CN106365482A - 一种超细钙矾石、制备方法及其在水泥基注浆材料中的应用 - Google Patents

一种超细钙矾石、制备方法及其在水泥基注浆材料中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种超细钙矾石、制备方法及其在水泥基注浆材料中的应用。分别配制铝盐溶液、添加有表面活性剂的钙盐溶液以及烧碱溶液，将三者同时倒入全返混爆式成核反应器中，进行成核反应2‑3min，之后在20‑50℃下回流晶化2‑20h，离心洗涤至中性后干燥，得到超细钙矾石。本发明制备超细钙矾石，制备方法简单，合成条件温和，易于操作，重复性好，易于工业化生产；将超细钙矾石应用于水泥基注浆材料中，能显著提高硫铝酸盐水泥各龄期的强度，特别是能显著提高水泥材料的早期强度，且后期强度不发生倒缩现象。

Description

一种超细钙矾石、制备方法及其在水泥基注浆材料中的应用
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种超细钙矾石、制备方法及其在水泥基注浆材料中的应用。
背景技术
注浆技术在工程中有广泛的应用，如在地铁隧道结构沉降处理，深埋引水隧洞富水段注浆堵水加固，碎石土地基注浆加固，海底隧道围岩注浆加固和破碎煤岩巷道锚注加固等方面的应用。注浆技术之所以能够起到加固的作用，主要是注浆材料发生了由液相到固相再到结实体充填被注体裂缝并将松散块体联结成整体的结果。水泥基注浆材料是注浆工程中使用最广泛的无机注浆材料，具有强度高，耐久性好，无毒，材料来源方便，价格低廉等优点,现已被广泛应用于注浆领域。硫铝酸盐水泥，作为一种常用的注浆材料，具有很多优异的性能，如早强强度高，凝结时间快，低温水化性能和抗腐蚀性能好。然而，在大水灰比下(水灰比>0.5)，硫铝酸盐水泥浆体的早期抗压强度仍然不能满足要求。工程中经常使用外加剂来提高浆体的抗压强度。目前常用的外加剂为碳酸锂等锂盐化合物，然而锂盐外加剂在使用过程中，存在后期(如7天后)强度倒缩等现象。
近年来，越来越多的学者将超细粉体应用于建筑领域，来提高诸如强度、耐久性等方面的性能。如Zhang Maohua等将不同量纳米TiO2掺加到混凝土中，研究发现，掺量为1％的的纳米TiO2可以明显增强混凝土的力学性能，其中28d的抗压、抗折强度分别增加18.03％和10.28％；Liu Xiaoyao将1％的超细CaCO3添加到水泥净浆中发现，水泥的7d、28d的抗压强度分别增加111.2％和108.6％，抗折强度分别增加11.7％和14.7％。可见纳米材料的添加提高了各个龄期的抗压强度。
钙矾石是水泥水化的重要产物之一，其分子式3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，属三方晶系，呈柱状结构。目前，钙矾石的制备方法主要有以下几种方法：1)制备铝酸三钙单矿，在有硫酸盐存在的条件下，与水发生反应而生成；2)九水合硫酸铝与氢氧化钙反应制备钙矾石。以上两种方法，第一种铝酸三钙单矿的制备需要在1300℃的高温下制备，且制备得到的单矿纯度不是很高，制备得到的产物的尺寸在微米级；第二种方法中由于使用了氢氧化钙做原料，其在水中的溶解度较小，制备得到的产物的量很低。除此之外，以上方法制备得到的钙矾石材料的粒径尺寸在微米级。目前，尚无超细如纳米级钙矾石的合成方法以及应用的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种超细钙矾石、制备方法及其在水泥基注浆材料中的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种超细钙矾石，通过下法制得：分别配制铝盐溶液、添加有表面活性剂的钙盐溶液以及烧碱溶液，将三者同时倒入全返混爆式成核反应器中，进行成核反应2-3min，之后在20-50℃下回流晶化2-20h，离心洗涤至中性后干燥，得到超细钙矾石。
