一种环保早强型无碱液体速凝剂、制备方法和喷射混凝土与流程

1.本公开涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种环保早强型无碱液体速凝剂、制备方法和喷射混凝土。


背景技术：

2.无碱液体速凝剂一般用于喷射混凝土，为喷射混凝土用添加剂，状态为液体；其成分一般为铝盐和酸复合而成。无碱液体速凝剂主要是引入大量三价铝离子和硫酸根离子，硫酸根离子和铝离子与水泥原有的铝酸三钙、硅酸三钙及石膏共同反应生产二水石膏和钙矾石晶体，进而能够产生大量网格结构的钙矾石并放出水化热，使混凝土浆体在短时间内快速凝结而达到初期支护的作用。
3.目前对于无碱液体速凝剂的研究主要存在以下问题：现有的无碱液体速凝剂虽然能够使得混凝土浆料快速凝结，但是混凝土的早期强度低甚至没有强度，且生产设备要求高，环境过程复杂，同时使用大量的有害物质，对生态环境、施工环境、工人呼吸系统、眼睛、皮肤等造成不同程度的损害。目前常用的无碱液体速凝剂的原材料一般为铝化合物，铝离子在水中极易发生水解-聚合-沉淀的反应，且铝盐溶解度较小，随着时间的延长，无碱液体速凝剂容易发生絮凝、沉淀、析晶等不稳定现象；而导致目前的无碱液体速凝剂的稳定期普遍较差，保存期通常为一周，有的甚至只有3天就出现沉淀，如何抑制高饱和铝溶液的析晶和水解是解决无碱液体速凝剂稳定性的关键。
4.同时，无碱液体速凝剂的使用使喷射混凝土黏聚性差，导致喷射混凝土回弹较大。并且由于水化氟离子能够产生水化物，使得混凝土具有较高的抗剪切力，水泥终凝所需时间大大减少，且氟离子还能起到络合的作用，与水中的硫酸铝结合在一起，产生络合物，非常稳定，所以目前的无碱液体速凝剂中常用含氟化物为原料，经常采用氢氟酸、氟硅酸等，其添加量甚至高达25-30％，还会添加氟硅酸镁、氟化铝等物质；但是这些含氟物质经常接触，极容易导致氟中毒，且对环境也存在较大影响。目前，虽然针对无碱速凝剂的碱含量和氟离子含量给出了明确限定，但是现有的部分无碱速凝剂仍旧在生产过程中使用了大量的含碱、含氯、含氟的原料。
5.并且，相比于碱性速凝剂，无碱速凝剂的使用会导致混凝土的1d强度低，早期没强度影响初期防护效果，虽然在后期的强度有所提升，但是相比于碱性速凝剂仍然存在较大差异，后期强度损失会对混凝土的耐久性产生不良影响，降低实用性，且需要增加喷射混凝土强度等级等手段弥补后期强度损失，导致成本增加。
6.综上，提供一种真正无碱、低碳环保，既能够增加喷射混凝土的早期强度，同时还能够保证后期强度降低喷射混凝土回弹率，且具有较久存储时间的无碱液体速凝剂是迫切需要的。


技术实现要素：

7.为了解决上述技术问题，本公开提供了一种环保低碳早强型无碱液体速凝剂、制
备方法和喷射混凝土。
8.第一方面，本公开提供了一种环保早强型无碱液体速凝剂，所述无碱液体速凝剂的组成成分包括硫酸铝、有机酸和有机胺，所述有机胺选自三异丙醇胺。
9.作为本公开的一种优选技术方案，所述有机酸为乳酸。
10.在本公开中，通过特异性选择有机酸和有机胺与硫酸铝相互配合，能够使得得到的速凝剂的存储稳定性较好，同时在喷射混凝土中添加本公开提供的速凝剂，能够提高混凝土的早期强度同时增加后期强度。
11.作为本公开的一种优选技术方案，以重量份计，所述硫酸铝的含量为60-66份，例如62份、63份、64份、65份等，所述有机酸的含量为0.3-0.6份，例如0.35份、0.4份、0.45份、0.5份、0.55份等，所述有机胺的含量为6-9份，例如6.5份、7份、7.5份、8份、8.5份等。
12.作为本公开的一种优选技术方案，所述无碱液体速凝剂的组成成分还包括甘油、悬浮剂和ph调节剂。
