專(zhuān)利名稱(chēng)：一種低堿液態(tài)速凝劑及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于隧道施工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種濕法噴射混凝土用液態(tài)低堿速凝劑，尤其涉及一種應(yīng)用于隧道濕噴混凝土中的低堿液態(tài)速凝劑及其制備方法。
背景技術(shù)：
速凝劑是一種能使水泥快速凝結(jié)的化學(xué)外加劑，它的使用能夠使水泥在很短的時(shí)間內(nèi)凝結(jié)硬化，主要應(yīng)用于噴射混凝土和噴射砂漿工程施工中。近年來(lái)，濕法噴射混凝土工藝由于施工環(huán)境好、回彈量低、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)而逐步取代傳統(tǒng)的干噴工藝，得到了廣泛的應(yīng)用。而配合該施工工藝使用的速凝劑為液態(tài)速凝劑。目前濕法噴射混凝土常用的液體速凝劑包括以硅酸鈉、鋁酸鈉為主的堿性液體速凝劑和低堿(或無(wú)堿)液體速凝劑。其中，堿性液體速凝劑的含堿量高，易對(duì)施工工人的身體造成傷害，且其摻入混凝土后，使噴射混凝土的后期強(qiáng)度明顯降低以及抗?jié)B等耐久性能下降。因此出于速凝劑對(duì)噴射混凝土力學(xué)性能、施工性能和施工方法等方面影響的考慮，低堿(或無(wú)堿)液態(tài)速凝劑是國(guó)際上主流速凝劑的發(fā)展方向。其中低堿速凝劑是指堿 (Na20+0. 658K20)含量占速凝劑總質(zhì)量的8%以下，無(wú)堿速凝劑是指堿(Na20+0. 658K20)含量占速凝劑總質(zhì)量的1%以下。近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外也成功研制出了一些低堿或無(wú)堿液態(tài)速凝劑。發(fā)明人經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和專(zhuān)利文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)目前低堿或無(wú)堿液態(tài)速凝劑中的主要速凝成分大多是硫酸鋁。速凝成分硫酸鋁中的鋁離子可以與水泥水化產(chǎn)生的Ca (0Η)2反應(yīng)生成水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣等產(chǎn)物，使水泥漿體產(chǎn)生凝結(jié)。但是硫酸鋁中的硫酸根離子的引入將使水泥水化環(huán)境中的硫酸根離子濃度增大，導(dǎo)致水化產(chǎn)物中鈣礬石含量增加，延緩水泥熟料C3A的水化過(guò)程， 延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間。因此達(dá)到要求的凝結(jié)時(shí)間就必須使用較多的硫酸鋁。因此目前以硫酸鋁為主要速凝成分的無(wú)堿液體速凝劑使用摻量均非常大(最高摻量可達(dá)到12%)。硫酸鋁的摻量非常大時(shí)，在混凝土中會(huì)引入高含量的硫酸根，而混凝土在硫酸鹽含量較高的時(shí)候使得噴射混凝土出現(xiàn)二次鈣礬石的可能性大大增加，二次鈣礬石的形成會(huì)形成膨脹應(yīng)力，使得混凝土開(kāi)裂甚至完全喪失力學(xué)性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種專(zhuān)用于隧道工程濕法噴射混凝土的低堿液態(tài)速凝劑及其制備方法。發(fā)明人經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)采用無(wú)堿或者低堿速凝劑時(shí)，速凝劑的成分中主要起速凝作用的均為鋁鹽，如硫酸鋁、活性氫氧化鋁等，速凝成分中的鋁離子可以與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)使水泥漿體產(chǎn)生凝結(jié)，達(dá)到速凝效果。因此提高液體低堿或無(wú)堿速凝劑的速凝效果，必須提高溶液中鋁離子的含量。也就是說(shuō)液體低堿或無(wú)堿速凝劑的研制過(guò)程主要是圍繞制備高鋁含量的穩(wěn)定溶液而進(jìn)行。