CN108264257A - 一种聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂及其制备方法 - Google Patents

一种聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂及其制备方法，涉及无碱速凝剂技术领域。该无碱速凝剂组成成份，按质量百分比计为：磷酸50～60％、矾土10～15％、氟硅酸镁5～10％、氢氧化镁2～4％、二乙醇胺2～4％、缩合剂2～6％、水补齐至100％。本发明速凝剂主要应用在喷射混凝土中，其用量为胶凝材料用量的5～7％。该速凝剂稳定性好，在室温和低温(5℃)下放置3个月，无分层、沉淀析晶现象，使用效果无变化；因其无碱金属离子，无氯离子，无硫酸根离子，减少了对混凝土中钢筋的腐蚀以及碱骨料反应，提高了喷射混凝土的耐久性能，在缩合剂的配伍反应下，28天抗压强度比均大于100％，可满足JC477‑2005中一等品的要求。

Description

一种聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及无碱速凝剂技术领域，尤其是一种聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂及其制备方法。
背景技术
速凝剂是掺入混凝土中能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂,是喷射混凝土施工法中不可缺少的添加剂,加速水泥的水化硬化,在很短的时间内形成足够的强度,以保证特殊施工的要求，主要用于隧道、矿山或者加固项目的喷射混凝土。
目前国内主流的速凝剂主要是有碱液体速凝剂和少数施工项目开始应用无碱液体速凝剂。有碱液体速凝剂一般为氢氧化铝和氢氧化钠复合而成的溶液，其技术成熟，凝结效果较好，但其碱含量高，使得混凝土后期强度保留值较低，对混凝土的耐久性能极为不利，并且随着国家对环保的不断重视，氢氧化钠的价格也不断上涨，其成本也越来越高。
随着技术的发展,目前无碱液体速凝剂是发展趋势,一般为硫酸铝和酸复合而成的溶液或悬浮液,其碱含量一般为小于1％,由于无碱液体速凝剂中不含氯离子、碱金属离子较少,从而不会锈蚀钢筋、混凝土后期强度保留值较高。
但目前无碱速凝剂的技术不够成熟，许多无碱速液体凝剂存在掺量大和匀质性差等问题。并且此类无碱速凝剂大量使用硫酸铝，虽然速凝剂中硫酸根离子对混凝土的侵蚀未见报道，但速凝剂中硫酸根离子对混凝土的耐久性能可能存在隐患。
中国专利CN100540498C公开了一种用于喷射混凝土的低碱液体速凝剂，制得的低碱液体速凝剂由碱金属铝酸盐和稀释剂按1：(1～6)的比例混合而成；其中碱金属铝酸盐由氢氧化铝、碱金属氢氧化物和水组成；稀释剂由氢氟酸、金属氢氧化物和水按重量比例组成；稀释剂或由氟硅酸、金属氢氧化物和水按比例组成；稀释剂或由链烷醇胺、有机酸或无机酸和水按重量比例组成，该发明用于喷射混凝土的低碱液体速凝剂，但其碱含量在3％～6％之间，且含有Na、K等碱金属离子,仍会对钢筋有一定锈蚀作用及碱骨料反应，混凝土后期强度保留值较低。
所以，研究一种不含氯离子、硫酸根离子、碱金属离子的新型无碱液体速凝剂是本领域技术人员一直所期望的，该无碱液体速凝剂因无强酸根及碱金属离子的侵蚀作用,从而不会锈蚀钢筋、减少碱骨料反应、混凝土后期强度保留值较高，耐久性能较好。通过添加一些促凝、早强、络合组分来解决无碱速液体凝剂存在早期强度低、掺量大、匀质性差等问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂及其制备方法，该速凝剂不会锈蚀钢筋、减少碱骨料反应、混凝土后期强度保留值较高，耐久性能较好，解决了无碱速凝剂存在的早期强度低、掺量大、匀质性差等问题。
本发明通过以下技术方案得以实现：
一种聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂，其组分包括：磷酸、矾土、氟硅酸镁、氢氧化镁、二乙醇胺、缩合剂和水。
进一步地，一种聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂，所述配方组份质量百分比为：磷酸50～60％、矾土10～15％、氟硅酸镁5～10％、氢氧化镁2～4％、二乙醇胺2～4％、缩合剂2～6％、水补齐至100％。
