CN113336521A - 一种生态型磷酸钾镁水泥基修补材料 - Google Patents

Abstract

一种生态型磷酸钾镁水泥基修补材料，由磷酸钾镁水泥基粉料和水混合得到，所述磷酸钾镁水泥基粉料和水的质量比为1：0.22，按重量份计，所述磷酸钾镁水泥基粉料包括：磷酸钾镁水泥335‑374份；矿物掺合料26‑65份；复合缓凝剂16份。本发明提供了一种生态型磷酸钾镁水泥基修补材料，具有凝结时间可控、颜色可调、早期强度高和生态环保等特点。

Description

一种生态型磷酸钾镁水泥基修补材料

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种生态型磷酸钾镁水泥基修补材料。

背景技术

混凝土是现代工程建造中最常用的材料之一，由于各种不利环境条件，其在使用过程中会受到不同程度的损坏，而裂缝是混凝土结构承载能力、耐久性和防水性等性能降低的主要原因之一。采用修补材料对受损结构进行修补加固，是提高受损混凝土结构耐久性的有效技术手段，若是用普通混凝土完成修补工作，不得不长时间封锁建筑和交通，严重影响了人们生活和出行，同时考虑到人员进场、施工准备、清场撤离等因素，力求修补材料具有快硬、早强的性能要求。

目前，用于混凝土快速修补加固的材料主要分为三类：有机材料、无机材料以及有机无机结合材料。有机材料和有机无机结合材料的优点为粘结强度高、抗腐蚀性和抗渗性好，数小时内强度发展快，但其耐疲劳性差，耐冲击性差，易老化，价格较高，不利于大范围的修复工程作业，甚至部分有机材料具有较强的毒性，对环境和人体均有害，无法广泛推广应用。无机材料具有成本低、易于施工操作、与旧结构相容性好等优点，但存在早期强度低、与旧混凝土结构粘结强度低、后期维护费用成本高等缺点。与上述材料相比，磷酸钾镁水泥(Potassium magnesium phosphate cement，MKPC)具有以下优点：(1)快硬、早强：初凝时间在十分钟以内、6小时的抗压强度可达20MPa以上；(2)与旧混凝土结构的粘结性能良好：1天的拉伸粘结强度可达1MPa以上；(3)耐低温，负温可硬化：可在严寒条件下施工；(4)防辐射且无毒无害、可用于核工程建筑；(5)无收缩且具有微膨胀性等等。但是，常规MKPC的初凝时间短且流动性较差，不利于施工，且存在与被修补普通混凝土色差较大等技术问题，故可掺加矿物掺合料对其进行改性。

微硅灰的比表面积为20000-28000m²/kg，其中，细度小于0.3μm的颗粒占90％以上，其细度和比表面积约为水泥的80～100倍，粉煤灰的50～70倍。微硅灰在形成过程中，因相变的过程中受表面张力的作用，形成了非结晶相无定形圆球状颗粒，且表面较为光滑，有些则是多个圆球颗粒粘在一起的团聚体，微小的球状体可以起到润滑的作用。它是一种比表面积很大，活性很高的火山灰物质，可极大地促进MKPC的水化反应，使其水化产物具有更加密实的结构，并能增加其工作性，提高其强度。

随着我国社会经济的不断发展和城市化进程的加快，自来水厂及其污水和污泥的产量急剧增加。自来水厂污泥含有大量的水分、致病菌、重金属、盐类及难分解的有机物等，它味道难闻，体积大而易腐化发臭。如果不经处理处置随意堆放，污泥中的污染物会转移到环境中，污染空气、地下水和土壤，对自然环境造成严重的威胁和影响。如果能把自来水厂污泥应用于混凝土工业中，特别是磷酸钾镁水泥基修补材料中，既有利于污泥的无害化处理，也能减少水泥资源的消耗，且经过活化的自来水厂污泥粉具备一定的化学活性，可促进MKPC水化反应的持续进行，使其内部结构更加致密和完整。

纳米级白刚玉微粉的粒径为0.2-1μm，其主要化学成分A1₂O₃含量≥99％，化学性质稳定，属于惰性材料，不与酸碱发生反应；颗粒致密，粒度分布均匀，单粒颗型一致，将纳米级白刚玉微粉加入MKPC中可充当“滚珠”的作用，降低MKPC的滑动阻力，有效提高其流动性，也可填补MKPC水化产物之间的空隙，提高其密实度。

钛白粉是一种白色颜料，广泛应用于涂料、塑料、造纸、印刷油墨、化纤、橡胶、化妆品等工业，其粒径为0.2μm-0.3μm，主要化学成分TiO₂含量≥97％，属于惰性材料，将其加入MKPC中可有效解决MKPC与被修补普通混凝土色差较大的问题。

