专利名称：硫铝酸盐水泥快硬混凝土配制中使用的缓凝剂的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种硫铝酸盐水泥快硬混凝土配制中所使用的专用缓凝剂。
背景技术：
城市交通是道路交通运输中的重要组成，道路畅通对城市建设和市民的健康出行至关重要。然而，由于上世纪七八十年代对结构耐久性的认识和重视不够，再加上交通负荷压力的日益增大，修建的城市道路桥梁随着服务年限的增长，路面出现了严重的断裂和破碎，如不及时修复，将影响车辆正常行驶，甚至危及行车安全。就北京城区而言，据不完全统计，目前就有100多座立交桥急需维修。但是现代城市交通压力很大，尤其是对于城市主干道枢纽部位，对于道路桥梁的维修要求更高。既要完成维修任务，又不能对城市交通造成较大影响，一般情况下只能在夜间施工或者在很短的时间内完成维修工作。这就要求在施工过程中混凝土材料的浇注、养护和强度增长时间尽可能缩短，尽可能在几个小时时间内就要求达到通车条件。因此，研制一种快速有效的修补工程材料和相应的施工工艺将具有重要的社会意义和实用价值。长期以来，我国公路部门习惯于采用浙青混凝土对损坏的水泥混凝土路面进行修补。尽管其方法简便，但隐患较多，主要表现为(1)道路强度不均勻，传荷不一致；( 使用寿命短；C3)路面平整度差，表面使用功能低；(4)颜色不一致，不美观。改性浙青虽然性能好，但价格较高。另一种传统的修补方法是，将破损的混凝土除掉，新铺上与原设计标号相同或高标号的普通混凝土，但这会带来以下问题(1)收缩大，易导致新老混凝土拉开；(2) 水泥混凝土本身粘度低，与老混凝土结合差；C3)新老混凝土间的界面缺陷易使混凝土开裂；(4)养生期长(一般需要14天)。这给繁忙的交通运输带来极大的不便，经常造成交通堵塞现象。因此，研发一种既能保证路面修补质量，又能缩短修补时间的高效新型水泥混凝土路面修补材料已成了一个刻不容缓的问题。早在20世纪80年代初期，一些发达国家就开始进行水泥混凝土路面快速开放交通方面的研究，主要通过采用在混凝土中掺加早强型外加剂的办法，以加快混凝土早期强度的发展。一些国家还研制出适用于水泥混凝土道面修补的快硬高早强水泥，如日本的 “一日水泥”、英国的Swiftcrete水泥、德国的Draifach水泥及意大利的Supercement水泥。对破损面的罩面修补，常用材料是浙青混凝土，也有些国家采用钢纤维混凝土或薄层连续钢筋混凝土加铺层。1987年，美国的Lone Star Industries Research Center研制出一种Py rament的复合水泥，4h抗压强度可达18MPa以上，抗弯强度约为3. 4MPa, 28d抗压强度可到82. SMPa0用其灌注机场跑道Mi后，飞机可安全降落，灌注路面4h可承担繁忙交通。美国航空公司曾在1991年海湾战争期间，用Py rament水泥以惊人的速度在沙特修建了一个临时军用机场。另外一条技术路线是采用早强剂、膨胀剂及聚合物乳液配制复合型水泥混凝土或砂浆。国外这方面的研究和应用早，比较先进的国家是美国、日本、俄罗斯，其中日本发展速度最快。采用聚合物改性的掺有复合外加剂的水泥砂浆配成路面快速修补材料，可做到当天修补当天通车且耐久性好。我国北京市政部门曾采用高效复合早强剂(CNL4)、聚合物胶粘剂(J-6或YJ-9)，共同掺入水泥混凝土和砂浆中配制新型水泥混凝土路面修补材料，作为严重裸石的水泥混凝土路面罩面材料，在北京西二环路上进行了试验性修补，效果较好。 此类复合材料用于水泥混凝土路面抢修工程在我国正处于试验阶段，具有较好发展前景。我国复合外加剂的研究与应用还停留在20世纪90年代以前的水平，在水泥混凝土路面工程中聚合物应用较少。所以应该把重点放在满足路面使用性能要求的水泥混凝土材料上，从提高耐久性出发，而复合外加剂及某些聚合物的掺入，可以改善水泥混凝土或砂浆的抗渗性、抗裂性及抗磨性。