一种用于严寒环境下快凝快强的双快硫铝酸盐水泥及其制备方法和使用方法与流程

1.本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种能在严寒环境下快凝快硬或者快凝快强的双快硫铝酸盐水泥。
技术背景
2.目前，针对严寒环境下(如-20℃)如何开发一种适用于抢修抢建工作的材料，一直是工程材料领域的技术难题，主要困难有如下几点:
3.①
在严寒环境下，硫铝酸盐水泥基材料凝结硬化速度缓慢甚至无法正常凝结硬化。研究表明当混凝土养护温度从20℃降低到10℃时，其凝结时间会延长一倍，当养护温度降低到-5℃，其后期抗压强度会损失50％以上，温度降低到-15℃左右时，游离水几乎全部结冰导致水化反应完全停止，同时由于大孔中存在的自由水结冰(体积约增大9％)所产生内应力使混凝土面临因冻胀而产生结构破坏。
4.②
水泥基材料在负温环境下的施工及养护措施复杂。常用的几种混凝土冬季施工方法均存在施工及养护措施复杂等问题，不利于抢修抢建的快速进行，难以满足快速修补工程要求。
5.③
获取拌合水极为困难，通过加热等方式获取拌合水效率极低；严寒环境下混凝土拌合用水较难获取，同时采取融雪化冰效率较低下，不利于修复工程快速进行。
6.④
缺少能够在严寒环境下快速凝结硬化的无机胶凝材料。无机材料主要是快硬高强系列水泥，其中包括高铝水泥、快硬硫铝酸盐水泥、双快水泥、地聚合物水泥及磷酸盐水泥等。高铝水泥早期强度高，1天强度可达35mpa以上，耐硫酸盐好，但是耐碱性极差，长期性能不稳定，存放时间短，小时强度低。双快氟铝酸盐水泥凝结硬化快，小时强度较高，但存放时间短，不耐高温，负温强度低。地聚合物水泥快硬早强，耐硫酸盐侵蚀好，但其高碱性容易引发碱集料反应。磷酸盐水泥成本偏高，不适合大规模推广。
7.其中快硬硫铝酸盐水泥早期强度高，12h胶砂强度20～30mpa，抗冻性好。另外两个独特特点是负温硬化和碱度低，在低温(15～25℃)下,仍可水化硬化，液相碱度低(ph值为10.5～11.5)。但易起粉和产生裂纹，存放时间短，不耐高温，小时强度低，且负温强度更低。
8.综上所述，现行的双快硫铝酸盐水泥在严寒环境中早期强度较低，严重限制了抢修抢建工程的实施。虽然有部分负温硬化性能，但是其距离达到抢修抢建的标准较远，因此提出一种可以用于严寒环境下抢修抢建且对双快硫铝酸盐水泥具有普适性同时便于工业生产的方法是很有必要的，从而对加快冬季抢修抢建工程施工速率，降低冬季抢修抢建工程成本具有非常重要的经济意义；对加快双快硫铝酸盐水泥在抢修抢建领域的应用推广具有显著的社会意义。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提供一种施工后2h抗压强度在温度-20℃～-30℃的严寒环境中
可以达到10mpa以上，满足严寒环境下抢修抢建工程对胶凝材料早期强度发展的要求的速凝早强的快凝快硬硫铝酸盐水泥(双快硫铝酸盐水泥)，本双快硫铝酸盐水泥制备工艺简单、可施工性强，适用于严寒环境下的道路、公路、桥面、飞机跑道等工程结构的快速抢修抢建。
10.本发明解决了影响硫铝酸盐水泥在严寒环境下无法快硬早强的四个技术问题：怎样提供硫铝酸盐水泥水化条件、怎样解决拌合用水、怎样适用于双快硫铝酸盐水泥的水化体系、怎样在严寒环境下快速水化，本发明通过对这四个问题的递进解决从而形成一个完整的解决方案。本专利中所述的严寒环境，是指-20℃～-30℃左右温度的环境。
