一种磷酸钾镁水泥凝结时间和早期水化速度的控制方法

摘要

一种磷酸钾镁水泥凝结时间和早期水化速度的控制方法，属于一种早强快硬水泥胶凝材料，复合缓凝剂可有效调节磷酸钾镁水泥浆体的凝结时间，通过调节复合缓凝剂中的氯化物和十二水合磷酸氢二钠的含量可有效控制磷酸钾镁水泥浆体的凝结时间在10分钟～6小时的范围内。解决了缓凝效果有限和可操作性差等问题。复合缓凝剂可改变磷酸钾镁水泥的水化放热特征，掺传统缓凝剂硼砂的磷酸钾镁水泥浆体仅在反应初期有一个水化放热峰且放热速度较快和放热量较大，掺复合缓凝剂的磷酸钾镁水泥有两个水化放热峰，且水化初期的水化放热量较小。掺复合缓凝剂改善了磷酸钾镁水泥硬化体的微观结构和提高磷酸钾镁水泥硬化体的后期强度，使磷酸钾镁水泥浆体达到早强快硬的同时又能保证足够的施工可操作时间。

说明书

技术领域

本发明涉及一种早强快硬水泥胶凝材料，特别涉及一种磷酸钾镁水泥凝结时间和早期水化速度的控制方法。

背景技术

经检索国内外水泥技术概况：西方一些发达国家自上世纪90年代已将磷酸镁水泥大量用于混凝土路面及工业厂房的快速修复、固化有害及放射性废料以及结合工业废料生产建筑材料等方面，从对磷酸镁水泥修补路面的使用情况调查，其耐久性能已得到有效的证明。在我国：部分学者和企业科技研发人员在实验室对磷酸镁水泥的力学性能以及作为修补材料的各种性能进行了多方面的研究，目前为止还没有发展到生产和应用的阶段。其中影响磷酸镁水泥生产和应用的最大障碍是其快凝特性。磷酸镁水泥的水化反应实质上是一个以酸碱中和反应为基础的放热反应，其反应速度较快，而反应放出的大量热量又进一步加快了体系的反应速度。因此：磷酸镁水泥浆体凝结速度很快，20℃以上温度时几分钟内就会迅速凝结硬化，快凝特性严重影响了磷酸镁水泥的推广，并限制了它的应用范围。目前：磷酸镁水泥缓凝采用的方法主要是：

(1)加入缓凝剂硼砂、硼酸和三聚磷酸钠。但缓凝剂掺量少时缓凝效果有限，如缓凝剂硼砂掺量不超过5％时，磷酸镁水泥浆体的初凝时间最多不超过15min，而缓凝剂掺量大时，会导致磷酸镁水泥早期强度大幅度下降，弹性模量也会降低。

(2)减小死烧MgO活性与细度。活性低的MgO需要较高的煅烧温度且很难控制，MgO太粗会影响磷酸镁水泥硬化体的流动性和早期强度，在环境温度较高时缓凝效果并不明显。

(3)磷酸镁水泥的主要组成材料是死烧氧化镁和磷酸盐，提高磷酸盐的含量可适当延缓磷酸镁水泥的凝结时间，但磷酸盐掺入较多时会增加磷酸镁水泥的成本和降低磷酸镁水泥的强度及抗水性，且在环境温度较高时缓凝效果不佳。

(4)冷却拌与用水。国外对传统磷酸镁水泥设计了冬季和夏季两种配方方案，已有采用低温冷却水拌和磷酸镁水泥浆体延缓夏季高温环境下浆体凝结时间的报道，但实际使用可操作性较差。

在国外，有关报道已有延缓磷酸镁水泥浆体凝结时间的方法，但有一定的局限性，且有副作用，仅能延缓几分钟，可操作性差。在国内，科研机构和水泥企业的科技人员在不断地研究探索磷酸镁水泥制备技术，虽然取得一些成果，但在实际运用中仍然存在着尚未克服的技术难题。

发明内容

本发明在于克服以上不足，提供了一种磷酸钾镁水泥凝结时间和早期水化速度的控制方法，通过掺复合缓凝剂和调整复合缓凝剂中氯化物和十二水合磷酸氢二钠的含量在10分钟～6小时的范围内有效调节磷酸钾镁水泥的凝结时间；掺复合缓凝剂的磷酸钾镁水泥有两个水化放热峰，水化初期的水化放热量较小；掺复合缓凝剂还可改善磷酸钾镁水泥硬化体的微观结构和后期强度，使磷酸钾镁水泥浆体达到早强快硬的同时又能保证足够的施工可操作时间。

