基于磨碎的粒状高炉矿渣的多组分无机胶囊锚固系统的制作方法

1.本发明涉及一种用于将锚固件、螺栓、螺钉锚固件、螺钉和后安装钢筋化学紧固在矿物基质中的多组分无机胶囊锚固系统，所述多组分无机胶囊锚固系统包括基于磨碎的粒状高炉矿渣的可固化的粉末状组分a和在水相中用于引发固化过程的引发剂组分b，其中所述基于磨碎的粒状高炉矿渣的粉末状组分a进一步包括二氧化硅粉尘，并且其中组分b包括基于碱硅酸盐的组分和任选的增塑剂。此外，本发明涉及一种使用所述多组分无机胶囊锚固系统来将锚固构件，优选地金属锚固件、螺栓、螺钉锚固件、螺钉和后安装钢筋化学紧固在矿物基质中的方法，所述矿物基质例如由砖砌、混凝土、透水混凝土或天然石材制成的结构。


背景技术：

2.存在许多砂浆系统，其能够将锚固件、螺栓、螺钉锚固件、螺钉和后安装钢筋很好地化学紧固在矿物基质或表面中。已经开发出主要基于高铝水泥等的矿物系统。
3.当提及将锚固件、螺栓、螺钉锚固件、螺钉和后安装钢筋化学紧固在矿物基质中时，对于所得锚固组合系统的大多数实际应用来说，大多数已知系统缺乏足够的流动性。此外，存在液体系统或浆料形式的系统，在将其引入井眼之前必须混合，这使得应用变得困难，特别是对于塔顶或水下应用而言，因为液体砂浆可能会从井眼中滴落或因周围的水或潮湿而液化。通常，这类现有技术组合系统在相对短的时间内也显现出开裂的趋势，或者尤其在某些条件下(如在高温的影响下)，在不同条件的井眼中以及在长时间段内不表现出所需的机械性能。此外，当已知系统应用于井眼中时往往显现出很大程度的收缩，这导致锚固件、螺栓、螺钉锚固件、螺钉和后安装钢筋的不充分锚固。
4.因此，需要一种无机胶囊锚固系统，优选地多组分无机胶囊锚固系统，其优于现有技术系统。具体地说，令人感兴趣的是提供一种系统，所述系统可用于将锚固件、螺栓、螺钉锚固件、螺钉和后安装钢筋化学紧固在矿物基质中，而不会不利地影响化学锚固系统的处理特性和机械性能，尤其对于塔顶应用、水下应用。特别地，需要一种与已知系统相比提供增加的载荷值的系统。另外，需要通过添加填料或如无机类材料等颗粒材料来改善载荷值，以降低更昂贵的粘合剂材料的消耗或改善混合材料的一些性质。
5.鉴于以上所述，本发明的目的是提供一种无机胶囊锚固系统，优选地多组分无机胶囊锚固系统，特别是双组分无机胶囊锚固系统，其与已知的系统相比，在长时间段内还具有优异的机械性能，并且同时具有增加的载荷值，并且具体地说，其在井眼内的直接应用、水下应用和塔顶应用方面具有优势。
6.此外，本发明的目的是提供一种使用这一无机胶囊锚固系统来将锚固构件，优选地金属锚固件、螺栓、螺钉锚固件、螺钉和后安装钢筋化学紧固在矿物基质中的方法，所述矿物基质例如由砖砌、混凝土、透水混凝土或天然石材制成的结构。
7.确保对本发明描述后变得显而易见的这些和其它目的通过如独立的权利要求中所述的本发明得以解决。从属权利要求涉及优选实施例。


技术实现要素：

8.在一个方面，本发明涉及一种多组分无机胶囊锚固系统，其包括基于磨碎的粒状高炉矿渣的可固化的粉末状组分a和在水相中用于引发固化过程的引发剂组分b，其中所述基于磨碎的粒状高炉矿渣的粉末状组分a进一步包括二氧化硅粉尘，并且其中组分b包括基于碱硅酸盐的组分和任选的增塑剂。这一提供的呈胶囊形式的系统用于将锚固构件化学紧固在矿物基质中。