13.作为本公开的一种优选技术方案，以重量份计，所述甘油的含量为0.2-1份，例如0.3份、0.4份、0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份等，所述悬浮剂的含量为0.2-1.2份，例如0.4份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份、1.0份、1.1份等，所述ph调节剂的添加量为使所述无碱液体速凝剂的ph值为3-4。
14.作为本公开的一种优选技术方案，所述悬浮剂选自硅酸镁铝和/或磷酸镁。
15.作为本公开的一种优选技术方案，所述ph调节剂选自amp-95(2-氨基-2-甲基-1-丙醇的市售产品)。
16.作为本公开的一种优选技术方案，以所述无碱液体速凝剂的总质量为100份计，所述无碱液体速凝剂包括如下组份：硫酸铝的含量为60-66份，有机酸的含量为0.3-0.6份，有机胺的含量为6-9份，甘油的含量为0.2-1份，悬浮剂的含量为0.2-1.2份，水的含量为25-30份，所述ph调节剂的添加量为使所述无碱液体速凝剂的ph值为3-4。
17.本公开提供的无碱液体速凝剂的存储稳定性极佳，能够在放置90天以上不分层、不沉淀，添加其的水泥胶砂的初凝时间低于3min，终凝时间同样较低，低于8min，且6h砂浆抗压强度不小于2mpa；同时本公开提供的无碱液体速凝剂能够同时增加喷射混凝土的早期强度和后期强度，其8h的喷射混凝土抗压强度不小于10mpa，28d的抗压强度不低于100％。
18.第二方面，本公开提供了一种第一方面所述的环保早强型无碱液体速凝剂的制备方法，所述制备方法包括：将配方量的各组分混合，利用ph调节剂调节得到的混合物的ph为3-4，得到所述环保早强型无碱液体速凝剂。
19.作为本公开的一种优选技术方案，所述ph调节剂为amp-95。
20.作为本公开的一种具体实施方式，所述制备方法包括如下步骤：
21.(1)将配方量的水、硫酸铝、有机酸、有机胺和甘油搅拌混合至完全溶解，并继续搅拌反应1-2h，随后加入悬浮剂并继续搅拌；
22.(2)步骤(1)得到的混合物利用ph调节剂调节ph为3-4，并继续搅拌1-2h，得到所述环保早强型无碱液体速凝剂。
23.本公开提供的制备方法无需任何热源，在开始投料起，原料的酸碱度产生的放热效应会使混合温度一直保持在35℃左右，在原料完全溶解后，温度在35℃以下能够继续进行反应。本公开提供的无碱速凝剂既不添加氧化钾、氧化钠、氯离子、氟离子等，不含碱、不
含氟、氯，且全程无需补充热源，可在35℃以下的温度完成制备，没有有害气体排放，真正实现低碳、环保、无固废。
24.第三方面，本公开提供了一种喷射混凝土，所述喷射混凝土中含有第一方面所述的环保早强型无碱液体速凝剂。
25.作为本公开的一种优选技术方案，在所述喷射混凝土中，所述环保早强型无碱液体速凝剂的掺量为水泥使用质量的6-8％，优选8％。
26.本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
27.(1)本公开提供的无碱液体速凝剂可长时间存储放置，放置90天以上不分层、不沉淀；
28.(2)使用本公开提供的无碱液体速凝剂，能够缩短水泥胶砂的初凝和终凝时间，其初凝时间低于3min，终凝时间低于8min；
29.(3)在水泥胶砂中添加本公开提供的无碱液体速凝剂，可使水泥胶砂的6h砂浆强度在2mpa以上；
