铝酸盐液体速凝剂母液合成试验研究

铝酸盐类液体母液在生产过程中由于生产条件和工艺参数选择不当, 可能会出现稳定性不好和凝结时间不合格等情况。目前, 喷射混凝土速凝剂正由高碱性向低碱或无碱速凝剂发展, 由性能单一的添加剂向具有优良性能的复合添加剂发展, 国内现在复合型液体速凝剂还非常缺乏, 复配体系不稳定, 或沉淀、或絮凝, 很难得到均一的体系, 致使施工性能和作用效果变差。对酸盐液体速凝剂母液和几种增效组分进行复配研究, 对实际工程应用具有重要意义。

1 铝酸盐液体速凝剂母液合成试验方案

(1) 制备铝酸钠溶液, 取NaOH和Al (OH) 3分别以不同的摩尔比 (以下用M R表示) 配料溶于水中, 将所得溶液分别在三口瓶中加热至不同温度并保持不同的恒温时间 (lh、2h、3h、4h) 进行反应。所得溶液在室温下静置2 4小时后, 用虹吸法将上面清液吸出, 测量剩余沉淀的重量, 并计算沉淀所占母液总量的百分含量。

(2) 将试验中吸出的各溶液按标准所规定的试验方法测试凝结时间。并参照标准规定确定产品等级。

(3) 选择最合适的原材料摩尔比、浓度、反应温度和时间, 在3 L的不锈钢反应釜中制备实验室母液。

2 铝酸盐液体速凝剂母液性能的影响因素分析

2.1 原材料摩尔比对铝酸盐液体速凝剂母液性能的影响

原材料摩尔比对母液稳定性的影响非常显著, 通过实验可知, 在相同浓度、相同反应温度和时间条件下, 母液NaOH/Al (OH) 3摩尔比越高, 稳定性越好 (沉淀量少) 。这是因为铝酸钠溶液的稳定性与溶液中N a2O和A 12O3的摩尔比有关。在其它条件相同时, 溶液中NaOH/AI (OH) 3的摩尔比越大, 稳定性越好。

在NaOH/Al (OH) 3摩尔比由1.2升至1.8的过程中, 初、终凝时间均由慢至快后又慢下来, 在M R=1.3和1.4处都符合标准。摩尔比大于1.4时凝结时间变长, 这是因为在浓度不变的情况下, 随摩尔比增大, 母液中A 1 O2-浓度减小的缘故。而摩尔比小于1.3时, 凝结时间也变长, 是因为在浓度相同时, 摩尔比越小, 溶液越不稳定, 析出沉淀量越多, 而析出的沉淀量是以三水铝石的形式析出的产物。因此溶液中A 1 O2-的真实浓度也是减小的, 故而凝结时间也变长。由摩尔比对母液性能的影响可知, 最合适的摩尔比应在1.3～1.5之间。

2.2 浓度对铝酸盐液体速凝剂母液性能的影响

当铝酸盐液体浓度由6 0%到7 0%逐渐增大时, 不同摩尔比的溶液都能使水泥净浆的初、终凝时间有不同程度的提前。在相同浓度下, 使用摩尔比为1.3的母液时, 凝结时间效果最优, 摩尔比为1.4的母液仅次之, 但两者差别并不大。母液浓度升高, 凝结时间提前, 也是因为母液中A 1 O2-的量随着母液浓度升高而增大的缘故。由浓度对母液性能的影响可知, 最合适的母液浓度应在60%～65%之间。

2.3 反应温度和时间对铝酸盐液体速凝剂母液性能的影响

通过实验所得数据, 在相同摩尔比、相同反应温度下, 反应时间对铝酸盐液体速凝剂的速凝效果影响不大, 如摩尔比为1.3, 反应温度为8 0℃时, 加热l h的溶液和加热3 h的溶液速凝效果相当, 初凝时间和终凝时间都仅差3 0秒钟。而反应温度的影响相对显著些。在相同摩尔比相同加热时间条件下, 随反应温度升高, 凝结时间都有不同程度的缩短。如摩尔比为1.3, 加热时间为lh时, 反应温度为100℃的溶液比80℃的溶液初凝时间提前了2分钟, 终凝时间提前了5分钟, 均符合标准。由反应温度和时间对母液性能的影响可知, 最合适的反应温度应在9 0℃～1 0 0℃之间, 最合适的反应时间应在2 h～3 h之间。

3 铝酸盐液体速凝剂有机复配

3.1 试验方案

(l) 先测试速凝剂母液对水泥凝结时间和强度的影响, 速凝剂母液的添加方式采用两种方式, 同掺:水泥加水拌合后立即添加速凝剂, 并开始计时;后掺:水泥加水拌合后1 5分钟再添加速凝剂, 并开始计时。

(2) 将速凝剂母液分别与聚丙烯酰胺的水溶液、三乙醇胺、重铬酸钾复配, 观察混和液的稳定性与均一程度, 并采用 (l) 中的两种添加方式, 参考标准分别测试其对水泥凝结时间和强度的影响。

