本發(fā)明涉及混凝土，具體涉及一種改善噴射混凝土中速凝劑與水泥相容性的方法。

背景技術(shù)：

1、噴射混凝土是一種將水泥、骨料、速凝劑等建筑原材料混合而成用于噴射法施工的混凝土，主要用于鐵路隧道、礦山及地下工程當(dāng)中，要求回彈率低、凝結(jié)時間短和抗壓強(qiáng)度高。速凝劑是噴射混凝土中的核心外加劑，對噴射混凝土的凝結(jié)速度和強(qiáng)度起著關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的堿性速凝劑可引入大量的堿增大了混凝土后期發(fā)生堿集料反應(yīng)的概率，對混凝土的耐久性有不利影響；另外摻加堿性速凝劑的混凝土拌合物粘聚性不足，回彈大，影響施工效率；堿性速凝劑在施工過程中還會對施工人員的身體造成很大危害。雖然以硫酸鋁為主要成分的無堿液體速凝劑的上市解決了堿性速凝劑帶來的不利影響，但是無堿速凝劑在施工中仍然存在著性能參差不齊，穩(wěn)定性差以及與不用水泥適應(yīng)性不良等諸多問題，因此對無堿速凝劑與水泥的適應(yīng)性研究尤為重要。

2、國家標(biāo)準(zhǔn)gb/t?8075-2017《混凝土外加劑術(shù)語》中對相容性的定義為：混凝土原材料共同使用時相互匹配、協(xié)同發(fā)揮作用的能力。對于噴射混凝土而言，良好的相容性即表現(xiàn)為水泥在加入速凝劑后，凝結(jié)時間短，回彈小，并且漿體硬化后的強(qiáng)度沒有損失。

3、影響水泥和速凝劑適應(yīng)性的因素有水泥的新舊、熟料組成、混合材料的含量與種類、速凝劑中不同的促凝組分(硫酸鋁、鋁酸鈉以及四羥基鋁酸鉀)以及石膏的品種和含量。

4、目前提高水泥與無堿液體速凝劑相容性的方式可通過改善無堿液體速凝劑的配方來匹配所用水泥，專利cn110963736a公開了一種納米凝膠聚合鋁型液體無堿速凝劑，其利用水熱合成的納米水化硅酸鈣凝膠作為體系的早強(qiáng)劑，利用納米級的水化硅酸鈣凝膠提供豐富的成核位點(diǎn)，可迅速促進(jìn)硅酸三鈣的水化，從而提高水泥早期強(qiáng)度。

5、還有一種方式是制備噴射混凝土專用水泥來匹配無堿液體速凝劑，專利cn108098841a公開了一種專用于摻有無堿液體速凝劑的噴射混凝土的水泥，其通過控制水泥中硅酸鹽水泥熟料、硅灰、粉煤灰、偏高領(lǐng)土、半水石膏、硫酸亞鐵、赤泥組分的含量制備出噴射混凝土專用水泥，加入無堿速凝劑后噴射混凝土的水泥凝結(jié)時間短、早期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)度保有率高、回彈率小等特點(diǎn)，極大改善了噴射混凝土的各項(xiàng)性能。

6、然而，在真正的工程實(shí)際中，無堿液體速凝劑與水泥的組分是隨供應(yīng)商而時刻變化的，各個廠家生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量不一，無法真正及時調(diào)控水泥與無堿液體速凝劑之間的相容性，只通過改變無堿速凝劑配方和水泥熟料組成無法滿足施工中復(fù)雜多變的情況。因此，建立一種改善噴射混凝土中速凝劑與水泥相容性的方法，從而簡單高效地調(diào)控噴射混凝土的性能顯得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題之一，本發(fā)明提供了一種改善噴射混凝土中速凝劑與水泥相容性的方法。針對噴射混凝土在現(xiàn)場施工過程中存在的水泥與速凝劑相容性問題，綜合考慮水泥、速凝劑和石膏中鋁和硫酸根的含量，通過補(bǔ)加石膏，從而調(diào)節(jié)“水泥-石膏-速凝劑”體系中鋁硫比，從而優(yōu)化速凝劑和水泥相容性。同時，本發(fā)明提出了一種計(jì)算“水泥-石膏-速凝劑”體系中鋁硫比的計(jì)算公式，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)體系鋁硫比控制在0.38-0.56區(qū)間內(nèi)時，水泥與速凝劑相容性良好。

2、本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種改善噴射混凝土中速凝劑與水泥相容性的方法，所述方法包括：

