CN110981257B

CN110981257B - 一种基于三水碳酸镁的无碱无氯混凝土速凝剂

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Publication number: CN110981257B
Application number: CN201911295307.8A
Authority: CN
Inventors: 陈德平; 王英旺; 钟伟慈; 李灏; 于道涵
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2020-12-29
Anticipated expiration: 2039-12-16
Also published as: CN110981257A

Abstract

一种基于三水碳酸镁的无碱混凝土速凝剂及使用方法，属于速凝剂技术领域。速凝剂成分为三水碳酸镁占速凝剂总量的50％‑80％，其他原料总掺量占速凝剂总量的范围为20％‑50％。本速凝剂无碱无氯，使用时对环境、人员影响较小；该速凝剂在较低掺量情况下，促凝效果显著，不同水泥的凝结时间均可满足GB/T 35159‑2017混凝土使用速凝剂要求，对28d抗压强度增26.7％‑33.0％，对不同水泥的适应性良好。可避免增加碱总含量而引起碱集料反应和对钢筋等产生锈蚀。此外，其他辅助材料之一为能降低拌和物溶液中的钙离子浓度的物质，如磨细矿渣等；另一种为作为晶种的碳酸盐物质，如碳酸钙等,可提高混凝土的密实性、耐久性性能，提高混凝土后期强度，绿色环保，满足不同环境条件的施工要求。

Description

一种基于三水碳酸镁的无碱无氯混凝土速凝剂

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，特别涉及一种基于三水碳酸镁的无碱无氯混凝土速凝剂。

背景技术

速凝剂对混凝土的凝结速度有着重要的影响，是喷射混凝土施工法中不可缺少的添加剂，其效果的好坏直接影响到喷射混凝土的喷射质量及使用性能。速凝剂的作用是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。速凝剂广泛地应用于公路，铁路，桥梁，矿山、井巷、峒洞、隧道、国防、水利等工程施工及防漏堵漏、地面混凝土快速施工和混凝土紧急抢险工程之中。

传统的含碱速凝剂主要成分为铝氧熟料，碱含量高会对施工工人身体带来一定的危害。此外，掺入含碱量高的速凝剂后，后期强度有所损失，一般28d强度损失30％～50％之多。碱性速凝剂会明显增大喷射混凝土的收缩(90d收缩增加30％～50％),降低混凝土的抗冻性(20％)和抗渗性(20％)。同时,高碱性速凝剂腐蚀性极强,对施工人员可造成很大的伤害,极易引起碱骨料反应的发生,导致混凝土耐久性下降,后期强度损失严重,其28d抗压强度保留率一般只有65％左右。

目前国内无碱粉状速凝剂在施工中往往存在速凝剂对水泥种类适应性差，浆料和易性差，扬尘和回弹率高的问题。以早强矿物作为主要速凝成分的无碱粉状速凝剂在制作时需要高温煅烧，热耗较大，成本较高。

目前国内无碱液体速凝剂也主要采用硫酸铝、工业Al(OH)₃、HF作为速凝组分。虽然无碱液体速凝剂和传统粉状速凝剂相比具有诸多优点,但是由于无碱液体速凝剂较高的价格以及湿喷机高昂的机械成本。近期研究的聚合物改性速凝剂又存在成本高，制备工艺复杂的问题。

因此本研究速凝剂，以三水碳酸镁为主要成分，其他材料可以辅助改善混凝土的性能，目前三水碳酸镁的制备工艺多样且成熟；其速凝组分和原理与目前速凝剂完全不同，促凝效果好，初凝时间与终凝时间相距较小，为低掺量无碱无氯型，可避免增加碱总含量而引起碱集料反应和不会对钢筋等产生锈蚀，提高了28d抗压强度，对不同水泥的适应性良好。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供一种基于三水碳酸镁的新型无碱无氯混凝土速凝剂，通过目前生产技术成熟的三水碳酸镁为主要成分，与辅助材料如矿渣粉、碳酸钙等类似物质，按照一定的配合比进行充分混合后，可借助喷射混凝土等施工工艺，以一定掺量与水泥进行充分混合，达到速凝的效果。

