專利名稱：硫鋁酸鹽水泥快硬混凝土配制中使用的緩凝劑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硫鋁酸鹽水泥快硬混凝土配制中所使用的專用緩凝劑。
背景技術(shù)：
城市交通是道路交通運(yùn)輸中的重要組成，道路暢通對城市建設(shè)和市民的健康出行至關(guān)重要。然而，由于上世紀(jì)七八十年代對結(jié)構(gòu)耐久性的認(rèn)識和重視不夠，再加上交通負(fù)荷壓力的日益增大，修建的城市道路橋梁隨著服務(wù)年限的增長，路面出現(xiàn)了嚴(yán)重的斷裂和破碎，如不及時修復(fù)，將影響車輛正常行駛，甚至危及行車安全。就北京城區(qū)而言，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前就有100多座立交橋急需維修。但是現(xiàn)代城市交通壓力很大，尤其是對于城市主干道樞紐部位，對于道路橋梁的維修要求更高。既要完成維修任務(wù)，又不能對城市交通造成較大影響，一般情況下只能在夜間施工或者在很短的時間內(nèi)完成維修工作。這就要求在施工過程中混凝土材料的澆注、養(yǎng)護(hù)和強(qiáng)度增長時間盡可能縮短，盡可能在幾個小時時間內(nèi)就要求達(dá)到通車條件。因此，研制一種快速有效的修補(bǔ)工程材料和相應(yīng)的施工工藝將具有重要的社會意義和實(shí)用價值。長期以來，我國公路部門習(xí)慣于采用浙青混凝土對損壞的水泥混凝土路面進(jìn)行修補(bǔ)。盡管其方法簡便，但隱患較多，主要表現(xiàn)為(1)道路強(qiáng)度不均勻，傳荷不一致；( 使用壽命短；C3)路面平整度差，表面使用功能低；(4)顏色不一致，不美觀。改性浙青雖然性能好，但價格較高。另一種傳統(tǒng)的修補(bǔ)方法是，將破損的混凝土除掉，新鋪上與原設(shè)計標(biāo)號相同或高標(biāo)號的普通混凝土，但這會帶來以下問題(1)收縮大，易導(dǎo)致新老混凝土拉開；(2) 水泥混凝土本身粘度低，與老混凝土結(jié)合差；C3)新老混凝土間的界面缺陷易使混凝土開裂；(4)養(yǎng)生期長(一般需要14天)。這給繁忙的交通運(yùn)輸帶來極大的不便，經(jīng)常造成交通堵塞現(xiàn)象。因此，研發(fā)一種既能保證路面修補(bǔ)質(zhì)量，又能縮短修補(bǔ)時間的高效新型水泥混凝土路面修補(bǔ)材料已成了一個刻不容緩的問題。早在20世紀(jì)80年代初期，一些發(fā)達(dá)國家就開始進(jìn)行水泥混凝土路面快速開放交通方面的研究，主要通過采用在混凝土中摻加早強(qiáng)型外加劑的辦法，以加快混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展。一些國家還研制出適用于水泥混凝土道面修補(bǔ)的快硬高早強(qiáng)水泥，如日本的 “一日水泥”、英國的Swiftcrete水泥、德國的Draifach水泥及意大利的Supercement水泥。對破損面的罩面修補(bǔ)，常用材料是浙青混凝土，也有些國家采用鋼纖維混凝土或薄層連續(xù)鋼筋混凝土加鋪層。1987年，美國的Lone Star Industries Research Center研制出一種Py rament的復(fù)合水泥，4h抗壓強(qiáng)度可達(dá)18MPa以上，抗彎強(qiáng)度約為3. 4MPa, 28d抗壓強(qiáng)度可到82. SMPa0用其灌注機(jī)場跑道Mi后，飛機(jī)可安全降落，灌注路面4h可承擔(dān)繁忙交通。美國航空公司曾在1991年海灣戰(zhàn)爭期間，用Py rament水泥以驚人的速度在沙特修建了一個臨時軍用機(jī)場。另外一條技術(shù)路線是采用早強(qiáng)劑、膨脹劑及聚合物乳液配制復(fù)合型水泥混凝土或砂漿。國外這方面的研究和應(yīng)用早，比較先進(jìn)的國家是美國、日本、俄羅斯，其中日本發(fā)展速度最快。采用聚合物改性的摻有復(fù)合外加劑的水泥砂漿配成路面快速修補(bǔ)材料，可做到當(dāng)天修補(bǔ)當(dāng)天通車且耐久性好。