9.在另一方面，本发明涉及一种用于将锚固件、金属锚固件、螺栓、螺钉锚固件、螺钉和后安装钢筋化学紧固在矿物基质中的方法，其特征在于使用多组分无机胶囊锚固系统进行紧固，所述多组分无机胶囊锚固系统包括基于磨碎的粒状高炉矿渣的可固化的粉末状组分a和在水相中用于引发固化过程的引发剂组分b，其中所述基于磨碎的粒状高炉矿渣的粉末状组分a进一步包括二氧化硅粉尘，并且其中组分b包括基于碱硅酸盐的组分和任选的增塑剂。所述矿物基质是如由砖砌、混凝土、透水混凝土或天然石材制成的结构的基质。
具体实施方式
10.在本发明的上下文中将使用以下术语和定义：
11.如在本发明的上下文中所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式的“一个(a/an)”还包含相应的复数。因此，除非另外指出，否则术语“一个(a/an)”旨在表示“一个或多个”或“至少一个”。
12.在本发明的上下文中，术语“粘合剂”或“粘合剂组分”是指多组分无机胶囊锚固系统的水泥质成分和其它额外的任选组分，如例如填料。具体地说，这也被称为a组分。
13.在本发明的上下文中，术语“引发剂”或“引发剂组分”是指含水的基于碱硅酸盐的组分，其引发作为后续反应的强化、固化和硬化。具体地说，这也被称为b组分。
14.本发明人已出乎意料地发现，根据本发明的无机胶囊锚固系统是用于将锚固件、金属锚固件、螺栓、螺钉锚固件、螺钉和后安装钢筋化学紧固在矿物基质中的易于处理的即用系统，尤其在长时间段内应用并且应用于塔顶时，所述无机胶囊锚固系统包括基于磨碎的粒状高炉矿渣的可固化的粉末状组分a和引发剂组分b。进一步地，此无机胶囊锚固系统特别适用于耐火和高温应用以及水下应用，例如适用于石油钻机的安装。
15.此外，已发现，本发明的多组分无机胶囊锚固系统，特别是双组分无机胶囊锚固系统，允许直接在井眼内容易地应用和紧固，而不必在将组分引入井眼之前使其预混合。当例如应用于水下时，通过将锚固杆引入井眼中来使所插入的胶囊的组分混合，将包围胶囊的水排出，并且使锚固杆得以紧固。
16.因此，本发明涉及一种多组分无机胶囊锚固系统，其包括基于磨碎的粒状高炉矿渣的可固化的粉末状组分a和在水相中用于引发固化过程的引发剂组分b，其中所述基于磨碎的粒状高炉矿渣的粉末状组分a进一步包括二氧化硅粉尘，并且其中组分b包括基于碱硅酸盐的组分和任选的增塑剂。
17.本发明中使用的组分a是基于磨碎的粒状高炉矿渣的。磨碎的粒状高炉矿渣优选地包括30到45％的氧化钙(cao)、30到45％的二氧化硅(sio2)、1到15％的氧化铝(al2o3)和4到17％的氧化镁(mgo)，以及0,5到1％的硫(s)。磨碎的粒状高炉渣的另外的特性内容物是氧化铁(fe2o3)、氧化钠(na2o)、氧化钾(k2o)、氯化物、三氧化硫(so3)和氧化锰(mn2o3)，它们
优选地代表小于5％的磨碎的粒状高炉矿渣。
18.基于组分a的总重量，本发明中使用的组分a包括至少约5wt.-％、优选地至少约10wt.-％、更优选地至少约20wt.-％、最优选地至少约30wt.-％、约5wt.-％到约80wt.-％、优选地约10wt.-％到约70wt.-％、更优选地约20wt.-％到约60wt.-％、最优选地约30wt.-％到约50wt.-％的磨碎的粒状高炉矿渣。
19.进一步地，本发明中使用的组分a进一步包括二氧化硅粉尘。基于组分a的总重量，多组分无机胶囊锚固系统的二氧化硅粉尘以1wt.-％到10wt.-％的范围存在、优选地2wt.-％到8wt.-％、最优选地以4wt.-％到6wt.-％的范围存在。优选地，二氧化硅粉尘分别具有0.4微米的平均粒度和180,000到220,000cm2/g或18-22m2/g的表面积。