配制溶液时，钙盐溶液的浓度为0.075-1.2mol/L,铝盐以Al2(SO4)3计的浓度为0.01252-0.2mol/L，NaOH的浓度为0.15-2.4mol/L。
所述的表面活性剂为聚丙烯酸、聚马来酸酐、聚羧酸减水剂中的一种。
表面活性剂的质量为配制钙盐溶液时以采用Ca(NO3)2·4H2O计质量的0.01％-20％。
三种溶液混合时等体积混合。
配制溶液时，采用煮沸冷却的去离子水中。
优选在50℃下回流晶化10h，然后用热水离心洗涤8-10次，至pH值7左右，放入55℃烘箱中干燥，得到超细钙矾石。
所述超细钙矾石在水泥基注浆材料中有很好的应用。
所述的注浆材料包括黄料和白料，黄料与白料的质量比为1:1；使用时两者分别与水按照1:0.6-1.2优选1：0.8的比例混合。
按照重量份计，所述的黄料由90-98份的硫铝酸盐熟料和2-10份的萘系减水剂组成。
按照重量份计，所述的白料由2-10份萘系减水剂，10-20份生石灰以及60-87份的硬石膏组成；超细钙矾石的添加量为1-10份。
本发明将超细钙矾石添加到注浆材料中，超细级粒子能够起到晶核的作用，促进水泥水化反应的进行，从而促进各龄期强度的发展。钙矾石的形成可控制水泥浆体的凝结时间并且在早期强度的形成方面起着主要作用，能显著提高注浆材料的早期强度，且后期强度不发生倒缩现象。以将钙矾石添加到硫铝酸盐水泥基注浆材料中为例，与空白基准样品相比，其1d抗压能力增加了120.5％-141.7％，3d抗压强度增加了62.6％-85.5％，7d时抗压能力增加了82.6％-96.7％，注浆材料的各龄期强度显著提高。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明制备超细钙矾石，制备方法简单，合成条件温和，易于操作，重复性好，易于工业化生产；将超细钙矾石应用于注浆材料中，能显著提高硫铝酸盐水泥各龄期的强度，特别是能显著提高水泥材料的早期强度，且后期强度不发生倒缩现象。
附图说明
图1为超细钙矾石粉体的XRD图；
图2到图4为实施例1-3实施例制备的超细钙矾石粉体的SEM图。
具体实施方式
以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：
下述实施例中所用的原材料，如无特别说明，均为市售。
采用日本岛津XRD-6000型X射线衍射仪对样品进行定性分析，采用德国ZeissSupra55(VP)型扫描电子显微镜来观测钙矾石的形貌。
实施例1
超细钙矾石的制备：称取Ca(NO3)2·4H2O 35.423g(0.15mol)和聚羟酸减水剂0.3073g(0.5％)溶于煮沸冷却的去离子水中，配置成250ml盐溶液；称取Al2(SO4)3·18H2O16.661g(0.025mol)溶于煮沸冷却的去离子水中，配置成250ml盐溶液；称取NaOH 12.0g(0.3mol)溶于煮沸冷却的去离子水中，配置成250ml碱溶液；将三种溶液迅速于全返混爆式成核反应器中混合，反应2min,然后将浆液在50℃下回流晶化10h,然后用热水离心洗涤8次，至pH值7左右，放入55℃烘箱中干燥，得到超细钙矾石,记为AFt-1。
将75份硬石膏，20份生石灰，3份钙矾石(粒径为0.005-2.0μm),2份萘系减水剂混合均匀，得注浆用的白料；
将98份硫铝酸盐熟料与2份萘系减水剂混合均匀，得注浆用的黄料；将等质量的黄料和白料分别与水按1:0.8的质量比混合均匀，通过混合器等混合均匀，与没有添加钙矾石的空白样品相比，其1d、3d、7d的抗压强度分别增加了141.7％、85.1、96.7％。
实施例2
超细钙矾石的制备：称取Ca(NO3)2·4H2O 35.423g(0.15mol)和减水剂0.9219g(1.5％)溶于煮沸冷却的去离子水中，配置成250ml盐溶液；称取Al2(SO4)3·18H2O 16.661g(0.025mol)溶于煮沸冷却的去离子水中，配置成250ml盐溶液；称取NaOH 12.0g(0.3mol)溶于煮沸冷却的去离子水中，配置成250ml碱溶液；将三种溶液迅速于全返混爆发式成核反应器中混合，剧烈循环2～3min,后将浆液在50℃下回流晶化10h,然后用热水离心洗涤(8-10次)，至pH值7左右，放入55℃烘箱中干燥。得到超细钙矾石，记为AFt-2。
