CN112110672B - 超早强掺合料及其制备方法和低温型钢筋连接用套筒灌浆材料 - Google Patents

超早强掺合料及其制备方法和低温型钢筋连接用套筒灌浆材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种超早强掺合料，其原料包括非晶质铝酸钙、石膏、激发剂、分散剂和改性剂；改性剂是在5‑35℃下为固体的水溶性醇类，本发明还提供了掺入该超早强掺合料的低温型钢筋连接用套筒灌浆料，具有良好的流动性和施工性，可大大降低溶液及水泥硬化浆体溶液冰点，为低/负温条件下的浆体持续水化反应提供条件，早期强度发展快，后期强度高，能满足低/负温条件下的施工及应用要求。

Description

超早强掺合料及其制备方法和低温型钢筋连接用套筒灌浆 材料
技术领域
本发明属于钢筋套筒灌浆料领域，特别是低温型钢筋连接用套筒灌浆料。
背景技术
随着装配式建筑的推广与普及，钢筋套筒连接技术的应用越来越广泛，套筒灌浆料作为带肋钢筋和套筒之间的连接材料，其重要性逐渐突显。传统的套筒灌浆料无法满足低温条件下的施工需求，温度在-5-5℃时，普通灌浆料凝结时间明显延长，甚至发生冻害，无法施工。为满足低温条件施工需求，许多科研单位和企业开展了低温套筒灌浆料的研究。
现有技术中，中国专利申请CN107572978A提供了一种在低负温条件下(-10～5℃)的钢筋套筒灌浆料，原料中的促凝剂选用碳酸锂、硫酸锂、氟化锂；早强剂选用亚硝酸钠、硫酸铝、甲酸钙。现有的技术文献《晶质铝酸钙在砂浆中的应用研究》(蔡剑育，新型建筑材料，2015.4，42、43、72)中公开了非晶质铝酸钙BF在砂浆中可替代水泥OPC，并且评价了不同取代量对砂浆凝结时间的影响，即“BF部分取代OPC可以加快砂浆的凝结，且凝结时间随着取代量的增加而缩短，且BF可作为水泥砂浆的促凝剂使用，但不宜单独使用，还公开了非晶质铝酸钙可作为水泥砂浆的早强剂、增强剂和膨胀剂使用，在15-30％内随着取代量增加，砂浆各龄期抗折、抗压强度明显提升，砂浆各龄期收缩率明显降低。
然而，上述这几种技术制备的套筒灌浆料，在-5-5℃的较低温度施工环境时的膨胀率控制不理想，流动性、力学性能和施工性还存在一定的上升空间。
发明内容
为解决低/负温(-5℃-10℃)条件下的施工需求，解决钢筋连接用套筒灌浆料凝结硬化慢、易发生冻害的问题，本发明提供了一种超早强掺合料，并且以超早强掺合料为其中一种原料，制备获得了一种生产工艺简单、易于产业化推广的一种低/负温钢筋连接用套筒灌浆料，具体通过以下技术实现。
一种超早强掺合料，包括非晶质铝酸钙80-90wt％、石膏5-15wt％、激发剂3-8wt％、分散剂0.2-0.5wt％、改性剂0.5-1.5％；所述改性剂为在5-35℃下为固体的水溶性醇类。
优选地，包括非晶质铝酸钙85wt％、石膏8.5wt％、激发剂5wt％、分散剂0.4wt％、改性剂1.1％。
更优选地，所述改性剂为多元醇、聚乙二醇、聚乙烯醇以及C数量为5-18且羟基数量不低于2的多元醇中至少一种。