我國北京市政部門曾采用高效復(fù)合早強(qiáng)劑(CNL4)、聚合物膠粘劑(J-6或YJ-9)，共同摻入水泥混凝土和砂漿中配制新型水泥混凝土路面修補(bǔ)材料，作為嚴(yán)重裸石的水泥混凝土路面罩面材料，在北京西二環(huán)路上進(jìn)行了試驗(yàn)性修補(bǔ)，效果較好。 此類復(fù)合材料用于水泥混凝土路面搶修工程在我國正處于試驗(yàn)階段，具有較好發(fā)展前景。我國復(fù)合外加劑的研究與應(yīng)用還停留在20世紀(jì)90年代以前的水平，在水泥混凝土路面工程中聚合物應(yīng)用較少。所以應(yīng)該把重點(diǎn)放在滿足路面使用性能要求的水泥混凝土材料上，從提高耐久性出發(fā)，而復(fù)合外加劑及某些聚合物的摻入，可以改善水泥混凝土或砂漿的抗?jié)B性、抗裂性及抗磨性。因此，我國水泥混凝土路面修補(bǔ)材料的發(fā)展趨勢，應(yīng)使用復(fù)合外加劑以及聚合物乳液與水泥砂漿相結(jié)合，即走復(fù)合材料發(fā)展的道路。綜上所述，配制修補(bǔ)材料的技術(shù)途徑目前主要有兩種(1)采用快硬早強(qiáng)型特種水泥；( 使用早強(qiáng)劑及多種外加劑。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出了一種硫鋁酸鹽水泥快硬混凝土的配制方法，一方面，確定采取的混凝土配制技術(shù)是利用硫鋁酸鹽水泥來配制快硬混凝土， 另一方面，由以往的單一控制技術(shù)提出一種分段控制技術(shù)，即采用分段添加緩凝劑和早強(qiáng)劑的方式，精確控制混凝土的凝結(jié)時間，這樣既能保證商品混凝土生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)男枰帜鼙ＷC施工現(xiàn)場施工操作時間以及最終快速通車的需要。本發(fā)明要求保護(hù)在硫鋁酸鹽水泥快硬混凝土配制過程中所使用的一種專用緩凝劑。本發(fā)明所述的硫鋁酸鹽水泥快硬混凝土的配制方法，包括以下步驟(1)選擇超高強(qiáng)硫鋁酸鹽水泥；(2)設(shè)計配合比并試配混凝土 硫鋁酸鹽水泥混凝土的配合比為，水水泥 砂石=1 2. 9 3. 2 3.1 3. 4 6 6. 7 ；在攪拌站內(nèi)，按照所述配合比試配硫鋁酸鹽水泥混凝土；(3)添加減水劑在攪拌站內(nèi)，向上述步驟( 所獲得的混凝土中添加減水劑，并混合攪拌均勻；所述減水劑的組分包括萘系高濃減水劑、羧乙基纖維素和引氣劑；其中，萘系高濃減水劑的摻量是水泥總質(zhì)量的0. 6-1. 0%，羧乙基纖維素的摻量是水泥質(zhì)量的2. 0/ 萬，引氣劑的摻量是水泥質(zhì)量的1. 5-2. 0/萬；(4)添加緩凝劑在攪拌站內(nèi)，向上述步驟⑶所獲得的混凝土中人工手動添加緩凝劑，并混合攪拌均勻；所述緩凝劑的組分為硼酸，硼酸隨環(huán)境溫度匹配的摻量范圍為水泥質(zhì)量的0. 3-0.6% ；(5)添加早強(qiáng)劑將上述步驟(4)所獲得的混凝土運(yùn)到現(xiàn)場后，向該混凝土中再添加早強(qiáng)劑，并混合攪拌均勻，配制完成；所述早強(qiáng)劑的組分包括碳酸鋰、羧乙基纖維素和偏鋁酸鹽速凝劑；其中，碳酸鋰的摻量是水泥質(zhì)量的0. 08-0. 12%，羧乙基纖維素的摻量是水泥質(zhì)量的2. 0/萬，偏鋁酸鹽速凝劑的摻量是水泥質(zhì)量的0. 2-0. 4%。進(jìn)一步地，所述硼酸隨環(huán)境溫度匹配的摻量范圍為當(dāng)環(huán)境溫度分別為5_15°C、 15-25°C和彡25°C時，硼酸的摻量分別為水泥質(zhì)量的0. 3-0. 4%,0. 4-0. 5%和0. 55-0. 6%0進(jìn)一步地，所述硼酸隨環(huán)境溫度匹配的摻量范圍為當(dāng)環(huán)境溫度分別為5_15°C、15-25°C和彡25°C時，硼酸的摻量分別為水泥質(zhì)量的0. 35%,0. 45%和0. 55%。進(jìn)一步地，當(dāng)環(huán)境溫度為15_25°C，所述緩凝劑的摻量為水泥質(zhì)量的0. 5%時，所述早強(qiáng)劑的摻量為水泥質(zhì)量的0. 06% -0. 08%。進(jìn)一步地，所述超高強(qiáng)硫鋁酸鹽水泥是采用高品位鋁礬土、石灰石、石膏配料，用低灰分和高發(fā)熱量的煙煤燒制的熟料，再加入15%左右的石膏磨細(xì)制成的。進(jìn)一步地，所述超高強(qiáng)硫鋁酸鹽水泥熟料中，無水硫鋁酸鈣的質(zhì)量百分比為 70-75%，硅酸二鈣的質(zhì)量百分比為20-25%，鐵相的質(zhì)量百分比為5_8%。進(jìn)一步地，在步驟(4)中添加緩凝劑后，所述混凝土應(yīng)該保持至少1. 5小時的良好流動性。進(jìn)一步地，在步驟(5)中添加早強(qiáng)劑后，所述混凝土應(yīng)該保持至少30分鐘的施工操作性。
