1.本发明涉及水泥外加剂技术领域，具体是一种提高水泥早强性能的方法。
背景技术：2.煤炭作为目前中国的主要能源之一，在经济发展中起着至关重要的作用， 矿井灾害频发严重影响了采煤工作的安全进行。随着我国对煤矿安全问题越来 越重视，解决瓦斯突出问题是煤矿安全生产的重中之重。钻孔抽采是瓦斯突出 的解决措施之一，瓦斯的抽采效率与封孔的好坏有着直接联系。水泥基封孔材 料是目前瓦斯抽采应用最广泛的封孔材料。但水泥基材料仍存在不足之处，尤 其表现在：矿井高温高湿的环境中封孔材料的凝结时间不稳定、后期封孔易开 裂、浆体流动性较差、抗压强度发展缓慢甚至无法达到工作规定标准，难以满 足日益增加的井下固水要求。目前，主要解决办法是在水泥基材料中添加早强 剂来改善上述缺陷，早强剂主要可以分无机、有机和复合早强剂三大类，其中 复合类早强剂是对各种早强剂组分的复合，以及早强剂组分与减水剂组分的复 合，得到比单一早强剂更好的改性效果
技术实现要素：3.本发明的目的在于提供一种提高水泥早强性能的方法，解决了上述技术问 题，本发明通过向水泥中加入适量的纳米氧化铝、amps以及硫酸锂能够改善水 泥内部结构致密度，提升水泥的力学性能，其早后期抗压强度都显著提高。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
5.一种提高水泥早强性能的方法，通过向水泥原料中混入三元复合早强剂及 聚羧酸减水剂，使混合后的水泥内部结构致密，增强水泥材料的早期性能。
6.以原料总重量为1计，所述三元复合早强剂的掺量组成：γ相纳米氧化铝 0.5％～2.5％、2-烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸0.15％和硫酸锂1％；所述聚羧酸减 水剂掺量为0.15％。
7.进一步地，提高水泥早强性能的具体操作方法：
8.s1、水泥原料称重，混合均匀后加入水匀速搅拌；
9.s2、再加入γ相纳米氧化铝、2-烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸、硫酸锂和 聚羧酸减水剂均匀搅拌制成水泥浆体试样；
10.s3、将水泥浆体注入模具，轻震荡模具并刮平上部表面；
11.s4、在恒温恒湿环境养护24h后脱模，将试块继续养护，达到所需龄期后 使用无水乙醇结束水化反应；
12.s5、干燥处理；
13.s6、对不同龄期的试块进行抗压强度测试及xrd、sem、tg-dsc测试。
14.进一步地，所述水泥原料选用po32.5普通硅酸盐水泥。
15.进一步地，所述s1中水灰比为0.4。
16.进一步地，所述s5中干燥温度为50℃。
17.本发明的有益效果：
18.本发明通过向水泥中加入适量的纳米氧化铝、amps以及硫酸锂能够改善水 泥内部结构致密度，提升水泥的力学性能，其早后期抗压强度都显著提高。
附图说明
19.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
20.图1是水泥试样水化期龄1d和3d的对照组和实验组的x射线衍射图；
21.图2是本发明sem分析图。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造 性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
23.1试验
24.1.1试验原料
25.试验原料包括：po32.5普通硅酸盐水泥；γ相纳米氧化铝；硫酸锂；2-烯 酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸(微米级amps)；聚羧酸减水剂(pc)。
26.1.2试验过程
27.试验水灰比固定为w/c＝0.4，使用精度为0.1g的天平称取相应重量的实验 材料，混合均匀后加入水匀速搅拌300s制成水泥试样。
28.将水泥浆体均匀快速注入涂抹脱模剂的70mm
×
70mm
×
70mm三联模具中，轻 微震荡模具减少浆体中气泡数量，并刮平上部表面。
29.在恒温恒湿的养护箱内养护24h后脱模，将试块继续养护，达到所需龄期 后使用无水乙醇结束水化反应，在温度为50℃的干燥箱中进行干燥处理。依据 《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》对不同龄期的试块进行抗压强度测试， 并对其进行xrd、sem、tg-dsc测试。
30.2结果与讨论
31.2.1纳米氧化铝的早期特性
32.2.1.1抗压强度分析
