基于铝水泥的多组分无机胶囊锚固系统

技术领域

本发明涉及一种用于将锚固件和后安装钢筋化学紧固在矿物基质中的多组分无机胶囊锚固系统，其包含可固化的粉末状铝水泥组分A和在水相中用于引发固化过程的引发剂组分B，其中所述粉末状铝水泥组分A是基于粉末状铝酸钙水泥的铝水泥组分，并且其中组分B包含加速剂成分和水。此外，本发明涉及一种使用所述多组分无机胶囊锚固系统来将锚固构件，优选地金属锚固件和后安装钢筋化学紧固在矿物基质中的方法，所述矿物基质例如由砖砌、混凝土、透水混凝土或天然石材制成的结构。

背景技术

存在许多砂浆系统，其能够将锚固件和后安装钢筋很好地化学紧固在矿物基质或表面中。已经开发出主要基于铝水泥的矿物系统。铝水泥以铝酸一钙为主要成分，并且由于其最终产品在较长时间段内显示出高水平的机械性能，因此广泛地用于建筑和施工行业。另外，铝水泥耐碱，并且比波特兰水泥(Portland cement)更快地达到其最大强度，并且能够耐受硫酸盐溶液。因此，在化学锚固领域中优选采用铝水泥系统。

当提及将锚固件和后安装钢筋化学紧固在矿物基质中时，对于所得锚固组合系统的大多数实际应用来说，大多数已知系统缺乏足够的流动性。此外，存在液体系统或浆料形式的系统，在将其引入井眼之前必须混合，这使得应用变得困难，特别是对于塔顶或水下应用而言，因为液体砂浆可能会从井眼中滴落或因周围的水或潮湿而液化。通常，这类现有技术组合系统在相对短的时间内也显现出开裂的趋势，或者尤其在某些条件下(如在高温的影响下)，在不同条件的井眼中以及在长时间段内不表现出所需的机械性能。此外，当已知系统应用于井眼中时往往显现出很大程度的收缩，这导致锚固件和后安装钢筋的不充分锚固。

因此，需要一种无机胶囊锚固系统，优选多组分无机胶囊锚固系统，其优于现有技术系统。确切地说，令人感兴趣的是提供一种系统，所述系统可用于将锚固件和后安装钢筋化学紧固在矿物基质中，而不会不利地影响化学锚固系统的处理特性和机械性能，尤其对于塔顶应用、水下应用。特别地，需要一种与已知系统相比提供增加的载荷值的系统。另外，需要通过添加填料或如无机类材料的颗粒材料来改善载荷值，以降低更昂贵的粘合剂材料的消耗或改善混合材料的一些特性。

鉴于以上所述，本发明的目的是提供一种无机胶囊锚固系统，优选地多组分无机胶囊锚固系统，特别是双组分无机胶囊锚固系统，其与已知的系统相比，在长时间段内还具有优异的机械性能，并且同时具有增加的载荷值，并且特别是其在井眼内、塔顶应用和水下的直接应用方面具有优势。

此外，本发明的目的是提供一种使用这一无机胶囊锚固系统来将锚固构件，优选地金属锚固件和后安装钢筋化学紧固在矿物基质中的方法，所述矿物基质例如由砖砌、混凝土、透水混凝土或天然石材制成的结构。

确保对本发明描述后变得显而易见的这些和其它目的通过如独立权利要求中所述的本发明得以解决。从属权利要求涉及优选实施例。

发明内容

在一个方面，本发明涉及一种多组分无机胶囊锚固系统，其包含可固化的粉末状铝水泥组分A和在水相中用于引发固化过程的引发剂组分B，其中所述粉末状铝水泥组分A是基于粉末状铝酸钙水泥的铝水泥组分，并且其中组分B包含加速剂成分和水。这一提供的呈胶囊形式的系统用于将锚固构件化学紧固在矿物基质中。

在另一方面，本发明涉及一种用于将锚固件和后安装钢筋化学紧固在矿物基质中的方法，其特征在于使用多组分无机胶囊锚固系统进行紧固，所述多组分无机胶囊锚固系统包含可固化的粉末状铝水泥组分A和用于引发固化过程的引发剂组分B，其中所述粉末状铝水泥组分A是基于粉末状铝酸钙水泥的铝水泥组分，并且其中组分B包含加速剂成分和水。所述矿物基质是如由砖砌、混凝土、透水混凝土或天然石材制成的结构的基质。

