CN111574103A - 一种喷射混凝土用多组分复合增效剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种喷射混凝土用多组分复合增效剂及其制备方法，组分：纳米级硅灰20‑40％，改性矿粉30‑50％，膨胀剂10‑20％，晶核早强剂0‑5％，流化剂1‑5％，三聚磷酸钠1‑5％，羧甲基纤维素钠0.5‑2％，葡萄糖酸钠0.5‑2％，硫氰酸钠5‑10％，聚丙烯纤维0‑0.5％，有机硅消泡剂0.05‑0.2％。与现有技术相比，本发明显著提高喷射混凝土的工作性能、泵送性；降低喷射混凝土的回弹率合粉尘量；减少喷射混凝土的收缩，改善喷射混凝土的孔结构，提高喷射混凝土密实度，强度和抗开裂性能，从而使喷射混凝土具有良好的耐久性，同时本发明无毒无污染，生产工艺简单，生产零排放，属于绿色环保材料。

Description

一种喷射混凝土用多组分复合增效剂及其制备方法

技术领域

本发明属于混凝土技术领域，尤其是涉及一种喷射混凝土用多组分复合增效剂及其制备方法。

背景技术

喷射混凝土是在高压缩空气作用下，将经过管道运输的混凝土均匀喷射在受喷面上，自动压实并快速产生强度的一种特殊混凝土。与现浇混凝土相比，机喷施工具备凝结时间短，早期强度高，施工便捷，缩短工期，成本节约的优点，广泛应用于隧道衬砌、矿井巷道支护、基坑支护等工程。

在实际施工过程中，喷射混凝土一方面要具有良好的施工性能，凝结时间适宜，早期强度高，施工混凝土回弹率低；一方面又要具有良好的服役性能，即密实度高，抗渗透性好。在上述性能要求的基础上还兼顾成本节约的因素。这就要求喷射混凝土的材料在性能上比普通混凝土更加优越。

研究表明，混凝土的渗透性是衡量混凝土抵御各种介质的重要指标，直接决定混凝土的耐久性，喷射混凝土因使用速凝剂和受喷射成型方式的影响，喷射混凝土在水化产物和孔结构方面与模筑混凝土不同，继而造成二者渗透性和力学性能产生差异。因此，喷射混凝土内部的孔结构决定了有害气体及离子迁移的轨迹及速度，严重影响其渗透性能优劣和强度的高低。

在提高喷射混凝土的抗渗透性能方面，矿物掺合料的作用比较明显，如硅灰、粉煤灰等作用比较显著，其中2012年12年19日公开的发明专利201210343040.7“纳米级喷射混凝土改性掺合料”、2018年8月17日公开的发明专利申请201810248219.1“一种喷射混凝土外加剂”、2016年4月20日公开的发明专利申请201510968974.3“一种早强型喷射混凝土”、2018 年5月18日公开的发明专利201810036120.5“一种高强度低回弹率喷射混凝土及其施工工艺”、2017年6月27日公开的发明专利申请201710085030.0“一种高强超微喷射混凝土外加剂”、2019年1月25日公开的发明专利201811330392.2“一种湿喷混凝土纳米级掺合料及其使用方法”等都添加了硅灰，获得喷射混凝土的降低回弹的显著作用；但是，并没有改变喷射混凝土孔隙、孔结构和密实度。而且，采用纳米级硅灰使用量大，成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种喷射混凝土用多组分复合增效剂，显著提高喷射混凝土的工作性能、泵送性；降低喷射混凝土的回弹率和粉尘量；减少喷射混凝土的收缩，改善喷射混凝土的孔结构，提高喷射混凝土密实度、强度和抗开裂性能。

本发明另一目的在于提供一种喷射混凝土用多组分复合增效剂的制备方法，制备方法简单，成本低。

本发明具体技术方案如下：

本发明提供的一种喷射混凝土用多组分复合增效剂，包括以下质量百分比的原料：

纳米级硅灰20-40％，改性矿粉30-50％，膨胀剂10-20％，晶核早强剂0-5％，流化剂1-5％，三聚磷酸钠1-5％，羧甲基纤维素钠0.5-2％，葡萄糖酸钠0.5-2％，硫氰酸钠5-10％，聚丙烯纤维0-0.5％，有机硅消泡剂0.05-0.2％。