具體實(shí)施例方式首先，本發(fā)明結(jié)合實(shí)際搶修工程的基本要求，針對采取分段控制技術(shù)手段的硫鋁酸鹽水泥快硬混凝土，確定其性能指標(biāo)的具體要求為1)快硬混凝土從出機(jī)到現(xiàn)場，考慮運(yùn)距、交通堵塞以及現(xiàn)場等待等因素，要求混凝土至少在1. 內(nèi)具備良好的流動性(本文中，“h”指“小時”，下同)；2)混凝土到現(xiàn)場，添加早強(qiáng)劑后，要求混凝土保持至少30min的施工操作性，理想的施工操作時間是30-50min(本文中，“min”指“分鐘”，下同)；3)混凝土到現(xiàn)場，添加早強(qiáng)劑后，要求混凝土的初、終凝時間在60-90min ；4)混凝土到現(xiàn)場，添加早強(qiáng)劑后，要求混凝土 2h抗壓強(qiáng)度不低于20MPa，2h抗折強(qiáng)度不低于3MPa，;3h抗壓強(qiáng)度不低于25MPa，;3h抗折強(qiáng)度不低于4MPa，滿足快速通車、開放交通的要求；5)混凝土 28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到C40混凝土驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)(本文中，“d”指“天”，下同)；6)混凝土具備良好的耐久性能。針對硫鋁酸鹽水泥快硬混凝土應(yīng)用于應(yīng)急搶修工程所要求的特殊性能，對于原材料的選擇顯得尤其重要。硫鋁酸鹽水泥快硬混凝土配制的關(guān)鍵材料主要是水泥膠凝材料和外加劑。本發(fā)明在優(yōu)選水泥膠凝材料的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定適合硫鋁酸鹽水泥快硬混凝土的緩凝劑和早強(qiáng)劑，在以往研究的基礎(chǔ)上，針對不同緩凝劑和早強(qiáng)劑的選擇和復(fù)配，篩選出一種硫鋁酸鹽水泥快硬混凝土的專用復(fù)配型緩凝劑和專用復(fù)配型早強(qiáng)劑。(1)確定配合比根據(jù)前期技術(shù)積累，通過深入分析，申請人認(rèn)為，硫鋁酸鹽水泥快硬混凝土的控制要點(diǎn)主要為三個點(diǎn)，分別為凝結(jié)時間、早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度。其中，凝結(jié)時間控制是保證安全生產(chǎn)、安全運(yùn)輸以及具備施工可操作時間的先決條件，早期強(qiáng)度控制是實(shí)現(xiàn)快速開放交通的必要條件，而后期強(qiáng)度是滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計性能要求。上述三點(diǎn)的控制互為關(guān)聯(lián)，互相影響，配比設(shè)計必須統(tǒng)籌兼顧。應(yīng)急搶修工程的生產(chǎn)實(shí)際要求混凝土必須具有快硬早強(qiáng)的特點(diǎn)，而且對于早期強(qiáng)度要求較高，因此本發(fā)明優(yōu)選超高強(qiáng)硫鋁酸鹽水泥?？煊擦蜾X酸鹽水泥的生產(chǎn)執(zhí)行《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)硫鋁酸鹽水泥GB20472-2006》(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢
5疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會2006-8-25批準(zhǔn)并發(fā)布2007-02-01實(shí)施)。超高強(qiáng)硫鋁酸鹽水泥是采用高品位鋁礬土、石灰石、石膏配料，用低灰分和高發(fā)熱量的煙煤燒制的熟料，再加入15%左右的石膏磨細(xì)制成的。其熟料中的早強(qiáng)快硬礦物無水硫鋁酸鈣含量在 70%左右。在未加石膏之前，熟料本身的3天抗壓強(qiáng)度在SOMPa以上，加入15%石膏以后， 3天抗壓強(qiáng)度可達(dá)60MPa以上。與普通硫鋁酸鹽水泥相比，從熟料礦物組成來看，超高強(qiáng)硫鋁酸鹽水泥熟料中，無水硫鋁酸鈣70-75%，硅酸二鈣20-25%，鐵相5^-8% ；普通硫鋁酸鹽水泥熟料中，無水硫鋁酸鈣50% -55%,硅酸二鈣30% -35%,鐵相5% -10%。從水泥強(qiáng)度來看，超高強(qiáng)硫鋁酸鹽水泥熟料的1天抗壓強(qiáng)度高于^MPa，3天抗壓強(qiáng)度為80-100MPa， 而普通硫鋁酸鹽水泥熟料的1天抗壓強(qiáng)度只有30-40MPa，3天抗壓強(qiáng)度只有50_60MPa。根據(jù)硫鋁酸鹽水泥的配合比設(shè)計原則，我們設(shè)計了不同水泥用量下的配合比，分別觀察了混凝土的早期和后期強(qiáng)度，緩凝劑和早強(qiáng)劑摻量相同，環(huán)境溫度為20°C。試配混凝土配方如表1所示，試配結(jié)果如表2所示。表1硫鋁酸鹽水泥混凝土試配配合比(單位kg/m3)
試配編號WCSGA
704006751201Ιδ
217045063911874.05
317050060311734.5
417055058611404.23表1中，W、C、S、G、A分別表示用水量、水泥用量、砂用量、石用量和減水劑用量。表2硫鋁酸鹽水泥混凝土試配結(jié)果
試配編號初凝/min 終凝/min 2h強(qiáng)度/MPa~Id強(qiáng)度/MPa 28d強(qiáng)度/MPa
1657518.729.535.7
2708020.832.640.8
3708021.935.947.3
4708024.940.655.8從上述試驗(yàn)結(jié)果可知，不同配比的混凝土的凝結(jié)時間相差不大，池強(qiáng)度也相差不大，基本滿足項(xiàng)目設(shè)計目標(biāo)的池強(qiáng)度要求，但是膠材較少的混凝土 28d后期強(qiáng)度差別較大， 難以滿足設(shè)計強(qiáng)度要求。因此綜合考慮凝結(jié)時間、早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度指標(biāo)，我們確定如表 3所示的配合比作為試驗(yàn)和工程用基礎(chǔ)配合比。表3快硬混凝土基礎(chǔ)配合比(單位kg/m3)
WCSGA170-190500-55058611400.80-1.0%表3中就是說，硫鋁酸鹽水泥混凝土的質(zhì)量配合比為水水泥砂石= 1 2. 9 3. 2 3.1 3. 4 6 6. 7，減水劑用量A是水泥用量C的0. 80-1. 0%。(2)篩選緩凝劑
硫鋁酸鹽水泥性能與硅酸鹽水泥性能相比，其主要特點(diǎn)之一就是凝結(jié)時間較短， 因此緩凝劑對改善硫鋁酸鹽水泥的性能就顯得格外重要。目前用作硅酸鹽水泥緩凝劑的通常有如下幾類物質(zhì)木質(zhì)磺酸鹽及其衍生物、羥基羧酸鹽、多羥基碳水化合物和無機(jī)化合物等。為此，我們選擇了主要的緩凝劑品種分別進(jìn)行研究，這些品種包括酒石酸L+、酒石酸、 酒石酸DL、硼酸、硼砂、檸檬酸、葡萄糖酸鈉等，從中篩選出硫鋁酸鹽水泥最適宜的緩凝劑品種。a.緩凝劑1緩凝劑1的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。表4緩凝劑1試驗(yàn)結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種硫鋁酸鹽水泥快硬混凝土配制中使用的緩凝劑，其中，所述硫鋁酸鹽水泥快硬混凝土的質(zhì)量配合比為水水泥砂石=1 2. 9 3. 2 3. 1 3. 4 6 6. 7，所述水泥為超高強(qiáng)硫鋁酸鹽水泥；其特征在于該緩凝劑的組分為硼酸，在攪拌站內(nèi)向上述混凝土中人工手動添加，所述硼酸隨環(huán)境溫度匹配的摻量范圍為所述水泥質(zhì)量的0. 3-0. 6%0