具体实施方式

在本发明的上下文中将使用以下术语和定义：

如在本发明的上下文中所使用，除非上下文另外明确指出，否则单数形式的“一个(a/an)”还包括相应的复数。因此，除非另外指出，否则术语“一个(a/an)”旨在表示“一个或多个”或“至少一个”。

在本发明的上下文中，术语“铝水泥”是指主要由水硬性活性铝酸钙组成的铝酸钙水泥。替代名称是“高铝水泥”或法文的“熔融水泥(Ciment fondu)”。铝酸钙水泥的主要活性成分是铝酸一钙(CaAl

在本发明的上下文中，术语“引发剂”或“引发剂组分”是指改变化学环境以开始特定化学反应的化合物或组合物。在本发明中，引发剂在最终混合物中开始固化过程。

在本发明的上下文中，术语“加速剂成分”是指加速最终混合物的固化以实现更快的凝固时间的化合物或化合物的混合物。

本发明人已出乎意料地发现，根据本发明的无机胶囊锚固系统是用于将锚固件和后安装钢筋化学紧固在矿物基质中的易于处理的即用系统，尤其在长时间段内应用并且应用于塔顶时，所述无机胶囊锚固系统包含基于铝酸钙水泥的可固化的粉末状铝水泥组分和引发剂组分B。此外，此无机胶囊锚固系统特别适用于水下应用，例如适用于石油钻机的安装。

此外，已发现，本发明的多组分无机胶囊锚固系统，特别是双组分无机胶囊锚固系统，允许直接在井眼内容易地应用和紧固，而不必在将组分引入井眼之前使其预混合。当例如应用于水下时，通过将锚固杆引入井眼中来使所插入的胶囊的组分混合，将包围胶囊的水排出，并且使锚固杆得以紧固。

因此，本发明涉及一种多组分无机胶囊锚固系统，其包含可固化的粉末状铝水泥组分A和在水相中用于引发固化过程的引发剂组分B，其中所述粉末状铝水泥组分A是基于粉末状铝酸钙水泥的铝水泥组分，并且其中组分B包含加速剂成分和水。

本发明中使用的组分A是基于铝水泥(CA)或硫铝酸钙水泥(CAS)的。可用于本发明中的铝水泥组分优选为基于粉末状铝酸钙水泥(CAC)的铝水泥组分。用于本发明中的铝水泥的特征在于快速凝固和快速硬化、快速干燥、优异的耐腐蚀性和收缩性。适合用于本发明中的这类铝酸钙水泥是例如

如果组分A包含铝水泥(CAC)和硫酸钙(CaSO

按组分A的总重量计，用于本发明的组分A包含至少约20重量％、优选至少约40重量％、更优选至少约60重量％、最优选至少约70重量％、约20重量％到约100重量％、优选约40重量％到约85重量％、更优选约60重量％到约80重量％、最优选约70重量％到约80重量％的铝水泥。

根据本发明的替代实施例，所使用的组分A包含按组分A的总重量计至少约20重量％、优选至少约30重量％、更优选至少约40重量％、最优选至少约50重量％、约20重量％到约80重量％、优选约30重量％到约70重量％、更优选约35重量％到约60重量％、最优选约40重量％到约55重量％的铝水泥和按组分A的总重量计至少约5重量％、优选至少约10重量％、更优选至少约15重量％、最优选至少约20重量％、约1重量％到约50重量％、优选约5重量％到约40重量％、更优选约10重量％到约30重量％、最优选约15重量％到约25重量％的硫酸钙，优选半水合硫酸钙。在本发明的多组分无机胶囊锚固系统的优选替代实施例中，组分A的CaSO

组分A可以另外包含矿物填料。根据本发明的包含于组分A中的矿物填料选自由以下组成的群组：石灰石填料、砂、碎石、砾石、小卵石和其混合物，优选的是石灰石填料、粗石英、石英粉末(优选平均粒径(d50％)约为16μm的石英粉末)、石英砂、粘土、粉煤灰、气相法二氧化硅、碳酸盐化合物(如各种碳酸钙)、氧化铝、颜料、氧化钛、轻质填料、刚玉和其混合物。合适的矿物填料是可商购获得的产品。示例性地提及的是石英粉末Millisil W12或W6(德国廓兹微克公司(Quarzwerke GmbH,Germany))、石英砂F32(德国廓兹微克公司)或如