进一步优选地，所述C数量为5-18且羟基数量不低于2的多元醇具体为山梨糖醇、阿拉伯糖醇、1,2-辛二醇、三羟甲基丙烷中至少一种。上述超早强掺合料中，非晶质铝酸钙的主要成分为七铝十二钙12CaO·7Al2O3，除此之外还含有其他杂质。非晶质铝酸钙具有很极高的反应活性，可促进水泥快速凝结硬化，在低/负温环境下快速提高灌浆料的早期强度；激发剂可进一步促进非晶质铝酸钙和水泥等胶凝材料在低/负温条件下的水化反应；二水石膏可适当控制非晶质铝酸钙的反应速率，使灌浆料具有较高的初始流动度和较小的流动度经时损失，确保能正常灌浆施工。上述超早强掺合料具有更大的比表面积和更高的低/负温反应活性，能更好地促进浆体水化；硅烷或铝酸酯类偶联剂作为分散剂可使非晶质铝酸钙和石膏在粉磨过程中更均匀的混合，防止超细粉体间的团聚，使浆体早期水化反应更为平稳可控，与此同时对超细粉体的表面进行有机修饰，提高改性剂与超细粉体的相容性；改性剂经粉体表面改性机附着在超细粉体表面，形成一层水溶性有机缓释膜，可控制超早强掺合料的反应速率，确保灌浆料在灌浆过程中具有良好的流动性和施工性，此外，醇类物质本身具备优良的防冻功效，其溶于水中，可大幅的降低水溶液冰点，为低温下浆体持续水化提供条件。
更优选地，所述非晶质铝酸钙相对密度2.85-3.1，比表面积4000-5500cm2/g，非结晶率90％以上；所述石膏为天然石膏、氟石膏、磷石膏中至少一种；所述激发剂由甲酸钙和无机锂盐按重量比1:0.01-0.05复配而成；所述分散剂为硅烷偶联剂和/或铝酸酯偶联剂。
本发明还提供了上述超早强掺合料的制备方法，包括以下步骤：
S1、取非晶质铝酸钙、石膏、激发剂、分散剂搅拌均匀，粉磨20-60min，直至获得粒径小于1μm的超细粉体；
S2、将步骤S1制得的超细粉体在50-65℃下加热干燥20-40min，然后再在65-105℃下加热干燥10-20min；
S3、将步骤S2中加热干燥所得超细粉体、改性剂于65-105℃下边搅拌边改性反应，搅拌转速为2000-4500r/min。
优选地，上述超早强掺合料的制备方法中，步骤S2为：将步骤S1制得的超细粉体在60℃下加热干燥30min，然后再在80℃下加热干燥15min。
本发明还提供了利用上述超早强掺合料为原料之一制备的低温型钢筋连接用套筒灌浆料，按重量百分比包括上述超早强掺合料5-10wt％，还包括水泥40-50wt％、细骨料38-54wt％、外加剂1.5-3.5％。
优选地，按重量百分比包括超早强掺合料7wt％，还包括水泥45wt％、细骨料46wt％、外加剂2％。
更优选地，所述外加剂为减水剂、增稠剂、消泡剂、早期膨胀剂和中后期膨胀剂，且质量比为0.28-0.4:0.01-0.02:0.04-0.06:0.02-0.04:1-3。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明提供的灌浆料，通过加入超早强掺合料能够使灌浆料具有良好的流动性和施工性，可大大降低溶液及水泥硬化浆体溶液冰点，为低/负温条件下的浆体持续水化反应提供条件，灌浆料低/负温水化活性更高，水化反应更为平稳可控；整个超早强掺合料和钢筋套筒灌浆料的制备工艺简单，早期强度发展快，后期强度高，能满足低/负温条件下的施工及应用要求。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例和对比例中，除非作特殊说明，否则都按照以下原料和制备方法制备超早强掺合料和低温型钢筋连接用套筒灌浆料。
超早强掺合料的制备方法为：
S1、取非晶质铝酸钙、石膏、激发剂、分散剂搅拌均匀，粉磨30min，直至获得粒径小于1μm的超细粉体；