上述各原料含量百分比之和为100％。

所述喷射混凝土用多组分复合增效剂为粒径D90≤30μm连续紧密堆积的超细粉体材料。

所述纳米级硅灰为SiO₂含量≥90.0％，堆积密度为600-900kg/m²的全加密硅灰。

所述改性矿粉为粒化高炉矿渣粉与有机助剂进行超细粉磨获得的粉体。

所述改性矿粉制备方法为：以质量分数计，粒化高炉矿渣粉占94-97％，硬石膏为1-3％，聚合硫酸铝为0.5-2％，三乙醇胺1-3％，在超细球磨机内研磨制备的粒径分布D90≤20μm,比表面积≥700m²/Kg的超细改性矿粉。

所述的膨胀剂为氧化钙、氧化钙-硫铝酸钙或氧化镁膨胀剂的一种或几种组合。

所述的晶核早强剂为纳米水化硅酸钙溶胶。

所述的流化剂为聚羧酸减水剂粉剂。

本发明提供的一种喷射混凝土用多组分复合增效剂的制备方法，具体为：

将改性矿粉与纳米级硅灰、膨胀剂、晶核早强剂、三聚磷酸钠、流化剂、羧甲基纤维素钠、葡萄糖酸钠、硫氰酸钠、聚丙烯纤维和有机硅消泡剂进行混合，搅拌均匀后，即制得喷射混凝土用多组分复合增效剂。

本发明所制备的喷射混凝土用多组分复合增效剂，取代水泥或矿物掺合料，掺量为胶凝材料质量的5％-15％，使用时与胶凝材料、骨料一起加入搅拌机中混合搅拌后使用。

现有技术公开填充喷射混凝土孔隙，改善孔结构、提高密实度的性能进行过多的技术方案，而且，硅灰材料粒径属于纳米级范畴，对于填孔来讲过于浪费，成本高，因此为获得更为经济科学的密实胶凝材料体系，需要在喷射混凝土材料中引入一部分介于硅灰和水泥之间的连续紧密堆积的粉体材料；另外喷射混凝土的材料配比一旦形成，其孔隙率在混凝土浇筑后不会发生显著改变。但在水化产物无序搭接过程中，喷射混凝土很难向普通混凝土一样密实固化，难免留下一些粗大孔隙，而这些大孔隙需要一定的膨胀应力去挤压缩孔。而在喷射混凝土浇筑完成后的服役期间，更要关注其体积稳定性，因此需避免因喷射混凝土的收缩造成的开裂使其抗渗透性丧失。另外从经济上讲，喷射混凝土用外加剂材料能够取代部分水泥的用量，提高混凝土的性能，降低生产成本，对实现节能减排，走可持续发展道路也具有重大意义。

本发明从优化粉体级配、改善浆体流变性能、孔隙填充、晶核早强、微膨胀抗裂等方面研制的多组分复合增效剂，能够实现显著提高喷射混凝土的工作性能、泵送性；降低喷射混凝土的回弹率合粉尘量；减少喷射混凝土的收缩，改善喷射混凝土的孔结构，提高喷射混凝土密实度，强度和抗开裂性能，从而使喷射混凝土具有良好的耐久性，同时本发明无毒无污染，生产工艺简单，生产零排放，属于绿色环保材料。

具体而言，本发明相对现有技术的优势在于：

1、本发明进一步将粉体进行颗粒级配优化，在介于硅灰和胶凝材料的粉体粒径空白处引入D90≤20μm的超细改性矿粉，即可实现胶凝材料体系颗粒的连续级配，改善浆体的密实度，又能促使矿粉的充分水化，节约水泥用量。

2、引入膨胀组份，其中膨胀组份根据实际施工环境和结构形式选用不同膨胀特性的膨胀剂，促使喷射混凝土浇筑完成后仍具有一定的膨胀应力挤压孔隙，提高喷射混凝土抗渗透性和抗开裂能力。