可以根据本发明使用的矿物填料包含在多组分无机胶囊锚固系统的粉末状铝水泥组分A中。当多组分无机胶囊锚固系统呈双组分无机胶囊锚固系统的形式时，添加矿物填料降低了更昂贵的粘合剂材料的消耗，并改善了混合材料的一些特性，导致载荷值增加，并且可容易地在塔顶和水下应用中使用。

在一个有利的实施例中，本发明中所使用的组分A可进一步包含以下单独或组合存在的特征。

组分A可进一步包含呈粉末形式的抗菌剂或杀生物剂。可用于本发明的抗菌剂或杀生物剂可选自由异噻唑啉酮家族的化合物组成的群组，如甲基异噻唑啉酮(MIT)、辛基异噻唑啉酮(OIT)和苯并异噻唑啉酮(BIT)和其混合物。

组分A可另外包含呈粉末形式的增稠剂。可用于本发明中的增稠剂可选自由以下组成的群组：有机产品，如黄原胶、威兰胶(welan gum)或

组分A还可另外包含呈粉末形式的增塑剂。包含于组分A中的增塑剂可选自由以下组成的群组：低分子量(LMW)聚丙烯酸聚合物；缩聚物，例如磺化的三聚氰胺甲醛、木质素磺酸盐、酪蛋白；来自聚环氧乙烷聚膦酸酯和聚环氧乙烷聚碳酸酯家族的超增塑剂和来自聚羧酸酯醚家族的超增塑剂，以及其混合物，例如Ethacryl

同样，组分A可包含呈粉末形式的分散剂。

呈粉末形式的矿物填料、抗菌剂或杀生物剂、增塑剂、增稠剂和/或分散剂的存在不会改变水泥质组分A的总体无机性质。

本发明中所使用的组分B包含加速剂成分和水。

加速剂成分包含选自由以下组成的群组的至少一种碱金属和/或碱土金属盐：氢氧化物、氯化物、硫酸盐、磷酸盐、磷酸一氢盐、磷酸二氢盐、硝酸盐、碳酸盐和其混合物，优选地，加速剂组分是碱金属或碱土金属盐，再优选地为水溶性碱金属或碱土金属盐，更优选地为钙金属盐，如氢氧化钙、硫酸钙、碳酸钙、氯化钙、甲酸钙或磷酸钙；钠金属盐，如氢氧化钠、硫酸钠、碳酸钠、氯化钠、甲酸钠或磷酸钠；或锂金属盐，如氢氧化锂、硫酸锂、一水合硫酸锂、碳酸锂、氯化锂、甲酸锂、柠檬酸锂或磷酸锂，最优选地为硫酸锂或一水合硫酸锂或其混合物。按组分B的总重量计，组分B包含至少约0.01重量％、优选至少约0.05重量％、更优选至少约0.1重量％、最优选至少约1.0重量％、约0.01重量％到约30重量％、优选约0.05重量％到约20重量％、更优选约0.1重量％到约15重量％、最优选约1.0重量％到约13重量％的所述加速剂。

组分B可进一步包含呈液体形式的缓凝剂、增塑剂和/或如碳酸锂的碳酸盐源。

包含于本发明的组分B中的缓凝剂选自由以下组成的群组：柠檬酸、酒石酸、乳酸、水杨酸、葡萄糖酸和其混合物，优选为柠檬酸和酒石酸的混合物。按组分B的总重量计，组分B包含至少约0.1重量％、优选至少约0.2重量％、更优选至少约0.5重量％、最优选至少约1.0重量％、约0.1重量％到约25重量％、优选约0.2重量％到约15重量％、更优选约0.5重量％到约15重量％、最优选约1.0重量％到约10重量％的所述缓凝剂。

包含于本发明的组分B中的增塑剂选自由以下组成的群组：低分子量(LMW)聚丙烯酸聚合物；缩聚物，例如磺化的三聚氰胺甲醛、木质素磺酸盐、酪蛋白；来自聚环氧乙烷聚膦酸酯和聚环氧乙烷聚碳酸酯家族的超增塑剂和来自聚羧酸酯醚家族的超增塑剂，以及其混合物，例如Ethacryl

