一種磷酸鉀鎂水泥基混凝土膠粘劑及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種磷酸鉀鎂水泥基混凝土膠粘劑及其制備方法，制備方法包括以下步驟：步驟一：取50～70質量份的死燒氧化鎂粉作為堿性組份，30～50質量份的磷酸二氫鉀作為酸性組份，外摻6～10質量份的復合緩凝劑制備得到磷酸鉀鎂水泥，復合緩凝劑由四硼酸鈉、十二水合磷酸氫二鈉和無機氯鹽按照質量比2～4：4～8：2～5組成；第二步驟：取5～15質量份的石灰石粉，10～20質量份的粉煤灰和70～85質量份的所述磷酸鉀鎂水泥制備磷酸鉀鎂水泥基膠粘劑。復合緩凝劑有效延緩了磷酸鉀鎂水泥的凝結時間，磷酸鉀鎂水泥保證了較高的早期強度，粉煤灰和石灰石粉保證了強度的穩定增長并改善了體積穩定性。
【專利說明】一種磷酸鉀鎂水泥基混凝土膠粘劑及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種新型建筑材料，尤其是一種新型高性能混凝土膠粘劑的制備和使用，特別是磷酸鉀鎂水泥基混凝土膠粘劑及其制備方法。
【背景技術】
[0002]混凝土結構是土木工程中應用最廣泛的結構形式，由于硅酸鹽水泥混凝土在耐久性方面存在局限性，在多種環境因素的長期作用下，普通混凝土易損傷和劣化，嚴重時甚至影響結構的使用壽命。對既有混凝土結構的修復是延長其使用壽命的有效措施，而研究性能優越的混凝土膠粘劑對混凝土結構的修復和改善具有重要意義。混凝土結構膠粘劑可分為無機基、有機基和無機有機復合基三種類型，綜合其基本要求(施工可操作性強、收縮小、早期強度發展迅速、與老混凝土的粘結強度高和性能匹配、良好的耐久性等)，兼考慮防火耐高溫、價格和環保等因素，開發性能優越的無機基膠粘劑應該是一條更為可行的路線。硅酸鹽水泥價格低廉、貨源豐富、施工可操作性強、耐久性好且與老混凝土性能匹配，應是首選的混凝土結構膠粘劑，但其存在的關鍵問題是硬化時收縮大、強度發展慢和與老混凝土粘結性差，這主要由硅酸鹽水泥的固有特性造成，但卻與混凝土結構膠粘劑的基本要求相矛盾。因此，較合理的解決措施是尋找更合適的無機膠凝材料代替硅酸鹽水泥。
[0003]磷酸鎂水泥是由死燒氧化鎂、可溶性磷酸鹽和外加劑等按照一定比例，在酸性條件下通過酸堿化學反應及物理作用生成的以磷酸鹽為黏結相的無機膠凝材料；根據所用磷酸鹽種類的不同，可分為磷酸銨鎂水泥(以銨磷酸鹽為酸性組份)和磷酸鉀鎂水泥(以鉀磷酸鹽為酸性組份)等。該類材料在常溫下通過化學鍵結合，具備了硅酸鹽類膠凝材料和陶瓷材料的主要特點，即低溫固化、高早強、高體積穩定性、粘結性強、硬化體偏中性和良好的耐久性等。磷酸鎂水泥中的磷酸鹽能與普通混凝土中的水化產物或未水化的熟料顆粒反應生成同樣具有膠凝性的磷酸鈣類產物，因此在與硅酸鹽混凝土的粘結界面附近，除了物理粘結作用處，還存在很強的化學粘結作用，粘結性較高；磷酸鎂水泥的酸堿組份遇水后中和反應迅速，強度發展快，早期強度 尤其是小時強度非常高，這是普通硅酸鹽水泥甚至是快硬硫鋁酸鹽水泥等都不能相比的；磷酸鎂水泥漿體的水膠比低，水化硬化過程的收縮變形僅為硅酸鹽水泥基材料的十分之一，體積穩定性好；磷酸鎂水泥基材料的熱膨脹系數與普通硅酸鹽混凝土的很接近，之間的熱性能匹配很好。上述優點使磷酸鎂水泥成為普通硅酸鹽混凝土膠粘劑最理想的膠凝材料之一。但是，磷酸鎂水泥也存在凝結太快、凝結無法有效調控、水化熱大量集中釋放和后期強度倒縮等問題有待解決。