本发明解决其技术问题所采用的技术步骤是：(1)在干燥环境条件下，将硼砂、十二水合磷酸氢二钠和氯化物按照一定比例混合均匀，制成复合缓凝剂；(2)将适当的复合缓凝剂加入定量水中，充分搅拌，得到均匀的混合溶液；(3)将一定量磷酸钾镁水泥的主要组成材料磷酸二氢钾加入到上述混合溶液中，充分搅拌均匀，得到磷酸钾镁水泥反应溶液；(4)在磷酸钾镁水泥反应溶液中加入一定量磷酸钾镁水泥的主要组成材料死烧氧化镁，充分搅拌均匀，得到可控制凝结时间和早期水化速度的磷酸钾镁水泥浆体。

一种磷酸钾镁水泥凝结时间和早期水化速度的控制方法的具体过程如下：

第一步骤：将25～50质量份的工业级硼砂晶体(40～80目)、0～75质量份的工业级十二水合磷酸氢二钠(40～80目)、25～50质量份的工业级氯化物(40～80目)在干燥环境和一定的室温下充分混合得到复合缓凝剂；

第二步骤：将3～13质量份的复合缓凝剂加入10～15质量份的水中，在一定的室温下：用水泥净浆搅拌机的手动控制程序，取慢速搅拌1～2分钟，得到均匀的混合溶液，再将20～35质量份的磷酸二氢钾慢慢的投入混合溶液中，在投放过程中使搅拌机慢速转动，待磷酸二氢钾投放完毕1～2分钟，调到快速转动档搅拌1～2分钟停止，制得磷酸钾镁水泥反应溶液；继续调到慢速搅拌档，慢慢投入35～80质量份的死烧氧化镁，待投放完毕1～2分钟后，调到快速搅拌3～5分钟，可得到能控制磷酸钾镁水泥凝结时间和早期水化反应速度的水泥浆体；

第三步骤：通过调整复合缓凝剂中的氯化物和十二水合磷酸氢二钠的含量可有效控制磷酸钾镁水泥浆体的凝结时间。

本发明的有益效果是：

复合缓凝剂可有效调节磷酸钾镁水泥浆体的凝结时间，通过调节复合缓凝剂中的氯化物和十二水合磷酸氢二钠的含量可有效控制磷酸钾镁水泥浆体的凝结时间在10分钟～6小时的范围内，解决了缓凝效果有限和可操作性差等问题。

复合缓凝剂可改变磷酸钾镁水泥的水化放热特征，掺传统缓凝剂硼砂的磷酸钾镁水泥浆体仅在反应初期有一个水化放热峰且放热速度较快和放热量较大，掺复合缓凝剂的磷酸钾镁水泥有两个水化放热峰，且水化初期的水化放热量较小。

与掺传统缓凝剂硼砂的磷酸钾镁水泥比较，掺复合缓凝剂改善了磷酸钾镁水泥硬化体的微观结构和提高磷酸钾镁水泥硬化体的后期强度。

附图说明

图1是一种磷酸钾镁水泥凝结时间和早期水化速度的控制方法的工艺过程。

图2是一种磷酸钾镁水泥凝结时间和早期水化速度的控制方法的生成效果。

a复合缓凝剂对磷酸钾镁水泥浆体水化过程温度上升的影响

b复合缓凝剂对磷酸钾镁水泥浆体水化放热特性的影响

图3是一种磷酸钾镁水泥凝结时间和早期水化速度的控制方法对磷酸钾镁水泥硬化体强度发展和微观特性的生成效果。

a复合缓凝剂对磷酸钾镁水泥硬化体强度发展的影响

b复合缓凝剂对磷酸钾镁水泥硬化体微观结构的影响

具体实施方式

下面是结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

在图1中：(1)在干燥环境条件下，将硼砂、十二水合磷酸氢二钠和氯化物按照一定比例混合均匀，制成复合缓凝剂；

(2)将适当的复合缓凝剂加入定量水中，充分搅拌，得到均匀的混合溶液；

(3)将一定量磷酸钾镁水泥的主要组成材料磷酸二氢钾加入到上述混合溶液中，充分搅拌均匀，得到磷酸钾镁水泥反应溶液；

(4)在磷酸钾镁水泥反应溶液中加入一定量磷酸钾镁水泥的主要组成材料死烧氧化镁，充分搅拌均匀，得到可控制凝结时间和早期水化速度的磷酸钾镁水泥浆体；

根据图1的工艺过程可将整个制备过程按制备顺序分为二个阶段：第一阶段为复合缓凝剂的制备，第二阶段为将复合缓凝剂和磷酸钾镁水泥的原材料及水按一定的混和次序混合制备成可控制凝结时间和早期水化反应速度的磷酸钾镁水泥浆体。

在图2-a中：为B掺复合缓凝剂和A掺传统缓凝剂硼砂的磷酸钾镁水泥浆体3h绝热温升曲线。B掺复合缓凝剂的磷酸钾镁水泥浆体较A掺传统缓凝剂硼砂的磷酸钾镁水泥浆体的温度上升速度减慢，这说明B掺复合缓凝剂的磷酸钾镁水泥浆体较A掺传统缓凝剂硼砂的磷酸钾镁水泥浆体的早期水化反应速度减慢。

