CN114873950B - 喷射混凝土用促凝早强剂及其制备方法与使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑材料外加剂技术领域，尤其是涉及一种喷射混凝土用促凝早强剂，通过协同早强组分、增密组分、保水组分、调凝组分进行超细粉磨，共同作用制备的促凝早强剂不影响预拌喷射混凝土工作性能，其与无碱液体速凝剂搭配使用，使喷射成型的混凝土具有更高的早期强度和更快的凝结时间，从本质上降低喷射混凝土回弹率，加快施工进程。

Description

喷射混凝土用促凝早强剂及其制备方法与使用方法

技术领域

本发明涉及建筑材料外加剂技术领域，尤其是涉及一种喷射混凝土用促凝早强剂及其制备方法与使用方法。

背景技术

喷射混凝土技术起始于19世纪的美国，动物学家Akeley博士发明了“水泥枪”，并用喷射砂浆制作了史前动物模型，之后美国在矿山和土木工程中使用了喷射水泥砂浆，直到20世纪70年代中期开始产业化应用；我国从20世纪60年代在铁路隧道施工中开始采用喷射混凝土施工。近年来，喷射混凝土在我国基础设施建设和城市建设工程中起到越来越重要的作用，用量呈不断增加趋势，尤其是随着我国“西部开发”和“一带一路”的不断推进，西部地区高速铁路、公路建设过程中隧道建设工程越来越多，对喷射混凝土的性能和耐久性等提出了越来越高的要求。除隧道工程外，喷射混凝土还可应用于水利水电、护坡支护、矿山、地下工程、耐火工程、建筑工程修补加固等诸多领域。

喷射混凝土是将胶凝材料、骨料等按一定比例拌制的混凝土拌合物送入喷射设备，借助压缩空气或其他动力输送，高速喷射至受喷面所形成的一种混凝土。按照混凝土原材料的拌和方式和喷射状态，喷射混凝土施工又分为干喷法和湿喷法两大类。干喷法是将拌合好的胶凝材料、骨料和粉状速凝剂通过喷嘴喷出，喷射过程中与水混合喷射到受喷面成型的方法，干喷法采用粉状速凝剂和薄层喷射工艺；对应的湿喷法是指将拌合好具有一定工作性的预拌混凝土通过喷嘴喷出，在喷嘴处加入液体速凝剂，与液体速凝剂混合后喷射到受喷面的方法，湿喷法可采用厚层喷射或薄层喷射工艺，大多采用液体速凝剂。干喷法机械设备简单，设备功效较低，施工粉尘浓度较大，回弹率最低20％～40％，喷射混凝土坍落度一般在50mm～70mm；湿喷法机械设备分为风动型和泵送型，设备功效较高，相比干喷法可降低80％粉尘浓度，混凝土坍落度在100mm～200mm。随着地下工程对喷射混凝土质量要求的提高，湿喷法在国内外喷射施工中占的比重越来越大，是喷射混凝土技术发展的必然趋势。

速凝剂是能使混凝土或水泥砂浆迅速凝结硬化的外加剂，主要功能是加速喷射混凝土的凝结硬化速度，减少回弹损失，防止喷射混凝土因重力引起脱落，加大一次喷射厚度和缩短喷射层间的间隔时间。自20世纪30年代Sika最早研制出粉状速凝剂以来，速凝剂的发展经历了粉状高碱、粉状低碱、液体高碱、液体低碱和液体无碱的发展历程。粉状速凝剂在喷射操作中混合不均匀、粉尘大、回弹高，导致混凝土质量波动大、对操作人员危害大；液体速凝剂更易均匀地分散于混凝土拌合物中，有效提高了混凝土质量的稳定性、明显改善施工环境并减小回弹。有碱速凝剂掺量低、成本低、早强作用明显、适应性强，但其碱性大、腐蚀性强，会造成混凝土后期强度严重损失、易引起混凝土碱骨料反应；无碱速凝剂虽然掺量高、早期强度低、对温度和水泥的适应性不如碱性速凝剂强，但其具有早期强度增长快、后期强度减小少、粉尘量显著降低、回弹小、对施工人员健康损害小、极大降低碱骨料反应可能性等优势。随着湿喷技术的发展，液体无碱速凝剂是速凝剂产品的研究重点和发展方向。

