CN112521113B - 一种低温水化硬化凝胶材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑材料技术领域，提供了一种低温水化硬化凝胶材料及其制备方法和应用。本发明提供的凝胶材料包括以下组分：改性铝酸盐水泥、超细粉末活性掺合料、砂、促凝剂、缓凝剂、防冻剂和水；改性铝酸盐水泥由铝酸盐水泥和碱性氧化物混合得到。本发明通过对铝酸盐水泥的改性以及对材料组分配比的调控，使所得凝胶材料能够在低至‑10℃的环境下顺利水化且产生足够的强度，同时能够控制水化时砂浆温度峰值不超过0℃，避免在水化过程放出的热量对桩基工程中周围冻土的温度场产生扰动，避免发生冻土解冻使基坑支撑不稳、桩基倾斜等问题，满足冻土区桩基施工要求，使高原冻土区工程更加安全可靠。

Description

一种低温水化硬化凝胶材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种低温水化硬化凝胶材料及其制备方法和应用。

背景技术

混凝土是现代建筑中使用量最大、应用面最广的建筑材料。混凝土是由胶凝材料和骨料等掺和后经养护硬化形成，其中凝胶材料的水化硬化过程直接影响到混凝土的力学性能和耐久性。

目前，本领域常用的凝胶材料如硅酸盐水泥、铝酸盐水泥等，仅在常温下水化硬化效果较好，在高原冻土区的低温环境下水化缓慢，硬化后强度低，且产生的水化热会对冻土的热稳定性产生不利影响，导致桩基工程中周围冻土温度场扰动，容易发生冻土解冻使基坑支撑不稳、桩基倾斜等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低温水化硬化凝胶材料及其制备方法。本发明提供的凝胶材料能够在低至15℃的环境下顺利水化且产生足够的强度，且水热化放热温度可控，使高原冻土区工程更加安全可靠，满足冻土区桩基施工的要求。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种低温水化硬化凝胶材料，包括以下质量份数的组分：

改性铝酸盐水泥10～20份，超细粉末活性掺合料0～10份，砂60～70份，促凝剂0.15～0.3份，缓凝剂0.5～0.7份，防冻剂1～2份，水8～12份；

所述改性铝酸盐水泥由铝酸盐水泥和碱性氧化物混合得到。

优选的，所述碱性氧化物为氧化镁、氧化钙和氧化钾中的一种或几种；所述碱性氧化物的质量为铝酸盐水泥质量的1％～3％。

优选的，所述铝酸盐水泥中Al₂O₃的质量分数≥68％，所述铝酸盐水泥的比表面积≥300m²/kg。

优选的，所述超细粉末活性掺和料包括硅灰、粉煤灰、高炉矿渣粉和偏高岭土中的至少一种；所述超细粉末活性掺和料的粒径为2～3μm。

优选的，所述砂为天然河砂和/或机制砂；所述砂的粒径≤2mm。

优选的，所述促凝剂包括氯化钙、硝酸钙、亚硝酸钙、硫酸钠和碳酸钠中的至少一种。

优选的，所述缓凝剂包括醇类缓凝剂、羧酸缓凝剂、磷酸盐缓凝剂、硼酸盐缓凝剂和氟硅酸钠中的至少一种。

优选的，所述防冻剂包括乙二醇、氯化钙和甲酸钙中的至少一种。

本发明还提供了上述方案所述低温水化硬化凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将防冻剂溶解于水中，得到防冻剂溶液；

