专利名称：一种碱激发碳酸盐－矿渣灌浆材料预处理包裹缓凝方法
技术领域：
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种碱激发碳酸盐一矿渣灌浆材料预处理包裹缓凝方法。
背景技术：
碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料是利用天然的边缘性碳酸盐矿、高炉矿渣和硅酸钠溶液在常温下直接得到的新型绿色灌浆材料。它是针对碱激发碳酸盐灌浆材料硬化体的致密度不够、后期强度偏低等不足，在碱激发碳酸盐灌浆材料的基础上，掺加部分炼铁工业的副产物——水淬高炉矿渣而发展起来的一种灌浆材料。所谓的边缘性碳酸盐矿是指其CaO质量百分比含量小于45％和MgO质量百分比含量为6％～20％、在硅酸盐水泥工业和冶金工业都难以使用的碳酸盐岩，属于天然废弃资源。硅酸盐水泥工业要求碳酸盐矿中CaO质量百分比含量大于45％，冶金工业要求碳酸盐矿中MgO质量百分比含量≥20％。与传统的灌浆材料相比，该灌浆材料可以大量利用边缘性碳酸盐矿和高炉矿渣，扩展了灌浆材料生产的原料资源，为天然和二次资源的重新整合利用开辟了一个新途径；另一方面，它是常温下制备，能耗和成本低，对环境污染小。其中，掺加的部分高炉矿渣能显著改善碱激发碳酸盐灌浆材料的强度、抗渗性能，并且可以抑制其中有毒有害离子的溶出，但会导致其凝胶时间(浆体失去流动性的时间)急剧缩短。这主要是由于高炉矿渣在硅酸钠溶液这种强碱性介质的激发下反应速度大幅度提高，反应初期生成了大量的胶凝产物所致。掺加高炉矿渣后，碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的粘度变大，流动性变差，凝胶时间大幅度缩短。当矿渣替代碳酸盐矿的质量百分数达10％以上时，碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的凝胶时间小于1h，不适合灌浆施工的要求，难以在灌浆工程上得到推广应用。因此，解决碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的速凝问题，是碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料实现工程应用的关键所在。
已有的研究资料显示，以碱金属硅酸盐为碱组分的碱矿渣水泥，其缓凝方法主要有矿渣的预热处理、混凝土拌合时间的调整和混凝土的二次搅拌等工艺措施以及掺加缓凝外加剂。试验证明，这些工艺措施并不能有效地延长碱激发碳酸盐-矿渣灌浆材料的凝胶时间；而苹果酸、氢氧化钙、磷酸、磷酸钠、碳酸钠等外加剂的使用反而使碱激发碳酸盐-矿渣灌浆材料的凝胶时间缩短；蔗糖对碱激发碳酸盐-矿渣灌浆材料的凝胶时间没有明显的影响；硝酸锌、硝酸铅、硝酸钙、氯化钠等外加剂的使用仅能使碱激发碳酸盐-矿渣灌浆材料的凝胶时间略有延长；四硼酸钠的使用虽然能够较大幅度地延长碱激发碳酸盐-矿渣灌浆材料的凝胶时间，但四硼酸钠的用量太大，占矿渣质量12％左右，且同时大幅度降低了灌浆材料的流动性能。上述以碱金属硅酸盐为碱组分的碱矿渣水泥的缓凝方法，并不适合于碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的原因，在于二者碱组分用量差别较大。一般而言，以碱金属硅酸盐为碱组分的碱矿渣水泥中，由碱组分提供的氧化钠占矿渣的质量百分比为4％～8％；而碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料中，由碱组分提供的氧化钠占固体细粉(矿渣粉+碳酸盐矿粉)的质量百分比为10％～15％，占矿渣的质量百分比在20％以上。因此研究既能有效延长碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的凝胶时间又能不降低其流动性能的缓凝技术，对于实现其工程应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点与不足，提供一种可有效地延长凝胶时间的碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料预处理包裹缓凝方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现本碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料预处理包裹缓凝方法，其工艺步骤包括第一步，在常温下，将矿渣粉与模数1.4～2.0、质量百分比浓度10～20％的碱组分溶液按质量比1∶(0.5～0.75)混合成浆体，密封存放3～24小时，即制得预处理矿渣浆体；第二步，以质量份数计，将10份预处理矿渣浆体、10～100份模数1.4～2.0、质量百分比浓度35～50％的碱组分溶液和13～125份边缘性碳酸盐矿粉进行混合，即制得碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料。
所述碱组分溶液为硅酸钠溶液；所述碱组分溶液的质量百分比浓度是指氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和；所述矿渣为水淬高炉矿渣；所述边缘性碳酸盐矿是CaO质量百分比含量为30～45％、MgO质量百分比含量为6～20％的碳酸盐岩。所述边缘性碳酸盐矿粉和水淬高炉矿渣粉的细度达到GB/T 1345-1991《水泥细度检验方法(80μm筛筛析法)》对普通硅酸盐水泥的细度控制要求。
本发明的工作原理是根据所述碱组分的种类和施工要求，利用碱组分与矿渣之间的高反应活性，先将矿渣粉与质量百分比浓度较低的碱组分稀溶液按适当比例制备成浆体，密封存放一定时间后，即可在矿渣颗粒的表面形成一层较为致密的、由碱组分与矿渣之间反应形成的预处理包裹层，然后再与质量百分比浓度较大的碱组分溶液以及碳酸盐矿粉混合，此时，虽然体系中碱组分的质量百分比浓度较大，但是由于矿渣颗粒表面预处理包裹层的存在，阻止了碱组分与矿渣活性组分的直接接触，延缓了系统中OH-离子对矿渣活性的进一步激发，从而使碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的凝胶时间得到大幅度的延长。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果(1)成本低。本发明不需添加任何外加剂。
(2)缓凝效率高。本发明通过调整预处理用碱组分稀溶液的质量百分比浓度以及存放时间，可以有效地延长碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的凝胶时间，并使凝胶时间在1～12小时可调。
(3)浆体能够较长时间保持良好的流动性能。在浆体制备后的2～3小时内，碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料浆体的流动性能仅有很小的损失，有的甚至还有所改善，这对灌浆施工十分有利。
