一种水化硅酸钙晶种早强剂及其制备方法

本发明属于混凝土外加剂，具体涉及一种水化硅酸钙晶种早强剂及其制备方法。

背景技术：

1、预制混凝土的生产通常需要快速的早期强度发展，以提高生产效率。提高预制混凝土早期强度的传统方法是热养护，而热养护的缺点是能耗高，混凝土后期强度损失。此外，在使用高炉渣、石灰石、粉煤灰等辅助胶凝材料(scm)过程中会导致水泥基材料早期强度发展缓慢。与此同时，当水泥在寒冷环境中使用时，低温气候条件会延迟其水化，导致早期强度降低。近年来，研究发现人工合成的水化硅酸钙可作为晶种材料，为水泥水化产物提供额外成核位点，显著加速水泥水化速度，大幅提升水泥基材料早期强度，被认为是一种很有前景的晶种型早强剂，引起了学术界和工程界的广泛关注。大量研究表明，水化硅酸钙的粒径越小，其比表面积越大，同等质量下能提供更多的成核位点，其促进水泥水化效率越高。

2、到目前为止，已经报道了各种制备水化硅酸钙的方法，包括火山灰、溶胶-凝胶和液相沉淀法。在所有这些方法中，沉淀法是最基本和最常用的一种，因为它具有操作灵活、成本低、工艺简单等优点。中国专利公开号cn108467215,名称为“一种用于建筑混凝土的纳米c-s-h晶种早强剂的制备方法”的专利则公开了一种水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法，该方法选用在传统的搅拌反应器中进行沉淀反应，由于搅拌反应器混合和传质性能较差，反应物难以实现快速微观混合，导致通过沉淀法制备的水化硅酸钙晶种材料粒径大(200～400nm)、粒度分布宽、颗粒团聚严重、产品性能较差，制约了其在混凝土行业推广应用。此外，传统液相沉淀法制备水化硅酸钙晶种早强剂过程中，为减少产物团聚现象，常需要逐滴加入反应物，反应物添加过程极为耗时，针对以上问题，除了改善操作工艺和加入适当分散剂外，应该注意的是对反应器的改进，从而对反应过程进行强化，加快反应物的混合效率，并减少生产时间、提高生产效率。

3、撞击流是一种很有前景的材料合成技术，在工业上具有广阔的前景。撞击流，是从喷嘴喷出的两个或多个流体，在空间点相互碰撞和混合，混合特征尺寸在几微米到几百微米之间，可显著缩短分子扩散距离。此外，撞击流产生的湍流微混合和压力波动可以有效地增加溶液中的能量和质量传递。依靠这些特性，撞击流可以在极短的时间(毫秒级)内实现完美混合。同时，当撞击流技术用于细颗粒合成时，通过撞击区的液流可以快速分裂成无数微小的液滴或薄膜，从而为形成大小均匀的细颗粒提供了优异的反应环境。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种水化硅酸钙晶种早强剂及其制备方法，解决现有技术中利用液相沉淀法制备水化硅酸钙晶种早强剂时存在的颗粒尺寸较大、粒径分布宽、分散稳定性差、对水泥基材料早期强度提升效果不佳的技术问题。

2、本发明的目的采用如下技术方案实现：

3、本发明的第一方面提供了一种水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将钙源溶于水中制得钙源水溶液，将硅源和分散剂溶于水中制得硅源水溶液；