【發明內容】
[0004]本發明針對現有無機基混凝土膠粘劑產品存在的收縮大、強度發展慢、與普通混凝土粘結性和相容性差等問題，針對磷酸鎂水泥基材料凝結快、凝結無法有效控制、水化熱大量集中釋放和后期強度倒縮等問題，提供了一種磷酸鉀鎂水泥基混凝土膠粘劑的制備方法，制備的混凝土膠粘劑凝結時間可控、水化熱分階段釋放、體積收縮小、與普通硅酸鹽混凝土構件的粘結強度高、高早強和后期強度穩定增長。該發明制備工藝簡單、使用方便、節能環保、成本較低。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術步驟是:(1)取死燒氧化鎂粉作為堿性組份、磷酸二氫鉀作為酸性組份配制磷酸鉀鎂水泥，摻入適量由四硼酸鈉、十二水合磷酸氫二鈉和無機氯鹽組成的復合緩凝劑控制水泥的凝結時間和早期水化速度；(2)在磷酸鉀鎂水泥中摻石灰石粉和粉煤灰作為礦物摻合料再與適量的水混合，配制磷酸鉀鎂水泥基膠粘劑，通過調節膠粘劑的組成結構改善其體積穩定性和強度；(3)處理待粘結的普通硅酸鹽水泥混凝土構件，通過調整構件的初始狀態，改善磷酸鉀鎂水泥基膠粘劑與普通硅酸鹽水泥混凝土構件的粘結性能。 [0006]制備該種磷酸鉀鎂水泥基混凝土膠粘劑的具體過程如下:
[0007]步驟一:取50~70質量份的死燒氧化鎂粉(MgO的質量分數> 90%,比表面積
2.0~2.4m2/kg)作為堿性組份，30~50質量份的磷酸二氫鉀(工業級，主粒度為40/350~60/245( g /um))作為酸性組份，外摻6~10質量份的復合緩凝劑(由四硼酸鈉、十二水合磷酸氫二鈉和無機氯鹽組成，無機氯鹽包括氯化鈉氯化鉀等，均為工業級)制備磷酸鉀鎂水泥，通過調節復合緩凝劑和磷酸鉀鎂水泥的組成結構，控制磷酸鉀鎂水泥的凝結時間和水化放熱特性。
[0008]步驟二:取5~15質量份的石灰石粉(主粒度100/150~160/96目/ μ m，其中CaCO3的質量分數≥90% )，10~20質量份的粉煤灰(低鈣一級灰，比表面積400~450m2/kg)和70~85質量份的磷酸鉀鎂水泥(見步驟一)制備磷酸鉀鎂水泥基膠粘劑，使用時外摻10~14質量份的自來水制備成膠粘劑漿體，通過調節磷酸鉀鎂水泥基膠粘劑的組成結構和水摻量，改善膠粘劑漿體的體積穩定性和強度。
[0009]使用方法為:保證待粘結普通硅酸鹽水泥混凝土構件水化齡期大于7天、氣干含水和粘結面粗糙度0.5~1.0mm(用灌砂平均深度評定)的初始狀態，按步驟二制備膠粘劑漿體并澆注入普通硅酸鹽水泥混凝土構件的待粘結處，保證膠粘劑最小厚度> 10mm。用高頻振動器震搗膠粘劑漿體，保證漿體澆注密實，抹平構件粘結處表面，用擰干的濕布覆蓋，在自然空氣條件下養護24h。
[0010]本發明的有益效果是:
[0011]復合緩凝劑有效延緩了磷酸鉀鎂水泥的凝結時間，磷酸鉀鎂水泥保證了較高的早期強度，粉煤灰和石灰石粉保證了強度的穩定增長并改善了體積穩定性。