本发明采用如下具体技术方案：

一种基于三水碳酸镁的无碱无氯混凝土速凝剂，以重量百分数为计量，三水碳酸镁作为主要成分占速凝剂总量的50％-80％，其他辅助材料总掺量占速凝剂总量的范围为20-50％。

进一步的，所述三水碳酸镁和其他辅助材料具体为：三水碳酸镁和其他辅助材料均为粉状材料。

进一步的，所述其他原料具体为：其他辅助材料之一为能降低拌和物溶液中的钙离子浓度的物质，例如粉煤灰、硅灰、磨细矿渣粉(包括粒化高炉矿渣、电炉粉等)、烧粘土、天然火山灰质材料(如凝灰岩粉、沸石岩粉等)及磨细自燃煤矸石等人造或天然的矿物材料以及工业废料；另外一种为作为晶种的碳酸盐物质，如碳酸钙等。

进一步地，所述辅助材料以磨细矿渣粉与碳酸钙为例，矿渣粉掺量占速凝剂总重15％—50％，碳酸钙掺量占速凝剂总重5％-30％。

一种如上所述基于三水碳酸镁的无碱无氯混凝土速凝剂的使用方法，本速凝剂的掺量为水泥的总重的3％-15％，在掺量范围内，掺量越高速凝效果越显著。

本发明相对于传统速凝剂的有益效果为：

无碱无氯。传统的含碱速凝剂主要成分为铝氧熟料，碱含量高会对施工工人身体带来一定的危害。高碱性速凝剂腐蚀性极强,对施工人员可造成很大的伤害,极易引起碱骨料反应的发生,导致混凝土耐久性下降。部分传统速凝剂含氯离子，会加速钢筋的锈蚀。本速凝剂为无碱无氯型，可避免增加碱总含量而引起碱集料反应和不会对钢筋产生锈蚀，而且不会对施工人员的身体产生危害，极大提高其施工的安全性。

低掺高效低成本。目前部分高效的速凝剂需要掺入量10％-20％，容易对后期的强度发展产生较大的制约。掺量越多，就会增加施工的难度，同时提高生产成本，降低经济要求。本速凝剂在保证相同的促凝效果的同时，需要的掺量更小，成本低，经济效益好，施工难度有所降低。

原料生产工艺多样且成熟。目前生产三水碳酸镁的工艺很多，主要分为直接分解法和沉淀法。如碳酸钠和氯化镁沉淀法、以菱镁矿为原料,十二烷基硫酸钠(SDS)为添加剂,采用水化碳酸化法和低温水溶液法、二氧化碳通入氧化镁溶液沉淀法、碳酸铵和氯化镁沉淀法等。而且大多数工艺的氯化镁原料来自盐湖中高浓度氯化镁卤水，便宜易得，绿色环保。

对后期强度有所提高。目前传统的速凝剂大部分存在降低混凝土后期强度的不利影响。本速凝剂采用掺量更低，还提高了28d抗压强度。

对不同水泥的适应性良好。本速凝剂组分少，不易与其他水泥的复合成分产生不相容。且通过辅助原料可进一步改善水泥的性能，提高混凝土的耐久性。

附图说明

图1为掺粉状速凝剂净浆凝结时间试验操作流程图，

图2掺粉状速凝剂的受检砂浆试验操作流程图。

具体实施方式

下文将结合具体附图附表详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

本发明的研究思路如下：

首先，按照GB/T 35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》，进行配合比设计，称取水泥(所用水泥为P.I型硅酸盐水泥)400g，自来水140ml，保持本发明的速凝剂组分比例不变，改变速凝剂的掺量，进行初终凝实验；保持本发明的速凝剂掺量不变，改变速凝剂的组分比例，进行初终凝实验；保持掺量不变，将本发明的速凝剂与市场上购置的两种速凝剂进行对比实验；以上为初终凝实验的实施方式，如图1。接着，根据速凝剂相关的国家规范，进行水泥砂浆抗压强度实验，测定1d和28d的抗压强度，如图2。