11.本发明所述的用于严寒环境下快凝快强的双快硫铝酸盐水泥，在主材料中加入成核剂、速凝剂作为水泥初始水化诱发剂，加入防冻剂作为融雪化冰成分，加入发热材料、储能材料、引气剂以及保温材料作为放热保温成分，加入快速水化矿物作为连续水化剂；所述主材料包括硫铝酸盐水泥熟料、石灰石、无水石膏。
12.上述的双快硫铝酸盐水泥，主材料中，按质量份，硫铝酸盐水泥熟料50～80份，石灰石15～35份，无水石膏5～15份。主材料还包括缓凝剂，以硫铝酸盐水泥熟料、石灰石、无水石膏三者的质量和100份为基础，缓凝剂不高于0.5份。所述石灰石中氧化钙含量不低于50％，氧化镁含量低于1.5％；所述无水石膏中三氧化硫含量不低于45％；所述缓凝剂为葡萄糖酸钠，有效组份不低于85％。
13.上述的双快硫铝酸盐水泥，以主材料质量100份为基础，按照和主材料份数的质量倍数，加入如下添加剂材料：
14.早强剂0～0.06倍份；
15.成核剂0.003～0.015倍份；
16.速凝剂0.01～0.05倍份；
17.防冻剂1～6倍份；
18.发热材料4～15倍份；
19.储能材料3～8倍份；
20.引气剂0.01～0.03倍份；
21.保温材料3～10倍份；
22.快速水化矿物3～15倍份。
23.上述的双快硫铝酸盐水泥，早强剂包含硅酸钠、铝酸钠、硫酸铝或者硫酸铝钾。该类物质能与硫铝酸盐水泥中的矿物发生反应，促进水化，使水泥浆体温度初步提升。
24.上述的双快硫铝酸盐水泥，成核剂包含纳米sio2、稻壳灰、纳米caco3、纳米粘土、硝酸锂、碳酸锂以及氯化锂中的一种或者几种。该类物质能使硫铝酸盐水泥水化产物中的晶体迅速成核，不仅提升水泥基体的强度而且能使浆体温度进一步提升。
25.上述的双快硫铝酸盐水泥，速凝剂包含硫酸钠、硫酸钾、硫酸钙、氯化钙、氯化镁、氯化钠、氯化铝、硝酸钙、亚硝酸钙、甲酸钙中的一种或几种。
26.上述的双快硫铝酸盐水泥，使冰液态化的防冻剂包含甲酸钾、甲酸钠、乙酸钾、乙酸钠、磷酸钾、磷酸钠中的一种或者几种。
27.上述的双快硫铝酸盐水泥，发热材料为以碱性电池为原理的材料，包括锌粉、铝粉、铁粉、过硫酸盐或过碳酸盐、二氧化锰、碳粉、脱钝剂、硅酸钠或氢氧化钠或氢氧化钾、聚
乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇。
28.上述的双快硫铝酸盐水泥，发热材料为以铝热反应为原理的材料，包括铝粉、氧化铁粉、高锰酸钾或次氯酸钾或过碳酸钠、聚乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇。该类物质能在硫铝酸盐水泥浆体中能提供大量的热量，使其温度极速上升，为水泥的水化提供温度条件。
29.上述的双快硫铝酸盐水泥，储能材料包括载体和相变材料；载体包括高岭土、伊利土、叶蜡石、滑石、膨润土、海泡石、凹凸棒石、硅藻土、沸石、累托石中的一种或几种；相变材料包括石蜡、乙烯丁酯、聚乙二醇、十八烷酸甲酯、新戊二醇、季戊四醇、三羟甲基氨基甲烷、聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂中的一种或几种。该类材料的主要作用是将发热材料产生的热量通过相变的形式储存起来，当浆体温度低于某一个阈值时释放，使温度处于合理的范围。
30.上述的双快硫铝酸盐水泥，引气剂为松香树脂类、十二烷基磺酸盐、烷基苯磺酸盐、脂肪醇磺酸盐、皂苷类、蛋白质盐中的一种或者几种。本类材料的作用能使水泥基材料在搅拌过程中产生少量的微小气泡，从而降低浆体的导热系数，使水泥浆体的温度停留在一定的水平。
