一种用于含钙铝硅酸盐胶凝材料的液态速凝剂及制备方法

摘要

本发明公开了属于建筑材料领域的一种用于含钙铝硅酸盐胶凝材料的液态速凝剂及制备方法。该液态速凝剂的组分及所占质量分数为：硫酸铝30-50％，三乙醇胺3-5％，亚硝酸钠1-3％，氢氧化锂2-4％，非离子型聚丙烯酰胺0.2-0.5％，萘磺酸盐甲醛缩合物5-10％，其余组分为水。制备方法为在常温环境中，在搅拌状态下，首先将三乙醇胺加入水中，搅拌后成为无色透明的溶液，然后将硫酸铝、氢氧化锂、亚硝酸钠和萘磺酸盐甲醛缩合物依次加入，搅拌成均匀的悬浊液后，再将非离子型聚丙烯酰胺加入，然后持续搅拌15～25分钟后停机出料，得到液态速凝剂。本发明的液态速凝剂碱度低、不含氟化物且具有多组分复合促凝的作用。

说明书

技术领域

本发明属于建筑材料领域，涉及一种用于含钙铝硅酸盐胶凝材料的液态速 凝剂及制备方法。

背景技术

在快速施工工程、岩土工程和地下隧道建造过程中，常在混凝土中掺入速 凝剂。快速施工工程包括快速通车路面、地面或地下坑洞的快速填充、开挖基 础立面的喷锚和建筑物的修补等，岩土工程包括岩土边坡的支护和加固，地下 隧道建造包括隧道立面和拱顶的快速施工建设。在混凝土中掺入速凝剂的目的 是促进混凝土的凝结速度、加快混凝土的强度发展历程、降低新施工混凝土在 塑性阶段由于自重的原因导致的与基层剥离的危险，实现立面、顶板、拱顶等 结构的快速、大厚度施工。

速凝剂在混凝土中的作用效果取决于速凝剂的化学组成和掺量、水泥的矿 物组成和含量、石膏的种类和含量、矿物掺合料的种类和用量、以及施工时的 温度等多种因素。速凝剂对水泥的促凝机理通常包括如下三种：(1)通过自身 的成分和水泥中的成分反应生成水化产物；(2)促进水泥中C₃A矿物的水化； (3)促进水泥中C₃S矿物的水化，不同品质的速凝剂在三种促凝机理中有所侧 重或兼而有之。常用的速凝剂在形态上可分为粉态和液态两种。同时，在施工 方式上可分为干喷法、湿喷法两大类，干喷法是首先将混凝土制备所需干料和 粉态速凝剂混合，然后由输送装置运输至喷射机，并在喷射机的喷嘴处将水加 入；湿喷法是首先将混凝土制备所需干料与水混合，然后由输送装置运输至喷 射机，在喷射机的喷嘴处将液态速凝剂加入。

液态速凝剂的优点是在混凝土中的分散均匀度高，施工过程中的回弹率和 粉尘量较小。国外在二十世纪七十年代开始使用液态速凝剂，如美国SHR型液 态速凝剂和日本DENKA NATIVIC型液态速凝剂，我国从上世纪八十年代后开 始，也相续研制了几种液态速凝剂，如HL-801型液态速凝剂、GK型液态速凝 剂和JL-1型液态速凝剂(郑国强.HL-801型液态速凝剂的试验研究，混凝土与 水泥制品，1989，02：22-24；周玲.GK新型液体速凝剂的研制，混凝土与水泥制品， 1994，01：13-14；韩玉芳.JL-1型低碱液体速凝剂的研制，混凝土，2009，04： 75-80)。同时，同济大学的秦廉等人申请了“喷射混凝土用环保型无碱液体速凝 剂及其制备方法”的发明专利，专利公开号：101423356；沈阳工业大学的梁克 民申请了“一种新型喷射混凝土用液体无碱速凝剂”的发明专利，专利公开号： 102079642A；江苏博特新材料有限公司的刘加平等人申请了“喷射混凝土用液 体速凝剂及其制备方法”的发明专利，专利公开号：101475335。但上述液态速 凝剂或者是由于其中含有大量的碱金属离子而具有潜在的碱骨料反应危险，或 者是由于其中含有对施工人员身体健康有巨大潜在危害的氟化物，因此阻碍了 其推广应用。

