CN111606598A - 一种无碱速凝剂及其制备工艺 - Google Patents

一种无碱速凝剂及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

一种无碱速凝剂及其制备工艺，涉及混凝土外加剂领域。本发明在传统无碱速凝剂中引入螯合剂、稳定剂、增强剂，促进早期钙矾石的沉淀结晶，调控水泥石及水化产物的微结构，缩短水泥的初凝和终凝时间，促进混凝土的早后期强度发展。采用本发明制备的无碱速凝剂具有无腐蚀、无污染、掺量低、增强效果显著、性价比高的特点，而且具有良好的稳定性。

Description

一种无碱速凝剂及其制备工艺
技术领域
本发明涉及混凝土外加剂领域，涉及一种无碱速凝剂及其制备工艺。
背景技术
速凝剂是用于促进水泥混凝土凝结硬化、提高早期强度的功能型混凝土外加剂，适用于高速公路、高速铁路和隧道工程等领域。按碱含量划分，速凝剂有分为无碱速凝剂(Na2O eq≤1％)和有碱速凝剂(Na2O eq＞1％)。目前有碱速凝剂存在的问题为(1)危害身体健康；(2)稳定性差。因此，开发无碱速凝剂成为国内外加剂企业的重要研发方向。
速凝剂能够调控水泥混凝土的凝结硬化性能主要是机理主要表现在：(1)促进铝相和铁相的早期水化形成钙矾石，钙矾石的相互作用形成网络状的结构，从而缩短初凝和终凝时间；(2)促进硅酸盐(C3S和C2S)的水化形成C-S-H，从而提高力学性能。
通过调研无碱速凝剂的研究现状，可知：无碱速凝剂的组成通常包括：(1)铝质原料包括聚合硫酸铝、硫酸铝、硝酸铝、氢氧化铝、铝矾土、粉煤灰等；(2)胺类物质包括单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、三异丙醇胺、N-甲基二乙醇胺、脂肪酸甲醇酰胺等；(3)有机聚合物：包括磺酸盐聚合物、羧酸盐聚合物；(4)其它有机或无机组分：柠檬酸、磷酸、硅粉、甲酸钙、氟硅酸镁、氟化镁、纤维素(醚)、消泡剂等。通过上述原材料制备出的无碱速凝剂通常能够缩短初凝和终凝时间，但是掺量较高，通常为胶材质量的6％～8％且对早后期增强效果不明显。此外，液体的无碱速凝剂的通常不稳定，容易出现分层现象，降低其促凝增强效果。出现上述问题的主要原因在于：(1)掺量高：没有显著提高钙矾石的生产速率；(2)增强效果不显著：膨胀性钙矾石的大量形成导致结构不够致密，且水化产物之间缺乏共价键作用；(3)稳定性差：缺少体系的稳定剂。
因此，本专利通过对原材料及制备工艺上的调整，组分包括原料A1和A2、螯合剂、pH调节剂、稳定剂和增强剂；其中螯合剂与Al之间通过化学键作用增加Al的溶解性；稳定剂和pH调节剂主要用于改善无碱速凝剂的稳定性，增强剂调节水泥石的微结构以促进其增强作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无碱速凝剂及其制备工艺，以解决无碱速凝剂掺量高、增强效果差及不稳定的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种无碱速凝剂及其制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将原料A1和A2加入到反应釜中，用去离子水进行溶解制备成A溶液，控制温度为40～80℃，A1和A2的总质量为每30～40份对应去离子水100份；
(2)在步骤1)得到的A溶液中加入螯合剂B，其中B与A1和A2总质量比例为1:3～1:6；然后加入pH调节剂C调节溶液pH值至3～5，控制温度40～80℃，反应时间1～3h，得到ABC溶液；
(3)在步骤2)得到的ABC溶液中加入稳定剂D和增强剂E1和E2，D的质量为ABC溶液质量的1％～5％；E1和E2的总质量为ABC溶液质量的1％～5％；控制温度40～80℃，反应时间1～3h，得到一种无碱速凝剂。
上述的一种无碱速凝剂及其制备工艺，所述的步骤1)中，原料A1为三氟甲磺酸铝、醋酸铝中的一种；
上述的一种无碱速凝剂及其制备工艺，所述的步骤1)中，原料A2为硫酸镁、硫酸铁、硫酸锌中的一种或两种；
上述的一种无碱速凝剂及其制备工艺，所述的步骤2)中，螯合剂B为一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、柠檬酸、酒石酸中的一种；
上述的一种无碱速凝剂及其制备工艺，所述的步骤2)中，pH调节剂C为、冰醋酸、乙二酸、丙三酸中的一种；
上述的一种无碱速凝剂及其制备工艺，所述的步骤3)中，稳定剂D为丙三醇、季戊四醇、甘露醇中的一种；；
上述的一种无碱速凝剂及其制备工艺，所述的步骤3)中，增强剂E1为三异丙醇胺、二乙醇单异丙醇胺、乙二胺四乙醇中的一种；
上述的一种无碱速凝剂及其制备工艺，所述的步骤3)中，增强剂E2为四乙氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种。
优选A1与A2的质量比为(1-5):1，E1与E2的质量比为1：(0.8-2)。
