本发明涉及材料的制备领域，具体涉及一种硅酸铝速凝剂的制备方法。
背景技术：
速凝剂一种用于缩短水泥凝结时间，掺入后可使水泥混凝土或砂浆在几分钟的时间内快速凝结的化学外加剂，常用于隧道、地铁等工程中的喷射混凝土以及抢修堵漏等快速施工工程中。生产用的速凝剂分为液体和粉体两大类。粉体速凝剂主要以铝氧熟料、碳酸盐、生石灰为主要成分，但是通常粉体速凝剂的含碱量大，并且在混凝土拌合物中的分散性较差，容易造成喷射施工中高粉尘及高回弹损失等问题。相比之下，液体速凝剂可以减少喷射中的粉尘及回弹问题，能够更好地分散在混凝土拌合物中，提高喷射施工质量。
改性硅酸钠、偏铝酸盐类和硫酸铝等通常作为无机盐组分加入到液体速凝剂中。但由改性硅酸钠、偏铝酸盐类和硫酸铝等无机盐组分制得的液体速凝剂的浓度较高，无机盐的质量分数均超过50％，生产所需成本较高，同时稳定性较差，易产生沉淀。
技术实现要素：
鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种硅酸铝速凝剂的制备方法，通过特定的方法制备含硅酸铝的悬浮液，并以硅酸铝作为无机盐组分，添加凝结时间调节剂制备硅酸铝速凝剂，能够显著缩短初凝时间和终凝时间。
本发明一方面提供一种硅酸铝的制备方法，包括：
将可溶性硅酸盐或所述可溶性硅酸盐的一部分加入优选滴加到含分散剂的溶液中，形成混合液；
将可溶性铝盐或所述可溶性铝盐与所述可溶性硅酸盐的剩余部分加入优选滴加到制得的混合液中，从而使所述可溶性铝盐与所述可溶性硅酸盐发生反应，生成含硅酸铝的悬浮液；以及
在所述含硅酸铝的悬浮液加入凝结时间调节剂，制得所述硅酸铝速凝剂。
本申请的发明人经研究发现，将可溶性硅酸盐加入优选滴加到含分散剂的溶液中，一方面可提高可溶性硅酸盐在溶剂中的分散性，由此再滴入可溶性铝盐时，可溶性硅酸盐能够与可溶性铝盐充分接触，进而在高度分散的条件下充分发生反应，最终导致制得的硅酸铝不含纤维状结构，分散性较好且粒度较小；另一方面因为溶液中已经含有足够的可溶性硅酸盐，能够使可溶性铝盐立即与可溶性硅酸盐发生反应，避免了絮凝反应的发生。
同时，以制得的分散性较好且粒度较小的硅酸铝的悬浮液作为无机盐组分，添加凝结时间调节剂制备硅酸铝速凝剂，利用凝结时间调节剂与al3+离子之间的络合作用，减小了溶液中al3+离子的浓度，能够使溶液更加稳定剂，同时凝结时间调节剂还有利于缩短水泥的凝结时间。
根据本发明，优选将一部分可溶性硅酸盐加入优选滴加到含分散剂的溶液中，形成混合液；之后再将剩余部分的可溶性硅酸盐与可溶性铝盐一同加入优选滴加到制得的混合液中，从而与所述可溶性硅酸盐发生反应，生成硅酸铝。由此，既能够保证加入可溶性铝盐时有足够的可溶性硅酸盐与之发生反应，进而有效避免絮凝反应的发生，又能够减少反应的时长，提高反应效率。
根据本发明，优选在搅拌的条件下，将可溶性硅酸盐加入优选滴加到含分散剂的溶液中，和/或将可溶性铝盐加入优选滴加到制得的混合液中；更优选地，通过高速搅拌桨进行所述搅拌操作，最优选地，高速搅拌桨的转速为900-1100rpm；更优选地，通过蠕动泵实现所述滴加操作，最优选地，蠕动泵的出液速度为0.5-3g/min。
根据本发明，含可溶性硅酸盐的溶液和含可溶性铝盐的溶液可以以相同的出液速度滴加，也可以以不同的出液速度滴加，优选以不同的出液速度滴加。