组分B可另外包含增稠剂。用于本发明的增稠剂可选自由以下组成的群组：膨润土、二氧化硅、石英、基于丙烯酸酯的增稠剂，如碱溶性或碱溶胀性乳液、气相法二氧化硅、粘土和钛酸盐螯合剂。示例性地提及的是聚乙烯醇(PVA)、经疏水改性的碱溶性乳液(HASE)、本领域中已知为HEUR的经疏水改性的环氧乙烷氨基甲酸酯聚合物，以及纤维素增稠剂，如羟甲基纤维素(HMC)、羟乙基纤维素(HEC)、经疏水性改性的羟乙基纤维素(HMHEC)、羧甲基纤维素钠(SCMC)、羧甲基2-羟乙基纤维素钠、2-羟丙基甲基纤维素、2-羟乙基甲基纤维素、2-羟丁基甲基纤维素、2-羟乙基乙基纤维素、2-羟丙基纤维素；凹凸棒石粘土(attapulgite clay)，以及其混合物。合适的增稠剂是可商购获得的产品，如Optigel WX(德国毕克化学(BYK-Chemie GmbH,Germany)、Rheolate 1(德国海名斯(Elementis GmbH,Germany))和Acrysol ASE-60(陶氏化学公司(The Dow Chemical Company))。按组分B的总重量计，组分B包含至少约0.01重量％、优选至少约0.05重量％、更优选至少约0.1重量％、最优选至少约0.2重量％、约0.01重量％到约15重量％、优选地约0.05重量％到约10重量％、更优选地约0.1重量％到约5重量％、最优选地约0.2重量％到约1重量％的所述增稠剂。

呈液体形式的缓凝剂、增塑剂、增稠剂和/或碳酸盐源的存在不会改变组分B的总体无机性质。

组分B以水相存在，优选以液体形式存在。在替代实施例中，组分B也可以浆料或糊料的形式存在。

组分A与组分B的重量比(A/B)优先包含在7/1与1/3之间，优选为3/1。优选地，混合物的组合物包含75重量％的组分A和25重量％的组分B。在替代实施例中，混合物的组合物包含25重量％的组分A和75重量％的组分B。

在一个特定优选实施例中，组分A包含以下组分或由以下组分组成：50重量％到100重量％的铝酸钙水泥，

任选地10重量％到50重量％的矿物填料，如碳酸钙。

在一个特定优选实施例中，组分B包含以下组分或由以下组分组成：

0.1重量％到20重量％的硫酸锂，

1重量％到10重量％的增塑剂，和

70重量％到99重量％的水。

优选地，多组分无机胶囊锚固系统的初始凝固时间为至少5分钟、优选地至少10分钟、更优选地至少15分钟、最优选地至少20分钟，将两种组分A和B混合之后，凝固时间尤其在约5分钟到25分钟范围内、优选在约10到20分钟范围内。

在多组分无机胶囊锚固系统中，尤其在双组分无机胶囊锚固系统中，水泥质组分A与组分B的体积比为1:1到7:1，优选为3:1。在替代实施例中，水泥质组分A与组分B的体积比为1:3到1:2。

多组分无机胶囊锚固系统优选是即用系统，其中组分A和B在多腔室装置中，如多腔室筒、多腔室圆筒和/或多腔室胶囊，优选地双组分胶囊。确切地说，双组分无机胶囊锚固系统包括两个用于分离可固化组分A和引发剂组分B的箔袋。在替代实施例中，双组分无机胶囊由玻璃或纸制成。双组分无机胶囊也可以称为双胶囊、双箔或双玻璃。通过将无机锚固系统插入井眼中，引入锚固装置，从而直接在井眼内破坏胶囊和混合组分A和B以准备好设置并化学紧固锚固构件，来将胶囊的内容物混合在一起。

确切地说，多组分无机胶囊锚固系统被视为用于将金属锚固件和后安装钢筋(例如锚固杆，特别是螺纹杆、螺栓、钢加强杆等)紧固在矿物基质(如由砖砌、混凝土、透水混凝土或天然石材制成的结构)中的化学锚固件。确切地说，多组分无机胶囊锚固系统可用于将锚固构件(如金属锚固件和后安装钢筋)化学紧固在矿物基质(如由砖砌、混凝土、透水混凝土或天然石材制成的结构)中。优选地，多组分无机胶囊锚固系统用于将锚固杆紧固在井眼中。

