CN117361927A - 一种干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂及其制备方法与应用，属于建筑材料混凝土外加剂技术领域。本发明的无碱速凝剂包括硫酸铝50‑80份、氟硅酸盐3‑7份、偏铝酸钠3‑7份、硅灰6‑10份、固体醇胺6‑10份和早强组分1‑2份，制备得到的无碱速凝剂可直接加入混凝土中制备干喷混凝土，也可以与水按质量比为1∶1混合得到液体无碱速凝剂，再加入混凝土中制备湿喷混凝土。本发明的无碱速凝剂生产原材料种类少、来源安全无毒，制备工艺简单，可以明显改善混凝土的抗压强度和凝结时间，有效解决了液体无碱速凝剂长期稳定性问题，符合GB/T35159‑2017《喷射混凝土用速凝剂》对无碱速凝剂的性能要求。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料混凝土外加剂技术领域，尤其涉及一种干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂及其制备方法与应用。
背景技术
喷射混凝土因施工迅捷方便、成本优势明显、结构性能具有显著的优越性等，已成为公认的加固方法之一，广泛应用于隧道、地下硐室、边坡等的支护，以及建筑结构的加固、抗裂防渗工程等辅助结构措施。混凝土速凝剂是能够使混凝土迅速凝结硬化，而不过分影响混凝土长期强度的外加剂，它是喷射混凝土和快速堵漏材料必不可少的外加剂。混凝土速凝剂在喷射、抢修和止水堵漏工程中发挥着重要作用，应用十分广泛。
混凝土速凝剂有粉状和液体两大类。早期的喷射混凝土主要使用粉剂速凝剂干喷作业，由于粉剂速凝剂扬尘大污染环境，腐蚀性强对人体伤害很大，而且粉剂速凝剂在应用中存在混凝土回弹大、混凝土品质难以保证和施工进度缓慢等缺点。目前实际工程中正大力推行湿喷作业，液体速凝剂逐渐成为主流，液体速凝剂又分为液体有碱速凝剂(氧化纳当量含量大于1％)和液体无碱速凝剂(氧化纳当量含量不大于1％)。然而较高的碱含量会对砂浆和混凝土的后期强度造成损失，极易引起混凝土发生碱集料反应，严重影响着混凝土的耐久性发展，碱性速凝剂还具有腐蚀性，对人体危害较大的缺点。所以液体无碱速凝剂是未来发展的主要方向，已经成为速凝剂研发的热点。
目前液体无碱速凝剂主要以硫酸铝(Al2(SO4)3)、复合碱金属盐、有机醇胺、稳定剂等为原材料，制备出碱含量少、早期强度高、后期强度影响小的速凝剂。中国专利CN113087441A公开了一种无氟型液体无碱速凝剂的制备方法，该速凝剂由硫酸铝、醇胺、苯基化合物份、早强剂、稳定剂份、流变助剂和水等组成，该发明符合国家标准GB/T 35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》的要求，具有稳定性好、掺量低、早期强度较高等特点，但是该液体无碱速凝剂原材料较多，制备过程复杂，且液体速凝剂运输成本较高。中国专利CN114735961A公开了一种固液两用无碱速凝剂的制备方法，该速凝剂由活性氢氧化铝、无机废酸、调凝组分、增强组分、增粘组分等组成，该发明符合国家标准要求，制备过程不需要在高温下烧结，且可根据施工现场要求更换产品的状态，具有制备工艺简单、运输成本低、水溶性和稳定性好的特点，但是该速凝剂使用的无机废酸为氟硅酸具有一定的毒性和腐蚀性，生产过程具有一定危害性。中国专利CN112142359B公开了一种干、湿喷混凝土两用型粉状无碱速凝剂的制备方法，该速凝剂由硫酸铝、氟硅酸盐、固体醇胺、副产二氧化硅、酰胺和聚丙烯制成，符合国家标准对无碱速凝剂的要求，且水溶性良好、与水泥适应性良好，但是该专利的速凝剂测试的1天早期抗压强度仅为9.8-15.7MPa，并不能满足实际应用需求。
基于此，本发明提出了一种干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂及其制备方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂及其制备方法与应用，该速凝剂原材料种类少、制备工艺简单，而且适应干喷和湿喷混凝土不同的施工场景，性能符合国家标准对无碱速凝剂的性能要求。本发明的速凝剂可采取粉体状态运输，现场加水溶解即可用于湿喷混凝土，大大节省了运费。