(2)将改性铝酸盐水泥、超细粉末活性掺和料、促凝剂和缓凝剂混合，得到混合粉料；

(3)将所述混合粉料和所述防冻剂溶液、砂混合，得到低温水化硬化凝胶材料；

所述步骤(1)和步骤(2)没有时间顺序的限定。

本发明还提供了上述方案所述的低温水化硬化凝胶材料或上述方案所述制备方法制备的低温水化硬化凝胶材料在冻土区桩基施工中的应用，所述应用的温度≥-10℃。

本发明提供了一种低温水化硬化凝胶材料，包括以下质量份数的组分：改性铝酸盐水泥10～20份，超细粉末活性掺合料0～10份，砂60～70份，促凝剂0.15～0.3份，缓凝剂0.5～0.7份，防冻剂1～2份，水8～12份；所述改性铝酸盐水泥由铝酸盐水泥和碱性氧化物混合得到。本发明在铝酸盐水泥中掺入碱性氧化物，碱性氧化物是一种功能性诱导材料，使得在水化时铝酸盐体系中优先形成胶凝相X-AFm，减少介稳水化铝酸盐的产生，从而增加材料的早期强度和稳定性；本发明通过加入防冻剂控制拌合水溶液的凝固点，通过促凝剂和缓凝剂的协同作用控制凝胶材料单位时间的水化放热量，延长水化放热的总时间，从而达到控制水化放热峰值的目的。本发明通过上述凝胶材料组分的配合，能够实现在低至-10℃的环境下顺利水化且产生足够的强度，同时能够控制水化放热峰值不超过0℃，避免在水化过程放出的热量对桩基工程中周围冻土温度场产生扰动，发生冻土解冻使基坑支撑不稳，桩基倾斜等问题。

本发明还提供了上述方案所述低温水化硬化凝胶材料的制备方法，本发明提供的制备方法步骤简单，容易操作。

本发明还提供了上述方案所述低温水化硬化凝胶材料在冻土区桩基施工中的应用。本发明提供的低温水化硬化凝胶材料水化放热温度可控，在低温下可顺利水化硬化，在应用时无需额外的桩基保护措施，其强度可靠，成本低廉，满足冻土区桩基施工要求，使高原冻土区工程更加安全可靠。

具体实施方式

本发明提供了一种低温水化硬化凝胶材料，包括以下质量份数的组分：

改性铝酸盐水泥10～20份，超细粉末活性掺合料0～10份，砂60～70份，促凝剂0.15～0.3份，缓凝剂0.5～0.7份，防冻剂1～2份，水8～12份。

如无特殊说明，本发明所述低温水化硬化凝胶材料中使用的各个原料组分均为市售。

以质量份计，本发明提供的低温水化硬化凝胶材料包括改性铝酸盐水泥10～20份，优选为13～18份，更优选为15份。在本发明中，所述所述改性铝酸盐水泥由铝酸盐水泥和碱性氧化物混合得到，所述碱性氧化物优选为氧化镁、氧化钙和氧化钾中的至少一种；所述碱性氧化物的质量优选为铝酸盐水泥质量的1％～3％，优选为2％；本发明对所述铝酸盐水泥和碱性氧化物的混合方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的混合方式，能够将铝酸盐水泥和碱性氧化物混合均匀即可。

在本发明中，所述铝酸盐水泥中Al₂O₃的质量分数≥68％，优选为70～80％，所述铝酸盐水泥的比表面积≥300m²/kg，优选为350～450m²/kg。本发明加入碱性氧化物对铝酸盐水泥进行改性，能够促进水化过程中早期钙矾石的形成，提高水泥的早期强度。

以所述改性铝酸盐水泥的质量份为基准，本发明提供的低温水化硬化凝胶材料包括超细粉末活性掺合料0～10份，优选为2～8份，更优选为3～5份。在本发明中，所述超细粉末活性掺和料优选包括硅灰、粉煤灰、高炉矿渣粉和偏高岭土中的至少一种；所述超细粉末活性掺和料的粒径优选为2～3μm。本发明通过加入超细粉末活性掺和料能够产生活性效应，与添加的碱性氧化物水化产物反应，生成少量凝胶，填充在水泥水化物之间，有利于增加水泥砂浆的密实性，提升后期强度。

以所述改性铝酸盐水泥的质量份为基准，本发明提供的低温水化硬化凝胶材料包括砂60～70份，优选为63～68份，更优选为64～65份。在本发明中，所述砂优选包括天然河砂和/或机制砂；所述砂的粒径优选≤2mm，更优选为0.5～1.5mm。在本发明中，所述砂能够起到骨架作用，水泥浆包裹在砂子骨料表面并填充其空隙，有利于水泥硬化后将其胶结为坚实的整体。