发明内容

为了克服已有技术的不足，为了解决现有MKPC初凝时间短、流动性差，且与被修补普通混凝土色差较大等技术问题，本发明提供了一种生态型磷酸钾镁水泥基修补材料，具有凝结时间可控、颜色可调、早期强度高和生态环保等特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种生态型磷酸钾镁水泥基修补材料，由磷酸钾镁水泥基粉料和水混合得到，所述磷酸钾镁水泥基粉料和水的质量比为1：0.22，按重量份计，所述磷酸钾镁水泥基粉料包括：

磷酸钾镁水泥 335-374份；

矿物掺合料 26-65份；

复合缓凝剂 16份。

进一步，所述磷酸钾镁水泥按重量份包括如下组份：

过烧氧化镁粉 221-260份；

磷酸二氢钾 133份。

优选的，所述过烧氧化镁粉的煅烧温度为1700℃，镁粉中含有MgO的质量分数≥95.0％，含有CaO的质量分数<1.0％，所述过烧氧化镁粉的松散堆积密度≤0.18g/cm³，比表面积≥246m²/kg。

再优选的，所述磷酸二氢钾为食品级磷酸二氢钾，柱状晶体，主粒度为250-345μm，其主要化学成分KH₂PO₄含量≥99％，质量浓度1％磷酸二氢钾溶液的pH值为4.3-4.7。

更进一步，所述矿物掺合料为微硅灰、自来水厂污泥粉、纳米级白刚玉微粉和钛白粉按重量比(1-2)：(1-2)：(1-2)：1组成的混合物。

所述微硅灰为灰色粉末，具有极强的表面活性，7d活性指数≥105％，其颗粒尺寸为100-300nm，比表面积为20000-28000m²/kg，其主要化学成分SiO₂≥95％。

所述自来水厂污泥粉的比表面积≥635m²/kg，28d活性指数≥90％，过300目筛的筛余量≤5％，其主要化学成分中SiO₂+A1₂O₃总量超过80％。

所述纳米级白刚玉微粉的粒径为0.2-1μm，显微硬度≥3500kg/mm³，比表面积≥18000m²/kg，其主要化学成分A1₂O₃含量≥99％。

所述钛白粉的粒径为0.2μm-0.3μm，密度为4.0g/cm³，290℃时的挥发份为0.6％，其主要化学成分TiO₂含量≥97％。

再进一步，所述的复合缓凝剂包含工业级十二水合磷酸氢二钠、工业级硼砂和工业级氯化钙，三个组份的质量之比为14：5：7；

所述工业级十二水合磷酸氢二钠为50-80目，纯度≥99％，所述工业级硼砂为50-80目，纯度≥95％，所述工业级氯化钙为50-80目，纯度≥75％。

本发明中，微硅灰、自来水厂污泥粉、纳米级白刚玉微粉和钛白粉相容性较好，对于提高MKPC的工作性和强度，作用功能各不相同，可实现超叠加效应：

微硅灰具有极强的表面活性，主要参与MKPC早期的水化反应，使得MKPC的水化产物具有更加密实的结构。另外，微硅灰通过稀释效应降低了加速期的放热速率，有效地缓解了MKPC中因氧化镁水化而导致的浆体温度急剧上升，改善其内部结构。

为进一步激发并提高自来水厂污泥粉的活性，对自来水厂污泥粉进行微波蒸压养护，干燥处理，并经过分级煅烧以及机械粉磨，使自来水厂污泥粉具有一定的化学活性，可促进MKPC的水化反应，使得MKPC的水化产物具有更加密实的结构，使其内部结构更加致密和完整。

纳米级白刚玉微粉的化学稳定性好，材料颗粒级配趋于合理，表面光滑、致密，其粒径仅为0.2-1μm，白刚玉微粉在MKPC中可充当“滚珠”的作用，降低MKPC的滑动阻力，提高其流动性。可充分填补MKPC水化产物之间的空隙，更好地与水化产物和未反应的氧化镁颗粒堆积在一起，使硬化体孔径分布更加均匀，减少自由水进入硬化体内部，使MKPC内部结构的薄弱点和应力集中大大减少。

钛白粉化学性质稳定，属于惰性材料，对MKPC的稳定性起到保护作用，并能增强其机械强度和附着力，防止裂纹，延长MKPC的寿命。在MKPC中加入钛白粉，在其它矿物掺合料的共同作用下，可有效解决MKPC与被修补普通混凝土色差较大这一技术问题。

