏铝酸钠8份，碳酸钠15份，氢氧化钙12份，二水石膏10份，重钙粉8份，硅灰10份，减水剂2份。
实施例11：
一种无定型铝酸钙基速凝剂的配方(重量份)是：七铝酸十二钙矿物70份，偏铝酸钠6份，碳酸钠4份，氢氧化钙7份，二水石膏8份，重钙粉3份，硅灰14份，减水剂4份。
实施例12：
一种无定型铝酸钙基速凝剂的配方(重量份)是：七铝酸十二钙矿物80份，偏铝酸钠0.1份，碳酸钠13份，氢氧化钙8份，二水石膏20份，重钙粉0.1份，硅灰6份，减水剂1份。
实施例13：
测试水泥净浆凝结时间(基准PO·425，水泥400g，水100g)及水泥砂浆强度(基准PO·425，水泥900g，标准砂1350g，水450g)。
将上述实施例1-12中的速凝剂按照水泥质量的3％～5％加入水泥浆体中，水泥净浆凝结时间以及砂浆强度的试验结果如表1和表2所示。
表1水泥净浆凝结时间
表2砂浆强度
由于采用了以上技术方案，本发明的无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂作为一种以无定型铝酸钙矿物材料为主要促凝成分的绿色生态高性能速凝剂，具有如下积极的效果：
(1)施工过程环保。主要促凝成分属于一种无定型矿物基材料，无毒无味无腐蚀，在喷射过程中对施工人员的身体健康及生态环境几乎没有危害。
(2)施工条件灵活。本发明速凝剂不受施工条件与环境限制，而且贮存过程中稳定性良好，具有良好的实用价值和经济效益。
(3)生产工艺简单。只需把几种原料放入研磨机内磨至要求细度，加入其他掺合料即得此速凝剂产品。
(4)按照JC477～2005的试验要求，本发明的无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂在较低添加量(水泥重量的3％～5％)下能够使水泥在4min内初凝，在10min内终凝。
(5)按照JC477～2005的试验要求，本发明的无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂在较低添加量(水泥重量的3％～5％)下能够使水泥砂浆的1d抗压强度最高达到14MPa以上，28d抗压强度比最高在96％以上。
综上所述，本发明的速凝剂将在煤矿井巷、隧道、高速公路边坡中的喷射混凝土、喷射砂浆，以及边坡修护、巷道修复加固、道路快速抢修加固、堵漏等工程中发挥重要作用，应用前景广阔。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂，其特征在于，包括按重量份数的以下原料：七铝酸十二钙矿物50～80份，偏铝酸钠0.1～15份，碳酸钠4～18份，二水石膏0.1～20份，氢氧化钙8～17份，重钙粉0.1～10份，硅灰6～25份；其中，所述的七铝酸十二钙矿物为非晶态的无定型化合物。
2.根据权利要求1所述的无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂，其特征在于，所述的七铝酸十二钙矿物中七铝酸十二钙的质量百分含量在95％以上。
3.根据权利要求1所述的无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂，其特征在于，所述的二水石膏中CaSO4·2H2O的质量百分含量在90％以上。
4.根据权利要求1所述的无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂，其特征在于，所述的偏铝酸钠、碳酸钠以及氢氧化钙均为工业纯级。
5.根据权利要求1-4任一项所述的无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂，其特征在于，还包括1～6重量份的减水剂。
6.根据权利要求5所述的无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂，其特征在于，所述的减水剂为粉状聚羧酸减水剂。
7.根据权利要求1-4任一项所述的无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂，其特征在于，包括按重量份数的以下原料：七铝酸十二钙矿物60～70份，偏铝酸钠5～10份，碳酸钠5～15份，二水石膏1～15份，氢氧化钙5～15份，重钙粉1～8份，硅灰10～20份。
8.根据权利要求7所述的无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂，其特征在于，还包括2～4重量份的减水剂。
9.根据权利要求1-8任一项所述的无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.将七铝酸十二钙矿物和偏铝酸钠按比例混合后进行研磨，通过细度为300目的标准筛；
B.将碳酸钠、氢氧化钙和二水石膏按比例混合后进行研磨，通过细度为300目的标准筛；
C.将上述步骤A、B中得到的原料与重钙粉和硅灰按比例混合后进行研磨，通过细度为300目的标准筛；
若所述速凝剂含有减水剂，步骤C中过筛后再按比例加入减水剂充分混合即可，最终所得粉状物即为所述的无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂。
10.根据权利要求1-8任一项所述的无定型铝酸钙基喷射混凝土速凝剂的应用，其特征在于，将所述的速凝剂按照水泥用量的3％～5％加入到拌合物中用于喷射混凝土施工。
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