發(fā)明人經(jīng)研究還發(fā)現(xiàn)，鋁在溶液中的存在形式有A13+、A10H2+、A1 (OH) 2\ Al (OH) 3、 AlO2-五種形態(tài)，若加上鋁離子與其它物質(zhì)形成絡(luò)合物離子狀態(tài)，則鋁離子在溶液中存在的形態(tài)更多。綜觀各種關(guān)于液體速凝劑的研究文獻(xiàn)和專(zhuān)利，對(duì)于鋁離子在溶液中穩(wěn)定存在的化學(xué)條件、最大濃度等均未涉及。發(fā)明人經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在溶液中無(wú)堿的條件下，要使溶液中鋁離子穩(wěn)定存在，Al3+不轉(zhuǎn)化為Al (OH)3晶體，只能保持溶液的PH值低于Γ4. 5。在PH值為6、時(shí)，Al (OH)3的分布系數(shù)較高，極易由于Al (OH)3的濃度超過(guò)飽和濃度而發(fā)生結(jié)晶。 研制低堿或無(wú)堿液體速凝劑必須在酸性環(huán)境中進(jìn)行，合成之后的速凝劑也必須在穩(wěn)定的酸性環(huán)境中。而鋁離子為兩性金屬離子，在與強(qiáng)酸，如硫酸、鹽酸等形成的鹽呈酸性，可滿(mǎn)足穩(wěn)定存在的條件，但綜合考慮到混凝土中鋼筋銹蝕問(wèn)題，可選用的鋁鹽只有硫酸鋁。為了避免單一速凝成分硫酸鋁存在的弊端，而同時(shí)能提高液態(tài)速凝劑的速凝效果，本發(fā)明所提出的技術(shù)方案為以硫酸鋁溶液和鋁酸鈉溶液中和生成氫氧化鋁溶膠，再以硫酸鋁在原溶液體系內(nèi)與氫氧化鋁溶膠聚合反應(yīng)形成聚合硫酸鋁，使速凝劑溶液溶液具有較高的鋁離子含量及液態(tài)穩(wěn)定性。本發(fā)明所提出的低堿液態(tài)速凝劑中，加入有穩(wěn)定劑，使制備的速凝劑在長(zhǎng)期存放下不出現(xiàn)結(jié)晶沉淀；本發(fā)明使用的穩(wěn)定劑為醇胺類(lèi)、酰胺類(lèi)有機(jī)物，可以選用二乙醇胺、三乙醇胺、丙醇胺、丙烯酰胺、聚丙烯酰胺中的一種或兩種混合制備。本發(fā)明所提出的一種高效低堿液態(tài)速凝劑由硫酸鋁、鋁酸鈉以及穩(wěn)定劑組成；各成分的質(zhì)量百分比為硫酸鋁40 60%，鋁酸鈉6 12%，穩(wěn)定劑0 0. 2%，其余部分為水。本發(fā)明提出的低堿液態(tài)速凝劑的生產(chǎn)原料易得，所用設(shè)備無(wú)特殊要求，操作簡(jiǎn)單。 另外本發(fā)明的低堿液態(tài)速凝劑的堿含量在29Γ4. 5%之間，具有摻量少(為水泥質(zhì)量的2 8%)，長(zhǎng)期儲(chǔ)存穩(wěn)定性好，對(duì)水泥品種的適用性廣泛(適用于普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥粉、煤灰硅酸鹽水泥及復(fù)合硅酸鹽水泥等)等特點(diǎn)。本發(fā)明中選用的硫酸鋁是工業(yè)級(jí)十八水硫酸鋁，Al2O3含量大于15%，為提高硫酸鋁的溶解速度，可將硫酸鋁粉碎至Imm以下。本發(fā)明中硫酸鋁的優(yōu)選用量為50 55%。本發(fā)明中使用的鋁酸鈉為市售工業(yè)鋁酸鈉，NaAlO2含量>65%。本發(fā)明中鋁酸鈉的優(yōu)選用量為7 10%。本發(fā)明中使用的穩(wěn)定劑所用原料為醇胺類(lèi)、酰胺類(lèi)有機(jī)物單摻或復(fù)配制得；可以選用二乙醇胺、三乙醇胺、丙醇胺、丙烯酰胺、聚丙烯酰胺中的一種或兩種混合制備，其主要作用是保證制備的速凝劑溶液不出現(xiàn)結(jié)晶沉淀。本發(fā)明中穩(wěn)定劑的優(yōu)選用量為0.05 0. 1%。本發(fā)明的制備方法簡(jiǎn)便，整個(gè)生產(chǎn)需分步進(jìn)行，具體制備方法如下
第一步稱(chēng)取硫酸鋁粉末和鋁酸鈉粉末，取原料總重量20% 30%硫酸鋁加入總用水量 80%的水配制硫酸鋁液體，將原料總重量6% 12%鋁酸鈉加入總用水量20%的水配制成鋁酸鈉液體；
第二步將鋁酸鈉液體緩慢滴加到硫酸鋁液體中，在滴加過(guò)程中滴加速度一定要緩慢且攪拌要均勻，以保證鋁酸鈉溶液與硫酸鋁溶液中和生成氫氧化鋁溶膠并保持膠融狀態(tài)；
第三步將第二步制得的液體升溫至60 80°C，加入剩余的硫酸鋁粉末，保溫、攪拌反應(yīng)至變?yōu)榍辶寥芤?；加入穩(wěn)定劑，攪拌均勻，即得本發(fā)明所述的低堿液態(tài)速凝劑。
