一种磷酸镁水泥用缓凝剂及其使用方法与流程

1.本发明涉及一种磷酸镁水泥用缓凝剂及其使用方法，属于磷酸镁水泥外加剂技术领域。


背景技术：

2.混凝土结构因原材料、配合比设计、结构设计、环境侵蚀、施工缺陷、维护不周等各种原因在服役期间往往发生劣化，未达到预期寿命而破坏。任何混凝土结构从建设期开始到其服役期末，需不断进行防护、维护、修复或修补。随着我国基础建设的全面开展，在未来一段时间内钢筋混凝土结构的修补、修复与防护等问题将会日益突出。
3.选择正确的修补材料是关键，随着大交通、快节奏时代的到来，理想的修补材料应符合如下要求：1.凝结时间快，有利于快速恢复原状；2.早强；3.高强；4.良好的工作性，易于施工；5.修补界面有较好的黏结强度；6.后期强度不倒缩、耐久性好；7.低收缩或微膨胀；8.可低温施工硬化。
4.传统的混凝土修补材料主要有：硅酸盐水泥基材料、硫铝酸盐水泥基材料、高聚物基材料及其复合材料，均具有小时强度（2h左右）不足问题，难以适应更短维修养护周期的修补工程的需求，有机类材料还具有环境污染问题。
5.磷酸镁水泥 （magnesium phosphate cement，mpc)是由磷酸镁、氧化镁以及外加剂按一定的比例组成的新型无机胶凝材料，具有快硬早强、粘结强度高、体积变形小、耐磨性好、环境适应性广等特点，使其在工程快速修补方面具有广阔的应用前景。
6.虽然快速修补材料需要快凝，但是磷酸镁水泥反应过于迅速，在不采取任何手段时室温下凝结时间在3min以内，满足不了施工条件所需的操作时间。行业主流做法很难在凝结时间与强度之间调和平衡：高强伴随急凝、缓凝伴随低强。常在磷酸镁体系中掺入如硼砂、硼酸等；但缓凝剂掺量少时缓凝效果有限，如缓凝剂硼砂掺量0
‑
5% 时，磷酸镁水泥浆体的凝结时间10min以内，1h强度20mpa以内；而缓凝剂掺量大时，磷酸镁水泥浆体早期强度发展缓慢，如缓凝剂硼砂掺量超过10%后，磷酸镁水泥凝结时间超过了15min，但在1h几乎没有强度，3小时强度约为 10mpa。使用单一缓凝剂或单纯调整缓凝剂的用量很难在凝结时间与强度之间调和平衡，为此，大量专家、学者正在积极探索和研究更适宜的缓凝方法，但目前尚无简单且行之有效的方法被应用或报导。申请号为201310295608.7的中国专利公开了一种控制磷酸镁水泥凝结和硬化的方法，通过提高硼砂缓凝剂的加入量来延缓凝结，然后通过提高环境温度使早期强度快速形成。此种方法理论上可行，也不失为一种另辟蹊径的创新思路，但是增加了施工设施投入和现场管理难度，施工质量稳定性无有效保障，降低了实际应用的可能性。
7.申请号为201510808706.5的中国专利公开了一种磷酸镁水泥基复合材料性能调节外加剂，其中调凝剂为碱或碱土金属的氯盐。此种方法会在体系中引入氯离子，对钢筋混凝土结构的钢筋会因电化学反应而产生腐蚀，从而影响混凝土结构性能。


技术实现要素：

8.本发明旨在提供一种磷酸镁水泥用缓凝剂及其使用方法，能有效且可控地延缓凝结时间，同时不损害其早期强度，对其后期强度及耐久性能也无不利影响。
9.本发明提供了一种磷酸镁水泥用缓凝剂，包含下列重量份数的材料：23
‑
48份硼砂：27
‑
38份的七水硫酸镁： 1
‑
6份的三水乙酸钠。
10.所述硼砂为十水硼酸钠，白色细小结晶体，纯度≥95wt%。
11.七水硫酸镁为白色或无色结晶颗粒或粉末，纯度≥99wt%。
12.三水乙酸钠为无色透明结晶或白色结晶性粉末，纯度≥98wt%。
13.本发明还提供了一种磷酸镁水泥用缓凝剂的使用方法，该方法包括以下步骤：（1）按上述重量份称取硼砂、七水硫酸镁、三水乙酸钠，混合均匀，得到磷酸镁水泥用缓凝剂；（2）将磷酸镁水泥用缓凝剂加入到磷酸镁水泥或含有磷酸镁水泥的混合料中，均匀混合后加水，充分搅拌，即可制得磷酸镁水泥浆、磷酸镁砂浆或磷酸镁混凝土。
14.所述磷酸镁水泥为氧化镁与磷酸二氢钾的混合物。
15.其中氧化镁与磷酸二氢钾的质量比为（2～3.5）：1，以（2.3～3.1）：1为佳。
16.磷酸镁水泥缓凝剂的质量为磷酸镁水泥中氧化镁和磷酸二氢钾总质量的3.2％～5％。
17.为更方便理解本发明的缓凝机理和创新性，有必要先对未掺加缓凝剂的磷酸镁水泥水化过程做简单阐述如下：mpc与水混合后kh2p04在水体系中溶解成k

、h2p04‑
、h

和p0
43
‑
，使得溶液ph值较低;其次碱性氧化物mgo在酸性环境中润湿后，mgo颗粒表面溶解并产生mg
2
，最后随着体系ph值上升，mg
2
与 p0
43
‑
、k

