CN110002781A

CN110002781A - 一种具有低温稳定与早强功能的液体速凝剂专用改性材料

Info

Publication number: CN110002781A
Application number: CN201910278997.XA
Authority: CN
Inventors: 王家赫; 谢永江; 李享涛; 仲新华; 渠亚男; 孔庆欣; 李连吉; 裘智辉
Original assignee: Railway Engineering Research Institute of CARS
Current assignee: Railway Engineering Research Institute of CARS
Priority date: 2019-04-09
Filing date: 2019-04-09
Publication date: 2019-07-12

Abstract

本发明属于混凝土外加剂技术领域，特别涉及一种具有低温稳定与早强功能的液体速凝剂专用改性材料及其制备方法，该改性材料包括以下组分：低温稳定组分20%~30%，早强组分70%~80%。其中，低温稳定组分包括增溶剂和防冻剂两种主要成分，早强组分包括气相二氧化硅和硫酸锂两种主要成分。本发明通过低温稳定组分和早强组分协同作用的方式，解决了无碱速凝剂低温稳定性与早期强度之间的矛盾，研发出一种具有低温稳定与早强功能的液体速凝剂专用改性材料。将该改性材料加入液体速凝剂中，可以有效提高液体速凝剂的低温稳定性和混凝土早期强度。该新型材料的使用将为我国东北、西北、西藏等低温地区隧道喷射混凝土用无碱速凝剂提供有效解决方案。

Description

一种具有低温稳定与早强功能的液体速凝剂专用改性材料

技术领域

本发明属于混凝土外加剂技术领域，特别涉及一种具有低温稳定与早强功能的液体速凝剂专用改性材料。

背景技术

速凝剂是一种可以使混凝土迅速失去流动性的化学外加剂，其在喷射混凝土施工过程中发挥着重要作用。现有速凝剂按碱含量的不同可分为有碱速凝剂和无碱速凝剂两大类，其中无碱速凝剂因对环境污染小、混凝土后期强度保证率高等特点而成为目前速凝剂研发与应用的主要方向。但是，在我国东北、西北、西藏等地区，年平均气温较低，传统的无碱速凝剂在运输和储存过程中容易受冻而导致盐类结晶，进而引发速凝剂失效。且由于无碱速凝剂通常为高温水热合成，体系稳定性被破坏之后，通过简单加热仅可以使结冰融化，但其内部盐类结晶则较难重新溶解。速凝剂失效将显著影响喷射混凝土施工工期，并将造成大量原料资源浪费。因此，研发一种具有低温稳定与早强功能的液体速凝剂专用改性材料对保障喷射混凝土工程质量和施工工期具有重要意义。

目前，国内外研究人员在无碱速凝剂的研发与性能提升方面取得了一定进展，但在无碱速凝剂低温稳定性方面研究相对较少。中国专利CN107298540A“一种抗冻型无碱速凝剂及其制备方法”虽然名为无碱速凝剂，但所述配方中氟化钠质量份数可达3%，因此其实际为一种有碱速凝剂。且该专利采用的防冻剂主要为可溶性淀粉，该成分糊化后将吸附于水泥颗粒表面，因此将影响水泥颗粒的水化和凝结硬化进程，进而影响混凝土强度发展。在防冻技术方面，中国专利CN101289293A“用于水泥混凝土的聚羧酸系防冻剂及其制备方法”所采用的防冻剂主要由聚羧酸减水剂、低碳醇等组成。已有研究表明，聚羧酸减水剂的使用将显著影响混凝土的工作性，且其用量应在混凝土搅拌过程中精准控制。低碳醇的使用则将显著影响水泥的水化进程，进而导致混凝土早期强度降低。因此，在研究过程中应着重解决速凝剂低温稳定性与混凝土早期强度之间的矛盾。进一步分析可知，液体速凝剂在低温环境下析出晶体，主要原因是速凝剂中的水在低温环境下结冰，导致溶剂量降低且盐类溶解度下降，从而引发速凝剂中的盐类结晶析出。因此，要提高液体速凝剂的低温稳定性应从增大盐类溶解度和降低水的冰点两方面进行研究。