31.上述的双快硫铝酸盐水泥，保温材料为膨胀蛭石、空心玻璃微珠、微孔硅酸钙、膨胀珍珠岩中的一种或者几种。该类材料的作用不仅能降低水泥浆体的导热系数，降低热量散失的速度，同时作为填料改善硫铝酸盐水泥的力学性能。
32.上述的双快硫铝酸盐水泥，快速水化矿物为无水氟铝酸钙、铝酸钙、铁铝酸钙、铝酸三钙中的一种或几种。该类材料的作用是保证硫铝酸盐水泥水化的连续性，从而保证温度持续处于合适的位置，从而加大水泥的水化程度，保证其早期的力学性能。
33.本发明同时提出了制备简单方便的所述双快硫铝酸盐水泥的制备方法，包含以下步骤：
34.将硫铝酸盐水泥熟料、石灰石粉、无水石膏加入到球磨机里，混磨后得到主材料；
35.将早强剂、成核剂、速凝剂、防冻剂、发热材料、储能材料、引气剂、保温材料、快速水化矿物，加入到主材料中，使用粉体混合机混合得到双快硫铝酸盐水泥。
36.本发明同时提供了可以使用水、雪或冰作为拌合水，在施工现场使用方便的上述双快硫铝酸盐水泥的使用方法，取双快硫铝酸盐水泥质量的0.25～0.45倍的水、碎冰或者雪，加入到上述材料中，搅拌60～360秒使其混合均匀形成流体状浆体，得到用于严寒环境下施工的快硬早强硫铝酸盐水泥。
37.本发明的有益效果：
38.本发明通过掺入早强剂、成核剂、速凝剂等外加剂实现双快硫铝酸盐水泥在严寒环境下的快速水化；在此基础上加入少量的防冻剂来降低水的冰点实现冰的液态化，以保证水泥后续水化所需的水分；在此基础上加入发热材料、储能材料、引气剂以及保温材料来保证水泥的持续水化所需要的温度，在此基础上引入适量的快速水化矿物来保证水泥水化的连续性。
39.(1)本发明解决了硫铝酸盐水泥在严寒环境下无法快硬早强的问题，使硫铝酸盐水泥在严寒环境下可以用作抢修抢建材料，扩宽了硫铝酸盐水泥的适用范围。
40.(2)经过试验，本发明制得的快硬早强硫铝酸盐水泥，在温度低于-20℃的严寒环境中2小时抗压强度可以达到10～20mpa，凝结时间14～29min，是一种适用于严寒环境下抢修抢建用胶凝材料。
具体实施方式
41.一种严寒环境抢修抢建用双快硫铝酸盐水泥，在主材料中加入了多种外加剂包含早强剂、成核剂、速凝剂等作为水泥初始水化诱发剂；加入了有机盐或无机盐作为融雪化冰成分；加入了发热材料、储能材料、引气剂以及保温材料作为放热保温成分；加入快速水化矿物作为连续水化剂。
42.所述主材料为以硫铝酸盐水泥熟料为原材料，通过掺入适量的石灰石和石膏混磨后加入缓凝剂混磨而成。所述的熟料中的三氧化二铝不少于40％，二氧化硅含量不高于10％。所述的主材料初凝时间不早于35min，终凝不迟于100min。具体来讲，所述的主材料比例为：
43.硫铝酸盐水泥熟料50～80份；
44.石灰石15～35份；
45.无水石膏5～15份；
46.缓凝剂0～0.5份。
47.按照上主材料总份数配制100份的基础上，再按照和上述主材料总份数的质量倍数，加入如下添加剂材料，得到双快硫铝酸盐水泥，双快指的快凝快硬或者快凝快强。
48.早强剂0～0.06倍份；
49.成核剂0.003～0.015倍份；
50.速凝剂0.01～0.05倍份；
51.防冻剂1～6倍份；
52.发热材料4～15倍份；
53.储能材料3～8倍份；
54.引气剂0.01～0.03倍份；
55.保温材料3～10倍份；
56.快速水化矿物3～15倍份。