3.2 速凝剂母液复配试验效果分析

3.2.1 速凝剂母液与聚丙烯酰胺的复配效果

聚丙烯酰胺是一种线性水溶性高分子, 水解的聚丙烯酰胺对电解质具有很好的稳定性, 所以可以与铝酸钠溶液形成均匀的体系。将一定量的部分水解的非离子型聚丙烯酰胺与铝酸盐液体速凝剂母液复配, 得到均一稳定的溶液体系。由于聚丙烯酰胺的增效作用, 使凝结时间较相同条件下有了一定程度的缩短。因此, 聚丙烯酰胺对速凝剂母液有增效作用。而聚丙烯酰胺的复配对强度的影响并不明显。当该溶液加入到水泥浆中, 聚丙烯酰胺分子相互联接, 吸附在两个或多个水泥粒子上起到架桥作用, 使浆体更容易形成远程凝聚结构, 这种吸附架桥作用使体系黏度增大, 使粒子间移动的阻力增加, 宏观上表现为极限剪切应力的升高。另外, 它参与粒子间液相膜空间网络的形成, 并与表面活性剂共同作用, 具有对水泥粒子的捕捉作用。因此, 聚丙烯酰胺协同速凝剂母液使初凝时间得以缩短。

3.2.2 速凝剂母液与三乙醇胺的复配效果

三乙醇胺为无色透明油状液体, 作为早强剂, 它具有掺量少、副作用小、低温早强作用明显, 而且有一定的后期增强作用的特点。将一定量的三乙醇胺与铝酸盐液体速凝剂母液复配, 得到均一稳定的溶液体系, 通过试验得出, 速凝剂母液复配三乙醇胺后, 使初终凝时间单一掺加母液有了大幅度的提前, 特别是后掺方式时, 凝结时间的缩短更为明显。但同掺方式时, l d强度对比率有一定的降低;而后掺方式时, l d强度对比率却有很大程度的提高, 2 8 d强度对比率也有所上升。这说明三乙醇胺对提高速凝剂母液的性能有重要的意义。

3.2.3 速凝剂母液与重铬酸钾的复配效果

通过试验得出, 重铬酸钾与速凝剂母液复配, 使凝结时间有了一定改善。这是因为阴、阳离子的性质和原子的大小起到了决定水化速率的作用。加入电解质, 提供了反扩散的离子。无论阳离子和阴离子, 都会对双电层有影啊。离子的电荷和原子的大小, 这两个因素都是很重要的, 荷电多、原子尺寸小的离子作用最大。凡能强烈的加速水化的离子, 均有利于压缩双电层, 因此可以促进胶态的水化硅酸钙形成, 但重铬酸钾与速凝剂母液的复配对强度对比率的贡献不明显。

3.2.4 速凝剂母液与三乙醇胺、聚丙烯酰胺双组分复配的效果

在上述的三种物质中, 三乙醇胺复配的作用效果最佳, 所以能与速凝剂母液协同增效。但单纯三乙醇胺的复配会导致l d强度对比率降低, 而且三乙醇胺价格很高, 还会增加速凝剂的碱性;而聚丙烯酰胺的水溶液价格低廉, 复配到速凝剂中不仅可以降低速凝剂的p H值, 还可以增加喷射混凝土粘聚性, 减少回弹量。所以, 使用三乙醇胺和聚丙烯酰胺两种组分按一定比例进行复配, 以得到价格低且作用效果较好的液体速凝剂是一种最佳选择。按该种方案进行试验, 双组分复配后, 凝结时间与复配三乙醇胺的结果相近, 但同掺方式时的l d强度对比率却提高了。既降低了成本, 减小了碱性 (pH值约为10) , 又改善了速凝剂的性能。综合考虑各种因素, 将铝酸盐液体速凝剂母液与三乙醇胺和聚丙烯酰胺双组分按一定比例复配的产品配方作为最后的最优化结果。

4 结语

(1) 铝酸盐液体速凝剂母液原材料的摩尔比对其性能的影响非常显著。摩尔比增大, 母液沉淀少, 稳定性好, 但会减少A 1 O2-的含量, 使凝结时间变长;摩尔比减小会增加母液中A 1 O2-的含量, 但又会导致母液稳定性变差, 易析出沉淀。

(2) 浓度对母液稳定性和凝结时间的影响也很明显, 浓度越高, 母液稳定性越好沉淀越少, 凝结时间越短;但增加浓度会导致成本增加和流动性降低。

(3) 反应时间对母液性能影响不大。反应温度对母液的影响较大。在相同条件下, 只有达到某一反应温度时, 母液才能获得较好的稳定性。如果达不到此温度, 即使延长反应时间, 也不会有太大作用。而且此温度和原材料摩尔比有关。

(4) 经过将速凝剂母液与各种不同组分进行复配, 找到了降低速凝剂成本、减小p H值、增强促凝效果的最优化方案, 即铝酸盐液体速凝剂母液与三乙醇胺和聚丙烯酰胺双组分按一定比例复配, 从而使铝酸钠液体速凝剂能更好地得以推广应用。

摘要：通过试验制备了研究所需的母液, 并对性能影响因素进行了详细的分析, 得出最佳合成参数。利用该种母液, 进行改善性能的有机复配, 不仅得到了均一稳定的体系, 而且降低了速凝剂的成本和碱性, 明显改善了铝酸盐液体速凝剂的适应性, 提高了速凝剂的综合性能。

关键词：铝酸盐,速凝剂,母液,复合型液体

参考文献

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