[0012]配制的磷酸鉀鎂水泥基混凝土膠粘劑，通過調節磷酸鉀鎂水泥中復合緩凝劑的組成結構和摻量，可調控其凝結時間在20~120分鐘范圍且水化熱分階段釋放，包括誘導前期、誘導期、加速期、減速期和穩定期，解決了磷酸鎂水泥基材料凝結快、可操作性差和水化熱大量集中釋放等問題。
[0013]配制的磷酸鉀鎂水泥基混凝土膠粘劑，通過使用磷酸鉀鎂水泥和礦物摻合料，保證水化60天收縮應變在2.5X10_4~3.5X10_4范圍，比硅酸鹽水泥基膠粘劑的收縮應變小一個數量級；保證3天抗壓強度和粘結抗折強度分別在35.0~50.0MPa和5.5~7.0MPa范圍，具有明顯的高早強特點；保證了后期強度穩定增長，解決了磷酸鎂水泥后期強度倒縮的缺陷；保證60天粘結抗折強度為7.5~10.0MPa,與硅酸鹽水泥混凝土粘結牢固。
[0014]配制的磷酸鉀鎂水泥基混凝土膠粘劑，采用規定的施工工藝粘結設定初始狀態的普通硅酸鹽混凝土構件(水化齡期大于7天、氣干含水和粘結面粗糙度0.5~1.5mm)，可保證粘結界面產生物理和化學雙重作用力，其粘結強度不低于構件本身強度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是磷酸鉀鎂水泥基混凝土膠粘劑的制備和使用工藝流程。
[0016]圖2是磷酸鉀鎂水泥及其由其配制的混凝土膠粘劑的初始水化溫度變化。
[0017]圖3是磷酸鉀鎂 水泥及其由其配制的混凝土膠粘劑在初始60d內的收縮應變發展。
[0018]圖4是磷酸鉀鎂水泥及其由其配制的混凝土膠粘劑在60d內的強度發展，其中圖4(a)為抗壓強度，圖4(b)為粘結抗折強度。
[0019]圖5(a)是磷酸鉀鎂水泥基膠粘劑與普通硅酸鹽混凝土基體的結合界面形貌，圖5(b)為結合界面處點I和點2的元素分布。
【具體實施方式】
[0020]以下結合具體實施例，對本發明進行詳細說明。
[0021]在圖1中:⑴將死燒氧化鎂粉、磷酸二氫鉀和復合緩凝劑按照一定比例混合均勻，制成凝結時間可控和水化熱分二階段釋放的磷酸鉀鎂水泥。
[0022](2)在所配制的磷酸鉀鎂水泥中摻適量石灰石粉和粉煤灰，調節其組成結構和水摻量，得到低收縮、高早強、后期強度穩定增長和高粘結性的磷酸鉀鎂水泥基混凝土膠粘劑。
[0023](3)處理待粘結的普通硅酸鹽混凝土構件，保證達到規定的齡期、含水狀態、粘結面粗糙度和最小粘結厚度，用磷酸鉀鎂水泥基混凝土膠粘劑粘結混凝土構件。
[0024]根據圖1的工藝過程可將整個磷酸鉀鎂水泥基混凝土膠粘劑的制備和使用分為三個階段:第一階段為凝結時間可控的磷酸鉀鎂水泥的制備，第二階段為高性能磷酸鉀鎂水泥基混凝土膠粘劑的制備，第三階段為普通硅酸鹽混凝土構件的處理(齡期、含水狀態、粗糙度和最小粘結面厚度)和膠粘劑的使用。
[0025]實施例1:
