一种水泥基灌浆砂浆的配方.pdf

本发明属于含冷磷酸盐黏结剂的砂浆组合物领域，一种水泥基灌浆砂浆的配方，包括凝胶材料、添加剂、水和砂，凝胶材料由硅酸盐水泥和磷渣构成，它们占凝胶材料的质量份数比如下：硅酸盐水泥：70~80份，磷渣：20~30份。本方案中采用磷渣作为活性掺合料替代部分水泥，一方面可以满足水泥基灌浆砂浆的高性能要求，另一方面可以降低水泥的成本，而且可以实现废磷渣的二次利用，十分环保，而为了解决磷渣缓凝作用与水泥基灌浆砂浆高早强之间的矛盾，通过实验得出磷渣的添加量占凝胶材料的20~30份时，砂浆能有较高的早期强度，为砂浆提供良好的可操作时间。

权利要求书
1.  一种水泥基灌浆砂浆的配方，包括凝胶材料、添加剂、水和砂，水与凝胶材料的比例即水胶比为0.26~0.28，凝胶材料与砂的比例即胶砂比为1/1~1/1.6，凝胶材料由普通硅酸盐水泥和磷渣构成，它们占凝胶材料的质量份数比如下：
硅酸盐水泥：70~80份，
磷渣：20~30份；
添加剂包括膨胀剂、减水剂、消泡剂、早强剂和增稠剂，它们分别占凝胶材料的质量份数比如下：
膨胀剂: 6~8份，
   减水剂：1份聚羧酸减水剂或氨基磺酸盐减水剂，
   消泡剂：0.2~0.6份的有机硅类消泡剂，
   早强剂：0.04~0.05份的三乙醇胺，
 增稠剂：0.025~0.05份的羟丙基甲基纤维素醚，粘度为100000毫帕·秒。

2.  根据权利要求1所述的一种水泥基灌浆砂浆的配方，其特征在于：普通硅酸盐水泥占凝胶材料的质量份数比为75份，磷渣占凝胶材料的质量份数比为25份；膨胀剂占凝胶材料的质量份数比为6份，聚羧酸系减水剂占凝胶材料的质量份数比为1份，消泡剂占凝胶材料的质量份数比0.4份，纤维素醚占凝胶材料的质量分数比0.025份，水胶比为0.26，胶砂比为1/1。

3.  根据权利要求1所述的一种水泥基灌浆砂浆的配方，其特征在于：所述磷渣均是通过晒干后经球磨机粉磨30min处理，密度为2.76g/cm3，平均粒径为29.932μm，比表面积为240.87m2/kg。

说明书一种水泥基灌浆砂浆的配方
技术领域
本发明属于含冷磷酸盐黏结剂的砂浆组合物领域。
背景技术
磷渣是在用电炉法制取黄磷时，所得到的以硅酸钙为主要成分的熔融物，经淬冷，即为粒化电炉磷渣，它的成分与矿渣成分相近，简称磷渣。通常每生产一吨黄磷大约产生8~10t磷渣，例如2002年中国的黄磷实际产量约69万吨，磷渣排出量约为560~700万吨。大量废渣的排放不仅浪费资源、占用耕地、污染环境，而且对环境的可持续发展造成极大障碍。
磷渣的主要成分是硅酸盐和铝酸盐玻璃体,玻璃体含量在85 %～90 % ,另外还含有少量细小晶体,结晶相中有假硅灰石、石英、方解石、氟化钙、硅酸二钙和硅酸三钙存在,因此磷渣具有一定矿物活性，可用于混凝土中作为矿物掺合料替代部分硅酸盐水泥，现有技术表明，掺入磷渣在降低水泥成本的同时能配置C30以上的混凝土。但磷渣具有缓凝作用，会降低混凝土的早期强度，因此在配制早期强度要求较高的混凝土时存在技术难题。
水泥基灌浆砂浆的成分与混凝土近似，大致由水泥、掺合料（细填料）、细集料（细骨料）、高效减水剂、保水剂、调凝剂、早强剂、膨胀剂和消泡剂等材料组成，要求具有较高的早期强度和后期强度（抗压强度1d≥22.0MPa,3d≥40.0MPa,28d≥70.0MPa），因此如果要使用磷渣来作为掺合料，就需要克服具有缓凝作用的磷渣配置水泥基灌浆砂浆时，无法满足灌浆砂浆所要求的较高早期强度（简称早强）的问题。