3、多组分化复合设计，充分各组分发挥各组份协同效应，其中，纳米级硅灰与超细改性矿粉、晶核早强剂具有明显提高混凝土强度的作用，添加适量的硅灰可提高混凝土的强度等级；超细改性矿粉是优质的混凝土掺合料和水泥混合材，是配制高性能混凝土的重要材料，其中，本发明超细改性矿粉制备过程中，石膏能有效的减小粉碎阻力，提高粉体的流动性和助磨效率，聚合硫酸铝能提高水泥石的干燥收缩，提高胶凝材料的的抗压强度，三乙醇胺能提高胶凝材料的早期抗压强度和抗冻性能，经改性的超细矿粉可有效提高混凝土的抗压强度，降低混凝土的成本，同时对抑制碱骨料反应，降低水化热，减少混凝土结构早期温度裂缝，提高混凝土密实度，提高抗渗和抗侵蚀能力；三聚磷酸钠和硫氰酸钠配合使用可以提高混凝土的早期强度，提高混凝土的抗冻性能；聚羧酸减水剂粉剂具有较好的分散性，能防止混凝土坍落度损失而不引起明显缓凝，低掺量下发挥较高的塑化效果，流动性保持性好、水泥适应广，对混凝土增强效果显著，能降低混凝土收缩；羧甲基纤维素钠具有润滑作用，减少研磨的阻力，减小泵送摩擦阻力，提高混凝土的流动性；葡萄糖酸钠能够显著提高混凝土的流动性，促进混凝土的细化；聚丙烯纤维能显著提高混凝土的强度，韧性、延性、抗冲击疲劳性能和变形模量；有机硅消泡剂以有机硅油配溶剂和乳化剂等聚合而成，使用小量就可以达到迅速的消泡和抑泡性能。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。实施例中所述改性矿粉的制备方法为：以质量组份计，以94％质量分数的粒化高炉矿渣粉，3％硬石膏，1.0％聚合硫酸铝和2％的三乙醇胺，在超细球磨机内研磨成粒径分布为D90≤20μm,比表面积≥700m²/Kg的超细粉体，即为改性矿粉；所述膨胀剂为武汉三源特种建材有限责任公司生产的氧化钙、氧化钙-硫铝酸钙或氧化镁膨胀剂中的一种，或由前述膨胀剂中的2种和3种组合而成的钙镁复合型膨胀剂；所述聚羧酸减水剂粉剂为江苏兆佳建材科技有限公司生产的PM109型减水剂；所述羧甲基纤维素钠为山东潍坊力特复合材料有限公司生产的IVH9型产品；所述聚丙烯纤维为山东泰安市现代塑料有限公司生产的12mm束状单丝聚丙烯纤维；所述有机硅消泡剂为东莞百年宏图化工科技有限公司生产的DQ-W086型粉体消泡剂；所述晶核早强剂为上海三瑞高分子材料股份有限公司生产的IVID-300(CN)。

基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种喷射混凝土用多组分复合增效剂，包括以下质量百分比的原料：