因此，我国水泥混凝土路面修补材料的发展趋势，应使用复合外加剂以及聚合物乳液与水泥砂浆相结合，即走复合材料发展的道路。综上所述，配制修补材料的技术途径目前主要有两种(1)采用快硬早强型特种水泥；( 使用早强剂及多种外加剂。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术存在的不足，提出了一种硫铝酸盐水泥快硬混凝土的配制方法，一方面，确定采取的混凝土配制技术是利用硫铝酸盐水泥来配制快硬混凝土， 另一方面，由以往的单一控制技术提出一种分段控制技术，即采用分段添加缓凝剂和早强剂的方式，精确控制混凝土的凝结时间，这样既能保证商品混凝土生产运输的需要，又能保证施工现场施工操作时间以及最终快速通车的需要。本发明要求保护在硫铝酸盐水泥快硬混凝土配制过程中所使用的一种专用缓凝剂。本发明所述的硫铝酸盐水泥快硬混凝土的配制方法，包括以下步骤(1)选择超高强硫铝酸盐水泥；(2)设计配合比并试配混凝土 硫铝酸盐水泥混凝土的配合比为，水水泥 砂石=1 2. 9 3. 2 3.1 3. 4 6 6. 7 ；在搅拌站内，按照所述配合比试配硫铝酸盐水泥混凝土；(3)添加减水剂在搅拌站内，向上述步骤( 所获得的混凝土中添加减水剂，并混合搅拌均勻；所述减水剂的组分包括萘系高浓减水剂、羧乙基纤维素和引气剂；其中，萘系高浓减水剂的掺量是水泥总质量的0. 6-1. 0%，羧乙基纤维素的掺量是水泥质量的2. 0/ 万，引气剂的掺量是水泥质量的1. 5-2. 0/万；(4)添加缓凝剂在搅拌站内，向上述步骤⑶所获得的混凝土中人工手动添加缓凝剂，并混合搅拌均勻；所述缓凝剂的组分为硼酸，硼酸随环境温度匹配的掺量范围为水泥质量的0. 3-0.6% ；(5)添加早强剂将上述步骤(4)所获得的混凝土运到现场后，向该混凝土中再添加早强剂，并混合搅拌均勻，配制完成；所述早强剂的组分包括碳酸锂、羧乙基纤维素和偏铝酸盐速凝剂；其中，碳酸锂的掺量是水泥质量的0. 08-0. 12%，羧乙基纤维素的掺量是水泥质量的2. 0/万，偏铝酸盐速凝剂的掺量是水泥质量的0. 2-0. 4%。进一步地，所述硼酸随环境温度匹配的掺量范围为当环境温度分别为5_15°C、 15-25°C和彡25°C时，硼酸的掺量分别为水泥质量的0. 3-0. 4%,0. 4-0. 5%和0. 55-0. 6%0进一步地，所述硼酸随环境温度匹配的掺量范围为当环境温度分别为5_15°C、15-25°C和彡25°C时，硼酸的掺量分别为水泥质量的0. 35%,0. 45%和0. 55%。进一步地，当环境温度为15_25°C，所述缓凝剂的掺量为水泥质量的0. 5%时，所述早强剂的掺量为水泥质量的0. 06% -0. 08%。进一步地，所述超高强硫铝酸盐水泥是采用高品位铝矾土、石灰石、石膏配料，用低灰分和高发热量的烟煤烧制的熟料，再加入15%左右的石膏磨细制成的。进一步地，所述超高强硫铝酸盐水泥熟料中，无水硫铝酸钙的质量百分比为 70-75%，硅酸二钙的质量百分比为20-25%，铁相的质量百分比为5_8%。进一步地，在步骤(4)中添加缓凝剂后，所述混凝土应该保持至少1. 5小时的良好流动性。进一步地，在步骤(5)中添加早强剂后，所述混凝土应该保持至少30分钟的施工操作性。
具体实施例方式首先，本发明结合实际抢修工程的基本要求，针对采取分段控制技术手段的硫铝酸盐水泥快硬混凝土，确定其性能指标的具体要求为1)快硬混凝土从出机到现场，考虑运距、交通堵塞以及现场等待等因素，要求混凝土至少在1. 内具备良好的流动性(本文中，“h”指“小时”，下同)；2)混凝土到现场，添加早强剂后，要求混凝土保持至少30min的施工操作性，理想的施工操作时间是30-50min(本文中，“min”指“分钟”，下同)；3)混凝土到现场，添加早强剂后，要求混凝土的初、终凝时间在60-90min ；4)混凝土到现场，添加早强剂后，要求混凝土 2h抗压强度不低于20MPa，2h抗折强度不低于3MPa，;3h抗压强度不低于25MPa，;3h抗折强度不低于4MPa，满足快速通车、开放交通的要求；5)混凝土 28d抗压强度达到C40混凝土验收标准(本文中，“d”指“天”，下同)；6)混凝土具备良好的耐久性能。