30.(4)在混凝土中添加本公开提供的无碱液体速凝剂，可提高喷射混凝土的早期强度和后期强度，其8h的喷射混凝土抗压强度不小于10mpa，28d的抗压强度比不低于100％，前期强度高能够提高初支效率，后期强度高能够增加混凝土的耐久性，延长混凝土的使用寿命；
31.(5)在混凝土中添加本公开提供的无碱液体速凝剂，可以提高混凝土的粘结性和附着率，降低回弹率，能够保证混凝土使用较大量的粉煤灰(低碳混凝土，高性能喷射混凝土)的前提下，提高喷射混凝土的工作性，减少混凝土的浪费；
32.(6)本公开提供的无碱液体速凝剂的组分均为常见有机物、无机物，原料易得，且制备方法无需任何热源，全程在35℃以下进行，无二氧化碳的产生和排放，真正实现低碳环保，且设备简单，无固废物，有利于推广。
具体实施方式
33.为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
34.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。
35.实施例1
36.本实施例提供了一种无碱液体速凝剂，由以下组分组成：
37.硫酸铝62份、乳酸0.6份、三异丙醇胺7.8份、甘油0.8份、磷酸镁0.8份、水28份和ph调节剂amp-95。
38.制备方法如下：
39.(1)将配方量的水、硫酸铝、乳酸、三异丙醇胺和甘油搅拌混合至完全溶解，并继续搅拌反应1h，随后加入磷酸镁并继续搅拌；
40.(2)步骤(1)得到的混合物利用ph调节剂调节ph为3.5，并继续搅拌1h，得到所述环
保早强型无碱液体速凝剂。
41.实施例2
42.本实施例提供了一种无碱液体速凝剂，由以下组分组成：
43.硫酸铝61份、乳酸0.5份、三异丙醇胺9份、甘油1份、磷酸镁0.2份、水28.3份和ph调节剂amp-95。
44.制备方法参照实施例1。
45.实施例3
46.本实施例提供了一种无碱液体速凝剂，由以下组分组成：
47.硫酸铝66份、乳酸0.6份、三异丙醇胺6份、甘油0.2份、磷酸镁0.6份、水26.6份和ph调节剂amp-95。
48.制备方法参照实施例1。
49.实施例4
50.本实施例提供了一种无碱液体速凝剂，由以下组分组成：
51.硫酸铝62.8份、乳酸0.7份、三异丙醇胺7份、甘油0.5份、磷酸镁1份、水28份和ph调节剂amp-95。
52.制备方法如下：
53.(1)将配方量的水、硫酸铝、乳酸、三异丙醇胺和甘油搅拌混合至完全溶解，并继续搅拌反应1h，随后加入磷酸镁并继续搅拌；
54.(2)步骤(1)得到的混合物利用ph调节剂调节ph为4，并继续搅拌1h，得到所述环保早强型无碱液体速凝剂。
55.实施例5
56.本实施例提供了一种无碱液体速凝剂，由以下组分组成：
57.硫酸铝64份、乳酸0.7份、三异丙醇胺8份、甘油0.9份、磷酸镁0.3份、水26.1份和ph调节剂amp-95。
58.制备方法如下：
59.(1)将配方量的水、硫酸铝、乳酸、三异丙醇胺和甘油搅拌混合至完全溶解，并继续搅拌反应1h，随后加入磷酸镁并继续搅拌；
60.(2)步骤(1)得到的混合物利用ph调节剂调节ph为3，并继续搅拌1h，得到所述环保早强型无碱液体速凝剂。
61.对比例1-2
62.本对比例提供了一种无碱液体速凝剂。
63.与实施例1的区别在于，在本对比例中，将三异丙醇胺替换为三乙醇胺(对比例1)、二乙醇胺(对比例2)。
64.制备方法参照实施例1。
65.对比例3
66.本对比例提供了一种无碱液体速凝剂。
67.与实施例1的区别在于，在本对比例中，将乳酸替换为羟丙基甲基纤维素。
68.制备方法参照实施例1。
69.性能测试1
70.对实施例和对比例提供的无碱液体速凝剂进行以下性能测试，方法如下：