纳米级硅灰40％，

改性矿粉30％，

膨胀剂氧化钙-硫铝酸钙10％，

三聚磷酸钠4％，

聚羧酸减水剂粉剂4％，

羧甲基纤维素钠0.9％，

葡萄糖酸钠0.5％，

硫氰酸钠10％，

聚丙烯纤维0.5％，

有机硅消泡剂0.1％。

上述喷射混凝土用多组分复合增效剂的制备方法：

将上述各原料放入强制式混合机内混合均匀，即得到喷射混凝土用多组分复合增效剂，为粒径D90≤30μm连续紧密堆积的超细粉体材料。

将上述增效剂取掺入C30喷射混凝土，替代部分混凝土用量，具体如下表1。

实施例2

一种喷射混凝土用多组分复合增效剂，包括以下质量百分比的原料：

纳米级硅灰30％，

改性矿粉35％，

膨胀剂氧化钙-硫铝酸钙15％，

三聚磷酸钠5％，

聚羧酸减水剂粉剂5％，

羧甲基纤维素钠2％，

葡萄糖酸钠1.4％，

硫氰酸钠6.5％，

有机硅消泡剂0.1％。

上述喷射混凝土用多组分复合增效剂的制备方法：

将上述各原料放入强制式混合机内混合均匀，即得到喷射混凝土用多组分复合增效剂，为粒径D90≤30μm连续紧密堆积的超细粉体材料。

将上述增效剂取掺入C30喷射混凝土，替代部分混凝土用量，具体如下表1。

实施例3

一种喷射混凝土用多组分复合增效剂，包括以下质量百分比的原料：

纳米级硅灰25％，

改性矿粉40％，

膨胀剂20％，膨胀剂由氧化钙-硫铝酸钙、氧化镁膨胀剂按照1:1的质量复合而成，

晶核早强剂2％

三聚磷酸钠3％，

聚羧酸减水剂粉剂3％，

羧甲基纤维素钠0.8％，

葡萄糖酸钠0.5％，

硫氰酸钠5.5％，

有机硅消泡剂0.2％。

上述喷射混凝土用多组分复合增效剂的制备方法：

将上述各原料放入强制式混合机内混合均匀，即得到喷射混凝土用多组分复合增效剂，为粒径D90≤30μm连续紧密堆积的超细粉体材料。

将上述增效剂取掺入C30喷射混凝土，替代部分混凝土用量，具体如下表1。

实施例4

一种喷射混凝土用多组分复合增效剂，包括以下质量百分比的原料：

纳米级硅灰20％，

改性矿粉50％，

膨胀剂15％，膨胀剂由氧化钙-硫铝酸钙、氧化镁膨胀剂按照1:1的质量复合而成；

三聚磷酸钠3％，

聚羧酸减水剂粉剂4％，

羧甲基纤维素钠1％，

葡萄糖酸钠1％，

聚丙烯纤维0.1％，

硫氰酸钠5.8％

有机硅消泡剂0.1％；

上述喷射混凝土用多组分复合增效剂的制备方法：

将上述各原料放入强制式混合机内混合均匀，即得到喷射混凝土用多组分复合增效剂，为粒径D90≤30μm连续紧密堆积的超细粉体材料。

将上述增效剂取掺入C30喷射混凝土，替代部分混凝土用量，具体如下表1。

将实施例1-4所制备的增效剂用于C30喷射混凝土，设置对照组，对照组添加减水剂，实施例加入本发明实施例制备的增效剂，其他对照组与实施例相同。增效剂掺量为取代水泥用量10％。具体喷射混凝土配合比为表1所述。

表1喷射混凝土配合比(kg/m³)

上述对照组和实施例所得混凝土性能具体如表2所述。

表2喷射混凝土性能

表2中数据表明：与对照例相比，添加本发明所述增效剂后，能有效降低喷射混凝土的回弹率，喷射混凝土的强度性能、弯曲韧性性能、抗渗透性能、抗开裂能力显著提高。

Claims (10)

1.一种喷射混凝土用多组分复合增效剂，其特征在于，所述喷射混凝土用多组分复合增效剂包括以下质量百分比的原料：

纳米级硅灰20-40％，改性矿粉30-50％，膨胀剂10-20％，晶核早强剂0-5％，流化剂1-5％，三聚磷酸钠1-5％，羧甲基纤维素钠0.5-2％，葡萄糖酸钠0.5-2％，硫氰酸钠5-10％，聚丙烯纤维0-0.5％，有机硅消泡剂0.05-0.2％。

2.根据权利要求1所述的喷射混凝土用多组分复合增效剂，其特征在于，所述喷射混凝土用多组分复合增效剂为粒径D90≤30μm连续紧密堆积的超细粉体材料。

3.根据权利要求1所述的喷射混凝土用多组分复合增效剂，其特征在于，所述纳米级硅灰为SiO₂含量≥90.0％，堆积密度为600-900kg/m²的全加密硅灰。

4.根据权利要求1所述的喷射混凝土用多组分复合增效剂，其特征在于，所述改性矿粉为粒化高炉矿渣粉与有机助剂进行超细粉磨获得的粉体。

5.根据权利要求1或4所述的喷射混凝土用多组分复合增效剂，其特征在于，所述改性矿粉制备方法为：以质量分数计，粒化高炉矿渣粉占94-97％，硬石膏为1-3％，聚合硫酸铝为0.5-2％，三乙醇胺1-3％，在超细球磨机内研磨制备的粒径分布D90≤20μm,比表面积≥700m²/Kg的超细改性矿粉。

6.根据权利要求1所述的喷射混凝土用多组分复合增效剂，其特征在于，所述的膨胀剂为氧化钙、氧化钙-硫铝酸钙或氧化镁膨胀剂的一种或几种组合。

7.根据权利要求1所述的喷射混凝土用多组分复合增效剂，其特征在于，所述的晶核早强剂为纳米水化硅酸钙溶胶。

8.根据权利要求1所述的喷射混凝土用多组分复合增效剂，其特征在于，所述的流化剂为粉体聚羧酸减水剂。

9.根据权利要求1所述的喷射混凝土用多组分复合增效剂，其特征在于，所述的喷射混凝土用多组分复合增效剂取代水泥或矿物掺合料，掺量为胶凝材料质量的5％-15％。

10.一种权利要求1-9任一项所述的喷射混凝土用多组分复合增效剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：将改性矿粉与纳米级硅灰、膨胀剂、晶核早强剂、三聚磷酸钠、流化剂、羧甲基纤维素钠、葡萄糖酸钠、硫氰酸钠、聚丙烯纤维和有机硅消泡剂进行混合，搅拌均匀后，即制得喷射混凝土用多组分复合增效剂。