根据本发明，优选在将可溶性铝盐加入优选滴加到制得的混合液中后继续搅拌5h-20h，以使反应更加充分。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述分散剂选自聚丙烯酸钠、聚丙烯酸铵和六偏磷酸钠中的至少一种；优选地，所述分散剂为聚丙烯酸钠。
根据本发明，上述特定的分散剂，尤其是聚丙烯酸钠，由于其具有良好的水溶性和较大的极性，能够与可溶性铝盐结合形成可溶的链状阴离子，从而吸附于硅酸铝固体颗粒表面，使凝聚的固体颗粒表面的电荷增加，提高形成立体阻碍的颗粒间的排斥力，提高聚丙烯酸钠的分散性。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述可溶性硅酸盐选自硅酸钾、硅酸钠和硅酸铵中的至少一种；优选地，所述可溶性硅酸盐为硅酸钠。
根据本发明，硅酸钾、硅酸钠和硅酸铵可以采用任意常见的形态，例如硅酸钠可以采用无水硅酸钠、五水硅酸钠、九水合硅酸钠或水玻璃。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述可溶性铝盐选自氯化铝、硫酸铝、硝酸铝和硫化铝中的至少一种；优选地，所述可溶性铝盐为硫酸铝。
根据本发明，氯化铝、硫酸铝、硝酸铝和硫化铝可以采用任意常见的形态，例如硫酸铝可以采用无水硫酸铝或十八水合硫酸铝。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述可溶性硅酸盐与所述分散剂的质量比为(1-15):1，优选为(2-10):1；和/或所述可溶性硅酸盐与所述可溶性铝盐的质量比为(1-3):1，优选为(1.8-2.3):1。
根据本发明，当所述可溶性硅酸盐与所述分散剂的质量比和/或所述可溶性硅酸盐与所述可溶性铝盐的质量比在上述特定的范围内时，有利于获得分散度良好、粒度较小的硅酸铝。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述含分散剂的溶液中，分散剂的浓度为5％-25％，优选为10％-15％。
根据本发明，所述分散剂的溶液中，溶剂为醇类有机溶剂或水，优选为水；其中，所述醇类有机溶液选自c1-c5醇中的至少一种，优选为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、仲丁醇、叔丁醇、异丁醇和正戊醇中的至少一种。
在本发明的一些优选的实施方式中，将可溶性硅酸盐溶于溶剂优选水形成硅酸盐溶液后加入到所述含分散剂的溶液中；和/或将可溶性铝盐溶于溶剂优选水形成铝盐溶液后加入到所述混合液中。
根据本发明，在20℃-35℃的温度下、优选在室温下将可溶性硅酸盐溶于溶剂优选水形成硅酸盐溶液；和/或在40℃-80℃、优选50℃-65℃的温度下将可溶性铝盐溶于溶剂优选水形成铝盐溶液，更优选将形成的铝盐溶液保温0.5h-2h。
根据本发明，在上述温度范围内进行溶解操作有利于可溶性硅酸盐和可溶性铝盐的充分溶解以及在后续的使用过程中保持稳定。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述硅酸盐溶液中，硅酸盐的浓度为10％-45％，优选为25％-30％；和/或所述铝盐溶液中，铝盐的浓度为5％-35％，优选为15％-20％。
根据本发明，硅酸盐的浓度与铝盐的浓度在上述特定的范围内时，有利于获得分散度良好、粒度较小的硅酸铝。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述凝结时间调节剂选自二乙醇胺、三乙醇胺、三异丙醇胺、二乙烯三胺、氨基乙基乙醇胺和聚乙烯醇磷酸铵中的至少一种；优选地，所述凝结时间调节剂与所述可溶性铝盐的质量比为(0.2-0.6):1，优选为(0.3-0.5):1。
