CN109336446A - 一种高铝含量无碱无氯速凝剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高铝含量无碱无氯速凝剂的制备方法:包括以下步骤:(1)将2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸、丙烯酰胺、丙烯酸、氢氧化钠、引发剂、交联剂和水混匀,得水相;将环己烷和山梨糖醇酐油酸酯混匀得油相;将油相加热至50~70℃后滴加水相,聚合反应5~10h后过滤干燥得促溶剂;(2)将硫酸铝、促溶剂和水混匀,静置1h,继续加入醇胺,pH调节剂和流变剂,然后加热至60~80℃反应3~6h,冷却至室温即得高铝含量无碱无氯速凝剂。该方法采用促溶剂增加硫酸铝的含量,改性制得的无碱无氯速凝剂可以大幅提高水泥砂浆的1d抗压强度,同时可以提升产品的稳定性等综合性能。
Description
技术领域
本发明属于混凝土外加剂技术领域,特别涉及一种高铝含量无碱无氯速凝剂的制备方法。
背景技术
速凝剂是一种使水泥或混凝土快速凝结和硬化的混凝土外加剂。其主要作用是可以增加喷射混凝土一次喷涂厚度,缩短二次喷射之间的间隔,同时提高混凝土早期强度,以便及时提供支护抗力,目前已经广泛应用于现代地下工程、矿山工程、堵漏和抢险等工程。
无碱速凝剂由于对混凝土后期强度几乎没有影响,正成为速凝剂发展的主要方向,以硫酸铝为主要成分的无碱速凝剂是由于原料来源易得,制备工艺简单,是速凝剂的主要研究对象。
十八水硫酸铝的溶解度较低,20℃的溶解度仅为36.4g/ml。为了提升硫酸铝系无碱速凝剂的综合性能,常采用添加铝离子络合剂或者协同增效组分来提升速凝剂中活性铝浓度,如氢氧化铝、氟化钠、醇胺和氢氟酸等。氢氧化铝干凝胶在硫酸铝溶液中容易溶解,且不会引入有害物质,张小磊等人将其引入到无碱速凝剂中,可以有效促进水泥水化,提升产品的水泥适应性(张小磊. 氢氧化铝干凝胶改性无碱速凝剂的制备与性能研究[J]. 新型建筑材料, 2018: 34-35)。氢氟酸中的氟离子可以和铝离子进行络合,进而提升无碱速凝剂铝离子的浓度,但是高氟掺量不仅会显著降低早期强度,而且也会影响现场施工人员的身体健康。
发明内容
为了解决现有无碱速凝剂低铝含量等缺点,本发明提供了一种高铝含量无碱无氯速凝剂的制备方法。
硫酸铝是无碱速凝剂的关键材料,大量离子态的铝离子可以有效缩短凝结时间,提升无碱速凝剂的抗压强度。但是硫酸铝溶解度较低,导致无碱速凝剂固含较低,有效速凝组分少,影响产品实际使用。
促溶剂中含有大量酰胺基和磺酸基,具有强阴离子性和吸盐性能,其可以吸收部分铝离子和硫酸根离子进入自身三维网络结构内部,导致内外部出现渗透压,进一步促进硫酸铝的向网络结构内部伸展,直至内外浓度平衡。后续引入聚丙酰胺和硅酸镁锂插层机构悬浮稳定促溶剂,提升产品综合性能。
本发明所述的高铝含量无碱无氯速凝剂的制备方法,包括以下步骤:
步骤(1)将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、丙烯酸、引发剂、交联剂和水混匀,得水相;将环己烷和山梨糖醇酐油酸酯混匀得油相;将油相加热至50~70℃后滴加水相,聚合反应5~10h后过滤干燥得促溶剂;
步骤(2)将硫酸铝、促溶剂和水混匀,静置1h,继续加入醇胺,pH调节剂和流变剂,然后加热至60~80℃反应3~6h,冷却至室温即得高铝含量无碱无氯速凝剂。
步骤(1)中所述水相由以下组分按质量百分比组成:
2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸 10~15%
丙烯酰胺 1~5%
丙烯酸 20~30%
引发剂 1~2%
交联剂 1~3%
水 余量
所述引发剂为过硫酸铵,交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺。
步骤(1)中所述油相和水相的质量比为2~3:1;山梨糖醇酐油酸酯质量为丙烯酸单体质量的2~5wt%;所述油相滴加至水相的滴加时间为30~60min。
步骤(2)中所述无碱无氯速凝剂由以下组分按质量百分比组成:
硫酸铝 60~65%
促溶剂 0.5~2%
水 余量
醇胺 5~10%
pH调节剂 0.5~3%
流变剂 11~21%
所述醇胺为二乙醇胺或三乙醇胺中的一种,pH调节剂为磷酸、草酸或乳酸中的一种。
所述流变剂为非离子型聚丙烯酰胺和硅酸镁锂的混合液,其中非离子型聚丙烯酰胺分子量为400w,非离子聚丙烯酰胺的质量浓度为1%,硅酸镁锂的质量浓度为10%。