以所述改性铝酸盐水泥的质量份为基准，本发明提供的低温水化硬化凝胶材料包括促凝剂0.15～0.3份，优选为0.2～0.25份。在本发明中，所述促凝剂优选包括氯化钙、硝酸钙、亚硝酸钙、硫酸钠和碳酸钠中的至少一种。

以所述改性铝酸盐水泥的质量份为基准，本发明提供的低温水化硬化凝胶材料包括缓凝剂0.5～0.7份，优选为0.6份。在本发明中，所述缓凝剂优选包括醇类缓凝剂、羧酸缓凝剂、磷酸盐缓凝剂、硼酸盐缓凝剂和氟硅酸钠中的至少一种；所述醇类缓凝剂优选为乙二醇，所述羧酸缓凝剂优选为酒石酸，所述磷酸盐缓凝剂优选为六偏磷酸钠，所述硼酸盐缓凝剂优选为硼砂和/或氟硅酸钠。本发明通过促凝剂和缓凝剂的协同作用，控制凝胶材料单位时间的水化放热量，延长水化放热的总时间，控制水泥水化的放热峰值不超过0℃，从而避免水化放热对冻土温度场产生扰动。

以所述改性铝酸盐水泥的质量份为基准，本发明提供的低温水化硬化凝胶材料包括防冻剂1～2份，优选为1.3～1.5份。在本发明中，所述防冻剂优选包括乙二醇、氯化钙和甲酸钙中的至少一种。本发明通过加入防冻剂控制水的凝固点，使水在低温下不会结冰，从而为凝胶材料水化提供条件。

以所述改性铝酸盐水泥的质量份为基准，本发明提供的低温水化硬化凝胶材料包括水8～12份，优选为9～11份。本发明对所述水没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的水即可。

本发明还提供了上述方案所述低温水化硬化凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将防冻剂溶解于水中，得到防冻剂溶液；

(2)将改性铝酸盐水泥、超细粉末活性掺和料、促凝剂和缓凝剂混合，得到混合粉料；

(3)将所述混合粉料和所述防冻剂溶液、砂混合，得到低温水化硬化凝胶材料；

所述步骤(1)和步骤(2)没有时间顺序的限定。

本发明将防冻剂溶解于水中，得到防冻剂溶液。本发明对所述溶解的条件没有特殊要求，能够使防冻剂完全溶解即可。

本发明将改性铝酸盐水泥、超细粉末活性掺和料、促凝剂和缓凝剂混合，得到混合粉料。本发明优选先将改性铝酸盐水泥和超细粉末活性掺和料混合，然后再加入促凝剂和缓凝剂，搅拌均匀即得到所述混合粉料。

得到防冻剂溶液和混合粉料后，本发明将所述混合粉料和所述防冻剂溶液、砂混合，得到低温水化硬化凝胶材料。本发明优选将所述混合粉料倒入所述防冻剂溶液中，搅拌均匀后再加入砂，继续搅拌均匀，所得浆体即为本发明的低温水化硬化凝胶材料。

本发明还提供了上述方案所述的低温水化硬化凝胶材料或上述方案所述制备方法制备的低温水化硬化凝胶材料在冻土区桩基施工中的应用。在本发明中，所述应用的温度优选为≥-10℃，更优选为-10～-8℃。在本发明的具体实施例中，将上述步骤(3)中搅拌所得浆体(即本发明的低温水化硬化凝胶材料)在≥-10℃环境中浇筑即可，无需额外的桩基保护措施。

本发明对所述浇筑后的养护措施没有特殊要求，在≥-10℃环境中按照本领域技术人员熟知的方法进行养护即可。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

一种低温水化硬化凝胶材料，由以下质量份数的组分制备得到：

改性铝酸盐水泥10份，粉煤灰(粒径为2～3μm)3份，天然河砂(粒径≤2mm)60份，氯化钙(促凝剂)0.15份，乙二醇(缓凝剂)0.5份，甲酸钙(防冻剂)1份，水10份；