此外，多组分无机胶囊锚固系统可用于连接纤维、稀松布、织物或复合物(特别是高模量纤维、优选碳纤维)，特别是用于加固建筑结构(例如墙壁或天花板或地板)，或进一步用于将如板或块(例如由石头、玻璃或塑料制成)的组件安装在建筑或结构元件上。但是，确切地说，其用于将锚固构件、优选地金属锚固件和后安装钢筋(例如锚固杆，特别是螺纹杆、螺栓、钢加强杆等)紧固在矿物基质(如由砖砌、混凝土、透水混凝土或天然石材制成的结构)的凹口(如井眼)中，从而例如通过破坏胶囊或塑料/薄膜袋而使多组分无机胶囊锚固系统的组分混合。

本发明的多组分无机胶囊锚固系统优选地单独含于两腔室胶囊中以抑制反应，并且可以在使用条件下使其反应。此外，组分A和组分B彼此分开产生，因此一种组分通常含有可固化的粉末状铝水泥，而另一种组分含有包括加速剂成分和水的引发剂组分B。填料以及其余组分可含于一种或还有另一种组分中。

存在本发明的多组分无机胶囊锚固系统的两腔室和多腔室系统尤其包括玻璃、塑料、塑料片或陶瓷的筒，在其内部可固化组分通过壁与引发剂组分保持分开，所述壁可被破坏。这类筒或胶囊系统被放置在井眼中。为了引发固化反应，例如通过将锚固构件(如连杆)驱动到包括其中所含的分隔物的筒或胶囊中，来破坏所述筒或胶囊。

以下实例说明本发明，而非由此限制本发明。

1.比较无机胶囊锚固系统

仅存在已知的单组分胶囊系统，必须将其浸入水中以准备好使用其内容物进行化学紧固。这些单组分胶囊系统不适合于塔顶和水下应用，因为其不易处理和分配。这些单组分系统例如为Cemeforce(日本住友大阪水泥株式會社(Sumitomo Osaka Cement Co.Ltd.,Japan))或来自加拿大Ambex Concrete Repair Solutions的Ambex系统。

本发明的无机胶囊锚固系统的制备

通过分别混合表1和2中所指定的成分而首先产生本发明的实例1和2的粉末状水泥质组分A以及液体引发剂组分B。所给出的比例以重量％表示。

表1：粉末组分A的组成

Ternal

Omyacarb 130AL由瑞士欧米亚国际公司(Omya International AG,Switzerland)市售

组分B的典型混合方案如下：在搅拌板上将一水合硫酸锂溶解在去离子水中，并在500rpm下将其充分均质化；最后在搅拌的同时添加增塑剂，并在500rpm下持续均质5分钟。

表2：液体组分B的组成

一水合硫酸锂由德国阿法埃莎公司(Alfa Aesar GmbH&Co.KG,Germany)市售Visco Crete 2520由德国Sika Deutschland公司市售

2.机械性能的测定

在单独地产生后，将粉末状水泥质组分A和引发剂组分B在高速混合器中混合。所有样品都以0.3的恒定w/c比混合。将混合物浇铸到直径为12mm、锚固深度为32mm和底切为0.33mm的不锈钢套筒井眼中。填充后立即将长度为100mm的M8螺纹锚固杆引入井眼中。通过使用用于测试材料“Zwick Roell Z050”(德国乌尔姆(Ulm,Germany)的Zwick公司)的装置，来在固化24小时后测定固化的砂浆组合物的载荷值。不锈钢套筒紧固在板上，而带螺纹的锚固杆则用螺母固定在测力装置上。在500N的预紧力和3mm/分钟的测试速率下，通过从中心拉出带螺纹的锚固杆来测定失效载荷。每个样品由五次拉出的平均值组成。最终失效载荷计算为内部强度，并在表3中以N/mm

表3：内部强度，单位为N/mm

从表34可以看出，本发明的系统在固化24小时后显示出相当大的内部强度。

多组分无机胶囊锚固系统在长时间段内还具有优异的机械性能，并且同时具有高载荷值，并且特别是其在井眼内、塔顶和水下的直接应用方面具有优势。