20.可替代地，二氧化硅粉尘也可以用火山灰材料或具有火山灰性质的材料或其它精细的反应性或惰性填料代替。这些包含刚玉、方解石、白云石、砖粉、米皮灰、响石、煅烧粘土和偏高岭土。
21.在水泥质多组分砂浆系统的一个优选实施例中，基于粘合剂的总重量，二氧化硅粉尘以3wt.-％到7wt.-％的范围存在。
22.组分a可以另外包括矿物填料。包括在根据本发明的组分a中的矿物填料选自由以下组成的组：石灰石填料、砂、石英、刚玉、白云石、碎石、砾石、卵石及其混合物，优选的是石灰石填料、粗石英、石英粉末(优选平均粒度(d50％)为约16μm的石英粉末)、石英砂、石英粉、粘土、粉煤灰、气相二氧化硅、碳酸盐化合物(如各种碳酸钙)、氧化铝、颜料、钛氧化、轻质填料、刚玉及其混合物。合适的矿物填料是市售产品。示例性地提及的是石英粉末millisil w12或w6(德国廓兹微克公司(quarzwerke gmbh,germany))、石英砂f32(德国廓兹微克公司)或如(法国凯诺斯公司(kerneos s.a,france))等sewper混凝料。基于组分a的总重量，组分a包括至少约5wt.-％、优选地至少约10wt.-％、更优选地至少约20wt.-％、还更优选地至少约25wt.-％、最优选地至少约30wt.-％、约5wt.-％到约95wt.-％、优选地约10wt.-％到约70wt.-％、更优选地约20wt.-％到约60wt.-％、还更优选地约25wt.-％到约50wt.-％、最优选地约30wt.-％到约40wt.-％的矿物填料。
23.可以根据本发明使用的矿物填料包括在多组分无机胶囊锚固系统的基于磨碎的粒状高炉矿渣的粉末状组分a中。当多组分无机胶囊锚固系统呈双组分无机胶囊锚固系统的形式时，添加矿物填料降低了更昂贵的粘合剂材料的消耗，并改善了混合材料的一些性质，导致载荷值增加，并且可容易地在塔顶和水下应用中使用。
24.在一个有利的实施例中，本发明中使用的组分a可以进一步包括以下单独或组合存在的特性。
25.组分a可以另外包括呈粉末形式的增塑剂。包括在组分a中的增塑剂可以选自由以下组成的组：低分子量(lmw)聚丙烯酸聚合物；缩聚物，例如磺化的三聚氰胺甲醛、木质素磺酸盐、酪蛋白；来自聚环氧乙烷聚膦酸酯和聚环氧乙烷聚碳酸酯家族的超增塑剂和来自聚羧酸酯醚家族的超增塑剂，以及其混合物，例如4930f或melflux 5581f(巴斯夫建筑解决方案有限公司(basf construction solutions gmbh))、peramin smf或peramin conpac(益瑞石铝酸盐有限公司(imerys aluminates))。合适的增塑剂是市售产品。基于组分a的总重量，组分a可以包括至少约0.2wt.-％、优选地至少约0.3wt.-％、更优选地至少约0.4wt.-％、最优选地至少约0.5wt.-％、约0.2wt.-％到约10wt.-％、优选地约0.3wt.-％到
约5wt.-％、更优选地约0.4wt.-％到约4wt.-％、最优选地约0.5wt.-％到约2wt.-％的所述增塑剂。
26.此外，组分a可以含有其它水泥，如基于铝酸钙的水泥或波特兰水泥。此外，组分a可以含有纤维，如矿物纤维、人造纤维、天然纤维、合成纤维、天然或合成聚合物的纤维、无机物质的纤维，特别是碳纤维或玻璃纤维。
27.呈粉末形式的矿物填料、促进剂、增塑剂的存在不会改变水泥质组分a的总体无机性质。
28.本发明中使用的组分b包括基于碱硅酸盐的组分，具体地说，基于碱金属硅酸盐的组分，其中所述碱金属硅酸盐选自由以下组成的组：硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂、其变体、其混合物及其水溶液。