本发明的有益效果主要表现在：

1、本发明使用的矿物掺合料微硅灰、自来水厂污泥粉、纳米级白刚玉微粉和钛白粉，作用机理明确，优势互补，实现了超叠加效应。微硅灰颗粒极细，具有较强的活性，促进MKPC的水化反应，增加其工作性，有利于提高其早期强度；而纳米级白刚玉微粉主要是一种颗粒小的惰性材料，可充当“滚珠”的作用，降低MKPC的滑动阻力；自来水厂污泥粉具有一定的活性，其颗粒相比于微硅灰较粗，改善了粉体的颗粒级配，有助于其强度发展；而钛白粉，在其它矿物掺合料的共同作用下，可有效调节MKPC颜色，解决了MKPC与被修补普通混凝土色差较大等技术问题；不同矿物掺合料与MKPC相容性较好。

2、本发明将自来水厂污泥作为原料制备生态型磷酸钾镁水泥基修补材料，科学、高效处置利用自来水厂废弃污泥，实现自来水厂污泥的资源化利用，既有利于污泥的无害化处理，也能减少水泥资源的消耗。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。

一种生态型磷酸钾镁水泥基修补材料，按照重量份计，由221-260份过烧氧化镁粉；133份磷酸二氢钾；13-26份自来水厂污泥粉；13-26份微硅灰；13-26份纳米级白刚玉微粉；13份钛白粉；16份复合缓凝剂以及88份水混合组成。

进一步，过烧氧化镁粉中含有MgO的质量分数≥95.0％，含有CaO的质量分数<1.0％，松散堆积密度≤0.18g/cm³，比表面积≥246m²/kg。磷酸二氢钾为食品级磷酸二氢钾，柱状晶体，主粒度为250-345μm，其主要化学成分KH₂PO₄含量≥99％，质量浓度1％磷酸二氢钾溶液的pH值为4.3-4.7。微硅灰为灰色粉末，具有极强的表面活性，7d活性指数≥105％，其颗粒尺寸为100-300nm，比表面积为20000-28000m²/kg，其主要化学成分SiO₂≥95％。自来水厂污泥粉的比表面积≥635m²/kg，28d活性指数≥90％，过300目筛的筛余量≤5％，其主要化学成分中SiO₂+A1₂O₃总量超过80％。纳米级白刚玉微粉的粒径为0.2-1μm，显微硬度≥3500kg/mm³，比表面积≥18000m²/kg，其主要化学成分A1₂O₃含量≥99％。钛白粉粒径为0.2μm-0.3μm，密度为4.0g/cm³，290℃时的挥发份为0.6％，其主要化学成分TiO₂含量≥97％。

本实施例的自来水厂污泥粉的制备方法：选取自来水厂沉淀池污泥，经工厂化集中离心脱水得到污泥颗粒原样，通过微波蒸压养护-干燥处理-分级煅烧-机械粉磨工艺制备得到自来水厂污泥粉，具体地，(1)将自来水厂污泥颗粒原样均匀升温0.5h，升温过程中充入蒸汽、同时微波全功率开启20min，釜内温度稳定在180℃到195℃之间，压力控制在1.20MPa到1.30MPa，恒温4.5h；(2)微波全部关闭，关机降温1h左右打开釜门后进行干燥，并筛除大于5.5mm粒径的污泥颗粒；(3)将粒径小于3.5mm污泥颗粒在750-850℃的温度条件下煅烧1.5h，粒径在3.5-5.5mm污泥颗粒在850-1000℃的温度条件下煅烧3h；(4)自然冷却按质量比为1：1混合后粉磨制得自来水厂污泥粉。

所述的一种生态型磷酸钾镁水泥基修补材料的制备方法为：在干燥环境条件下，将十二水合磷酸氢二钠、硼砂和氯化钙倒入定量水中，倒入水泥净浆搅拌机中慢速搅拌60s，得到均匀的混合溶液；再将MKPC的主要组成材料之一磷酸二氢钾加入到上述混合溶液中，慢速搅拌120s，快速搅拌120s，得到MKPC反应溶液；最后，在MKPC反应溶液中加入设定量的过烧氧化镁粉、自来水厂微硅灰、污泥粉、纳米级白刚玉微粉和钛白粉，慢速搅拌120s，快速搅拌120s，即可得到凝结时间可控、流动性好、颜色可调的生态型磷酸钾镁水泥基修补材料。

所述获得的一种生态型磷酸钾镁水泥基修补材料，其初凝时间控制在20-30分钟，流动度达240mm以上，6h的抗压强度达30MPa以上，并趋于稳定，另外，其与被修补普通混凝土的色差也很小。

对比例：

按重量组分计算，包括过烧氧化镁粉267份，磷酸二氢钾133份，十二水合磷酸氢二钠8.6份，硼砂3.1份，氯化钙4.3份，水88份。

性能检测：流动度、凝结时间和抗压强度见表1。

实施例1：

按重量组分计算，包括过烧氧化镁粉215份，磷酸二氢钾133份，自来水厂污泥粉13份，微硅灰13份，纳米级白刚玉微粉13份，钛白粉13份，十二水合磷酸氢二钠8.6份，硼砂3.1份，氯化钙4.3份，水88份。