其中，所述改性铝酸盐水泥由铝酸盐水泥和氧化钙按照100：1的重量比混合得到，铝酸盐水泥Al₂O₃的质量分数为68％，铝酸盐水泥的比表面积为300m²/kg。

制备方法如下：

(1)将防冻剂溶解于的水中，得到防冻剂溶液；

(2)向改性铝酸盐水泥中粉煤灰，再向其中加入氯化钙和乙二醇，搅拌均匀，得到混合粉料。

(3)将所述混合粉料倒入到防冻剂溶液中，搅拌均匀后添加天然河砂砂，搅拌均匀，得到浆体，即为低温水化硬化凝胶材料；

实施例2

其他条件和实施例1相同，仅将低温水化硬化凝胶材料的组分改为：改性铝酸盐水泥15份，硅灰(粒径为2～3μm)5份，机制砂(粒径≤2mm)65份，硝酸钙(促凝剂)0.2份，酒石酸(缓凝剂)0.6份，氯化钙(防冻剂)1.5份，水12份。

其中，所述改性铝酸盐水泥由铝酸盐水泥和氧化镁按照100：3的重量比混合得到，铝酸盐水泥Al₂O₃的质量分数为68％，铝酸盐水泥的比表面积为300m²/kg。

实施例3

其他条件和实施例1相同，仅将低温水化硬化凝胶材料的组分改为：

改性铝酸盐水泥20份，粉煤灰(粒径为2～3μm)10份，机制砂(粒径≤2mm)70份，亚硝酸钙(促凝剂)0.3份，六偏磷酸钠(缓凝剂)0.7份，甲酸钙(防冻剂)2份，水8份。

其中，所述改性铝酸盐水泥由铝酸盐水泥和氧化钾按照100：2的重量比混合得到，铝酸盐水泥Al₂O₃的质量分数为68％，铝酸盐水泥的比表面积为300m²/kg。

实施例4

其他条件和实施例1相同，仅将低温水化硬化凝胶材料的组分改为：

改性铝酸盐水泥15份，偏高岭土(粒径为2～3μm)15份，机制砂(粒径≤2mm)62份，硫酸钠(促凝剂)0.25份，硼砂(缓凝剂)0.65份，乙二醇(防冻剂)1.5份，水9份。

其中，所述改性铝酸盐水泥由铝酸盐水泥和氧化钙按照100：3的重量比混合得到，铝酸盐水泥Al₂O₃的质量分数为68％，铝酸盐水泥的比表面积为300m²/kg。

实施例5

其他条件和实施例1相同，仅将低温水化硬化凝胶材料的组分改为：

改性铝酸盐水泥18份，天然河砂(粒径≤2mm)63份，碳酸钠(促凝剂)0.15份，氟硅酸钠(缓凝剂)0.65份，氯化钙(防冻剂)1份，水10份。

其中，所述改性铝酸盐水泥由铝酸盐水泥和氧化钙按照100：1的重量比混合得到，铝酸盐水泥Al₂O₃的质量分数为68％，铝酸盐水泥的比表面积为300m²/kg。

对比例1

其他条件和实施例1相同，仅将改性铝酸盐水泥替换为普通铝酸盐水泥，不掺和碱性氧化物。

在相同的条件下，测试实施例1中改性铝酸盐水泥和普通铝酸盐水泥的抗压强度，结果见表1：

表1改性铝酸盐水泥和普通铝酸盐水泥的抗压强度

抗压强度(MPa)	改性铝酸盐水泥	普通铝酸盐水泥
			3d	40.5MPa	41.3MPa
28d	59.3MPa	43.4MPa

根据表1可以看出，和普通铝酸盐水泥相比，本发明改性后的铝酸盐水泥早期强度和晚期强度均有提高。

对比例2

其他条件和实施例1相同，仅将缓凝剂省略。

对比例3

其他条件和实施例1相同，仅将促凝剂省略。

测试实施例1和对比例2～3所得凝胶材料在1天内的水化热总量，结果见表2：

表2实施例1和对比例2～3所得凝胶材料的水化热总量

水化热总量(j/g)	实施例1	对比例2	对比例3
				4h	22	30	0
12h	53	100	0
				1d	98	250	10
2d	220	323	31
				3d	312	342	98