材料基本参数

三水碳酸镁:

分子式为MgCO₃·3H₂O,有时也叫三水菱镁矿，是重要的无机盐产品,可以作为耐高温材料、橡胶等制品的改性材料和填充材料,还可用于制备高纯碱式碳酸镁、氢氧化镁以及氧化镁等其他镁盐，本研究发现三水碳酸镁有促进水泥快速凝结的效果。

粒化高炉矿渣：

粒化高炉矿渣粉是指以粒化高炉矿渣为主要原料,可掺加少量石膏磨制成一定细度的粉体,称作粒化高炉矿渣粉,简称矿渣粉。矿渣粉属于活性掺和料,价格低,运输方便,取代水泥量大,在商品混凝土领域中,有着广泛的应用,选用细度适宜的矿渣粉取代水泥,能够降低混凝土水化过程中产生的热量,有益于混凝土力学性能、抗水渗透性的改善,增强混凝土的黏聚性、泵送性能等；在经济效益中,可以为工程降低成本,矿渣粉的使用也符合国家提倡的绿色环保要求。

在混凝土中掺入粒化高炉矿渣粉,可降低混凝土水化热、提升抗裂能力,大大提高混凝土耐久性,在施工质量和成本控制上一举两得。我国高炉矿渣接近中性,酸性、高碱性炉渣数量相对较少，本速凝剂采用中性高炉矿渣。粒化高炉矿渣粉优点明显,主要体现在:减少温度裂缝、抗侵蚀性强、降低碱骨料反应、抗氯离子侵蚀等方面。同时,粒化高炉矿渣粉的环保性较好,其生产过程中碳的排放量仅为硅酸盐水泥的5％～8％。另外,掺加粒化高炉矿渣粉的混凝土在坍落度、和易性、泌水率等方面比未掺加粒化高炉矿渣粉性能优良。粒化高炉矿渣粉颗粒级配优良、细度合理,是配制高性能混凝土的最佳凝胶材料。在实际工程中的应用取得良好效果,混凝土强度、耐久性满足规范及设计要求。

矿渣粉掺量过大往往会导致其他的问题产生,过长的凝结时间不仅会影响下一步施工,还会使混凝土产生沉降收缩等。所以选择适当的掺量,才能让混凝土保持在质量可控状态。

石灰石粉:

石灰石粉中主要成分为CaCO₃。CaCO₃明显加速了C₃A与石膏的反应，首先形成钙矾石，石膏提前耗尽。在钙矾石向低硫型硫铝酸钙转变的同时碳铝酸钙明显生成。细分散的CaCO₃，还加速了C₃A的水化并随移量增加而加快。水化产物生长在碳酸钙颗粒表面,对C₃S水化起晶核作用并改善了界面粘结。当C₃S中单掺有碳酸钙时,水化起始即迅速出现碳铝酸钙相,水化10分钟已大量生成,以后继续增多。当C₃A中同时掺有石膏和碳酸钙时,碳酸钙的作用首先是加速石膏与C₃A生成钙矾石及其向低硫型水化物转变。碳铝酸钙相在水化初期可能有微量生成,但主要是在石膏耗尽后方大量形成并与低硫型硫铝酸钙共存。

实施例1：本速凝剂组成比例的确定

参照GB/T 35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》，实验中，室温为20.3℃，水温调节为20±1℃，水泥和速凝剂组成成分温度为19±1℃。由于本速凝剂主要以MgCO₃·3H₂O为主要成分，故采用掺量5％的速凝剂，速凝剂中MgCO₃·3H₂O分别占80％、60％、40％；矿渣粉分别占15％、30％、45％；碳酸钙占5％、10％、15％。具体实验结果见附表1。