所述缩合剂为尿素、三聚氰胺中的一种或两种。
所述磷酸是工业级磷酸，磷酸含量≥85％。
所述矾土是工业级氢氧化铝，Al2O3含量≥85％。
所述氟硅酸镁是工业级六水氟硅酸镁，含量≥90％。
所述氢氧化镁是工业级的氢氧化镁，含量≥98％。
所述二乙醇胺是工业级的二乙醇胺，含量≥99％。
本发明的第二个目的是：
提供一种聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)按质量百分比称取各组分；
(2)将水置于反应釜中，加入磷酸，搅拌加热至100～120℃；
(3)在反应釜中加入矾土，搅拌至溶液澄清，再加入缩合剂；
(4)控制反应釜温度在110～120℃，恒温保持2～4小时；
(5)向反应釜中加入氢氧化镁，搅拌均匀至澄清；
(6)向反应釜中加入氟硅酸镁，继续搅拌直至溶液澄清；
(7)停止加热，向反应釜中加入二乙醇胺，搅拌均匀，即得。
本发明的具体应用方法是：按照常规方法将本发明所述的无碱速凝剂在喷嘴处加入到喷射混凝土拌合物中，其用量为胶凝材料用量的5～7％。
本发明的有益效果：
(1)在本发明中，磷酸与矾土反应得到聚合一氢磷酸铝，聚合一氢磷酸铝中的铝含量约为16％～20％，其铝含量远高于无碱速凝剂常用原料十八水硫酸铝中的铝含量的8.6％，且其不易与水结合絮凝，因此可以显著提高速凝剂中主要促凝物质铝的含量，因而显著提升凝结效果，反应方程式如下：
Al2O3(矾土)+3H3PO4(磷酸)＝Al2(HPO4)+3H2O
nAl2(HPO4)+CO(NH2)2(缩合剂)＝Al2nH3n-2P3nO12n-1+CO2↑+NH3↑
通过加入氢氧化镁改性速凝剂，防止生成六面体的氢氧化钙，可以有效提高早期强度。氢氧化镁与多余磷酸反应生成一定量的镁离子，由于氢氧化镁的离子积常数远小于氢氧化钙的离子积常数，因此在速凝剂与水泥反应过程中可以优先生成氢氧化镁，防止生成六面体状的氢氧化钙，导致一天强度不够，同时也使更多的钙离子反应生成针状钙矾石，有利于凝结效果和强度。
本发明氟硅酸镁中的氟离子及硅酸根离子在适宜的浓度范围内可以配合铝离子与水泥中的钙离子反应作为速凝剂促凝物质。
本发明二乙醇胺兼具促凝与早强作用，可以提升凝结效果和提高早期强度。
(2)本发明的无碱速凝剂用于喷射混凝土的湿喷工艺中，具有以下优点：
(2-1)本方法使用矾土与磷酸在缩合剂的作用下生成聚合一氢磷酸铝，其铝含量高达16％-20％，且不易与水絮凝，因此较无碱速凝剂常用铝来源物硫酸铝类物质有优势，可以少用原料，降低成本，且稳定性较好；氟硅酸镁和磷酸均为磷肥生产中的副产物，对氟硅酸镁和磷酸的再利用，有利于环境。
(2-2)本发明无碱速凝剂中无碱金属离子，无氯离子，无硫酸根离子，属于无氯无硫无碱速凝剂。根据GB/T 8077-2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》中的碱含量的定义：碱含量为Na20(氧化钠)+0.658K20(氧化钾)占总质量的百分比；氯离子含量为氯离子占总质量的百分比；硫酸含量为硫酸钠占总质量的百分比；此速凝剂生产中没有用到含钠离子、钾离子、氯离子和硫酸根离子的物质，因此其碱含量为0％，氯离子为0％，硫酸钠为0％。碱含量为0％可以降低碱骨料反应的可能性；氯离子为0％，硫酸钠为0％可以对减少对混凝土中钢筋的腐蚀以及碱骨料反应；因此可提高喷射混凝土的耐久性能。
(2-3)本发明无碱速凝剂28天抗压强度比好，按照JC477-2005的实验条件，其28天抗压强度比均大于100％(强度均高于8未加此速凝剂的空白试件)。
(2-4)本发明无碱速凝剂稳定性好，在室温和低温(5℃)下放置3个月，无分层、沉淀析晶现象，使用效果无变化。
(2-5)本发明无碱速凝剂适应性好，按照JC477-2005的实验条件，对于普通水泥本发明的速凝剂在较低掺量下(5-7％)可满足JC477-2005中一等品的要求，对于低碱水泥本发明的速凝剂在5-7％的掺量下也可满足JC477-2005中一等品的要求。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的限定，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。