71.依据q/cr807-2020《隧道喷射混凝土用液体无碱速凝剂》提供的测试方法测试实施例和对比例提供的无碱液体速凝剂的存储稳定性、净浆凝结时间、水泥胶砂的6h抗压强度，其中，无碱液体速凝剂的掺量为8％；
72.测试结果见表1：
73.表1
[0074][0075]
由实施例和性能测试可知，本公开提供的无碱液体速凝剂的存储稳定性好，在长时间放置过程中不分层、不沉淀，并且使用本公开提供的无碱液体速凝剂，能够缩短水泥胶砂的初凝和终凝时间，其初凝时间低于3min，终凝时间低于8min；同时，在水泥胶砂中添加本公开提供的无碱液体速凝剂，可使水泥胶砂的6h砂浆强度在2mpa以上。
[0076]
由实施例1和对比例1-3的对比可知，本公开需要特定有机酸和有机胺与硫酸铝配合能够使本公开提供的无碱液体速凝剂稳定性佳、初凝和终凝时间短，且水泥胶砂的抗压强度高。
[0077]
性能测试2
[0078]
(1)将实施例1和对比例1-3提供的无碱液体速凝剂加入到喷射混凝土中，检测喷射混凝土的性能；
[0079]
喷射混凝土(设计配合比强度为c35)的组成配方如下：
[0080]
水泥500重量份、河砂859重量份、碎石845重量份、减水剂5.5重量份、速凝剂30-40重量份(依据掺量为6-8％)、水166重量份，其中，水胶比为0.36，砂率为0.50，坍落度210mm、扩展度480mm；
[0081]
性能测试方法如下：
[0082]
抗压强度：按照混凝土力学性能试验方法(q/cr807-2020)(gb/t50081-2002)进行测试；
[0083]
回弹率：在喷射处下方设置收集薄膜，然后开始喷射，其回弹率(％)＝回弹的喷射混凝土的体积/所用喷射混凝土的体积
×
100％；
[0084]
测试结果见表2：
[0085]
表2
[0086][0087][0088]
(2)喷射混凝土(设计配合比强度为c35)的组成配方如下：
[0089]
水泥500重量份、机制砂768重量份、碎石902重量份、减水剂5重量份、速凝剂40重量份(依据掺量为8％)、水180重量份，其中，水胶比为0.37，砂率为0.46，坍落度210mm、扩展度480mm；
[0090]
测试结果见表3：
[0091]
表3
[0092][0093]
(3)高性能喷射混凝土(设计配合比强度为c35)的组成配方如下：
[0094]
水泥380重量份、粉煤灰120重量份、机制砂768重量份、碎石902重量份、减水剂5重量份、速凝剂30-40重量份(依据掺量为6-8％)、水180重量份，其中，水胶比为0.35，砂率为
0.46，坍落度230mm、扩展度500mm；
[0095]
测试结果见表4：
[0096]
表4
[0097][0098]
由表2-4可知，在喷射混凝土中添加本公开提供的无碱液体速凝剂，可以显著提高喷射混凝土的早期强度，实现“早高强”，同时能够提高喷射混凝土的后期强度，其8h的喷射混凝土抗压强度不小于10mpa，28d的抗压强度比不低于100％；前期强度高能够提高初支效率，后期强度高能够增加混凝土的耐久性，延长混凝土的使用寿命；同时喷射混凝土的回弹率极低，能够极大程度的节约成本。
[0099]
由实施例1和对比例1-3的对比可知，本公开需要特定有机酸和有机胺与硫酸铝配合才能够实现本公开的有益效果，三者缺一不可。
[0100]
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0101]
以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。