在图2-b中：为B掺复合缓凝剂和A掺传统缓凝剂硼砂的磷酸钾镁水泥浆体的等温量热曲线。B掺复合缓凝剂的磷酸钾镁水泥浆体有两个水化放热峰，且水化初期的水化放热量较小，而A掺传统缓凝剂硼砂的磷酸钾镁水泥浆体仅在反应初期有一个水化放热峰，且放热速度较快，放热量较大。这说明复合缓凝剂改变了磷酸钾镁水泥浆体的放热特性。

在图3-a中：为B掺复合缓凝剂和A掺传统缓凝剂硼砂的磷酸钾镁水泥的强度发展曲线。B掺复合缓凝剂的磷酸钾镁水泥硬化体的早期强度较A掺传统缓凝剂硼砂的磷酸钾镁水泥硬化体的早期强度低，但在28d龄期时强度已基本接近，在60d时B掺复合缓凝剂的磷酸钾镁水泥硬化体的强度已高于A掺传统缓凝剂硼砂的磷酸钾镁水泥浆体硬化体的强度。

在图3-b中：为B掺复合缓凝剂和A掺传统缓凝剂硼砂的磷酸钾镁水泥硬化体的SEM图(60d)。与A掺传统缓凝剂硼砂的磷酸钾镁水泥硬化体的SEM图(60d)比较，复合缓凝剂显著改善了磷酸钾镁水泥水化产物晶体的结晶程度以及微裂缝，进而提高了磷酸钾镁水泥硬化体的后期强度。

实施例1：

在磷酸钾镁水泥中掺入占水泥质量比例10％的传统缓凝剂硼砂，首先将硼砂和磷酸二氢钾加入水中，在室温下用SJ-160型双轴转速水泥净浆搅拌机的手动控制程序，先取慢速搅拌1～2分钟，然后调到快速转动档搅拌1～2分钟，制得磷酸钾镁水泥反应溶液，继续调到慢速搅拌档，慢慢投入死烧氧化镁，待投放完毕后，调到快速搅拌1～2分钟，得到磷酸钾镁水泥浆体(A)。

在同样配比的磷酸钾镁水泥掺入占水泥质量比例10％的复合缓凝剂，将复合缓凝剂加入水中，在室温下用SJ-160型双轴转速水泥净浆搅拌机的手动控制程序，慢速搅拌1分钟，加入磷酸二氢钾，继续慢速搅拌1～2分钟，然后调到快速转动档搅拌1～2分钟，得到磷酸钾镁水泥反应溶液，继续调到慢速搅拌档，慢慢投入死烧氧化镁，待投放完毕后，调到快速搅拌3～5分钟，得到磷酸钾镁水泥浆体(B)。

在环境温度20℃条件下用维卡仪测试浆体的凝结时间，用直径×高＝30×30(mm)的圆柱体试件测试的硬化体的抗压强度。测试结果见表1：

表1

实施例2：

在磷酸钾镁水泥中掺入复合缓凝剂，调节复合缓凝剂中氯化物的掺量，将不同氯化物掺量的复合缓凝剂加入水中，在室温下用SJ-160型双轴转速水泥净浆搅拌机的手动控制程序，慢速搅拌1分钟，加入磷酸二氢钾，继续慢速搅拌1～2分钟，然后调到快速转动档搅拌1～2分钟，得到磷酸钾镁水泥反应溶液，继续调到慢速搅拌档，慢慢投入死烧氧化镁，待投放完毕后，调到快速搅拌3～5分钟，得到磷酸钾镁水泥浆体。

在环境温度20℃条件下用维卡仪测试浆体的凝结时间，用直径×高＝30×30(mm)的圆柱体试件测试的硬化体的抗压强度。测试结果见表2：

表2

实施例3：

在磷酸钾镁水泥中掺入复合缓凝剂，调节复合缓凝剂中十二水合磷酸氢二钠的掺量，将不同十二水合磷酸氢二钠掺量的复合缓凝剂加入水中，在室温下用SJ-160型双轴转速水泥净浆搅拌机的手动控制程序，慢速搅拌1分钟，加入磷酸二氢钾，继续慢速搅拌1～2分钟，然后调到快速转动档搅拌1～2分钟，得到磷酸钾镁水泥反应溶液，继续调到慢速搅拌档，慢慢投入死烧氧化镁，待投放完毕后，调到快速搅拌3～5分钟，得到磷酸钾镁水泥浆体。

在环境温度20℃条件下用维卡仪测试浆体的凝结时间，用直径×高＝30×30(mm)的圆柱体试件测试的硬化体的抗压强度。测试结果见表3：

表3