根据表2可以看出，本发明将缓凝剂和促凝剂配合使用，可以控制每日的水化热放热量，达到均匀水化目的，单独添加缓凝剂或促凝剂则水化过快或过慢。

将实施例1～5和对比例1～3中所得低温水化硬化凝胶材料直接在-10℃条件下浇筑，测试硬化后的强度，并以传统材料(硅酸盐水泥)作为对比，在相同的条件下进行浇筑，测试硬化后的强度，结果见表1。

采用TONI热量法测试实施例1～5、对比例1～3的凝胶材料和传统材料在水化过程中的砂浆温度峰值，将结果列于表3中。

表3凝胶材料的抗压强度和水化放热峰值

根据表1中的结果可以看出，本发明制备的凝胶材料能够实现在-10℃条件下顺利水化，且产生足够的强度，尤其的早期强度较高；本发明的凝胶材料水化过程中放热量低，放热峰值不超过0℃，在应用于冻土区桩基施工时不会对周围冻土的温度场产生扰动；此外，根据对比例的结果可以看出，未对铝酸盐水泥进行改性时(对比例1)，所得凝胶材料的强度较低，未添加缓凝剂时(对比例2)，所得凝胶材料的砂浆温度峰值较高，且强度较低，未添加促凝剂时，所得凝胶材料的在相同的时间内强度大幅下降，说明其水化速度很慢；另外传统材料的早期强度很低，且砂浆温度峰值达到50℃，在冻土区施工时，会对冻土周围冻土的温度场产生扰动，无法满足冻土区施工的要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种低温水化硬化凝胶材料，其特征在于，由以下质量份数的组分组成：

改性铝酸盐水泥10~20份，超细粉末活性掺合料0~10份，砂60~70份，促凝剂0.15~0.3份，缓凝剂0.5~0.7份，防冻剂1~2份，水8~12份；

所述改性铝酸盐水泥由铝酸盐水泥和碱性氧化物混合得到；

所述碱性氧化物为氧化镁、氧化钙和氧化钾中的一种或几种；所述碱性氧化物的质量为铝酸盐水泥质量的1%~3%。

2.根据权利要求1所述的低温水化硬化凝胶材料，其特征在于，所述铝酸盐水泥中Al₂O₃的质量分数≥68%，所述铝酸盐水泥的比表面积≥300m²/kg。

3.根据权利要求1所述的低温水化硬化凝胶材料，其特征在于，所述超细粉末活性掺和料包括硅灰、粉煤灰、高炉矿渣粉和偏高岭土中的至少一种；所述超细粉末活性掺和料的粒径为2~3μm。

4.根据权利要求1所述的低温水化硬化凝胶材料，其特征在于，所述砂为天然河砂和/或机制砂；所述砂的粒径≤2mm。

5.根据权利要求1所述的低温水化硬化凝胶材料，其特征在于，所述促凝剂包括氯化钙、硝酸钙、亚硝酸钙、硫酸钠和碳酸钠中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的低温水化硬化凝胶材料，其特征在于，所述缓凝剂包括醇类缓凝剂、羧酸缓凝剂、磷酸盐缓凝剂、硼酸盐缓凝剂和氟硅酸钠中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的低温水化硬化凝胶材料，其特征在于，所述防冻剂包括乙二醇、氯化钙和甲酸钙中的至少一种。

8.权利要求1~7任意一项所述低温水化硬化凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将防冻剂溶解于水中，得到防冻剂溶液；

（2）将改性铝酸盐水泥、超细粉末活性掺和料、促凝剂和缓凝剂混合，得到混合粉料；

（3）将所述混合粉料和所述防冻剂溶液、砂混合，得到低温水化硬化凝胶材料；

所述步骤（1）和步骤（2）没有时间顺序的限定。

9.权利要求1~7任意一项所述的低温水化硬化凝胶材料或权利要求8所述制备方法制备的低温水化硬化凝胶材料在冻土区桩基施工中的应用，其特征在于，所述应用的温度≥-10℃。