为实现上述目的，本发明提供了一种干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂，按重量份数计，包括以下原料：硫酸铝50-80份、氟硅酸盐3-7份、偏铝酸钠3-7份、硅灰6-10份、固体醇胺6-10份和早强组分1-2份。
进一步地，所述硫酸铝中水不溶物含量≤0.2wt％，pH值(10g/L水溶液)≥3，铁(Fe)含量≤0.5wt％。硫酸铝提供大量的SO4 2-、Al3+，是速凝剂与水泥反应生成钙矾石的基础，而钙矾石的大量生成促进了混凝土的快速凝结。
进一步地，所述氟硅酸盐包括氟硅酸镁、氟硅酸钠和氟硅酸铝中的一种或多种。可溶性的氟硅酸盐提供F-，该离子可促进硫酸铝的溶解，增加溶液中Al3+的浓度，对速凝剂促凝效果增强明显。
更进一步地，所述氟硅酸盐中水不溶物≤0.25wt％，氟硅酸盐含量≥97％。
进一步地，所述偏硅酸钠包括零水偏硅酸钠、五水偏硅酸钠和九水偏硅酸钠中的一种或几种，水不溶物≤0.3wt％，铁(Fe)≤0.05wt％。硅酸钠溶于水生成SiO4 2-，它与混凝土中的Ca2-和水反应生成水化硅酸钙凝胶(C-S-H)，不仅消耗Ca2-进而促进水泥水化反应，减少混凝土凝结时间、提高抗压强度。
进一步地，所述固体醇胺为工业级。醇胺类物质不仅本身可以促进水泥凝结，还能促进硫酸铝溶解，增加溶液中Al3+的浓度，对速凝剂促凝效果增强明显。
进一步地，所述硅灰符合GB/T 27690-2011《砂浆和混凝土用硅灰》的要求。
进一步地，所述早强组分包括纳米二氧化硅和/或C-S-H纳米晶种。
活性二氧化硅可与水泥水化产生的Ca(OH)2发生“火山灰反应”，提高混凝土抗压强度；相对粒径越小活性越高，较小的粒径还能填充于水泥颗粒之间，增加混凝土密实度，提高混凝土抗压强度。
C-S-H纳米晶种可作为C-S-H生长的基点，可加快C-S-H的生成，提高混凝土早期强度。
本发明还提出了一种所述的干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂的制备方法，包括以下步骤：
按重量份数称取所述原料，将所述硫酸铝、氟硅酸盐、偏铝酸钠、硅灰、固体醇胺和早强组分混合粉磨，得到所述干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂。
进一步地，粉磨至粒径小于200目。
本发明还提出了所述的干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂在制备喷混凝土中的应用。
进一步地，用于制备湿喷混凝土时，将所述无碱速凝剂与水按质量比为1∶1混合得到液体无碱速凝剂，所述液体无碱速凝剂的加入量为湿喷混凝土中胶凝材料质量的6％-8％。
进一步地，用于制备干喷混凝土时，直接将所述无碱速凝剂加入混凝土中，所述无碱速凝剂的加入量为干喷混凝土中胶凝材料质量的3％-4％。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
(1)本发明的无碱速凝剂生产原材料种类少、原料来源安全无毒，制备工艺简单，所需生产设备较少，并且添加有本发明制备的无碱速凝剂可以明显改善混凝土的抗压强度和凝结时间。
(2)本发明的无碱速凝剂在制备粉状无碱速凝剂时只需要将原材料粉磨到要求粒径，并使用选粉机选粉，即可用于干喷混凝土；生产液体无碱速凝剂只需要将粉状无碱速凝剂在常温下加水溶解，即可用于湿喷混凝土，该速凝剂的粉状、液体两种不同状态可分别用于干喷和湿喷混凝土不同的施工场景，且性能符合GB/T35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》对无碱速凝剂的性能要求。
(3)液体无碱速凝剂由粉状无碱速凝剂与水溶解而来，现用现溶，不必担心液体无碱速凝剂长期稳定性问题，并且本发明的速凝剂可采取粉体状态运输，在常温下现场加水溶解即可配制液体无碱速凝剂用于湿喷混凝土，大大节省了液体无碱速凝剂的运输成本。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明实施例提供了一种干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂，按重量份数计，包括以下原料：硫酸铝50-80份、氟硅酸盐3-7份、偏铝酸钠3-7份、硅灰6-10份、固体醇胺6-10份和早强组分1-2份。