与现有技术相比，本发明主要具有以下优点：
1、本发明中一种无碱速凝剂不仅能够促进水泥中铁相和铝相的反应，形成钙矾石类水化产物，缩短水泥混凝土的初凝和终凝时间；而且能够增加水化产物之间的粘结力，增加水泥石的力学性能；
2、本发明中一种无碱速凝剂中使用的羟基或氨基有机物能够改变水泥水化产物的结构和形貌，从而改善水泥混凝土的微结构、优化孔径分布，提高1d、28d和90d强度；
3、本发明得到的无碱速凝剂具有掺量低、促凝增强效果显著、稳定性好的特点。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达预定目的所采用的技术手段及功效，下面结合实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明并不仅限于此。
实施例1
将20份三氟甲磺酸铝、10份硫酸镁和100份去离子水置于反应釜中搅拌，控制溶液温度40℃，得到A溶液；然后加入螯合剂5份一乙醇胺，通过10份冰醋酸调节pH值至3～5，在40℃下反应1h，得到ABC溶液；最后将2.25份丙三醇、1.5份二乙醇单异丙醇胺和3份四乙氧基硅烷加到反应釜中，在40℃下反应2h，得到目标无碱速凝剂L1。
实施例2
将25份醋酸铝、15份硫酸铁和100份去离子水置于反应釜中搅拌，控制溶液温度50℃，得到A溶液；然后加入螯合剂10份二乙醇胺，通过5份乙二酸调节pH值至3～5，在50℃下反应2h，得到ABC溶液；最后将4.4份季戊四醇、1.5份三异丙醇胺和1.25份3-氨丙基三乙氧基硅烷加到反应釜中，在50℃下反应2h，得到目标无碱速凝剂L2。
实施例3
将30份三氟甲磺酸铝、10份硫酸镁和100份去离子水置于反应釜中搅拌，控制溶液温度55℃，得到A溶液；然后加入螯合剂12份三乙醇胺，通过8份丙三酸调节pH值至3～5，在55℃下反应3h，得到ABC溶液；最后将4份丙三醇、1份乙二胺四乙醇和1份N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷加到反应釜中，在55℃下反应1h，得到目标无碱速凝剂L3。
实施例4
将25份醋酸铝、15份硫酸镁和10份硫酸锌和100份去离子水置于反应釜中搅拌，控制溶液温度60℃，得到A溶液；然后加入螯合剂10份柠檬酸，通过4份丙三酸调节pH值至3～5，在45℃下反应1h，得到ABC溶液；最后将6份甘露醇、3份三异丙醇胺和3份四乙氧基硅烷加到反应釜中，在60℃下反应3h，得到目标无碱速凝剂L4。
实施例5
将20份醋酸铝、15份硫酸镁、10份硫酸铁和100份去离子水置于反应釜中搅拌，控制溶液温度55℃，得到A溶液；然后加入螯合剂10份酒石酸，通过6份冰醋酸调节pH值至3～5，在55℃下反应1.5h，得到ABC溶液；最后将5份甘露醇、2份二乙醇单异丙醇胺和2份3-氨丙基三乙氧基硅烷加到反应釜中，在55℃下反应2.5h，得到目标无碱速凝剂L5。
实施例6
将25份三氟甲磺酸铝、5份硫酸镁、5份硫酸锌和100份去离子水置于反应釜中搅拌，控制溶液温度50℃，得到A溶液；然后加入螯合剂10份二乙醇胺，通过5份乙二酸调节pH值至3～5，在50℃下反应2.5h，得到ABC溶液；最后将3份季戊四醇、1.5份三异丙醇胺和1.5份N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷加到反应釜中，在50℃下反应1.5h，得到目标无碱速凝剂L6。
参照国家标准GB/T 35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》中凝结时间和强度及稳定性的测试要求，采用基准水泥对无碱速凝剂L1-L6进行测试，结果如表1、表2和表3所示。
凝结时间结果表明：无碱速凝剂L1～L6在掺量为水泥质量的5％时，净浆的初凝和终凝时间符合国家标准GB/T 35159-2017的要求，其中L4对凝结时间的影响最显著。强度结果表明：掺入无碱速凝剂(L1～L6)后，砂浆的1d强度均大于7MPa，且28d和90d强度比均在100％以上，说明无碱速凝剂L1～L6符合国家标准GB/T 35159-2017的要求，并且能够提高砂浆的后期强度，其中L4的增强效果最显著。此外，无碱速凝剂L1～L6在静置28d和90d后，没有出现沉淀现象，说明其具有良好的稳定性。
表1无碱速凝剂对凝结时间的影响
无碱速凝剂编号 掺量，％ 初凝时间，min:s 终凝时间，min:s
L1 5 4：10 9：30
L2 5 3：20 8：50
L3 5 2：50 7：40
L4 5 2：10 6：40
L5 5 2：50 8：20
L6 5 2：40 7：20
表2无碱速凝剂对胶砂强度的影响
Figure BDA0002493916020000051
表3无碱速凝剂的稳定性
Figure BDA0002493916020000052
Figure BDA0002493916020000061