29.本发明中使用的组分b也可能包括碱金属或碱土金属氢氧化物或碳酸盐，如氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化镁、碳酸锂、碳酸钠或钾碳酸盐、其混合物或其水溶液。
30.在优选的实施例中，引发剂组分b中使用的基于碱硅酸盐的组分是硅酸钾和氢氧化钾的水溶液。在特别优选的实施例中，引发剂组分是10mol/l koh和1,72mol/l硅酸钾的水溶液(德国沃尔纳的k 35t)。
31.在本发明的一个优选实施例中，基于含水碱金属硅酸盐的总重量，基于碱硅酸盐的引发剂组分包括1到50wt.-％、优选地10到40wt.-％、最优选地15到30wt.-％的硅酸盐。
32.基于引发剂组分的总重量，引发剂组分包括至少约0.01wt.-％、优选地至少0.02、特别优选地至少约0.05wt.-％、特别优选地至少约1wt.-％、约0.01到约40wt.-％、优选地约0.02到约35wt.-％、更优选地约0.05到约30wt.-％、特别优选地约1到约25wt.-％的基于碱硅酸盐的组分。
33.本发明中使用的组分b任选地包括增塑剂。包括在本发明的组分b中的任选的增塑剂选自由以下组成的组：低分子量(lmw)聚丙烯酸聚合物；缩聚物，例如磺化的三聚氰胺甲醛、木质素磺酸盐、酪蛋白；来自聚环氧乙烷聚膦酸酯和聚环氧乙烷聚碳酸酯家族的超增塑剂和来自聚羧酸酯醚家族的超增塑剂，以及其混合物，例如ethacryltm g(法国阿科玛集团高泰公司(coatex,arkema group,france))、acumertm 1051(英国罗门哈斯公司(rohm and haas,u.k.))、-2520(德国西卡公司(sika,germany))或-20he(德国西卡公司)。合适的增塑剂是市售产品。
34.基于组分b的总重量，组分b包括至少约2wt.-％、优选地至少约5wt.-％、更优选地至少约10wt.-％、最优选地至少约15wt.-％、约2wt.-％到约40wt.-％、优选地约5wt.-％到约35wt.-％、更优选地约10wt.-％到约30wt.-％、最优选地约15wt.-％到约25wt.-％的所述增塑剂。
35.此外，至少一种填料或填料混合物可以存在于引发剂组分中。这些优选地选自由以下组成的组：石英、砂、石英粉、颜料、二氧化钛、轻质填料、石灰石填料、刚玉、白云石、耐碱玻璃、碎石、卵石及其混合物。
36.组分b可以另外包括增稠剂。用于本发明的增稠剂可以选自由以下组成的组：膨润土、二氧化硅、石英、基于丙烯酸酯的增稠剂，如碱溶性或碱溶胀性乳液、气相法二氧化硅、粘土和钛酸盐螯合剂。示例性地提及的是聚乙烯醇(pva)、经疏水改性的碱溶性乳液
(hase)、本领域中已知为heur的经疏水改性的环氧乙烷氨基甲酸酯聚合物，以及纤维素增稠剂，如羟甲基纤维素(hmc)、羟乙基纤维素(hec)、经疏水性改性的羟乙基纤维素(hmhec)、羧甲基纤维素钠(scmc)、羧甲基2羟乙基纤维素钠、2羟丙基甲基纤维素、2羟乙基甲基纤维素、2羟丁基甲基纤维素、2羟乙基乙基纤维素、2羟丙基纤维素；凹凸棒石粘土(attapulgite clay)，以及其混合物。合适的增稠剂是市售产品，如optigel wx(德国毕克化学公司(byk-chemie gmbh,germany))、rheolate 1(德国海名斯公司(elementis gmbh,germany))和acrysol ase-60(陶氏化学公司(the dow chemical company))。基于组分b的总重量，组分b可以包括至少约0.01wt.-％、优选地至少约0.05wt.-％、更优选地至少约0.1wt.-％、最优选地至少约0.2wt.-％、约0.01wt.-％到约15wt.-％、优选地约0.05wt.-％到约10wt.-％、更优选地约0.1wt.-％到约5wt.-％、最优选地约0.2wt.-％到约1wt.-％的所述增稠剂。