33.以添加0.15％聚羧酸减水剂pc试样作为空白组(1组)；以0.15％聚羧酸减 水剂pc为条件，分别掺入质量分数为0.5％，1％，1.5％，2％，2.5％纳米氧化铝的 试样作为实验组，即：0.15％pc+纳米氧化铝0.5％(2组)，0.15％pc+纳米氧化 铝1％(3组)，0.15％pc+纳米氧化铝1.5％(4组)，0.15％pc+纳米氧化铝2％(5 组)，0.15％pc+纳米氧化铝2.5％(6组)。如表1所示：
34.表1空白组、实验组抗压强度数据/mpa
[0035][0036]
从表1中的数据可以得出，实验组在水化早期抗压强度提升尤为显著。水 化时间为1d时，纳米氧化铝掺量分别为0.5％，1％，1.5％，2％，2.5％，与空白组 (1组)相比，其抗压强度分别提升了95.99％，136.72％，147.27％，175.25％， 217.22％。这是因为在混凝土中掺入纳米氧化铝材料，不但可以填充水泥的空隙， 更重要的是由于纳米矿粉的活性，使得纳米氧化铝与水泥浆体中的氢氧化钙进 一步反应，改善了混凝土中水泥浆体的结构和性能、水泥浆体与骨料的界面结 构和性能，从而提高了混凝土的强度、韧性、抗渗性和耐久性。
[0037]
纳米氧化铝掺量为1.5％时与空白组(1组)相比，在水泥水化的各个龄期 强度都有较大的提升，其1d，3d，7d强度为12.423，20.961，29.600mpa，分 别提升了147.27％，98.76％，56.01％。
[0038]
纳米氧化铝掺量为2％时与空白组(1组)相比，其1d，3d，7d强度为13.829， 21.504，30.416mpa，分别提升了175.26％，103.91％，60.31％。由分析可以看出， 随着纳米氧化铝的掺入，水泥试样不同龄期的抗压强度相较于空白组都有明显 提升。
[0039]
2.1.2流动度及凝结时间测试
[0040]
由表2数据可知，与空白组相比，纳米氧化铝的加入会在一定程度上降低 水泥式样的流动性，随着掺量的逐渐增多，流动性逐渐下降。当纳米氧化铝掺 量过大时，由于纳米粉颗粒粒径处于纳米级，极易发生团聚，给混凝土拌合工 艺技术造成困难，并会影响其流动度。
[0041]
由表2数据可以看出，与空白组相比，纳米氧化铝材料的添加缩短了水泥 材料的初、终凝时间，因为氧化铝材料加快了钙离子的吸附，促进g-s-h凝胶 的生成，因此在一定程度上缩减了浆体凝结时间。由此可知，纳米氧化铝材料 可减少水泥的凝结期，加快水泥硬化。
[0042]
表2水泥试样流动度及凝结时间的实验结果
[0043][0044]
根据上述抗压强度分析，已知水泥的强度随着氧化铝掺量的增加一直在增 加，结合其流动性和成本考虑得出氧化铝最优掺量为1.5％。
[0045]
2.2早强剂的递进叠加优化
[0046]
2.2.1抗压强度分析
[0047]
以0.15％pc+纳米氧化铝1.5％(a组)为对照组，以0.15％pc+纳米氧化铝 1.5％+amps 0.15％(b组)和0.15％pc+纳米氧化铝1.5％+amps 0.15％+硫酸锂1％ (c组)为实验组。如表3所示：
[0048]
表3各组抗压强度数据/mpa
[0049][0050]
由表3可以得出随着早强剂的递进叠加，1d，3d，7d的抗压强度都在增加。 添加0.15％amps相较于对照组其1d，3d，7d的抗压强度分别提升了27.98％， 34.48％，16.43％；添加0.15％amps和1％硫酸锂相较于对照组其1d，3d，7d的抗 压强度分别提升了46.47％，41.31％，19.51％。由此得出amps和硫酸锂在一定掺 量下有利于提高水泥的抗压强度，这是由于无机硫酸锂与有机组分共同作用， 促进了水泥早期水化产生的水化膜的破裂，加速水泥早期强度的提高。
[0051]
2.2.2 xrd分析
[0052]
图1分别是水泥试样水化期龄1d和3d的对照组和实验组的x射线衍射图。 从图1可以看出，水化期龄为1d时，3组的水化产物种类类似，在水化程度上 存在差异。相比于a组、b组的ch峰值较高，表明加入amps水化产物增多，其 原因是amps分子结构中具有不饱和双键和强阴离子性、强亲水性官能团磺酸基, 稳定-so
3-官能团对外界阳离子的进攻不敏感,使其具有良好的水溶性、抗盐性、 吸附性和络合性能,是聚合物降失水剂的主要单体之一。相比于a组和b组，c 组的ch峰值最高，表明水泥熟料中的c3s反应减少，硫酸锂的加入促进了水化 的进行，缩短了水泥诱导期并且水化反应提前进入到加速阶段，提高水泥中c3s 和c2s的低温水化能力。
[0053]
图1的3d期龄xrd图得出，水化反应已经进入稳定时期，锂盐早强剂有助 于水化产物晶体均匀、分散方式生长，有利于水化产物形成致密的微观结构， 并且，硫酸中的硫酸根离子可以加快水泥早期钙矾石形成，有利于胶砂早期强 度发展。
[0054]
2.2.3 sem分析