4、通過向噴射混凝土制備原料中補(bǔ)加石膏，調(diào)節(jié)制備原料中水泥-石膏-速凝劑體系中鋁元素和硫酸根的物質(zhì)的量之比n，優(yōu)化速凝劑與水泥的相容性。

5、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述n值通過下式計(jì)算得到：

6、

7、其中，alc3a為水泥中c3a(鋁酸三鈣)中鋁元素的物質(zhì)的量，單位為mol；

8、alaccelerator為速凝劑中鋁元素的物質(zhì)的量，單位為mol；

9、so42-cement為水泥中硫酸根中硫元素的物質(zhì)的量，單位為mol；

10、so42-gypsum為補(bǔ)加的石膏中硫酸根中硫元素的物質(zhì)的量，單位為mol；

11、so42-accelerator為速凝劑中硫酸根中硫元素的物質(zhì)的量，單位為mol。

12、本發(fā)明中，上述alaccelerator可根據(jù)速凝劑中含鋁的促凝組分(例如硫酸鋁、氫氧化鋁等)的含量確定。

13、本發(fā)明中，上述so42-accelerator可根據(jù)速凝劑中含硫酸根組分例如硫酸鋁的含量確定。

14、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述方法中，調(diào)控所述n的值為0.38～0.56。n的值在此范圍內(nèi)時，可使水泥與速凝劑的相容性最佳，制備得到的噴射混凝土的性能(例如凝結(jié)時間、抗壓強(qiáng)度)最優(yōu)。

15、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述速凝劑包括無堿液體速凝劑。

16、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述制備原料中，速凝劑的質(zhì)量為水泥質(zhì)量的5％-10％，例如為5％、6％、7％、8％、9％、10％或它們之間的任意值。在一些實(shí)施方式，所述制備原料中，速凝劑的質(zhì)量為水泥質(zhì)量的5％-9％。

17、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，當(dāng)所述噴射混凝土制備原料中n值大于0.56時，通過向所述水泥中添加石膏使n值在0.38～0.56之間。

18、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述石膏包括但不限于：二水石膏、半水石膏、無水石膏中的一種或多種。

19、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述石膏的添加量為水泥質(zhì)量的0.5％-10％，例如為0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％、9.5％、10％或它們之間的任意值。在一些實(shí)施方式中，所述石膏的添加量為水泥質(zhì)量的1％-5.5％。

20、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，當(dāng)所述速凝劑的質(zhì)量為水泥質(zhì)量的5％-6％優(yōu)選5％-5.5％時，所述石膏的添加量為水泥質(zhì)量的1％-3％，例如1％、1.5％、2％、2.5％、3％或它們之間的任意值，優(yōu)選0.5％-1.5％；這樣可以使得速凝劑與水泥之間具有較好的相容性，得到的噴射混凝土具有合適的凝結(jié)時間，較好的回彈性和較高的抗壓強(qiáng)度。

21、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，當(dāng)所述速凝劑的質(zhì)量為水泥質(zhì)量的6％-8％優(yōu)選6.5％-7.5％時，所述石膏的添加量為水泥質(zhì)量的1％-4％，例如1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％或它們之間的任意值，優(yōu)選2.5％-3.5％；這樣可以使得速凝劑與水泥之間具有較好的相容性，得到的噴射混凝土具有合適的凝結(jié)時間，較好的回彈性和較高的抗壓強(qiáng)度。

22、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，當(dāng)所述速凝劑的質(zhì)量為水泥質(zhì)量的8％-10％優(yōu)選8.5％-9.5％時，所述石膏的添加量為水泥質(zhì)量的2％-5.5％，例如2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％或它們之間的任意值，優(yōu)選4.5％-5.5％；這樣可以使得速凝劑與水泥之間具有較好的相容性，得到的噴射混凝土具有合適的凝結(jié)時間，較好的回彈性和較高的抗壓強(qiáng)度。

23、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述水泥包括硅酸鹽水泥。

24、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述噴射混凝土的性能包括凝結(jié)時間和抗壓強(qiáng)度。

25、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述速凝劑的成分包括硫酸鋁、絡(luò)合劑和ph調(diào)節(jié)劑。

26、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述速凝劑的成分還包括氟化物；所述氟化物包括但不限于：氟化鈉、氟化鋁、氟硅酸鎂、氟氯酸鈉中的一種或多種。

27、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述速凝劑的成分包括硫酸鋁、氟化物、絡(luò)合劑和ph調(diào)節(jié)劑。