发明内容
本发明意在提供一种具有较高早期强度和后期强度，成本较低且能实现磷渣的二次利用的水泥基灌浆砂浆。
本发明的目的可以通过以下措施来达到：一种水泥基灌浆砂浆的配方，包括凝胶材料、添加剂、水和砂，水与凝胶材料的比例即水胶比为0.26~0.28，凝胶材料与砂的比例即胶砂比为1/1~1/1.6，凝胶材料由硅酸盐水泥和磷渣构成，它们占凝胶材料的质量份数比如下：
普通硅酸盐水泥：70~80份，
磷渣：20~30份；
添加剂包括膨胀剂、减水剂、消泡剂、早强剂和增稠剂，它们分别占凝胶材料的质量份数比如下：
膨胀剂: 6~8份，
减水剂：1份聚羧酸减水剂或氨基磺酸盐减水剂，
  消泡剂：0.2~0.6份的有机硅类消泡剂，
早强剂：0.04~0.05份的三乙醇胺，
增稠剂：0.025~0.05份的羟丙基甲基纤维素醚，粘度为100000毫帕·秒。
上述技术方案与现有技术的区别在于：传统的水泥基灌浆砂浆的掺合料一般选用天然火山灰，硅灰，粒化高炉矿渣和粉煤灰等，而本方案中采用磷渣作为活性掺合料替代部分水泥，一方面可以满足水泥基灌浆砂浆的高性能要求，另一方面可以降低水泥的成本，而且可以实现废磷渣的二次利用，十分环保，而为了解决磷渣缓凝作用与水泥基灌浆砂浆高早强之间的矛盾，通过实验得出磷渣的添加量占凝胶材料的20~30份时，砂浆能有较高的早期强度，为砂浆提供良好的可操作时间。
进一步地，普通硅酸盐水泥占凝胶材料的质量份数比为75份，磷渣占凝胶材料的质量份数比为25份；膨胀剂占凝胶材料的质量份数比为6份，聚羧酸系减水剂占凝胶材料的质量份数比为1份，消泡剂占凝胶材料的质量份数比0.4份，纤维素醚占凝胶材料的质量分数比为0.025份，水胶比为0.26，胶砂比为1/1，这是经过配合比正交试验后，得出最佳的水泥基灌浆砂浆的配方。
进一步地，磷渣均是通过晒干后经球磨机粉磨30min处理，密度为2.76g/ cm3，平均粒径为29.932μm，比表面积为240.87m2/kg。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明一种水泥基灌浆砂浆的配方作进一步详细的说明：
图1为本发明实施例中为加入化学外加剂时磷渣的掺量范围对砂浆强度影响的示意图；
图2为本发明实施例中磷渣掺量对砂浆流动性的影响的示意图；
图3为本发明实施例中磷渣掺量对砂浆初凝时间的影响的示意图；
图4为本发明实施例中磷渣粒径的分布图；
图5为本发明实施例中配合比优化实验的正交试验因素水平表；
图6为本发明实施例中配合比优化实验的正交试验配比表；
图7为本发明实施例中配合比优化实验的正交试验设计与结果表1；
图8为本发明实施例中配合比优化实验的正交试验设计与结果表2；
图9为本发明实施例中配合比优化实验的正交试验结果分析表；
图10为本发明实施例中配合比优化实验的正交试验结果分析表；
图11为本发明实施例中配合比优化实验得出的灌浆砂浆优化配合比表。
具体实施方式
本发明一种水泥基灌浆砂浆的配方，包括凝胶材料、添加剂、水和砂，水与凝胶材料的比例即水胶比为0.26~0.28，凝胶材料与砂的比例即胶砂比为1/1~1/1.6。凝胶材料由普通硅酸盐水泥和磷渣构成，它们占凝胶材料的质量份数比如下：硅酸盐水泥：70~80份，磷渣：20~30份。