将75份硬石膏，20份生石灰，3份钙矾石(粒径为0.005-2.0μm),2份萘系减水剂混合均匀，得注浆用的白料；
将98份硫铝酸盐熟料与2份萘系减水剂混合均匀，得注浆用的黄料；
将等质量的黄料和白料分别与水按1:0.8的质量比混合均匀，通过混合器等混合均匀，与没有添加钙矾石的空白样品相比，其1d、3d、7d的抗压强度分别增加了120.5％、62.6％、82.6％。
实施例3
超细钙矾石的制备：称取Ca(NO3)2·4H2O 35.423g(0.15mol)和减水剂1.5365g(2.5％)溶于煮沸冷却的去离子水中，配置成250ml盐溶液；称取Al2(SO4)3·18H2O 16.661g(0.025mol)溶于煮沸冷却的去离子水中，配置成250ml盐溶液；称取NaOH 12.0g(0.3mol)溶于煮沸冷却的去离子水中，配置成250ml碱溶液；将三种溶液迅速于全返混爆发式成核反应器中混合，剧烈循环2～3min,后将浆液在50℃下回流晶化10h,然后用热水离心洗涤(8-10次)，至pH值7左右，放入55℃烘箱中干燥，得到超细钙矾石,记为AFt-3。
将75份硬石膏，20份生石灰，3份钙矾石，2份萘系减水剂混合均匀，得注浆用的白料；
将98份硫铝酸盐熟料与2份萘系减水剂混合均匀，得注浆用的黄料；
将等质量的黄料和白料分别与水按1:0.8的质量比混合均匀，通过混合器等混合均匀，与没有添加钙矾石的空白样品相比其1d、3d、7d的抗压强度分别增加126.3％、69.3％、85.9％。
表1为添加钙矾石的硫铝酸盐水泥基注浆材料各龄期的抗压强度。
表1
抗压强度(MPa) Control AFt-1 AFt-2 AFt-3
1d 6.155 14.874 13.571 13.926
3d 9.649 17.865 15.688 16.340
7d 12.434 24.458 22.708 23.114
28d 18.276 27.578 25.317 26.478
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种超细钙矾石的制备方法，其特征在于，分别配制铝盐溶液、添加有表面活性剂的钙盐溶液以及烧碱溶液，将三者同时倒入全返混爆式成核反应器中，进行成核反应2-3min，之后在20-50℃下回流晶化2-20h，离心洗涤至中性后干燥，得到超细钙矾石。
2.如权利要求1所述的超细钙矾石的制备方法，其特征在于，配制溶液时，钙盐溶液的浓度为0.075-1.2mol/L,铝盐以Al2(SO4)3计的浓度为0.01252-0.2mol/L，NaOH的浓度为0.15-2.4mol/L。
3.如权利要求1所述的超细钙矾石的制备方法，其特征在于，所述的表面活性剂为聚丙烯酸、聚马来酸酐、聚羧酸减水剂中的一种。
4.如权利要求3所述的超细钙矾石的制备方法，其特征在于，表面活性剂的质量为配制钙盐溶液时以采用Ca(NO3)2·4H2O计质量的0.01-20%。
5.权利要求1-4任一所述制备方法制得的超细钙矾石。
6.权利要求5所述超细钙矾石在水泥基注浆材料中的应用。
7.如权利要求6所述的应用，其特征在于，所述的注浆材料包括黄料和白料，黄料与白料的质量比为1:1；使用时两者分别与水按照1: 0.6-1.2的比例混合。
8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，按照重量份计，所述的黄料由90-98份的硫铝酸盐熟料和2-10份的萘系减水剂组成。
9.如权利要求7所述的应用，其特征在于，按照重量份计，所述的白料由2-10份萘系减水剂，10-20份生石灰以及60-87份的硬石膏组成；超细钙矾石的用量为1-10份。
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