CN109776015A

CN109776015A - 一种液体速凝剂及其制备方法和用途

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Publication number: CN109776015A
Application number: CN201910232837.1A
Authority: CN
Inventors: 李国新; 张江波
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2019-05-21

Abstract

本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种液体速凝剂及其制备方法和用途，该液体速凝剂是一种无氯无氟无碱低成本液体速凝剂，以质量百分数计，该液体速凝剂的原料组成为：硫酸铝：50～70％，磷酸：1～7％，酰胺：1～5％，氢氧化铝：1～10％，醇胺：1～8％，硅酸盐：1～5％，其余为水。本发明的无氯无碱液体速凝剂为白色粘稠液体，密度为1.30g/cm³～1.55g/cm³，pH值为2.5～4.5，固含量为30～50％。该速凝剂具有成本低廉、可在常温下配置、生产工艺简单等特点，适合工业化大批量生产，且其成品无腐蚀性，可安全的应用于施工。

Description

一种液体速凝剂及其制备方法和用途

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种液体速凝剂及其制备方法和用途，该液体速凝剂无氯无氟无碱且低成本。

背景技术

喷射混凝土是隧道或地下空间施工中的重要组成部分，其具有工艺简单、粘结性好、施工快速、节省模板、经济合理及适应性强等优点，已成为矿井巷道与地下空间、水利电力、建筑结构补强与加固等大型工程建设中一种重要的现代化施工手段。常用于灌浆隧道内衬、墙壁、天棚等薄壁结构或其他结构的衬里，以及钢结构的保护层，而喷射混凝土的应用离不开一种化学外加剂——速凝剂。

速凝剂是一种能够加快水泥或混凝土凝结和硬化速度的外加剂，是现代喷射混凝土施工过程中的重要组成材料之一。它是用来达到初始强度，减少反弹，抑制早期地面松弛的一种混凝土外加剂。它不仅影响喷射混凝土的早期强度，而且影响长期强度、耐久性和厚度的发展。根据速凝剂的性质和状态，大致可以分为碱性粉状、无碱粉状、碱性液态和无碱液态四大类。相比传统碱性速凝剂，无碱液体速凝剂具有碱含量低、对水泥和混凝土后期强度影响小、便于喷混凝土湿法作业、施工工作面环境良好和碱性低等诸多优点，国家及行业越来越重视无碱速凝剂的研发，并且由于氯离子会导致钢筋锈蚀，标准中对氯离子的含量有严格的要求。

专利CN103664034A公开了在加热条件下，以硫酸铝和氟化钠为主要成分，加入三乙醇胺，而后添加pH调节剂将pH调节到2～3，制备无碱液体速凝剂的配方。此配方工艺简单，速凝效果好，但由于三乙醇胺的掺量过大导致砂浆28d强度保留率较低。

专利CN107311503A公开了以硫酸铝、柠檬酸铝和羟基羧酸为主要成分，添加20％浓度氨水和聚丙烯酰胺，制备无碱液体速凝剂的配方。此配方解决了专利CN103664034A中砂浆28d强度保留率过低的问题，但是此配方制备工艺要求温度保持在60～80℃，设备要求高，并且原材料成本较高，不利于推广于工业生产。

专利CN106431059A公开了以硫酸铝、氟化镁、氟化钠和氢氟酸为主要成分，加入三乙醇胺和聚丙烯酰胺，制备无碱液体速凝剂的配方。此配方可在常温下制备出速凝效果较好，且28d强度保留率很高，此专利相较于专利CN103664034A的制备方法简单，但是此配方中氟化镁、氟化钠和氢氟酸含量过大，导致氟离子含量过大，且原材料成本过高，不利于市场推广使用。

专利CN107601944A公开了以硫酸铝、氢氧化镁和氢氟酸为主要成分，加入稳定剂，制备无碱液体速凝剂的配方。此配方在较小的掺量下就可以达到标准，并且拥有较高的28d抗压强度比。相较于专利CN106431059A中的配方显著地降低了速凝剂中的氟离子含量，但由于氢氧化镁和氢氟酸反应是放热反应，会释放出大量氢氟酸气体，危害工人的身体健康。