针对硫铝酸盐水泥快硬混凝土应用于应急抢修工程所要求的特殊性能，对于原材料的选择显得尤其重要。硫铝酸盐水泥快硬混凝土配制的关键材料主要是水泥胶凝材料和外加剂。本发明在优选水泥胶凝材料的基础上，进一步确定适合硫铝酸盐水泥快硬混凝土的缓凝剂和早强剂，在以往研究的基础上，针对不同缓凝剂和早强剂的选择和复配，筛选出一种硫铝酸盐水泥快硬混凝土的专用复配型缓凝剂和专用复配型早强剂。(1)确定配合比根据前期技术积累，通过深入分析，申请人认为，硫铝酸盐水泥快硬混凝土的控制要点主要为三个点，分别为凝结时间、早期强度和后期强度。其中，凝结时间控制是保证安全生产、安全运输以及具备施工可操作时间的先决条件，早期强度控制是实现快速开放交通的必要条件，而后期强度是满足结构设计性能要求。上述三点的控制互为关联，互相影响，配比设计必须统筹兼顾。应急抢修工程的生产实际要求混凝土必须具有快硬早强的特点，而且对于早期强度要求较高，因此本发明优选超高强硫铝酸盐水泥。快硬硫铝酸盐水泥的生产执行《中华人民共和国国家标准硫铝酸盐水泥GB20472-2006》(中华人民共和国国家质量监督检验检
5疫总局和中国国家标准化管理委员会2006-8-25批准并发布2007-02-01实施)。超高强硫铝酸盐水泥是采用高品位铝矾土、石灰石、石膏配料，用低灰分和高发热量的烟煤烧制的熟料，再加入15%左右的石膏磨细制成的。其熟料中的早强快硬矿物无水硫铝酸钙含量在 70%左右。在未加石膏之前，熟料本身的3天抗压强度在SOMPa以上，加入15%石膏以后， 3天抗压强度可达60MPa以上。与普通硫铝酸盐水泥相比，从熟料矿物组成来看，超高强硫铝酸盐水泥熟料中，无水硫铝酸钙70-75%，硅酸二钙20-25%，铁相5^-8% ；普通硫铝酸盐水泥熟料中，无水硫铝酸钙50% -55%,硅酸二钙30% -35%,铁相5% -10%。从水泥强度来看，超高强硫铝酸盐水泥熟料的1天抗压强度高于^MPa，3天抗压强度为80-100MPa， 而普通硫铝酸盐水泥熟料的1天抗压强度只有30-40MPa，3天抗压强度只有50_60MPa。根据硫铝酸盐水泥的配合比设计原则，我们设计了不同水泥用量下的配合比，分别观察了混凝土的早期和后期强度，缓凝剂和早强剂掺量相同，环境温度为20°C。试配混凝土配方如表1所示，试配结果如表2所示。表1硫铝酸盐水泥混凝土试配配合比(单位kg/m3)
试配编号WCSGA
704006751201Ιδ
217045063911874.05
317050060311734.5
417055058611404.23表1中，W、C、S、G、A分别表示用水量、水泥用量、砂用量、石用量和减水剂用量。表2硫铝酸盐水泥混凝土试配结果
试配编号初凝/min 终凝/min 2h强度/MPa~Id强度/MPa 28d强度/MPa
1657518.729.535.7
2708020.832.640.8
3708021.935.947.3
4708024.940.655.8从上述试验结果可知，不同配比的混凝土的凝结时间相差不大，池强度也相差不大，基本满足项目设计目标的池强度要求，但是胶材较少的混凝土 28d后期强度差别较大， 难以满足设计强度要求。因此综合考虑凝结时间、早期强度和后期强度指标，我们确定如表 3所示的配合比作为试验和工程用基础配合比。表3快硬混凝土基础配合比(单位kg/m3)
WCSGA170-190500-55058611400.80-1.0%表3中就是说，硫铝酸盐水泥混凝土的质量配合比为水水泥砂石= 1 2. 9 3. 2 3.1 3. 4 6 6. 7，减水剂用量A是水泥用量C的0. 80-1. 0%。(2)筛选缓凝剂