在本发明优选实施例中，所述硫酸铝中水不溶物含量≤0.2wt％，pH值(10g/L水溶液)≥3，铁(Fe)含量≤0.5wt％，即满足化工行业标准(HG/T 2225-2010)《工业硫酸铝》的规定。
在本发明优选实施例中，所述氟硅酸盐包括氟硅酸镁、氟硅酸钠和氟硅酸铝中的一种或多种，氟硅酸盐中水不溶物≤0.25wt％，氟硅酸盐含量≥97％。可溶性的氟硅酸盐提供F-，该离子可促进硫酸铝的溶解，增加溶液中Al3+的浓度，对速凝剂促凝效果增强明显。
在本发明优选实施例中，所述偏硅酸钠包括零水偏硅酸钠、五水偏硅酸钠和九水偏硅酸钠中的一种或几种，水不溶物≤0.3wt％，铁(Fe)≤0.05wt％，即满足化工行业标准(HG/T 2568-2008)《工业偏硅酸钠》的规定。
在本发明优选实施例中，所述固体醇胺为工业级。
在本发明优选实施例中，所述硅灰符合GB/T 27690-2011《砂浆和混凝土用硅灰》的要求。
在本发明优选实施例中，所述早强组分包括纳米二氧化硅和/或C-S-H纳米晶种，粒径小于200nm。
本发明实施例还提出了一种所述的干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂的制备方法，包括以下步骤：
按重量份数称取所述原料，将所述硫酸铝、氟硅酸盐、偏铝酸钠、硅灰、固体醇胺和早强组分混合粉磨，得到所述干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂。
在本发明优选实施例中，粉磨至粒径小于200目。粒径过大会导致粉剂速凝剂比表面积过小，溶解速度慢，反应缓慢。
本发明实施例还提出了所述的干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂在制备喷混凝土中的应用，掺量符合GB/T35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》的标准要求：
用于制备湿喷混凝土时，将所述无碱速凝剂与水按质量比为1∶1混合得到液体无碱速凝剂，所述液体无碱速凝剂的加入量为湿喷混凝土中胶凝材料质量的6％-8％。
用于制备干喷混凝土时，直接将所述无碱速凝剂加入混凝土中，所述无碱速凝剂的加入量为干喷混凝土中胶凝材料质量的3％-4％。
本发明实施例所用原料均为市售购买得到。
本发明实施例中所用“份”若无特殊说明均为“重量份数”。
以下通过实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1
备料：硫酸铝(水不溶物含量＝0.15wt％，pH值(10g/L水溶液)＝3.5，铁含量＝0.36wt％)、氟硅酸盐(氟硅酸钠，水不溶物＝0.18wt％，氟硅酸盐含量＝98.5％)、偏铝酸钠(五水偏铝酸钠)、硅灰、固体醇胺和早强组分(粒径为180nm的纳米二氧化硅)；
按重量份数称取硫酸铝50份、氟硅酸钠7份、五水偏铝酸钠7份、硅灰6份、固体醇胺10份和纳米二氧化硅2份，将硫酸铝、氟硅酸钠、五水偏铝酸钠、硅灰、固体醇胺和纳米二氧化硅混合加入球磨机进行粉磨，并经过选粉机选粉得到180目-220目的干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂；
将上述无碱速凝剂与水按照质量比为1∶1溶解得到液体无碱速凝剂。
实施例2
备料：硫酸铝(水不溶物含量＝0.15wt％，pH值(10g/L水溶液)＝3.5，铁含量＝0.36wt％)、氟硅酸盐(氟硅酸镁，水不溶物＝0.2wt％，氟硅酸盐含量＝99.1％)、偏铝酸钠(九水偏铝酸钠)、硅灰、固体醇胺(为工业级)和早强组分(粒径为180nm的纳米二氧化硅)；
按重量份数称取硫酸铝58份、氟硅酸镁6份、九水偏铝酸钠6份、硅灰7份、固体醇胺9份和纳米二氧化硅2份，将硫酸铝、氟硅酸镁、九水偏铝酸钠、硅灰、固体醇胺和纳米二氧化硅混合加入球磨机进行粉磨，并经过选粉机选粉得到180目-220目的干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂；