S2、将步骤S1制得的超细粉体在60℃下加热干燥30min，然后再在80℃下加热干燥15min；
S3、将步骤S2中加热干燥所得超细粉体、改性剂于80℃下边搅拌边改性反应，搅拌转速为2000-4500r/min。
超早强掺合料的原料中，所用的非晶质铝酸钙的相对密度为2.85-3.1左右，比表面积4000-4400cm2/g，非结晶率90％以上；石膏采用天然石膏，分散剂为硅烷偶联剂KH550；改性剂为聚乙二醇4000或阿拉伯糖醇；激发剂由甲酸钙和/或碳酸锂组成，不同的实施例和对比例采用的具体比例不同。
低温型钢筋连接用套筒灌浆料的制备方法是：先将各种外加剂搅拌混匀，然后将水泥、细骨料、超早强掺合料加入其中，搅拌均匀制成灌浆料。
低温型钢筋连接用套筒灌浆料中所用的水泥，是由52.5级普通硅酸盐水泥280kg和42.5级快硬硫铝酸盐水泥150kg复配而成。细骨料采用20-40目石英砂230.7kg和40-80目石英砂188.7kg复配而成；外加剂是由3.2kg聚羧酸减水剂(由苏州弗克新型建材有限公司提供，型号为FOX Cerago-900)、0.1kg增稠剂、0.5kg消泡剂(由龙湖科技提供，型号为明凌P803)、0.3kg塑性膨胀剂以及20kg硫铝酸钙膨胀剂复合而成。
实施例1
本实施例提供的超早强掺合料，所用的非晶质铝酸钙85wt％、石膏8.5wt％、激发剂5wt％、分散剂0.4wt％、改性剂1.1％；所述改性剂为聚乙二醇4000。激发剂由甲酸钙和碳酸锂按重量比1:0.03复配而成。
将超早强掺合料应用于钢筋套筒灌浆料中，且原料为水泥45wt％、超早强掺合料7wt％、细骨料46wt％、外加剂2％。
实施例2
本实施例提供的超早强掺合料，与实施例1的唯一区别是所述改性剂为阿拉伯糖醇。
将本实施例的超早强掺合料应用于钢筋套筒灌浆料中，且灌浆料的原料与实施例1相同。
实施例3
本实施例提供的超早强掺合料，所用的非晶质铝酸钙80wt％、石膏15wt％、激发剂3wt％、分散剂0.5wt％、改性剂1.5％；所述改性剂为聚乙二醇4000。将超早强掺合料应用于钢筋套筒灌浆料中，且钢筋套筒灌浆料的原料配比与实施例1相同。
实施例4
本实施例提供的超早强掺合料，所用的非晶质铝酸钙90wt％、石膏5wt％、激发剂4.3wt％、分散剂0.2wt％、改性剂0.5％；所述改性剂为聚乙二醇4000。将超早强掺合料应用于钢筋套筒灌浆料中，且钢筋套筒灌浆料的原料配比与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供的超早强掺合料，原料配方与实施例1相同，不同之处在于所用的激发剂由甲酸钙和碳酸锂按重量比1:0.01复配而成。将超早强掺合料应用于钢筋套筒灌浆料中，且钢筋套筒灌浆料的原料配比与实施例1相同。
实施例6
本实施例提供的超早强掺合料，原料配方与实施例1相同，不同之处在于所用的激发剂由甲酸钙和碳酸锂盐按重量比1:0.05复配而成。将超早强掺合料应用于钢筋套筒灌浆料中，且钢筋套筒灌浆料的原料配比与实施例1相同。
实施例7
本实施例是将实施例1制备的超早强掺合料用于本实施例的钢筋套筒灌浆料中，钢筋套筒灌浆料的原料为水泥40wt％、超早强掺合料5wt％、细骨料54wt％、外加剂1％。
实施例8
本实施例是将实施例1制备的超早强掺合料用于本实施例的钢筋套筒灌浆料中，钢筋套筒灌浆料的原料为水泥50wt％、超早强掺合料10wt％、细骨料38wt％、外加剂2％。