专利CN107601943A公开了以硫酸铝、氟化钠、硫酸亚铁和氟硅酸钠为主要成分，加入二乙醇胺，制备无碱液体速凝剂的配方。此配方的制备成本要低于专利CN107601944A的配方，且能够有效提高砂浆的早期和后期强度，但其复杂的制备过程，仍然不利于应用于工程实践。

现有无碱液体速凝剂的专利，为了解决速凝剂的稳定性问题大量引入氯离子的同族元素—氟离子，氟离子可以络合氯离子，防止硫酸铝系速凝剂发生聚沉，提高无碱液体速凝剂的而稳定性。氟离子很活泼，若是氟离子从混凝土中流出，将会污染地下水资源，会对人体的健康产生巨大的负面影响。人体对饮水中的氟吸收率可高达90％，当饮食中缺钙或属于低营养状态时，人体对氟的吸收更高，氟摄入量达10毫克左右时即可引发急性中毒，每日摄入15～20毫克，持续10～20年可导致氟骨病；每日摄入20毫克，持续20年以上可导致残废设置死亡。

如果高氟含量的速凝剂被大量使用，将会导致饮用水高氟化，从而引起更多氟病的产生，因此，研究一种无氯无氟无碱液体速凝剂很有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够有效克服上述技术缺陷的一种无氯无氟无碱低成本液体速凝剂，该速凝剂具有成本低廉、易于加工生产、水泥适应性好的特点。

本发明采用的技术方案如下：

一种液体速凝剂，以质量百分数计，其原料组成如下：

硫酸铝：50～70％，磷酸：1～7％，酰胺：1～5％，氢氧化铝：1～10％，醇胺：1～8％，硅酸盐：1～5％，其余为水。

所述醇胺是三乙醇胺、二乙醇胺、二甘醇胺和一乙醇胺中的一种或几种的组合。

所述酰胺是甲酰胺、碳酰胺和已酰胺中的一种或几种的组合。

所述硅酸盐为硅酸镁或硅酸镁铝。

所述液体速凝剂为白色粘稠液体，密度为1.30g/cm³～1.55g/cm³，pH值为2.5～4.5，固含量为30～50％。

制备上述液体速凝剂的方法，包括以下步骤：

步骤一，将水、酰胺和硅酸盐混合并进行搅拌，搅拌均匀后加入醇胺并持续搅拌至均匀；

步骤二，将加入氢氧化铝和硫酸铝，继续搅拌至氢氧化铝和硫酸铝分散均匀；

步骤三，加入磷酸，搅拌至均匀，得到所述液体速凝剂。

步骤一和步骤二中的搅拌速率为1000-3000r/min。

步骤一中，水和硅酸盐的搅拌时间为2～5min，加入醇胺后持续搅拌7～10min。

步骤二中，搅拌时间为30～40min。

上述液体速凝剂的用途，所述液体速凝剂用于加快水泥的凝结和硬化速度或混凝土的凝结和硬化速度，在使用时将液体速凝剂外掺入水泥或混凝土中，其中，液体速凝剂掺量为水泥或混凝土质量的7％～9％。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明的液体速凝剂中，以质量百分数计，其原料中硫酸铝含量为50～70％，磷酸含量为1～7％，酰胺含量为1～5％，氢氧化铝含量为1～10％，醇胺含量为1～8％，硅酸盐含量为1～5％，其余为水。由上述可以看出，本发明的液体速凝剂所采用的主要原料是硫酸铝、氢氧化铝、酰胺等，均是常见工业级原料，原料成本低，成品价格便宜，有利于液体无碱速凝剂的推广应用。且无氯无氟，利用酰胺和硅酸盐对硫酸铝的络合能力，使得硫酸铝能够稳定的悬浮溶解在水中，形成稳定的乳浊液，该过程无任何有害副产物，适应性好。