[0026]取67質量份的死燒氧化鎂粉和33質量份的磷酸二氫鉀，外摻10質量份的復合緩凝劑(四硼酸鈉:十二水合磷酸氫二鈉:無機氯鹽質量比=2:6:3)配制凝結時間大于I小時的磷酸鉀鎂水泥。再取11質量份的石灰石粉、11質量份的粉煤灰和78質量份的磷酸鉀鎂水泥，外摻13質量份的自來水，使用NJ-160A水泥凈漿攪拌機慢速攪拌約2min使膠粘劑各組份拌和均勻，然后快速攪拌3~4min，得到磷酸鉀鎂水泥基混凝土膠粘劑衆體，成型30mmX30mmX30mm的抗壓強度試件、25mmX25mmX280mm的收縮變形試件和40mmX 40mmX 160mm的粘結抗折強度試件(取水化齡期大于28天的40mmX 40mmX 160的普通硅酸鹽水泥砂漿試件，從中間切開并磨平，使粘結面粗糙度為0，保持試件為氣干含水狀態，取粘結面間距為10mm，中間澆注膠粘劑漿體)，在自然空氣條件下養護到規定齡期，測試其性能見表1。
[0027]如圖2所示是本實施例制備的磷酸鉀鎂水泥及其所配制的混凝土膠粘劑在開始水化2500分鐘的溫度變化。由于使用了復合緩凝劑，磷酸鉀鎂水泥及其所配制的混凝土膠粘劑漿體的水化溫度曲線均有兩個溫度峰和一個休止期，且初始溫度峰值不超過40°C，表明水化反應過程中水化熱分二階段釋放；摻石灰石粉和粉煤灰使磷酸鉀鎂水泥基混凝土膠粘劑的第二溫度峰值明顯提高，表明早期水化程度提高。
[0028]在圖3中:磷酸鉀鎂水泥及其所配制的混凝土膠粘劑在水化60d內的收縮變形。與硅酸鹽水泥基材料比較(如硅酸鹽水泥砂漿的收縮應變為(30~50) X 10_4)，磷酸鉀鎂水泥及其所配制的混凝土膠粘劑的收縮變形降低了一個數量級。摻石灰石粉和粉煤灰使磷酸鉀鎂水泥基混凝土膠粘劑的收縮應變較磷酸鉀鎂水泥減少三分之一，體積穩定性明顯提聞。
[0029]在圖4中:磷酸鉀鎂水泥及其所配制的混凝土膠粘劑在水化60d內的強度發展，其中圖4(a)為抗壓強度，圖4(b)為與普通硅酸鹽水泥砂漿的粘結抗折強度。結果表明:磷酸鉀鎂水泥有較高的早期強度，但水化7天時抗壓強度倒縮，后又穩定增長；摻石灰石粉和粉煤灰使磷酸鉀鎂水泥基混凝土膠粘劑的各齡期強度高于磷酸鉀鎂水泥。
[0030]表1磷酸鉀鎂水泥基混凝土膠粘劑的強度和變形
【權利要求】
1.一種磷酸鉀鎂水泥基混凝土膠粘劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:步驟一:取50~70質量份的死燒氧化鎂粉作為堿性組份，30~50質量份的磷酸二氫鉀作為酸性組份，外摻6~10質量份的復合緩凝劑制備得到磷酸鉀鎂水泥，復合緩凝劑由四硼酸鈉、十二水合磷酸氫二鈉和無機氯鹽按照質量比2~4:4~8:2~5組成； 第二步驟:取5~15質量份的石灰石粉，10~20質量份的粉煤灰和70~85質量份的所述磷酸鉀鎂水泥制備磷酸鉀鎂水泥基膠粘劑。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，復合緩凝劑由四硼酸鈉、十二水合磷酸氫二鈉和無機氯鹽按照質量比2:6:3組成。
3.根據權利要求1或2所述的方 法制備的磷酸鉀鎂水泥基混凝土膠粘劑。
【文檔編號】C04B22/16GK103570265SQ201310393211
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年9月2日 優先權日:2013年9月2日
【發明者】楊建明, 李飛, 荀勇, 邵云霞 申請人:鹽城工學院, 江蘇青云建設集團有限公司