(4)无负面作用。本发明应用于钢筋混凝土结构中时，不会由于引入有害离子而致钢筋锈蚀；应用于地基加固或潮湿环境时，不会由于引入有毒有害离子对地下水造成污染。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1本碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料预处理包裹缓凝方法的实现过程是(1)在常温下，将水淬高炉矿渣粉与模数为2.0、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为12％的碱组分溶液混合、搅拌至均匀，水淬高炉矿渣粉与碱组分溶液质量比为1∶0.75，对该浆体进行密封存放24小时后，即制备得到预处理矿渣浆体。
(2)以质量份数计，将10份预处理矿渣浆体与26份模数为2.0、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为39％的碱组分溶液以及32份边缘性碳酸盐矿粉进行搅拌至均匀，即制备得到碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料。
该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的凝胶时间为5h30min。根据GB8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，采用净浆流动度来表征浆体的流动性能，该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的净浆流动度随时间变化的结果如下10min时为224mm，1h时为232mm，2h时为213mm，3h时为185mm，4h时为141mm。
实施例2本碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料预处理包裹缓凝方法的实现过程是(1)在常温下，将水淬高炉矿渣粉与模数为2.0、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为10％的碱组分溶液混合、搅拌至均匀，水淬高炉矿渣粉与碱组分溶液质量比为1∶0.50，对该浆体进行密封存放12小时后，即制备得到预处理矿渣浆体。
(2)以质量份数计，将10份预处理矿渣浆体与14份模数为1.4、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为47％的碱组分溶液以及16份边缘性碳酸盐矿粉进行搅拌至均匀，即制备得到碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料。
该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的凝胶时间为3h14min。根据GB8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，采用净浆流动度来表征浆体的流动性能，该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的净浆流动度随时间变化的结果如下10min时为266mm，1h时为298mm，2h时为269mm，3h时为143mm。
实施例3本碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料预处理包裹缓凝方法的实现过程是(1)在常温下，将水淬高炉矿渣粉与模数为2.0、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为14％的碱组分溶液混合、搅拌至均匀，水淬高炉矿渣粉与碱组分溶液质量比为1∶0.75，对该浆体进行密封存放24小时后，即制备得到预处理矿渣浆体。
(2)以质量份数计，将10份预处理矿渣浆体与11份模数为1.4、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为50％的碱组分溶液以及13份边缘性碳酸盐矿粉进行搅拌至均匀，即制备得到碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料。
该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的凝胶时间为5h35min。根据GB8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，采用净浆流动度来表征浆体的流动性能，该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的净浆流动度随时间变化的结果如下10min时为283mm，1h时为329mm，2h时为334mm，3h时为271mm，4h时为178mm。
实施例4
本碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料预处理包裹缓凝方法的实现过程是(1)在常温下，将水淬高炉矿渣粉与模数为2.0、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为20％的碱组分溶液混合、搅拌至均匀，水淬高炉矿渣粉与碱组分溶液质量之比为1∶0.60，对该浆体进行密封存放6小时后，即制备得到预处理矿渣浆体。
(2)以质量份数计，将10份预处理矿渣浆体与13份模数为1.4、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为46％的碱组分溶液以及15份边缘性碳酸盐矿粉进行搅拌至均匀，即制备得到碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料。
该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的凝胶时间为3h02min。根据GB8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，采用净浆流动度来表征浆体的流动性能，该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的净浆流动度随时间变化的结果如下10min时为265mm，1h时为310mm，2h时为245mm。
实施例5本碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料预处理包裹缓凝方法的实现过程是(1)在常温下，将水淬高炉矿渣粉与模数为2.0、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为16％的碱组分溶液混合、搅拌至均匀，水淬高炉矿渣粉与碱组分溶液质量之比为1∶0.75，对该浆体进行密封存放24小时后，即制备得到预处理矿渣浆体。