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的緩凝劑，其特征在于在攪拌站內(nèi)，向上述混凝土中還添加一種減水劑，并混合攪拌均勻；該減水劑的組分包括萘系高濃減水劑、羧乙基纖維素和引氣劑；其中，萘系高濃減水劑的摻量是水泥質(zhì)量的0. 6-1. 0%，羧乙基纖維素的摻量是水泥質(zhì)量的2. 0/萬，引氣劑的摻量是水泥質(zhì)量的1. 5-2. 0/萬。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的緩凝劑，其特征在于當(dāng)上述混凝土運(yùn)到現(xiàn)場后，向其中再添加一種早強(qiáng)劑，并混合攪拌均勻，配制完成；該早強(qiáng)劑的組分包括碳酸鋰、羧乙基纖維素和偏鋁酸鹽速凝劑；其中，碳酸鋰的摻量是水泥質(zhì)量的0. 08-0. 12%，羧乙基纖維素的摻量是水泥質(zhì)量的2. 0/萬，偏鋁酸鹽速凝劑的摻量是水泥質(zhì)量的0. 2-0. 4%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的緩凝劑，其特征在于所述硼酸隨環(huán)境溫度匹配的摻量范圍為當(dāng)環(huán)境溫度分別為5-151、15-251和> 25°C時，硼酸的摻量分別為水泥質(zhì)量的 0. 3-0. 4 %、0. 4-0. 5 % 和 0. 55-0. 6 %。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的緩凝劑，其特征在于所述硼酸隨環(huán)境溫度匹配的摻量范圍為當(dāng)環(huán)境溫度分別為5-151、15-251和> 25°C時，硼酸的摻量分別為水泥質(zhì)量的 0. 35%,0. 45%和 0. 55%。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的緩凝劑，其特征在于當(dāng)環(huán)境溫度為15-25°C，所述緩凝劑的摻量為水泥質(zhì)量的0. 5%時，所述早強(qiáng)劑的摻量為水泥質(zhì)量的0. 06-0. 08%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的緩凝劑，其特征在于所述超高強(qiáng)硫鋁酸鹽水泥是采用高品位鋁礬土、石灰石、石膏配料，用低灰分和高發(fā)熱量的煙煤燒制的熟料，再加入 15%左右的石膏磨細(xì)制成的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的緩凝劑，其特征在于所述超高強(qiáng)硫鋁酸鹽水泥熟料中，無水硫鋁酸鈣的質(zhì)量百分比為70-75%，硅酸二鈣的質(zhì)量百分比為20-25%，鐵相的質(zhì)量百分比為 5-8%。
全文摘要
一種在硫鋁酸鹽水泥快硬混凝土配制中使用的緩凝劑。所述配制包括選擇超高強(qiáng)硫鋁酸鹽水泥；設(shè)計配合比并試配混凝土；在攪拌站，按照與水泥的質(zhì)量比向混凝土中分別添加減水劑和緩凝劑；當(dāng)混凝土運(yùn)到施工現(xiàn)場后，按照與水泥的一定質(zhì)量比再向混凝土中添加早強(qiáng)劑。該緩凝劑用于在攪拌站內(nèi)人工手動向混凝土中添加，其組分為硼酸，隨環(huán)境溫度匹配的硼酸摻量為水泥質(zhì)量的0.3-0.6％。由于在硫鋁酸鹽水泥快硬混凝土的配制過程中，采用分段添加緩凝劑和早強(qiáng)劑的精細(xì)控制技術(shù)，精確控制混凝土的凝結(jié)時間，既能保證商品混凝土生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)男枰?，又能保證施工現(xiàn)場施工操作時間以及最終快速通車的需要。
文檔編號C04B103/22GK102276233SQ20111018656
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月5日
發(fā)明者張春林, 張杰君, 曾波, 李彥昌, 李永生, 楊榮俊, 田景松, 石效民, 鄔長森, 鄭旭, 陳智豐 申請人:北京市政路橋建材集團(tuán)有限公司, 北京市高強(qiáng)混凝土有限責(zé)任公司, 北京正達(dá)坤順技術(shù)檢測有限公司