喷射混凝土目前存在的主要问题有：

(1)回弹率大，造成材料浪费。

湿喷混凝土的回弹率普遍在20％～30％，有些甚至高达40％～50％，造成材料极大浪费，工程造价显著提高。回弹率受混凝土工作性、速凝剂种类及掺量、一次性喷射厚度、喷射路线规划、喷射机性能、喷射手操作等多种因素影响，对喷射混凝土自身性能而言主要有混凝土粘聚性、凝结时间和小时强度等因素。

(2)早期强度低且发展缓慢，造成安全隐患、影响施工进度。

喷射混凝土缓慢的早期强度发展，一方面会导致已喷射在受喷面的混凝土因无法抵抗重力作用而脱落，造成回弹加大，需要补喷；另一方面无法对围岩形成有效的初期支护，影响围岩的稳定，严重危害施工人员安全；此外还会影响进一步的隧道土体开挖，影响施工进度。

(3)后期强度增长小甚至倒缩，耐久性差。

喷射混凝土胶凝材料用量大且较少掺加矿物掺合料，易收缩开裂，影响耐久性，导致后期维护成本增加；速凝剂对胶凝材料早期的过度激发，也会影响后期强度的发展和混凝土的致密性，劣质的速凝剂甚至会致使混凝土后期强度倒缩，缩短混凝土的服役年限。

综上，要达到良好的喷射效果、保证硬化喷射混凝土的高性能化，需要优质的原材料、科学的配合比设计、合理的工艺参数选择、专业的施工装备、专业的操作人员和规范的质量控制等多种因素协同，其中混凝土材料的高性能化是需要解决的一方面。

速凝剂与混凝土混合后使其快速变干硬，无法改善混凝土的粘聚性，单靠凝结时间的缩短无法有效降低回弹。对软弱围岩，尽可能提高小时强度是降低回弹、提供有效初期支护的根本办法。部分研究者在喷射混凝土中掺加液体减弹剂，一定程度上可以降低回弹并提高早期强度，但后期强度发展缓慢甚至倒缩、耐久性差，易带来安全隐患。这是由于减弹剂通常包括大量早强组分和增粘保水组分，早强组分由无机钠盐和有机组分构成，在早期对水泥矿物产生过度激发，不利于后期强度的增长，且又额外引入较高的碱含量，造成碱骨料反应隐患。

因此，从材料的角度，提高混凝土粘聚性、缩短喷射混凝土凝结时间并提高小时强度(特别是3h强度)，才能从根本上减少喷射混凝土回弹、保证后期强度发展、提高耐久性，实现喷射混凝土的高性能化。

发明内容

为解决喷射混凝土存在的上述问题，本发明提供了一种喷射混凝土用促凝早强剂及其制备方法与使用方法，本发明促凝早强剂可与现有技术中的无碱液体速凝剂搭配使用，简化了喷射混凝土生产工艺，优化喷射混凝土粘聚性、凝结时间、早期强度和后期强度，有效降低回弹，提高喷射混凝土施工质量。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案在于：

本发明喷射混凝土用促凝早强剂，按重量百分比计，包括早强组分50-70％，增密组分20-50％，保水组分1-5％，调凝组分1-5％。

优选的，所述早强组分由硫铝熟料、铝盐、锂渣粉、甲酸钙组成。发明人在施工过程中发现，无碱液体速凝剂单独使用时，由于其使用的铝盐掺量存在上限，掺量过高会导致无碱液体速凝剂稳定性变差，故无碱液体速凝剂对喷射混凝土的凝结时间和早期强度改善效果有限，继而，在使用过程中，尤其在围岩较差的条件下，喷射混凝土回弹量较高，因此，本发明添加部分铝盐作为早强组分，可在前期预拌混凝土阶段首先补充一定量的铝盐，从而可以进一步提高喷射混凝土早期强度。