硫铝酸盐水泥性能与硅酸盐水泥性能相比，其主要特点之一就是凝结时间较短， 因此缓凝剂对改善硫铝酸盐水泥的性能就显得格外重要。目前用作硅酸盐水泥缓凝剂的通常有如下几类物质木质磺酸盐及其衍生物、羟基羧酸盐、多羟基碳水化合物和无机化合物等。为此，我们选择了主要的缓凝剂品种分别进行研究，这些品种包括酒石酸L+、酒石酸、 酒石酸DL、硼酸、硼砂、柠檬酸、葡萄糖酸钠等，从中筛选出硫铝酸盐水泥最适宜的缓凝剂品种。a.缓凝剂1缓凝剂1的试验结果如表4所示。表4缓凝剂1试验结果
权利要求
1.一种硫铝酸盐水泥快硬混凝土配制中使用的缓凝剂，其中，所述硫铝酸盐水泥快硬混凝土的质量配合比为水水泥砂石=1 2. 9 3. 2 3. 1 3. 4 6 6. 7，所述水泥为超高强硫铝酸盐水泥；其特征在于该缓凝剂的组分为硼酸，在搅拌站内向上述混凝土中人工手动添加，所述硼酸随环境温度匹配的掺量范围为所述水泥质量的0. 3-0. 6%0
2.根据权利要求1所述的缓凝剂，其特征在于在搅拌站内，向上述混凝土中还添加一种减水剂，并混合搅拌均勻；该减水剂的组分包括萘系高浓减水剂、羧乙基纤维素和引气剂；其中，萘系高浓减水剂的掺量是水泥质量的0. 6-1. 0%，羧乙基纤维素的掺量是水泥质量的2. 0/万，引气剂的掺量是水泥质量的1. 5-2. 0/万。
3.根据权利要求2所述的缓凝剂，其特征在于当上述混凝土运到现场后，向其中再添加一种早强剂，并混合搅拌均勻，配制完成；该早强剂的组分包括碳酸锂、羧乙基纤维素和偏铝酸盐速凝剂；其中，碳酸锂的掺量是水泥质量的0. 08-0. 12%，羧乙基纤维素的掺量是水泥质量的2. 0/万，偏铝酸盐速凝剂的掺量是水泥质量的0. 2-0. 4%。
4.根据权利要求1-3任一项所述的缓凝剂，其特征在于所述硼酸随环境温度匹配的掺量范围为当环境温度分别为5-151、15-251和> 25°C时，硼酸的掺量分别为水泥质量的 0. 3-0. 4 %、0. 4-0. 5 % 和 0. 55-0. 6 %。
5.根据权利要求4所述的缓凝剂，其特征在于所述硼酸随环境温度匹配的掺量范围为当环境温度分别为5-151、15-251和> 25°C时，硼酸的掺量分别为水泥质量的 0. 35%,0. 45%和 0. 55%。
6.根据权利要求4所述的缓凝剂，其特征在于当环境温度为15-25°C，所述缓凝剂的掺量为水泥质量的0. 5%时，所述早强剂的掺量为水泥质量的0. 06-0. 08%。
7.根据权利要求1-3任一项所述的缓凝剂，其特征在于所述超高强硫铝酸盐水泥是采用高品位铝矾土、石灰石、石膏配料，用低灰分和高发热量的烟煤烧制的熟料，再加入 15%左右的石膏磨细制成的。
8.根据权利要求7所述的缓凝剂，其特征在于所述超高强硫铝酸盐水泥熟料中，无水硫铝酸钙的质量百分比为70-75%，硅酸二钙的质量百分比为20-25%，铁相的质量百分比为 5-8%。
全文摘要
一种在硫铝酸盐水泥快硬混凝土配制中使用的缓凝剂。所述配制包括选择超高强硫铝酸盐水泥；设计配合比并试配混凝土；在搅拌站，按照与水泥的质量比向混凝土中分别添加减水剂和缓凝剂；当混凝土运到施工现场后，按照与水泥的一定质量比再向混凝土中添加早强剂。该缓凝剂用于在搅拌站内人工手动向混凝土中添加，其组分为硼酸，随环境温度匹配的硼酸掺量为水泥质量的0.3-0.6％。由于在硫铝酸盐水泥快硬混凝土的配制过程中，采用分段添加缓凝剂和早强剂的精细控制技术，精确控制混凝土的凝结时间，既能保证商品混凝土生产运输的需要，又能保证施工现场施工操作时间以及最终快速通车的需要。
文档编号C04B103/22GK102276233SQ20111018656
公开日2011年12月14日 申请日期2011年7月5日 优先权日2011年7月5日
发明者张春林, 张杰君, 曾波, 李彦昌, 李永生, 杨荣俊, 田景松, 石效民, 邬长森, 郑旭, 陈智丰 申请人:北京市政路桥建材集团有限公司, 北京市高强混凝土有限责任公司, 北京正达坤顺技术检测有限公司