发明内容

本发明的目的是为了克服传统液体速凝剂低温不稳定、掺入后混凝土强度低等不足而提出的一种具有低温稳定与早强功能的液体速凝剂专用改性材料。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

通过增大盐类溶解度（增溶剂）和降低水的冰点（防冻剂）两个方面解决速凝剂低温稳定性问题，从而配制出所述低温稳定组分。同时，为保障混凝土强度发展不受影响，本发明采用气相二氧化硅和硫酸锂共同形成的分散液配制所述早强组分，气相二氧化硅在水泥水化初期充当晶核，加快水泥早期水化进程，从而有效提高混凝土早期强度。上述两种组分与速凝组分协同作用，即可配制出所述具有低温稳定与早强功能的液体速凝剂专用改性材料。

具体而言，一种具有低温稳定与早强功能的液体速凝剂专用改性材料包括以下组分。

低温稳定组分（20%~30%）包括增溶剂和防冻剂两种主要成分，增溶剂与防冻剂质量比为60~70：30~40。其中，增溶剂为N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亚砜（DMSO）中的一种或其任意比例混合物；防冻剂为乙二醇、丙三醇或其任意比例混合物。

早强组分（70%~80%）为气相二氧化硅与硫酸锂共同形成的分散液，气相二氧化硅：硫酸锂：水的质量比为20~35：20~35：30~60。

本发明所述一种具有低温稳定与早强功能的液体速凝剂专用改性材料的制备，包括以下步骤。

步骤1：制备低温稳定组分，在25±5℃条件下将增溶剂和防冻剂均匀混合，搅拌时间为20~30min，转速为300~500rpm。

步骤2：制备所述早强组分，在50~60℃条件下将硫酸锂溶解于水中，加入气相二氧化硅，搅拌20~30min，转速为300~500rpm，冷却至室温即得到所述早强组分。

步骤3：将步骤1和2得到的稳定组分、早强组分在转速300~500 rpm条件下搅拌10min，即可得到本发明所述的一种具有低温稳定与早强功能的液体速凝剂专用改性材料。

具体实施方式

为更好地说明本发明的特点，下面将结合具体实施例对发明内容进行阐述，但本发明内容不局限于实施例内容。

实施例1

一种具有低温稳定与早强功能的液体速凝剂专用改性材料的制备，包括以下步骤。

（1）在25℃条件下，将12g N,N-二甲基甲酰胺（DMF）与8g乙二醇均匀混合，搅拌时间为20min，转速为400rpm。

（2）在50℃条件下，将24g硫酸锂溶解于32g水中，并加入24g气相二氧化硅，以400rpm的转速搅拌30min后冷却至室温。

（3）将步骤（1）和（2）得到的稳定组分、早强组分在转速400 rpm条件下搅拌10min，即可得到本发明所述的一种具有低温稳定与早强功能的液体速凝剂专用改性材料。

实施例2

（1）在25℃条件下，将12g二甲基亚砜（DMSO）与8g丙三醇均匀混合，搅拌时间为20min，转速为400rpm。

（2）在50℃条件下，将16g硫酸锂溶解于32g水中，并加入32g气相二氧化硅，以400rpm的转速搅拌30min后冷却至室温。

实施例3

（1）在25℃条件下，将6g N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和6g 二甲基亚砜（DMSO）均匀混合，并加入8g乙二醇，在转速400rpm条件下搅拌20min。

实施例4

（1）在25℃条件下，将7.5g N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和7.5g 二甲基亚砜（DMSO）均匀混合，并加入10g乙二醇，在转速400rpm条件下搅拌20min。

（2）在50℃条件下，将17g硫酸锂溶解于34g水中，并加入34g气相二氧化硅，以400rpm的转速搅拌30min后冷却至室温。

实施例5

（1）在25℃条件下，将9g N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和9g 二甲基亚砜（DMSO）均匀混合，并加入12g乙二醇，在转速400rpm条件下搅拌20min。