对比例1
本对比例制备的超早强掺合料与实施例1的区别在于，其原料为非晶质铝酸钙86wt％、石膏8.5wt％、激发剂5wt％、分散剂0.5wt％，即未加入改性剂。
超早强掺合料的制备方法为：
S1、取非晶质铝酸钙、石膏、激发剂、分散剂搅拌均匀，粉磨30min，直至获得粒径小于1μm的超细粉体；
S2、将步骤S1制得的超细粉体在60℃下加热干燥30min，然后再在80℃下干燥15min后冷却而成。
采用本对比例制备的超早强掺合料制备的钢筋套筒灌浆料，原料配方与实施例1相同。
对比例2
本对比例制备的超早强掺合料与实施例1的唯一区别在于，其原料为非晶质铝酸钙87wt％、石膏9.5wt％、分散剂1.5wt％、改性剂2％，即未加入激发剂。
采用本对比例制备的超早强掺合料制备的钢筋套筒灌浆料，原料配方与实施例1相同。
对比例3
本对比例制备的超早强掺合料与实施例1的唯一区别在于，其原料为非晶质铝酸钙85wt％、石膏8.5wt％、激发剂5wt％、分散剂0.4wt％、改性剂1.1％，其中激发剂完全由甲酸钙组成。
采用本对比例制备的超早强掺合料制备的钢筋套筒灌浆料，原料配方与实施例1相同。
对比例4
本对比例制备的超早强掺合料的配方与实施例1相同，不同之处在于其制备方法为：
S1、取非晶质铝酸钙、石膏、激发剂、分散剂搅拌均匀后在60℃下加热干燥30min，然后在80℃下加热干燥15min；
S2、将步骤S1中加热干燥所得混合料、改性剂于80℃下边搅拌边改性反应，搅拌转速为2000-4500r/min，
对比例5
本对比例在钢筋套筒灌浆料中未加入超早强掺合料，即钢筋套筒灌浆料的原料配方为水泥52wt％、细骨料46wt％、外加剂2％。
应用例：实施例1-8和对比例1-5制备的钢筋连接用套筒灌浆料的性能测试
将采用实施例1～8、对比例1～5的原料和方法制备的钢筋套筒灌浆料与搅拌器具、成型试模等置于-5±2℃环境下恒温24h，按水料比0.12加入0℃拌合水，使用搅拌机在-5±2℃环境下搅拌制得钢筋连接用套筒灌浆工作料。此外，在-5±2℃环境下使用HRB400E带肋螺纹钢筋成型钢筋套筒灌浆连接接头，养护至28d后测试接头的抗拉性能。
实施例1～8、对比例1～5在-5±2℃条件下的流动度、竖向膨胀率、抗压强度及钢筋套筒灌浆连接接头的抗拉强度数值如表1，其中流动度、竖向膨胀率及抗压强度测试方法参照JG/T 408-2019《钢筋连接用套筒灌浆料》，钢筋套筒灌浆连接接头的抗拉强度测试方法参照JGJ 355-2015《钢筋套筒灌浆连接应用技术》。
表1钢筋套筒灌浆料性能测试结果
Figure BDA0002683030830000061
Figure BDA0002683030830000071
注：上表中-1d表示在-5±1℃下养护1d，-3d表示在-5±1℃下养护3d，-7+21d表示在-5±1℃下养护7d，然后再在标准条件下养护21d。
由上表可知，实施例1、2的改性剂采用聚乙二醇4000或阿拉伯糖醇，从套筒灌浆料的测试数据来看相差不大，均能使套筒灌浆料满足低/负温时的高流动性和早强，以及高强的施工应用要求。从实施例1、3、4可知，改变超早强掺合料中各原料的配比会影响超早强掺合料的性能，只有使用实施例1的超早强掺合料加入到套筒灌浆料中，才能同时获得良好的流动度和力学强度等性能。从实施例1、5、6可知，改变超早强掺合料中激发剂的甲酸钙和碳酸锂的比例也会对套筒灌浆料的力学强度有影响。从实施例1、7、8可知，改变钢筋套筒灌浆料的原料配比，会对其性能有所影响。