发明内容

本发明通过系统、深入地研究上述已有液态速凝剂的组成-结构-性能之间的 关系，以及它们的优缺点，提出一种用于含钙铝硅酸盐胶凝材料的液态速凝剂。 其用途是一种混凝土的外加剂，实现混凝土结构的快速施工，应用对象是喷射 混凝土。本发明所针对的含钙铝硅酸盐胶凝材料包括我国国标GB175-2007《通 用硅酸盐水泥》中定义的：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥。 本发明的特点是：碱度低、不含氟化物且具有多组分复合促凝的作用。

一种用于含钙铝硅酸盐胶凝材料的液态速凝剂，该液态速凝剂主要由硫酸 铝、三乙醇胺、亚硝酸钠、氢氧化锂、非离子型聚丙烯酰胺和萘磺酸盐甲醛缩 合物组成。各组分所占质量分数为：硫酸铝30-50％；三乙醇胺3-5％；亚硝酸钠 1-3％；氢氧化锂2-4％；非离子型聚丙烯酰胺0.2-0.5％；萘磺酸盐甲醛缩合物 5-10％，其余组分为水。

其中，硫酸铝可使用带有18个结晶水的工业级产品，要求其中氧化铝的含 量大于15％；三乙醇胺要求使用分析纯产品；亚硝酸钠可使用工业级产品，在 使用前储存时要采取防潮和密封处理，并放置于阴凉干燥处；氢氧化锂要求使 用分析纯产品；非离子型聚丙烯酰胺要求选用优等品，其固含量要大于90％； 萘磺酸盐甲醛缩合物固含量要大于94％，减水率大于20％；水可使用自来水。

本发明专利所提出的液态速凝剂的制备方法是：在常温环境中(25℃左右)， 在搅拌状态下(搅拌机的转速优选为3000rpm)，首先将三乙醇胺加入水中，搅 拌后成为无色透明的溶液，然后将硫酸铝、氢氧化锂、亚硝酸钠、萘磺酸盐甲 醛缩合物依次缓慢加入，搅拌成均匀的悬浊液后，再将非离子型聚丙烯酰胺加 入，然后持续搅拌15～25分钟后停机出料，得到液态速凝剂。最后将制备完成 的液态速凝剂用塑料桶进行封装、备用，所使用塑料桶的盖子要有良好的气密 性，以防止外界的水分和气体进入，降低产品的效用。

本发明的促凝机理是：(1)利用速凝剂自身的组分和水泥在水化过程中所 释放的离子相化合，生成具有胶凝性能的水化产物；(2)速凝剂中具有促进水 化产物形成速率的组分会促进胶凝材料中C₃A和C₃S两种矿物的水化；(3)速凝 剂中的悬浮稳定剂会提高液态速凝剂中组分的稳定性和匀质性；(4)减水剂会 降低新拌喷射混凝土的用水量、降低成熟喷射混凝土的孔隙率、提高喷射混凝 土的强度、抗渗透性和长期耐久性。具体而言就是：液态速凝剂提供的高活性 和离子，与胶凝材料水化后形成的Ca²⁺化合，生成具有胶凝作用的 钙矾石凝胶和晶体，同时，在上述钙矾石的形成过程中，水泥在制备过程中掺 入的石膏所释放出的也会参与反应，从而使得石膏对水泥中C₃A矿物的缓凝 作用减弱或消失，导致C₃A矿物的快速水化，并生成C₄AH₁₉和C₂AH₈等六方片状 的水化产物，这些水化产物会依靠晶体间的范德华力相结合而形成网络结构， 从而使得胶凝材料产生凝结；速凝剂中的促凝成分N(CH₂CH₂OH)₃、Li⁺和 OH^-会加速钙矾石的形成；速凝剂中的碱金属离子Na⁺和Li⁺会加速C₃S的水化； 速凝剂中的非离子型聚丙烯酰胺可增加液相的粘度，提高其中组分的悬浮稳定 性和长期匀质性；速凝剂中的萘磺酸盐甲醛缩合物可吸附于水化后的水泥颗粒 表面，起到润滑、分散的作用，降低胶凝材料体系在期望工作性下的需水量， 使得硬化后喷射混凝土的力学性能、孔径分布、抗渗透能力和长期耐久性得到 改善和提高。