（2）在50℃条件下，将14g硫酸锂溶解于28g水中，并加入28g气相二氧化硅，以400rpm的转速搅拌30min后冷却至室温。

将实施例1~实施例5制备的专用改性材料加入传统液体无碱速凝剂中，所述专用改性材料与液体速凝剂的质量比为20:80。所采用的传统液体无碱速凝剂所使用的原材料及质量比为：硫酸铝：硫酸镁：三乙醇胺：乳酸：水=50:5:7:3:35，具体制备过程与对比例1相同。

对比例1

将50g硫酸铝、5g硫酸镁与35g水混合，在80℃条件下搅拌0.5h，转速为400 rpm。在上述溶液中缓慢滴加7g三乙醇胺和3g乳酸，滴加速度为1.0 ml/min。在80℃条件下，反应0.5h，搅拌转速为400 rpm。从而得到不含低温稳定和早强组分的液体无碱速凝剂。

对比例2

按照中国专利CN107298540A“一种抗冻型无碱速凝剂及其制备方法”中实施例5的配比制备对比例2速凝剂。

对上述实施例1~5和对比例1~2所制备的无碱速凝剂进行性能测试，结果如表1所示。

抗冻性试验方法：取所述液体速凝剂500g密封于塑料瓶中，放置于-20℃环境下冷冻20天，取出后放置于常温环境（25℃）至结冰全部融化。记录速凝剂结冰所需的天数，以此衡量速凝剂的抗冻性。

凝结时间和胶砂强度试验均依据《喷射混凝土用速凝剂》（GB∕T 35159-2017）测试得到，所使用的液体速凝剂均为经上述过程解冻的速凝剂。

表1实施例和对比例性能测试结果。

由表1可知：实施例1~实施例3中采用的所述低温稳定组分不同，从抗冻性测试结果可以看出，与对比例1不加低温稳定组分的速凝剂相比，掺加低温稳定组分可以显著提高液体速凝剂的抗冻性。且混合使用N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亚砜（DMSO）两种低温稳定剂抗冻性效果更好。实施例4~实施例5逐步增加了改性材料中的增容组分，从凝结时间和胶砂强度测试结果可以看出，采用实施例4和5两种改性材料配制的液体速凝剂，其掺量更低、凝结时间更短且强度更高。由上述试验结果可以看出，本发明通过使用低温稳定组分和早强组分，使得传统液体无碱速凝剂抗冻性和早期强度水平显著提高，有效解决了低温环境下无碱速凝剂受冻失效的技术难题。

Claims

1.一种具有低温稳定与早强功能的液体速凝剂专用改性材料，其特征在于，该改性材料包括低温稳定组分与早强组分两种主要成分，其中低温稳定组分与早强组分质量比为20~30:70~80。

2.根据权利要求1所述的一种具有低温稳定与早强功能的液体速凝剂专用改性材料，其特征在于，所述低温稳定组分包括增溶剂和防冻剂，且增溶剂与防冻剂质量比为60~70：30~40，其中，增溶剂为N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亚砜（DMSO）中的一种或其任意比例混合物；防冻剂为乙二醇、丙三醇或其任意比例混合物。

3.根据权利要求1所述的一种具有低温稳定与早强功能的液体速凝剂专用改性材料，其特征在于，所述早强组分为气相二氧化硅与硫酸锂共同形成的分散液，气相二氧化硅：硫酸锂：水的质量比为20~35：20~35：30~60。

4.根据权利要求1所述的一种具有低温稳定与早强功能的液体速凝剂专用改性材料，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：制备低温稳定组分，在25±5℃条件下将增溶剂和防冻剂均匀混合，搅拌时间为20~30min，转速为300~500rpm；

步骤2：制备所述早强组分，在50~60℃条件下将硫酸锂溶解于水中，加入气相二氧化硅，搅拌20~30min，转速为300~500rpm，冷却至室温即得到所述早强组分；

5.根据权利要求1所述的一种具有低温稳定与早强功能的液体速凝剂专用改性材料，其特征在于，所述专用改性材料与液体速凝剂的质量比为20~30:70~80。