更优选的，按重量百分比计，所述早强组分由硫铝熟料40-60％、铝盐15-25％、锂渣粉15-25％、甲酸钙5-15％组成。

更优选的，按重量百分比计，所述早强组分由硫铝熟料50％、铝盐20％、锂渣粉20％、甲酸钙10％组成。

优选的，所述铝盐为氢氧化铝、氟化铝、硫酸铝的至少一种，所述锂渣粉为锂渣加入助磨剂进行超细粉磨至亚微米级，助磨剂选自醇胺类，如二乙醇胺、三乙醇胺、三异丙醇胺等。

另外，本发明添加部分锂渣粉作为早强组分，锂渣中SiO₂和Al₂O₃的含量要远高于水泥，CaO含量远低于水泥，锂渣能起填充作用，增加水泥基体的密实度，并且锂渣能与水泥水化产物进行二次水化，对复合材料的伸长率和抗拉强度起到增强的作用，增强其密实度，从而提高其抗压强度；但是锂渣被用于混凝土中时需将其活性充分激发，协同水泥产物进行二次水化，本发明通过实验发现锂渣可以作为早强组分为喷射混凝土提供早期强度支撑，使用过程中采用加入醇胺作为助磨、早强激发组分并利用超细粉磨的方式激发其活性，并实现废弃物的再次利用。

发明人在实验过程中发现，若仅采用铝盐作为早强组分，随着铝盐掺量的增加，会引起前期预拌混凝土的流动性变差，保坍时间变短等问题，虽具有更高的早期强度和快速的凝结时间，但影响预拌喷射混凝土的工作性能，影响泵送性能，导致堵管等现象的发生；硫铝熟料中的矿物主要为C₄A₃S、C₂S、C₄AF，可为硅酸盐水泥缩短凝结时间和提高早期水化速率，提供早期强度，但是，实验过程中发现，若进行硫铝熟料作为早强组分进行单掺，为达到早强效果其掺量过高也会导致混凝土工作性能变差、保坍时间变短、后期强度倒缩等问题，最终通过采用硫铝熟料、铝盐、锂渣粉和甲酸钙进行复配，实现喷射混凝土的速凝以及早期和后期强度的提升,并配合调凝组分解决混凝土凝结时间、流动性和力学性能的矛盾。

优选的，所述增密组分为硅灰、高流微硅粉、微珠、超细石灰石粉的至少一种。

优选的，所述保水组分为SAP吸水树脂、羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素中的至少一种。

优选的，所述调凝组分为葡萄糖酸钠、柠檬酸钠、白糖、硼酸、酒石酸钠、硬石膏中的至少一种。

本发明还涉及上述喷射混凝土用促凝早强剂的制备方法，具体的，包括如下步骤：将早强组分、增密组分、保水组分及调凝组分混合均匀后，进入超细球磨机粉磨至细度600～800目。

本发明还涉及上述喷射混凝土用促凝早强剂的使用方法，具体的，包括如下步骤：将胶凝材料、促凝早强剂、骨料投入搅拌机，干拌，再加入掺有减水剂的拌合水搅拌，将按要求进行混凝土流动性测试后的拌合物倒回搅拌机，加入无碱液体速凝剂进行搅拌即可。

本发明协同早强组分、增密组分、保水组分、调凝组分进行超细粉磨，共同作用制备的促凝早强剂不影响预拌喷射混凝土工作性能，其与无碱液体速凝剂搭配使用，使喷射成型的混凝土具有更高的早期强度和更快的凝结时间，从本质上降低喷射混凝土回弹率，加快施工进程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1使用本发明促凝早强剂混凝土流动状态；