5、(2)将步骤(1)所述钙源水溶液、硅源水溶液分别通过平流泵注入到撞击流反应器中进行对撞混合；

6、(3)步骤(2)所述对撞混合后的溶液在保护气氛环境下搅拌陈化，得到所述水化硅酸钙晶种早强剂。

7、优选地，步骤(1)所述钙源为甲酸钙、乙酸钙、葡萄糖酸钙、硝酸钙、氯化钙中的一种或多种。

8、优选地，步骤(1)所述硅源为硅酸钠、硅酸钾、偏硅酸钠、氟硅酸钠的一种或多种。

9、优选地，步骤(1)所述分散剂为商用聚羧酸减水剂pce。

10、优选地，步骤(1)所述钙源水溶液中钙源的浓度为0.01～0.8mol/l。

11、优选地，步骤(1)所述硅源水溶液中硅源的浓度为0.01～0.8mol/l，分散剂用量为钙源质量的25％～100％。

12、优选地，步骤(2)所述撞击流反应器包括一个t型三通连接两根毛细管，毛细管内径范围介于0.5-5mm之间。

13、进一步优选地，步骤(2)所述t型三通为商用t型三通。

14、进一步优选地，步骤(2)所述毛细管为不锈钢毛细管。

15、优选地，步骤(2)所述钙源水溶液及硅源水溶液以相同的流量通过平流泵输送，流量范围为40～800ml/min；

16、优选地，步骤(2)所述对撞混合的温度为0～70℃。

17、进一步优选地，步骤(2)所述对撞混合的温度为0～45℃。

18、优选地，步骤(3)所述搅拌陈化的时间为1～24h。

19、进一步优选地，步骤(3)所述搅拌陈化的时间为1～12h。

20、优选地，步骤(3)所述保护气氛为氮气。

21、本发明的第二方面提供了一种水化硅酸钙晶种早强剂，该水化硅酸钙晶种早强剂通过上述的制备方法制备得到。

22、与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

23、(1)传统的搅拌反应器制备水化硅酸钙晶种过程中，由于混合和传质性能较差，反应物难以实现快速微混合，导致通过沉淀法制备的水化硅酸钙晶种材料粒径大、粒度分布宽、颗粒团聚严重、产品性能较差，本发明提供的水化硅酸钙晶种是通过撞击流技术制备，撞击流极大的强化了反应的传至和微观混合过程，制得的水化硅酸钙晶种颗粒尺寸明显减小、分散稳定性显著提高，且能大幅提高水泥基材料的早期水化和力学行为，具有很好的应用前景。

24、(2)本发明提供的水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法通过将钙源和硅源以较高的液体流速进行对撞，相比传统搅拌反应器中采用的逐滴加入反应物的方式，反应物添加速度大幅提升，显著缩短了生产过程中加料的时间，大幅提升了生产效率。

25、(3)本发明所使用的工艺流程简单、灵活性强、过程易于操作、便于实施，且原材料廉价易得；实验可重复性强、易于放大。

技术特征：

1.一种水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述钙源为甲酸钙、乙酸钙、葡萄糖酸钙、硝酸钙、氯化钙中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述硅源为硅酸钠、硅酸钾、偏硅酸钠、氟硅酸钠的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述分散剂为商用聚羧酸减水剂pce。

5.根据权利要求1所述的水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述钙源水溶液中钙源的浓度为0.01～0.8mol/l。

6.根据权利要求1所述的水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述硅源水溶液中硅源的浓度为0.01～0.8mol/l，分散剂用量为钙源质量的25％～100％。

7.根据权利要求1所述的水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述撞击流反应器包括一个t型三通连接两根毛细管，毛细管内径范围介于0.5～5mm之间。

8.根据权利要求1所述的水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述钙源水溶液及硅源水溶液以相同的流量通过平流泵输送，流量范围为40～800ml/min；步骤(2)所述对撞混合的温度为0～70℃。

9.根据权利要求1所述的水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述搅拌陈化的时间为1～24h。

10.权利要求1-9任一项所述的制备方法制备得到的水化硅酸钙晶种早强剂。

技术总结
本发明属于混凝土外加剂技术领域，具体公开了一种水化硅酸钙晶种早强剂及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：将钙源溶于水中制得钙源水溶液，将硅源和分散剂溶于水中制得硅源水溶液；将所述钙源水溶液、硅源水溶液分别通过平流泵注入到撞击流反应器中进行对撞混合；所述对撞混合后的溶液在保护气氛环境下搅拌陈化，得到所述水化硅酸钙晶种早强剂。本发明制备得到的水化硅酸钙晶种早强剂颗粒尺寸小、分散稳定性好，且能大幅提高水泥基材料的早期水化与力学行为，具有很好的应用前景；本发明所使用的工艺流程简单、灵活性强、过程易于操作、便于实施，且原材料廉价易得；实验可重复性强、易于放大。

技术研发人员：殷素红,冯献
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12