57.上述配方限定的双快硫铝酸盐水泥的凝结时间为10～30min，所述的双快硫铝酸盐水泥可以是加水配置好后的双快硫铝酸盐水泥，或者仅为干粉材料状态的双快硫铝酸盐水泥。
58.本发明所述的石灰石中氧化钙含量不低于50％，氧化镁含量低于1.5％；所述的无水石膏中三氧化硫含量不低于45％；所述的缓凝剂为葡萄糖酸钠，有效组份不低于85％。
59.本发明所述早强剂包含硅酸钠、铝酸钠、硫酸铝、硫酸铝钾等，该类物质能与硫铝酸盐水泥中的矿物发生反应，促进水化，使水泥浆体温度初步提升。
60.本发明所述的成核剂包含纳米sio2、稻壳灰、纳米caco3、纳米粘土、硝酸锂、碳酸锂以及氯化锂中的一种或者几种。该类物质能使硫铝酸盐水泥水化产物中的晶体迅速成核，不仅提升水泥基体的强度而且能使浆体温度进一步提升。成核剂中的纳米sio2、稻壳灰和纳米粘土以及纳米碳酸钙是类似的。每种锂盐的性能是没有明显差异的，可与纳米sio2、稻壳灰、纳米粘土以及纳米碳酸钙配合使用。
61.本发明所述的速凝剂包含硫酸钠、硫酸钾、硫酸钙、氯化钙、氯化镁、氯化钠、氯化铝、硝酸钙、亚硝酸钙、甲酸钙等中的一种或几种。各速凝剂效果没有明显的区别。
62.本发明所述的使冰液态化的防冻剂包含甲酸钾、甲酸钠、乙酸钾、乙酸钠、磷酸钾、
磷酸钠等中的一种或者几种。各防冻剂可相互取代。
63.本发明所述的发热材料按照功能可分为两类，第一类为以碱性电池为原理的成分，第二类为铝热反应为原理的成分。
64.所述的第一类主要成分为锌粉、铝粉、铁粉、过硫酸盐或过碳酸盐、二氧化锰、碳粉、脱钝剂、硅酸钠或氢氧化钠或氢氧化钾、聚乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇等，所述的脱钝剂为氯化钠；所述发热材料中的锌粉、铝粉、铁粉三者可相互取代；过硫酸盐、过碳酸盐可相互取代；硅酸钠、氢氧化钠、氢氧化钾可相互取代；聚乙二醇和聚乙烯醇可相互取代。
65.所述的第二类为铝粉、氧化铁粉、高锰酸钾或次氯酸钾或过碳酸钠、聚乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇为主要成分。该类物质能在硫铝酸盐水泥浆体中能提供大量的热量，使其温度极速上升，为水泥的水化提供温度条件。所述发热材料中的高锰酸钾、次氯酸钾和过碳酸钠可相互取代；聚乙烯醇和聚乙二醇可相互取代。
66.本发明所述的储能材料按照功能分为载体和相变材料，所述的载体包含高岭土、伊利土、叶蜡石、滑石、膨润土、海泡石、凹凸棒石、硅藻土、沸石、累托石等中的一种或几种，所述的相变材料包含石蜡、乙烯丁酯、聚乙二醇、十八烷酸甲酯、新戊二醇、季戊四醇、三羟甲基氨基甲烷、聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂等中的一种或几种。该类材料的主要作用是将发热材料产生的热量通过相变的形式储存起来，当浆体温度低于某一个阈值时释放，使温度处于合理的范围。各载体材料均能相互取代。相变材料也均能互相取代，为保证效果选取1～3种。
67.本发明所述的引气剂包含松香树脂类、十二烷基磺酸盐、烷基苯磺酸盐、脂肪醇磺酸盐、皂苷类、蛋白质盐等中的一种或者几种。本类材料的作用能使水泥基材料在搅拌过程中产生少量的微小气泡，从而降低浆体的导热系数，使水泥浆体的温度停留在一定的水平。各引气剂可相互取代。
68.本发明所述的保温材料包含膨胀蛭石、空心玻璃微珠、微孔硅酸钙、膨胀珍珠岩中的一种或者几种。该类材料的作用不仅能降低水泥浆体的导热系数，降低热量散失的速度，同时作为填料改善硫铝酸盐水泥的力学性能。各保温材料可相互取代。