添加剂包括膨胀剂、减水剂、消泡剂、早强剂和增稠剂，它们分别占凝胶材料的质量份数比如下：膨胀剂: 6~8份，减水剂：1份聚羧酸减水剂或氨基磺酸盐减水剂，消泡剂：0.2~0.6份的有机硅类消泡剂，早强剂：0.04~0.05份的三乙醇胺，增稠剂：0.025~0.05份的羟丙基甲基纤维素醚，粘度为100000毫帕·秒。
上述配比中磷渣含量范围通过实验测得，该试验通过改变磷渣掺量研究其对灌浆料性能影响来确定磷渣的最佳掺量范围，主要以灌浆砂浆的流动度、抗压强度和凝结时间作为考察指标。试验在基准配合比的基础上，研究在相同的水胶比(0.31/1)、胶砂比(1/1)及减水剂掺量（减水剂掺量为1.0%）的条件下，磷渣掺量占凝胶材料的质量份数分别为10份、15份、20份、25份、30份、35份时灌浆砂浆的工作性能和力学性能，试验结果见图1、图2和图3。
从图1中可以看出，磷渣掺入后，砂浆的1d、3d强度明显低于基准组，且随着磷渣掺量的增加，强度逐渐下降。当磷渣掺量在20份时，砂浆的1d、3d抗压强度分别为23.3MPa和33.5MPa，与基准组相比强度下降了33.8%和24.4%。当磷渣掺量为35份时，由于砂浆块1d强度过低出现无法脱模的现象。28d龄期时，掺有磷渣的组分强度均发展上来，接近基准组的强度，其中掺量为10份与15份的组强度超过基准组。随着水化反应的进行，到28d时部分磷渣颗粒边缘在受到水泥水化产物氢氧化钙的侵蚀作用后开始参与水化，生成C-S-H凝胶和结晶较小的氢氧化钙晶体，使结构致密，强度提高。当磷渣掺量过高时，砂浆的强度降低。砂浆中水泥熟料的减少，使整个体系中水化产物减少，磷渣参与水化反应的时间较晚，影响砂浆的后期强度。当磷渣掺量为35份时，砂浆28d强度只有46.8MPa，强度较基准组降低27.7份。为了使砂浆能有较好的强度发展，磷渣的掺量不宜超过30份。
由图2可以看出，当砂浆中未掺有磷渣时，砂浆的初始扩展度仅为265mm，30min扩展度为235mm，扩展度减小11.3%。随着磷渣掺量的增加，砂浆的流动性增大。当磷渣掺量在20%时，砂浆的初始扩展度为305mm，砂浆的流动性能良好，比未掺磷渣时增加了40mm，并且砂浆30min后流动性保持良好，流动性损失较小。
从图3可以看出磷渣掺量的增加，砂浆的凝结时间延长。这说明磷渣具有很强的缓凝作用，磷渣掺量的增加缓凝效果更明显。砂浆中未掺磷渣时，砂浆的初凝时间为248min，当磷渣掺量为20份时，砂浆的初凝时间为318min，延长了70min。不少专家学者对磷渣对硅酸盐水泥的缓凝作用进行了研究，目前存在三种解释。一般来说，在硅酸盐水泥中掺入磷渣后，其凝结时间随磷渣中P2O5含量的增大而延长。当磷渣掺量为35份时，砂浆的初凝时间为428min，初凝时间的延长虽然为砂浆提供了一定的可操作时间，但影响了砂浆早期强度的发展。为了使砂浆能有较高的早期强度，以及为砂浆提供良好的可操作时间，磷渣的掺量范围应该控制在20份~30份之间。
综合考虑砂浆的流动性、强度发展及初凝时间，在此配合比下磷渣的最佳掺量为20份。考虑到配制参数及化学外加剂对砂浆的性能有很大的影响，以及尽量的扩大磷渣的使用量，磷渣的掺量范围控制在20份~30份之间。
本发明中磷渣均是通过晒干后经球磨机粉磨30min处理，密度为2.76g/ cm3，平均粒径为29.932μm，比表面积为240.87m2/kg，粒径分布如图4示。