(2)以质量份数计，将10份预处理矿渣浆体与11份模数为1.6、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为42％的碱组分溶液以及13份边缘性碳酸盐矿粉进行搅拌至均匀，即制备得到碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料。
该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的凝胶时间为6h16min。根据GB8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，采用净浆流动度来表征浆体的流动性能，该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的净浆流动度随时间变化的结果如下10min时为241mm，1h时为307mm，2h时为311mm，3h时为285mm，4h时为246mm。
实施例6本碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料预处理包裹缓凝方法的实现过程是(1)在常温下，将水淬高炉矿渣粉与模数为1.8、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为12％的碱组分溶液混合、搅拌至均匀，水淬高炉矿渣粉与碱组分溶液质量之比为1∶0.75，对该浆体进行密封存放24小时后，即制备得到预处理矿渣浆体。
(2)以质量份数计，将10份预处理矿渣浆体与26份模数为1.8、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为39％的碱组分溶液以及32份边缘性碳酸盐矿粉进行搅拌至均匀，即制备得到碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料。
该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的凝胶时间为9h34min。根据GB8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，采用净浆流动度来表征浆体的流动性能，该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的净浆流动度随时间变化的结果如下10min时为245mm，1h时为298mm，2h时为284mm，3h时为272mm，4h时为241mm。
实施例7本碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料预处理包裹缓凝方法的实现过程是(1)在常温下，将水淬高炉矿渣粉与模数为2.0、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为12％的碱组分溶液混合、搅拌至均匀，水淬高炉矿渣粉与碱组分溶液质量之比为1∶0.75，对该浆体进行密封存放24小时后，即制备得到预处理矿渣浆体。
(2)以质量份数计，将10份预处理矿渣浆体与26份模数为1.4、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为39％的碱组分溶液以及32份边缘性碳酸盐矿粉进行搅拌至均匀，即制备得到碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料。
该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的凝胶时间为11h13min。根据GB8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，采用净浆流动度来表征浆体的流动性能，该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的净浆流动度随时间变化的结果如下10min时为266mm，1h时为346mm，2h时为358mm，3h时为346mm，4h时为343mm，5h时为342mm，6h时为311mm，7h时为249mm。
实施例8本碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料预处理包裹缓凝方法的实现过程是(1)在常温下，将水淬高炉矿渣粉与模数为1.4、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为20％的碱组分溶液混合、搅拌至均匀，水淬高炉矿渣粉与碱组分溶液质量之比为1∶0.75，对该浆体进行密封存放9小时后，即制备得到预处理矿渣浆体。
(2)以质量份数计，将10份预处理矿渣浆体与11份模数为2.0、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为41％的碱组分溶液以及13份边缘性碳酸盐矿粉进行搅拌至均匀，即制备得到碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料。
该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的凝胶时间为4h21min。根据GB8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，采用净浆流动度来表征浆体的流动性能，该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的净浆流动度随时间变化的结果如下10min时为245mm，1h时为346mm，2h时为243mm，3h时为215mm，4h时为162mm。
实施例9本碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料预处理包裹缓凝方法的实现过程是(1)在常温下，将水淬高炉矿渣粉与模数为1.6、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为12％的碱组分溶液混合、搅拌至均匀，水淬高炉矿渣粉与碱组分溶液质量之比为1∶0.75，对该浆体进行密封存放24小时后，即制备得到预处理矿渣浆体。
(2)以质量份数计，将10份预处理矿渣浆体与10份模数为2.0、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为44％的碱组分溶液以及13份边缘性碳酸盐矿粉进行搅拌至均匀，即制备得到碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料。
该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的凝胶时间为4h48min。根据GB8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，采用净浆流动度来表征浆体的流动性能，该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的净浆流动度随时间变化的结果如下10min时为245mm，1h时为238mm，2h时为213mm，3h时为183mm，4h时为118mm。