通过附表1的结果可见，保持速凝剂掺量为5％时，组分中MgCO₃·3H₂O含量越高，速凝效果越明显，所以该速凝剂应以MgCO₃·3H₂O为主要成分，其他辅助掺料可改善混凝土的性能。

实施例2：本速凝剂掺量的确定

参照GB/T 35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》，实验中，室温为20.3℃，水温调节为20±1℃，水泥和速凝剂组成成分温度为19±1℃。由于本速凝剂在实施例1中MgCO₃·3H₂O占80％时效果最佳，故采用组分为80％MgCO₃·3H₂O、15％矿渣粉、5％碳酸钙的速凝剂，速凝剂的掺量分别采用3％、5％和7％进行初终凝实验。具体实验方式如图1，具体实验结果见附表2。

通过附表2的结果可见，保持速凝剂组分为80％MgCO₃·3H₂O、15％矿渣粉、5％碳酸钙时，速凝剂的掺量越多，速凝效果越明显。

实施例3：本速凝剂水泥砂浆抗压强度的确定

参照国家速凝剂抗压强度测试相关规范，实验中，室温为20.3℃，水温调节为20±1℃，水泥、砂子和速凝剂组成成分温度为19±1℃。根据速凝剂的掺量实验，本实验采用速凝剂掺量为0％、3％、7％进行1d和28d的水泥砂浆抗压强度实验。具体实验方式如图2，具体实验结果见附表2。

通过附表2的结果可见，保持速凝剂组分为80％MgCO₃·3H₂O、15％矿渣粉、5％碳酸钙时，水泥砂浆1d出现早强现象，与空白组相对比，3％掺量的速凝剂实验组抗压强度提高26.5％，7％掺量的速凝剂实验组抗压强度提高75.5％。水泥砂浆28d抗压强度有所提高，与空白组相对比，3％掺量的速凝剂实验组抗压强度提高33.0％，7％掺量的速凝剂实验组抗压强度提高26.7％。

附表1

注明：(对照组)市场商用速凝剂1为张姐建材商城水泥速凝剂；市场商用速凝剂2为宏福建筑外加剂水泥速凝剂。

附表2

水泥净浆的凝结时间即可达到GB/T 35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》中一品的要求。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims

1.一种基于三水碳酸镁的无碱无氯混凝土速凝剂，其特征在于，以重量百分数为计量，三水碳酸镁占速凝剂总量的50%-80%，其他原料总掺量占速凝剂总量的范围为20%-50%；

所述其他原料具体为：能降低拌和物溶液中的钙离子浓度的物质和作为晶种的碳酸盐物质；能降低拌和物溶液中的钙离子浓度的物质包括粉煤灰、硅灰、磨细矿渣粉、烧粘土、天然火山灰质材料及磨细自燃煤矸石；作为晶种的碳酸盐物质为碳酸钙；其中磨细矿渣粉为粒化高炉矿渣、电炉粉；天然火山灰质材料为凝灰岩粉、沸石岩粉。

2.如权利要求1所述的基于三水碳酸镁的无碱无氯混凝土速凝剂，其特征在于，所述三水碳酸镁和其他原料具体为：三水碳酸镁和其他原料均为粉状材料。

3.如权利要求1所述的基于三水碳酸镁的无碱无氯混凝土速凝剂，其特征在于，所述其他原料是磨细矿渣粉与碳酸钙，矿渣粉掺量占速凝剂总重15%—50%，碳酸钙掺量占速凝剂总重5%-30%。

4.如权利要求1所述的基于三水碳酸镁的无碱无氯混凝土速凝剂的使用方法，其特征在于，本速凝剂的掺量为水泥的总重的3%-15%，掺量越高速凝效果越显著。