制备本发明液体速凝剂的过程为，先将水、酰胺和硅酸盐混合并进行搅拌，搅拌均匀后加入醇胺并持续搅拌至均匀；再将加入氢氧化铝和硫酸铝，继续搅拌至氢氧化铝和硫酸铝分散均匀；最后加入磷酸，搅拌至均匀，得到所述液体速凝剂。因此，制备本发明的液体速凝剂的方法过程简单、易于加工生产、无需任何加热装置，生产前期设备投入少。

本发明的液体速凝剂用于加快水泥的凝结和硬化速度或混凝土的凝结和硬化速度时，将液体速凝剂外掺入水泥或混凝土中，其中，液体速凝剂掺量为水泥或混凝土质量的7％～9％。按照GB/T 35159-2017的实验条件，本发明在掺量下(7～9％)即可达到较好的速凝效果，且早期强度和后期强度保留率高。

具体实施方式

下面结合实施例来对本发明做进一步的说明。

本发明提出了一种无氯无氟无碱低成本液体速凝剂，该液体速凝剂的原料包括硫酸铝、氢氟酸、氢氧化铝、钠盐和酰胺，其各组分质量百分比为：硫酸铝50～70％，磷酸1～7％，酰胺1～5％，氢氧化铝1～10％，醇胺1～8％，硅酸盐1～5％，其余成分为水。

本发明中，醇胺采用三乙醇胺、二乙醇胺、二甘醇胺和一乙醇胺中的一种或几种。酰胺采用甲酰胺、碳酰胺和已酰胺中的一种或几种。硅酸盐为硅酸镁或硅酸镁铝。

上述无氯无氟无碱低成本液体速凝剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，常温下，将水、酰胺和硅酸盐加入搅拌容器中进行搅拌，搅拌转速在1000-3000r/min，搅拌2～5min，使硅酸盐分散均匀；然后加入醇胺并持续搅拌7～10min，至醇胺混合均匀。

步骤二，然后将氢氧化铝和硫酸铝快速加入搅拌容器中，继续搅拌30～40min，至氢氧化铝和硫酸铝分散均匀。

步骤三，向搅拌好的溶液中加入磷酸，搅拌均匀，即得到本发明的液体速凝剂。

本发明的液体速凝剂在使用时，按照GB/T 35159-2017的实验条件，本发明在掺量为7～9％下即可达到较好的速凝效果，且早期强度和后期强度保留率高。

实施例

使用本发明的制备方法进行无氯无氟无碱液体速凝剂的制备，并按照标准喷射混凝土用速凝剂GB/T 35159-2017中的试验方法，使用基准水泥400g、用水量140g(包含液体速凝剂所含水)，按照水泥重量的推荐掺量掺入无氯无氟无碱低成本液体速凝剂，进行凝结时间测定实验；使用基准水泥900g、标准砂1350g、水450g(包含液体速凝剂所含水)，按照水泥重量的推荐掺量掺入无氯无氟无碱低成本液体速凝剂，进行抗压强度测定实验。具体实施结果如表1所示，表1中的序号表示实施例的序号，例如，序号1即表示实施例1。

其中，实施例1中，步骤一中将水、碳酰胺和硅酸镁加入搅拌容器中搅拌转速为1000r/min，搅拌时间为2min；加入三乙醇胺并持续搅拌7min，至三乙醇胺混合均匀；步骤二中，搅拌时间为30min，至氢氧化铝和硫酸铝分散均匀。其各组分质量百分比为：硫酸铝50％，磷酸1％，碳酰胺5％，氢氧化铝10％，三乙醇胺1％，硅酸镁5％，其余成分为水。

实施例2中，步骤一中将水、甲酰胺和硅酸镁加入搅拌容器中搅拌转速为2000r/min，搅拌时间为4min；加入一乙醇胺并持续搅拌8min，至一乙醇胺混合均匀；步骤二中，搅拌时间为35min，至氢氧化铝和硫酸铝分散均匀。其各组分质量百分比为：硫酸铝60％，磷酸4％，甲酰胺2％，氢氧化铝6％，一乙醇胺8％，硅酸镁1％，其余成分为水。