本發(fā)明的具體應(yīng)用方法是按照常規(guī)方法將本發(fā)明所述的液態(tài)速凝劑在噴嘴處加入到噴射混凝土拌合物中，其用量為水泥用量的2 8%，優(yōu)選用量為4 6%。本發(fā)明對(duì)于噴射混凝土有如下積極的效果
1.按照J(rèn)C477-2005的實(shí)驗(yàn)條件，本發(fā)明的速凝劑在較低的摻量下(5 6%)可使普通水泥在5分鐘內(nèi)初凝，8分鐘內(nèi)終凝；
2.按照J(rèn)C477-2005的實(shí)驗(yàn)條件，本發(fā)明的速凝劑可使水泥砂漿的Id強(qiáng)度達(dá)到12MPa 以上，28d抗壓強(qiáng)度比大于100% ；
3.本發(fā)明所提供的低堿液態(tài)速凝劑對(duì)不同品種的水泥具有良好的適應(yīng)性。
具體實(shí)施例方式一種低堿液態(tài)速凝劑，所用組分的質(zhì)量百分比及制備加熱溫度如表1所示。表1制備實(shí)施例
權(quán)利要求
1.一種低堿液態(tài)速凝劑，其特征在于所述的低堿液態(tài)速凝劑，以硫酸鋁溶液和鋁酸鈉溶液中和生成氫氧化鋁溶膠，再以硫酸鋁在原溶液體系內(nèi)與氫氧化鋁溶膠聚合反應(yīng)形成聚合硫酸鋁，使速凝劑溶液溶液具有較高的鋁離子含量及液態(tài)穩(wěn)定性；所述的低堿液態(tài)速凝劑由硫酸鋁、鋁酸鈉以及穩(wěn)定劑組成；各成分的質(zhì)量百分比為硫酸鋁 40 60%，鋁酸鈉6 12%，穩(wěn)定劑0 0.2%，其余部分為水。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種無(wú)堿液態(tài)速凝劑，其特征在于硫酸鋁的優(yōu)選用量為 50 55%。
3.按照權(quán)利要求1所述的一種無(wú)堿液態(tài)速凝劑，其特征在于鋁酸鈉的優(yōu)選用量為 7 10%。
4.按照權(quán)利要求1所述的一種高效無(wú)堿液態(tài)速凝劑，其特征在于穩(wěn)定劑的優(yōu)選用量為 0. 05 0. 1%。
5.按照權(quán)利要求1或4所述的一種無(wú)堿液態(tài)速凝劑，其特征在于所述穩(wěn)定劑為醇胺類(lèi)、酰胺類(lèi)有機(jī)物單慘或復(fù)配制得，可以選用二乙醇胺、三乙醇胺、丙醇胺、丙烯酰胺、聚丙烯酰胺中的一種或兩種混合制備。
6.一種低堿液態(tài)速凝劑的制備方法，其特征在于具體制備步驟如下1)稱(chēng)取硫酸鋁粉末和鋁酸鈉粉末，取原料總重量20% 30%硫酸鋁加入總用水量80% 的水配制硫酸鋁液體，將原料總重量6% 12%鋁酸鈉加入總用水量20%的水配制成鋁酸鈉液體；2)將鋁酸鈉溶液緩慢滴加到硫酸鋁溶液中，在滴加過(guò)程中滴加速度一定要緩慢且攪拌要均勻，以保證鋁酸鈉溶液與硫酸鋁溶液中和生成氫氧化鋁溶膠并保持膠融狀態(tài)；3)將步驟2)制得的液體升溫至60 80°C，加入剩余的硫酸鋁粉體，保溫、攪拌反應(yīng)至變?yōu)榍辶寥芤海患尤敕€(wěn)定劑，攪拌均勻，即得本發(fā)明所述的低堿液態(tài)速凝劑。
全文摘要
本發(fā)明屬于隧道施工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種低堿液態(tài)速凝劑及其制備方法。所述的低堿液態(tài)速凝劑，以硫酸鋁溶液和鋁酸鈉溶液中和生成氫氧化鋁溶膠，再以硫酸鋁在原溶液體系內(nèi)與氫氧化鋁溶膠聚合反應(yīng)形成聚合硫酸鋁，使速凝劑溶液溶液具有較高的鋁離子含量及液態(tài)穩(wěn)定性；所述的低堿液態(tài)速凝劑由硫酸鋁、鋁酸鈉及穩(wěn)定劑組成；各成分的質(zhì)量百分比為硫酸鋁40～60％，鋁酸鈉6～12％，穩(wěn)定劑0～0.2％，其余部分為水。本發(fā)明對(duì)于噴射混凝土有如下積極的效果在較低的摻量下可使普通水泥在5分鐘內(nèi)初凝，8分鐘內(nèi)終凝；可使水泥砂漿的1d強(qiáng)度達(dá)到12MPa以上，28d抗壓強(qiáng)度比大于100％；對(duì)不同品種的水泥具有良好的適應(yīng)性。
文檔編號(hào)C04B22/14GK102219426SQ20111009501
公開(kāi)日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月15日
發(fā)明者付仲潤(rùn), 張迅, 李治國(guó), 楊立新, 洪開(kāi)榮, 王光輝, 程俊武, 羅小橋, 許將, 賀雄飛, 陳洪光 申請(qǐng)人:中鐵隧道集團(tuán)有限公司