根据本发明，上述特定的凝结时间调节剂，尤其是二乙醇胺等醇胺类化合物，能够更好地与al3+离子发生络合，有利于提高速凝剂的稳定性以及缩短水泥凝结时间。
本发明的另一方面提供一种根据上述的制备方法制得的硅酸铝速凝剂。
本发明中，除非特别说明，“水”是指去离子水，室温是指25℃。
本发明所提供的硅酸铝速凝剂的初凝时间在10min以下，终凝时间在25min以下，甚至可以达到初凝时间在4min以下，终凝时间在10min以下。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于下述说明。
对实施例1-10、对比例1制备的硅酸铝速凝剂，按照gb/t1346-2011测试初凝时间和终凝时间。
在下述实施例1-10、对比例1中所使用的仪器包括但不限于：
电动搅拌机，上海司乐仪器有限公司，型号：hd2010w。
水泥净浆搅拌机，上海雷韵试验仪器制造有限公司，型号：nj-160。
标准法维卡仪，河北荣达路桥科仪器材厂，型号：iso。
在下述实施例1-10、对比例1中所使用的试剂包括但不限于：
九水硅酸钠，上海麦克林生化科技有限公司；
十八水硫酸铝，上海麦克林生化科技有限公司；
聚丙烯酸钠，上海麦克林生化科技有限公司；
二乙醇胺，上海麦克林生化科技有限公司；
三乙醇胺，上海麦克林生化科技有限公司；
基准水泥，曲阜中联水泥有限公司。
实施例1
配制80g聚丙烯酸钠水溶液(聚丙烯酸钠的质量分数为6％)，并将其置于反应器(请补充反应器的名称、型号等)中，作为底料；
在室温下将39.1g九水硅酸钠溶解于20g去离子水中制得59.1g硅酸钠溶液(硅酸钠的质量分数为28％)；
在60℃的水浴条件下，将19.46g十八水硫酸铝溶解于40g去离子水中并且保温1小时制得硫酸铝溶液(硫酸铝的质量分数为16.8％)；
然后在搅拌的条件下(高速搅拌桨的转速为1000rpm)，采用蠕动泵以1g/min的速率将制得的硅酸钠溶液滴加到聚丙烯酸钠水溶液中，在滴加完成之后继续搅拌0.5h，制得含硅酸钠和聚丙烯酸钠的悬浮液；之后再采用蠕动泵以1g/min的速率将制得的硫酸铝溶液滴加到制得的悬浮液中，在滴加完成之后继续搅拌12h，制得含硅酸铝的悬浮液(其中，九水硅酸钠与聚丙烯酸钠的质量比为8:1；九水硅酸钠与十八水硫酸铝质量比为2:1)；
最后在制得的含硅酸铝的悬浮液中加入6g二乙醇胺并在100rpm的转速下搅拌1h，制得硅酸铝速凝剂。
将制得的硅酸铝速凝剂加入到基准水泥中，测试其初凝时间和终凝时间，结果示于表1中。
实施例2
配制240g聚丙烯酸钠水溶液(聚丙烯酸钠的质量分数为13％)，并将其置于三口烧瓶中，作为底料；
在室温下将117.31g九水硅酸钠溶解于60g去离子水中制得177.31g硅酸钠溶液(硅酸钠的质量分数为28％)；
在65℃的水浴条件下，将58.38g十八水硫酸铝溶解于120g去离子水中并且保温1小时制得178.38硫酸铝溶液(硫酸铝的质量分数为16.8％)；
然后在搅拌的条件下(高速搅拌桨的转速为1000rpm)，采用蠕动泵以1.97g/min的速率将制得的硅酸钠溶液滴加到聚丙烯酸钠水溶液中，在滴加0.5h之后，在滴加硅酸钠溶液的同时采用蠕动泵以2.97g/min的速率滴加制得的硫酸铝溶液，在滴加完成之后继续搅拌12h，制得含硅酸铝的悬浮液(其中，九水硅酸钠与聚丙烯酸钠的质量比为3.75:1；九水硅酸钠与十八水硫酸铝质量比为2:1)；