图2未使用本发明促凝早强剂混凝土流动状态。

具体实施方式

利用本发明促凝早强剂进行喷射混凝土制备与实验研究，实验过程中胶凝材料选用水泥、粉煤灰和矿粉，无碱液体速凝剂为市售铝盐系快凝型无碱液体速凝剂。

高粘聚性超早强喷射混凝土的制备过程：将水泥、促凝早强剂、砂、石一次投入搅拌机，干拌10s～15s，再加入掺有减水剂的拌合水，一起搅拌2min；进行混凝土抗压强度试件成型时，将测完1h坍落度的预拌混凝土倒回搅拌机，搅拌25s～30s，再加入无碱液体速凝剂速凝剂，搅拌15s～20s。

实施例1

促凝早强剂，原料包括早强组分60％，硅灰35％，羟丙基甲基纤维素2％，葡萄糖酸钠3％，早强组分由硫铝熟料50％、氟化铝20％、锂渣粉20％、甲酸钙10％组成。利用其制备的喷射混凝土性能如下：

表1喷射混凝土配合比及预拌混凝土流动性

表2喷射混凝土力学性能

采用促凝早强剂的喷射混凝土早期小时强度均超过原配比基准混凝土，且24h以内抗压强度比均＞130％，尤其3h和6h抗压强度比＞200％，28d和90d抗压强度保留率≥100％。

实施例2

促凝早强剂，原料包括早强组分55％，微珠39％，羟乙基纤维素4％，硼酸2％，早强组分由硫铝熟料50％、硫酸铝20％、锂渣粉20％、甲酸钙10％组成。利用其制备的喷射混凝土性能如下：

表3实验喷射混凝土配合比及预拌混凝土流动性

表4喷射混凝土力学性能

采用促凝早强剂后，无碱液体速凝剂掺量降至6％，24h以内抗压强度比＞140％，而3h、6h及8h抗压强度比＞300％，28d抗压强度保留率＞110％，说明掺加促凝早强剂后力学性能比原配比基准混凝土优异。

对比例1

促凝早强剂，原料包括硫铝熟料30％，甲酸钙30％，硅灰35％，羟丙基甲基纤维素2％，葡萄糖酸钠3％。利用其制备的喷射混凝土性能如下：

表5喷射混凝土配合比及预拌混凝土流动性

经施工，喷射混凝土施工困难，回弹量很大，混凝土粘结效果差。

对比例2

促凝早强剂，原料包括氟化铝60％，硅灰35％，羟丙基甲基纤维素2％，葡萄糖酸钠3％。利用其制备的喷射混凝土性能如下：

表5喷射混凝土配合比及预拌混凝土流动性

喷射混凝土流动性不足，无法施工。

最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种喷射混凝土用促凝早强剂，其特征在于，按重量百分比计，包括早强组分50-70％，增密组分20-50％，保水组分1-5％，调凝组分1-5％，所述早强组分由硫铝熟料40-60％、铝盐15-25％、锂渣粉15-25％、甲酸钙5-15％组成，所述铝盐为氢氧化铝、氟化铝、硫酸铝的至少一种，所述锂渣粉为锂渣加入助磨剂进行超细粉磨至亚微米级，所述增密组分为硅灰、高流微硅粉、微珠、超细石灰石粉的至少一种。

2.根据权利要求1所述的喷射混凝土用促凝早强剂，其特征在于，按重量百分比计，所述早强组分由硫铝熟料50％、铝盐20％、锂渣粉20％、甲酸钙10％组成。

3.根据权利要求1所述的喷射混凝土用促凝早强剂，其特征在于，所述保水组分为SAP吸水树脂、羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的喷射混凝土用促凝早强剂，其特征在于，所述调凝组分为葡萄糖酸钠、柠檬酸钠、白糖、硼酸、酒石酸钠、硬石膏中的至少一种。

5.根据权利要求1-4任一项所述喷射混凝土用促凝早强剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将早强组分、增密组分、保水组分及调凝组分混合均匀后，进入超细球磨机粉磨至细度600～800目。

6.根据权利要求1-4任一项所述喷射混凝土用促凝早强剂的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：将胶凝材料、促凝早强剂、骨料投入搅拌机，干拌，再加入掺有减水剂的拌合水搅拌，将按要求进行混凝土流动性测试后的拌合物倒回搅拌机，加入无碱液体速凝剂进行搅拌即可。

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