[发明专利]一种低碱液态速凝剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，涉及一种湿法喷射混凝土用液态低碱速凝剂，尤其涉及一种应用于隧道湿喷混凝土中的低碱液态速凝剂及其制备方法。

背景技术

速凝剂是一种能使水泥快速凝结的化学外加剂，它的使用能够使水泥在很短的时间内凝结硬化，主要应用于喷射混凝土和喷射砂浆工程施工中。近年来，湿法喷射混凝土工艺由于施工环境好、回弹量低、施工效率高等优点而逐步取代传统的干喷工艺，得到了广泛的应用。而配合该施工工艺使用的速凝剂为液态速凝剂。

目前湿法喷射混凝土常用的液体速凝剂包括以硅酸钠、铝酸钠为主的碱性液体速凝剂和低碱（或无碱）液体速凝剂。其中，碱性液体速凝剂的含碱量高，易对施工工人的身体造成伤害，且其掺入混凝土后，使喷射混凝土的后期强度明显降低以及抗渗等耐久性能下降。因此出于速凝剂对喷射混凝土力学性能、施工性能和施工方法等方面影响的考虑, 低碱（或无碱）液态速凝剂是国际上主流速凝剂的发展方向。其中低碱速凝剂是指碱（Na₂O+0.658K₂O）含量占速凝剂总质量的8%以下，无碱速凝剂是指碱（Na₂O+0.658K₂O）含量占速凝剂总质量的1%以下。

近几年来国内外也成功研制出了一些低碱或无碱液态速凝剂。发明人经对现有技术和专利文献检索发现目前低碱或无碱液态速凝剂中的主要速凝成分大多是硫酸铝。速凝成分硫酸铝中的铝离子可以与水泥水化产生的Ca（OH）2反应生成水化铝酸钙、水化硫铝酸钙等产物，使水泥浆体产生凝结。但是硫酸铝中的硫酸根离子的引入将使水泥水化环境中的硫酸根离子浓度增大，导致水化产物中钙矾石含量增加，延缓水泥熟料C3A的水化过程，延长凝结时间。因此达到要求的凝结时间就必须使用较多的硫酸铝。因此目前以硫酸铝为主要速凝成分的无碱液体速凝剂使用掺量均非常大（最高掺量可达到12%）。硫酸铝的掺量非常大时，在混凝土中会引入高含量的硫酸根，而混凝土在硫酸盐含量较高的时候使得喷射混凝土出现二次钙矾石的可能性大大增加，二次钙矾石的形成会形成膨胀应力，使得混凝土开裂甚至完全丧失力学性能。

发明内容

本发明为克服现有技术中的不足，提供一种专用于隧道工程湿法喷射混凝土的低碱液态速凝剂及其制备方法。

发明人经研究发现采用无碱或者低碱速凝剂时，速凝剂的成分中主要起速凝作用的均为铝盐，如硫酸铝、活性氢氧化铝等，速凝成分中的铝离子可以与水泥水化产物反应使水泥浆体产生凝结，达到速凝效果。因此提高液体低碱或无碱速凝剂的速凝效果，必须提高溶液中铝离子的含量。也就是说液体低碱或无碱速凝剂的研制过程主要是围绕制备高铝含量的稳定溶液而进行。

发明人经研究还发现，铝在溶液中的存在形式有：Al³⁺、AlOH²⁺、Al（OH）₂⁺、Al（OH）₃、AlO₂^- 五种形态，若加上铝离子与其它物质形成络合物离子状态，则铝离子在溶液中存在的形态更多。综观各种关于液体速凝剂的研究文献和专利，对于铝离子在溶液中稳定存在的化学条件、最大浓度等均未涉及。发明人经研究发现：在溶液中无碱的条件下，要使溶液中铝离子稳定存在，Al³⁺不转化为Al（OH）₃晶体，只能保持溶液的PH值低于4~4.5。在PH值为6~9时，Al（OH）₃的分布系数较高，极易由于Al（OH）₃的浓度超过饱和浓度而发生结晶。研制低碱或无碱液体速凝剂必须在酸性环境中进行，合成之后的速凝剂也必须在稳定的酸性环境中。而铝离子为两性金属离子，在与强酸，如硫酸、盐酸等形成的盐呈酸性，可满足稳定存在的条件，但综合考虑到混凝土中钢筋锈蚀问题，可选用的铝盐只有硫酸铝。

为了避免单一速凝成分硫酸铝存在的弊端，而同时能提高液态速凝剂的速凝效果，本发明所提出的技术方案为：以硫酸铝溶液和铝酸钠溶液中和生成氢氧化铝溶胶，再以硫酸铝在原溶液体系内与氢氧化铝溶胶聚合反应形成聚合硫酸铝，使速凝剂溶液溶液具有较高的铝离子含量及液态稳定性。

本发明所提出的低碱液态速凝剂中，加入有稳定剂，使制备的速凝剂在长期存放下不出现结晶沉淀；本发明使用的稳定剂为醇胺类、酰胺类有机物，可以选用二乙醇胺、三乙醇胺、丙醇胺、丙烯酰胺、聚丙烯酰胺中的一种或两种混合制备。