实施例1-9配方筛选试验
通过比较速凝剂不同成分，筛选不同组合配方的以下物质：Al(OH)3、Al2O3、Mg(0H)2、磷酸、氢氟酸、氟硅酸、氟硅酸镁、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、尿素、三聚氰胺，得出9个不同配方的试验组，9组实施例配方组成见表1，其余用水补齐至100％。
表1实施例1-9速凝剂的配方表
将上述9组配方所制备而成的速凝剂，以水泥的重量为基准,掺量为5～7％，依据中国建材行业标准JC477-2005《喷射混凝土用速凝剂》的要求对上述9组实施例的产品进行水泥净浆凝结时间和水泥砂浆抗压强度的测试，结果显示实施例7和实施例8的匀质性、凝结时间、1天强度和28天的强度比均优于其他实施例，因此，得出磷酸、矾土、氟硅酸镁、氢氧化镁、二乙醇胺、尿素或/和三聚氰胺的组合是最佳组合。
实施例10～19本发明配方配比筛选
下面将进一步对最佳配方进行配比筛选，配方配比情况见表2，其余用水补齐至100％。
表2本发明配比表
按实施例10～19所示配方(共10组)制备速凝剂，以水泥的重量为基准,掺量为5～7％，依据中国建材行业标准JC477-2005《喷射混凝土用速凝剂》的要求对上述10组实施例的产品进行水泥净浆凝结时间和水泥砂浆抗压强度的测试，结果显示实施例11和实施例12的匀质性、凝结时间、1天强度和28天的强度比均优于其他实施例.从表2筛选量可以得出各组分剂量最佳范围为，磷酸50～60％、矾土10～15％、氟硅酸镁5～10％、氢氧化镁2～4％、二乙醇胺2～4％、尿素和/或三聚氰胺2～6％。
实施例20～31
由于本发明无碱液体速凝剂无强酸根及碱金属离子，无侵蚀作用,但无碱速液体凝剂存在的匀质性、掺量和强度的问题该如何解决，也是本发明的研究点之一，本发明通过加入缩合剂和速凝剂，通过缩合剂与聚合一氢磷酸铝发生反应，提高了铝含量，使本发明无碱速凝剂的铝含量远高于常规无碱速凝剂常用原料十八水硫酸铝中的铝含量的8.6％，且本发明无碱速凝剂不易与水结合絮凝，因此可以显著提高速凝剂中主要促凝物质铝的含量，因而显著提升凝结效果。通过加入速凝剂，防止生成六面体的氢氧化钙，可以有效提高早期强度。
下面，在实施例11和实施例12的基础上，考察本发明助剂(二乙醇胺、尿素和氢氧化镁)的添加量与本发明其他成分的关系变化趋势，配方表如表3；结果见表4。
表3助剂与本发明其他成分的配方表
表4缩合剂与其他组分关系测定结果
由表4可知：当缩合剂用量较少时(1％)，缩合剂不能使磷酸与矾土充分聚合，形成稳定的缩合物，导致速凝剂凝结效果和匀质性较差；当缩合剂用量较多时(10％)，速凝剂的凝结效果较缩合剂用量为2％-6％的速凝剂没有改善，且由于缩合剂过量不能完全参与反应，导致匀质性一般。因此缩合剂的用量控制在2％-6％较为合适，低于2％时，缩合剂不能使磷酸与矾土充分聚合，导致速凝剂凝结效果和匀质性较差；高于6％时，缩合剂过量不能完全参与反应，导致原料浪费及匀质性性能下降。
根据实施例1-31所筛选结果，采用本发明无碱速凝剂制备方法进行制备，进一步考察各单个组分的含量，配方及制备方法如下：
实施例32
一种聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂，包括以下质量百分比的组分：磷酸(85％)50％、矾土(85％)10％、六水氟硅酸镁(90％)5％、氢氧化镁(98％)2％、二乙醇胺(99％)2％、尿素6％、水补齐至100％。
制备方法如下：
(1)按质量百分比称取各组分；
(2)将水置于反应釜中，加入磷酸，搅拌加热至100℃；
(3)在反应釜中加入矾土，搅拌至溶液澄清，再加入缩合剂；
(4)控制反应釜温度在110℃，恒温保持2小时；
(5)向反应釜中加入氢氧化镁，搅拌均匀至澄清；
(6)向反应釜中加入氟硅酸镁，继续搅拌直至溶液澄清；
(7)停止加热，向反应釜中加入二乙醇胺，搅拌均匀，即得。
实施例33
一种聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂，包括以下质量百分比的组分：磷酸(99.9％)60％、矾土(99.9％)15％、六水氟硅酸镁(99.9％)10％、氢氧化镁(99.9％)4％、二乙醇胺(99.9％)4％、三聚氰胺6％、水补齐至100％。