所述高铝含量无碱无氯速凝剂用于喷射混凝土领域中,其掺量为水泥用量的6~10wt%。
本发明的有益效果:有机促溶剂通过三维网络结构、毛细管效应和亲水基团,可以显著提升吸收定量的硫酸铝溶液,进而增加无碱速凝剂中活性铝的含量;较高的硫酸铝含量进一步促进钙矾石的生成,钙矾石通过液相-沉淀反应形成,呈棒状或柱状形貌,在水泥颗粒间无取向分布,钙矾石的生成消耗大量的氢氧化钙,促进硅酸三钙水化,并减少氢氧化钙晶体的生成,最终达到缩短凝结时间和提高1d抗压强度的目的。
具体实施方式
为了更好地理解本发明,下面结合实施例对本发明的内容作进一步的说明,但本发明的内容并不局限于实施例表述的范围。
实施例1
高铝含量无碱无氯速凝剂的制备,包括以下步骤:
(1)将10g 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、1g丙烯酰胺、20g丙烯酸、1g过硫酸铵、1gN,N’-亚甲基双丙烯酰胺和67g水混匀,得水相;将99.6g环己烷和0.4g山梨糖醇酐油酸酯混匀得油相;将油相加热至50~70℃后滴加水相,控制滴加时间30min,聚合反应10h后过滤干燥得促溶剂;
(2)将60g硫酸铝、0.5g促溶剂和13g水混匀,静置1h,继续加入5g二乙醇胺,0.5g 磷酸和21g流变剂,然后加热至60℃反应6h,冷却至室温即得高铝含量无碱无氯速凝剂。
实施例2
高铝含量无碱无氯速凝剂的制备,包括以下步骤:
(1)将15g 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、5g丙烯酰胺、30g丙烯酸、2g过硫酸铵、3gN,N’-亚甲基双丙烯酰胺和45g水混匀,得水相;将98.5g环己烷和1.5g山梨糖醇酐油酸酯混匀得油相;将油相加热至70℃后滴加水相,控制滴加时间60min,聚合反应5h后过滤干燥得促溶剂;
(2)将65g硫酸铝、2g促溶剂和9g水混匀,静置1h,继续加入10g三乙醇胺,3g 草酸和11g流变剂,然后加热至80℃反应3h,冷却至室温即得高铝含量无碱无氯速凝剂。
实施例3
高铝含量无碱无氯速凝剂的制备,包括以下步骤:
(1)将12g 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、3g丙烯酰胺、25g丙烯酸、1.5g过硫酸铵、2gN,N’-亚甲基双丙烯酰胺和56.5g水混匀,得水相;将99g环己烷和1g山梨糖醇酐油酸酯混匀得油相;将油相加热至70℃后滴加水相,控制滴加时间40min,聚合反应8h后过滤干燥得促溶剂;
(2)将64g硫酸铝、2g促溶剂和10g水混匀,静置1h,继续加入10g三乙醇胺,3g 乳酸和21g流变剂,然后加热至80℃反应3h,冷却至室温即得高铝含量无碱无氯速凝剂。
实施例4
高铝含量无碱无氯速凝剂的制备,包括以下步骤:
(1)将15g 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、5g丙烯酰胺、30g丙烯酸、2g过硫酸铵、3gN,N’-亚甲基双丙烯酰胺和45g水混匀,得水相;将98.5环己烷和1.5g山梨糖醇酐油酸酯混匀得油相;将油相加热至70℃后滴加水相,控制滴加时间60min,聚合反应5h后过滤干燥得促溶剂;
(2)将62g硫酸铝、1g促溶剂和13g水混匀,静置1h,继续加入7g三乙醇胺,2g 磷酸和15g流变剂,然后加热至70℃反应4h,冷却至室温即得高铝含量无碱无氯速凝剂。
对比例1
将65g硫酸铝和22g水混匀,继续加入10g三乙醇胺和3g 草酸,然后加热至80℃反应3h,冷却至室温即得高铝含量无碱无氯速凝剂。
对比例2
在对比例1的基础上加入11g流变剂制备无碱速凝剂。
对比例3
将50g硫酸铝和37g水混匀,继续加入10g三乙醇胺和3g 草酸,然后加热至80℃反应3h,冷却至室温即得高铝含量无碱无氯速凝剂。
测试实施例1至4和对比例1至3制得的无碱速凝剂的性能,结果见表1。
测试用材料、凝结时间和1d抗压强度和28d抗压强度比的测试方法参照中国建材行业标准JC477-2005。所用水泥为江苏鹤林水泥有限公司生产的P.O 42.5水泥。
分层值的测试方法参照国标GB35159-2017。
粘度值:称取100ml无碱速凝剂,静置一周后,采用Brookfield博勒飞粘度计测试其粘度值。如果产品分层结晶,粘度无法测量,记录粘度值为“/”。
表1 实施例和对比例性能测试结果
性能 实施例 | 掺量/wt% | 初凝时间/min:s | 终凝时间/min:s | 1d抗压强度/MPa | 28d抗压强度比/% | 分层值/ml | 粘度值/cp |