从对比例1可知，当超早强掺合料中未加入改性剂进行改性时，虽然强度有所提升，但是半小时流动度损失非常大。从对比例2可知，当超早强掺合料中不含激发剂时，与实施例1相比各龄期强度下降明显。从对比例3可知，当激发剂中不含碳酸锂时，套筒灌浆料的力学强度有明显下降。从对比例4可知，当超早强掺合料不经超细粉磨而直接表面覆膜改性时，与实施例1相比各龄期强度下降明显。从对比文件5可知，当套筒灌浆料中不掺入超早强掺和料时，低温强度极低，不满足施工要求。

Claims (10)

1.超早强掺合料，其特征在于，包括非晶质铝酸钙80-90wt％、石膏5-15wt％、激发剂3-8wt％、分散剂0.2-0.5wt％、改性剂0.5-1.5％；所述改性剂为在5-35℃下为固体的水溶性醇类，所述激发剂由甲酸钙和无机锂盐按重量比1:0.01-0.05复配而成。
2.根据权利要求1所述的超早强掺合料，其特征在于，包括非晶质铝酸钙85wt％、石膏8.5wt％、激发剂5wt％、分散剂0.4wt％、改性剂1.1％。
3.根据权利要求1或2所述的超早强掺合料，其特征在于，所述改性剂为聚乙二醇、聚乙烯醇以及C数量为5-18且羟基数量不低于2的多元醇中至少一种。
4.根据权利要求3所述的超早强掺合料，其特征在于，所述C数量为5-18且羟基数量不低于2的多元醇为山梨糖醇、阿拉伯糖醇、1,2-辛二醇、三羟甲基丙烷中至少一种。
5.根据权利要求1或2所述的超早强掺合料，其特征在于，所述非晶质铝酸钙相对密度2.85-3.1，比表面积4000-5500cm2/g，非结晶率90％以上；所述石膏为天然石膏、氟石膏、磷石膏中至少一种；所述分散剂为硅烷偶联剂和/或铝酸酯偶联剂。
6.一种权利要求1或2所述的超早强掺合料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、取非晶质铝酸钙、石膏、激发剂、分散剂搅拌均匀，粉磨20-60min，直至获得粒径小于1μm的超细粉体；
S2、将步骤S1制得的超细粉体在50-65℃下加热干燥20-40min，然后再在65-105℃下加热干燥10-20min；
S3、将步骤S2中加热干燥所得超细粉体、改性剂于65-105℃下边搅拌边改性反应，搅拌转速为2000-4500r/min。
7.根据权利要求6所述的超早强掺合料的制备方法，其特征在于，步骤S2为：将步骤S1制得的超细粉体在60℃下加热干燥30min，然后再在80℃下加热干燥15min。
8.一种低温型钢筋连接用套筒灌浆料，其特征在于，按重量百分比包括权利要求1所述的超早强掺合料5-10wt％，还包括水泥40-50wt％、细骨料38-54wt％、外加剂1.5-3.5％。
9.根据权利要求8所述的低温型钢筋连接用套筒灌浆料，其特征在于，按重量百分比包括超早强掺合料7wt％，还包括水泥45wt％、细骨料46wt％、外加剂2％。
10.根据权利要求8或9所述的低温型钢筋连接用套筒灌浆料，其特征在于，所述外加剂为减水剂、增稠剂、消泡剂、早期膨胀剂和中后期膨胀剂，且质量比为0.28-0.4:0.01-0.02:0.04-0.06:0.02-0.04:1-3。
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