69.本发明所述的快速水化矿物无水氟铝酸钙、铝酸钙、铁铝酸钙、铝酸三钙等中的一种或几种。该类材料的作用是保证硫铝酸盐水泥水化的连续性，从而保证温度持续处于合适的位置，从而加大水泥的水化程度，保证其早期的力学性能。快速水化材料中一般选择1～3个，可通过控制掺量来保证水化的连续性。
70.更进一步的，本发明提供了一种严寒环境下抢修抢建工程的硫铝酸盐水泥制备方法，包含以下步骤：
71.①
先获取如下比例的质量分数的主材料：硫铝酸盐水泥熟料50～80份、石灰石粉15～35份、无水石膏5～15份。将硫铝酸盐水泥熟料、石灰石粉、无水石膏加入到球磨机里，球磨机公转为400～500r/min，自转为200r/min，混磨时长为10～20min。
72.②
将上述硫铝酸盐水泥熟料、石灰石粉、无水石膏三者质量和调整为100份，加入0.1～0.5份的缓凝剂粉，使用粉体混合机混合30min～60min，得到主材料。
73.③
将上述主材料调整为100份，称取早强剂0～0.06倍份、成核剂0.003～0.015倍份、速凝剂0.01～0.05倍份、防冻剂1～6倍份、发热材料4～15倍份、储能材料3～8倍份、引气剂0.01～0.03倍份、保温材料3～10倍份、快速水化矿物3～15倍份备用，加入到上述主材
料中，使用粉体混合机混合30min～60min得到严寒环境下用的双快硫铝酸盐水泥。
74.④
按照严寒环境下用双快硫铝酸盐水泥质量的0.25～0.45倍向双快硫铝酸盐水泥加入雪或者碎冰，搅拌60～360秒使其混合均匀；使其搅拌均匀并形成流体状浆体，由此得到用于严寒环境下施工的快硬快强硫铝酸盐水泥。
75.本发明实施时，无需采用特殊搅拌设备，施工方便，制备成型后也无需特殊的养护工艺，经试验，得到的硫铝酸盐水泥施工后2h抗压强度在温度低于-20℃的严寒环境中可以达到10mpa以上，满足严寒环境下抢修抢建工程对胶凝材料早期强度发展的要求。本发明制备工艺简单、可施工性强，适用于严寒环境下的道路、公路、桥面、飞机跑道等工程结构的快速抢修抢建。
76.实施例1
77.本实施例的一种用于严寒环境下的快硬快强硫铝酸盐水泥，采用如下质量份比例的主材料：
78.硫铝酸盐水泥熟料75份；
79.石灰石15份；
80.无水石膏10份；
81.缓凝剂0.3份。
82.上述主材料的基础上，再按照和上述主材料总份数的质量倍数，加入以下的添加剂材料，得到双快硫铝酸盐水泥。
83.硅酸钠0.01倍份；
84.铝酸钠0.01倍份；
85.硫酸铝0.01倍份；
86.纳米sio
2 0.001倍份；
87.纳米碳酸钙0.004倍份；
88.硝酸锂0.005倍份；
89.硫酸钠0.01倍份；
90.氯化钙0.01倍份；
91.甲酸钾2倍份；
92.乙酸钾1倍份；
93.铝粉4倍份；
94.氧化铁粉3倍份；
95.高锰酸钾1倍份；
96.聚乙烯1.8倍份；
97.聚乙二醇0.2倍份；
98.高岭土2倍份；
99.石蜡1.6倍份；
100.聚乙二醇0.8倍份；
101.聚乙烯0.6倍份；
102.十二烷基磺酸钠0.03倍份；
103.膨胀蛭石6倍份；
104.无水氟铝酸钙1倍份；
105.铝酸钙2倍份；
106.铝酸三钙3倍份。
107.使用时，将材料按比例混合搅拌，同时加入水、雪或冰，搅拌时间为60～360秒；搅拌形成流体状浆体，由此得到用于严寒环境下的快硬快强硫铝酸盐水泥。
108.实施例2