将上述无碱速凝剂与水按照质量比为1∶1溶解得到液体无碱速凝剂。
实施例3
备料：硫酸铝(水不溶物含量＝0.15wt％，pH值(10g/L水溶液)＝3.5，铁含量＝0.36wt％)、氟硅酸盐(氟硅酸钠，水不溶物＝0.18wt％，氟硅酸盐含量＝98.5％)、偏铝酸钠(五水偏铝酸钠)、硅灰、固体醇胺(为工业级)和早强组分(粒径为160nm的C-S-H纳米晶种)；
按重量份数称取硫酸铝66份、氟硅酸钠5份、五水偏铝酸钠5份、硅灰8份、固体醇胺8份和C-S-H纳米晶种1份，将硫酸铝、氟硅酸钠、五水偏铝酸钠、硅灰、固体醇胺和C-S-H纳米晶种混合加入球磨机进行粉磨，并经过选粉机选粉得到180目-220目的干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂。
将上述无碱速凝剂与水按照质量比为1∶1溶解得到液体无碱速凝剂。
实施例4
备料：硫酸铝(水不溶物含量＝0.15wt％，pH值(10g/L水溶液)＝3.5，铁含量＝0.36wt％)、氟硅酸盐(氟硅酸铝，水不溶物＝0.23wt％，氟硅酸盐含量＝97.9％)、偏铝酸钠(九水偏铝酸钠)、硅灰、固体醇胺(为工业级)和早强组分(粒径为180nm的纳米二氧化硅)；
按重量份数称取硫酸铝74份、氟硅酸铝4份、九水偏铝酸钠4份、硅灰9份、固体醇胺7份和纳米二氧化硅1份，将硫酸铝、氟硅酸铝、九水偏铝酸钠、硅灰、固体醇胺和纳米二氧化硅混合加入球磨机进行粉磨，并经过选粉机选粉得到180目-220目的干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂。
将上述无碱速凝剂与水按照质量比为1∶1溶解得到液体无碱速凝剂。
实施例5
备料：硫酸铝(水不溶物含量＝0.15wt％，pH值(10g/L水溶液)＝3.5，铁含量＝0.36wt％)、氟硅酸盐(氟硅酸钠，水不溶物＝0.18wt％，氟硅酸盐含量＝98.5％)、偏铝酸钠(零水偏铝酸钠)、硅灰、固体醇胺(为工业级)和早强组分(粒径为160nm的C-S-H纳米晶种)；
按重量份数称取硫酸铝80份、氟硅酸钠3份、零水偏铝酸钠3份、硅灰10份、固体醇胺6份和C-S-H纳米晶种2份，将硫酸铝、氟硅酸盐、零水偏铝酸钠、硅灰、固体醇胺和C-S-H纳米晶种混合加入球磨机进行粉磨，并经过选粉机选粉得到180目-220目的干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂。
将上述无碱速凝剂与水按照质量比为1∶1溶解得到液体无碱速凝剂。
对比例1
按照专利CN112142359B中的方法制备得到的干、湿喷混凝土两用型粉状无碱速凝剂，具体为：
备料：硫酸铝(水不溶物含量＝0.15wt％，pH值(10g/L水溶液)＝3.5，铁含量＝0.36wt％)、氟硅酸盐(氟硅酸铁，水不溶物＝0.21wt％，氟硅酸盐含量＝98％)、固体醇胺(为工业级)、聚丙烯酰胺(为工业级，含量99％)、副产二氧化硅(pH值6.5，平均粒径14μm，含量97％，密度0.25)；
第一步：将600g硫酸铝和20g聚丙烯酰胺加入混料机，混合均匀后进行粉磨，粉磨细度控制在200目～250目；
第二步：将50g氟硅酸铁、100g固体醇胺、230g副产二氧化硅加入混料机，混合均匀后进行粉磨，粉磨细度控制在200目～250目；
第三步：将第一步和第二步得到的粉磨物混合，混合后经过微粉机选粉，细度控制在200目～250目，所得到的白色粉末即为粉状无碱速凝剂。
将上述无碱速凝剂与水按照质量比为1∶1溶解得到液体无碱速凝剂。
对比例2
同实施例1，区别仅在于，省略五水偏铝酸钠的加入。
对比例3
同实施例1，区别仅在于，省略早强组分(纳米二氧化硅)的加入。
对比例4
同实施例1，区别仅在于，省略氟硅酸盐的加入。
对比例5
同实施例1，区别仅在于，省略固体醇胺的加入。
性能测试