[0055]
通过对比图2对照组和最优组(0.15％pc+纳米氧化铝1.5％+amps0.15％+硫酸 锂1％)期龄为1d的电镜图可以看出，对照组的水泥试样内部结构松散，存在大 量的孔洞。最优组由于加入了amps和硫酸锂其水化产物较多，有较多的水化产 物ch和部分针棒状c-s-h凝胶，且内部结构致密，提高了水泥的早期强度。通 过对比图2对照组和最优组期龄为3d的电镜图可以看出，最优组的水泥内部结 构更加致密，能明显观察到存在大量的六方板状ch晶体、以及aft晶体，没有 发现明显的球状颗粒。而对照组仍存在部分未进行水化反应的球状水泥熟料并 且没有形成紧凑的结构。由此可知，纳米氧化铝、amps和硫酸锂的共同作用有 效提高了水泥材料的早期性能。
[0056]
通过对以纳米氧化铝为基进行三元复合的早强剂进行一系列的实验分析， 研究三元复合早强剂对水泥材料早期性能的影响，得出结论：向水泥中加入适 量的纳米氧化
铝、amps以及硫酸锂能够有效改善水泥的力学性能，其早后期抗 压强度都显著提高。当pc掺量为0.15％，纳米氧化铝掺量为1.5％，amps掺量为 0.15％，硫酸锂掺量为1％时，水泥早期强度提高最为显著。
[0057]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例
”ꢀ
等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含 于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表 述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或 者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0058]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业 的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中 描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明 还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
技术特征：1.一种提高水泥早强性能的方法，其特征在于，通过向水泥原料中混入三元复合早强剂及聚羧酸减水剂，使混合后的水泥内部结构致密，增强水泥材料的早期性能；以原料总重量为1计，所述三元复合早强剂的掺量组成：γ相纳米氧化铝0.5％～2.5％、2-烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸0.15％和硫酸锂1％；所述聚羧酸减水剂掺量为0.15％。2.根据权利要求1所述的一种提高水泥早强性能的方法，其特征在于，提高水泥早强性能的具体操作方法：s1、水泥原料称重，混合均匀后加入水匀速搅拌；s2、再加入γ相纳米氧化铝、2-烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸、硫酸锂和聚羧酸减水剂均匀搅拌制成水泥浆体试样；s3、将水泥浆体注入模具，轻震荡模具并刮平上部表面；s4、在恒温恒湿环境养护24h后脱模，将试块继续养护，达到所需龄期后使用无水乙醇结束水化反应；s5、干燥处理；s6、对不同龄期的试块进行抗压强度测试及xrd、sem、tg-dsc测试。3.根据权利要求2所述的一种提高水泥早强性能的方法，其特征在于，所述水泥原料选用po32.5普通硅酸盐水泥。4.根据权利要求2所述的一种提高水泥早强性能的方法，其特征在于，所述s1中水灰比为0.4。5.根据权利要求2所述的一种提高水泥早强性能的方法，其特征在于，所述s5中干燥温度为50℃。
技术总结本发明公开一种提高水泥早强性能的方法，通过向水泥原料中混入三元复合早强剂及聚羧酸减水剂，使混合后的水泥内部结构致密，增强水泥材料的早期性能，在纳米氧化铝单掺早强效果研究的基础上，将纳米氧化铝与AMPS和硫酸锂进行复配，纳米氧化铝、AMPS和硫酸锂复配能有效提高水泥的早强效果，且当复配早强剂的组成为PC0.15％，纳米氧化铝1.5％，AMPS0.15％，硫酸锂1％，水灰比为0.4时，使水泥早期强度提高最为显著。最为显著。最为显著。
技术研发人员：刘健 吉小利 杨涵 徐超 黄猛猛 苏双月 周爱晨 田婷 徐树炜
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：2022.02.11
技术公布日：2022/7/5