实施例10本碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料预处理包裹缓凝方法的实现过程是(1)在常温下，将水淬高炉矿渣粉与模数为2.0、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为18％的碱组分溶液混合、搅拌至均匀，水淬高炉矿渣粉与碱组分溶液质量之比为1∶0.60，对该浆体进行密封存放3小时后，即制备得到预处理矿渣浆体。
(2)以质量份数计，将10份预处理矿渣浆体与13份模数为1.4、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为46％的碱组分溶液以及15份边缘性碳酸盐矿粉进行搅拌至均匀，即制备得到碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料。
该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的凝胶时间为1h23min。根据GB8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，采用净浆流动度来表征浆体的流动性能，该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的净浆流动度随时间变化的结果如下10min时为280mm，1h时为197mm。
实施例11本碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料预处理包裹缓凝方法的实现过程是(1)在常温下，将水淬高炉矿渣粉与模数为1.8、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为10％的碱组分溶液混合、搅拌至均匀，水淬高炉矿渣粉与碱组分溶液质量之比为1∶0.50，对该浆体进行密封存放24小时后，即制备得到预处理矿渣浆体。
(2)以质量份数计，将10份预处理矿渣浆体与100份模数为1.4、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为41％的碱组分溶液以及125份边缘性碳酸盐矿粉进行搅拌至均匀，即制备得到碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料。
该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的凝胶时间为9h03min。根据GB8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，采用净浆流动度来表征浆体的流动性能，该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的净浆流动度随时间变化的结果如下10min时为239mm，1h时为296mm，2h时为325mm，3h时为285mm，4h时为284mm，5h时为268mm，6h时为212mm，7h时为109mm。
实施例12本碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料预处理包裹缓凝方法的实现过程是(1)在常温下，将水淬高炉矿渣粉与模数为2.0、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为12％的碱组分溶液混合、搅拌至均匀，水淬高炉矿渣粉与碱组分溶液质量之比为1∶0.60，对该浆体进行密封存放24小时后，即制备得到预处理矿渣浆体。
(2)以质量份数计，将10份预处理矿渣浆体与96份模数为1.4、氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和为35％的碱组分溶液以及119份边缘性碳酸盐矿粉进行搅拌至均匀，即制备得到碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料。
该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的凝胶时间为9h53min。根据GB8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，采用净浆流动度来表征浆体的流动性能，该碱激发碳酸盐—矿渣灌浆材料的净浆流动度随时间变化的结果如下10min时为258mm，1h时为275mm，2h时为282mm，3h时为263mm，4h时为246mm，5h时为218mm，6h时为192mm，7h时为149mm。
权利要求
1.一种碱激发碳酸盐-矿渣灌浆材料预处理包裹缓凝方法，其特征是，包括如下步骤和工艺条件第一步，在常温下，将矿渣粉与模数1.4～2.0、质量百分比浓度10～20％的碱组分溶液按质量比1∶(0.5～0.75)混合成浆体，密封存放3～24小时，即制得预处理矿渣浆体；第二步，以质量份数计，将10份预处理矿渣浆体、10～100份模数1.4～2.0、质量百分比浓度35～50％的碱组分溶液和13～125份边缘性碳酸盐矿粉进行混合，即制得碱激发碳酸盐-矿渣灌浆材料。
2.根据权利要求1所述一种碱激发碳酸盐-矿渣灌浆材料预处理包裹缓凝方法，其特征是，所述碱组分溶液为硅酸钠溶液，所述碱组分溶液的质量百分比浓度是指氧化钠和氧化硅质量百分比浓度之和。
3.根据权利要求1所述一种碱激发碳酸盐-矿渣灌浆材料预处理包裹缓凝方法，其特征是，所述矿渣为水淬高炉矿渣。
4.根据权利要求1所述一种碱激发碳酸盐-矿渣灌浆材料预处理包裹缓凝方法，其特征是，所述边缘性碳酸盐矿是CaO质量百分比含量为30～45％、MgO质量百分比含量为6～20％的碳酸盐岩。
全文摘要
本发明提供一种碱激发碳酸盐－矿渣灌浆材料预处理包裹缓凝方法，其步骤和工艺条件是在常温下，将矿渣粉与模数1.4～2.0、质量百分比浓度10～20％的碱组分溶液按质量比1∶(0.5～0.75)混合成浆体，密封存放3～24小时，即制得预处理矿渣浆体；以质量份数计，将10份预处理矿渣浆体、10～100份模数1.4～2.0、质量百分比浓度35～50％的碱组分溶液和13～125份边缘性碳酸盐矿粉进行混合，即制得碱激发碳酸盐－矿渣灌浆材料。本发明成本低，不需添加任何外加剂；缓凝效率高，可以有效地延长碱激发碳酸盐－矿渣灌浆材料的凝胶时间，并使凝胶时间在1～12小时可调；浆体能够较长时间保持良好的流动性能，可较好应用于钢筋混凝土结构、地基加固或潮湿环境。
文档编号C04B22/00GK1699250SQ20051003439
公开日2005年11月23日 申请日期2005年4月29日 优先权日2005年4月29日
发明者余其俊, 赵三银, 殷素红, 文梓芸, 黄家琪, 乔飞, 郭文瑛 申请人:华南理工大学