本实施中配方中经过灌浆砂浆的配合比优化实验，得到最优方案为：硅酸盐水泥占凝胶材料的质量份数比为75份，磷渣占凝胶材料的质量份数比为25份，膨胀剂占凝胶材料的质量份数比为6%，聚羧酸系减水剂占凝胶材料的质量份数比为1.0%，消泡剂占凝胶材料的质量份数比为0.4%，纤维素醚占凝胶材料的质量份数比为0.025%，该配方中胶砂比范围控制水胶比为0.26，胶砂比控制在1/1。
配合比优化实验的步骤如下：试验选取了磷渣掺量、膨胀剂掺量和水胶比作为正交试验的因素，正交试验因素水平表见图5，正交试验的配合比表见图6。根据正交表安排正交试验，试验结果见图7和图8。正交试验结果分析时，分别计算每个因素在各个水平上的考察指标和K及平均值E，并计算各因素的极差R，计算处最优配比方案的结果，结果分析见图9和图10。
根据试验结果及图9与图10分析结果可以得出：从极差R和K值、E值大小看出，影响砂浆初始流动性的因素主、次顺序是A>C>B，并且各因素较好的水平是因素A取水平A3或A2，因素C取水平C1或C2，因素B的三个水平相差无几。同理，影响砂浆30min后砂浆流动性的因素主、次顺序是C>A>B，并且各因素较好的水平是因素C取水平C1或C2，因素A取水平A3或A2，因素B的三个水平相差不大。影响灌浆砂浆1d强度的因素主、次顺序是B>A>C，并且各因素较好的水平是因素B取水平B1或B2，因素A取水平A1或A2，因素C的三个水平影响相差不是很大。影响灌浆料3d强度的因素主、次顺序是A>B>C，并且各因素较好的水平是因素A取水平A1或A2，因素B取水平B1或B2，因素C的三个水平相差无几。影响灌浆料28d强度的因素主、次顺序是A=B>C，并且各因素较好的水平是因素A取水平A1或A2，因素B取水平B1或B2，因素C的三个水平对后期强度影响相差无几。
对灌浆砂浆的钢筋握裹力影响因素的主、次顺序依次是B>A>C，其中因素B中水平B1或B2较好，因素A中水平A1或A2较好，因素C中的三个水平对灌浆砂浆的钢筋握裹力的影响相差不多。影响灌浆料初凝时间的因素主、次顺序是B>A>C，且各因素中因素B的水平B3或B2较好，因素A中的水平A3或A2较好，因素C中的三个水平对砂浆初凝时间影响相差不大。对灌浆砂浆的竖向限制膨胀率影响的因素主要是C，A与B因素对砂浆的竖向限制膨胀率影响相差不大，其中C因素中水平较好的是C3或者C2。影响灌浆料泌水率的因素主、次顺序是A>C>B，其中各因素中较好的水平是因素A中取A1或A2，因素C中取C3或C2，因素B中各水平对泌水率的影响相差较小。
由上述分析可以得出：因素A对灌浆砂浆的初始流动性能、强度和泌水率影响较大，其中对强度和泌水性较好的水平为A1、A2，对灌浆料初始流动性较好的水平为A3、A2；因素B对灌浆料的早期强度、钢筋握裹力及初凝时间影响较大其中对早期强度和钢筋握裹力较好的水平为B1、B2，初凝时间较晚的因素为B3、B2；因素C对灌浆料的30min后流动性和竖向限制膨胀率影响最大，且使灌浆料30min后流动性好的水平为C1、C2，使灌浆砂浆竖向限制膨胀率较大的水平为C3、C2,。综合上述分析，平衡各因素对不同指标的影响，最佳试验条件为A1B2C2。通过正交试验确实灌浆砂浆的优化后验配合比见图11。
以上所述仅为本发明较佳实施例的详细说明，并非用来限制本发明，凡依本发明的创作精神所作的类似变化的实施例，皆应包含于本发明的保护范围之中。