Claims (8)

1.一种无碱速凝剂的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将原料A1和A2加入到反应釜中，用去离子水进行溶解制备成A溶液，控制温度为40～80℃，A1和A2的总质量为每30～40份对应去离子水100份；
(2)在步骤1)得到的A溶液中加入螯合剂B，其中B与A1和A2总质量比例为1:3～1:6；然后加入pH调节剂C调节溶液pH值至3～5，控制温度40～80℃，反应时间1～3h，得到ABC溶液；
(3)在步骤2)得到的ABC溶液中加入稳定剂D和增强剂E1和E2，D的质量为ABC溶液质量的1％～5％；E1和E2的质量为ABC溶液质量的1％～5％；控制温度40～80℃，反应时间1～3h，得到一种无碱速凝剂。
2.根据权利要求1所述的一种无碱速凝剂的制备工艺，其特征在于，步骤(1)中，原料A1为三氟甲磺酸铝、醋酸铝中的一种；原料A2为硫酸镁、硫酸铁、硫酸锌中的一种或两种。
3.根据权利要求1所述的一种无碱速凝剂的制备工艺，其特征在于，步骤(2)中，螯合剂B为一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、柠檬酸、酒石酸、乙二酸中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的一种无碱速凝剂的制备工艺，其特征在于，步骤(2)中，pH调节剂C为冰醋酸、乙二酸、丙三酸中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种无碱速凝剂的制备工艺，其特征在于，步骤(3)中，稳定剂D为丙三醇、季戊四醇、甘露醇中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种无碱速凝剂的制备工艺，其特征在于，步骤(3)中，增强剂E1为三异丙醇胺、二乙醇单异丙醇胺、乙二胺四乙醇中的一种；增强剂E2为四乙氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种无碱速凝剂的制备工艺，其特征在于，A1与A2的质量比为(1-5):1，E1与E2的质量比为1：(0.8-2)。
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备工艺制备得到的一种无碱速凝剂。
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