、h2p04‑
之间相互作用生成一种磷钾镁盐络合物水化凝胶，凝胶的主要物相为mgkp04•
6h20(k
‑ꢀ
struvite，俗称k型鸟粪石），体系迅速凝结硬化，放出大量热量，水化凝胶包裹着过量mgo颗粒，最终形成较高强度的磷酸镁水泥硬化体，理论反应方程式：mgo kh2p04 5h20=mgkp04•
6h20。
18.添加本发明所述缓凝剂，既能充分利用硼砂组分的缓凝效果，使其在镁砂表面反应形成钝化保护膜，降低氧化镁活性的同时起到暂时阻隔作用，减缓镁砂与磷酸二氢钾的反应，从而延缓水化反应进程，除此以外，其它有益效果还在于在于：（1）降低体系酸度，延缓氧化镁溶解：由于缓凝剂中的三水醋酸钠溶解度大于磷酸二氢钾，磷酸镁水泥加入水后，在水中先后形成碱性环境
‑
酸性缓冲环境
‑
酸性环境，与不加缓凝剂时相比，能延缓氧化镁的溶解，从而达到缓凝目的。
19.（2）降低体系温度，进而延缓反应：所用缓凝剂均为含结晶水材料，一方面便于储存（无水品易吸湿使体系局部反应结块，而结晶品风化不影响其缓凝性能），一方面溶于水时都属吸热过程，使体系的温度降低，进一步延缓磷酸镁水泥水化反应。
20.（3）添加组分使溶液中镁离子饱和，延缓氧化镁溶解：七水硫酸镁溶解度显著高于氧化镁，使体系中mg
2
浓度较不加缓凝剂时明显提高，进一步延缓氧化镁的溶解。
21.基于上述缓凝技术的多重复合，可实现缓凝效果的可调可控，且以上组分不会对水泥后期强度和耐久性产生不利影响，既能达到延缓水泥水化进程，增加施工操作时间的目的，又能平衡凝结时间与强度增长的矛盾。
22.本发明的有益效果：与现技术相比，本发明具有以下优势：
（1）多重缓凝技术复合使用，缓凝效果明显，且易调可控；（2）简便实用，不增加额外使用设施或措施成本，不增加施工管理难度；（3）安全可靠，不引入对混凝土基体有害离子（如氯离子），不影响结构强度和耐久性；（4）适用性强，在磷酸镁水泥浆体、磷酸镁砂浆、磷酸镁混凝土中均可引入使用，效果稳定。
具体实施方式
23.下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
24.本发明中选取的原料如下：硼砂为十水硼酸钠，白色细小结晶体，纯度≥95wt%。
25.七水硫酸镁为白色或无色结晶颗粒或粉末，纯度≥99wt%。
26.三水乙酸钠为无色透明结晶或白色结晶性粉末，纯度≥98wt%。
27.磷酸镁水泥为氧化镁与磷酸二氢钾的混合料，其质量比为2.4：1。
28.实施例1：按重量份称取准备：硼砂25份，七水硫酸镁21份，三水乙酸钠4份，将上述材料混合倒入搅拌机充分混合均匀，制得本发明的磷酸镁水泥用缓凝剂,标记为1号；按质量比3.5%称取缓凝剂与磷酸镁水泥，混合均匀后加水使用。
29.实施例2：按重量份称取准备：硼砂25份，七水硫酸镁23.75份，三水乙酸钠1.25份，将上述材料混合倒入搅拌机充分混合均匀，制得本发明的磷酸镁水泥用缓凝剂，标记为2号；按质量比3.5%称取缓凝剂与磷酸镁水泥，混合均匀后加水使用。
30.实施例3：按重量份称取准备：硼砂25份，七水硫酸镁23.75份，三水乙酸钠1.25份，将上述材料混合倒入搅拌机充分混合均匀，制得本发明磷酸镁水泥用缓凝剂1号；按质量比4.5%称取缓凝剂与磷酸镁水泥，混合均匀后加水使用。
31.对比例:与实施例1不同的是，缓凝剂组分为单组分，仅使用硼砂做缓凝剂。
32.对比上述实施例与对比例可知：（1）实施例1与对比例相比，凝结时间由12min增加至23min（增幅91.6%），强度基本保持一致，即：本发明复合缓凝剂与目前常用单掺硼砂做缓凝剂（对比例）相比，在同等掺量
情况下可以大幅提高水泥凝结时间而不影响其强度。
33.（2）实施例2与对比例相比，凝结时间由12min增加至16min（增幅33.3%），强度大幅增加：1.5h抗压强度提高60%，28d抗压强度提高10%，1.5h抗折强度提高38.5%，28d抗折强度提高9.5%，即：本发明复合缓凝剂与目前常用单掺硼砂做缓凝剂（对比例）相比，在同等掺量情况下，通过调整缓凝剂组分的比例，不仅可以延长水泥凝结时间，而且可以提高同龄期强度。
34.（3）实施例3与对比例相比，凝结时间由12min大幅增加至30min（增幅150%），虽然1.5h抗压强度降低15.7%，但28d抗压强度仅降低2.5%，可视为长期性能未受影响，即：本发明复合缓凝剂与目前常用单掺硼砂做缓凝剂（对比例）相比，在允许范围内增加缓凝剂用量可以很大幅度延长水泥凝结时间，而不会大幅度降低强度。
35.综合上述实施例与对比例对比结果可知，采用本发明缓凝剂可通过调整掺量和组分比例来达到凝结时间的可调可控，同时不会因凝结时间的延长而使强度大幅度降低。