最后在制得的含硅酸铝的悬浮液中加入18g三乙醇胺并在100rpm的转速下搅拌0.5h，制得硅酸铝速凝剂。
将制得的硅酸铝速凝剂加入到基准水泥中，测试其初凝时间和终凝时间，结果示于表1中。
实施例3
按照与实施例1相同的方式制备硅酸铝，不同之处仅在于聚丙烯酸钠的质量分数为20％。将制得的硅酸铝速凝剂加入到基准水泥中，测试其初凝时间和终凝时间，结果示于表1中。
实施例4
按照与实施例1相同的方式制备硅酸铝，不同之处仅在于聚丙烯酸钠的质量分数为25％。将制得的硅酸铝速凝剂加入到基准水泥中，测试其初凝时间和终凝时间，结果示于表1中。
实施例5
按照与实施例1相同的方式制备硅酸铝，不同之处仅在于聚丙烯酸钠的质量分数为30％。将制得的硅酸铝速凝剂加入到基准水泥中，测试其初凝时间和终凝时间，结果示于表1中。
实施例6
按照与实施例1相同的方式制备硅酸铝，不同之处仅在于九水硅酸钠与聚丙烯酸钠的质量比为4:1。将制得的硅酸铝速凝剂加入到基准水泥中，测试其初凝时间和终凝时间，结果示于表1中。
实施例7
按照与实施例1相同的方式制备硅酸铝，不同之处仅在于九水硅酸钠与十八水硫酸铝的质量比为1:1。将制得的硅酸铝速凝剂加入到基准水泥中，测试其初凝时间和终凝时间，结果示于表1中。
实施例8
按照与实施例1相同的方式制备硅酸铝，不同之处仅在于使用“质量分数为6％的聚丙烯酸铵水溶液”替换实施例1中的质量分数为6％的聚丙烯酸钠水溶液。将制得的硅酸铝速凝剂加入到基准水泥中，测试其初凝时间和终凝时间，结果示于表1中。
实施例9
按照与实施例1相同的方式制备硅酸铝，不同之处仅在于使用“质量分数为28％的硅酸钾溶液”替换“质量分数为28％的硅酸钠溶液”。将制得的硅酸铝速凝剂加入到基准水泥中，测试其初凝时间和终凝时间，结果示于表1中。
实施例10
按照与实施例1相同的方式制备硅酸铝，不同之处仅在于使用“质量分数为16.8％的氯化铝”替换“质量分数为16.8％的硫酸铝溶液”。将制得的硅酸铝速凝剂加入到基准水泥中，测试其初凝时间和终凝时间，结果示于表1中。
对比例1
提供以硅酸钠作为无机盐组分的速凝剂，该硅酸钠速凝剂的具体配方为：18％硅酸钠，3％二乙醇胺，其余为水。
将制得的硅酸钠速凝剂加入到基准水泥中，测试其初凝时间和终凝时间，结果示于表1中。
对比例2
提供以硫酸铝作为无机盐组分的速凝剂，该硫酸铝速凝剂的具体配方为：18％硫酸铝，3％二乙醇胺，其余为水。
将制得的硫酸铝速凝剂加入到基准水泥中，测试其初凝时间和终凝时间，结果示于表1中。
对比例3
测试不掺速凝剂的基准水泥的初凝时间和终凝时间，结果示于表1中。
表1
比较表1中的实施例1-10和对比例3可知，本申请的硅酸铝速凝剂能够显著缩短水泥的初凝时间和终凝时间。比较本申请的实施例1-10和对比例1和2可知，本申请的硅酸铝速凝剂能够更好的缩短水泥的初凝时间，且对于水泥的终凝时间也有所改善。
另外，比较本申请的实施例1和对比例1和2可知，经计算，本申请的硅酸铝速凝剂能够中的硅酸铝的含量约为5.8％，远低于对比例1和2中的无机盐组分的含量，可见，通过本申请所提供的制备方法制得的速凝剂不仅能够显著缩短水泥的凝结时间，还能够减少无机盐组分的使用量，降低生产和使用成本。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。