将实施例1-5以及对比例1-5制备得到的干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂(粉状无碱速凝剂)制备得到的水泥净浆，测试水泥净浆凝结时间与胶砂试块抗压强度；另外，将实施例1-5以及对比例1-5制备得到的液体无碱速凝剂制备得到的水泥净浆，测试水泥净浆凝结时间与胶砂试块抗压强度。并设置空白组，即不加入速凝剂，测试胶砂试块抗压强度。
依照GB/T35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》的标准(性能指标见表1)测试按照上述方法制备得到的水泥净浆凝结时间与胶砂试块抗压强度，结果见表2。
表1掺加速凝剂的净浆及砂浆的性能要求
表2凝结时间与抗压强度测定结果
由表2可知，各实施例的无碱速凝剂无论液体或粉状，其碱含量，水泥净浆初凝时间和终凝时间，水泥胶砂的1d抗压强度、28d抗压强度比和90d抗压强度保留率等性能，都符合GB/T35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》对无碱速凝剂的性能要求。
与实施例相比，对比例1的1d抗压强度较低，对比例2的1d抗压强度较低，28d抗压强度比较低，对比例3的1d抗压强度较低，对比例4初终凝时间过长，1d抗压强度较低，对比例5初终凝时间过长，1d抗压强度较低。
将各个实施例的液体无碱速凝剂在20℃的室内无光照静置28d以上，其稳定性均满足国标要求，上清液或底部沉淀物体积≤5mL。而对比例的结果为：对比例1的底部沉淀物体积＝4.5mL，对比例2的底部沉淀物体积＝3mL，对比例3的底部沉淀物体积＝3.5mL，对比例4的底部沉淀物体积＝6mL，对比例5的底部沉淀物体积＝7mL。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂，其特征在于，按重量份数计，包括以下原料：硫酸铝50-80份、氟硅酸盐3-7份、偏铝酸钠3-7份、硅灰6-10份、固体醇胺6-10份和早强组分1-2份。
2.根据权利要求1所述的干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂，其特征在于，所述硫酸铝中水不溶物含量≤0.2wt％，pH值≥3，铁含量≤0.5wt％。
3.根据权利要求1所述的干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂，其特征在于，所述氟硅酸盐包括氟硅酸镁、氟硅酸钠和氟硅酸铝中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂，其特征在于，所述早强组分包括纳米二氧化硅和/或C-S-H纳米晶种。
5.一种权利要求1-4任一项所述的干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按重量份数称取所述原料，将所述硫酸铝、氟硅酸盐、偏铝酸钠、硅灰、固体醇胺和早强组分混合粉磨，得到所述干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂。
6.根据权利要求5所述的干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂的制备方法，其特征在于，粉磨至粒径小于200目。
7.权利要求1-4任一项所述的干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂在制备喷射混凝土中的应用。
8.根据权利要求7所述的干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂在制备喷射混凝土中的应用，其特征在于，用于制备湿喷混凝土时，将所述无碱速凝剂与水按质量比为1∶1混合得到液体无碱速凝剂，所述液体无碱速凝剂的加入量为湿喷混凝土中胶凝材料质量的6％-8％。
9.根据权利要求7所述的干、湿喷射混凝土两用型无碱速凝剂在制备喷射混凝土中的应用，其特征在于，用于制备干喷混凝土时，直接将所述无碱速凝剂加入混凝土中，所述无碱速凝剂的加入量为干喷混凝土中胶凝材料质量的3％-4％。
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