109.本实施例的一种用于严寒环境下的快硬快强硫铝酸盐水泥，采用如下质量份比例主材料：
110.硫铝酸盐水泥熟料55份；
111.石灰石35份；
112.无水石膏10份。
113.上述主材料的基础上，再按照和上述主材料总份数的质量倍数，加入以下的添加剂材料，得到双快硫铝酸盐水泥。
114.稻壳灰0.001倍份；
115.纳米碳酸钙0.001倍份；
116.纳米粘土0.002倍份；
117.碳酸锂0.001倍份；
118.硫酸钾0.001倍份；
119.氯化镁0.02倍份；
120.亚硝酸钙0.02倍份；
121.甲酸钠2倍份；
122.乙酸钠2倍份；
123.磷酸钠2倍份；
124.锌粉5.5倍份；
125.铁粉2倍份；
126.过碳酸钠1.5倍份；
127.二氧化锰0.5倍份；
128.脱钝剂0.1倍份；
129.氢氧化钾3.4倍份；
130.聚乙烯1.8倍份；
131.聚乙烯醇0.2倍份；
132.膨润土1倍份；
133.沸石1倍份；
134.新戊二醇2倍份；
135.环氧树脂2倍份；
136.十八烷酸甲酯2倍份；
137.脂肪醇磺酸钠0.02倍份；
138.膨胀珍珠岩5倍份；
139.空心玻璃微珠5倍份；
140.无水氟铝酸钙1倍份；
141.铁铝酸钙3倍份；
142.铝酸钙7倍份。
143.本实施例中具体制备步骤和实施例1相同。
144.实施例3
145.本实施例的一种用于严寒环境下的快硬早强硫铝酸盐水泥，采用如下质量份比例的主材料：
146.硫铝酸盐水泥熟料70份；
147.石灰石20份；
148.无水石膏10份；
149.缓凝剂0.1份。
150.上述主材料的基础上，再按照和上述主材料总份数的质量倍数，加入以下的添加剂材料，得到双快硫铝酸盐水泥。
151.铝酸钠0.01倍份；
152.硫酸铝钾0.02倍份；
153.稻壳灰0.005倍份；
154.纳米sio
2 0.001倍份；
155.氯化锂0.004倍份；
156.硫酸钾0.01倍份；
157.氯化铝0.02倍份；
158.甲酸钾3倍份；
159.锌粉2倍份；
160.铝粉1倍份；
161.二氧化锰0.5倍份；
162.碳粉0.4倍份；
163.脱钝剂0.1倍份；
164.硅酸钠2倍份；
165.聚乙烯1.8倍份；
166.聚乙二醇0.2倍份；
167.海泡石2倍份；
168.石蜡4倍份；
169.十二烷基磺酸钠0.005倍份；
170.松香树脂0.005倍份；
171.膨胀蛭石5倍份；
172.微孔硅酸钙5倍份；
173.铁铝酸钙5倍份；
174.铝酸钙10倍份。
175.本实施例中具体制备步骤和实施例1相同。
176.对上述各实施例的硫铝酸盐水泥，参照《水泥胶砂强度检验法》(iso法)(gb/
t17671—1999)，在温度-20℃环境中制备并测试硫铝酸盐水泥的物理力学性能，结果见下表1：
177.表1实施案例中硫铝酸盐水泥的物理力学性能
178.实施例2h抗压强度/mpa凝结时间/min流动度/mm114.419200212.727260317.514160
179.根据表1，本发明制备的用于严寒环境下的快硬早强硫铝酸盐水泥其3组试件的2h抗压强度均超过10mpa，水泥净浆也具有较好的流动度，适合用作于严寒环境下的快速修补工程。其中实施例3早期抗压强度最高，但凝结时间较短不利于施工。实施例2凝结时间合适，便于施工，同时强度超过10mpa，故施工实例选择该配方。
180.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。