性能检测：流动度、凝结时间和抗压强度见表1。

实施例2：

按重量组分计算，包括过烧氧化镁粉202份，磷酸二氢钾133份，自来水厂污泥粉26份，微硅灰13份，纳米级白刚玉微粉13份，钛白粉13份，十二水合磷酸氢二钠8.6份，硼砂3.1份，氯化钙4.3份，水88份。

性能检测：流动度、凝结时间和抗压强度见表1。

实施例3：

按重量组分计算，包括过烧氧化镁粉202份，磷酸二氢钾133份，自来水厂污泥粉13份，微硅灰26份，纳米级白刚玉微粉13份，钛白粉13份，十二水合磷酸氢二钠8.6份，硼砂3.1份，氯化钙4.3份，水88份。

性能检测：流动度、凝结时间和抗压强度见表1。

实施例4：

按重量组分计算，包括过烧氧化镁粉202份，磷酸二氢钾133份，自来水厂污泥粉13份，微硅灰13份，纳米级白刚玉微粉26份，钛白粉13份，十二水合磷酸氢二钠8.6份，硼砂3.1份，氯化钙4.3份，水88份。

性能检测：流动度、凝结时间和抗压强度见表1。

表1

本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.一种生态型磷酸钾镁水泥基修补材料，其特征在于，由磷酸钾镁水泥基粉料和水混合得到，所述磷酸钾镁水泥基粉料和水的质量比为1：0.22，按重量份计，所述磷酸钾镁水泥基粉料包括：

磷酸钾镁水泥 335-374份；

矿物掺合料 26-65份；

复合缓凝剂 16份。

2.根据权利要求1所述的一种生态型磷酸钾镁水泥基修补材料，其特征在于：所述磷酸钾镁水泥按重量份包括如下组份：

过烧氧化镁粉 221-260份；

磷酸二氢钾 133份。

3.根据权利要求2所述的一种生态型磷酸钾镁水泥基修补材料，其特征在于：所述过烧氧化镁粉的煅烧温度为1700℃，镁粉中含有MgO的质量分数≥95.0％，含有CaO的质量分数<1.0％，所述过烧氧化镁粉的松散堆积密度≤0.18g/cm³，比表面积≥246m²/kg。

4.根据权利要求2所述的一种生态型磷酸钾镁水泥基修补材料，其特征在于：所述磷酸二氢钾为食品级磷酸二氢钾，柱状晶体，主粒度为250-345μm，其主要化学成分KH₂PO₄含量≥99％，质量浓度1％磷酸二氢钾溶液的pH值为4.3-4.7。

5.根据权利要求1-4之一所述的一种生态型磷酸钾镁水泥基修补材料，其特征在于：所述矿物掺合料为微硅灰、自来水厂污泥粉、纳米级白刚玉微粉和钛白粉按重量比(1-2)：(1-2)：(1-2)：1组成的混合物。

6.根据权利要求5所述的一种生态型磷酸钾镁水泥基修补材料，其特征在于：所述微硅灰为灰色粉末，具有极强的表面活性，7d活性指数≥105％，其颗粒尺寸为100-300nm，比表面积20000-28000m²/kg，其主要化学成分SiO₂≥95％。

7.根据权利要求5所述的一种生态型磷酸钾镁水泥基修补材料，其特征在于：所述自来水厂污泥粉的比表面积≥635m²/kg，28d活性指数≥90％，过300目筛的筛余量≤5％，其主要化学成分中SiO₂+Al₂O₃总量超过80％。

8.根据权利要求5所述的一种生态型磷酸钾镁水泥基修补材料，其特征在于：所述纳米级白刚玉微粉的粒径为0.2-1μm，显微硬度≥3500kg/mm³，比表面积≥18000m²/kg，其主要化学成分A1₂O₃含量≥99％。

9.根据权利要求5所述的一种生态型磷酸钾镁水泥基修补材料，其特征在于：所述钛白粉的粒径为0.2μm-0.3μm，密度为4.0g/cm³，290℃时的挥发份为0.6％，其主要化学成分TiO₂含量≥97％。

10.根据权利要求1-4之一所述的一种生态型磷酸钾镁水泥基修补材料，其特征在于：所述的复合缓凝剂包含工业级十二水合磷酸氢二钠、工业级硼砂和工业级氯化钙，三个组份的质量之比为14：5：7；

所述工业级十二水合磷酸氢二钠为50-80目，纯度≥99％，所述工业级硼砂为50-80目，纯度≥95％，所述工业级氯化钙为50-80目，纯度≥75％。