37.组分b可以进一步包括抗菌剂或杀生物剂。可用于本发明的抗菌剂或杀生物剂可以选自由异噻唑啉酮家族的化合物组成的组，如甲基异噻唑啉酮(mit)、辛基异噻唑啉酮(oit)和苯并异噻唑啉酮(bit)及其混合物。
38.呈液体形式的增塑剂、增稠剂、填料、抗菌剂或杀生物剂和/或促进剂的存在不会改变组分b的总体无机性质。
39.组分b以水相存在，优选地以液体形式存在。在替代实施例中，组分b也可以浆料或糊料的形式存在。
40.组分a与组分b之间的重量比(a/b)优先包括在8/1和1/3之间，优选为4.5/1。优选地，混合物的组合物包括82wt.-％的组分a和18wt.-％的组分b。在替代实施例中，混合物的组合物包括25wt.-％的组分a和75wt.-％的组分b。
41.优选的是，将两种组分a和b混合之后，多组分无机胶囊锚固系统的初始凝固时间为至少1分钟、优选地至少2分钟、更优选地至少3分钟、最优选地至少5分钟，尤其在约5分钟到25分钟的范围内、优选地在约5分钟到20分钟的范围内。
42.在多组分无机胶囊锚固系统中，尤其在双组分无机胶囊锚固系统中，水泥质组分a与组分b的体积比为1:1到8:1，优选为2:1。在替代实施例中，水泥质组分a与组分b的体积比为1:3到1:2。
43.多组分无机胶囊锚固系统优选地是即用系统，其中组分a和b在多腔室装置中，如多腔室筒、多腔室圆筒和/或多腔室胶囊，优选地双组分胶囊。具体地说，双组分无机胶囊锚固系统包含两个用于分离可固化组分a和引发剂组分b的箔袋。在替代实施例中，双组分无机胶囊由玻璃或纸制成。双组分无机胶囊也可以被称为双胶囊、双箔或双玻璃。通过将无机锚固系统插入井眼中，引入锚固装置，从而直接在井眼内破坏胶囊并混合组分a和b以准备好凝固并化学紧固锚固构件，来将胶囊的内容物混合在一起。
44.具体地说，多组分无机胶囊锚固系统被视为一种用于将锚固构件(如金属锚固件、螺栓、螺钉锚固件、螺钉和后安装钢筋)化学紧固在矿物基质(如由砖砌、混凝土、透水混凝土或天然石材制成的结构)中的化学锚固件。优选的是，多组分无机胶囊锚固系统用于将锚固杆紧固在井眼中。
45.此外，多组分无机胶囊锚固系统可用于连接纤维、稀松布、织物或复合物(特别是高模量纤维、优选地碳纤维)，具体地说，用于加固建筑结构(例如墙壁或天花板或地板)，或进一步用于将如板或块(例如由石头、玻璃或塑料制成)等组件安装在建筑或结构元件上。
然而，具体地说，其用于将锚固构件，优选地金属锚固件和后安装钢筋(如锚固杆，特别是螺纹杆、螺栓、钢加强杆等)紧固在矿物基质(如由砖砌、混凝土、透水混凝土或天然石材制成的结构)的凹口(如井眼)中，从而例如通过破坏胶囊或塑料/薄膜袋而使多组分无机胶囊锚固系统的组分混合。
46.本发明的多组分无机胶囊锚固系统优选地单独含于两腔室胶囊中以抑制反应，并且可以在使用条件下使其反应。此外，组分a和组分b彼此分开产生，因使得一种组分通常含有可固化的粉末状水泥，而另一种组分含有包含基于硅酸盐的组分的引发剂组分b。填料以及其余组分可含于一种或还有另一种组分中。