发明的优点和积极效果：相对于粉态速凝剂，液态速凝剂的优点是：可避 免喷射施工前拌合阶段速凝剂的性能损失、在喷射混凝土中分散均匀、施工现 场的空气质量得到改善、喷射混凝土的回弹损失和后期强度损失小。除了具有 上述通常的优势外，本发明专利所提出的液态速凝剂还有下述优点：(1)多组 分协同：本液态速凝剂即提供生成水硬性水化产物所需的关键组分，又提供加 速胶凝材料中矿物水化速率的促凝组分；(2)适用性好：本液态速凝剂提供了 形成早期胶凝性水化产物所需的关键组分，因此保障了速凝剂的作用效果，减 小了早期水化产物形成过程中对胶凝材料水化过程中组分释放速率和迁移能力 的依赖性；(3)碱度低：液态速凝剂中所含的碱金属离子氧化物的质量百分数 小于5％，避免了碱骨料反应的危害；(4)增强增密：本液态速凝剂中的萘磺酸 盐甲醛缩合物具有润滑、分散胶凝材料颗粒的作用，因此使得在获得期望的工 作性时所需的用水量减小，使得硬化后混凝土中的总孔隙率减小，孔径分布得 以优化，强度和抗渗透能力增强。

附图说明

图1液态速凝剂制备工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行进一步的说明。

用于含钙铝硅酸盐胶凝材料的液态速凝剂，该液态速凝剂由硫酸铝、三乙 醇胺、亚硝酸钠、氢氧化锂、非离子型聚丙烯酰胺、萘磺酸盐甲醛缩合物和水 组成。四个实例所采用的各原材料的组成比例如下表1所示：

表1液态速凝剂中各原材料的组成比例

其中，硫酸铝使用带有18个结晶水的工业级产品，其中氧化铝的含量大于 15％；三乙醇胺使用分析纯产品；亚硝酸钠使用工业级产品，在使用前储存时要 采取防潮和密封处理，并放置于阴凉干燥处；氢氧化锂使用分析纯产品；非离 子型聚丙烯酰胺选用优等品，其固含量大于90％；萘磺酸盐甲醛缩合物固含量 大于94％，减水率大于20％；水使用自来水。

如图1所示，上述液态速凝剂的制备方法是：按照上表所示的原材料质量 分数称取相应的原料，在常温环境中(25℃左右)，在搅拌状态下(搅拌机的转 速为3000rpm)，首先将三乙醇胺加入水中，搅拌后成为无色透明的溶液，然后 将硫酸铝、氢氧化锂、亚硝酸钠、萘磺酸盐甲醛缩合物依次缓慢加入，搅拌成 均匀的悬浊液后，再将非离子型聚丙烯酰胺加入，然后持续搅拌20分钟后停机 出料，最后将制备完成的产品用塑料桶进行封装，然后即可运输到施工现场使 用，所使用塑料桶的盖子要有良好的气密性，以防止外界的水分和气体进入， 降低产品的效用。

应用实例：按照我国建材行业标准JC477-2005《喷射混凝土用速凝剂》中 的要求，进行本发明专利所提出的液态速凝剂性能的测试，测试的内容包括水 泥净浆凝结时间和砂浆的抗压强度。所用原材料的品质和所需原材料的质量分 别如下表2和表3所示：

表2原材料的品质

  序号   原材料名称   品质   1   水泥   基准水泥   2   砂   ISO标准砂   3   水   自来水

表3净浆和砂浆制备所需原材料的质量

注：速凝剂的掺量是水泥用量的质量百分数。

上述不同实例所制备液态速凝剂，对水泥净浆凝结时间和砂浆抗压强度影 响的测试结果如下表4所示。

表4不同品质液态速凝剂的测试结果

由表4的测试结果可见，使用本发明专利所提出的实例1和实例2所制备 的液态速凝剂，在掺量为水泥质量的8.0％时，其性能指标可达到行业标准 JC477-2005中合格品的要求；使用本发明专利所提出的实例3和实例4所制备 的液态速凝剂，在掺量为水泥质量的8.0％时，其性能指标可达到行业标准 JC477-2005中一等品的要求。