28、本發(fā)明中，術(shù)語“硫酸鋁”指含結(jié)晶水的硫酸鋁(例如十八水硫酸鋁)、無水硫酸鋁或其混合物。

29、本發(fā)明中，所述絡(luò)合劑包括醇胺，例如包括二乙醇胺、三乙醇胺、三異丙醇胺中的一種或多種。在一些實(shí)施例中，所述絡(luò)合劑包括二乙醇胺。

30、本發(fā)明中，所述ph調(diào)節(jié)劑包括無機(jī)酸和/或有機(jī)酸，例如包括草酸、乳酸、磷酸、檸檬酸、蘋果酸、抗壞血酸、水楊酸中的一種或多種。在一些實(shí)施例中，所述ph調(diào)節(jié)劑包括磷酸。

31、本發(fā)明中，所述速凝劑的成分還包括溶劑，例如包括水。

32、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述速凝劑的成分包括硫酸鋁、二乙醇胺和磷酸。

33、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述速凝劑的成分包括硫酸鋁、氟化物、二乙醇胺和磷酸。

34、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述速凝劑的成分包括硫酸鋁、氟化鈉、二乙醇胺和磷酸。

35、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述速凝劑中，硫酸鋁的質(zhì)量百分含量為30-50％，例如為30％、35％、38％、40％、42％、45％、48％、50％或它們之間的任意值，優(yōu)選為35-40％。

36、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述速凝劑中，氟化物的質(zhì)量百分含量為0-1.0％，例如為0、0.1％、0.2％、0.5％、0.8％、1.0％或它們之間的任意值，優(yōu)選為0或者0.1-0.5％。

37、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述速凝劑中，所述絡(luò)合劑的質(zhì)量百分含量為15-30％，例如為15％、18％、20％、22％、25％、28％、30％或它們之間的任意值，優(yōu)選為20-25％。

38、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述速凝劑中，所述ph調(diào)節(jié)劑的質(zhì)量百分含量為0.1-1.0％，例如為0.1％、0.2％、0.5％、0.8％、1.0％或它們之間的任意值，優(yōu)選為0.5-1.0％。

39、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述溶劑的質(zhì)量百分含量為30-50％，例如為30％、35％、38％、40％、42％、45％、48％、50％或它們之間的任意值，優(yōu)選為35-45％。

40、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，以重量百分比計(jì)，所述速凝劑包括：30-50％硫酸鋁、15-30％二乙醇胺、0.1-1.0％磷酸、30-50％水。

41、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，以重量百分比計(jì)，所述速凝劑包括：35-40％硫酸鋁、20-25％二乙醇胺、0.5-1.0％磷酸、35-45％水。

42、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，以重量百分比計(jì)，所述速凝劑包括：30-50％硫酸鋁、0-1.0％氟化鈉、15-30％二乙醇胺、0.1-1.0％磷酸、30-50％水。

43、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，以重量百分比計(jì)，所述速凝劑包括：35-40％硫酸鋁、0.1-0.5％氟化鈉、20-25％二乙醇胺、0.5-1.0％磷酸、35-45％水。

44、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述速凝劑通過包括如下步驟的方法制備得到：

45、將硫酸鋁與所述溶劑混合并加熱，得到懸浮液；優(yōu)選地，所述加熱的溫度為50-80℃；

46、將所述懸浮液與所述絡(luò)合劑混合后再與所述ph調(diào)節(jié)劑混合，得到所述速凝劑。

47、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，所述速凝劑通過包括如下步驟的方法制備得到：

48、將硫酸鋁、氟化物與所述溶劑混合并加熱，得到懸浮液；優(yōu)選地，所述加熱的溫度為50-80℃；

49、將所述懸浮液與所述絡(luò)合劑混合后再與所述ph調(diào)節(jié)劑混合，得到所述速凝劑。

50、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

51、(1)本發(fā)明通過建立水泥與速凝劑之間相容性的評價計(jì)算公式(鋁硫比)，對體系相容性可直接通過定量的方式進(jìn)行表征，具有簡單易懂、方便計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)。

52、(2)本發(fā)明以理想鋁硫比＝0.38-0.56為標(biāo)準(zhǔn)，在工程實(shí)際中，尤其是高海拔，高嚴(yán)寒的施工環(huán)境可以快速篩選出與工程所用速凝劑最相匹配的水泥品種。

53、(3)當(dāng)速凝劑種類與摻量固定不變時，可以通過向水泥中補(bǔ)充一定量的石膏，通過調(diào)整鋁硫比，從而使其與所用速凝劑達(dá)到最佳的相容性數(shù)值。