实施例3中，步骤一中将水、甲酰胺和硅酸镁加入搅拌容器中搅拌转速为2000r/min，搅拌时间为5min；加入二乙醇胺并持续搅拌10min，至二乙醇胺混合均匀；步骤二中，搅拌时间为40min，至氢氧化铝和硫酸铝分散均匀。其各组分质量百分比为：硫酸铝70％，磷酸7％，甲酰胺1％，氢氧化铝1％，二乙醇胺8％，硅酸镁1％，其余成分为水。

实施例4中，步骤一中将水、甲酰胺和硅酸镁加入搅拌容器中搅拌转速为3000r/min，搅拌时间为4min；加入二乙醇胺并持续搅拌8min，至二乙醇胺混合均匀；步骤二中，搅拌时间为35min，至氢氧化铝和硫酸铝分散均匀。其各组分质量百分比为：硫酸铝60％，磷酸4％，甲酰胺2％，氢氧化铝1％，二乙醇胺3％，硅酸镁1％，其余成分为水。

实施例5中，步骤一中将水、碳酰胺和硅酸镁铝加入搅拌容器中搅拌转速为2500r/min，搅拌时间为4min；加入三乙醇胺并持续搅拌8min，至三乙醇胺混合均匀；步骤二中，搅拌时间为35min，至氢氧化铝和硫酸铝分散均匀。其各组分质量百分比为：硫酸铝65％，磷酸3％，碳酰胺2％，氢氧化铝1％，三乙醇胺1％，硅酸镁铝1％，其余成分为水。

实施例6中，步骤一中将水、二乙醇胺和硅酸镁铝加入搅拌容器中搅拌转速为2500r/min，搅拌时间为4min；加入碳酰胺并持续搅拌8min，至碳酰胺混合均匀；步骤二中，搅拌时间为35min，至氢氧化铝和硫酸铝分散均匀。其各组分质量百分比为：硫酸铝70％，磷酸6％，碳酰胺1％，氢氧化铝1％，二乙醇胺4％，硅酸镁铝2％，其余成分为水。

表1

由表1可以看出，随着硅酸盐、磷酸含量的增加速凝剂的凝结时间没有明显变化，说明其对速凝剂的凝结性能影响不大，主要用于增强其稳定性；随着磷酸掺量的增加，1d抗压强度逐渐降低，说明磷酸对其早期强度有负影响，应选择适当的掺量；主要速凝组分硫酸铝含量在63％已经可以使速凝剂的性能满足标准要求。

Claims

1.一种液体速凝剂，其特征在于，以质量百分数计，其原料组成如下：

2.根据权利要求1所述的一种液体速凝剂，其特征在于，所述醇胺是三乙醇胺、二乙醇胺、二甘醇胺和一乙醇胺中的一种或几种的组合。

3.根据权利要求1所述的一种液体速凝剂，其特征在于，所述酰胺是甲酰胺、碳酰胺和已酰胺中的一种或几种的组合。

4.根据权利要求1所述的一种液体速凝剂，其特征在于，所述硅酸盐为硅酸镁或硅酸镁铝。

5.根据权利要求1所述的一种液体速凝剂，其特征在于，所述液体速凝剂的密度为1.30g/cm³～1.55g/cm³，pH值为2.5～4.5，固含量为30～50％。

6.制备权利要求1所述的液体速凝剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤三，加入磷酸，搅拌至均匀，得到所述液体速凝剂。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤一和步骤二中的搅拌速率为1000-3000r/min。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤一中，水、酰胺和硅酸盐的搅拌时间为2～5min，加入醇胺后持续搅拌7～10min。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤二中，搅拌时间为30～40min。

10.权利要求1所述的液体速凝剂的用途，其特征在于，所述液体速凝剂用于加快水泥的凝结和硬化速度或混凝土的凝结和硬化速度，在使用时将液体速凝剂外掺入水泥或混凝土中，其中，液体速凝剂掺量为水泥或混凝土质量的7％～9％。