实施例1 | 8 | 2:10 | 4:05 | 12.3 | 101 | 1 | 167 |
实施例2 | 8 | 2:40 | 6:00 | 10.5 | 116 | 3 | 152 |
实施例3 | 8 | 2:12 | 5:05 | 15.3 | 107 | 2 | 156 |
实施例4 | 8 | 2:47 | 5:31 | 12.6 | 109 | 4 | 135 |
对比例1 | 8 | 2:50 | 6:21 | 11.8 | 103 | 90(结晶) | / |
对比例2 | 8 | 2:36 | 5:55 | 13.9 | 110 | 73(结晶) | / |
对比例3 | 8 | 6:20 | 21:37 | 3.7 | 112 | 0 | 12 |
由表1可见:对比例1和2直接提升硫酸铝的用量,但由于溶解度有限,无碱速凝剂出现大面积结晶的现象。对比例3降低硫酸铝用量,未出现结晶分层的现象,但是产品性能显著下降,凝结时间大幅延长,1d抗压强度也出现不合格的现象。本发明提供的通过有机聚合改性制备的促溶剂,通过三维网络结构、毛细管效应和亲水基团,可以显著提升吸收定量的硫酸铝溶液,进而增加无碱速凝剂中活性铝的含量;较高的硫酸铝含量进一步促进钙矾石的生成,钙矾石通过液相-沉淀反应形成,呈棒状或柱状形貌,在水泥颗粒间无取向分布,钙矾石的生成消耗大量的氢氧化钙,促进硅酸三钙水化,并减少氢氧化钙晶体的生成,最终达到缩短凝结时间和提高1d抗压强度的目的。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种高铝含量无碱无氯速凝剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤(1):将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、丙烯酸、引发剂、交联剂和水混匀,得水相;将环己烷和山梨糖醇酐油酸酯混匀得油相;将油相加热至50~70℃后滴加水相,聚合反应5~10h后过滤干燥得促溶剂;
步骤(2)将硫酸铝、促溶剂和水混匀,静置1h,继续加入醇胺,pH调节剂和流变剂,然后加热至60~80℃反应3~6h,冷却至室温即得高铝含量无碱无氯速凝剂。
2.根据权利要求1所述的高铝含量无碱无氯速凝剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中所述水相由以下组分按质量百分比组成:
2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸 10~15%
丙烯酰胺 1~5%
丙烯酸 20~30%
引发剂 1~2%
交联剂 1~3%
水 余量
所述引发剂为过硫酸铵,所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺。
3.根据权利要求1所述的高铝含量无碱无氯速凝剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中所述油相和水相的质量比为2~3:1;山梨糖醇酐油酸酯质量为丙烯酸单体质量的2~5wt%;所述油相滴加至水相的滴加时间为30~60min。
4.根据权利要求1所述的高铝含量无碱无氯速凝剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述无碱无氯速凝剂由以下组分按质量百分比组成:
硫酸铝 60~65%
促溶剂 0.5~2%
水 余量
醇胺 5~10%
pH调节剂 0.5~3%
流变剂 11~21%
所述醇胺为二乙醇胺或三乙醇胺中的一种,pH调节剂为磷酸、草酸或乳酸中的一种;
所述流变剂为非离子型聚丙烯酰胺和硅酸镁锂的混合液,其中非离子型聚丙烯酰胺分子量为400w,非离子聚丙烯酰胺的质量浓度为1%,硅酸镁锂的质量浓度为10%。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述高铝含量无碱无氯速凝剂,其特征在于,所述高强型无碱无氯速凝剂用于喷射混凝土领域中,其掺量为水泥用量的6~10wt%。
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GR01 | Patent grant | ||
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