制备方法如下：
(1)按质量百分比称取各组分；
(2)将水置于反应釜中，加入磷酸，搅拌加热至120℃；
(3)在反应釜中加入矾土，搅拌至溶液澄清，再加入缩合剂；
(4)控制反应釜温度在120℃，恒温保持4小时；
(5)向反应釜中加入氢氧化镁，搅拌均匀至澄清；
(6)向反应釜中加入氟硅酸镁，继续搅拌直至溶液澄清；
(7)停止加热，向反应釜中加入二乙醇胺，搅拌均匀，即得。
实施例34
一种聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂，包括以下质量百分比的组分：磷酸(90％)55％、矾土(90％)13％、六水氟硅酸镁(95％)8％、氢氧化镁(99％)3％、二乙醇胺(99.5％)3％、尿素1％、三聚氰胺1％、水补齐至100％。
制备方法如下：
(1)按质量百分比称取各组分；
(2)将水置于反应釜中，加入磷酸，搅拌加热至110℃；
(3)在反应釜中加入矾土，搅拌至溶液澄清，再加入缩合剂；
(4)控制反应釜温度在115℃，恒温保持3小时；
(5)向反应釜中加入氢氧化镁，搅拌均匀至澄清；
(6)向反应釜中加入氟硅酸镁，继续搅拌直至溶液澄清；
(7)停止加热，向反应釜中加入二乙醇胺，搅拌均匀，即得。
实施例35
一种聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂，包括以下质量百分比的组分：磷酸(90％)55％、矾土(90％)12％、六水氟硅酸镁(95％)8％、氢氧化镁(99％)3％、二乙醇胺(99.5％)3％、尿素1％、三聚氰胺5％、水补齐至100％。
制备方法如下：
(1)按质量百分比称取各组分；
(2)将水置于反应釜中，加入磷酸，搅拌加热至110℃；
(3)在反应釜中加入矾土，搅拌至溶液澄清，再加入缩合剂；
(4)控制反应釜温度在115℃，恒温保持3小时；
(5)向反应釜中加入氢氧化镁，搅拌均匀至澄清；
(6)向反应釜中加入氟硅酸镁，继续搅拌直至溶液澄清；
(7)停止加热，向反应釜中加入二乙醇胺，搅拌均匀，即得。
实施例36
一种聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂，包括以下质量百分比的组分：磷酸(90％)55％、矾土(90％)12％、六水氟硅酸镁(95％)8％、氢氧化镁(99％)3％、二乙醇胺(99.5％)3％、尿素2％、三聚氰胺2％、水补齐至100％。
制备方法如下：
(1)按质量百分比称取各组分；
(2)将水置于反应釜中，加入磷酸，搅拌加热至110℃；
(3)在反应釜中加入矾土，搅拌至溶液澄清，再加入缩合剂；
(4)控制反应釜温度在115℃，恒温保持3小时；
(5)向反应釜中加入氢氧化镁，搅拌均匀至澄清；
(6)向反应釜中加入氟硅酸镁，继续搅拌直至溶液澄清；
(7)停止加热，向反应釜中加入二乙醇胺，搅拌均匀，即得。
实施例37
一种聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂，包括以下质量百分比的组分：磷酸(80％)50％、矾土(80％)10％、六水氟硅酸镁(85％)5％、氢氧化镁(99％)2％、二乙醇胺(95％)2％、尿素6％、水补齐至100％。
制备方法如下：
(1)按质量百分比称取各组分；
(2)将水置于反应釜中，加入磷酸，搅拌加热至100℃；
(3)在反应釜中加入矾土，搅拌至溶液澄清，再加入缩合剂；
(4)控制反应釜温度在110℃，恒温保持2小时；
(5)向反应釜中加入氢氧化镁，搅拌均匀至澄清；
(6)向反应釜中加入氟硅酸镁，继续搅拌直至溶液澄清；
(7)停止加热，向反应釜中加入二乙醇胺，搅拌均匀，即得。
将实施例32～37所制备的聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂应用于喷射混凝土,以水泥的重量为基准,掺量为5～7％。依据中国建材行业标准JC477-2005《喷射混凝土用速凝剂》的要求对本发明产品进行了水泥净浆凝结时间和水泥砂浆抗压强度的测试。试验结果见表5：