47.存在本发明的多组分无机胶囊锚固系统的两腔室和多腔室系统尤其包含玻璃、塑料、塑料片、金属箔或陶瓷的筒，在其内部可固化组分通过壁与引发剂组分保持分开，所述壁可被破坏。此类筒或胶囊系统被放置在井眼中。为了引发固化反应，例如通过将锚固构件(如连杆)驱动到包含其中所含的分隔物的筒或胶囊中，来破坏所述筒或胶囊。
48.以下实例说明本发明，而非由此限制本发明。
49.实例
50.仅存在已知的单组分胶囊系统，必须将其浸入水中以准备好使用其内容物进行化学紧固。这些单组分胶囊系统不适合于塔顶和水下应用，因为其不易处理和分配。这些单组分系统例如为denka quick胶囊(日本电气化学工业有限公司(denka co.ltd.,japan))或来自加拿大ambex混凝土修复解决方案优选公司(ambex concrete repair solutions)的ambex系统。其它已知的双组分系统必须在井眼外预先混合，并且需要几个额外的工具和工作步骤，例如cemeforce(日本住友大阪水泥株式会社(sumitomo osaka cement co.ltd.,japan))。
51.1.磨碎的粒状高炉矿渣的组成
52.表1：rfa-分析矿渣。n.d.：未测定
53.2.组分a和组分b的制备
54.实例的粉末状水泥质组分a和液体引发剂组分b最初是通过分别将表2和3中规定的成分与表4中规定的成分混合来制备的。给出的比例以wt.-％表示。
55.表2：基于磨碎的粒状高炉矿渣的组分a的组成[wt.-％]。％]。
1)
二氧化硅粉尘：细度以cm2/g(blaine)计为180.000-220.000；大小分布(μm)为0.1-10。
2)
砂：大小分布(μm)为125-1000。
3)
q石英粉：大小分布(μm)为0.1-100。
[0056]
表3：组分b的组成(wt.-％)。
[0057]
表4：组分a与组分b的混合比率。组分a组分ba/b-比率水/粘合剂比率a0b0.1320.2a1b0.1500.225a2b0.1650.25a3b0.1820.275a4b0.1980.3a5b0.2310.35
[0058]
3.机械性能的测定
[0059]
在单独地产生后，将粉末状粘合剂组分a和引发剂组分b在直径为12mm、锚固深度为32mm并且底切为0.33mm的不锈钢套筒井眼中用长度为100mm的m8螺纹锚固杆混合。通过使用用于测试材料的装置“zwick roell z050”(德国乌尔姆的zwick公司(zwick gmbh&co.kg,ulm,germany))在24小时内的某些时间确定固化的砂浆组合物的载荷值。不锈钢套筒紧固在板上，而螺纹锚固杆则用螺母固定在测力装置上。在500n的预紧力和3毫米/分钟的测试速率下，通过从中心拉出螺纹锚固杆来测定失效载荷。每个实例由五次拉出的平均值组成。最终失效载荷计算为内部强度，并在表5中以n/mm2给出。
[0060]
表5：内部强度，单位为n/mm2。
[0061]
从表5可以看出，所有可测量的系统在固化24小时后都显示出相当大的内部强度以及增加的载荷值，因此意味着提高了机械强度。正如上面另外表明的那样，使用细度研磨的粘合剂(具体地说，细度在4,000
–
15,000cm2/g范围内，优选地颗粒细度为6,000
–
12,000cm2/g的粘合剂)增加了载荷并因此提高了机械强度。
[0062]
通常，多组分无机胶囊锚固系统在长时间段内还具有优异的机械性能，并且同时具有高载荷值，并且特别是其在井眼内(在火灾条件下和高温下)以及水下和塔顶的直接应用方面具有优势。