表5实施例32-37制备的速凝剂水泥净浆凝结时间和水泥砂浆抗压强度测试结果
通过表5可以看出，实施例32～36制备的速凝剂水泥净浆凝结时间和水泥砂浆抗压强度在较低掺量下(5～7％)可满足JC477-2005中合格品的要求，适应性较好，28天抗压强度比＞100％，优于中国专利CN100540498C公开了一种用于喷射混凝土的低碱液体速凝剂，且本发明用于喷射混凝土的无碱液体速凝剂，碱含量远低于中国专利CN100540498C公开的低碱液体速凝剂，因此，本发明对钢筋的锈蚀作用小，可以降低碱骨料反应，混凝土后期强度保留值较高。
实施例37由于配方中各组分的含量较低，致使水泥净浆和水泥砂浆初凝时间和凝结时间显著延长，故，本发明优选磷酸含量≥85％、矾土中Al2O3含量≥85％、六水氟硅酸镁含量≥90％；氢氧化镁含量≥98％；二乙醇胺含量≥99％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的实质技术内容的范围，本发明的实质技术内容是广义地定义于申请的权利要求范围中，任何他人完成的技术或者方法，若与本申请的权利要求范围所定义的完全相同，或者只是一种等效的替换，均被视为涵盖于该权利要求范围之中。

Claims (10)

1.一种聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂，其特征在于，所述的无碱速凝剂组成成份，按质量百分比计为：磷酸50～60％、矾土10～15％、氟硅酸镁5～10％、氢氧化镁2～4％、二乙醇胺2～4％、缩合剂2～6％、水补齐至100％。
2.如权利要求1所述聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂，其特征在于，所述缩合剂为尿素、三聚氰胺中的一种或两种。
3.如权利要求1所述聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂，其特征在于，所述磷酸是工业级磷酸，磷酸含量≥85％。
4.如权利要求1所述聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂，其特征在于，所述矾土是工业级矾土，Al2O3含量≥85％。
5.如权利要求1所述聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂，其特征在于，所述氟硅酸镁是工业级六水氟硅酸镁，含量≥90％。
6.如权利要求1所述聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂，其特征在于，所述氢氧化镁是工业级的氢氧化镁，含量≥98％。
7.如权利要求1所述聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂，其特征在于，所述二乙醇胺是工业级的二乙醇胺，含量≥99％。
8.如权利要求1所述的聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂，其特征在于，所述无碱速凝剂的制备方法包括以下步骤：
(1)按质量百分比称取各组分；
(2)将水置于反应釜中，加入磷酸，搅拌加热至100～120℃；
(3)在反应釜中加入矾土，搅拌至溶液澄清，再加入缩合剂；
(4)控制反应釜温度在110～120℃，恒温保持2～4小时；
(5)向反应釜中加入氢氧化镁，搅拌均匀至澄清；
(6)向反应釜中加入氟硅酸镁，继续搅拌直至溶液澄清；
(7)停止加热，向反应釜中加入二乙醇胺，搅拌均匀，即得。
9.如权利要求1～7任一项所述的聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂或权利要求8所述的制备方法制备的聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂，其特征在于，所述的无碱速凝剂应用于喷射混凝土。
10.如权利要求9所述的聚合磷酸铝系列无氯无硫液体无碱速凝剂，其特征在于，所述无碱速凝剂的用量为胶凝材料用量的5～7％。
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